WO1996019643A1

WO1996019643A1 - Elektromagnetisch betätigbare stellvorrichtung

Info

Publication number: WO1996019643A1
Application number: PCT/EP1995/004970
Authority: WO
Inventors: Thomas Esch; Martin Pischinger; Michael Schebitz
Original assignee: Fev Motorentechnik Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1996-06-27
Also published as: DE19581518D2; DE59510563D1; EP0748416A1; DE59510173D1; EP1069285A2; DE9420463U1; EP0748416B1; EP1069285B1; US5813653A; EP1069285A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betätigung eines Stellorgans (15), insbesondere eines Gaswechselventils an einer Brennkraftmaschine, die wenigstens eine Schubstange (8) aufweist, die auf das zu betätigende Stellorgan (15) einwirkt und die mit einem Anker (7) in Verbindung steht, der zwischen den Polflächen (5, 6) von zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten (1, 2) hin- und herbewegbar geführt ist und der bei stromlos gesetzten Elektromagneten (1, 2) durch wenigstens zwei gegeneinander wirkende Federelemente (12, 19) in einer Zwischenstellung zwischen den Polflächen (5, 6) gehalten wird, und wobei die Federelemente (12, 19) gesondert außerhalb der Elektromagnete (1, 2) angeordnet sind.

Description

Bezeichnung: Elektromagnetisch betätigbare Stellvor¬ richtung

Beschreibung:

Elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtungen, insbesondere derartige Stellvorrichtungen zur Betätigung von Gaswechselventilen an Brennkraftmaschinen sind bekannt, so beispielsweise aus EP-A-0 043 426 und EP-A-0 197 357. Die aus diesen Druckschriften bekannten Bauformen weisen jedoch ein spezifisches Leistungsgewicht und einen hohen Raumbedarf auf, so daß sie bei der Anwen¬ dung als Stellvorrichtungen für^' Gaswechselventile an Brennkraftmaschinen moderner Bauart, insbesondere solchen mit Mehrventilbetrieb, nicht einsetzbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen in ihrem Aufbau zu vereinfachen und so zu einer kompakteren raumsparenden Bauform zu gelangen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung, die wenigstens eine Schubstange aufweist, die auf das zu betätigende Stellorgan einwirkt und die mit einem Anker in Verbindung steht, der zwischen den Polflächen von zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist und der bei stromlos geschal¬ teten Elektromagneten durch wenigstens zwei gegeneinander wirkende Federelemente in einer Zwischenstellung zwischen den Polflächen gehalten wird und wobei die Federelemente gesondert außerhalb der Elektromagnete angeordnet sind. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn ein Federelement unmittel¬ bar auf den Anker einwirkt und das entgegenwirkende andere Federelement nach Art einer Rückstellfeder über das Stellorgan auf den Anker einwirkt. Diese Bauform ermöglicht eine effektive Ausnutzung der Polflächen, was zu einer kompakteren Form der Stell- einrichtung insgesamt führt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß beispielsweise bei der Verwendung als Stellvorrichtung für ein Gaswechsel¬ ventil an einer Brennkraftmaschine, das das Stellorgan bildende Gaswechselventil wie bisher, mit einer in Schließ¬ richtung wirkenden Ventilfeder versehen werden kann, die gleichzeitig als eines der Federelemente der Stell¬ vorrichtung dient, das auf den Anker der Stellvorrichtung einwirkt. Daher ist es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn die Federelemente an der Stirnseite wenigstens eines der Elektromagneten angeordnet sind.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schubstange geteilt ausgeführt ist, wobei ein Teil mit dem Anker fest verbunden ist und der andere,- dem Stellorgan abgekehrte Teil mit dem zugeordneten Federelement verbunden ist und durch dieseskraftschlüssig mit dem Anker in Verbindung steht. Durch die Unterteilung der Schubstange kann der Anker π\it dem festverbundenen Teil der Schubstange eine rein axiale Bewegung ausführen, während der mit dem Federele¬ ment verbundene Teil der Schubstange/ beispielsweise bei der Verwendung einer Schraubenfeder als Federelement ohne Beeinflussung des Ankers die bei der Bewegung auftre- tende Federrotation ausführen kann. Die Schubstange kann hierbei fest mit dem Stellorgan verbunden sein.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das dem Stellorgan zugekehrte Federelement mit einem Ansatz am Stellorgan verbunden ist, der durch die Feder kraftschlüssig mit der Schubstange in Verbindung gehalten wird. Hierdurch wird bei der Verwendung einer Schrauben¬ feder als zweites Federelement wiederum eine Abkoppelung des Ankers mit seiner Schubstange vom Ansatz des Stell- organs bewirkt, so daß das Stellorgan die im Betrieb auftretende Federrotation ohne Beeinflussung des Ankers ausführen kann. Der weitere Vorteil besteht darin, daß dieses zweite Federelement über den Ansatz am Stellorgan zugleich als Rückstellfeder auf das Stellorgan wirken kann.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, daß die beiden gegeneinander wirkenden Feder¬ elemente auf der dem Stellorgan zugekehrten Seite des Elektromagneten angeordnet sind, wobei ein Federelement auf die Schubstange und das andere Federelement auf einen Ansatz am Stellorgan einwirkt und daß die Schub¬ stange und der Ansatz kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Diese Anordnung erlaubt es, die beiden Federelemente auf nur einer Seite der Elektromagnetanordnung vorzusehen, wobei noch die Bauhδhe dadurch reduziert werden kann, wenn das eine Federelement das andere Federelement teleskop¬ artig umgreift.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei den Elektromagneten jeweils die Magnetspule mit einem geblechten Jochkörper verbunden ist, so daß das Entstehen von Wirbelströmen vermindert wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- d ng ist vorgesehen, daß einer der beiden Elektromagneten in Bewegungsrichtung des Ankers verschiebbar gelagert und mit einer Stelleinrichtung verbunden ist, durch die der Abstand der einander zugekehrten Polflächen der beiden Elektromagneten veränderbar ist. Hierdurch ist es möglich, den Abstand der Polflächen der beiden einander zugeordneten Elektromagneten und damit auch den Hub des Ankers und dementsprechend auch den Hub des zu betätigenden Stellorgans zu verändern. In zweck¬ mäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die Stelleinrichtung durch einen Zusatz-Elektromagen- ten gebildet wird, durch den der verschiebbar gelagerte Elektromagnet im Zusammenwirken mit einem als Rückstell- feder wirkenden Federelement in zwei verschiedenen End¬ lagen gehalten werden kann. Als Rückstellfeder kann bei entsprechender Anordnung auch eines der Federele¬ mente verwendet werden, das an der Stelleinrichtung ohnehin vorhanden ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Ausführungsbei¬ spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stelleinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Verbren¬ nungsmotor,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung eine spezielle Federschaltung,

Fig. 3 eine Stelleinrichtung mit verstellbarem

Hub.

Die in Fig. 1 dargestellte Stelleinrichtung zur Betäti¬ gung eines Gaswechselventiles weist zwei mit Abstand zueinander angeordnete Stellmagnete 1 und 2 auf, deren Jochkörper mit Magnetspulen 3 und 4 versehen sind. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die jeweiligen Polflächen 5 und 6 einander gegenüberliegen. Zwischen den beiden Polflächen 5 und 6 ist ein Anker 7 angeordnet, der mit einer zweiteilig ausgebildeten Schubstange 8 verbunden ist, wobei der eine Schubstangenteil 8.1 fest mit dem Anker verbunden ist, während der andere Schub- stangenteil 8.2 auf dem Anker 7 aufsitzt.

Die Schubstange 8 ist jeweils in einer Bohrung 9 des Elektromagneten 1 und einer Bohrung 10 des Elektromagne¬ ten 2 geführt.

Der Elektromagnet 1 ist an seinem dem Anker 7 abgekehrten Ende mit einem deckeiförmigen Gehäuse 11 versehen, das als Widerlager für eine Feder 12 dient, die sich mit ihrem anderen Ende an einer Platte 13 abstützt, die mit der Schubstange 8.2 fest verbunden ist.

Die dem Anker 7 abgekehrte Stirnfläche 14 des Elektromag¬ neten 2 ist einem zu betätigenden Stellorgan 15, hier einem Gaswechselventil an einer Brennkraftmaschine zugekehrt. Der Ventilschaft 16 des Gaswechselventils 15 ist hierbei in üblicher Weise im Zylinderkopf 17 geführt. Das freie Ende des Ventilschaftes 16 ist hierbei mit einem tellerförmigen Ansatz 18 fest verbunden, dpr als Widerlager eines Federelementes 19 dient, das sich mit seinem anderen Ende auf dem Zylinderkopf 17 abstützt. Das Federelement 19 ist hierbei ebenso wie das Federele- ment 12 als Schraubdruckfeder ausgebildet, so daß beide Federelemente gegeneinander wirken, wobei das Federele¬ ment 19 zugleich als Schließfeder für das Gaswechselventil dient.

Das Federelement 12 auf der einen Seite und das Federele¬ ment 19 auf der anderen Seite des Ankers 7 sind nun so ausgelegt, daß die Gleichgewichtslage des Ankers 7 etwa in der Mitte zwischen den beiden einander gegenüber¬ liegenden Polflächen 5 und 6 der Elektromagnete 1 und 2 liegt. Hierbei kann eines der beiden Federelemente, beispielsweise das Federelement 12 mit progressiver Kennlinie ausgestaltet sein, so daß die Gleichgewichtslage sich aus der Mittenstellung in Richtung auf den Elektro¬ magneten 1 verschiebt und somit ein einfacheres Starten möglich ist.

Wird zum Elektromagneten 1 die Stromzufuhr eingeschaltet, dann kommt der Anker 7 zur Anlage an der Polfläche 5, wobei das Federelement 12 zusammengedrückt und das Feder- element 19 im wesentlichen entlastet wird. Das Gaswechsel¬ ventil ist in dieser Position geschlossen. Zum öffnen des Gaswechselventils wird nun die Stromzufuhr zum Elektromagneten 1 abgeschaltet und die Stromzufuhr zum Elektromagneten 2 nach einem bestimmten Zeitpunkt zugeschaltet. Dadurch wird der Anker 7 nicht länger an der Polfläche des Elektromagneten 1 gehalten, so daß die Feder 12 den Anker in Richtung auf die Mittel¬ stellung zwischen den beiden Polflächen der Magnete 1 und 2 verschieben kann. Hierbei wird das Federelement 19 belastet. 0

Das System schwingt über die Gleichgewichtslage hinaus auf die andere Seite. Da zwischenzeitlich die Stromzufuhr zum Elektromagneten 2 eingeschaltet worden ist, wird der Anker 7 eingefangen und kommt an der Polfläche 6 5 zur Anlage. Das Federelement 12 ist nunmehr teilweise entspannt, wohingegen das Federelement 19 zusammengedrückt ist. Da der Ventilschaft 16 über das Federelement 19 kraftschlüssig in jeder Stellung mit der Schubstange 8 in Verbindung steht, wird der Ventilschaft 16 um diesen o Betrag verschoben und das Gaswechselventil entsprechend geöffnet. Zum Schließen des Gaswechselventils wird wieder umgeschaltet, so daß der vorstehend beschriebene Vorgang in umgekehrter Reihenfolge abläuft.

5 Da nun die Federelemente 12 und 19 jeweils axial und stirnseitig zu den Elektromagneten 1, 2 angeordnet sind, ergibt sich eine sehr schlanke Bauart. Gegenüber den vorbekannten Magnetsystemen, bei denen die Federelemente in die Magnetkörper integriert sind, ergibt sich ferner

3_Q eine effektivere Ausnutzung der Polflächen. Die Untertei¬ lung der Schubstange 8 in den mit dem Federelement 12 verbundenen Schubstangenteil 8.2 und den mit dem Anker fest verbundenen Schubstangenteil 8.1 einerseits und die Abkoppelung des Schubstangenteils 8.1 von dem zu g^ betätigenden Stellorgane, hier dem Ventilschaft 16, der seinerseits mit dem tellerförmigen Ansatz 18 verbun¬ den ist, ergibt sich der Vorteil, daß die beim Zusammen¬ drücken und Entlasten der vorzugsweise als Schraubenfedern ausgebildeten Federelemente 12 und 19 auftretende Rotation jeweils auf das mit dem Federelement verbundene Bauteil beschränkt bleibt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ausgehend von einer Magnetanordnung, wie sie anhand von Fig. 1 beschrieben ist, beide Federelemente 12 und 19 auf der dem Stellorgan 15 zugekehrten Stirnseite des untenliegenden Magneten 2 angeordnet sind. In der Dar¬ Stellung ist der Magnet 2 lediglich angedeutet. Der hier nur angedeutete Anker 7 ist über seine Schubstange 8 mit einem glockenförmig ausgebildeten Widerlagerelement 13.1 versehen. Das Federelement 12 stützt sich hierbei mit einem Ende auf dem freien Rand 13.2 des Widerlagers 13.1 ab und mit seinem anderen Ende auf der Stirnfläche 14 des Magneten 2. Der mit dem Ventilschaft 16 verbundene tellerförmige Ansatz 18 befindet sich hierbei innerhalb des glockenförmigen Widerlagers 13.1 und ist hierbei, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, über das Federelement 19 auf der Oberfläche des Zylinderkopfs 17 abgestützt. Durch diese Verschachtelung der beiden Federelemente 12 und 19 kann gegenüber der Ausführungsform gem. Fig. 1 die Bauhöhe reduziert werden, ohne daß die kompakte Bauform der Elektromagnete aufgegeben wird. Die Arbeits- weise entspricht der anhand von Fig. 1 beschriebenen

Arbeitsweise. Die beiden Federelemente 12 und 19 besitzen trotz der unterschiedlichen geometrischen Abmessungen die gleiche Federsteifigkeit. Zur Erleichterung des "Anfahrens" kann das Federelement 12, wie vorstehend beschrieben, eine progressive Kennlinie aufweisen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer elektromagneti¬ schen Stelleinrichtung zur Betätigung eines Gaswechsel¬ ventils dargestellt, die mit einer Federanordnung versehen ist, wie sie anhand von Fig. 2 beschrieben wurde. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung weist wiederum einen oberen Elektromagneten 1 und einen unteren Elektromagne¬ ten 2 auf, die mit Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen denen ein Anker 7 axial bewegbar geführt ist, der über seine Schubstange 8 auf den Ventilschaft 16 des Gaswechselventils 15 einwirken kann.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform gem. Fig. 1 ist nun der Elektromagnet 2 in Richtung des Doppelpfeiles 20 verschiebbar gelagert und mit einer VerStelleinrichtung

21 verbunden, die bei dem hier dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel im wesentlichen durch einen Zusatzmagneten 22 einer Ankerplatte 23 und einem mit dem zu verschieben¬ den Elektromagneten 2 verbundenen Koppelelement 24 gebil¬ det wird. Der Elektromagnet 1 und der Zusatzmagnet 22 sind hierbei über einen schematisch angedeuteten Träger 26 starr mit dem Zylinderkopf 17 verbunden.

Ist der Zusatzmagnet 22 stromlos gesetzt, wird unter der Wirkung einer entsprechenden Rückstellfeder der verschiebbar gelagerte Elektromagnet 2 gegen einen Distanz¬ halter 27 gedrückt, der den lichten Abstand zwischen den beiden Polflächen 5 und 6 und damit den möglichen Hub des Ankers 7 vorgibt. Hierbei befindet sich die Ankerplatte 23 der VerStelleinrichtung in Höhe der gestrichelt darge¬ stellten Positionslinie 28. Bei dem dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel bilden die Federelemente 12 und 19 zugleich die Rückstellfeder.

Wird nun der Elektromagnet 22 erregt, wird die Ankerplatte 23 angezogen und der verschiebbar gelagerte Magnet 2 gegen das Stellorgan vorgeschoben, so daß der lichte Abstand zwischen den beiden Polflächen 5 und 6 um den vorgegebenen Hub vergrößert ist und dementsprechend auch der Arbeitshub des Ankers 7 um dieses Maß erhöht ist. Bei der Anwendung auf ein Gaswechselventil als Stellorgan ergibt sich somit die Möglichkeit, während der Einschaltzeit des Zusatzmagneten 22 einen höheren Ventilhub zu bewirken, so daß ein derart angesteuertes Gaswechselventil mit zwei unterschiedlichen Hubweiten und damit mit zwei unterschiedlichen Öffnungsquerschnit¬ ten betrieben werden kann.

Die "Arbeitsrichtung" des Zusatzmagneten sollte so ge- troffen werden, daß die Position des verschiebbaren Magneten bei stromlosem Zusatzmagneten der Normalbe¬ triebsweise entspricht. Stellt die Betriebsweise mit kurzem Hub des Ankers 7 den "Normalbetrieb" dar, dann befindet sich die Ankerplatte 23 in der gestrichelten Position gem. Fig. 3. Stellt die Betriebsweise mit langem Hub den "Normalbetrieb" dar, muß die Ankerplatte 23 auf der anderen Seite des Zusatzmagneten 22 angeordnet sein. Es ergibt sich eine Energieersparnis, wenn der Zusatzmagnet nur während der jeweiligen "Sonderbetriebs- phase" erregt wird. Anstelle einer magnetisch betätigba¬ ren Stelleinrichtung 21 kann auch eine mechanische, hydraulische oder pneumatische Verstellung der Hubweite des Ankers 7 durch Verschieben des Magneten 2 vorgesehen sein.

Anstelle oder in Kombination mit den beschriebenen Schraubenfedern können auch Torsionsfedern oder Biege¬ federn, beispielsweise Blattfedern verwendet werden.

Die Magnete können im Horizontalschnitt einen Kreisquer¬ schnitt, aber auch einem Rechteck- oder Quadratquer¬ schnitt aufweisen. Letzteres ist günstig für den ge¬ blechten Jochkörper.

Claims

Schutzansprüche:

1.Elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betätigung eines Stellorgans (15) , insbesondere eines Gaswechsel- ventils an einer Brennkraftmaschine, die wenigstens eine Schubstange (8) aufweist, die auf das zu betätigende Stellorgan (15) einwirkt und die mit einem Anker (7) in Verbindung steht, der zwischen den Polflächen (5, 6) von zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten (1, 2) hin- und herbewegbar geführt ist und der bei stromlos gesetzten Elektromagneten (1, 2) durch wenigstens zwei gegeneinander wirkende Federele¬ mente (12, 19) in einer Zwischenstellung zwischen den Polflächen (5, 6) gehalten wird, und wobei die Feder- elemente (12, 19) gesondert außerhalb der Elektromagnete (1, 2) angeordnet sind.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Federelemente (12, 19) an der Stirnseite (14) wenigstens eines Elektromagneten (2) angeordnet sind.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (8) geteilt ausge- führt ist, wobei ein Teil (8.1) mit dem Anker (7) fest verbunden ist und der andere, dem Stellorgan (15) abge¬ kehrte Teil (8.2) mit dem zugeordneten Federelement (12) verbunden ist und durch dieses kraftschlüssig mit dem Anker (7) in Verbindung steht.

4. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Stellorgan (15) zugekehrte Federelement (19) mit einem Ansatz (18) am Stellorgan (15) verbunden ist, der durch das Federele- ment (19) kraftschlüssig mit dem Schubstangenteil (8.2) in Verbindung gehalten wird.

5. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegeneinander wirkenden Federelemente (12, 19) auf der dem Stellorgan (15) zugekehrten Seite des Elektromagneten (2) angeord- net sind, wobei ein Federelement (12) auf die Schub¬ stange (8) und das andere Federelement (19) auf einen Ansatz (18) am Stellorgan (15) einwirkt, und daß die Schubstange (8) und der Ansatz (18) kraftschlüssig mit¬ einander verbunden sind.

6. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Elektromagneten (1, 2) die Magnetspulen (3, 4) in einem geblechten Joch¬ körper angeordnet sind.

7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Elektro¬ magnete (2) in Bewegungsrichtung (20) des Ankers (7) verschiebbar gelagert und mit einer Stelleinrichtung (21) verbunden ist, durch die der Abstand der einander zugekehrten Polflächen (5, 6) der beiden Elektromagnete (1, 2) veränderbar ist.

8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (21) einen Zusatzelektromagneten (22) aufweist, durch den der verschiebbar gelagerte Elektromagnet (2) im Zusammen¬ wirken mit einem als Rückstellfeder wirkenden Federele¬ ment in zwei verschiedenen Endlagen positionierbar ist.