[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines
Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0002] Aus der DE 43 36 287 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine an einem Ventilschaft
eines Gaswechselventils angeordnete Ankerplatte mit Hilfe eines Federsystems zwischen
einer Offen- und einer Schließstellung hin- und herbewegbar vorgesehen ist. Weiterhin
sind auf gegenüberliegenden Seiten der Ankerplatte zwei Schaltmagnete vorgesehen,
mit deren Hilfe die Ankerplatte in der Offen- beziehungsweise Schließstellung gehalten
werden kann. Die Schaltmagnete sind als sogenannte Haftmagnete ausgebildet, die ihre
Magnetkraft im wesentlichen im Nahbereich des Magnetkerns entfalten.
[0003] Aus der DE 38 26 975 A1 ist weiterhin eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einer Hülse
zur Führung der Ankerplatte bekannt, wobei sich die Hülse über den Bereich zwischen
den Polflächen der beiden Schaltmagnete erstreckt. Die ferromagnetischen Eigenschaften
dieser Hülse sind über ihre Länge gesehen unterschiedlich, wobei sie im Mittelbereich
nur geringe, in den beiden Randbereichen jedoch stärkere ferromagnetische Eigenschaften
besitzt. Durch diese Hülse wird die Fernwirkung beider Schaltmagnete gleichermaßen
beeinflußt.
[0004] Während der Betätigung der Gaswechselventile treten Energieverluste durch mechanische
Reibung und insbesonderem bei Öffnen von Auslaßventilen in Form von Arbeit gegen den
Brennraumgasdruck auf. Bei hohen Brennraumdrücken, also bei Vollastbetrieb, ist die
vom Gaswechselventil beim Öffnen zu leistende Gasarbeit erheblich. Ohne Energiezufuhr
würde das von der Feder angetriebene Gaswechselventil in einer Zwischenposition die
Bewegung umkehren. Um eine exakte Ventilfunktion zu bewirken, müssen zwei Bedingungen
erfüllt sein. Zum einen muß im Umkehrpunkt der Ventilbewegung die Kraft des Öffnetmagneten
größer als die auf das Gaswechselventil wirkenden Kräfte sein. Zum anderen müssen
die Energieverluste möglichst exakt ausgeglichen werden, um die Aufschlaggeschwindigkeit
des Gaswechselventils gering zu halten und um die Öffnetposition sicher zu erreichen.
Bei einem üblichen Flachankermagnet ist die erste Bedingung nur schwer zu erfüllen.
Um eine ausreichende Kraft zu bewirken muß ein Flachankermagnet stark bestromt werden.
Dann ist aber die dem Gaswechselventil zugeführte Energie zu hoch, was mit einer hohen
Aufschlaggeschwindigkeit und damit großer Verschleiß- und Geräuschwirkung verbunden
ist. Auch ist es wegen der Trägheit von Elektromagneten nicht möglich, während der
Ventilbewegung den Strom im ausreichenden Maße abzusteuern, um dadurch die Energiezufuhr
zu verringern.
[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung
eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen derart zu verbessern, daß trotz wechselndem
Gegendruck ein Betrieb mit verringertem Energiebedarf, geringem Verschleiß und niederer
Geräuschentwicklung möglich ist.
[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
[0007] Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Schaltmagneten in einer elektromagnetischen
Ventilsteuerung, wobei der der Offenstellung zugeordnete Schaltmagnet als sogenannter
Kennlinienmagnet mit gegenüber dem zweiten Schaltmagnet erhöhter Fernwirkung ausgebildet
ist, kann die Fangenergie, die von den Schaltmagneten insbesondere bei wechselnden
Brennraumgegendrücken aufgewendet wird, reduziert werden. Außerdem wird die notwendige
Energiemenge in einer Frühphase der Öffnetbewegung zugeführt, was zu einer guten Dynamik,
also einem schnellen Schaltvorgang, führt.
[0008] Die in den Unteransprüchen 5 bis 7 beschriebene Ausgestaltung der Flußleitstücke
weist den Vorteil auf, daß kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
[0009] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung
hervor. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
- Fig. 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung
eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen in Schließstellung im Schnitt,
- Fig. 2
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung
eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen in Offenstellung, ebenfalls im Schnitt,
- Fig. 3
- ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung
eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen ebenfalls im Schnitt und
- Fig. 4
- ein Beispieldiagramm für eine Kraft-Weg-Kennlinie einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Ventilsteuerung zeigt.
[0010] In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines
Gaswechselventils 2 - im folgenden elektromagnetische Ventilsteuerung genannt - einer
nicht näher gezeigten Brennkraftmaschinen insgesamt mit 1 bezeichnet. Das Gaswechselventil
2, bestehend aus einem Ventilschaft 4, einer Ventilführung 5 und einem Ventilteller
6, ist in einem Gasführungskanal 3 angeordnet. Der Ventilteller 6 wirkt mit einem
im Gasführungskanal 3 vorgesehenen Ventilsitz 7 zusammen und dient zum Verschließen
beziehungsweise Freigeben des Gasführungskanals 3.
[0011] Die elektromagnetische Ventilsteuerung 1 dient zur Betätigung des Gaswechselventils
2, wobei das Gaswechselventil 2 zwischen einer Schließstellung, wie in Fig. 1 dargestellt,
und einer Offenstellung, wie in Fig. 2 dargestellt, hin- und herbewegbar ist. Eine
elektromagnetische Ventilsteuerung 1 weist den Vorteil auf, daß die Steuerzeiten in
einem weiten Bereich frei gewählt werden können. Die elektromagnetische Ventilsteuerung
1 besteht aus zwei zylinderförmigen Schaltmagneten 8, 9, die koaxial zum Ventilschaft
4 und ortsfest gegenüber der Ventilführung 5 beziehungsweise gegenüber dem Gasführungskanal
3 angeordnet sind. Der erste Schaltmagnet 9 ist für die Offenstellung und der zweite
Schaltmagnet 8 für die Schließstellung des Gaswechselventils 2 vorgesehen. In bekannter
Weise besteht jeder Schaltmagnet 8, 9 aus einem äußeren topfförmigen Magnetkern 10,
10' und einer inneren Spule 11, 11'.
[0012] Am Ventilschaft 4 ist im Bereich zwischen den beiden Schaltmagneten 8, 9 eine senkrecht
zur Längsachse des Gaswechselventils 2 angeordnete Ankerplatte 12 vorgesehen. Zwischen
den Schaltmagneten 8, 9 und der Ankerplatte 12 ist jeweils eine Ventilfeder 13, 14
vorgesehen. Die obere Ventilfeder 13 stützt sich am Topfboden 15 des zweiten Schaltmagneten
8 und an der Oberseite 17 der Ankerplatte 12 ab, während die untere Ventilfeder 14
sich an der Unterseite 18 der Ankerplatte 12 und des unteren Topfbodens 16 abstützt.
Hierbei bewirkt die obere Ventilfeder 13 eine Kraft in Öffnungsrichtung und die untere
Ventilfeder 14 in Schließrichtung des Gaswechselventils 2.
[0013] Im Betrieb bewegt sich die Ankerplatte 12 und das damit verbundene Gaswechselventil
2 zwischen den Polflächen der Schaltmagnete 8, 9 hin und her. Um das Gaswechselventil
2 gegen die Kraft der Ventilfeder 13 in der Schließstellung zu halten (siehe Fig.
1) wird die innere Spule 11 des zweiten Schaltmagnets 8 durch Anlegen einer Spannung
erregt. An der inneren Spule 11' des ersten Schaltmagneten 9 liegt in diesem Zustand
keine Spannung an. Zum Öffnen des Gaswechselventils 2 wird nun die Spannung an der
oberen Spule 11 gelöst. Dadurch wird die Ankerplatte 12 durch die Kraft der vorgespannten
Feder 13 in Offenstellung bewegt. Kurz vor Erreichen der Offenstellung kann nun die
Spule 11' des ersten Schaltmagnetes 9 durch Anlegen einer Spannung erregt werden,
so daß die Ankerplatte 12 durch die resultierende Magnetkraft des Schaltmagnetes 9
eingefangen und in dieser Offenstellung festgehalten wird (siehe. Fig. 2).
[0014] Das Federsystem 13, 14 ist nun so ausgelegt, daß die Ankerplatte 12 eine oszillierende
Bewegung zwischen den Polflächen der beiden Schaltmagneten 8, 9 ausführt. Im oberen
und unteren Umkehrpunkt wird dann die Ankerplatte 12 durch Erregung des entsprechenden
Schaltmagneten 8, 9 eingefangen und festgehalten. Bei Gaswechselventilen 2, die bei
variierenden Gegendrücken arbeiten, insbesondere bei Auslaßventilen von Brennkraftmaschinen,
stellt sich das Problem, daß die Ankerplatte 12 bei höheren Gegendrücken durch die
Kraft des Federsystems 13, 14 gar nicht mehr in den Nahbereich des ersten Schaltmagneten
9 gelangt. Um die Ankerplatte 12 in dieser Situation dennoch einfangen und festhalten
zu können, müssen sehr hohe Fangenergien aufgewendet werden. Um dieses Problem zu
umgehen wird deshalb vorgeschlagen, den ersten Schaltmagneten 9 als sogenannten Kennlinienmagneten
auszubilden. Bei Kennlinienmagneten wird der Magnetkern 10' so ausgebildet, daß sich
die Magnetkraft bei gleichem Stromfluß weiter in Richtung Fernfeld erstreckt. Hierzu
können beispielsweise Flußleitstücke 19 aus einem magnetisch leitenden Material am
Magnetkern 10' oder an der Unterseite 18 Ankerplatte 12 angeordnet werden.
[0015] Gemäß Fig. 1 ist ein hohlzylinderförmiges Flußleitstück 19 koaxial zum Ventilschaft
4 an der der Ankerplatte 12 zugeordneten Polfläche 20 des ersten Schaltmagneten 9
angeordnet. Der Innenumfang des Flußleitstückes 19 wird hierbei kleiner als der Außenumfang
der Ankerplatte 12 gewählt. Dadurch kann die Ankerplatte 12 ihre oszillierende Bewegung
bis in den Innenbereich des hohlzylindrischen Flußleitstückes 19 ausführen. Bei Erregung
des ersten Schaltmagneten 9 kann die Ankerplatte 12 weiterhin an der der Ankerplatte
12 zugewandten Polfläche 20 des ersten Schaltmagneten 9 zur Anlage kommen.
[0016] Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Hier ist das hohlzylindrische Flußleitstück
19 ebenfalls koaxial zum Ventilschaft 4 an der dem ersten Schaltmagneten 9 zugewandten
Unterseite 18 der Ankerplatte 12 angeordnet. Hierbei sind die Abmessungen des Flußleitstückes
19, des topfförmigen Magnetkerns 10' des ersten Schaltmagneten 9 und der Ventilfeder
14 so gewählt, daß das Flußleitstück 19 in der Schließstellung in einen Zwischenraum
zwischen dem topfförmigen Magnetkern 10' und der Ventilfeder 14 hineinragt.
[0017] Durch beide Anordnungen oder deren Kombination wird gewährleistet, daß die kreisförmige
Ankerplatte 12 auch bei größeren Gegendrücken durch den ersten Schaltmagneten 9 ohne
eine übermäßige Erhöhung der notwendigen Fangenergie in die Offenstellung überführt
und dort gehalten werden kann. Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen sind selbstverständlich
auch andere Ausführungsformen für die Flußleitstücke denkbar. Entscheidend ist lediglich,
daß die Fernwirkung des betroffenen Schaltmagnetes erhöht wird.
[0018] So zeigt Fig. 3 ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
elektromagnetischen Ventilsteuerung, wobei gleiche Teile gegenüber den Fig. 1 und
2 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Abweichend vom oben beschriebenen
Ausführungsbeispiel sind die Ventilfedern 13, 14 außerhalb der Schaltmagnete 8, 9
angeordnet und in ihrer Funktion vertauscht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die
Fernwirkung des unteren Schaltmagneten 9 dadurch erhöht, daß die Polfläche 20 des
unteren Schaltmagneten 9 und die Unterseite 18 der Ankerplatte 12 korrespondierende
Stufungen 21, 22 aufweisen. Auf der Polfläche 20 des unteren Schaltmagneten ist hierfür
eine kreisringförmige Erhebung 21 vorgesehen. Entsprechend weist die Unterseite 18
der Ankerplatte 12 eine korrespondierende Vertiefung 22 derart auf, daß die Erhebung
21 in Offenstellung des Gaswechselventils in die Vertiefung 22 ragt. Vorzugsweise
entspricht die Stufentiefe dem halben Arbeitsweg des Gaswechselventils. Der Schaltmagnet
8 ist weiterhin als Flachankermagnet mit ausgeprägter Haltefunktion ausgeführt. Entsprechend
ist die Oberseite 17 der Ankerplatte 12 eben ausgeführt.
[0019] Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtungen soll im folgenden anhand einer
in Fig. 4 gezeigten schematischen Darstellung der Kraft-Weg-Kennlinie näher erläutert
werden. Aufgetragen sind die magnetischen Kräfte F
EM8, F
EM9 der beiden Schaltmagnete 8, 9, sowie die resultierende mechanische Kraft F
mech des Federsystems 13, 14 als Funktion des Luftspaltes zwischen den Polflächen und
der Ankerplatte 12. Gemäß Ausführungsbeispiel beträgt die Entfernung zwischen den
Polflächen und der mittleren Ruhelage des mechanischen Federsystems 4 mm. Demnach
wirkt in dieser mittleren Ruhelage keine mechanische Kraft F
mech auf die Ankerplatte 12. Dagegen nimmt die resultierende mechanische Kraft F
mech bei der Auslenkung aus dieser Ruhelage linear bis zu einer Maximalkraft F
max1 bei Erreichen einer der beiden Schaltstellungen zu.
[0020] Die Kraft-Weg-Kennlinie F
EM8 des Schaltmagneten 8 zeigt einen typischen Verlauf eines Flachankermagneten mit ausgeprägter
Haltefunktion. Die Kraft F
EM8 nimmt von einem Maximalwert F
max3 bei Luftspalt Null - das heißt in Schließstellung - quadratisch ab und strebt in
der mittleren Ruhelage bereits gegen Null. Abweichend hiervon zeigt die Kraft-Weg-Kennlinie
F
EM9 des Schaltmagneten 9 durch die Maßnahmen zur Kennlinienbeeinflussung einen veränderten
Verlauf auf. Bei kleinem Luftspalt liegt die magnetische Kraft F
EM8 des Schaltmagneten 8 unter dem Verlauf F
EM9 für den Schaltmagneten 9. Die Maximalkraft F
max2 liegt knapp über der resultierenden mechanischen Kraft F
mech, aber deutlich unter der Maximalkraft F
max3 des Schaltmagneten 8. Bei größerem Luftspalt weist die Kraft F
EM9 jedoch ein lokales Maximum auf, wobei hier die magnetische Kraft F
EM9 über der magnetischen Kraft F
EM8, aber auch über der resultierenden mechanischen Kraft F
mech liegt.
[0021] Mit dieser Anordnung ergibt sich bei einem Schaltvorgang folgende Situation. Die
Ankerplatte 12 schwingt aus der einen Endstellung (bei ca. 8 mm Luftspalt) kommend
über die mittlere Ruhelage bei 4 mm Luftspalt hinaus in den Bereich eines kleinen
Luftspaltes. Bei Vernachlässigung der Reibungsverluste würde die Ankerplatte 12 aufgrund
der mechanischen Schwingung die andere Endstellung bei Luftspalt 0 mm erreichen. Unter
Berücksichtigung von Reibungsverlusten erreicht die Ankerplatte 12 diese Endstellung
jedoch nicht, sondern sie muß durch den entsprechenden Schaltmagneten 8,9 eingefangen
werden. Damit dies bei einem Schaltmagneten gemäß Kraft-Weg-Kennlinie F
EM8 möglich ist, muß die Ankerplatte 12 zumindest eine solche Endposition erreichen,
in der die magnetische Kraft F
EM8 die mechanische Rückstellkraft F
mech übersteigt. Im Ausführungsbeispiel entspricht dies einem Luftspalt kleiner 0.7 mm.
Kommt nun die Ankerplatte 12 bei einem Öffnenvorgang aufgrund eines erhöhten Gasgegendruckes
nicht in diese Endposition, so müßte bei einem Schaltmagneten mit einem Kraftverlauf
gemäß Kraftkennlinie F
EM8 die gesamte Kennlinie durch eine erhöhte Energiezufuhr soweit gestreckt werden, daß
die magnetische Kraft F
EM8 die Rückstellkraft F
mech in der Endposition übersteigt.
[0022] Eine bessere Lösung zeigt ein Schaltmagnet mit einem Kraftverlauf gemäß der Kraftkennlinie
F
EM9. Bereits vor Erreichen der mittleren Ruhelage übersteigt die magnetische Kraft F
EM9 die mechanische Kraft, so daß die Ankerplatte 12 bereits in dieser Position eine
beschleunigende Kraft in Richtung Öffnetstellung erfährt. Die Öffnungsdauer wird dadurch
positiv beeinflußt. Im weiteren Bewegungsvorgang zur Offenstellung (0 mm Luftspalt)
hin, fällt die Kraftkennlinie F
EM9 des Schaltmagneten 9 wieder ab und unterschreitet die mechanische Federkennlinie
F
mech. Dadurch wird das Gaswechselventil durch die Nettowirkung von mechanischer Federkraft
und magnetischer Kraft abgebremst und somit kinetische Energie entzogen. Dies führt
zu einem weicheren Aufschlag und damit zu einer Reduzierung der Geräuschentwicklung.
Kurz vor der Offenstellung steigt die Magnetkraft F
EM9 wieder steil an und übersteigt dann wiederum die mechanische Rückstellkraft F
mech. Die Ankerplatte 12 kann dadurch vom Schaltmagneten 9 eingefangen und aufgrund der
hohen magnetischen Kraft F
max2 sicher gehalten werden.
[0023] Durch unterschiedliche Bestromung kann die Nettoenergie, die der Ankerplatte 12 vom
Schaltmagneten 9 zugeführt wird, auf den jeweiligen Betriebsfall hin eingestellt werden.
Der Vergleich der beiden Kraftkennlinien F
EM8, F
EM9 zeigt jedoch, daß bei ungefähr gleichem Energiezufuhr die Funktionalität des Schaltmagneten
9 hinsichtlich wechselnder Gegendrücke verbessert wird.
1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen
mit einem an dem Gaswechselventil befestigten Anker, mit zwei auf gegenüberliegenden
Seiten des Ankers angeordneten Federelementen, durch deren Federkraft der Anker zwischen
einer Offen- und einer Schließstellung bewegt werden kann, und mit zwei auf gegenüberliegenden
Seiten des Ankers angeordneten Schaltmagneten, die das Gaswechselventil in der Offen-
beziehungsweise Schließstellung halten,
dadurch gekennzeichnet,
daß der der Offenstellung zugeordnete erste Schaltmagnet (9) als Kennlinienmagnet
mit gegenüber dem zweiten, der Schließstellung zugeordneten Schaltmagnet (8) erhöhter
Fernwirkung ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß am dem Anker (12) zugewandten Ende des Magnetkern (10') des ersten Schaltmagnets
(9) und/oder auf der dem ersten Schaltmagnet (9) zugewandten Seite (18) des Ankers
(12) ein Flußleitstück (19) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkern (10') des ersten Schaltmagneten (9) hohlzylinderförmig ausgeformt
und koaxial zum Ventilschaft (4) angeordnet ist, daß das Flußleitstück (19) hohlzylinderförmig
ausgebildet und am dem Anker (12) zugewandten Ende des Magnetkerns (10') koaxial zum
Ventilschaft (4) angeordnet ist, wobei der Innendurchmesser des Flußleitstückes (19)
größer ist als der Innendurchmesser des Magnetkerns (10'), und daß der Anker (12)
als kreisförmige Ankerplatte ausgeführt ist, wobei die Ankerplatte (12) in Offenstellung
innerhalb der Zylinderöffnung des Flußleitstückes (19) am Magnetkern (10') anliegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkern (10') des ersten Schaltmagnets (9) hohlzylinderförmig ausgeformt
und koaxial zum Ventilschaft (4) angeordnet ist, daß der Anker als kreisförmige Ankerplatte
(12) ausgeführt ist, daß das Flußleitstück hohlzylinderförmig ausgebildet und an der
dem ersten Schaltmagnet (9) zugewandten Seite (18) der Ankerplatte (12) koaxial zum
Ventilschaft (4) angeordnet ist, wobei der Außendurchmesser des Flußleitstückes (19)
kleiner ist als der Innendurchmesser des Magnetkerns (10'), und wobei das Flußleitstück
(19) in Offenstellung in die Zylinderöffnung des Magnetkerns (10') ragt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Polfläche (20) des ersten Schaltmagneten (9) gestuft ausgeführt ist und daß
die dem ersten Schaltmagneten (9) zugewandte Seite (18) der Ankerplatte (12) eine
korrespondierende Stufung (22) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkern (10') des ersten Schaltmagnets (9) hohlzylinderförmig ausgeformt
und koaxial zum Ventilschaft (4) angeordnet ist, daß der Anker als kreisförmige Ankerplatte
(12) ausgeführt ist und daß die Polfläche (20) des ersten Schaltmagneten (9) eine
kreisringförmige Erhebung (21) und die dem ersten Schaltmagneten (9) zugewandte Seite
(18) der Ankerplatte (12) eine korrespondierende Vertiefung (22) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tiefe der Stufung (21, 22) im wesentlichen gleich dem halbem Arbeitsweg des
Gaswechselventils (2) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kennlinienmagnet (9) eine derartige Kraft-Weg-Kennlinie aufweist, daß die
magnetische Kraft (FEM9) im Nahbereich und im Fernbereich die mechanische Federkraft (Fmech) übersteigt und in einem mittleren Abstand von den Polflächen (20) die mechanische
Federkraft (Fmech) unterschreitet.