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Die Erfindung betrifft einen Ventilstrang
für Fahrzeuge
und im Besonderen eine Vorrichtung zum Betätigen eines Ventils mittels
einer elektromagnetischen Kraft.
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Im Allgemeinen wird bei einem Verbrennungsmotor
ein Luft-Kraftstoffgemisch
durch einen Ansaugkrümmer
in eine Brennkammer gesaugt und das Luft-Brennstoffgemisch wird
in der Brennkammer verbrannt. Nach der Verbrennung wird das Abgas durch
einen Auspuffkrümmer
in die Atmosphäre
abgeführt.
In einem Einlasskanal und einem Auslasskanal sind ein Einlass- und
ein Auslassventil bereitgestellt.
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Ein System, welches das Einlassventil,
das Auslassventil und eine Vorrichtung zum Betätigen des Einlassventils und
des Auslassventils aufweist, wird als Ventilstrang bezeichnet. Die
Verbrennungscharakteristik des Verbrennungsmotors hängt von der
Wirkungsweise des Ventilstrangs ab und es ist daher für eine optimale
Steuerung des Verbrennungsprozesses sehr wichtig, die Tätigkeit
des Ventilstrangs zu steuern.
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Bei einem bestimmten Ventilstrang
vom Typ Nockenwelle wird die Auf und Ab Bewegung der Einlass- und
Auslassventile mechanisch mittels eines Schwing- oder Kipphebels
ausgeführt,
der mittels einer Nockenwelle betätigt wird.
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Weil eine freie Steuerung der Auf
und Ab Bewegung eines jeden Ventils beim Ventilstrang vom Typ Nockenwelle
unmöglich
ist, ist der Ventilstrang vom Typ Nockenwelle nicht für ein neuestes,
elektronisch gesteuertes Motorsystem geeignet.
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Ein elektromechanischer Ventilstrang
ist ein System, bei dem der Öffnungs-/Schließzeitpunkt
und die Öffnungs-/Schließdauer des
Ventils mittels eines elektronischen Signals gesteuert werden kann.
Weil das Einlassventil die Menge der Ansaugluft regeln kann, kann
ein Drosselventil weggelassen werden und der Pumpverlust verringert
werden. Ferner kann die Verbrennung unter optimalen Bedingungen
stattfinden, so dass die Abgasmenge verringert werden kann, und
der Aufbau der Ventilstrang vereinfacht sich.
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1 zeigt
ein Beispiel eines elektromechanischen Ventilstrangs, der einen
Ventilkörper 1,
eine erste Spulenanordnung 2 und eine zweite Spulenanordnung 3,
die im Ventilkörper
angeordnet sind, aufweist. Ein plattenförmiger Anker 4 ist
zwischen erster und zweiter Spulenanordnung 2 und 3 angeordnet und
ein Ventil 5 ist mit dem Anker 4 gekuppelt. Eine obere
Feder 6 spannt den Anker 4 in der Richtung nach
unten vor und eine untere Feder 7 spannt den Anker 4 in
der Richtung nach oben vor.
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Der Ventilstrang ist in einer solchen
Weise angeordnet, dass sich, wenn der ersten Spulenanordnung 2 Strom
zugeführt
wird, der Anker 4 nach unten bewegt, und dass sich, wenn
der zweiten Spulenanordnung 3 Strom zugeführt wird,
der Anker 4 nach oben bewegt.
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Daher öffnet das Ventil 5,
wenn der ersten Spulenanordnung 2 Strom zugeführt wird,
und schließt
das Ventil 5, wenn der zweiten Spulenanordnung 3 Strom
zugefürht
wird. Wenn weder der ersten noch der zweiten Spulenanordnung Strom
zugeführt wird,
befindet sich der Anker 4 in einer Gleichgewichtsstellung.
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Beim elektromechanischen Ventilstrang
wird jedoch eine Ankerplatte, die aus Eisen hergestellt ist, nach
längerem
Gebrauch magnetisiert. Daher wirkt eine anziehende Kraft zwischen
den Spulenanordnungen und dem Anker, obwohl weder der ersten Spulenanordnung
noch der zweiten Spulenanordnung Strom zugeführt wird.
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Wenn der Anker aus einem Dauermagneten hergestellt
ist, um obiges Problem zu lösen,
schwindet wegen der hohen Temperatur des Brennraums der Magnetismus
des Ankers und auch das Gewicht des Systems erhöht sich.
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Aus
DE 197 12 669 C2 ist ein elektromechanischer
Ventilstrang bekannt, der ein Gehäuse mit einer darin fest angeordneten
Spulenanordnung aus einem Kern und einer um den Kern gewickelten
Spule aufweist. Ferner ist durch eine Öffnung des Kerns ein Ventilstößel eines
Ventils geführt,
so dass die Spulenanordnung zwischen zwei an dem Ventilstößel befestigte
Ankerplatten angeordnet ist. Zum Halten des Ventils in Offenstellung
bzw. Schließstellung ist
die Spulenanordnung entsprechend gesteuert mit Strom beaufschlagt,
so dass die jeweilige Ankerplatte unter Wirkung einer magnetischen
Anziehungskraft an dem Kern anliegt. Die Ankerplatten sind federnd
so vorgespannt, dass ohne Strombeaufschlagung der Spule das Ventil
eine Mittelposition einnimmt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
elektromechanischen Ventilstrang zu schaffen, der mit platzsparender
und gewichtsarmer Konstruktion ein gutes Ansprechverhalten und eine
hohe Betriebszuverlässigkeit
hat.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale aus Anspruch 1 bzw. 5 gelöst.
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Ferner wurde die Erfindung geschaffen,
um obige Probleme zu lösen.
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Gemäß der Erfindung weist der elektromechanische
Ventilstrang auf: ein Gehäuse,
das eine Kammer definiert, eine äußere Spulenanordnung,
die einen ersten Kern mit einer ersten darin ausgebildeten Öffnung und
eine erste um den ersten Kern gewickelte Spule aufweist, wobei die
Spulenanordnung fest in der Kammer angeordnet ist, eine innere Spulenanordnung,
die einen zweiten Kern mit einer zweiten darin ausgebildeten Öffnung und
eine zweite um den zweiten Kern gewickelte Spule aufweist, wobei die
zweite Spulenanordnung in der ersten Öffnung der äußeren Spulenanordnung befestigt
ist, ein Anker, der eine obere Platte, eine untere Platte, eine Stange,
welche die obere Platte und die untere Platte miteinander kuppelt,
und einen Magnetisolator (im Folgenden als Isolator bezeichnet)
aufweist, der zwischen der Stange und der oberen Platte oder zwischen
der Stange und der unteren Platte angeordnet ist, wobei die Stange
in die zweite Öffnung
der inneren Spulenanordnung vertikal bewegbar eingeführt ist,
ein oberes Federelement, das den Anker nach unten vorspannt, ein
unteres Federelement, das den Anker nach oben vorspannt, und ein
Ventil, das mit der unteren Platte des Ankers gekuppelt ist.
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Der erste Kern der äußeren Spulenanordnung
ist vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material hergestellt
und der zweite Kern der inneren Spulenanordnung ist vorzugsweise
aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt.
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Ferner ist es bevorzugt, dass der
elektromechanische Ventilstrang ferner eine Positions-Einstelleinrichtung
aufweist, um die vertikale Position des Ankers einzustellen, indem
das obere Federelement zusammengedrückt wird.
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Die anliegenden Figuren, die in die
Patentbeschreibung eingeschlossen sind und Teil der Patentbeschreibung
bilden, stellen eine Ausführungsform der
Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung, wobei:
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1 eine
Schnittdarstellung eines elektromechanischen Ventilstrangs gemäß dem Stand
der Technik ist,
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2 eine
Schnittdarstellung eines elektromechanischen Ventilstrangs gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist,
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Ventilstrangs aus 2 ist und
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4, 5 und 6 einen neutralen Zustand, einen geschlossenen
Zustand bzw. einen geöffneten Zustand
des Ventilstrangs aus 2 zeigen.
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Im Weiteren wird eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren im Detail
beschrieben.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, weist ein elektromechanischer
Ventilstrang gemäß der Erfindung
ein Gehäuse 10,
das eine Kammer definiert, eine äußere Spulenanordnung 70,
eine innere Spulenanordnung 60, einen Anker 20,
ein mit dem Anker 20 gekuppeltes Ventil 40, eine
obere Feder 30 und eine untere Feder 50 auf.
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Das Gehäuse 10 ist mit einer
Mehrzahl von Befestigungselementen 11 versehen, mittels
derer das Gehäuseelement 10 an
einem Zylinderkopf 13 befestigt ist.
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Das Gehäuse 10 weist eine
Kammer auf, in der die äußere Spulenanordnung 70 und
die innere Spulenanordnung 60 angeordnet sind.
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Die äußere Spulenanordnung 70 ist
mittels eines Anschlags 80 fest an die Innenwand des Gehäuses 10 angefügt.
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Die äußere Spulenanordnung 70 weist
einen Kern 71 und eine um den Kern gewickelte Spule 73 auf,
wobei der Kern 71 eine Öffnung 75 aufweist
und die Spule 73 mit einer Stromquelle in den Figuren nicht
gezeigt) gekoppelt ist. Der Kern 71 ist aus einem magnetisierbaren
Material, wie Eisen, hergestellt, so dass der Kern magnetisiert
wird, wenn der Spule 73 Strom zugeführt wird.
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Die innere Spulenanordnung 60 weist
auch einen Kern 61 und eine um den Kern 61 gewickelte Spule 63 auf.
Der Kern 61 weist eine Öffnung 65 auf und
ist aus einem nicht magnetisierbaren Material, wie Kunststoff, hergestellt.
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Wenn der Spule 63, die um
den Kunststoff-Kern 61 gewickelt ist, Strom zugeführt wird,
bildet sich in der Öffnung 65 ein
Magnetfeld aus.
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Wie in 2 gezeigt,
ist die innere Spulenanordnung 60 in die Öffnung 75 der äußeren Spulenanordnung 70 eingesetzt,
die fest an das Gehäuse 10 angefügt ist,
und am Kern 71 der äußeren Spulenanordnung 70 festgelegt.
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Der Anker 20 weist eine
obere Platte 15, eine untere Platte 17 und eine
Stange 19 auf, welche die obere Platte 15 und
die untere Platte 17 miteinander kuppelt. Der Anker 20 ist
aus einem magnetisierbaren Material, wie Eisen, hergestellt. Zwischen
der Stange 19 und der oberen Platte 15 ist ein
Kunststoff-Aufsatz 12 angeordnet, so dass die obere Platte 15 und
die untere Platte 17 nicht gleichzeitig magnetisiert werden.
Das heißt,
die obere Platte 15 und die untere Platte 17 sind
voneinander durch den Kunststoff-Aufsatz 12 isoliert.
Es ist offensichtlich, dass der Kunststoff-Aufsatz 12 auch
zwischen der Stange 19 und der unteren Platte 17 angeordnet
werden kann.
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Um ein Anstoßen des Ankers 20 mit
dem Kunststoff-Aufsatz 12 zu vermeiden, ist die innere Spulenanordnung 60 vorzugsweise
in einer solchen Weise mit der äußeren Spulenanordnung 70 gekuppelt,
dass die Oberseite des Kerns 61 der inneren Spulenanordnung 60 unterhalb
derjenigen des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 liegt.
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Die Stange 19 ist, wie in 2 gezeigt, bewegbar in die Öffnung 65 der
inneren Spulenanordnung 60 eingeführt.
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Mit einem oberen Abschnitt des Gehäuses 10 ist
eine Schraube 21 gekoppelt und zwischen der Schraube 21 und
der oberen Platte 15 des Ankers 20 ist eine obere
Ventilfeder 30 angeordnet. An der oberen Platte 15 ist
ein zylindrischer Vorsprung 14 ausgebildet, wobei die obere
Ventilfeder 30 über
ihn gesteckt ist, so dass sich die obere Ventilfeder 30 nicht seitlich
bewegen kann. Eine untere Ventilfeder 50 ist zwischen der
unteren Platte 17 des Ankers 20 und dem Zylinderkopf 13 angeordnet.
Der Anker ist mittels der oberen Ventilfeder 30 und der
unteren Ventilfeder 50 federnd gehalten. Wenn weder der äußeren Spulenanordnung 70 noch
der inneren Spulenanordnung 60 Strom zugeführt wird,
verharrt der Anker 20 in seiner spezifischen vertikalen
Mittelposition. Mittels Drehens der Schraube 21 kann die
spezifische Mittelposition geändert
werden.
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Eine Wirkungsweise des elektromechanischen
Ventilstrangs wird hier im Weiteren im Detail erläutert.
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Wie in 4 gezeigt,
befindet sich der Anker 20, wenn den Spulenanordnungen 60 und 70 kein Strom
zugeführt
wird, in der vertikalen Mittelposition im Gleichgehwicht der Federkräfte der
oberen Ventilfeder 30 und der unteren Ventilfeder 50.
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5 zeigt
einen Zustand, in dem das Ventil geschlossen ist.
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Wenn der Spule 73 der äußeren Spulenanordnung 70 Strom
zugeführt
wird, so dass der Kern 71 magnetisiert wird, wird ein oberer
Abschnitt des Kerns 71 ein Nordpol (N) und ein unterer
Abschnitt des Kerns 71 ein Südpol (S).
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Wenn der Spule 63 der inneren
Spulenanordnung 60 Strom zugeführt wird, bildet sich in der Öffnung 65 der
inneren Spulenanordnung 60 ein magnetisches Feld aus. Daher
werden die Stange 19 und die untere Platte 17 wegen
des magnetischen Feldes magnetisiert. Die Fließrichtung des der Spule 63 zugeführten Stroms
ist so festgelegt, dass ein oberer Abschnitt der Stange 19 ein
S-Pol und die untere Platte 17 ein N-Pol wird. Die obere
Platte 15 wird wegen des Kunststoff-Isolator-Aufsatzes 12 nicht magnetisiert.
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Weil die Unterseite des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 und
die untere Platte 17 des Ankers 20 entgegengesetzt
gepolt sind, zieht der Kern 71 die untere Platte 17 an,
so dass sich das Ventil 40 nach oben bewegt, und das Ventil 40 ist dann
geschlossen. Gleichzeitig ist die obere Ventilfeder 30 zusammengedrückt und
die untere Ventilfeder auseinandergezogen.
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Wäre
der Kunststoff-Aufsatz 12 nicht vorhanden, würde die
obere Platte 15 als S-Pol magnetisiert und die untere Platte 17 als
N-Pol. Daher würde
der Kern 71 der äußeren Spulenanordnung 70 die
obere Platte 15 nach unten ziehen und die untere Platte 17 nach
oben. In dieser Situation kann sich der Anker 20 nicht
nach oben bewegen.
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5 zeigt
den Zustand, in dem das Ventil offen ist.
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Wenn der Spule 63 der inneren
Spulenanordnung 60 Strom mit derselben Fließrichtung
wie in 5 zugeführt wird
und die Fließrichtung
des Stroms, welcher der Spule 73 der äußeren Spulenanordnung 70 zugeführt wird,
derjenigen aus 5 entgegengesetzt
ist, wird der untere Abschnitt des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 als
N-Pol magnetisiert und der obere Abschnitt des Kerns 71 ist als
S-Pol magnetisiert.
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Der untere Abschnitt des Kerns 71 und
die untere Platte 17 des Ankers 20 sind dann gleich
gepolt und daher stößt der Kern 71 die
untere Platte 17 des Ankers 20 ab, so dass sich
der Anker nach unten bewegt. Folglich ist das Ventil 40 offen.
Gleichzeitig ist die obere Ventilfeder 30 auseinandergezogen
und die untere Ventilfeder 50 zusammengedrückt.
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Beim elektromechanischen Ventilstrang
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird die vertikale Position des Ankers mittels der
Fließrichtung
des Stroms, welcher der äußeren Spulenanordnung
zugeführt
wird, gesteuert, so dass das Ansprechverhalten des Ventils verbessert
ist.
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Auch können die Abmessungen des Ankers verringert
werden, wenn das magnetische Feld mittels des Aufbaus der Spulenanordnung
und der Menge des der Spulenanordnung zugeführten Stroms gesteuert werden
kann. Daher kann das Gesamtgewicht des Ventilstrangs verringert
werden.
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Ferner kann, weil die untere Platte
des Anker aus Eisen hergestellt ist, die Ansprechgeschtwindigkeit
des Ankers erhöht
werden und das Phänomen, dass
der Anker unerwünscht
an der Spulenanordnung hängen
bleibt, ist vermindert.