DE10137640A1

DE10137640A1 - Elektromagnetische Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE10137640A1
Application number: DE10137640A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine translatorisch arbeitende Stelleinrichtung mit elektromagnetischem Antrieb, welche im wesentlichen zwischen zwei axialen Positionen hin- und herschaltbar ist. Eine vorteilhafte Gestaltung besteht in der Verwendung eines Permanentmagneten als Anker und eines Stators aus zwei Elektromagneten. Die Stelleinrichtung ist vorzugsweise für den Antrieb frei ansteuerbarer Gaswechselventile an Brennkraftmaschinen vorgesehen (Fig. 7).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine translatorisch arbeitende Stelleinrichtung mit elektromagnetischem Antrieb, welche sowohl zwischen zwei axialen Positionen hin-und-her geschaltet, als auch auf beliebige Positionen zwischen den Endstellungen gesteuert werden kann. Derartige Stelleinrichtungen sind für die unterschiedlichsten Anwendungen geeignet.
Eine der möglichen Anwendungen betrifft den Antrieb von Ventilen, bei denen entweder von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und umgekehrt hin-und-her geschaltet werden muss, oder das Anfahren und Halten bestimmter Zwischenpositionen erforderlich ist.
Derartige Ventile in Gestalt von Tellerventilen finden z. B. im Zylinderkopf von Brennkraftmaschinen Verwendung. Bislang werden sie üblicherweise von rotierenden Nockenwellen gesteuert, wobei ohne zusätzliche Massnahmen die entsprechenden Steuerzeiten unveränderlich sind. Man hat schon lange erkannt, dass eine variable Steuerung dieser Ventile in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl und leistungsmässigen Belastung einen deutlich effizienteren Betrieb von Brennkraftmaschinen ermöglichen würde. In der Folge wurden unterschiedliche Konzepte zur mechanischen Beeinflussung der Steuerzeiten entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Die entsprechenden baulichen Ausführungen sind jedoch aufwendig und teuer. Ausserdem sind sie in ihrer freien Wählbarkeit der Schaltpunkte beschränkt. Zum Beispiel ist eine Zylinderabschaltung mit konstant offenen oder konstant geschlossenen Ventilen nicht möglich.
Jüngste Entwicklungen zielen darauf ab, nicht nur die eigentlichen Steuerzeiten variabel zu beeinflussen, sondern den Grad der jeweiligen Ventilöffnung gezielt zu steuern, um so eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine zu realisieren, welche ohne Drosselklappe im Ansaugkanal auskommt und dadurch die unerwünschten Drosselverluste vermeidet. Für die technische Umsetzung eines derartigen Systems ist allerdings ein hoher mechanischer Aufwand erforderlich.
Es hat bislang nicht an Versuchen gefehlt, Ventilsteuerungen zu entwickeln, welche in ihrem Antrieb völlig losgelöst von der übrigen Mechanik arbeiten sollten. Hier lag der Gedanke nahe, auf einen elektrischen Antrieb zurückzugreifen. Insbesondere waren dabei Ventile mit elektromagnetischem Antrieb ins Auge gefasst. Obwohl derartige Überlegungen nun schon seit über dreissig Jahren angestellt werden, hat bis zum heutigen Zeitpunkt eine entsprechende Technologie im Bereich z. B. des Kraftfahrzeugs nicht Einzug gefunden. Die Gründe hierzu mögen teilweise in den Arbeitsbedingungen liegen, welche durch höhere Temperaturen und die extrem schnellen Schaltzeiten gekennzeichnet sind. Immerhin beträgt bei einer Motordrehzahl von 6000 Umin^-1 die Zeitspanne der Ansaugbewegung eines Kolbens nur 5 Millisekunden. Demgemäss sind für derartige Ventile Öffnungs- bzw. Schliesszeiten im Bereich von 2,5 Millisekunden oder kürzer erforderlich.
Aus der DE-OS 30 24 109 ist eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für Ventile bekannt, bei der ein weichmagnetischer Anker zwischen zwei Elektromagneten hin-und-her bewegbar ist. Der Anker hat die Form eines flachen Tellers, wobei dessen beidseitige Planflächen den jeweils ringförmigen Polflächen der Elektromagnete gegenüberstehen. Dabei ist der Anker zwischen zwei antiseriell angeordneten Schraubenfedern aufgehängt. Die zu Grunde liegende Idee beruht auf der Vorstellung, dass der Anker nach Abschaltung des Erregerstroms der Spule des entsprechenden Elektromagneten aufgrund seiner Energie der Lage mittels der expondierenden Schraubenfeder aus der Endlage beschleunigt wird und durch die sich aufbauende kinetische Energie bis in die Nähe des anderen Elektromagneten durchschwingt, so dass er mittels dieses Elektromagneten lediglich eingefangen werden muss. Aufbauend auf diesem grundlegenden Prinzip sind hunderte von Patentanmeldungen getätigt worden.
Das oben vorgestellte Konzept ist mit einer Reihe von Problemen behaftet. Eines der Probleme betrifft die anschlagsmässige Überbestimmung des Systems in der geschlossenen Stellung des Ventils. Im Prinzip soll die Dichtfläche des Ventiltellers just in dem Moment auf der Dichtfläche des Sitzrings aufsitzen, in dem die obere Planfläche des Ankers an den Polschuhen des oberen Elektromagnets zur Anlage kommt. Dies ist jedoch technisch kaum realisierbar. Würde zum Beispiel der Anker zuerst anschlagen, so wäre eine total geschlossene Position des Ventiltellers nicht erzielbar. Sitzt andererseits der Ventilteller zuerst auf, verbleibt zwischen Anker und Elektromagnet ein Luftspalt, welcher einen höheren Erregerstrom der Spule erfordert, um den Anker sicher zu halten. Die Situation ist deswegen schwer beherrschbar, weil aufgrund des breiten Arbeitstemperaturbereiches im Kraftfahrzeug z. B. zwischen -20 und + 120°C die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile ins Spiel kommen, so dass exakt definierte Spaltmasse schwer realisierbar sind.
Die Funktionsweise des beschriebenen Systems stösst auch auf andere Art an ihre Grenzen, weil das herangezogene Masse-Feder-Kollektiv bestimmten Zwängen unterliegt. Wollte man z. B. die zu beschleunigenden Massen minimieren, um die Schaltzeit zu verkürzen, so sinkt auch die kinetische Energie und die Durchschwingung wird kleiner. Dann wird es schwierig, den Anker mittels des Elektromagneten in die Endlage zu ziehen. Mindestens müsste die Ansteuerleistung des Elektromagneten drastisch erhöht werden. Ähnliches gilt für den Fall der Verstärkung der Schraubenfedern. So oder so ist eine bestimmte Grenzfrequenz des Systems nicht übersteigbar, so dass die Motordrehzahl dadurch beschränkt ist.
Aufgrund der Tatsache, dass die Eigenfrequenz des jeweiligen Systems unveränderlich und im praktischen Betrieb nicht beeinflussbar ist, benötigt der Anker für das Durchschwingen von der einen in die andere Endlage stets die gleiche Zeit. Bei niedriger Motordrehzahl tritt dann das Problem auf, dass die Fluggeschwindigkeit des Ankers grösser ist als die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens. Bei entsprechend früher Lage des Schaltpunkts kann es dadurch zu Kollisionen zwischen dem Ventilteller und dem Kolbenboden kommen.
Ein anderer Nachteil des Systems ist das ständige Aufschlagen des Ankers auf die Polflächen des Elektromagneten mindestens in der Endlage der Ventilöffnung. Hiermit ist Verschleiss und eine unakzeptable Geräuschentwicklung verbunden.
Es ist im übrigen hinderlich, dass ein derartiges System im Betrieb lediglich zwischen den beiden Endstellungen hin-und-her geschaltet werden kann. Zwischenstellungen bzw. unterschiediche Ventilhübe sind praktisch nicht realisierbar. Im stromlosen Zustand fällt die Ankerplatte zwar in eine Mittelstellung, muss jedoch vor Start des Motors durch wechselweise Erregung der Elektromagnete aufgeschaukelt werden, um zuerst eine Endlage zu erreichen, bevor das System in den Normalbetrieb übergehen kann. Die zum Einschwingen erforderliche Zeit ist viel zu lang, um bei Betrieb des Motors eine zur Kolbenbewegung synchrone Taktung zu verwirklichen.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 199 09 305 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils bekannt, sowie eine Vorrichtung, welche mit dem Verfahren ansteuerbar ist. Es wird dabei vorgeschlagen, einen Permanentmagneten mit Polschuhen in den magnetischen Kreis einzubeziehen, um mittels der beiden Elektromagneten ohne Benutzung mechanischer Federn neben anziehenden auch abstossende Kräfte zu mobilisieren.
Die in der genannten Schrift beschriebene Vorrichtung krankt unter anderem daran, dass die jeweils endständigen Pole des Stators die Polschuhe des Permanentmagneten hintergreifen, wodurch im magnetischen Kreis lange Fliesswege entstehen. Die Polschuhe mit der rückwärtigen konischen Polfläche werden dann relativ lang und damit schwer. Im Verhältnis zum Volumen des Permanentmagneten entstehen so grosse zu beschleunigende Massen, worunter die Schaltgeschwindigkeit leidet. Ausserdem entwickelt das eigentliche Stellglied ohne steuerungstechnischen Eingriff von aussen die höchsten magnetischen Anziehungskräfte beim Aufschlagen des Ankers auf den jeweiligen Polschuh des Stators und damit auch maximale Aufschlaggeschwindigkeiten. Das Anschlagen selbst ist bei der gezeigten Vorrichtung unvermeidbar. Dabei wird bei Öffnung des Ventils der Anker am Polschuh des Stators anschlagen und beim Schliessen des Ventils der Ventilteller auf dem Ventilsitz. Damit bestehen hier hinsichtlich der Geräuschentwicklung und des Verschleisses die gleichen Nachteile wie bei dem weiter oben beschriebenen System.
Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung ohne die oben beschriebenen Nachteile. Die verbesserte Stelleinrichtung sollte in ihrer Ansteuerung völlig frei programmierbar sein, extrem kurze Schaltzeiten bis in den Bereich von 2 Millisekunden und weniger bei kleinen Ansteuerleistungen erlauben, und daneben möglichst geräuscharm oder geräuschfrei arbeiten. Ausserdem war eine kompakte Bauform gefordert, sowie eine Herstellbarkeit zu moderaten Kosten.
Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung durch Schaffung einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung mit einem in axialer Richtung relativ zu einem Elektromagneten beweglichen Anker gelöst, wobei sämtliche in Wirkverbindung stehenden Polflächen des Ankers einerseits und des Elektromagneten andererseits koaxial zueinander angeordnete und in ihrem Radius sich um den Betrag des Arbeitsluftspaltes unterscheidende Zylinderflächen sind, und sowohl der Anker als auch der Elektromagnet mindestens eine derartige Polfläche besitzen. Vorzugsweise ist dabei der Anker des Stellgliedes aus einem Permanentmagneten gebildet. Das erfindungsgemässe Stellglied ist durch Stützfedern bzw. Dämpfungsglieder erweiterbar, um einen geräuscharmen und verschleissfreien Betrieb zu gewährleisten. Mit einer geeigneten elektrischen Ansteuerung sind beliebige Ventilhübe zwischen den Endstellungen und variable Schaltgeschwindigkeiten realisierbar. Andere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand der sieben Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 Das schematische Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil.
Fig. 2 Eine ähnliche Baueinheit mit einem in seinem Querschnitt variierenden Anker.
Fig. 3 Eine abgewandelte Baueinheit mit zwei radial magnetisierten Ringmagneten und einem magnetischen Rückschluss.
Fig. 4 Eine Baueinheit mit einem axial magnetisierten Ringmagneten und zwei magnetisierbaren Polschuhen.
Fig. 5 Das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem geschlossenen Tellerventil.
Fig. 6 Das Schnittbild eines schematischen Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfes mit einer abgewandelten integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung mit einer Runddrahtfeder und einem geöffneten Tellerventil.
Fig. 7 Das Schnittbild eines Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 6 mit einer Flachdrahtfeder bei geschlossenem Tellerventil.
Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer integrierten Baueinheit aus einer erfindungsgemässen Stelleinrichtung und einem Tellerventil in einer teilweise geschnitten gezeichneten Ansicht. Zum besseren Verständnis wurde die Darstellung auf die wesentlichen Komponenten reduziert. Dabei wurden die Komponenten in jeweiligen Grössen gezeichnet, wie sie zum Beispiel für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit zwei Ventilen pro Zylinder anwendbar wären. Für das eigentliche Tellerventil 1 wurden die Abmessungen auf einen Durchmesser des Tellers 2 von 34 mm, einen Durchmesser des Schaftes 3 von 7 mm und eine Gesamtlänge von 90 mm festgelegt. Auch die Länge der Ventilführung 5 entspricht mit 34 mm den in der Praxis vorkommenden Werten. Am oberen Ende des Ventilschaftes ist eine übliche Ringnut 4 angebracht. Das geschlossene Tellerventil liegt auf einem Sitzring 6 auf. Dem Tellerventil ist eine erfindungsgemässe Stelleinrichtung zugeordnet, welche durch einen doppelten Elektromagneten aus einem ortsfesten Stator 28 mit zwei Erregerspulen 32, 33, sowie einem mit dem Ventil verbundenen Aktuator aus einem Anker 7 und einem Ankerträger 23 gebildet ist. Der Ankerträger 23 ist im Bereich der Ringnut 4 mit dem Ventilschaft 3 fest verbunden, wobei die gezeigte Ausführung mehr schematisch zu verstehen ist. Hier sind verschiedene der Verbindungstechniken anwendbar, wie sie aus dem allgemeinen Motorenbau bekannt sind. Auf jeden Fall ist es günstig, den Ankerträger 23 aus einem möglichst leichten Werkstoff wie Leichtmetall oder Kunststoff (z. B. aus CFK oder einem temperaturfesten Polyarylätherketon) herzustellen, um die zu beschleunigenden Massen klein zu halten. Der in dem Beispiel in U-Form vorgeschlagene Anker 7 ist aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise ist er jedoch ein Permanentmagnet, dessen Polflächen 8, 9 entsprechend polarisiert sind. Demgemäss ist eine der Polflächen als Nord- und die andere als Südpol magnetisiert. Die beiden Polflächen des Ankers bestehen aus äusseren Zylinderflächen, welche radial nach aussen gegen die aus inneren Zylinderflächen bestehenden Polflächen 29, 30, 31 des Stators zeigen. Dabei sind die Polflächen des Ankers von den Polflächen des Stators durch einen Luftspalt getrennt.
Die dargestellte Stelleinrichtung ist für einen theoretischen Hub von 9 mm ausgelegt. Demgegenüber ist der eigentliche Arbeitshub zwischen der geschlossenen bzw. offenen Stellung des Tellerventils reduziert, zum Beispiel auf 7 mm. Bei Anliegen des Ventiltellers 2 am Sitzring 6 befindet sich so der Anker 7 gegenüber dem Stator 28 in einer geringfügig ausgelenkten Position. Dadurch wird bei zweckdienlicher Auslegung des magnetischen Kreises unter Verwendung eines Permanentmagneten als Anker aufgrund der Selbsthaltekraft und/oder bei entsprechend erregter Spule 32 eine axiale Kraft auf das Ventil ausgeübt, welche als Schliesskraft des Tellerventils ausreichend ist.
Für den Fall, dass der Anker 7 aus einem weichmagnetischen Material besteht, wird das Ventil geschlossen gehalten, so lange die Spule 32 erregt wird. Zum Umschalten des Ventils in die geöffnete Stellung wird die Spule 32 ab- und die Spule 33 eingeschaltet. Der Anker 7 mitsamt dem Ventil 1 wird dadurch so weit nach unten gezogen, bis sich die Polflächen 8, 9 des Ankers mit den Polflächen 30, 31 des Stators gegenüberstehen. Bei senkrechter Anordnung des Systems wird es auf Grund der Schwerkraft dazu kommen, dass der Anker gegenüber den Polflächen des Stators geringfügig nach unten durchhängt. Dies ist jedoch kein prinzipieller Nachteil des Systems. Allerdings muss beachtet werden, dass bei einem Überschwingen des Ventils während seiner Bewegung oder bei einem Ausfall des Erregerstroms für die Spule ein dadurch verursachtes Durchsacken des Ventils unter Umständen zu einer Kollision mit dem Kolben der Brennkraftmaschine führen könnte. Diese Gefahr kann durch die Integration eines dämpfend arbeitenden Anschlags beseitigt werden, z. B. in Gestalt einer kleinen, extrem progressiv ausgelegten Stützfeder. Diese Stützfeder ist vorzugsweise z. B. als Schraubenfeder aus relativ dünnem Flachdraht gefertigt, so dass ihre Windungen beim Erreichen des Anschlagpunktes mit geringer Kraft flach aufeinander liegen. Die extrem progressive Federkennung, vorzugsweise mit einem Knickpunkt in der Federkennlinie, ist z. B. in einfacher Weise dadurch erzielbar, dass wahlweise eine oder beide Endwindungen der Schraubenfeder leicht verschränkt sind. Dadurch geht die flache Schraubenfederkennlinie im Anschlagsbereich in eine steile Tellerfederkennlinie über. Es sind auch spezielle zweigängige Schraubenfedern mit gegenseitiger Verschränkung bekannt, z. B. die so genannte RÖHRS-Feder, welche für die beschriebene Aufgabe auslegbar sind. Im Prinzip ist jede andere mechanische Feder für die beschriebene Aufgabe geeignet, so weit sie eine entsprechend günstige Kennlinie besitzt.
Eine elegante Realisierung der Endlagendämpfung besteht in der Integration von Kavitäten (z. B. zylinder- bzw. ringförmigen Ausnehmungen), welche in Form und Position so angeordnet sind, dass ein eintauchender, mit dem Ventil 1 verbundener Körper, z. B. in Gestalt des Ankerträgers 23 bzw. einer Profilierung des Ankerträgers 23, ein dort vorhandenes Fluid oder Gas verdrängt bzw. komprimiert. Eine derartige Ausführung arbeitet geräuscharm und verschleissfrei, und ist ausserdem zu günstigen Kosten zu verwirklichen.
Eine Endlagendämpfung hat auch Vorteile für die obere Position des Ankers, wenn sie derart bemessen ist, dass sie ganz kurz vor dem Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz wirksam wird. Das ganze System arbeitet dann mit deutlich reduzierter Geräuschentwicklung nahezu ohne Einbuße an Dynamik.
Besonders vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemässe Stelleinrichtung unter Verwendung eines Permanentmagneten (z. B. aus einer Eisen-Neodym-Bor-Legierung) als Anker. Dies ergibt sich aus der doppelten Nutzung des Stators bei Umpolung des Erregerstroms für die Spulen, weil dann von den Polflächen des Stators auch abstossend auf den Anker wirkende Kräfte mobilisiert werden können. Ferner besteht dann bei entsprecher Auslegung des magnetischen Kreises und angepasster Dimensionierung der Polflächen die Möglichkeit, die auftretenden Selbsthaltekräfte (Rastmomente) zu nutzen. Im konkreten Fall wird z. B. der Anker in der oberen Position aufgrund der magnetischen Selbsthaltekraft und/oder durch Erregung der oberen Spule 32 mit einer geeigneten Polarität gehalten. Zum Umschalten des Ventils wird die Polarität der Erregerspannung der oberen Spule abstossend gepolt und wahlweise gleichzeitig oder zeitlich verzögert die untere Spule 33 mit anziehender Polarität erregt. Vor Erreichen der unteren Endlage des Ventils kann der Erregerstrom der oberen Spule 32 abgeschaltet werden. Ein Bremseffekt z. B. zur Unterbindung des Überschwingens des Ventils kann dann auf mechanischem Wege durch die oben beschriebenen oder ähnliche Dämpfungselemente erzielt werden. Diese Dämpfung ist am effektivsten und benötigt keine weitere Energie. Auf elektrischem Wege ist eine Bremsung oder Dämpfung entweder durch kurzzeitiges Beaufschlagen mit einem elektrischen Impuls umgekehrter Polarität realisierbar, bzw. durch eine Generatorschaltung, oder durch Kurzschliessen der unteren Erregerspule 33. Im den beiden letzteren Fällen werden dabei durch die Bewegung des Ankers in der Spule Spannungen induziert, welche bei Anlegen einer externen Last zu entsprechenden Strömen führen und durch die aufzubringende elektrische Leistung die Ankerbewegung hemmen. Nach Erreichen der unteren Endlage des Ankers kann die untere Spule 33 abgeschaltet werden, falls die magnetische Selbsthaltekraft ausreichend gross ist, oder in Teil- oder Vollerregung wiederum polaritätsrichtig eingeschaltet werden, um den Anker in dieser Position mit einer dann höheren Kraft festzuhalten. Die hier beschriebene Arbeitsweise gilt logischerweise für beide Arbeitsrichtungen.
Bei Verwendung eines Permanentmagneten als Anker muss sichergestellt sein, dass sich in der jeweiligen Endlage die Polflächen des Ankers relativ zu den Polflächen des Stators in einer geringfügig zur Mitte des Stators hin versetzten Position befinden, weil es im umgekehrten Fall bei der Mobilisierung der oben beschriebenen abstossenden Kräfte zu einem unerwünschten Wegdrängen des Ankers aus dem Stator hinaus kommen würde. In der geschlossenen Stellung des Ventils ist diese Forderung ohnehin erfüllt, wenn der Ventilteller auf dem Sitzring zur Auflage kommt, ehe das System aus Stator und Anker seine konvergierende Position erreicht hat. Für die geöffnete Stellung des Ventils ist diese Forderung z. B. in einfacher Weise durch Einbau einer kleineren Stützfeder zu erfüllen, welche in ihrer Federkraft so bemessen sein muss, dass sie zumindest geringfügig mehr als die Masse des insgesamt bewegten Systems kompensiert.
Die Ansteuerungsbandbreite des erfindungsgemässen Systems unter Verwendung eines Permanentmagneten als Anker ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen stufenlos unter-, normal-, und übererregbar sowie einzeln oder gemeinsam erregbar sind, wobei ihre jeweilige Polarität und die - auch getaktete - Erregungsdauer frei wählbar ist. Ausserdem können sie einzeln oder gemeinsam kurzgeschlossen oder zwecks Rückgewinnung von elektrischer Energie jeweils kurzzeitig als Generator geschaltet werden.
Da das Gesamtsystem bestimmten Gesetzmässigkeiten unterliegt, welche aus den zu beschleunigenden Massen und den erzeugten magnetischen Kräften ableitbar sind, lassen sich beispielsweise beliebige Öffnungsgeschwindigkeiten und insbesondere Öffnungsgrade des Ventils mittels einer exakten Taktung der Spulenerregung auch ohne zusätzliche Sensorik erzielen.
Die in der Fig. 1 gezeigte Gestaltung des Ankers 7 in U-Form ist als Permanentmagnet ohne weiteres herstellbar. Jedoch kann ein in seiner Funktion entsprechender Anker auch in Gestalt eines so genannten gebauten Magneten aus einzelnen Elementen zusammengefügt werden.
Eine hinsichtlich des Ankers geringfügig abgewandeltes erfindungsgemässes System wird in Fig. 2 gezeigt. Hier wurde versucht, der sich aus der Geometrie des Ankers 10 ergebenden Querschnittsänderung durch eine modifizierte C-Form entgegenzuwirken, wobei die zwischen den Polen 11 und 12 umlaufende Ringnut etwas flacher ausgefallen ist. Die übrigen Einzelteile des Systems wurden aus der Fig. 1 übernommen.
Fig. 3 baut auf den beiden vorausgehenden Figuren auf. Der Stator mit den Spulen wurde daher weggelassen. Es wird ein zusammengesetzter permanentmagnetischer Anker gezeigt, welcher aus zwei radial und zueinander gegenpolig magnetisierten Ringen 18, 19 aufgebaut ist. Diese sind mittels eines magnetischen Rückschlusses 22 aus weichmagnetischem Werkstoff verbunden. Es sind zwei magnetische Polflächen 20, 21 in Zylinderform gebildet, wovon eine als Nord- und die andere als Südpol polarisiert sind. Die Elemente des Ankers sind zwischen dem oberen Magnethalter 26 und dem unteren Magnethalter 27 auf dem Schaft 3 des Ventils 1 fixiert.
Eine weitere Variante des Systems ist in Fig. 4 dargestellt. Wie zuvor wurde das Ventil 1 mit dem Ventilteller 2 sowie die Ventilführung 5 und der Sitzring 6 aus der vorausgehenden Figur übernommen. Der magnetische Anker besteht nun aus einem axial magnetisierten permanentmagnetischen Ring 13 mit beidseitigen Polschuhen 14, 15 aus weichmagnetischem Material. Auch hier sind radial ausgerichtete Polflächen 16, 17 mit gegenphasiger Polarität vorhanden, wobei eine der Polflächen den Nord- und die andere den Südpol darstellt. Das den Anker bildende Ensemble ist unter Verwendung des modifizierten Ankerträgers 24 auf dem Ventilschaft 3 des Ventils 1 befestigt. Die gezeigte Variante hat den Vorteil der leichten und sehr preiswerten Beschaffbarkeit des axial polarisierten Permanentmagneten. Andererseits muss dem Fachmann klar sein, dass die Effizienz dieser Ausführung geringer ist.
Zur Erläuterung einer typischen Einbausituation der erfindungsgemässen Stelleinrichtung ist in Fig. 5 das Ensemble eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit dem aus Fig. 1 übernommenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wurden insoweit die jeweiligen Bezugsziffern beibehalten, als die einzelnen Elemente identisch sind. Die Darstellung ist schematisch für eine Brennkraftmaschine mit zwei Ventilen pro Zylinder aufzufassen, wobei der Einfachheit halber nur ein einzelnes Ventil in senkrecht hängender Anordnung in Zylinderkopfmitte gezeigt wird. Im Prinzip besteht zwischen der Steuerung des Auslassventils kein Unterschied zum Einlassventil. Bei modernen Brennkraftmaschinen wird eine V- förmige Anordnung der Ventile angestrebt sein, wobei auch eine so genannte Vierventil- Technik mit der vorgeschlagenen Stelleinrichtung problemlos realisierbar ist.
Der in Fig. 5 dargestellte Zylinderkopf 35 besitzt einen Strömungskanal 36 für das anzusaugende Gemisch oder das auszustossende Abgas, welcher im Bereich des eingeschrumpften Sitzrings 6 endet. Das Ventil 1 liegt mit seinem Teller 2 auf, so dass der nicht gezeigte Brennraum gegen den Strömungskanal abgedichtet ist. Im Zylinderkopf sind Strömungswege 37, 38, 39 für den Umlauf des flüssigen Kühlmittels gebildet. Die Führungshülse 5 für das Ventil ist in den Zylinderkopf eingepresst. Ihr Innendurchmesser ist so dimensioniert, dass der Schaft 3 des Ventils darin leichtgängig hin-und-her bewegbar ist. Die erfindungsgemässe Stelleinrichtung ist koaxial zur Ventilachse angeordnet und auf einem geeigneten Sockel 34 montiert. Zum Schutz der Einheit ist eine Abdeckhaube 42 auf den Zylinderkopf aufgesetzt.
Das in Fig. 5 gezeigte Beispiel wird in Fig. 6 nochmals aufgegriffen, um die Stelleinrichtung in geöffneter Ventilstellung zu zeigen und die Lage und Auswirkung einer verwendeten Kompensationsfeder zu erläutern. Auf die übernommenen Bauteile unter jeweils zur vorangehenden Figur identischen Bezugsziffern soll hier nicht weiter eingegangen werden. In dem Beispiel ist der Ventilteller 2 in geöffneter Position mit einem Abstand von etwa 7 mm vom Sitzring 6 abgehoben. Zwischen einer auf der Oberkante des Zylinderkopfes 35 befindlichen Lagerfläche und dem geringfügig abgewandelten Ankerträger 25 ist eine Kompensationsfeder 40 eingefügt, deren Federkraft so bemessen ist, dass das Gewicht der mit dem Ventil bewegten Massen geringfügig überkompensiert ist. Dadurch stehen sich im Erregungszustand der unteren Spule 33 die in Wirkverbindung stehenden Polflächen 8, 9 des permanentmagnetischen Ankers mit den Polflächen 30, 31 des Stators 28 nicht genau gegenüber. Sie sind wegen der leicht nach oben verschobenen Position des Ankers so gegeneinander versetzt, dass bei einem Umpolen der Erregerspannung für die untere Spule 33 und der daraus resultierenden abstossend auf den Anker wirkenden Kraft die korrekte Bewegungsrichtung des Ankers nach oben gesichert ist.
In der Fig. 7 wird weitgehend auf die vorangehende Figur b zurückgegriffen. Es werden sämtliche gezeigten Gleichteile mit den identischen Bezugsziffern übernommen. Insoweit kann hier auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet werden. Das Tellerventil 1 wird nun in der geschlossenen Position gezeigt. Die wesentliche Änderung betrifft die Flachdrahtfeder 41, welche gleichzeitig die Aufgabe einer Kompensationsfeder mit Überkompensation der beteiligten Massen, sowie eines Dämpfungselementes und des Notanschlags übernehmen soll. Aus zeichnerischen Gründen ist die Flachdrahtfeder 41 etwas grob dimensioniert. In der praktischen Ausführung wird ein sehr ausgedünnter Querschnitt ausreichend sein. Damit könnte weiterer Bauraum eingespart, der Sockel 34 niedriger ausgeführt, und die Ventillänge weiter verkürzt werden. Die Flachdrahtfeder hat den Vorteil, dass sich die Windungen bei entsprechender Breite im zusammengedrückten Zustand ohne die Entstehung von Querkräften gut aneinander schmiegen. Sie kann sehr weich ausgelegt werden. Bei einem Betrieb unter Öl arbeiten die sich anschmiegenden Flachseiten als hydraulischer Dämpfer. Die für die vorgesehene Anwendung vorteilhafte geknickte Kennlinie mit quasi schlagartig einsetzender Progressivität ist ohne weiteres durch kleinere Modifikationen erzielbar, z. B. mittels wenigstens einer partiellen Verschränkung mindestens einer Federwindung, insbesondere einer oder beider Endwindungen.
Die in Fig. 6 und Fig. 7 vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele sind weiter ausbaufähig, indem ein Federsystem auch oberhalb des Ankerträgers integriert wird. Dieses ist dann - abgesehen von der Massenkompensation - für die gleichen Aufgaben zuständig wie zuvor beschrieben. Der mechanische Aufbau erinnert dann stark an die Ausführung z. B. gemäss der Offenlegungsschrift DE-OS 30 24 109 bzw. den vielen anderen Schutzrechtsanmeldungen der entsprechenden Art. Tatsächlich jedoch ist die Arbeitsweise des hier vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der Verkörperung deutlich anders.
Dies wird z. B. schon dadurch deutlich, dass das hier vorgeschlagene System konkrete Teilöffnungen des Ventils erlaubt. Diese sind in Gestalt von variabel festlegbaren Ventilhüben realisierbar, wobei eine definierte axiale Position des Ventils anfahrbar ist und über ein Zeitfenster gehalten werden kann. Wie bereits weiter oben erwähnt, ist eine derartige Arbeitsweise mittels einer offenen Ansteuerung bei dem erfindungsgemässen System mit hinreichender Genauigkeit möglich, weil die tatsächlichen Ventilbewegungen bestimmten Gesetzmässigkeiten unterliegen und von den beteiligten Massen und den wirkenden Kräften abhängig sind. Ein derartiger Betrieb wird nach weiterer Erfindung dadurch verfeinert, dass mittels der Integration mindestens eines Sensors und dessen Einbeziehung in die Regelung ein geschlossener Regelkreis geschaffen wird. Dabei hat der Sensor die Aufgabe der direkten oder indirekten Lagekontrolle des Ventils zu übernehmen. Die reale Position des Ventils wird dadurch erreicht, dass der Erregerstrom der Spulen 32, 33 seiner Höhe bzw. Taktung und Polarität nach gemäss dem Sensorsignal mittels eines geschlossenen Regelkreises gezielt geregelt wird, um die vorbestimmte Position des Ventils mit hoher Genauigkeit anzufahren und zu halten.
Die mit der Erfindung vorgeschlagene Stelleinrichtung für translatorische Bewegungen ist für zahlreiche Anwendungen geeignet. Besonders vorteilhaft erscheint die Verwendung eines permanentmagnetischen Ankers. Ein Einsatz für die frei programmierbare Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen verspricht Erfolg. Dazu kann auf verfügbare Werkstoffe zurückgegriffen werden, um die extremen Einsatzbedingungen zu bewältigen, z. B. auf geeignete Eisen-Neodym-Bor- oder Kobalt-Samarium-Legierungen für den Permanentmagneten, Wickeldraht mit Polyimid-Lack für die Spulen, Polyimid-Folien für die Spulenisolierung, oder z. B. ein Polyarylätherketon wie PEEK, PEK, PEKEK usw., bzw. Polybenzimidazol oder Polyimid für den Ankerträger. Vorteilhaft ist ferner die Verwendungsmöglichkeit leichter Ventilwerkstoffe wie z. B. Siliziumnitrid zur Reduzierung der bewegten Massen. Insgesamt wird mit einer derartigen Stelleinrichtung ein dauerhafter, störungsfreier und geräuscharmer Betrieb bei hoher Dynamik und einer völlig freien Programmierbarkeit des Ventilhubs und der Steuerzeiten im Kraftfahrzeug ermöglicht. Dadurch scheinen die Forderungen der Motorenbauer in hohem Masse erfüllt.

Claims

1. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für hin-und-hergehend bewegbare Elemente, insbesondere Tellerventile an Verdrängungs- bzw. Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem axial beweglich geführten Aktuator mit einem magnetisierbaren Anker und mindestens einem mit dem Anker in Wirkverbindung stehenden Elektromagneten, wobei der Aktuator mittels der Erregung des Elektromagneten aus einer Lage in eine andere Lage translatorisch bewegbar und dort mittels des Elektromagneten haltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche in Wirkverbindung stehenden Polflächen des Ankers einerseits und des Elektromagneten andererseits koaxial zueinander angeordnete und in ihrem Radius sich um den Betrag des Arbeitsluftspaltes unterscheidende Zylinderflächen sind, wobei sowohl der Anker als auch der Elektromagnet mindestens eine derartige Polfläche besitzen.

2. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aussen angeordnet ist und seine Polfläche oder Polflächen zylindrische Innenflächen sind, und der Elektromagnet oder die Elektromagneten innen angeordnet sind und seine oder ihre Polflächen zylindrische Aussenflächen sind.

3. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker innen angeordnet ist und seine Polfläche oder Polflächen zylindrische Aussenflächen sind, und der Elektromagnet oder die Elektromagneten aussen angeordnet sind und seine oder ihre Polflächen zylindrische Innenflächen sind.

4. Stelleinrichtung gemäss Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker mindestens partiell aus einem Permanentmagneten besteht.

5. Stelleinrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker zwei zylinderförmige Polflächen besitzt.

6. Stelleinrichtung gemäss Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker 7 (10) zwei zylinderförmige Polflächen 8, 9 (11, 12) besitzt, von denen eine als Nordpol und die andere als Südpol magnetisiert sind.

7. Stelleinrichtung gemäss Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker 7 (10) im halbseitigen Schnitt funktionsmässig eine U- oder C-Form besitzt.

8. Stelleinrichtung gemäss Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der flächenmässige Querschnitt des Ankers 10 entlang der magnetischen Flussrichtung mindestens hinsichtlich des permanentmagnetischen Anteils auf einen möglichst konstanten Wert hin optimiert ist.

9. Stelleinrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus mehreren Teilen 18, 19, 22 (13, 14, 15) zusammengesetzt ist.

10. Stelleinrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet zwei zylinderförmige Polflächen besitzt.

11. Stelleinrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektromagneten verwendet sind.

12. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektromagnete in einem einzigen Stator 28 integriert sind und über drei zylinderförmige Polflächen 29, 30, 31 verfügen.

13. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung des jeweiligen Elektromagneten über Ringspulen 32, 33 erfolgt.

14. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Radialschnitt kreisrunde Kontur des Stators 28 mindestens an einer Seite beschnitten bzw. abgeflacht ist, um benachbarte Stellglieder mit engem Abstand anordnen zu können.

15. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker 7 (10) mittels eines geeigneten Trägers 23 auf dem Schaft 3 eines Tellerventils 1 befestigt ist.

16. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator in mindestens einer Arbeitsrichtung gegen eine Stützfeder 40, 41 arbeitet.

17. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator in beiden Arbeitsrichtungen gegen eine Stützfeder arbeitet.

18. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfeder eine extrem progressive Federkennlinie besitzt.

19. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie im expandierten Bereich der Stützfeder flach und im komprimierten Bereich steil ist und beide Bereiche mehr oder weniger geknickt ineinander übergehen.

20. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfeder 41 einen flachen Querschnitt des Drahtprofils besitzt.

21. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Windung der Stützfeder mindestens partiell verschränkt ist.

22. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der voll geöffneten Endstellung eines angetriebenen Ventils mittels entsprechender Bauteile (z. B. Anschlagfläche oder Feder) die Polflächen des Ankers gegen die Polflächen des Elektromagneten in axialer Richtung gegeneinander mit einem Abstand versetzt sind, welcher bei einer den Anker abstossenden Erregung des Elektromagneten die gewünschte Bewegungsrichtung des Aktuators sicherstellt.

23. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der geschlossenen Stellung eines angetriebenen Ventils die Polflächen des Ankers gegen die Polflächen des Elektromagneten in axialer Richtung gegeneinander mit einem Abstand versetzt sind, welcher eine ausreichende Schliesskraft des Ventils gegen einen Dichtsitz sicherstellt.

24. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich einer Endlage des Aktuators ein Dämpfungsglied integriert ist.

25. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied eine mit einem Fluid bzw. Gas mindestens teilweise gefüllte Kavität umfasst, sowie einen in diese Kavität eintauchenden Körper, wobei entweder die Kavität oder der Körper dem Aktuator zugeordnet ist, und beim Eintauchen des Körpers in die Kavität das Fluid bzw. Gas komprimiert bzw. mindestens teilweise verdrängt wird.

26. Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung der Ankerposition mit der Ansteuerelektronik und den Erregerspulen der Stelleinrichtung in einem geschlossenen Regelkreis verschaltet sind.

27. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung der Ankerposition die Erregerspulen der Stelleinrichtung sind.

28. Stelleinrichtung gemäss Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung bzw. ein Sensor zur Bestimmung der Ankerposition integriert ist.

29. Verwendung einer Stelleinrichtung gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche für die Gaswechselsteuerung einer Brennkraftmaschine.

30. Verfahren zur Steuerung einer gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche gestalteten Stelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzielung eines gewünschten Bewegungsablaufs bzw. Bewegungsverhaltens die elektrische Ansteuerung der einzigen oder mehrerer Spulen in Gestalt eines Programms entlang einer Zeitachse abgearbeit wird, wobei das Programm aus folgenden Betriebszuständen mit springenden bis gleitenden Übergängen ausgewählt ist:

- Untererregung

- Normalerregung

- Übererregung

- Polarität A

- Polarität B

- Dauererregung

- Impulserregung

- Getrennte Erregung

- Gemeinsame Erregung

- Kurzschluss oder Ausgangslast.

31. Verfahren zum Betrieb einer gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche gestalteten Stelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in ausgewählten zeitlichen Momenten eine Generatorschaltung angewandt wird, vorzugsweise zur Rückgewinnung elektrischer Energie.