DE602005002752T2 - Elektromagnetische steuervorrichtung für ein ventil einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ventilsteuerung eines Innenverbrennungsmotors sowie einen Motor, der mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet ist (siehe US-A-5339777 ).
  • Die Ventile sind wesentliche Bestandteile von Innenverbrennungsmotoren. Sie ermöglichen den Betrieb letzterer durch das abwechselnde Ansteuern von zwei Positionen:
    Eine erste so genannte „offene" Position, durch die ein Austausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines Zylinders stattfinden kann, der mit diesem Ventil arbeitet, um beispielsweise Treibstoff in diesen Zylinder einzuspritzen.
  • Eine zweite so genannte „geschlossene" Position, durch die ein Austausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren dieses Zylinders unterbunden wird, um beispielsweise die Kompression des eingespritzten Treibstoffes zu ermöglichen.
  • In einem herkömmlichen Motor werden die Ventile über relativ komplexe mechanische Verbindungen mit dem Rest des Motors angetrieben. In letzter Zeit wurden Motoren mit elektrisch angesteuerten Ventilen entwickelt, wobei durch diese Art der Ansteuerung der Zeitpunkt der Öffnung und der Schließung des Ventils frei wählbar ist.
  • Eine solche Vorrichtung enthält Federn und zumindest einen oder zwei Elektromagneten, wobei letztere Steuersignale erhalten, um das entsprechende Ventil in der offenen oder geschlossenen Stellung zu positionieren.
  • Eine bekannte Vorrichtung dieses Typs wird in der 1 dargestellt. Sie enthält eine zylindrische Schraubenfeder 12, die einen Schaft 14 umgibt, der mit einem Ventil 10 verbunden ist, und die auf einer Seite auf einem Anschlag 16 aufliegt, die mit diesem Schaft 14 verbunden ist, und auf der anderen Seite auf einem Anschlag 18 aufliegt, der eine Öffnung 20 des Körpers des entsprechenden Zylinders 21 umgibt.
  • Mit dem Schaft 14 (oder Ventilstößel) wirkt ein weiterer Schaft 22 zusammen, auf dem eine Scheibe 26 aus magnetischem Material befestigt ist. Zwischen den Schäften 22 und 14 ist ein Spalt 24 vorgesehen, durch den der Schaft 22 eine Gleitbewegung ausführen kann, auch wenn der Schaft 14 starr bleibt, wenn sich der Schaft 22 in der oberen Anschlagsposition der 1 befindet.
  • Die Scheibe wird zwischen zwei Elektromagneten 28 und 30 angebracht, durch die der Schaft 22 führt. Diese beiden Elektromagneten 28 und 30 enthalten jeweils eine Spule, die im Schnitt der 1 in herkömmlicher Weise durch ein Kreuz dargestellt sind, und einen Magnetkreislauf 29 und 31 aus einem magnetischen Material. Das Ende 32 des Schaftes 22, das der Verbindung 24 gegenüber liegt, wirkt mit dem ersten Ende einer anderen Feder 34 zusammen.
  • Das zweite Ende dieser Feder 34 ist an einer Auflage 36 befestigt, die fest mit einem Chassis 37 verbunden ist. Die Federn 34 und 12 halten die Scheibe 26 in einem gleichen Abstand zu den beiden Elektromagneten 28 und 30, wenn diese beiden kein elektrisches Feld generieren. Diese Position kann eingestellt werden, indem man die Position der Auflage 36 im Verhältnis zum Chassis verändert.
  • Wenn der Elektromagnet 28 aktiviert wird, zieht er die Scheibe 26 an, und letztere tritt in Kontakt mit einem Teil des Magnetkreislaufs dieses Elektromagneten 28. Durch diesen Hub wird eine Gleitbewegung des Schaftes 22 und des Schaftes 14 – auf einer Ebene 27, die mit den Ebenen der Schäfte übereinstimmt – ausgelöst, sodass der Kopf 38 des Ventils 10 in den entsprechenden Ventilssitz geführt wird. Damit ist das Ventil also geschlossen.
  • Wenn der Elektromagnet 30 aktiviert wird, zieht letzterer die Scheibe 26 an, die in Kontakt mit einem Teil des Magnetkreislaufs dieses zweiten Elektromagneten tritt, wodurch der Schaft 22 und der Schaft 14 auf der Ebene 27 angetrieben wird, und sich der Kopf 38 entsprechend von seinem Sitz entfernt. Das Ventil 10 ist somit in der offenen Stellung.
  • Die Federn 12 und 34 beteiligen sich an der Bewegung der Schäfte 14 und 22, und werden je nach Bewegungsrichtung entweder zusammengedrückt oder auseinander gezogen, wodurch ein mitschwingendes elektromechanisches System entsteht.
  • In bestimmten Ausführungen sind die Magnetkreisläufe 29 und 31 der Elektromagneten aus Energiespargründen bei der Beibehaltung des Ventils in der offenen oder geschlossenen Stellung polarisiert, was soviel bedeutet, dass sie über einen Dauermagneten verfügen. Dieser ermöglicht eine magnetische Blockierung der Scheibe 26 jeweils in der offenen oder geschlossenen Stellung, wobei im jeweiligen Elektromagneten 28 oder 30 kein oder nur wenig Strom fließt. Dadurch ist es jedoch notwendig, beim Übergang von einer Stellung in die andere eine Kraft aufzuwenden, da es die Magnetkraft zu überwinden gilt, die vom Dauermagneten erzeugt wird. Eine solche Kraftaufwendung ist vom energetischen Standpunkt aus gesehen kostspielig.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Feststellung aus, dass eine solche Steuervorrichtung hinsichtlich des Energieverbrauchs nicht optimiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine Lösung für dieses Problem. Sie betrifft eine elektromechanische Vorrichtung zur Ventilsteuerung eines Innenverbrennungsmotors, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnetkreislauf des Elektromagneten und/oder die Scheibe ein magnetisches Material enthalten, das eine remanente Magnetisierung aufweist, wenn sich das Ventil in der offenen oder geschlossenen Stellung befindet. Die besagte remanente Magnetisierung ist dabei umkehrbar, sodass sie bei der Änderung der Position des Ventils annulliert wird, und eine Koerzitiv-Feldstärke zwischen 10 Oersted und 600 Oersted aufweist.
  • Die Materialien, die eine remanente und umkehrbare Magnetisierung aufweisen, werden im Allgemeinen halbharte Materialien oder Hysterese Materialien genannt. Die für die Erfindung verwendeten Materialien verfügen über eine erhöhte remanente Induktion und über eine Koerzitivität, die im Vergleich zu harten und weichen Materialien in der Mitte liegt. Denn die Hysterese eines magnetischen Materials wird durch zwei magnetische Größen bestimmt: die Koerzitiv-Feldstärke und die Induktion. Bei den weichen Materialien ist der Hysteresezyklus sehr eng gehalten, weshalb keine remanente Magnetisierung festgestellt werden kann. Ihre Koerzitiv-Feldstärke liegt oft unter 1 Oersted (80 A/m). Bei den Dauermagneten ist der Hysteresezyklus so breit wie möglich. Es ist spezifiziert, dass der Bereich der Dauermagneten bei den Materialien beginnt, die eine Koerzitiv-Feldstärke von zumindest 600 Oersted (5000 Ampere pro Meter) aufweisen.
  • Einer der Nachteile solcher Materialien ist jener, dass sie nur sehr schwer zu entmagnetisieren sind. Die andere magnetische Größe, die Induktion B, bezeichnet die Fähigkeit des Vorhandenseins einer induzierten Magnetisierung. Dabei ist verständlich, dass diese vorzugsweise im Sinne der Erfindung so hoch wie möglich ist.
  • Ein Material mit hohen Induktionswerten und einer mittleren Koerzitiv-Feldstärke kann somit remanent und umkehrbar magnetisiert werden. In Abhängigkeit vom Zeitpunkt während eines Öffnungs- und Schließzyklus des Ventils kann somit die Magnetisierung der Scheibe und/oder des Magnetkreislaufs des Elektromagneten verändert werden. Dadurch ist es möglich, bei der Beibehaltung der Position des Ventils eine magnetisierte Scheibe und/oder einen magnetisierten Magnetkreislauf zu haben. Diese Beibehaltung der Position ist somit ohne Strom oder mit geringem Strom im Elektromagneten erreichbar. Mit einer Koerzitiv-Feldstärke von 10 Oersted kann man bei den Ventilanwendungen das Ventil in einer Stellung halten. Eine solche Beibehaltung wird nicht einfach nur durch ein Material erreicht, das eine remanente Magnetisierung in der Art von harten Stählen (beispielsweise Kohlenstoffstahl) aufweist, die manchmal verwendet werden. Ein solcher Restmagnetismus ist jener, den man bei einem Stahlstück beobachten kann, das vorübergehend magnetisiert wird, und das beispielsweise Nägel anziehen kann. Mit einer solchen Koerzitiv-Feldstärke kann auch die Scheibe und/oder der Magnetkreislauf des Elektromagneten kurz vor dem Übergang von einer Stellung in eine andere entmagnetisiert werden, sodass beim Übergang kein größerer Kraftaufwand benötigt wird. Da für die Magnetisierungsänderung kein erhöhter Energieaufwand nötig ist, fällt der Verbrauch der Vorrichtung an elektrischer Energie im Vergleich zu einer bekannten Vorrichtung geringer aus.
  • Gemäß einer bevorzugten Umsetzung verfügt das Material mit einer remanenten und umkehrbaren Magnetisierung über eine Koerzitiv-Feldstärke zwischen 50 und 500 Oersted.
  • Ein solches selektives Intervall der Koerzitiv-Feldstärke, das besonders für Anwendungen im Zusammenhang mit Ventilsteuerungen geeignet ist, ermöglicht eine gute Beibehaltung der Position und senkt dabei den für die Entmagnetisierung des Materials eingesetzten Energieverbrauch auf ein Mindestmaß.
  • Dieses Material wird vorzugsweise unter den Legierungen Eisen-Kobald-Vanadium oder unter den Alniko Legierungen (Aluminium-Nickel-Kobald) mit geringen Koerzitiv-Feldstärken ausgewählt.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung ist das Material mit einer remanenten und umkehrbaren Magnetisierung gewalzt.
  • Die gewalzte Form erhält man, wenn das Material in Bandform hergestellt wird. Dies ist beispielsweise bei den FeCoVa der Fall. Durch die gewalzte Form können die Verluste durch induzierte Ströme verringert werden.
  • Bei einer Umsetzung der Erfindung erhält man die Positionierung des Ventils in einer zweiten Position (geschlossen oder offen) durch einen zweiten Elektromagneten, der auf die Scheibe einwirkt, wobei der Magnetkreislauf des zweiten Elektromagneten und/oder die Scheibe ein Material aufweisen, das über eine remanente und umkehrbare Magnetisierung verfügt.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung erkennbar, wobei letztere als beschreibend und keinesfalls als eingrenzend einzustufen ist, und sich auf die nachfolgenden Abbildungen bezieht, von denen:
  • die 1, die bereits beschrieben wurde, eine bekannte Vorrichtung zur Ventilsteuerung darstellt,
  • die 2a, 2b, 2c, 2d und 2e Schemata sind, die die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung darstellen.
  • Bei dem in den 2a bis 2e vorgestellten Beispiel ist die Scheibe jenes Bauteil der Vorrichtung, das ein Material mit einer remanenten und umkehrbaren Magnetisierung aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung enthält einen Elektromagneten 28 und eine Scheibe 26, die fest mit einem Ventil verbunden ist, das in den 2a bis 2e nicht dargestellt ist. Der Elektromagnet 28 enthält eine Spule, die auf den Querschnitten der 2a bis 2e durch zwei Kreuze dargestellt ist, und einen Magnetkreislauf 29 aus einem magnetischen Material.
  • Ohne Vormagnetisierung der Scheibe 26 und ohne Strom in der Spule, so wie dies in der 2a dargestellt ist, findet keine Kraftausübung zwischen der Scheibe 26 und dem Elektromagneten 28 statt.
  • Bei Einschalten des Stroms i in der Spule, so wie dies in der 2b dargestellt ist, entsteht ein Fluss Fb, der die Scheibe 26 aus halbhartem Material magnetisiert. Dadurch schafft die Scheibe ihrerseits und in Abhängigkeit von der Stromrichtung in der Spule einen so genannten remanenten Fluss Fp.
  • Bei Unterbrechung des Stroms in der Spule ermöglicht es der remanente Fluss Fp, der durch die remanente Magnetisierung der Scheibe 26 im Magnetkreislauf 29 des Elektromagneten 28 entsteht, eine nennenswerte Induktion im Magnetkreislauf 29 des Elektromagneten 28 beizubehalten, und somit eine elektromagnetische Kraft zwischen der Scheibe 26 und dem Elektromagneten 28 zu generieren. Diese Kraft ist praktisch unabhängig von der Stromstärke, mit der zuvor die Spule beaufschlagt wurde. Die Scheibe 26 kann somit ohne Strom oder mit geringem Strom genauso in Stellung gehalten werden, wie mit einer Scheibe, die eine Dauermagnetisierung aufweist.
  • Bei Anwendung eines Stroms in umgekehrter Richtung im Vergleich zum zuvor beschriebenen und auf die Spule angewandten Strom wird die Scheibe 26 entmagnetisiert. Der remanente Fluss Fp verschwindet somit. Es ist festzuhalten, dass sich die Scheibe bei zu hoher Stromanwendung, und gemäß des für diese Materialien typischen Phänomens der Hysterese, erneut entmagnetisieren wird, jedoch in umgekehrter Richtung im Vergleich zu den vorherigen Malen. Bei der angestrebten Anwendung ist diese Situation zu vermeiden, da sich die Scheibe 26 und der Elektromagnet 28 erneut anziehen würden. Durch die Kenntnis der Kenngrößen der Hystereseschleife des Materials kann dieser Fehler ganz einfach vermieden werden.
  • Bei Unterbrechung des entgegen gesetzten Stroms in der Spule befindet sich die Steuervorrichtung erneut in der Situation, die in der 2a dargestellt ist, das heißt ohne Vormagnetisierung oder mit eingeschränkter Vormagnetisierung und somit ohne ausgeübte Krafteinwirkung auf die Scheibe 26.
  • Durch die Anwendung eines umgekehrten Stroms auf die Spule kann somit die Scheibe 26 gelockert werden, wodurch sie wieder leicht zu bewegen ist, um den Übergang von einer Stellung in die andere zu ermöglichen. Somit ist nur ein geringer Kraftaufwand nötig, um den Übergang durchzuführen.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Magnetisierung der Scheibe durch den Fluss der Spule immer dann erfolgt, wenn die Scheibe vom Elektromagneten angezogen wird, beispielsweise beim Start oder bei einem Übergang. Während der Beibehaltung der offenen oder geschlossenen Stellung kann durch die remanente Magnetisierung der Palette eine nennenswerte Induktion im Magnetkreislauf beibehalten werden. Dadurch erhält man eine Haltekraft, die ausreichend sein kann, um die Beibehaltung der Position ohne Strom oder mit geringem Strom aufrecht zu erhalten. Zum Lösen der Scheibe, beispielsweise bei einem Übergang, wird ein Entmagnetisierungsstrom angewandt, um die Scheibe zu entmagnetisieren.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen vor allem in der Tatsache, dass man eine Beibehaltung der offenen oder geschlossenen Position entweder stromlos oder mit geringem Strom erhält, und dabei gleichzeitig kostengünstige Übergänge hinsichtlich des Energieverbrauches ermöglicht, da die Stromversorgung zum Zeitpunkt des Übergangs unterbrochen werden kann.
  • Der Stromanwendungszyklus auf die Spule, der durch die Stromstärke, die Stromrichtung und die Anwendungsdauer bestimmt wird, hängt vom gewünschten Zyklus zum Öffnen und Schließen des Ventils ab.
  • Wenn die Positionierung des Ventils beispielsweise gemäß einer nachfolgend dargestellten Umsetzung durch die Einwirkung eines zweiten Elektromagneten erreicht wird, der auf die Scheibe einwirkt, wird der Strom, der dazu bestimmt ist, durch den zweiten Elektromagneten zu fließen, mit dem negativen Strom, der durch den ersten Elektromagneten fließt, synchronisiert, um die Scheibe zu entmagnetisieren. In diesem Fall erfolgt der Übergang stromsparend, da die Scheibe vom ersten Elektromagneten in dem Augenblick gelöst wird, in dem sie dazu aufgerufen wird, sich zum zweiten Elektromagneten zu bewegen.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die halbharten Materialien eine scheinbar größere Durchlässigkeit aufweisen, als jene der Magneten. Dies bewirkt eine höhere Wirksamkeit der Spule. Des Weiteren birgt eine erfindungsgemäße Vorrichtung kein Risiko der unwiderruflichen Entmagnetisierung der Scheibe in sich, wobei sich ein solcher Fehler in Anwendungen besonders nachteilig auswirken kann, bei denen, so wie in einem Motor, die Zuverlässigkeit eine ganz besonders wichtige Rolle spielt.
  • In der Beschreibung der 2a bis 2e wurde die Erfindung mit einer Scheibe dargestellt, die aus einem halbharten Material gefertigt war. Gemäß einer besonderen Variante der Erfindung enthalten die Scheibe ein weiches magnetisches Material, und der Magnetkreislauf des Elektromagneten ein magnetisches Material mit remanenter und umkehrbarer Magnetisierung. Es kann jedoch auch ins Auge gefasst werden, dass die Scheibe und der Magnetkreislauf des Elektromagneten beide jeweils ein halbhartes magnetisches Material enthalten.
  • Die Positionierung des Ventils in einer zweiten Stellung kann beispielsweise auch durch Einwirkung bekannter und dabei vor allem mechanischer Mittel erreicht werden. In diesem Fall wird nur eine der beiden Stellungen, offen oder geschlossen, mit erfindungsgemäßen Mitteln eingenommen. Die andere Stellung kann beispielsweise durch eine Feder erreicht werden.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Ansteuern der Öffnung und der Schließung eines Ventils (38) eines Innenverbrennungsmotors, wobei die Positionierung des Ventils (38) in zumindest einer Stellung (offen oder geschlossen) durch das Einwirken eines Elektromagneten (28) mit einer Spule und einem Magnetkreislauf (29) erreicht wird, der auf eine Scheibe (26) einwirkt, die die jeweilige Positionierung des Ventils ansteuert; sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreislauf (29) des Elektromagneten (28) und/oder die Scheibe (26) ein magnetisches Material enthalten, das eine remanente Magnetisierung aufweist, wenn das Ventil (38) offen oder geschlossen ist, wobei die remanente Magnetisierung so umkehrbar ist, dass sie bei einer Änderung der Position des Ventils (38) verschwindet, und eine Koerzitiv-Feldstärke zwischen 50 Oersted und 500 Oersted aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Material, das eine remanente und umkehrbare Magnetisierung aufweist, unter Eisen-Kobalt-Vanadium Legierungen ausgesucht wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Material, das eine remanente und umkehrbare Magnetisierung aufweist, unter Aluminium-Nickel-Kobalt Legierungen mit einer schwachen Koerzitiv-Feldstärke ausgesucht wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Material, das eine remanente und umkehrbare Magnetisierung aufweist, gewalzt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Positionierung des Ventils in einer zweiten Stellung (geschlossen oder offen) durch das Einwirken eines zweiten Elektromagneten (30) erreicht wird, der auf die Scheibe (26) einwirkt, wobei der Magnetkreislauf (31) des zweiten Elektromagneten (30) und/oder die Scheibe (26) ebenfalls das besagte magnetische Material enthalten.
  6. Innenverbrennungsmotor, der eine Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.
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