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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektromagnetische Stellglieder, die dafür bestimmt sind, ein Ventil
translatorisch zu bewegen, um es abwechselnd in eine Öffnungsstellung
und eine Schließstellung
zu bringen. Sie findet eine besonders wichtige Anwendung bei der
Betätigung
von Ventilen eines Brennkraftmotors mit Funken- oder Kompressionszündung.
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Zur Zeit werden die Ventile des Großteils der Brennkraftmotoren
durch eine Nockenwelle betätigt, die
vom Motor angetrieben wird. Die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeiten
der durch die Nockenwelle betätigten
Ventile sind gering, wenn der Motor insbesondere beim Anlassen im
unteren Drehzahlbereich ist, was ungünstig für das Füllen der Brennkammern ist.
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Es wurden bereits elektromagnetische
Stellglieder vorgeschlagen (US-A-4 614 170), die es gestatten, die
obigen Nachteile zu reduzieren, und eine Ankerplatte aus ferromagnetischem
Material, der an der Ventilspindel befestigt ist, elastische Rückstellmittel,
die dafür
vorgesehen sind, das Ventil in einer Mittelstellung zwischen der
Position der vollständigen Öffnung und
der Schließstellung
in Ruhe zu halten, und elektromagnetische Mittel aufweisen, die
es gestatten, die Ventile abwechselnd in die zwei Stellungen zu
bringen. Die in dem Dokument US-A-4 614 170 beschriebenen elektromagnetischen
Mittel weisen einen ersten Elektromagneten mit ferromagnetischem
Kern auf, der auf einer Seite des Ankers platziert ist und dessen
Erregung den Anker in eine Richtung zieht, die auf das Schließen des
Ventils zielt, und einen zweiten Elektromagneten, der auf der anderen
Seite der Ankerplatte platziert ist und dessen Erregung darauf zielt,
das Ventil in die Stellung der völligen Öffnung zu
bringen.
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Die Einheit Ventil-Feder bildet ein
schwingendes System, das durch periodische, alternierende Versorgungen
der Elektromagnete erregt wird. Die Versorgung des Elektromagneten,
der auf die Ankerplatte in Richtung der Öffnung des Ventils wirkt, beginnt, sobald
die Ankerplatte einen Ort erreicht, an dem er an dem Kern des Elektromagneten
anzuliegen beginnt. Es ist bereits ein Ventilstellglied bekannt (DE-A-197
18 038), das eine Feder aufweist, die das Ventil zurückzieht,
sei es in dem Öffnungszustand, sei
es in dem Schließzustand.
Ein kurzer elektrischer Impuls, der an eine Spule angelegt wird,
gestattet es, einen mit dem Ventil verbundenen Anker bis zu einem
Ort vorzuschieben, an dem die Feder das Verbringen des Ventils in
den anderen Zustand abschließt.
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Das Dokument US-A-5394131 beschreibt ein
elektromagnetisches Stellglied mit einem Magneten, der einen Verschluss
und eine Spule tragen kann, die mit einem Strom in einer ersten
Richtung versorgt werden kann, um den Verschluss in eine Öffnungsstellung
zu bringen, und in einer entgegengesetzten Richtung, um den Verschluss
in die Schließstellung
zu bringen.
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Die Erfindung zielt insbesondere
darauf, ein Ventil mit elektromagnetischem Stellglied bereitzustellen,
das besser als die bisher bekannten den Erfordernissen der Praxis
genügt,
insbesondere weil das Stellglied einen reduzierten Raumbedarf und
einen reduzierten Anschluss aufweist.
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Hierzu wird ein Ventil mit Stellglied
nach Anspruch 1 vorgeschlagen. In seinem Anfangszustand in der Mittelstellung
weist die Ankerplatte im Allgemeinen ein Ungleichgewicht der Position
oder des magnetischen Kreises auf, die bewirkt, dass die Richtung,
in der sie bei der ersten Unterspannungsetzung gezogen wird, vorbestimmt
ist. Dieses Ungleichgewicht kann absichtlich hervorgerufen werden.
Wenn zum Beispiel die elastischen Rückstellmittel aus zwei Federn
bestehen, die jeweils auf einer Seite des Ankers platziert sind,
können
diese zwei Federn derart sein, dass sie der Ankerplatte in der Ruhe
eine Position verleihen, in der die aus der Speisung der Spule resultierende
Kraft in einer vorbestimmten Richtung wirkt, und dass sie die gleiche
potentielle Kompressionsenergie in der Schließstellung und in der Stellung der
völligen Öffnung aufweisen.
Eine vorteilhafte Art und Weise, um die nach oben und nach unten
ausgeübten
magnetischen Kräfte
ins Ungleichgewicht zu bringen, besteht darin, den Fluss in dem
mittigen Teil asymmetrisch zu machen, indem das Profil einer Aussparung
im Blech und/oder das Ankerprofil ausgenutzt wird.
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Um für eine Asymmetrie zu sorgen,
kann die Ankerplatte einen axialen Wulst umfassen. Eine andere Weise,
um eine Asymmetrie zu erzeugen, besteht darin, den Polen des ferromagnetischen
Kreises und die Ankerplatteplatte eine solche Form zu geben, dass
die in Kontakt befindlichen Oberflächen für die zwei stabilen Ableitungen
unterschiedlich sind.
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Das Stellglied mit Einzelspule ist
kompakter als die früheren
Stellglieder. Seine elektrische Abschaltung und seine Steuerung
sind einfacher und weniger teuer.
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Die obigen und weitere Merkmale,
die vorteilhafterweise in Verbindung mit den vorstehenden verwendbar
sind, aber auch unabhängig
verwendbar sind, werden durch das Studium der folgenden Beschreibung
von besonderen Ausführungsformen besser
offenbar werden, die im Sinne von Beispielen erfolgt, die keine
Einschränkung
darstellen.
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Die Beschreibung nimmt auf die folgenden beigefügten Zeichnungen
Bezug:
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1 zeigt
ein Ventilstellglied gemäß einer Ausführungsform
im Schnitt längs
einer Ebene, die durch die Achse des Ventils läuft;
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2 und 3 sind teilweise Schnitte
des elektromagnetischen Teils längs
der Linien II-II und III-III;
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4 und 5 zeigen Varianten der 1 bis 3;
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6 zeigt
schematisch den Ablauf der Schwingung des Ankers beim Start der
Vorrichtung.
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Das in den 1 bis 3 gezeigte
Stellglied 10 besteht aus einer Einheit, die an dem Zylinderkopf 12 eines
Motors angebracht werden soll. Es umfasst ein Gehäuse, das
aus mehreren Teilen 14 und 16 besteht, die aufeinandergesetzt
und durch nicht dargestellte Mittel, wie beispielsweise Schrauben,
zusammengefügt
sind. Diese Teile bestehen aus einem nicht ferromagnetischem Material,
beispielsweise einer Leichtmetalllegierung. Das Gehäuse kann
an dem Zylinderkopf 12 mittels eines Paßstücks 20 aus ebenso
nicht ferromagnetischem Material befestigt sein.
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Das Stellglied umfasst eine Ankerplatte 22 aus
einem vorteilhafterweise lamellierten ferromagnetischen Material,
um die Verluste zu reduzieren. Er ist an einem Antriebsschaft 24 des
Ventils 25 befestigt. Im Allgemeinen sind mehrere Ventile
Seite an Seite angebracht und für
jedes Stellglied ist in der Richtung senkrecht zu demjenigen der 1 nur eine geringe Breite
verfügbar.
Dies führt
dazu, der Ankerplatte eine rechtwinklige Form zu verleihen. Die Ankerplatte
kann sich in dem Teil 16 nicht drehen. Der Schaft 24 kann
an der Ankerplatte durch Schweißen
befestigt werden und durch einen Ring 26 geführt werden,
der an einem ringförmigen
Fortsatz des Teils 16 befestigt ist.
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In der dargestellten Ausführungsform
ist die Ventilspindel 25 von dem Schaft 24 getrennt.
Er wird durch einen an dem Zylinderkopf befestigten Ring geführt und
kann sich in diesem drehen.
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Zwei Rückstellfedern 28a und 28b sind
dafür vorgesehen,
das Ventil in der Ruhestellung in einer im Wesentlichen mittigen
Position zwischen der Schließposition
und der Position der vollen Öffnung zu
halten. Eine der Federn 28a ist zwischen einer Platte 30 komprimiert,
die an dem Schaft 24 und der Verlängerung des Teils 16 befestigt
ist. Die andere Feder 28b ist zwischen einer Platte 31 komprimiert, die
an der Ventilspindel und dem Boden des Ventilschachts befestigt
ist, der in dem Zylinderkopf ausgebildet ist. Das Spiel zwischen
dem gehobenen Schaft und dem geschlossenen Ventil gewährleistet
die Dichtheit. Das Stellglied kann ebenso gut mit einer einzelnen
Feder verwendet werden, die zwischen Zug/Kompression arbeitet und/oder
durch einen elastischen Dämpfer
ergänzt
wird, der die Dichtheit beim Schließen des Ventils gewährleistet,
wie in dem Französischen
Patent Nr. 98 11 670 angegeben ist, wodurch es ermöglicht wird.
Der Schaft kann dann mit dem Ventil ein einziges Stück bilden.
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Das Gehäuse enthält einen vorteilhafterweise
lamellierten Kern aus ferromagnetischem Material 36, der
einen ferromagnetischem Kreis mit der Ankerplatte schließt, und
eine in dem Kern platzierte Spule 38. Der dargestellte
Kern kann aus zwei komplementären
Teilen bestehen, die aneinander in einer Ebene 40 anliegen
(2) oder, kann einstückig sein.
Die jede der Hälften
des Kerns bildenden Bleche haben die Form eines E (2 und 3).
Die oberen Schenkel 42 greifen in die Spule 36 ein,
die sie mittels einer Wickelhülse
tragen. Die zwei anderen Schenkel jeder Hälfte begrenzen ein Hubvolumen der
Ankerplatte. Das Anliegen der Ankerplatte an dem Boden 46 des
Volumens definiert die Position der völligen Öffnung des Ventils. Die Decke 48 des Volumens
befindet sich relativ zu dem Ventilsitz an einem solchen Ort, dass
der Luftspalt praktisch Null ist, wenn das Ventil geschlossen ist.
In der Kammer kann eine mittlere Aussparung 49 vorgesehen
sein, die der Ruheposition der Platte 22 entspricht und
eine Länge hat,
die geringfügig
größer als
die Dicke der Platte ist. Über
und unter der Aussparung lässt
die Volumenwand nur das Spiel frei, das beim Hub notwendig ist. Der
Kern kann auch aus einem einzelnen Stück bestehen und auf einer automatischen
Maschine gewickelt werden, wodurch das Vorhandensein eines Luftspalts
vermieden wird und die Präzision
der Aussparungen 49 gewährleistet
wird.
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Bei der in 4 gezeigten
Ausführungsform weist
die vorteilhafterweise lamellierte oder aus einem Material mit hohem
elektrischem Widerstand bestehende Ankerplatte 22 parallel
zu den Polen des Kerns 36 abgeschrägte Ränder auf (4).
Bei dieser Anordnung wird die Ankerplatte in ihrem Arbeitsbereich
nicht magnetisch gesättigt
und der Fluss schleißt
sich, in dem er dank der Form der Polteil des Kerns hauptsächlich durch
den Anker fließt.
Bei einer weiteren Variante, die vorteilhaft ist, weil sie die Richtung
der anfänglichen
Bewegung der Ankerplatte 22 aus ihrer Ruhestellung bestimmt,
wird die Asymmetrie des oberen Flusskreises im Vergleich zum unteren
Flusskreis durch unterschiedliche Neigungen der oberen 80 und unteren
82 Polfläche
des Kerns betont, wobei jede einem Pol gegenüberliegende Oberfläche der
Ankerplatte zu diesem parallel ist.
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Bei einer weiteren in 5 gezeigten Ausführungsform
weist die Ankerplatte 84 einen mittigen spangenförmigen Wulst
auf, der die Asymmetrie des magnetischen Kreises erhöht. Wenn
die Ankerplatte 22 in der Ruheposition ist, in der sie
in 5 gezeigt ist, und
wenn durch die Spule 38 ein magnetischer Fluss erzeugt
wird, schließt
sich dieser Fluss auf dem Weg über
den Wulst 84, wie durch den Pfeil f angezeigt ist, wodurch
die Länge
des Luftspalts vermindert wird. Wenn die Ankerplatte in der oberen
Position an dem Kern anliegt, ist dieser Wulst kurzgeschlossen und
schwächt
die Haftkräfte
nicht. Diese Anordnung reduziert insbesondere die Reluktanz in der
Ruheposition und erhöht
die Leichtigkeit des Starts der Vorrichtung.
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Die von der Ankerplatte, dem Ventil
und der Feder gebildete Einheit bildet ein schwingendes System mit
einer Eigenfrequenz. Während
einer Anfangsphase des Betriebs wird das von der Ankerplatte und
dem Ventil gebildete bewegliche Organ durch Anlegen von elektrischen
Impulsen an die Spule mit einer Frequenz nahe der Eigenfrequenz
abwechselnd nach oben und nach unten gezogen. Die Spule 38 wird
anfangs während
einer Zeitdauer gespeist, die einem Bruchteil der Eigenperiode entspricht,
wodurch eine Bewegung der Ankerplatte mit geringer Amplitude bewirkt
wird. Wenn das System eine Asymmetrie aufweist, die hervorgerufen
werden kann durch:
- – eine asymmetrische Form der
Aussparungen 49,
- – eine
Asymmetrie der Ankerplatte und/oder
- – das
Vorhandensein eines Wulstes (5)
ist die anfängliche
Bewegungsrichtung der Ankerplatte vorbestimmt.
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Der Strom, der die Spule 38 durchläuft, kann gesteuert
werden, indem die Position der Ankerplatte 22 mittels eines
Positionsmessfühlers
beobachtet wird, der in der Vorrichtung integriert ist. Die Stromimpulse
in der Spule werden so angelegt, dass im Moment des Anlegens der
Kraft die Geschwindigkeit der Ankerplatte die gleiche Richtung wie
die angelegte Kraft hat. Da die Anfangskraft aufgrund der Asymmetrie
ein gegebenes Vorzeichen aufweist, genügt es, einen Impuls nur einmal
je Periode anzulegen.
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6 zeigt
eine Startphase der Vorrichtung. Anfangs ist die Ankerplatte in
einer Position, die der Linie L entspricht, in der sich die von
den Federn 28a und 28b ausgeübten Kräfte aufheben. Diese Position ist
relativ zu der Position L versetzt, für die die auf die Ankerplatte 22 durch
das in der Spule 38 erzeugte Feld ausgeübte Kraft Null ist. Der erste
Stromimpuls in der Spule 38 bewirkt eine Auslenkung der
Ankerplatte, die dann mit seiner Eigenperiode in eine Position zurückkehrt,
die allgemein noch über
der durch die Linie L' angezeigten ist. Das Verfolgen des Positionssignals
gestattet es, jederzeit die letzte Dauer T zu kennen, die zwei aufeinanderfolgende
Nulldurchgänge
trennt. Aus dem Augenblick eines Nulldurchgangs und der Dauer T
kann man den Zeitpunkt tA ableiten, in dem
ein Extremum erreicht ist. Aus dem nachfolgenden Nulldurchgangszeitpunkt
(Kreuzen der Linie L), der durch den Messfühler gegeben wird, kann man
einen optimalen Zeitpunkt zum Anlegen der Spannung ableiten, um
den Strom anwachsen zu lassen. Die Dauer des Anlegens sei zum Beispiel
diejenige, die in 6 durch αT gegeben
ist. Am Ende dieser Periode wird die Steuerspannung invertiert, um
den Strom abnehmen zu lassen. Die Verzögerung beim Anlegen der Spannung
sowie der Invertierungszeitpunkt werden in Abhängigkeit von der Kapazität des schnell
zu variierenden Stroms in der Spule gewählt. In der Praxis kann man
die Spannung oft unmittelbar nach dem Durchgang durchs Extremum
A anlegen. Die Inversion der Spannung nach dem Zeitintervall αT gestattet
es, dass der Strom abnimmt bevor das Extremum B erreicht wird, in
dem sich die Geschwindigkeit umdreht. Der Strom muss in diesem Moment
auf Null zurückgekehrt
sein, um ein Bremsen des beweglichen Organs zu vermeiden.
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Das Verfahren wird fortgesetzt, bis
die Amplitude der Bewegung derart ist, dass die Ankerplatte an dem
Zylinderkopf zur Anlage kommt. Ab diesem Moment und im konstanten
Drehzahlbereich genügt es,
die Spule mit voller Last nur während
der Zeit zu betreiben, die notwendig ist, um das beweglich Organ
in seine Extremposition zu bringen, und dann mit einem geringeren
Haltestrom zu betreiben bis die Bewegung des beweglichen Organs
in die andere Richtung bewirkt wird.
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In 2 ist
der Messfühler 52 mit
einem Rechner 50 verbunden, der die Versorgung der Spule 38 durch
einen Verstärker 54 steuert.
Dieser Messfühler 52 kann
von einem Gehäuse 16 getragen
werden, und nach unten vorstehen, so dass er die Annäherung der
Platte 30 erfasst, die hierzu aus einem magnetischen Material
besteht. Aus dem Ausgangssignal des Messfühlers 52 ermittelt
der Rechner 50, der der Steuerrechner des Motors sein kann,
die durch das bewegliche Organ erreichte Position.
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Der Messfühler 52 gestattet
es ebenso, durch die Variation des Signals, das er liefert, den Zeitpunkt
zu ermitteln, in dem die Amplitude der Schwingung des beweglichen
Organs ihre Extremstellung erreicht.
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Von da ab kann die Steuerung durch
Mittel der Art durchgeführt
werden, die in dem Patent FR 98 12940 der Anmelderin beschrieben
sind.
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Der Start kann mittels der Verknüpfung des Positionsmessung
und eines Algorithmus zur Ingangsetzung des Ankerplatte, der den
Strom in der Spule so steuert, dass niemals magnetische Reibungskräfte erzeugt
werden, allgemein in minimaler Zeit durchgeführt werden.
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Für
die Erfindung sind zahlreiche Ausführungsform möglich. Die
Federn 28a und 28b können zum Beispiel ineinander
platziert werden, um den Raumbedarf des Gehäuses zu reduzieren. Jede Spule
kann aus eine Anzahl von Wicklungen N größer als 1 bestehen (zum Beispiel
zwei oder drei), die parallel versorgt werden, wodurch der Widerstand um
N geteilt wird und der maximale Gesamtstrom erhöht wird und wodurch die Induktanz
durch N geteilt wird. Die elektrische Trägheit wird vermindert. Die Dynamik
des Systems Motor wird verbessert. Der Bruch eines Wicklungsdrahtes
setzt die Vorrichtung nicht außer
Betrieb. Die Dynamik wird verbessert: das magnetische Feld kann
schnell verändert
werden, weil das Verhältnis
Induktanz/Widerstand unverändert
bleibt, während
der Widerstand jeder Wicklung ein Bruchteil des Widerstandes einer
Einzelspule ist: der maximale Stromwert ist höher und da die Induktanz geringer
ist, ist die Dynamik schneller.