DE10001872C1 - Elektromagnetischer Stellantrieb - Google Patents

Abstract

Ein elektromagnetischer Stellantrieb weist einen zwischen zwei Elektromagneten (1a, 1b) bewegten Anker (3) auf. Zwischen dem Anker (3) und jedem Elektromagneten (1a, 1b) ist ein Hilfsanker (2, 4) angeordnet, der mit entsprechenden Schultern (12, 13) an den Anker (3) tragenden Ankerschaft (5) so zusammenwirkt, daß zum Öffnen bzw. Schließen der Ankerschaft (5) über die Hilfsanker (2, 4) beschleunigt wird. Dadurch wird eine große Kraft beim Verlassen der Endstellung erreicht. Zugleich ermöglicht dies bei entsprechender Bestromung der Elektromagneten (1a, 1b) ein Abbremsen des Ankerschaftes (5) beim Aufsetzen des Ankers (3) in einer Endstellung.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellan­ trieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Stellantriebe für Gaswechselventile für Brennkraftmaschinen sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwel­ lenbetätigten Ventilen werden diese Stellantriebe zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwel­ le angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der Lage sein, hohe Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Aus­ laßventils, und schnell in die jeweilige andere Endstellung zu gelangen sowie diese beim Öffnen oder Schließen mit Si­ cherheit erreichen.

Ein solcher elektromagnetischer Stellantrieb ist beispiels­ weise aus der DE 197 35 375 C2 bekannt. Er weist einen Anker auf, der von zwei Federn in einer Mittelstellung zwischen zwei Elektromagneten gehalten wird. Durch Bestromung eines der Elektromagneten kann der Anker in die jeweilige, dem E­ lektromagneten zugeordnete Endstellung angezogen und dort gehalten werden. Um den Stellantrieb und damit das davon an­ getriebene Gaswechselventil von einer Endstellung in die an­ dere zu überführen, wird die Bestromung des haltenden Elekt­ romagneten beendet und der andere bestromt, wodurch der Anker unter der Kraft der Federn sowie des eingeschalteten Elektro­ magneten in die andere Endstellung bewegt wird.

Die vom Stellantrieb aufzubringende Kraft ist zum Zeitpunkt der Öffnung am größten. Beispielsweise muß beim Öffnen eines Auslaßventils eine Kraft erzeugt werden, die den im Brennraum herrschenden Druck überwindet. Das aus der DE 197 35 375 C2 bekannte Konzept sieht deshalb zwei Federn vor, die den Stellantrieb in eine Mittellage beaufschlagen. Somit wird beim Wechsel von einer Endstellung in die andere die Kraft zum Verlassen der einen Endstellung im wesentlichen von diesen Federn aufgebracht. Die Härte dieser Federn ist jedoch nach oben begrenzt, da nach dem Durchlauf durch die Mittellage der Elektromagnet der einzunehmenden Endstellung in der Lage sein muß, die zunehmende Kraft der Federn zu überwinden und den Anker zu fangen. Darüber hinaus sollte dieses Fangen mög­ lichst geräuschfrei ablaufen, was eine sogenannte Aufsetzre­ gelung des Elektromagneten erfordert hat, die relativ komplex ist, insbesondere eine sehr exakte Messung der Ankerstellung unverzichtbar macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagne­ tischen Stellantrieb zu schaffen, der beim Verlassen einer Endstellung eine hohe Kraft aufbringen kann, ohne auf die we­ sentliche Mitwirkung von Federn angewiesen zu sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die zu bewegenden Massen über einen sehr nahe am Elektromagneten angeordneten Hilfsanker derart zu beschleunigen, daß die dabei bewirkte kinetische Energie ausreicht, um den gesamten Stellweg des Stellantriebes auszuführen. Dabei macht man sich die physika­ lische Tatsache vorteilhaft zunutze, daß die Magnetkraft mit zunehmender Nähe zum Elektromagneten überproportional steigt. Erfindungsgemäß ist deshalb zwischen dem Anker und mindestens einem Elektromagneten ein Hilfsanker vorgesehen, der mit ei­ ner entsprechenden Schulter am Ankerschaft derart zusammen­ wirkt, daß beim Verlassen einer Endstellung der Hilfsanker sich nahe des Elektromagneten der neu einzunehmenden Endstel­ lung befindet. Wird dieser Elektromagnet eingeschaltet, be­ schleunigt der Hilfsanker aufgrund seiner großen Nähe zum E­ lektromagneten über die Schulter den Ankerschaft derart, daß sich das Stellgerät schnell aus der Endstellung löst und der fest am Ankerschaft befestigte Anker in den Wirkbereich des eingeschalteten Elektromagneten gelangt.

Um nun den Anker beim Aufsetzen am Elektromagneten der einzu­ nehmenden Endstellung abzubremsen, wirkt in einer Fortbildung mit zwei Hilfsankern dieser zweite Hilfsanker mit einer zwei­ ten Schulter so zusammen, daß der Ankerschaft eine gewisse Kraft überwinden muß, um diesen Hilfsanker vom Elektromagne­ ten der verlassenen Endstellung zu lösen. Dadurch ist auf einfache Weise ohne aufwendige Regelung ein geräuschloses Aufsetzen in der neu einzunehmenden Endstellung bewirkt.

Dieser fortgebildete erfindungsgemäße Stellantrieb bietet weiter den Vorteil, daß bei entsprechender Bestromung der E­ lektromagneten auch Zwischenstellungen möglich sind. Damit läßt sich der Öffnungsgrad eines vom Stellantrieb betätigten Gaswechselventils einstellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Stellantriebs mit Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 das Stellgerät bei der Einleitung des Schließvorgangs,

Fig. 3 das Stellgerät während des Schließvorgangs kurz vor dem Abbremsen,

Fig. 4 das Stellgerät in der Schließstellung,

Fig. 5 das Stellgerät beim Einleiten des Öffnungsvorgangs,

Fig. 6 das Stellgerät während des Öffnungsvorgangs kurz vor dem Abbremsen und

Fig. 7 die realisierbaren Ventilstellungen zweier Einlaßven­ tile.

In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Stellantrieb darge­ stellt, das einen Ventilkörper eines Gaswechselventils, in diesem Fall eines Einlaßventils antreibt. Der Ventilkörper 6 ist in einem Zylinderkopf 9 befestigt und öffnet bzw. ver­ schließt den Gaswechselkanal 10, indem er einen Ventilsitz 17 schließt oder freigibt. Der Ventilkörper 6 ist in einer Ven­ tilführung 7 geführt.

Am Zylinderkopf 6 ist ein Gehäuse 11 des elektromagnetischen Stellantriebs befestigt. Im Gehäuse 11 ist ein oberer Elekt­ romagnet 1a und ein unterer Elektromagnet 1b vorgesehen, die auf bekannte Weise aus Spulen und Blechpaketen aufgebaut sind. Das Gehäuse 11 hält die Elektromagneten 1a, 1b und führt Wärme an den Zylinderkopf 9 ab.

Auf dem Ventilkörper 6 ist mittels einer Befestigung 18 ein Ankerschaft 5 angebracht. Die Befestigung 18 fixiert den An­ kerschaft 5 dabei so, daß er nicht eigenständig geführt wer­ den muß. Alternativ ist auch eine lediglich axiale Befesti­ gung 18 mit geeigneter Führung des Ankerschaftes 5 denkbar.

Der Ankerschaft 5 und der Ventilkörper 6 werden von einer Fe­ der 8, die sich zwischen dem Zylinderkopf 9 und einem am Ven­ tilkörper 6 befestigten Federteller abstützt, in die Schließ­ stellung beaufschlagt. Die Feder 8 ist dabei gerade so stark, daß sie ein Öffnen des Ventilkörpers 6 im nichtbetätigten Zu­ stand des Stellgerätes verhindert. Ein solcher Zustand kann beispielsweise beim Abschleppen eines Fahrzeuges vorliegen. Dadurch ist verhindert, daß der Ventilkörper 6 einen Kolben der Brennkraftmaschine betätigen kann.

Auf dem Ankerschaft 5 ist ein plattenförmiger Anker 3 befes­ tigt, der zwischen dem unteren Elektromagnet 1b und dem obe­ ren Elektromagnet 1a liegt. Zwischen dem Anker 3 und dem un­ teren Elektromagneten 1b befindet sich ein unterer Hilfsanker 4. Der Hilfsanker 4 ist auf dem Ankerschaft 3 längsver­ schieblich, wobei sein Verschiebungsweg durch eine als Nut 15 im Gehäuse 11 ausgebildete untere Führung so begrenzt ist, daß er immer im Wirkbereich des Elektromagneten 1b bleibt. Auf gleiche Weise ist in einer Nut 14 ein oberer Hilfsanker 2 geführt, der verschieblich auf dem Ankerschaft 5 zwischen An­ ker 3 und oberem Elektromagnet 1a sitzt. Der Ankerschaft 5 hat eine obere Schulter 13 sowie eine untere Schulter 12, de­ ren Funktion nachfolgend noch erläutert werden wird.

Die Hilfsanker 2, 4 sowie der Anker 3 sind plattenförmig rechteckig und bestehen aus einem magnetisch geeigneten Mate­ rial. Die Hilfsanker 2, 4 dienen in erster Linie dazu, den Ankerschaft 5 zu beschleunigen, wie noch erläutert werden wird, um Gaskräfte beim Betätigen des Ventilkörpers 6 zu ü­ berwinden und den Anker 3 in Reichweite des jeweiligen Elekt­ romagneten 1a bzw. 1b zu bringen. Eine weitere Funktion der Hilfsanker 2, 4 ist ein noch zu erläuterndes Abbremsen beim Aufsetzen des Ankers 3 in einer Endstellung.

In Fig. 1 ist das Stellgerät mit dem Ventilkörper 6 in der Öffnungsstellung dargestellt. Der untere Elektromagnet 1b ist nur leicht bestromt, was durch die Punktierung dargestellt ist. Er muß nur die Kraft der relativ weichen, möglichst de­ gressiv ausgelegten Feder 8 überwinden, um den Anker 3 ange­ zogen zu halten.

Von Bedeutung ist noch, daß in dieser Öffnungsstellung der o­ bere Hilfsanker 2 an der oberen Schulter 13 des Ankerschaftes 5 anliegt.

In Fig. 2 ist die Einleitung des Schließvorgangs aus der Öff­ nungsstellung heraus dargestellt. Dazu wird der obere Elektromagnet 1a bestromt und zieht den oberen Hilfsanker 2 an, der an der oberen Schulter 13 des Ankerschaftes 5 angreift und so den Ankerschaft 5 nach oben zieht. Dabei wird die Mas­ senträgheit überwunden. Aufgrund der großen Nähe des Hilfsan­ kers 2 zum oberen Elektromagneten 1a erfolgt eine rasche Be­ schleunigung des Ankerschaftes 5. Bei einer beispielhaften Auslegung des oberen Elektromagneten 1a mit einer Bestromung von 30 Ampere und 100 Windungen ergibt sich eine Kraft von 50 N/200 N/500 N/1200 N bei 4 mm/2 mm/ 1 mm/0,2 mm Abstand vom Elektromagneten. Durch einen entspre­ chend schnellen Stromanstieg im Elektromagneten 1a ergibt sich aufgrund der mechanischen Steifigkeit des Hilfsankers 2 eine rasch zunehmende Kraft mit der Annäherung an den Elekt­ romagneten 1a und mithin eine schnelle Beschleunigung des An­ kerschaftes 5 nach oben.

Die dabei dem Ankerschaft 5 mitgeteilte kinetische Energie und die in gleicher Wirkung wirkende Kraft der Feder 8 brin­ gen den Anker 3 schnell in den Wirkbereich des oberen Elekt­ romagneten 1a, und der übernimmt dann das weitere Anziehen.

Sobald, wie in Fig. 3 dargestellt ist, die untere Schulter 12 des Ankerschaftes 5 beginnt, am unteren Hilfsanker 4 anzulie­ gen, wird der Elektromagnet 1b bestromt, so daß eine gewisse Kraft nötig ist, um den unteren Hilfsanker 4 vom unteren E­ lektromagneten 1b zu lösen. Natürlich kann diese Bestromung auch schon etwas früher erfolgen. Eine exakte Stellungsmes­ sung des Ankers ist dafür nicht nötig. Diese Kraft bewirkt ü­ ber die untere Schulter 12 ein Abbremsen des Ankerschaftes 5, wenn der Anker 3 in die obere Endstellung gelangt.

Da die Bestromung des oberen Elektromagneten 1a während die­ ses Abmessens auf einen geringeren Haltestrom zurückgeschal­ tet werden kann, ist es aus Energiegründen von Vorteil, den Differenzstrom, der im Elektromagneten 1a nicht mehr benötigt wird, auf den unteren Elektromagneten 1b umzuleiten. Durch richtige Dosierung der Bestromung des unteren Elektromagneten 1b wird ein Abheben des unteren Hilfsankers 4 erreicht, und der Anker 3 setzt geräuschlos in der oberen Endstellung auf, die in Fig. 4 dargestellt ist.

In dieser Schließstellung wird nur noch der obere Elektromag­ net 1a bestromt. Der Anker 3 muß dabei nicht vollständig auf dem Hilfsanker 2 aufliegen, sondern kann um ein Ventilspiel von diesem beabstandet sein. Die Kraft des oberen Elektromag­ neten 1a sowie die Kraft der Feder 8 halten dann den Ventil­ körper 6 am Ventilsitz 17.

Schaltet man nun den oberen Elektromagneten 1a ab, hält die Kraft der Feder 8 den Stellantrieb und den Ventilkörper 6 in der Schließstellung. Dies entspricht dem stromlosen Zustand des Stellgerätes.

Von Bedeutung ist in der Schließstellung noch, daß der Anker­ schaft über die Schulter 12 den Hilfsanker 4 vom unteren E­ lektromagneten 1b abgehoben hält.

Der Öffnungsvorgang des Stellantriebes aus der Schließstel­ lung der Fig. 4 heraus ist in Fig. 5 dargestellt. Dazu wird der untere Elektromagnet 1b maximal bestromt. Dadurch wird der untere Hilfsanker 4 auf den unteren Elektromagneten 1b hin beschleunigt und überträgt diese Beschleunigung über die Schulter 12 auf den Ankerschaft 5. Die dabei mitgeteilte ki­ netische Energie bewirkt, daß der Ankerschaft 5 sich mit dem Anker 3 nach unten bewegt, wodurch der Anker 3 in den Wirkbe­ reich der unteren Spule 1b gelangt. Dieser Zustand ist in Fig. 6 dargestellt.

Kurz bevor der Anker in der unteren Endstellung aufsetzen würde, liegt die obere Schulter 13 am oberen Hilfsanker 2 an, wenn dieser durch leichte Bestromung des oberen Elektromagne­ ten 1a zum Abbremsen nach oben gezogen ist. Die Kraft, die erforderlich ist, um den oberen Hilfsanker 2 vom oberen E­ lektromagneten 1a zu lösen, bewirkt über die Schulter 13 ein Abbremsen des Ankerschaftes 5 und mithin ein sanftes Aufset­ zen des Ankers 3 in der unteren Endstellung am unteren Elekt­ romagneten 1b.

Die größte Kraft tritt bei einem Stellantrieb beim Öffnen ei­ nes Auslaßventils bei niedriger Öltemperatur und hoher Dreh­ zahl bei Vollast auf, da dann gegen einen hohen Zylinderin­ nendruck und die Kraft der Feder 8 geöffnet werden muß. Hier ist von Vorteil, wenn der Stellantrieb - wie in Fig. 1 darge­ stellt - so ausgebildet ist, daß der Ankerschaft 5 über kein Lager verfügt. Dadurch ist die Reibung gemindert. Weiter sind vorteilhafterweise der Anker 3 und die Hilfsanker 2, 4 mit radialen Rillen versehen, um im Falle einer Verölung des Stellantriebes ein mechanisches "Kleben" zu vermindern.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Abbremsen des Ankers beim Aufsetzen in der jeweiligen Endstellung durch eine geeignete Bestromung des jeweils anderen Elektromagneten bewirkt wird. Auf diese Bestromung kann verzichtet werden, wenn ein Abbrem­ sen nicht erforderlich ist. Dies könnte beispielsweise im o­ beren Drehzahlbereich der Fall sein. Auf das Abbremsen dort zu verzichten, hätte den Vorteil, daß ein schnellerer Wechsel von einer Endstellung in die andere erreicht werden kann. Op­ tional kann man den Ankerschaft 5 auch über den Einsatz eines bekannten (nicht dargestellten) hydraulischen Dämpfungsele­ mentes dämpfen, das beispielsweise durch den Elektromagneten 1a ragt, oben am Ankerschaft 5 angreift, sobald dieser sich in einer bestimmten Nähe zum oberen Elektromagneten 1a befin­ det, und sich am Gehäuse 11 abstützt.

Fig. 7 veranschaulicht einen weiteren vorteilhaften Einsatz des elektromagnetischen Stellantriebs. Durch geeignete Bestromung der Elektromagneten 1a, 1b lassen sich Zwischen­ stellungen realisieren.

Fig. 7a zeigt eine schematische Darstellung zweier Ventilkör­ per 6, 16 in der Schließstellung auf dem Ventilsitz 17 auf­ sitzend.

Fig. 7b zeigt eine leicht geöffnete Stellung, die der Stel­ lung der Fig. 3 entspricht. Dabei erfolgt die Bestromung so, daß der Hilfsanker 4 sich nicht von der Spule 1b lösen kann, mithin der Anker 3 des Stellantriebs nicht in die obere End­ stellung gelangen kann.

Fig. 7c zeigt eine weitgehende Öffnung, die der Stellung der Fig. 6 entspricht. Dabei erfolgt die Bestromung so, daß sich der Hilfsanker 2 nicht vom Elektromagneten 1a lösen kann, wo­ durch verhindert ist, daß der Anker 3 die untere Endstellung erreicht.

Fig. 7d zeigt die volle Öffnung der Fig. 1.

Die Fig. 7e bis 7g zeigen mögliche Variationen bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen bzw. zwei Auslaß­ ventilen. Insgesamt lassen sich also durch geeignete Ansteue­ rung der Elektromagneten 1a, 1b sieben verschiedene Öffnungs­ stellungen realisieren.

Claims (7)

1. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit einem antrei­ benden Ankerschaft (5), auf dem ein Anker (3) befestigt ist, welcher zwischen einem ersten und einem zweiten Elektromagne­ ten (1b, 1a) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anker (3) und dem ersten Elektromagneten (1b) ein erster Hilfsanker (4) verschieblich auf dem Anker­ schaft (5) sitzt, welcher Hilfsanker (4) durch eine erste Führung (15) nur eine begrenzte Verschiebung durchführen kann, wobei die Führung den ersten Hilfsanker (4) im Wirkbe­ reich des ersten Elektromagneten (1b) hält, und daß der An­ kerschaft (5) eine erste Schulter (12) hat, an der der erste Hilfsanker (4) angreift, wenn der Ankerschaft (5) in Schließ­ stellung und der erste Hilfsanker (4) im maximalen Abstand zum ersten Elektromagneten (1b) ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Hilfsanker (2), der zwischen dem Anker (3) und dem zweiten Elektromagneten (1a) verschieblich auf dem Anker­ schaft (5) sitzt, eine zweite Führung (15), die den zweiten Hilfsanker (2) im Wirkbereich des zweiten Elektromagneten (1a) hält, und eine zweite Schulter (13) am Ankerschaft (5), an der der zweite Hilfsanker (2) angreift, wenn der Anker­ schaft (5) in Öffnungsstellung und der zweite Hilfsanker (2) in maximalem Abstand zum zweiten Elektromagneten (1a) ist.

3. Stellantrieb nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (5) von einer Feder (8) in Richtung auf die Schließstellung beaufschlagt wird.

4. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Führung eine erste Nut (15) im Stellantriebsge­ häuse (11) und die zweite Führung eine zweite Nut (14) im Stellantriebsgehäuse (11) aufweist.

5. Stellantrieb nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) und die Hilfsanker (2, 4) plattenförmig sind.

6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) und die Hilfsanker (2, 4) an ihren Deckflä­ chen radiale Rillen aufweisen, um ein Haften bei gegenseiti­ ger Anlage im verölten Zustand zu mindern.

7. Stellantrieb nach einem der vorherstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein hydraulisches Dämpfungselement, das das Aufsetzen des An­ kerschaftes (5) in mindestens einer Endstellung dämpft.