EP1029159A1

EP1029159A1 - Elektromagnetischer aktuator zur betätigung eines gaswechselventils

Info

Publication number: EP1029159A1
Application number: EP98951332A
Authority: EP
Inventors: Hans Gander; Frank Kirschbaum; Günter STÖHR
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-08-29
Publication date: 2000-08-23
Also published as: DE19744714C1; WO1999019609A1; US6274954B1

Abstract

Die Erfindung geht von einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils aus. Dieser besitzt sowohl einen Öffnungsmagneten als auch einen Schließmagneten, zwischen denen ein mit einem Ventilschaft verbundener Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist. Durch eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder wird der Anker bei stromlosem Zustand der Magnete in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten. Um den Aktuator besser regeln zu können, ist mit einem Ventilschaft des Gaswechselventils eine koaxial zu diesem angeordnete Tauchspule verbunden. Diese taucht in einen radial magnetisierten Luftspalt eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten ein.

Description

Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine variable Steuerung von Gaswechselventilen kann den Wirkungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen bei Brennkraftmaschinen wesentlich verbessern. Hierzu dienen elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung der Gaswechselventile. Sie besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, nämlich einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen sich ein Anker koaxial zu der Längsachse des Gaswechselventils bewegen kann. Der Anker wirkt direkt oder über eine Ankerbolzen auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Mas- senschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meistens zwei vorgespannte Druckfedern, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder belastet das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung. Bei stromlosen Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten, die in der Regel aus energetischen Gründen der Mittellage zwischen den Polflächen der Magnete entsprechen sollte. Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt, um den Anker aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder es läuft eine Anschwingungsroutine ab, bei der die Magnete wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil und den Anker in Schwingungen zu versetzen, bis der Anker von einem Magneten eingefangen werden kann. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker wird von der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder verzögert und schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an, wo er von dieser festgehalten wird. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Der Schließvorgang läuft in entsprechender Weise wie der Öffnungsvorgang ab.

Aus der DE 3024109 C2 ist ein elektromagnetisch betätigtes Gaswechselventil für Brennkraftmaschinen bekannt. Zwischen einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten ist ein Anker von mindestens zwei Federn nach dem Prinzip eines Feder- masseschwingers gehalten. Der Anker, der mit dem Ventilschaft des Gaswechselventils verbunden ist, wird beim Schließen des Gaswechselventils vom Schließmagneten angezogen, indem eine Öffnungsfeder vorgespannt wird. Öffnet das Steuerventil, wird der Schließmagnet stromlos geschaltet und die Öffnungsfeder bringt das Gaswechselventil unter Mitwirkung des erregten Öffnungsmagneten in die Öffnungslage. Um den Energiebedarf und den Verschleiß zu minimieren sowie einen beliebigen gewünschten Öffnungsverlauf des Gaswechselventils zu erreichen, ist ein geregelter Betrieb des Aktua- tors anzustreben. Eine Regelung ist bei den bekannten Aktuatoren schwierig, weil während der Flugphase auf den Anker über einen großen, sich ständig ändernden Luftspalt hinweg Kräfte ausgeübt werden müssen. Dies führt zu hohen Ansteuer- strömen der Magnete und starken Nichtlinearitäten. Gleichzeitig kann eine Position und Geschwindigkeit des Ankers nur mit hohem Aufwand bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelbarkeit eines Aktuators nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu verbessern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung wird das bekannte Aktuatorprinzip durch einen Tauchspulenantrieb erweitert, der während der Flugphase als Stellglied und Geschwindigkeitssensor dient. Hierzu ist mit dem Ventilschaft eines Gaswechselventils eine koaxial zu diesem angeordnete Tauchspule verbunden, die sich während der Bewegung des Ventiischafts stets in einem radial magnetisierten Luftspalt eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten befindet, d.h. ein Teilbereich der Tauchspule befindet sich zu jeder Zeit im Luftspalt. Die bei homogenem Wicklungsaufbau im Luftspalt wirksame Anzahl von Spulenwindungen bleibt immer gleich, d.h. wie weit die Tauchspule in den Luftspalt eintaucht ist unerheblich. Der feidwirksame Abschnitt der Tauchspule in dem Luftspalt ist unabhängig vor_¬ der Stellung des Ve tiischaftes . Dadurch bleibt das System- verhalten konstant und ändert sich nicht mit dem Ankerhub.

Um mit dem Öffnungsmagneten bzw. Schließmagneten während des Fluges die Geschwindigkeit des Ankers beeinflussen zu können, muß ein breiter, sich ständig ändernder Luftspalt magneti- siert werden. Dies führt zu einem hohen Strombedarf bei extrem nicht linearen Verhältnissen. Mit dem ergänzenden Tauchspulenantrieb nach der Erfindung kann während der Flugphase bei einem minimalen konstanten Luftspalt und einer linearen Abhängigkeit der Kraft vom Strom auf den Anker Kraft ausgeübt und so dessen Flug geregelt werden. Dabei wird je nach Strom- und Bewegungsrichtung dem System Energie zugeführt, wobei der Anker beschleunigt wird, oder Energie entzogen, wodurch der Anker gebremst wird. Gleichzeitig kann die in der Tauchspule induzierte Spannung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung benutzt werden, um die Geschwindigkeit des Gaswechselventils zu erfassen und gegebenenfalls daraus die Position zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Tauchspulenanordnung dient also sowohl als lineares Stellglied als auch der Geschwindigkeitsmessung und erleichtert so einen geregelten Betrieb des Ak- tuators.

Sind der Ventilschaft oder seine Lagerflachen aus einem Material mit einer hohen Permeabilität gefertigt, ist es vorteilhaft, daß die Tauchspule radial innerhalb des Permanentmagneten liegt. Ist dagegen die Permeabilität des Materials niedrig, ist es günstig, wenn die Tauchspule radial außerhalb des Permanentmagneten liegt. Diese Variante hat den Vorteil, durch die größere, sich im Magnetfeld befindliche Leiterlange eine höhere Kraft entwickeln zu können.

Der Tauchspulenantπeb liegt zweckmäßigerweise auf der dem Ventilteller zugewandten Seite des Aktuators, also auf der Seite des Öffnungsmagneten, er kann edoch auch auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Aktuators angeordnet werden, wenn der Ventilschaft durch den Anker und den Aktuator geführt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, auf beiden Seiten des Aktuators Tauchsoulenantriebe anzuordnen. Die in der Tauchspule bei der Bewegung im Magnetfeld des Permanentmagneten induzierte Spannung wird zweckmäßigerweise als Meßsignal einer elektronischen Regeleinrichtung mit einem Mikroprozessor zugeführt, in der die Signale mit weiteren Parametern und Kenngrößen zu entsprechenden Steuer- und Regelgrößen verarbeitet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale m Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmaßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querscnnitt durcn einen erfin- dungsgem ßen Aktuator mit einer auf Kleinem Radius liegenden Tauchspule und

Fig. 2 eine Variante nach Fig. 2 rr.it einer auf einem großen Radius liegenden Tauchspule.

Ein Aktuator 1 besitzt einen oberen Schließmagneten 2 und einen unteren Öf nungsmagneten 3, die in erregtem Zustand auf einen Anker 6 wirken. Dieser ist m t einem Ventilschaft 8 eines Gaswechselventils 7 verbunden und wird von einer oberen Ventilfeder 4 und einer unteren Ver.t lfeαer 5 m einer Gleichgewichtslage gehalten, solange die Magnete 2 und 3 stromlos sind. Wird der Aktuator i oei Start aktiviert, wird entweder der Sc iießmagnet 2 oder αer Offnungsmagnet 3 kurzzeitig übererregt, um den Anker 6 aus der Gleichsgewichtslage anzuziehen oder es läuft eine Anschwmgungsroutme ab, bei der die Magnete 2 und 3 wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil 7 und den Anker 6 in Schwingungen zu versetzen bis der Anker 6 von einem Magneten 2 oder 3 eingefangen werden kann. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 7 liegt der Anker 6 an dem erregten Schließmagneten 2 an. Der Schließmagnet 2 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 4 weiter vor. Wird der Schließmagnet 2 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet, schwingt der Anker zum Öffnungsmagneten 3 und ein Ventilteller 9 des Gaswechselventils 7 hebt von einem nicht dargestellten Ventilsitz ab, so daß das Gaswechselventil 7 öffnet.

Ein Tauchspulenantrieb, der einen ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten 10 und eine Tauchspule 12 umfaßt, ist auf der dem Ventilteller 9 zugewandten Seite des Aktuators 1 angeordnet. Dabei ist der Permanentmagnet 10 im Aktuator 1 integriert, während die Tauchspule 12 an einem Bund 15 des Ventilschafts 8 befestigt ist. Die Tauchspule 12 taucht in einen sich axial erstreckenden, durch den Permanentmagneten 10 radial magnetisierten Luftspalt 11 ein. Über die Tauchspule 12 kann dem System Energie zugeführt oder entzogen werden, wodurch die Bewegung des Gaswechselventils 7 beschleunigt bzw. verzögert wird.

Bei der Bewegung der Tauchspule 12 im Magnetfeld des Permanentmagneten 10 wird in der Tauchspule 12 eine Spannung induziert, die zwischen zwei aus der Tauchspule 12 herausgeführten Steuerleitungen 13 anliegt. Das Signal der Spannung wird über die Steuεriεitungen 13 einer elektronischen Regelεinheit 14 mit einem Mikroprozessor zugeführt. Diese Signale werden in der Regeleinheit 14 mit anderen Parametern zu entsprechenden Steuer- und Regelgrößen verarbeitet und als Stellgrößen dem Aktuator 1 und/oder der Tauchspule 12 zugeführt. Erst bei einer Belastung durch passive oder aktive elektrische Bauteile in der Regelεinheit 14 fließt ein Strom in der Tauchspule 12.

Claims

Patentansprüche

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils, der sowohl einen Öffnungsmagneten als auch einen Schließmagneten besitzt, zwischen denen ein mit einem Ventilschaft verbundener Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist und durch eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder bei stromlosem Zustand der Magnete in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß mit dem Ventilschaft (8) eine koaxial zu diesem angeordnete Tauchspule (12) verbunden ist, die in einen radial magnetisierten Luftspalt (11) eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagneten (10) eintaucht.

2. Aktuator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Tauchspule (12) radial innerhalb des Permanentmagneten (10) liegt.

3. Aktuator nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Tauchspule (12) radial außerhalb des Permanentmagneten (10) liegt.

4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die in der Tauchspule (12) induzierte Spannung zur Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit des Ventilschafts (8) dient.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die in der Tauchspule (12) induzierte Spannung als Signal für eine elektronische Regeleinrichtung dient.

6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der Permanentmagnet (10) im Aktuator (1) integriert ist und sich zum Ventilteller (9) hin an den Öffnungsmagneten (3) anschließt.

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