WO2000077350A1 - Elektromagnetischer aktuator zur betätigung eines brennkraftmaschinen-hubventiles - Google Patents

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WO2000077350A1
WO2000077350A1 PCT/EP2000/003835 EP0003835W WO0077350A1 WO 2000077350 A1 WO2000077350 A1 WO 2000077350A1 EP 0003835 W EP0003835 W EP 0003835W WO 0077350 A1 WO0077350 A1 WO 0077350A1
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armature
shaft
electromagnetic actuator
armature shaft
sections
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Wolfgang Hundt
Torsten Eder
Hanspeter Zink
Volker Warnecke
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • Electromagnetic actuator for actuating an internal combustion engine lift valve
  • the invention relates to an electromagnetic actuator for actuating an internal combustion engine lift valve with an armature which moves between two magnetic coils and which carries an armature shaft which is guided in the actuator and which acts on the stem of the lift valve with an end section.
  • an electromagnetic actuator for actuating an internal combustion engine lift valve with an armature which moves between two magnetic coils and which carries an armature shaft which is guided in the actuator and which acts on the stem of the lift valve with an end section.
  • An electromagnetic globe valve actuation device for an internal combustion engine also called an electromagnetic actuator
  • an electromagnetic actuator has immense advantages because of the freedom with regard to the valve timing, ie with regard to the respective opening and closing times of the globe valves, but relatively high forces have to be applied for actuation, in particular for opening the globe valve , which requires a certain minimum size of solenoids and armatures.
  • Systems of this type which require a large amount of installation space, cannot, however, be easily accommodated in the space available in an internal combustion engine.
  • systems of this type which, due to their design, introduce high reaction forces during their operation into the structure of the internal combustion engine, must be considered unfavorable with regard to the emission of noise emissions.
  • the present invention is intended to demonstrate a measure which contributes to solving the problems just described.
  • the solution to this problem is characterized in that the anchor shaft consists at least in sections of a material whose specific weight is significantly less than that of steel.
  • Advantageous training and further education are included in the subclaims.
  • the armature shaft guiding the armature in the actuator and thereby transmitting its oscillating movement to the internal combustion engine lift valve is to be made at least in sections from a relatively light material in order to keep the mass to be moved by the actuator as low as possible.
  • This measure makes it possible to dimension the actuator magnet coils smaller than when using, for example, an armature shaft made entirely of steel. Furthermore, with a smaller moving mass in the actuator, there are inevitably lower reaction forces which are introduced into the internal combustion engine structure surrounding the actuator, so that reduced noise emissions occur simultaneously with the measure according to the invention.
  • Examples of preferred materials which are suitable for an anchor shaft with the features of the characterizing part of claim 1 are titanium or titanium alloys and ceramic materials, all of which have a further advantageous property, namely an extremely low (magnetic) relative permeability.
  • This (known) measurand defines the ferromagnetic property of a material, ie whether a material is a magnetic conductor or a magnetic non-conductor.
  • On an electromagnetic actuator for actuating an internal combustion engine lift valve it may be additionally desirable to be able to determine the respective position of the oscillating armature, for which purpose contactless, in particular inductive, measuring systems can be used.
  • Such a measuring system is preferably arranged near the end section of the armature shaft opposite the shaft of the lifting valve.
  • the armature shaft at least in the area of this inductive measuring system from a material which (at least with regard to the magnetic field strengths occurring in this application) essentially is a magnetic non-conductor.
  • the permeability of the material used in this anchor shaft area should therefore be close to that of, for example, air or vacuum.
  • different sections of the anchor shaft can consist of different materials, each of which is essentially selected with regard to the requirements relevant to these sections.
  • the individual sections of the anchor shaft are more or less long stumps which are lined up and assembled to form the anchor shaft.
  • the reference numeral 1 denotes the armature (also referred to as the armature plate) of an electromagnetic actuator, with which an internal combustion engine lift valve, not shown, is actuated, ie opened (and closed).
  • the entire system is analogous to the known one (and for example in The prior art shown in more detail above) is designed as a mechanical oscillator, ie suitable spring elements are also provided, which also cause the desired movement of the armature 1 and the lifting valve.
  • the latter is supported with the free end of its valve stem on the free end face of the lower end section 2a of an anchor shaft 2 attached to the armature 1.
  • the armature 1 and with it the armature shaft 2 and the internal combustion engine lift valve is moved in an oscillating manner along the axis 3 of the armature shaft 2 according to the direction of the arrow 4, this movement being arranged above and below the armature 1 and thereby the not shown here for the sake of simplicity
  • Anchor shaft 2 surrounding electro-magnetic coils is initiated and maintained.
  • the magnetic forces generated by the magnetic coils act alternately on the armature 1 (or on the armature plate 1).
  • the armature 1 is guided longitudinally displaceably via its armature shaft 2 in guide bushes (not shown) provided in the actuator (in the direction of the arrow 4).
  • the anchor shaft 2 shown here and now described in more detail is composed of different sections 2a to 2e, viewed in the direction of its longitudinal axis 3, each of which may or may consist of different materials. These materials are each selected essentially with regard to the requirements applicable to these sections 2a - 2e.
  • the lower end section 2a already mentioned above is preferably extremely hard in order to have optimal wear and sliding properties with regard to the point-like contact with the stem of the internal combustion engine lift valve.
  • preferred materials for this lower end section 2a are in particular hardened steels (valve steel, roller bearing steel) or other hard metals, such as tungsten carbide.
  • central armature shaft sections 2d via which the armature shaft 2 is connected to the armature 1.
  • the material for these central anchor shaft sections 2d is therefore selected with a view to enabling a simple and secure connection between the anchor shaft 2 and the anchor 1.
  • This connection is preferably a welded or soldered connection.
  • the material of the central anchor shaft sections 2d should therefore be readily weldable or solderable, so that low-alloy steels can in principle be used for these central anchor shaft sections 2d.
  • a material can also be selected which, owing to its properties, allows this section 2d of the anchor shaft 2 to be preferably formed at least in regions with a cross section which is reduced compared to the rest of the region of the anchor shaft 2.
  • a reduced cross-section not only enables a further reduction in the masses moved (in the actuator), but can additionally give the anchor shaft 2 a certain flexibility in this area.
  • This reduction in cross section can be designed in the form of a circumferential groove and acts as a kind of joint in the anchor shaft 2.
  • So-called guide sections 2c of the anchor shaft 2 adjoin the two central anchor shaft sections 2d along the longitudinal axis 3 in the direction of the two ends of the anchor shaft 2.
  • the armature shaft 2 is guided in guide bushes (already mentioned above, not shown here for the sake of simplicity), which are integrated in the actuator or in its housing.
  • the material used for the guide sections 2c should be relatively hard in order to achieve optimal wear and sliding properties.
  • preferred materials for these guide sections 2c are hardened steels, such as valve steel or roller bearing steel, as well as suitable ceramics, such as SiN for good toughness or Al 2 O 3 for particularly good wear resistance.
  • a spring plate section 2b viewed along the longitudinal axis 3 in the direction of the lower end section 2a of the anchor shaft 2, adjoins the lower guide section 2c here.
  • a spring plate (not shown) is fastened to this spring plate section 2b, on which one of the spring elements already mentioned above, which form the oscillatory actuator system, is supported.
  • the attachment of this dertellers can be carried out as is customary in the spring plates of internal combustion engine lift valves, that is to say, for example, by means of cone pieces provided with three circumferential lugs, a corresponding number of grooves (not shown) receiving these lugs being provided in this spring plate section 2b of the anchor shaft 2.
  • this spring plate section 2c should have hard and tough properties; Examples of preferred materials for this spring plate section 2b are therefore typical martensitic materials, such as, for example, valve steel.
  • the upper guide section 2c here adjoins along the longitudinal axis 3 in the direction of the upper free end of the anchor shaft 2, viewed in this case a so-called sensor section 2e forming its upper end.
  • an inductively working measuring system (not shown in the figure) is provided in or on the actuator, with the aid of which the current position of the armature 1 (or more precisely the armature shaft 2, ie its sensor section 2e) can be determined.
  • the sensor section 2e of the armature shaft 2 should be essentially non-magnetic, ie the sensor section 2e should not be magnetizable by the electro-magnetic coils actuating the armature 1.
  • the relative permeability of the material for the sensor section 2e is considerably lower than that of steel (or nickel or cobalt) and preferably close to that of air or other non-magnetic materials, ie the material for this sensor section 2e is essentially a magnetic non-conductor, at least with regard to the magnetic field strengths that occur here.
  • preferred materials for this sensor section 2e are titanium or titanium alloys or ceramic materials, but also austenitic steel as well Aluminum, all ceramics and alloys made of titanium, aluminum and magnesium.
  • the material of at least one, but preferably several of the described sections 2a to 2e of the anchor shaft 2 also has a specific weight, which is significantly lower than that of steel.
  • the term "essential” stands for an order of magnitude of at least 15%, ie the specific weight of the material of at least one of the sections 2a - 2e mentioned should be at least 15% below the specific weight of steel.
  • the different materials of the respectively adjacent sections 2a to 2e can be produced, for example, by various welding processes, such as eg friction welding, laser beam welding, Soldering or capacitor discharge welding can be connected to each other.
  • welding processes such as eg friction welding, laser beam welding, Soldering or capacitor discharge welding can be connected to each other.
  • other common connection techniques are also possible, for example screwing, gluing or pouring.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Anker, der einen Ankerschaft trägt, welcher im Aktuator geführt ist und mit einem Endabschnitt auf den Schaft des Hubventiles einwirkt. Erfindungsgemäss besteht der Ankerschaft zumindest abschnittsweise aus einem Material, dessen spezifisches Gewicht geringer als dasjenige von Stahl ist. Ist am elektromagnetischen Aktuator nahe des anderen Endes des Ankerschaftes ein induktiv arbeitendes Messsystem zur Ermittlung der Position des Ankers vorgesehen, so besteht der Ankerschaft zumindest im Bereich dieses Messsystemes aus einem Material, dessen relative Permeabiltät erheblich geringer als diejenige von Stahl ist. Bevorzugt ist der Ankerschaft vollständig oder teilweise in Titan oder einer Titanlegierung oder in Keramik ausgebildet.

Description

Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschi- nen-Hubventiies
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnet- spulen oszillierend bewegten Anker, der einen Ankerschaft trägt, welcher im Aktuator geführt ist und mit einem Endabschnitt auf den Schaft des Hubventües einwirkt. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 196 11 547 A1 verwiesen.
Eine elektromagnetische Hubventil-Betätigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, auch elektromagnetischer Aktuator genannt, hat wegen der Freiheit hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten, d.h. hinsichtlich des jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunktes der Hubventile immense Vorteile, jedoch müssen zum Betätigen, insbesondere zum Öffnen des Hubventües relativ hohe Kräfte aufgebracht werden, was eine gewisse Mindestgröße von Magnetspulen und Anker erforderlich macht. Derartige Systeme mit hohem Bauraumbedarf können aber nicht ohne weiteres im in einer Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Raum untergebracht werden. Weiterhin müssen derartige Systeme, die bauartbedingt hohe Reaktionskräfte während ihrer Funktion in die Struktur der Brennkraftmaschine einleiten, als ungünstig im Hinblick auf die Abstrahlung von Geräuschemissionen angesehen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Maßnahme aufgezeigt werden, die zur Lösung der soeben geschilderten Problematik beiträgt . Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft zumindest abschnittsweise aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht wesentlich geringer als dasjenige von Stahl liegt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß soll der den Anker im Aktuator führende und dabei dessen oszillierende Bewegung auf das Brennkraftmaschinen-Hubventil übertragende Ankerschaft zumindest abschnittsweise aus einem relativ leichten Material gefertigt sein, um die vom Aktuator zu bewegende Masse so gering als möglich zu halten. Diese Maßnahme erlaubt es, die Aktuator-Magnetspulen kleiner zu dimensionieren als bei Verwendung eines bspw. vollständig aus Stahl gefertigten Ankerschaftes. Ferner stellen sich bei geringerer bewegter Masse im Aktuator zwangsläufig geringere Reaktionskräfte ein, die in die den Aktuator umgebende Brennkraftmaschinen-Struktur eingeleitet werden, so daß mit der erfindungsgemäßen Maßnahme gleichzeitig verringerte Geräuschemissionen auftreten.
Als Beispiele für bevorzugte Materialien, die für einen Ankerschaft mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 in Frage kommen, seien Titan oder Titanlegierungen sowie keramische Werkstoffe genannt, die alle eine weitere vorteilhafte Eigenschaft, nämlich eine äußerst geringe (magnetische) relative Permeabilität besitzen. Diese (bekannte) Meßgröße definiert die ferromagnetische Eigenschaft eines Materials, d.h. ob ein Material ein magnetischer Leiter oder ein magnetischer Nicht-Leiter ist. An einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftma- schien-Hubventiles kann es nämlich zusätzlich erwünscht sein, die jeweilige Position des oszillierend bewegten Ankers bestimmen zu können, wozu be- vorzugt berührungsiose, insbesondere induktiv arbeitende Meßsysteme zum Einsatz kommen können. Bevorzugt wird ein derartiges Meßsystem nahe des dem Schaft des Hubventües entgegengesetzten Endabschnittes des Ankerschaftes angeordnet. Um nun das Meßsystem nicht durch eine Magnetisierung des Ankerschaftes in diesem Meßbereich zu stören, wird wei- terhin vorgeschlagen, den Ankerschaft zumindest im Bereich dieses induktiven Meßsystemes aus einem Material zu fertigen, das (zumindest hinsichtlich der in diesem Anwendungsfali auftretenden magnetischen Feldstärken) im wesentlichen ein magnetischer Nicht-Leiter ist. Die Permeabilität des in diesem Ankerschaftbereich verwendeten Materials soll also nahe derjenigen von bspw. Luft oder Vakuum liegen.
Im Sinne einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können verschiedene Abschnitte des Ankerschaftes aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die jeweils im wesentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte relevanten Anforderungen ausgewählt sind. Bei den einzelnen Abschnitten des Ankerschaftes handelt es sich dabei um mehr oder weniger lange Wellenstümpfe, die aneinandergereiht und zusammengesetzt den Ankerschaft bilden. Anhand der beigefügten und im folgenden beschriebenen Prinzipskizze wird nun ein derartiges bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin- düng beschrieben.
Mit der Bezugsziffer 1 ist der Anker (auch Ankerplatte genannt) eines elektromagnetischen Aktuators bezeichnet, mit welchem ein nicht dargestelltes Brennkraftmaschinen-Hubventil betätigt, d.h. geöffnet (und geschlossen) wird. Das gesamte System ist dabei analog dem bekannten (und bspw. in der eingangs genannten Schrift ausführlicher gezeigten) Stand der Technik als mechanischer Schwinger ausgebildet, d.h. es sind auch geeignete Federelemente vorgesehen, die die jeweils gewünschte Bewegung des Ankers 1 sowie des Hubventües mit hervorrufen. Letzteres stützt sich dabei mit dem freien Ende seines Ventiischaftes an der freien Stirnseite des hier unteren Endabschnittes 2a eines bzw. des am Anker 1 befestigten Ankerschaftes 2 ab. Somit wird der Anker 1 und mit diesem der Ankerschaft 2 sowie das Brennkraftmaschinen-Hubventil längs der Achse 3 des Ankerschaftes 2 gemäß Pfeilrichtung 4 oszillierend bewegt, wobei diese Bewegung durch hier der Einfachheit halber nicht dargestellte, oberhalb sowie unterhalb des Ankers 1 angeordnete und dabei den Ankerschaft 2 umgebende Elektro- Magnetspulen initiiert und aufrechterhalten wird. Die von den Magnetspulen erzeugten Magnetkräfte wirken hierzu alternierend auf den Anker 1 (bzw. auf die Ankerpiatte 1) ein. Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewie- sen, daß der Anker 1 über seinen Ankerschaft 2 in im Aktuator vorgesehenen (nicht gezeigten) Führungsbuchsen gemäß Pfeilrichtung 4 längsverschiebbar geführt ist.
Der hier gezeigte und nun näher beschriebene Ankerschaft 2 ist in Richtung seiner Längsachse 3 betrachtet aus verschiedenen Abschnitten 2a bis 2e zusammengesetzt, die jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen bzw. bestehen können. Diese Materialien sind dabei jeweils im wesentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte 2a - 2e zutreffenden Anforderungen ausgewählt. So ist der weiter oben bereits erwähnte untere Endabschnitt 2a bevorzugt extrem hart ausgebildet, um optimale Verschleiß- und Gleiteigenschaften im Hinblick auf den punktförmigen Kontakt mit dem Schaft des Brennkraftmaschinen-Hubventiles aufzuweisen. Beispiele für bevorzugte Materialien für diesen unteren Endabschnitt 2a sind insbesondere gehärtete Stähle (Ventilstahl, Wälzlagerstahl) oder andere Hartmetalle, wie bspw. Wolf- ramcarbid. Daneben können hierfür geeignete Keramikmaterialien zum Ein- satz kommen, wie bspw. SiN, welches sich durch gute Zähigkeit auszeichnet, oder AI2O3 mit seiner besonders guten Verschleissbeständigkeit, oder CerMets, d.h. nichtoxidische Metallkeramiken.
Beidseitig des Ankers 1 bzw. der Ankerpiatte 1 liegen zentrale Ankerschaft- Abschnitte 2d, über welche der Ankerschaft 2 mit dem Anker 1 verbunden ist. Das Material für diese zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d wird also im Hinblick darauf ausgewählt, daß eine einfache und sichere Verbindung zwischen dem Ankerschaft 2 und dem Anker 1 ermöglicht wird. Bevorzugt han- delt es sich bei dieser Verbindung um eine Schweiß- oder Lötverbindung. Das Material der zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d sollte also gut schweißbar oder lötbar sein, so daß für diese zentralen Ankerschaft- Abschnitte 2d grundsätzlich niedrig legierte Stähle verwendet werden können.
Insbesondere für diese zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d kann jedoch auch ein Material gewählt werden, welches es aufgrund seiner Eigenschaften erlaubt, bevorzugt diesen Abschnitt 2d des Ankerschaftes 2 zumindest bereichsweise mit einem gegenüber dem übrigen Bereich des Ankerschaftes 2 verringerten Querschnitt auszubilden. Ein solcher verringerter Querschnitt ermöglicht dabei nicht nur eine weitere Reduktion der (im Aktuator) bewegten Massen, sondern kann dem Ankerschaft 2 in diesem Bereich zusätzlich eine gewisse Nachgiebigkeit verleihen. Diese Querschnittsverringerung kann dabei in Gestalt einer umlaufenden Rille ausgebildet sein und fungiert quasi als Gelenk im Ankerschaft 2.
Vor allem im Hinblick auf eine einfache Beherrschung der Abweichungen in der Parallelität der Ankerplatte 1 gegenüber den bereits genannten Elektro- magent-Spulen, die die Ankerpiatte 1 alternierend entlang des Ankerschafts 2 anziehen und zeitweise an ihrer Oberfläche festhalten, ist eine derartige Nachgiebigkeit (bzw. ein derartiges Gelenk) äußerst vorteilhaft, da hiermit eine Ausrichtung der Ankerpiatte 1 in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel gegenüber dem Ankerschaft 2 gestattet wird. Als Beispiel für eine derartige Nachgiebigkeit in Form einer bereichsweisen Querschnittsver- ringerung (oder umlaufenden Nut) sind in der beigefügten Abbildung seitlich neben dem Ankerschaft 2 die entsprechend gestalteten Ankerschaft- Abschnitte 2d vergrößert dargestellt. Zur Umsetzung einer derartigen Gestaltung kommen dabei als bevorzugte Materialien für diese(n) Ankerschaft- Abschnitt(e) 2d bspw. Titan, Aluminium, Ti-Al-Legierungen oder Magnesium zum Einsatz.
An die beiden zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d schließen sich längs der Längsachse 3 in Richtung der beiden Enden des Ankerschaftes 2 betrachtet sog. Führungs-Abschnitte 2c des Ankerschaftes 2 an. Mit diesen Führungs- Abschnitten 2c ist der Ankerschaft 2 in (weiter oben bereits erwähnten, hier der Einfachheit halber nicht dargestellten) Führungsbuchsen, die im Aktuator bzw. in dessen Gehäuse eingebunden sind, geführt. Im Hinblick auf die hierbei auftretenden Beanspruchungen sollte das für die Führungs-Abschnitte 2c verwendete Material relativ hart sein, um optimale Verschleiß- und Gleitei- genschaften zu erzielen. Beispiele für bevorzugte Materialien für diese Führungs-Abschnitte 2c sind gehärtete Stähle, wie Ventilstahl oder Wälzlagerstahl, daneben abermals geeignete Keramiken, wie z.B. SiN für gute Zähigkeit oder AI2O3 für besonders gute Verschleissbeständigkeit.
An den hier unteren Führungs-Abschnitt 2c schließt sich längs der Längsachse 3 in Richtung des unteren Endabschnittes 2a des Ankerschaftes 2 betrachtet ein sog. Federteller-Abschnitt 2b an. An diesem Federteller- Abschnitt 2b wird ein Federteller (nicht gezeigt) befestigt, an welchem sich eines der weiter oben bereits genannten Federelemente, die das schwin- gungsfähige Aktuatorsystem bilden, abstützt. Die Befestigung dieses Fe- dertellers kann dabei wie bei den Federtellern von Brennkraftmaschinen- Hubventilen üblich erfolgen, d.h. über bspw. mit drei umlaufenden Nasen versehene Kegelstücke, wobei in diesem Federteller-Abschnitt 2b des Ankerschaftes 2 eine entsprechende Anzahl von diese Nasen aufnehmenden Rillen (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Im Hinblick auf die Belastungen im Bereich dieser Ankoppelung des Federtellers über diese Kegelstücke soll dieser Federteller-Abschnitt 2c harte und dabei zähe Eigenschaften aufweisen; Beispiele für bevorzugte Materialien für diesen Federteller-Abschnitt 2b sind demzufolge typische martensitische Materialien, wie bspw. Ventilstahl.
An den hier oberen Führungs-Abschnitt 2c schließt sich längs der Längsachse 3 in Richtung des oberen freien Endes des Ankerschaftes 2 betrachtet ein dabei dessen oberes Ende bildender sog. Sensor-Abschnitt 2e an. Im Bereich dieses Sensor-Abschnittes 2e ist im bzw. am Aktuator ein figürlich nicht dargestelltes induktiv arbeitendes Meßsystem vorgesehen, mit Hilfe dessen die jeweils aktuelle Position des Ankers 1 (bzw. genauer des Ankerschaftes 2, d.h. dessen Sensor-Abschnittes 2e) feststellbar ist. Um dabei jegliche Gefahr von Fehlmessungen auszuschließen, soll der Sensor-Abschnitt 2e des Ankerschaftes 2 im wesentlichen unmagnetisch sein, d.h. der Sensor- Abschnitt 2e soll durch die den Anker 1 betätigenden Elektro-Magnetspulen nicht magnetisierbar sein. Diese Eigenschaft des folglich für den Sensor- Abschnitt bevorzugt zu verwendenden Materials läßt sich auch dadurch beschreiben, daß die relative Permeabilität des Materials für den Sensor- Abschnitt 2e erheblich geringer als diejenige von Stahl (oder Nickel oder Ko- balt) ist und bevorzugt nahe derjenigen von Luft oder anderen nichtmagnetischen Materialien liegt, d.h. daß das Material für diesen Sensor-Abschnitt 2e zumindest hinsichtlich der hier auftretenden magnetischen Feldstärken im wesentlichen ein magnetischer Nicht-Leiter ist. Beispiele für bevorzugte Materialien für diesen Sensor-Abschnitt 2e sind Titan oder Titanlegierungen oder keramische Werkstoffe, daneben aber auch austenitischer Stahl, ferner Aluminium, alle Keramiken und Legierungen aus Titan, Aluminium sowie Magnesium.
Das Material zumindest eines, bevorzugt jedoch mehrerer der beschriebe- nen Abschnitte 2a bis 2e des Ankerschaftes 2 weist darüber hinaus ein spezifisches Gewicht auf, welches wesentlich geringer ist als dasjenige von Stahl. Der Begriff „wesentlich" steht hierbei für eine Größenordnung von zumindest 15%, d.h. das spezifische Gewicht des Materials zumindest eines der genannten Abschnitte 2a - 2e soll zumindest 15% unterhalb des spezifi- sehen Gewichtes von Stahl liegen. Dieses Kriterium erfüllt bspw. Titan mit einem spezifischen Gewicht in der Größenordnung von 5,8 kg/dm3 im Vergleich zu Stahl, dessen spezifisches Gewicht ca. 7,8 kg/dm3 beträgt, daneben aber auch Keramikmaterial mit einem spezifischen Gewicht in der Größenordnung von 4 kg/dm3. Auf diese Weise kann unter Berücksichtigung der geforderten Festigkeit das Gewicht des Ankerschaftes 2 reduziert bzw. so gering als möglich gehalten werden, was einen Beitrag zur Minimierung der vom elektromagnetischen Aktuator zu bewegenden Massen zur Folge hat und wodurch folglich die den Anker 1 sowie letztlich das Brennkraftmaschinen-Hubventil oszillierend in Bewegung versetzenden Elektro-Magnetspulen kleiner dimensioniert werden können. Darüberhinaus treten bei einer für die Funktion des Aktuators benötigten bestimmten Beschleunigung einer nunmehr kleineren bewegten Masse entsprechend geringere Reaktionskräfte auf, was günstigen Einfluss auf die Geräuschemissionen des gesamten Sy- stemes hat.
Was die Fertigung des beschriebenen, aus mehreren Abschnitten 2a - 2e (oder nur aus einem Teil der hier beschriebenen Abschnitte) zusammengesetzten Ankerschaftes 2 betrifft, so können die verschiedenen Materialien der jeweils aneinander angrenzenden Abschnitte 2a bis 2e bspw. durch di- verse Schweißverfahren, wie z.B. Reibschweißen, Laserstrahlschweißen, Löten oder Kondensatorentladungsschweißen miteinander verbunden werden. Daneben sind jedoch auch andere gängige Verbindungstechniken möglich, bspw. Verschrauben, Verkleben oder Zusammengießen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß sowohl der zuletzt beschriebene Effekt der Gewichtsreduzierung als auch der in Verbindung mit dem Sensor- Abschnitt 2e des Ankerschaftes 2 beschriebene Effekt des zumindest in diesem Abschnitt nicht ferromagnetischen Materials auch dann erzielbar ist, wenn der Ankerschaft 2 vollständig in Titan oder einer Titanlegierung oder in Keramik ausgebildet ist, d.h. wenn der Ankerschaft nicht aus den anhand der beigefügten Figur beschriebenen Abschnitten 2a - 2e zusammengesetzt ist. Daneben können selbstverständlich eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom lediglich prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentan- sprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Anker oder Ankerplatte 2 Ankerschaft
2a unterer Endabschnitt von 2
2b Federteller-Abschnitt von 2
2c Führungs-Abschnitt von 2
2d zentraler Ankerschaft-Abschnitt 2e Sensor-Abschnitt von 2
3 Längsachse von 2
4 Pfeilrichtung: oszillierende Bewegung von 1 , 2

Claims

Patentansprüche
1 . Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschi- nen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Anker (1 ), der einen Ankerschaft (2) trägt, welcher im Aktuator geführt ist und mit einem Endabschnitt (2a) auf den Schaft des Hubventües einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (2) zumindest abschnittsweise aus einem Material besteht, dessen spezifisches Ge- wicht wesentlich geringer als dasjenige von Stahl ist.
2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 , wobei nahe des anderen Endes des Ankerschaftes ein induktiv arbeitendes Meßsystem zur Ermittlung der Position des Ankers (1 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (2) zumindest im Bereich dieses Meßsystemes aus einem Material besteht, dessen relative Permeabiltät erheblich geringer als diejenige von Stahl ist.
3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (2) vollständig oder teilweise in Titan oder einer Titanlegierung oder in Keramik ausgebildet ist.
4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Abschnitte (2a - 2e) des Ankerschaftes (2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die je- weils im wesentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte relevanten
Anforderungen ausgewählt sind.
5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt (2d) des Ankerschaftes (2) bereichsweise einen gegenüber dem übrigen Bereich des Ankerschaftes (2) verringerten Querschnitt aufweist.
PCT/EP2000/003835 1999-06-10 2000-04-27 Elektromagnetischer aktuator zur betätigung eines brennkraftmaschinen-hubventiles WO2000077350A1 (de)

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EP00927093A EP1185767B1 (de) 1999-06-10 2000-04-27 Elektromagnetischer aktuator zur betätigung eines brennkraftmaschinen-hubventiles
US10/013,226 US6477995B2 (en) 1999-06-10 2001-12-10 Electromagnetic actuator for actuating a lifting valve of an internal combustion engine

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