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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ventilsteuerung
eines Innenverbrennungsmotors sowie einen Motor, der mit einer solchen
Vorrichtung ausgestattet ist (siehe
US-A-5339777 ).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung geht von der Feststellung aus, dass eine solche
Steuervorrichtung hinsichtlich des Energieverbrauchs nicht optimiert
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Umsetzung verfügt
das Material mit einer remanenten und umkehrbaren Magnetisierung über eine
Koerzitiv-Feldstärke zwischen
50 und 500 Oersted.
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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.
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Dieses
Material wird vorzugsweise unter den Legierungen Eisen-Kobald-Vanadium oder
unter den Alniko Legierungen (Aluminium-Nickel-Kobald) mit geringen Koerzitiv-Feldstärken ausgewählt.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Anwendung ist das Material mit einer
remanenten und umkehrbaren Magnetisierung gewalzt.
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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.
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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.
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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:
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die 1,
die bereits beschrieben wurde, eine bekannte Vorrichtung zur Ventilsteuerung
darstellt,
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die 2a, 2b, 2c, 2d und 2e Schemata
sind, die die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung darstellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.