DE19712669C2 - Elektromagnetisch gesteuertes Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil, insbesondere als Gaswechselventil für Brennkraft­ maschinen.

Gaswechselventile beherrschen als Einlaßventil oder als Auslaßventil den Zugang von Einlaßkanälen oder Auslaßka­ nälen zum Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein Ventil­ stößel trägt an seinem Ende ein Verschlußglied, welches in der Schließstellung des Ventils auf dem Ventilsitz im Endabschnitt des zu kontrollierenden Kanals, beispiels­ weise des Einlaßkanals, aufliegt. Zur Freigabe des Ven­ tils wird der Ventilstößel in Längsrichtung verschoben und hebt das Verschlußglied von dem Ventilsitz im Kanal ab. Der Ventilstößel und damit das Ventil wird in seinen Endstellungen (Öffnungs- und Schließstellung) mit elek­ tromagnetischen Kräften gegen eine rückstellende Feder­ kraft festgehalten. Die Neutrallage der auf den Stößel wirkenden Federkräfte befindet sich zwischen der Öff­ nungsstellung und der Schließstellung des Stößels auf dem Hubweg des Ventils. Zum Wechseln der Schaltstellung des Ventils wird der Erregerstrom des festhaltenden Elektro­ magneten abgeschaltet und der Ventilstößel bewegt sich infolge der Federkräfte in Richtung der jeweils anderen Ventilstellung. Nach Überschwingen der Neutrallage kann der Ventilstößel durch Einschalten des Erregerstroms und die erneute Erzeugung elektromagnetischer Kräfte in der vorgesehenen Ventilstellung eingefangen werden.

Die EP-0283671 A1 beschreibt bereits ein solches Ventil, wobei für die Endstellungen des Ventils, nämlich Öff­ nungsstellung und Schließstellung, jeweils ein Elektroma­ gnet zum Festhalten des Stößels in dieser Stellung vorge­ sehen ist. Die beiden Elektromagneten sind voneinander beabstandet angeordnet, wobei Polflächen an den Magnet­ kernen den Polflächen des jeweils anderen Elektromagneten gegenüberliegen. In dem Luftspalt, der zwischen den Pol­ flächen der beiden Elektromagneten gebildet ist, er­ streckt sich eine Ankerplatte, welche senkrecht zur Längsachse am Ventilstößel befestigt ist. In den Endstell­ lungen des Ventils wird die Ankerplatte und damit der Ventilstößel, von dem der jeweiligen Endstellung zugeord­ neten Elektromagneten festgehalten. Auf die Stirnseiten der Ankerplatte wirkt jeweils eine Feder, welche sich an einem Ventilgehäuse abstützt, in dem der Ventilstößel längsbeweglich geführt ist. Die Neutrallage der Federn, in der auf die Ankerplatte keine Federkräfte wirken, be­ findet sich etwa mittig zwischen den Polflächen beider Elektromagneten. In den Endstellungen des Ventils sind also die Federn aus der Neutrallage ausgelenkt. Ist der Elektromagnet der jeweils vorliegenden Ventil-Endstellung in erregtem Zustand, so liegt die Ankerplatte mit ihrer dem Magneten zugewandten Stirnseite an den Polflächen des Magnetkerns an und wird gegen die rückstellende Feder­ kraft magnetisch festgehalten. Wird zum Umschalten der Ventilstellung der Erregerstrom unterbrochen, so bewegt die Federkraft den Stößel und nähert die Ankerplatte dem jeweils anderen Elektromagneten an.

Das bekannte Ventil ist kompliziert im Aufbau, so daß seine Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist. Ventile und insbesondere Gaswechselventile für Brennkraftmaschinen sind häufig und bei den meisten Maschinen mehrfach verwendete Maschinenteile und beeinflussen die Produktionskosten der gesamten Maschine in einem ihrer Verwendungshäufigkeit ent­ sprechendem Maß.

Die DE-OS 22 46 624 offenbart ein Magnetventil zur Steue­ rung von strömenden Medien, insbesondere zur Kraftstoffzu­ messung, bei dem das Ventilglied eine Membran ist, welche in einem Gehäuse fest eingespannt ist und mit einem fest­ stehenden Ventilsitz zusammenwirkt. Dabei sind zwei axial beabstandete Membranen aus magnetisch wirksamem Material axial beabstandet angeordnet, zwischen denen pin schaltba­ rer Elektromagnet angeordnet ist. In erregtem Zustand des Elektromagneten werden beide Membranen gleichzeitig magne­ tisch angezogen, wodurch je nach Auswahl der Ruhelage der Membranen beide Ventilsitze freigegeben oder gleichzeitig geschlossen werden. Die Membran als bewegliches Ventilteil kann zum Erreichen eines integralen Regelungscharakters des flüssigen Arbeitsmediums getaktet werden. Die Größe des Durchströmungsquerschnitts des Ventils wird mit der Strom­ stärke des Erregerstroms für den Magneten eingestellt. Die Bewegungsrichtungen beider Membranen sind prinzipbedingt grundsätzlich entgegengesetzt, um ein Anlieger an den Pol­ flächen des Magneten zu gewährleisten. Das bekannte Mem­ branventil soll nahezu hysteresefrei arbeiten, um bei der Kraftstoffzumessung mit seinem Ringdurchgangsquerschnitt bei geringen Hüben einen linearen Zusammenhang zwischen Membranhub und Durchflußquerschnitt ergeben zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Magnetventil derart auszugestalten, daß durch einfachen Aufbau eine kostengünstige Herstellung ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Magnetventil wird durch einen schaltbaren Elektromagne­ ten gesteuert, welcher zwischen zwei axial beabstandet am Ventilstößel ausgebildeten Ankern angeordnet ist. Der Spu­ lenkern des Elektromagneten weist pro Anker eine oder meh­ rere dem Anker zugewandte Polflächen auf, an denen in den Endstellungen des Ventiles bei eingeschaltetem Erregerstrom der jeweils der vorliegenden Ventilstellung zugeordnete An­ ker mit magnetischen Kräften gehalten wird. In den Endstel­ lungen des Ventils wirkt auf den Ventilstößel eine rück­ stellende Federkraft, welche durch die Auslenkung des Stö­ ßels aus der Neutrallage zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung des Ventils entsteht. Der Abstand der Anker ist größer als der Abstand der magnetisch auf die An­ ker wirkenden Polflächen, so daß der gebildete axiale Luft­ spalt entsprechend der Abstandsdifferenz den Verschiebeweg des Ventilstößels und damit den Öffnungshub des Ventils festlegt. Das Ventil wird von einem einzigen Elektromagne­ ten geschaltet und gesteuert, welcher mit seinem einfachen Aufbau den Ventilstößel in beiden Endstellungen des Ventils magnetisch festhält. Der Elektromagnet wird in einem einfachen Erregerstromkreis von einer Stromquelle versorgt und geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeich­ nung näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Gaswechselventil 1 für eine Brennkraftmaschine, welches von einem Elektroma­ gneten 7 gesteuert wird. Das Ventil 1 beherrscht den Zu­ gang eines Einlaßkanals 6 zum Brennraum 5 einer Brenn­ kraftmaschine mit einem Verschlußglied 3, welches von seinem Ventilsitz 4 im Endabschnitt des Einlaßkanals 6 durch einen Ventilstößel 2 abhebbar ist. In den Endstel­ lungen des Ventils, das heißt in der Schließstellung mit aufsitzendem Verschlußglied 3 und in der Öffnungsstel­ lung, wird der Ventilstößel 2, von dem Elektromagneten, der sich dann in erregtem Zustand befindet, festgehalten. Am Ventilstößel 2 sind in axialem Abstand zueinander zwei plattenförmige Anker 14, 15 senkrecht zur Längsachse 19 des Ventils 1 ausgebildet. Zwischen den Ankern 14, 15 ist der Elektromagnet 7 angeordnet. Ein Spulenkern 8 des Elektromagneten 7 weist einen I-förmigen Querschnitt auf und liegt mit einem Spulensteg 21 senkrecht und symme­ trisch bezüglich einer Längsachse 19 des Ventils 1. Der Spulensteg 21 weist mittig eine Bohrung 22 auf, welche vom Ventilstößel 2 durchsetzt ist. Der Spulensteg 21 trägt eine Spulenwicklung 9, welche Teil eines Erreger­ stromkreises 12 zur elektrischen Magnetisierung des Spu­ lenkerns 8 ist.

Der Spulenkern 8 des Elektromagneten 7 weist durch seinen I-förmigen Querschnitt jeweils zwei Polflächen 10a, 10b für die Offenstellung des Ventils 1 und auf seiner gegen­ überliegenden Seite zwei Polflächen 11a, 11b für die Schließstellung des Ventils 1 auf. In der Zeichnungsfigur ist das Ventil 1 in der Offenstellung dargestellt, wobei der obere, dem Verschlußglied 3 abgewandt liegende Anker 14, welcher der Offenstellung des Ventils zugeordnet ist, infolge Magnetkräften des eingeschalteten Elektromagneten 7 an den Polflächen 10a, 10b liegt. Der Abstand A zwi­ schen den beiden Ankern 14, 15 ist um einen Öffnungshub- Stellweg (S) des Ventils 1 größer als die Erstreckung des Spulenkerns 8 in Längsrichtung der Ventilachse 19, das heißt dem Abstand P der Polflächen 10a, 10b von den ge­ genüberliegenden Polflächen 11a, 11b. Der maximale Öff­ nungshub des Verschlußgliedes 3 vom Ventilsitz 4 wird al­ so durch den Luftspalt zwischen den jeweils freiliegenden Polflächen und dem entsprechenden Anker vorgegeben.

Die magnetische Anziehungskraft des Elektromagneten ist größer als eine rückstellende Federkraft F, welche in je­ der der Endstellungen des Ventils 1 entsprechend der Aus­ lenkung des Ventilstößels 2 aus der Neutrallage zwischen der Offenstellung und der Schließstellung auf den Ventil­ stößel 2 wirkt. Die Federkraft F wird im Ausführungsbei­ spiel durch Federn 20 erzeugt, welche jeweils am oberen Anker 14 oder am unteren Anker 15 angreifen und am Ge­ häuse des Ventils abgestützt sind. Die Anordnung der Fe­ dern 20 ist als eine mögliche Ausführungsform zu verste­ hen, es können mit der gleichen Wirkung auch Federn mit anderen Angriffspunkten am Ventilstößel 2 oder auch le­ diglich eine Feder 20 an einem der Anker 14 oder 15 vor­ gesehen sein. Wird in der gezeigten Offenstellung des Ventils 1, in der sich der Anker 14 in der Axiallage 18 befindet, durch eine entsprechende Steuerung der Strom­ quelle 13 durch eine nicht dargestellte Steuereinheit der Erregerstromkreis 12 unterbrochen, so bricht die magneti­ sche Kraft zusammen und der Ventilstößel 2 wird infolge der auf die Anker 14, 15 wirkenden Federkräfte F bewegt. Bei der Bewegung des Ventilstößels 2 in Richtung Schließ­ stellung gemäß dem Pfeil 23 schwingt der Ventilstößel 2 mit seinen bewegten Massen über die Neutrallage 17 der Federn 20 hinaus. Jenseits der Neutrallage 17 wird der Erregerstromkreis 12 wieder geschlossen und der unten liegende Anker 15, welcher sich dann näher am Spulenkern 8 befindet als der oben liegende Anker 14 der Offenstel­ lung, vom Elektromagneten 7 gefangen. Der obere Anker 14 befindet sich in der Schließstellung des Ventils 1 in der Axiallage 16 mit größtmöglichem Abstand von den ihm zuge­ ordneten Polflächen 10a, 10b, während der unten liegende Anker 15 an den ihm zugeordneten Polflächen 11a, 11b des Spulenkerns 8 gehalten wird.

Vorteilhaft befindet sich die Neutrallage 17 der Federn 20 außermittig des Öffnungshubwegs S zwischen der Schließstellung 16 und der Offenstellung 18, wodurch das Anschwingverhalten des Ventilstößels an seine Endstellun­ gen verbessert ist, in denen die Anker 14 oder 15 der je­ weiligen Endstellung des Ventils 1 vom Elektromagneten 7 nach Einschalten des Erregerstroms I gefangen werden. Durch die außermittige Neutrallage werden unterschiedli­ che magnetische Haltekräfte in den beiden Endstellungen erzeugt, wodurch die Dynamik des Ventiltriebes wesentlich verbessert ist. Geringfügige Abweichungen der Neutrallage 17 von der Wegmitte zwischen den Endstellungen entstehen bereits durch Bauteiltoleranzen infolge Unzulänglichkei­ ten der Fertigungsverfahren, wodurch die Anker 14, 15 un­ symmetrisch an den Polflächen des Spulenkerns 8 anliegen. Um eine Verschiebung der Neutrallage zu bewirken, können die Anker 14 und 15 jeweils mit Federn 20 unterschiedli­ cher Federsteifigkeiten oder Federlängen versehen werden oder zur Erzeugung unterschiedlicher Magnetkraftwirkungen auf die Anker 14 und 15 die Polflächen des Spulenkerns 8 geometrisch unterschiedlich gestaltet sein. Besonders vorteilhaft wird jedoch die außermittige Neutrallage 17 durch unterschiedliche Massen der Anker erreicht. Das Verhältnis der Gewichte beider Anker 14 und 15 zueinander wird entsprechend der an das Ventil 1 gestellten Anfor­ derungen ausgelegt, um beispielsweise einen nichtlinearen Öffnungshub (Öffnungshubweg S/Öffnungshubzeit) zu er­ reichen und damit optimale Gemischbildungsbedingungen im Brennraum 5 entsprechend der spezifischen Betriebschara­ keristik der Brennkraftmaschine zu schaffen.

Claims (7)

1. Ventil, insbesondere Gaswechselventil (1) für Brennkraftmaschinen, das folgende Merkmale umfaßt:

• a) ein Verschlußglied (3) am Ende eines längsver­ schiebbaren Ventilstößels (2),
• b) einen schaltbaren Elektromagneten (7),
• c) der Elektromagnet (7) ist zwischen zwei axial beabstandet am Ventilstößel (2) ausgebildeten Ankern (14, 15) angeordnet,
• d) ein Spulenkern (8) des Elektromagneten (7) weist an den den jeweiligen Ankern (14, 15) zugewand­ ten Seiten eine oder mehrere Polflächen (10a, 10b; 11a, 11b) auf,
• e) der Abstand (A) zwischen den Ankern (14, 15) ist um einen Öffnungshub-Stellweg (S) größer als der Abstand (P) zwischen den Polflächen (10a, 10b; 11a, 11b) in Längsrichtung des Ventilstößels (2),
• f) in erregtem Zustand des Elektromagneten (7) ist jeweils einer der Anker (14, 15) in der entspre­ chenden Öffnungs- oder Schließstellung des Ven­ tils (1) an der jeweils zugeordneten Polfläche (10a, 10b; 11a, 11b) gehalten,
• g) auf den Ventilstößel (2) wirkt in den Endstel­ lungen eine rückstellende Kraft (F),
• h) durch Unterbrechung eines Erregerstromkreises . (12) des Elektromagneten (7) wird durch die Kraft (F) der Ventilstößel (2) in Richtung der anderen Endstellung des Verschlußgliedes (3) be­ wegt,
• i) durch Schließen des Erregerstromkreises (12) jenseits einer Neutrallage (17) des Ventilstö­ ßels (2) bezogen auf den Öffnungshub-Stellweg (S) ist das Verschlußglied (3) in die andere Endstellung umschaltbar.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückstellende Kraft eine Federkraft (F) ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kraft (F) an einem oder beiden Ankern (14, 15) eingeleitet wird.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Ankern (14, 15) jeweils mindestens eine Feder (20) angreift, welche an einem Ventilge­ häuse abgestützt ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen der Anker (14, 15) unterschiedlich sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (8) symmetrisch bezüglich einer Längsachse (19) des Ventils (1) ausgebildet ist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (8) einen I-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein wicklungstragender Spulensteg (21) des Spulenkerns (8) vom Ventilstößel (2) durchsetzt ist.