DE29615396U1

DE29615396U1 - Elektromagnetischer Aktuator mit Aufschlagdämpfung

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Publication number: DE29615396U1
Application number: DE29615396U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2006-09-05
Also published as: DE19780770D2; US6003481A; WO1998010175A1

Description

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Bezeichnung: Elektromagnetischer Aktuator mit Aufschlagdämpfung

Beschreibung
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Bei elektromagnetischen Aktuatoren zur Betätigung der Gaswechselventile an einer Brennkraftmaschine besteht die Anforderung, hohe Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Schaltkräften zu realisieren. Diese Aktuatoren bestehen im wesentlichen aus einem mit dem zu betätigenden Gaswechselventil in Verbindung stehenden Anker, der gegen die Kraft von zwei gegeneinander gerichteten Rückstellfedern zwischen den Polflächen von zwei über eine Steuereinrichtung in ihrer Bestromung steuerbaren, mit Abstand zueinander angeordneten, als öffner und als Schließer wirkenden Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist. Zur Betätigung des Gaswechselventils aus der einen Stellung, beispielsweise der Schließstellung in die andere Stellung, dann die Öffnungsstellung, wird der Haltestrom an dem haltenden Elektromagneten abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Federkraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers durch die Federkraft der gegenüberliegenden Rückstellfeder abgebremst. Um nun den Anker in der Öffnungsposition zu fangen und zu halten, wird der entsprechende Magnet bestromt. Bei diesem Fangvorgang ergibt sich das Problem, daß die erforderliche Krafteinkopplung durch den Magneten von zahlreichen Parametern abhängt. So ist, abhängig von der aktueilen Motorlast, die Abbremsung des Gaswechselventils durch die Gaskräfte insbesondere beim Auslaßventil sehr unterschiedlich. Außerdem unterliegt die zum Fangen erforderliche Energie einer Beeinflussung durch Serientoleranzen und Verschleiß. Dementsprechend ist die "richtige" Energiezufuhr für einen einwandfreien Betrieb sehr wichtig. Ist die in den fangenden Elektromagneten eingekoppelte Energie zu hoch, so kommt es, bedingt durch die zu hohe Auftreffge-

■· schwindigkeit, zu starkem Verschleiß und zu einem nicht annehmbaren Geräuschniveau. Unter ungünstigen Umständen kann der Anker sogar wieder abprallen und somit das Ventil für diesen Takt außer Funktion setzen. Ist die in den fangenden Elektromagneten eingekoppelte Energie zu niedrig, so wird der Anker nicht gefangen und das Gaswechselventil schwingt wieder zurück, so daß zumindest in diesem Zylinderzyklus kein ordnungsgemäßer Betrieb erfolgt.

Zur Lösung dieser Probleme wurde es bereits versucht, die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers durch die Anordnung von Puffern aus dämpfenden Materialien zu vermindern. Hierbei ergeben sich jedoch kaum lösbare Verschleißprobleme.

Es wurde ferner versucht, das Problem durch die Anordnung einer Luftdämpfung zu lösen, wie dies in DE-A-38 26 974 beschrieben ist. Die Anordnung eines Luftdämpfers bereitet konstruktive Schwierigkeiten bei der Umsetzung in eine Serienproduktion. Insbesondere der Bau von rechteckigen Ankerquerschnitten bietet hier erhebliche Probleme. Darüber hinaus ergeben sich nicht mehr vernachlässigbare Energieverluste. Bei beiden bekannten Lösungsansätzen besteht ferner der Nachteil, daß keine Anpassung an sich ändernde Betriebsparameter bzw. auf Verschleißeinflüsse möglichist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktuator zu schaffen, durch den diese Nachteile weitestgehend vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einem mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Anker, der gegen die Kraft von zwei gegeneinander gerichteten Rückstellfedern zwischen den Polflächen von zwei über eine Steuereinrichtung in ihrer Beströmung steuerbaren und mit

., Abstand zueinander angeordneten, als Öffner und als Schließer wirkenden Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist, und mit wenigstens einer, dem Gaswechselventil zugeordneten, relativ und richtungsgleich zu diesem bewegbar geführten Zusatzmasse, die über eine Mitnehmer mit dem Gaswechselventil in der Endphase seiner Bewegung in Richtung auf den fangenden Elektromagneten in Wirkverbindung tritt. Dies hat den Vorteil, daß aufgrund des Stoßes zwischen dem Gaswechselventil und der Zusatzmasse kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf der Polfläche des fangenden Elektromagneten die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers entsprechend der Größenverhältnisse zwische Zusatzmasse einerseits und der aus dem Anker und dem Gaswechselventil gebildeten sich bewegenden Masse andererseits vermindert ist. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn in einer Ausgestaltung der Erfindung der Zusatzmasse eine Haltefeder zugeordnet ist, deren Kraftwirkung gegen die Bewegungsrichtung der Zusatzmasse in der Endphase der Bewegung des Gaswechselventils gerichtet ist. Durch diese Haltefeder wird die Zusatzmasse immer in der Ausgangsposition gehalten, so daß der vorstehend beschriebene StoßVorgang gewährleistet ist.

Zweckmäßig ist es ferner, daß dem Gaswechselventil jeweils für seine Schließstellung und für seine Öffnungsstellung eine Zusatzmasse zugeordnet ist. Die Zusatzmasse darf nicht zu groß gewählt werden und sollte die von Anker und Gaswechselventil gebildete sich bewegende Gesamtmasse nicht überschreiten, Zweckmäßig ist es, wenn die Größe einer Zusatzmasse etwa ein Viertel der Gesamtmasse der bewegten Teile des Gaswechselventils einschließlich Anker beträgt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß wenigstens einem der Elektromagneten ein in seiner Bestromung steuerbarer Zusatzmagnet zugeordnet ist und daß die Zusatzmasse einen Zusatzanker für den Zusatzmagneten bildet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei einem Auftreffen des Mitnehmers des Gaswechselventils auf

• · /I ·

-r die Zusatzmasse der Bewegungsvorgang der aus Anker und Gaswechselventil gebildeten Gesamtmasse stark verzögert wird und zwar nicht nur durch die plötzlich hinzu kommende Masse des Zusatzankers nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip der Impulserhaltung, sondern auch durch die zusätzliche Magnetkraft des Zusatzankers und ggf. durch die Kraft einer etwa vorhandenen Haltefeder mit geringer Federkonstante. Durch eine entsprechende Bestromung des Zusatzmagneten können so unterschiedliche Kräfte eingestellt werden, so daß durch eine entsprechende Steuerung der Bestromung des Zusatzmagneten auf sich ändernde Betriebsparameter reagiert werden kann. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn zwischen der Polfläche des Zusatzmagneten und dem Zusatzanker bei anliegendem Zusatzanker ein Luftspalt vorhanden ist. Zweckmäßig ist hierbei ein Luftspalt von max. 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm und weniger. Hierdurch ist es möglich, die Empfindlichkeit des Systems in bezug auf Toleranzen zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Schenkellängen der Magnetpole des Zusatzmagneten erzielt werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zwischen dem Anker und der Polfläche des fangenden Elektromagneten ein Luftspalt vorhanden ist, wenn der Zusatzanker an der Polfläche des Zusatzmagneten anliegt. Das Maß dieses Luftspaltes bildet den sogenannten Verzögerungsabstand. Der Wert dieses Verzögerungsabstandes sollte max. bei 1 mm liegen. Werte zwischen 0,3 mm und 0,8 mm wurden als günstig festgestellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung und den schematischen Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator zur

Betätigung eines Gaswechselventils,

• ·

5 *

- Fig. 2 den Verlauf der Magnetkraft über den

Ankerweg,

Fig. 3 den Verlauf der durch den Magneten einge-

koppelten Energie in Abhängigkeit vom

Ankerweg,

Fig. 4 die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankersystems über den Ankerweg, 10

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Regelung

der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers über ein Erkennen des Ablösen des Zusatzankers,
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Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Beeinflus

sung der Stromverluste am Zusatzmagneten,

Fig. 7 eine Abwandlung der Schaltung gem. Fig.

Der in Fig<. 1 schematisch dargestellte elektromagnetische Aktuator 1 weist einen mit einem Gaswechselventil 2 (hier nur durch seinen Schaft dargestellt) in Verbindung stehenden Anker 3 sowie einen dem Anker 3 zugeordneten Schließmagneten 4 und einen Öffnermagneten 5 auf. Der Anker 3'-wird über Rückstellfedern 6 und 7 bei stromlos gesetzten Magneten in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 4 und 5 gehalten, wobei der jeweilige Abstand zu den Polflächen 8.1 und 8.2 von der Auslegung der Federn 6 und 7 abhängt.

In der hier dargestellten nahezu beendeten Schließstellung des Gaswechselventils befindet sich der Anker 3 kurz vor seiner Anlage an der Polfläche 8.1 des Magneten 4.

Zur Betätigung des Gaswechselventils 2, d. h. zur Einleitung der Bewegung aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position wird der Haltestrom am Schließmagneten 4 abgeschaltet, Hierdurch fällt die Haltekraft des Schließmagneten 4 unter

" die Federkraft der Rückstellfeder 6 ab und der Anker 3 beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen, Nach dem Durchgang des Ankers 3 durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers 3 durch die Federkraft der dem Öffnermagneten 5 zugeordneten Rückstellfeder 7 abgebremst. Um nun den Anker 3 zu fangen, in die Öffnungspotition zu überführen und in dieser zu halten, wird der Öffnermagnet 5 mit Strom beaufschlagt, so daß der Anker 3 dann an der Polfläche 8.2 des Elektromagneten 5 zur Anlage kommt. Zum Schließen des Gaswechselventils erfolgt dann der Schaltungsund Bewegungsablauf in umgekehrter Richtung.

Den beiden Elektromagneten 4 und 5 sind nun ebenfalls als Elektromagnete ausgebildete Zusatzmagnete 9 und 10 zugeordnet, deren Polflächen 9.1 einerseits und 10.1 andererseits den Polflächen 8.1 und 8.2 der zugeordneten Elektromagneten 4 und 5 abgekehrt sind.

Den Zusatzmagneten 9 und 10 ist jeweils eine Zusatzmasse 11 und 12 als Anker zugeordnet, die gegenüber einer mit dem Anker 3 verbundenen Führungsstange 13 relativ verschiebbar gehalten ist. Die Führungsstange 13 ist hierbei jeweils in ihrem Endbereich mit einem Mitnehmer 13.1 und 13.2 versehen, durch den jeweils in der Endphase der entsprechenden Bewegung des Ankers 3 kurz vor seinem Auftreffen auf die Polfläche 8.1 jeweils die zugehörige Zusatzmasse 11 bzw. 12 von der Polfläche 9.1 bzw. 10.1 des betreffenden Zusatzmagneten abgehoben wird. Jeweils über eine Haltefeder 14 bzw. 15 werden die entsprechenden Zusatzmassen 11 bzw. 12 an die PoIf.lache 9.1 bzw. 10.1 des zugehörigen Zusatzmagneten 9 bzw. 10 abgedrückt. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die als Anker dienenden Zusatzmassen 11 und 12 in der Ruhe- oder Halteppsition nicht unmittelbar am Anker anliegen, sondern hier ein geringer Luftspalt zwischen den Zusatzmassen und den zuqehörigen Polfläche verbleibt.

- Um die Krafteinkopplung des Stoßvorganges beim Auftreffen des Mitnehmers 13.1 bzw. 13.2 auf die Zusatzmasse 11 bzw. in die Motor- bzw. Zylinderkopfstruktur zu mildern, sind die Zusatzmagneten 9 und 10 zweckmäßigerweise über ein zwischengeschaltetes Dämpfungsmaterial 18 mit den übrigen Bauteilen des Aktuators verbunden.

Der Abstand der Mitnehmer 13.1 und 13.2 zum Anker 3 ist nun so bemessen, daß die Mitnehmer jeweils mit den zugeordneten Zusatzmassen in Wirkverbindung treten, wenn zwischen dem Anker 3 und der zugehörigen Polfläche des Elektromagneten noch ein geringer Luftspalt d_v vorhanden ist, der max. etwa 1 mm beträgt. Hierdurch wird bewirkt, daß die jeweilige Zusatzmasse in der Endphase der Bewegung des Ankers 3 in Richtung auf den jeweils fangenden Elektromagneten abgehoben wird.

Die Ansteuerung der Bestromung des Elektromagneten 4 und 5 erfolgt über eine Steuereinrichtung 16, die Teil einer zentralen Motorsteuereinrichtung sein kann und der die sich aus dem jeweils gewünschten Betrieb ergebenden Signale zugeführt werden und über die die jeweiligen Vorgaben zur Betätigung der Elektromagneten und der Zusatzmagneten, wie beispielsweise An- und Abschaltzeitpunkte, Stromhöhe, Stromveränderung, Takten des Haltestroms, vorgegeben werden.

"w In Fig. 2 ist in der Kurve a der Verlauf der Magnetkraft über den Ankerweg für einen elektromagnetischen Aktuator ohne Zusatzmasse dargestellt.

Ist, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, eine als Anker für einen Zusatzmagneten ausgebildete Zusatzmasse vorgesehen und ist der Zusatzmagnet entsprechend bestromt, dann trifft beispielsweise bei einer Bewegung des Ankers 3 in Richtung auf die Polfläche 8.1 in der Endphase der Bewegung aufgrund des vorgegebenen Verzögerungsspaltes d_v zunächst der Mitnehmer 13.1 auf die Zusatzmasse 11, so daß nunmehr von der Magnetkraft eine größere Gesamtmasse bewegt werden muß. Dies ist um Kurvenverlauf b dargestellt, wobei der

. Abstand d_y die Größe des Verzögerungsspaltes darstellt.

Zusätzlich ist in der Kurve c der Verlauf der auf die Zusatzmasse 11 vom Zusatzmagneten 9 ausgeübte Magnetkraft dargestellt.

Korrespondierend hierzu zeigt Fig. 3 den Verlauf der in dem beschriebenen Bewegungsvorgang durch den Elektromagneten 4 eingekoppelten Energie in Abhängigkeit des Ankerweges. Die Kurve a zeigt hierbei die im Anker-Feder-System aufgespeicherte Arbeit W =J Fas für den Fall, daß keine Zusatzmasse vorhanden ist. Die Kurve b zeigt die entsprechende

2 Arbeit, die um die Schlagarbeit W_s = 1/2 m'v^ sowie die für das Ablösen und Entfernen der Zusatzmasse vom Zusatzmagneten benötigte Energie Wj^ ⁼ J ^m.2^^s vermindert wurde.

In diesen Formeln bedeuten V]_ die Geschwindigkeit des Ankers 3 vor dem Auftreffen des Mitnehmers 13.1 auf die Zusatzmasse 11, die Masse m¹ eine sich aus der Impulserhaltung ergebenden Masse m' = m^ * 1E2/ (m^ + 1112) und Fj^ die Magnetkraft des Zusatzmagneten. Die Kurve c zeigt hierbei den Verlauf der sich nur aufgrund des Stoßes beim Auftreffen des Mitnehmers 13.1 auf die Zusatzmasse 1 ohne Bestromung des Zusatzmagneten 9 aufgrund der Impulserhaltung einstellt.

Fig. 4 zeigt korrespondierend hierzu die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankersystems. Hier ist in Kurve a der Verlauf der Geschwindigkeit ohne das Vorhandensein einer Zusatzmasse dargestellt und in Kurve b der Geschwindigkeitsverlauf mit einem aktivierten Zusatzmagneten wiedergegeben. Die Kurve c zeigt den Verlauf, der sich nur aufgrund des Stoßes ohne Bestromung des Zusatzmagneten und der Impulserhaltung einstellt. Es ist zu erkennen, daß die Auftreffgeschwindigkeit bzw. die Auftreffenergie bei einem System mit Zusatzmagneten deutlich geringer ist als bei dem System ohne Zusatzmasse und ohne Zusatzmagneten.

Für die Regelung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der jeweiligen Polfläche bestehen nun unterschiedliche

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. Ausführungsmöglichkeiten für die Regelstrategie. In einerersten Ausführungsform ist es möglich, mittels einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 3 an wenigstens einer Stelle des Wegverlaufes zu bestimmen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann dies beispielsweise durch zwei Sensoren Sl und S2 erfolgen, die dem Anker 3 zwischen den beiden Polflächen 8.1 und 8.2 zugeordnet sind und über die bei jeder Ankerbewegung zwischen den beiden Polflächen zweimal nacheinander der Ist-Zeitpunkt des Vorbeifluges erfaßt werden kann. Die von den Sensoren Sl und S2 ausgelösten Signale werden an die Steuereinrichtung 16 weitergeleitet, in der entsprechend einem vorgegebenen Steuerprogramm, das über die externe Eingabe 17 hinsichtlich der vorgegebenen Soll-Zeiten auch noch variabel ist, die Aktuatoren der Gaswechselventile angesteuert werden. Die Zeitpunkte für die An- und Abschaltung sowie die Steuerung der Stromstärke des jeweils fangenden Magneten werden aus dem SoIl-Ist-Vergleich der über die Sensoren Sl und S2 erfaßten Ist-Werte mit den über die Steuereinrichtung 16 jeweils vorgegebenen Soll-Werte abgeleitet und die Elektromagneten 4 und 5 entsprechend angesteuert. Über die Sensoren Sl und S2 können nicht nur die tatsächlichen Vorbeiflugzeitpunkte erfaßt werden, sondern auch über eine entsprechende Umrechnung die tatsächliche Vorbeifluggeschwindigkeit und damit auch die voraussichtlich Auftreffgeschwindigkeit ermittelt werden.

Ist der ermittelte Wert der Geschwindigkeit zu hoch, so wird der Strom durch den jeweils dem fangenden Magneten zugeordneten Zusatzmagneten entsprechend erhöht. Hierdurch wird die für das Entfernen der Zusatzmasse vom Zusatzmagneten benötigte Energie vergrößert und der Anker 3 entsprechend stärker gebremst, so daß die Auftreffgeschwindigkeit entsprechend reduziert wird. Ist die Geschwindigkeit kleiner als eine vorgegebene Soll-Geschwindigkeit, so wird der Strom für den Zusatzmagneten entsprechend reduziert. Die beschrie-

•,.&iacgr;&ogr; &igr; ·· ·· &diams;· ·&diams;

- bene Regelschleife ist in sinnvoller Weise als PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) mit nichtlinearer Kennlinie auszulegen. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise ist es möglich, noch auf Variationen der Ankergeschwindigkeit im jeweiligen Zyklus zu reagieren. Dies ist insbesondere bei Aktuatoren zur Betätigung von Gasauslaßventilen wünschenswert, da sich dort durch zyklische Schwankungen in der Verbrennung entsprechend variierende Geschwindigkeitsverläufe des Anker-Ventil-Systems ergeben, da die Gaskräfte, die auf das Gasauslaßventil wirken, sich ändern.

Als Maßnahme zur Kompensation von Fertigungstoleranzen oder Verschleißerscheinungen hingegen reicht es aus, Informationen über den jeweils vorangegangenen Zyklus auszuwerten. Somit ist es dann auch möglich, direkt die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 3 auf die zugehörige Polfläche 8.1 bzw. 8.2 zu detektieren. Diese Größe kann dann als Grundlage zur Einstellung der Bestromung der Zusatzmagneten für den jeweils nächsten Zyklus verwendet werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle der vorbeschriebenen Ermittlung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers das Loslösen der Zusatzmasse vom Zusatzmagneten zu detektieren. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß durch das plötzliche Loslösen des Ankers vom Zusatzmagneten eine Spannung in der Spule des Zusatzmagneten induziert wird, deren Größe von der Geschwindigkeit der sich entfernenden Zusatzmasse abhängt. Die Höhe dieser Spannung kann - als ausgezeichnetes Maß für die Geschwindigkeit des Anker-Ventil-Systems dienen. Fig. 5 zeigt eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. An der Spule, beispielsweise des Zusatzmagneten 9, wird mittels eines Differenziergliedes 19 die 1. Ableitung der Spannung des Zusatzmagneten gebildet. In einem Spitzenwertdetektor 20 wird der Maximalwert der Spannungsänderung ermittelt und mit Hilfe eines Vergleichers 21 mit einem beispielsweise in der Steuereinrichtung 16 oder in einem gesonderten Motor-

.·&igr;&igr;:

" Steuergerät abgelegten Referenzwert verglichen. Eine zu hohe Spannung führt zu einer erhöhten Sollvorgabe des Stroms durch den Zusatzmagneten für den nächsten Zyklus. Die Sollvorgabe wird in einer Sample-and-Hold-Schaltung 22 für den nächsten Zyklus festgehalten. Eine zu niedrige Spannung entsprechend einer zu niedrigen Geschwindigkeit bewirkt eine Erniedrigung der Sollvorgabe für den nächsten Zyklus.

Eine zu niedrige Geschwindigkeit bedeutet allerdings u. U., daß der Anker 3 seine Polfläche 8 nicht mehr erreicht.

Für diesen Fall müssen Maßnahmen ergriffen werden. So kann beispielsweise das übliche Umschalten auf Haltestrom am fangenden Magneten, das aus energetischen Gründen normalerweise nach Abschluß der Fangphase erfolgt, verhindert werden.

Damit würde der Anker dann, je nach Dimensionierung des gesamten Systems, in einer Lage entsprechend dem Verzögerungsabstand dv zwischen der Polfläche 8 des fangenden Elektromagneten und dem Anker gehalten werden. Außerdem kann man den Fangstrom noch erhöhen, um den Anker doch noch in seine korrekte Lage zu ziehen. Unterstützt werden kann dies noch durch ein Abschalten des Stroms durch den Zusatzmagneten. Die letztgenannten Maßnahme sind insbesondere am Schließmagneten 4 angebracht, da ein nicht vollständiges Schließen des Gaswechselventils zu fatalen Fehlfunktionen führen kann. Sollte aus irgend einem Grund das Anziehen des Ankers 3 in die Endlage an der Polfläche 8 nicht möglich sein, so müßte für den entsprechenden Zyklus die Verbrennung

. unterbunden werden und zwar durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung und/oder der Zündung. Falls allerdings bereits eine gewisse Kraftstoffmenge eingebracht wurde, kann auch eine geänderte Ansteuerung der restlichen Gaswechselventile sinnvoll sein. So kann beispielsweise eine Betätigung der Auslaßventile unterbunden werden, damit kein unverbranntes Gemisch in den Gasauslaßkanal gerät.

Als Entscheidungskriterium für das Nichtanliegen des Ankers an seiner Polfläche kann außerdem eine Auflageerkennung

* entweder des Ankers 3 selbst oder der Zusatzmasse verwendet werden. Bei korrekter Funktion muß ein Anliegen des Ankers 3 an der jeweiligen Polfläche 8 und ein Nichtanliegen der Zusatzmasse an der entsprechenden Polfläche des Zusatzmagneten detektiert werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform für einen elektromagnetischen Aktuator kann im Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine auch noch als aktives System genutzt werden. Elektromagnetische Aktuatoren für Gaswechselventile an Kolbenbrennkraftmaschinen sind hinsichtlich ihrer Betätigung voll variabel, so daß entsprechend den Vorgaben der Steuereinrichrung nahezu beliebige Abstimmungen der öffnungs- und Schließzeiten möglich sind. Bei Kolbenbrennkraftmaschinen, bei denen der Kraftstoff in den Gaseinlaßkanal eingespritzt wird, sind auch Betriebsweisen mit sogenannter Kanalabschaltung im Steuerprogramm vorgesehen. Das bedeutet, daß je nach der Lastvorgabe einzelne Zylinder dadurch deaktiviert werden, daß zum einen die Kraftstoffeinspritzung für eine vorgebbare Zahl von Arbeitszyklen abgeschaltet und das Gasein_t laßventil nicht geöffnet wird. Da sich jedoch aus den voraufgegangenen Zyklen im Gaseinlaßkanal geringe Kraftstoffmengen ansammeln können, würde bei einem erneuten Zuschalten dieses Einlaßkanals eine falsche Kraftstoffzumessung in den wieder arbeitenden Zylinder erfolgen. Wird nun bei grundsätzlich

abgeschaltetem Gaseinlaßkanal der Zusatzmagnet des geschlossen gehaltenen Gaseinlaßventils bei anliegendem Anker bestromt, . . ... dann öffnet das Gaseinlaßventil um ein durch den Verzögerungsabstand des Hauptankers zur Polfläche des haltenden Magneten

30-:- .vorgegebenes Maß, so daß der sich am Gaseinlaßventil ansammelnde Kraftstoff in den Zylinder gelangen kann. Hierbei kann es zweckmäßig sein, daß gleichzeitig der Haltestrom des zugehörigen haltenden Elektromagneten reduziert oder kurzzeitig abgeschaltet wird. Die Bestromung des haltenden Elektromagneten muß so geführt werden, daß der Anker nicht ganz abfällt, sondern in einer Gleichgewichtslage genau im Verzögerungsabstand gehalten wird. Nach Beendigung dieses

&psgr;* 9

■ zum Ausblasen etwaiger Kraftstoffansammlungen vor dem Ventil dienenden Mikrohubes wird der Zusatzmagnet wieder stromlos gesetzt,und das Ventil in Schließstellung gehalten.

Die Anordnung der anhand von Fig. 1 beschriebenen Zusatzmagneten kann auch noch eine weitere Aufgabe erfüllen. Infolge unterschiedlicher Einflüsse, insbesondere durch das Phänomen des sogenannten Klebens eines Ankers an einem haltenden Magneten, ergibt es sich, daß mit einem Abschalten des Haltestroms der Anker sich zeitverzögert von der Polfläche des haltenden Magneten löst. Diese Zeitverzögerungen müssen daher zur Bestimmung des Abschaltzeitpunktes berücksichtigt werden, um einen zeitgenauen Bewegungsbeginn des Ankers und damit ein zeitgenaues öffnen oder Schließen des Gaswechselventils zu bewirken. Dem Einfluß des "Klebens" kann man nun dadurch entgegenwirken, daß der vorhandene Zusatzmagnet, der bei Beendigung der Ankerbewegung als Dämpfungs- oder Bremsmagnet wirkt, zu Beginn der Ankerbewegung bei entsprechender Bestromung als Beschleunigungsmagnet verwendet wird.

Zur Einleitung des AbwurfVorganges des Ankers vom haltenden Elektromagneten wird der Haltestrom durch den Elektromagneten abgeschaltet und je nach Dimensionierung kurz vorher, kurz nachher oder gleichzeitig der Zusatzmagnet bestromt oder mit einem erhöhten Strom beaufschlagt. Hierdurch wird zusätzlieh zur Wirkung der Rückstellfeder eine zusätzliche Kraft auf das Gaswechselventil aufgebracht, die den Ablösevorgang des Ankers vom haltenden Magneten beschleunigt. Dadurch kann der Zeitpunkt des Bewegungsbeginnes genauer eingestellt werden.

Grundsätzlich sollte zum schnellen Aufbau und Abbau des Magnetfeldes in der Spule des Zusatzmagneten der Magnet geblecht werden. Falls ein solch schneller Auf- und Abbau von Feldern allerdings nicht gewünscht wird, also beispielsweise bei einer Regelung der Ankergeschwindigkeit, die lediglich von Zyklus zu Zyklus eine Stromhöhenveränderung vornimmt, ist es sinnvoll, den Zusatzmagneten eher massiv

auszuführen. Hierdurch kommt es zu Wirbelstromverlusten, die umso größer sind, je höher die Ankergeschwindigkeit ist. Damit hat man also bei hohen Ablösegeschwindigkeiten des Zusatzankers und somit hohen Näherungsgeschwindigkeiten des Ankers 3 größere Verluste, was eine teilweise Kompensation der zu schnellen Bewegung durch die Wirbelstromverluste bewirkt.

Es ist ebenfalls möglich, die Verluste und somit den zusätzliehen Dämpfungseffekt gezielt zu steuern. Hierzu kann eine Anpassung eines Belastungswiderstandes am Zusatzmagneten oder aber auch eine variable Abschaltspannung erfolgen. In den Fig. 6 und 7 ist dieses Prinzip anhand von Beispielschaltungen näher erläutert. Es wird jeweils die Beschaltung nur eines Zusatzmagneten gezeigt.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung ist der Zusatzmagnet 9, hier durch seine Induktivität dargestellt, von einer in der Stromhöhe änderbaren Stromquelle 23 versorgt. Ein veränderbarer Widerstand 24 kann dazu verwendet werden, den vorstehend als Wirbelstrom beschriebenen Effekt zu erzielen. Beim Einstellen auf einen sehr großen Widerstand (gegen unendlich) fließt praktisch kein "Wirbelstrom". Das Feld des Zusatzmagneten 9 kann sich entsprechend schnell ändern und der Energieentzug der kinetischen Energie des Ankers ist klein. Wird der Widerstandswert verringert, beispielsweise auf einen Wert, bei dem gerade Leistungsanpassung vorliegt, so ist der Energieverlust maximal.

Fig._ 7 zeigt ^eine ähnlich arbeitende Schaltung. Hier wird ebenfalls der Elektromagnet 9, dargestellt durch seine Induktivität, aus eiher Stromquelle 23 versorgt. Über eine Diode 25 ist eine variable Spannungsquelle 26 angeschlossen, die bei Einstellung auf eine sehr große Spannung lediglich einen kleinen "Wirbelstrom" bewirkt und somit nur einen kleinen Energieentzug und bei einer kleinen Spannung einen entsprechend großen Energieentzug bewirkt. Diese Schaltungen

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sollen lediglich das Prinzip verdeutlichen. Naturgemäß lassen sich viele Schaltungsvariationen hieraus ableiten. So kann beispielsweise eine über Transistoren einstellbare Spannungsbegrenzungsschaltung anstelle der Diode und der veränderbaren Spannungsquelle verwendet werden.

Um nun bei der Bestromung des jeweiligen Zusatzmagneten einen schnellen Stromanstieg ohne zusätzlichen Energieaufwand bewirken zu können, wird dieser zweckmäßigerweise mit dem abschaltenden Elektromagneten verbunden. Die sich an der Spule des abschaltenden Elektromagneten aufbauende Spannung bewirkt dann einen Stromfluß in der Spule des betreffenden anzuschaltenden Zusatzmagneten. Da die Spule des Zusatzmagneten sich diesem Stromfluß aufgrund ihres induktiven Verhaltens widersetzt, steigt die von der abgeschalteten Spule gelieferte Spannung auf einen sehr hohen Wert, um den Stromfluß durch die anzuschaltende Spule mit einem steilen Stromanstieg zu zwingen. Aufgrund der Energieverluste und des schwächer werdenden Stromanstiegs sinkt die Spannung der Spule durch den inzwischen an die über die Stromversorgung angeschalteten Elektromagneten ab, bis die über die Stromversorgung zur Verfügung stehende Stromversorgungsspannung größer ist und den erreichten Stromfluß aufrecht erhalten kann. Auf diese Weise ist es " " möglich, die Forderung nach hohen Schaltgeschwindigkeiten zu verwirklichen.

Claims

' Ansprüche

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils (2) an einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einem mit dem Gaswechselventil (2) in Wirkverbindung stehenden Anker (3), der gegen die Kraft von zwei gegeneinander gerichteten Rückstellfedern (6, 7) zwischen den Polflächen {8.1, 82.) von zwei über eine Steuereinrichtung {16) in ihrer Bestromung steuerbaren, mit Abstand zueinander angeordneten, als Öffner und als Schließer wirkenden Elektromagneten (4, 5) hin- und herbewegbar geführt ist, und mit wenigstens einer dem Gaswechselventil (2) zugeordneten relativ und richtungsgleich zu diesem bewegbar geführten Zusatzmasse (11, 12), die über einen Mitnehmer (13.1, 13.2) mit dem Gaswechselventil (2) in der Endphase seiner Bewegung in Richtung auf den fangenden Elektromagneten (4, 5) in Wirkverbindung tritt.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Zusatzmasse {11, 12) eine Haltefeder (14, 15) zugeordnet ist, deren Kraftwirkung gegen die Bewegungsrichtung der Zusatzmasse (11, 12) in der Endphase der Bewegung des Gaswechselventils gerichtet ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gaswechselventil (2) jeweils für seine Schließstellung und für seine Öffnungsstellung eine Zusatzmasse (11, 12) zugeordnet ist.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe einer Zusatzmasse (11, 12) etwa ein Viertel der Gesamtmasse der bewegenden Teile des Gaswechselventils (2) einschließlich Anker (3) beträgt.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bia 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der Elektromagneten (4, 5) ein in seiner Bestromung steuerbarer Zusatzmagnet (9, 10)

^r zugeordnet ist und daß die Zusatzmasse (11, 12) einen Zusatzanker für den Zusatzmagneten bildet.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Polfläche {9.1, 10.1) des Zusatzmagneten {9, 10) und dem Zusatzanker (11, 12) bei anliegendem Zusatzanker ein Luftspalt von max. 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm und weniger vorhanden ist.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anker (3) und der Polfläche (8) des jeweils fangenden Elektromagneten (4, 5) zum Zeitpunkt des Eingreifens des Mitnehmers (13) am Zusatzanker (11, 12) ein Luftspalt vorhanden ist, der einen Verzögerungsabstand d_v bildet und max. I mm beträgt.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Anker (3) wenigstens ein Sensor (S^, S2) zur Erfassung seiner Bewegungsgeschwindigkeit zugeordnet ist, der mit der Einrichtung (16) zur Steuerung der Bestromung der Elektromagneten (4, 5) und der Zusatzmagneten (9, 10) in Verbindung steht.

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß -.J.ie Einrichtung (16) zur Steuerung der Bestromung der Elektromagneten (4, 5) und der Zusatzmagneten (9, 10) eine Schaltungsanordnung aufweist, durch die die Bestromung der Zusatzmagneten (9, 10) in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers (3) gesteuert wird.

10_. Aktuator,-nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur Steuerung der Bestromung der Elektromagneten (4, 5) und der Zusatzmagneten (9, 10) eine Schaltungsanordnung zur Erkennung des Auftreffens des Ankers (3) auf einer Polfläche (8) des fangenden Elektromagneten (4, 5) und/oder des Lösens des Zusatzankers (11, 12) von der Polfläche des Zusatzmagneten (9, 10) aufweist, die mit einer Schaltung zur Steuerung

" der Kraftstoffeinspritzung und/oder Zündeinrichtung in Verbindung steht.

11. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere der dem Schließmagneten {4) zugeordnete Zusatzmagnet (9) mit der Steuereinrichtung (16) zur Bestromung in der Weise in Verbindung steht, daß bei eingeschaltetem Haltestrom am Elektromagneten (4) der Zusatzmagnet (9) gegen die Kraft des haltenden Elektromagneten (4) so stark bestromt wird, daß das Gaswechselventil um den durch den Hub des Zusatzankers (11) gegenüber der Polfläche (9.1) des Zusatzmagneten (9) geöffnet wird.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur Steuerung zur Bestromung so ausgebildet ist, daß eine Bestromung des Zusatzmagneten (9, 10) beim Abschalten des Haltestroms zum Elektromagneten (4, 5) erfolgt.

13. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur Steuerung der Bestromung eine Schaltungsanordnung aufweist, die über eine Beeinflussung der Einschaltspannung und/oder der Abschaltspannung am jeweils wirksamen Zusatzmagneten (9, 10) eine Veränderung der durch den Zusatz-magneten (9, 10) mit seinem Zusatzanker (H₇ 12) auf das Gaswechselventil ausgeübten Dämpfung bewirkt wird.