DE19714409A1 - Elektromagnetischer Antrieb - Google Patents

Description

Stand der Technik

Elektromagnetische Antriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind z. B. aus der DE 39 23 477 A1 bekannt.

Bei der bekannten Anordnung wird zum Erreichen der Offenstellung eines Ventils eines Verbrennungsmotors der Öffnungselektromagnet mit einem Stromimpuls zuerst voll angesteuert. Danach schließt sich eine Phase mit niedrigeren getakteten Stromimpulsen an. Schließlich wird ein niedrigerer konstanter Stromwert eingeregelt, um nach Erreichen der Endstellung wieder mit einem getakteten Strom die Energie zum Halten des Ankers in Endstellung aufzubringen. Die unterschiedliche Ansteuerung des Elektromagneten hat den Zweck Energie zu sparen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß ebenfalls der Energiebedarf für den Betrieb des Antriebs herabgesetzt wird. So werden hier der Elektromagneten nur während eines Teils der Ankerbewegung mit Strom beaufschlagt. Es ist wegen des Rastsystems keine elektrische Energie zur Endstellungshaltung notwendig. Durch die Regelung auf Sollpositionen in Polnähe ist automatisch eine Dämpfung und damit eine geringe Geräuschentwicklung gegeben. Es ergeben sich keine Temperatureinflüsse, wie sie bei einer hydraulischen Dämpfung auftreten. Die Elektromagnete sind in trockener Umgebung untergebracht. Der Gesamtaufbau ist äußerst reibungsarm, so daß in der Hubphase wenig Energie zugeführt werden muß.

Ein Großteil der Bewegungsenergie wird in Federn gespeichert und nicht wie bei der hydr. Dämpfung vergeudet.

Die Unteransprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfindung. Deren Vorteile werden im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung erläutert.

Figurenbeschreibung

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein elektromagnetischer Antrieb gemäß der Erfindung mit angetriebenem Ventil eines Verbrennungsmotors

Fig. 2 bis 6 Diagramme zur Funktionsbeschreibung

Fig. 7 eine bestimmte Ausbildung des Ankers und der Magnetpole.

In Fig. 1 ist ein Ventil 1 mit Ventilschaft 2 im Ventilblock 3 gezeigt. Eine Feder 4 drückt das Ventil 1 nach oben.

Oben ist ein zweipoliger elektromagnetischer Antrieb gezeigt, der zwei Elektromagneten 5 und 6 und einen dazwischenliegenden Anker 7 aufweist. Der Anker 7 ist mittels einer Torsionsfeder 8 gelagert. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange 9 angelenkt, die durch eine Schraube 10 in ihrer Länge veränderbar ist. Die Schraube 10 steht auf dem Ventilschaft 2 auf. Die Torsionsfeder 8 ist so vorgespannt, daß sie ohne Erregung der Elektromagnete 5 und 6 zusammen mit der Feder 4 den Anker 7 in der gezeigten Mittelstellung hält. Ein Verbindungsteil 11 verbindet den Anker 7 mit der Torsionsfeder 8. Rechts am Elektromagnet 6 ist ein Rastsystem 12 dargestellt. Es besteht aus einer um die Achse 13 kippbaren Wippe 14. Am unteren Ende der Wippe ist eine Rastrolle 15 gezeigt, die in den Endstellungen des Ankers 7, in die er durch die Kraft der Elektromagneten 5 bzw. 6 und durch die Wirkung der Federn 4 oder 8 gebracht wird, über bzw. unter den Anker greift, und den Anker 7 festhält. Die Rastrolle 15 ist zur Erniedrigung der Reibung kugelgelagert. Sie wird durch eine Welle 15a zwischen zwei Kugellagern gebildet. Im Kern des Elektromagneten 6 ist ein Rastelektromagnet 17 untergebracht, bei dessen Erregung die in den Magnetkreis des Rastmagneten 17 einbezogene Wippe 14 betätigt wird. Hierdurch kann die eingerastete Rastrolle 15 aus den Raststellungen herausgezogen werden. Die Welle 15a rollt während der Umlenkung des Ankers 7 auf einen Ankerteil (Ankerplatte) ab. In der Fig. 1 ist noch ein Ventilwegsensor 18 und ein Ankerwegsensor 19 eingezeichnet. Beide Sensoren arbeiten z. B. auf der Basis einer linearen Hallschranke. Es können auch induktive Geber 18a eingesetzt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dieser nur halbseitig gezeichnet. Ober den Ventilwegsensor wird die Schließstellung des Ventils 7 erfaßt. Der Ankerwegsensor erfaßt den Gesamthub.

Während des Arbeitshubes sind die Meßergebnisse beider Sensoren gleich. Lediglich beim Schließen des Ventiles läuft der Ankerwegsensor noch einen Betrag weiter.

In der strichpunktiert gezeichneten Endstellung des Ankers 7 ist das Ventil 1 geschlossen und zwischen der Betätigungsstange 9 und dem Schaft 2 des Ventils tritt Ventilspiel von etwa 0,1 bis 0,3 mm auf.

Fig. 2 zeigt in Fig. 2a den Weg/Zeit Verlauf (s über t) des Magnetankers 7 bzw. des Ventils 1/2 während der Ventilöffnung. Fig. 2b gibt den zeitlichen Verlauf der Kräfte wieder und Fig. 2c zeigt die Bewegung der Rastrolle 15. Zum Zeitpunkt T₀ setzt die Ankerbewegung ein und nach einem kurzen Weg Δs_v (Ventilspiel) trifft die Stellschraube 10 auf den Ventilschaft 2 und nimmt das Ventil 112 mit. Der gezeichnete Kraftsprung kommt beim Auftreffen auf das Ventil zustande, wenn dessen Ventilfeder wirksam wird. Aufgrund der Feder- und Magnetkräfte stellt sich der in Fig. 2a gezeigte Bewegungsverlauf ein, der im Idealfall den Anker 7 genau in die Sollposition s_soll bringt, die um einen Weg Δs vom Endanschlag entfernt ist. Die strichpunktierte und die gestrichelte Linien zeigen Abweichungen vom Sollverlauf und zwar wird bei der gestrichelten Linie der Sollwert unterschritten und bei der strichpunktierten Linie überschritten, wobei hier der Anker 7 auf den Endanschlag auftrifft. Der Sollwert kam durch die eingerastete Rastrolle oder dem Abstand vom Endanschlag definiert sein.

In Fig. 2b ist mit F_F die resultierende Kraft der Federn 4 und 8 überlagert von den Kräften zweier weiterer nicht dargestellter Federn, die in der Nähe der Endstellungen wirksam werden (links bzw. rechts vom Knick) bezeichnet. Diese Zusatzfedern bewirken eine große Beschleunigung des Ankers 7 aus den Endstellungen. Mit FM ist die Kraft des Magneten 5 bezeichnet. Hierbei ist eine Form des Ankers 7' und der Magnetpole unterstellt, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Diese Ausbildung ermöglicht eine hohe Anfangskraft, die insbesondere für das Auslaßventil günstig ist, da hier zusätzlich die Gaskraft überwunden werden muß. Um die Totzeiten der Signalaufbereitung zu berücksichtigen, wird der Elektromagnet 5 um die Zeit t₀₁ vor T₀ eingeschaltet. Nach Entrastung des Rastsystems bei T₀ wird diese Magnetkraft bei T₀ wirksam. Sie wirkt über eine relativ kurze Zeitdauer T₅. Die dargestellte Summe der Kräfte Ff und FM wirkt auf den Anker und das Ventil ein und beschleunigt diese. Nach Abschalten des Erregerstroms nach T₅ klingt die Magnetkraft über t_v ab. Die Summe der Kräfte bringt den Anker in die andere Endstellung. Zur vereinfachten Darstellung sind die Reibungs- und Gaskräfte nicht berücksichtigt. Die Abweichung von der Sollposition wird vom Ankerwegsensor 19 festgestellt. Aus der Feststellung der Ablage (+Δs, -Δs) ermittelt ein nicht gezeigter Rechner einen Korrekturwert -ΔT oder +ΔT für die Einschaltung des Elektromagneten 5 im nächsten Zyklus. Fig. 2c zeigt den Bewegungsablauf der Rastrolle 15. Der Rastmagnet wird entsprechend den Tot- und Verzugszeiten um t₀₂ vor T₀ eingeschaltet. Bei T₀ hat sich die Rastrolle 15 über die Kante des Ankers 7 bewegt und gibt den Anker 7 frei. Die Summe der Kräfte kann wirksam werden und den Anker samt Ventil beschleunigen. Nach einiger Zeit T_RR wird der Rastmagnet abgeschaltet. Die Rastrolle 15 drückt sich durch die Kraft der Feder 16 an den Anker 7 bzw. auf eine damit verbundene Rastplatte und rollt auf ihm ab. Kurz vor Erreichen der Endstellung rastet die Rastrolle 15 wieder ein und hält den Anker in der Endstellung. Eine magnetische Haltekraft ist nicht notwendig. Damit entfallen auch störende Klebezeiten bei der folgenden Umsteuerung des Ventils: das erfindungsgemäße System kann schneller beschleunigen. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen sind nicht notwendig.

Ist die -Δs-Abweichung zu groß, so daß die Rastrolle nicht einrasten kann, so wird bei T_x der Elektromagnet 5 nochmals kurz betätigt. Dies läßt sich optimieren, wenn man neben dem Ankerweg auch die Ankergeschwindigkeit auswertet oder bei einem bestimmten Zeitpunkt den zurückgelegten Weg bestimmt oder zum Zeitpunkt den zurückgelegten Weg auswertet.

Die Fig. 3 zeigt die Kurven entsprechend Fig. 2 für das Schließen des Ventils. Bei T₀ gibt die Rastrolle 15 den Anker 7 frei und Anker und Ventil bewegen sich durch die Kraft der Federn F_F in Richtung Schließstellung. F_M wäre der Verlauf der Magnetkraft F_M, wenn der Elektromagnet 6 eingeschaltet wäre. Tatsächlich wird dieser nur über eine relativ kurze Zeit T₆ nach Überschreiten der Zwischenstellung (F_F = 0) eingeschaltet. Die Magnetkraft ist bei diesem zurückgelegten Weg bzw. dem Luftspalt zum Magnetpol hier schon groß. Die Beeinflussung der Federkraft zeigt die Summe F_M und F_F. Bei Idealverlauf gelangt der Anker in die Position s_soll Δs vom Endanschlag entfernt.

Der Kraftverlauf F_M des stärkeren Elektromagneten 6 ähnelt einem hyperbolischen Verlauf. Er wurde gewählt, um das übliche Anschwingen des Systems nach Motorstart zu vermeiden und um bei stärkerer Sollwertabweichung im normalen Regelvorgang das Ventil sofort schließen zu können, da eine entsprechende Überschußkraft gegenüber der Feder vorgesehen ist. Dies ist beim schwächeren Elektromagnet 5 in der Aufstellung aus kosten- und Gewichtsgründen nicht notwendig, da im Grenzfall die Motorfunktion auch bei halbgeöffnetem Ventil möglich ist.

Die Regelung erfolgt analog zu Fig. 2, indem die Abweichung von der Sollposition festgestellt wird und für den folgenden Schließvorgang die Ansteuerzeit T₆ um eine Zeit -ΔT oder +ΔT variiert wird. Auch die Rastrolle 15 hat die gleiche Wirkung wie bei Fig. 2.

Auch hier kann entsprechend Fig. 2 bei T_x der Elektromagnet nochmals zugeschaltet werden, um ein sicheres Einrasten zu gewährleisten. Zur Überwachung der Rastfunktion kann ein Rastschalter vorgesehen werden. Auch läßt sich die Einrastung aus dem Stromverlauf des Rastmagneten ableiten.

Fig. 4 zeigt mit großer Auflösung den Hubbeginn zum Öffnen. Hier zeigt sich eine Phasenverschiebung des Wegverlaufes von Anker s_M und Ventil s_V. Zu berücksichtigen ist bei einem Gesamthub von ungefähr 8 mm ein Ventilspiel von ca. 0,1 bis 0,3 mm. Daher muß der Ventilhubsensor nur diesen Bereich auswerten.

Bild 5 zeigt vergrößert die Zustände bei Hubende beim Schließvorgang. Die Einrastung S_RR erfolgt vor dem S_SOLL und die Ventilschließung erfolgt ebenfalls vor der Einrastung. Entsprechend erfolgt die Justierung des Magnetsystems und der Endanschläge zur Einrastung. Dies ist in einer Baueinheit sichergestellt. Nach Montage erfolgt dann die Einstellung des Ventilspieles. Dieses kann über die Auswertung von s_V und s_M im Regelvorgang überwacht werden, ebenso bei der Ventilspieleinstellung im Werk oder Service.

Bild 6 zeigt die Ventilhubbewegung in Relation zur Kolbenbewegung mit Eckwerten OT und UT.

Motorspezifisch und insbesondere drehzahlabhängig erfolgt die Ansteuerung des Magnetsystems. Über den frei wählbaren Zeitversatz t_s (Systemzeit) erfolgt die Ansteuerung bezogen auf das beschriebene T₀. Drehzahlabhängig erfolgt auch die Festlegung einer Öffnungszeit T_auf und einer Ventilschließzeit T_zu. O.g. Parameter sind Bestandteil der Motorsteuerung, welche dem Magnetsteuerungssystem die Vorgaben t_s, T_auf, T_zu vorgibt.

Dementsprechend ist ein entsprechend schneller Mikroprozessor mit z. B. DSP für die schnellen Rechenoperationen notwendig, da sehr viele schnelle Echtzeitvorgänge gerechnet werden müssen.

Der oben beschriebene elektromagnetische Antrieb kann zum Antreiben eines Gaswechsel-Ventils oder eines anderen vergleichbaren Ventils eingesetzt werden. Auch kann damit eine Pumpe angetrieben werden, wobei der Ventilstößel durch einen Pumpenkolben ersetzt wird.

Aber auch sein Einsatz bei Getrieben ist möglich, weil auch dort eine schnelle Umschaltung von der einen in die andere Stellung mit hoher Kraft erwünscht ist. Auch bei sonstigen Anwendungen mit ähnlichen Voraussetzungen ist die Erfindung einsetzbar.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Antrieb mit zwei Elektromagneten mit Polflächen mit einem beweglich gelagerten, zwischen den Polflächen hin- und herbewegbarer Anker, der bei abgeschalteten Magneten durch Federkräfte in eine Zwischenstellung gebracht und bei Einschalten eines Elektromagnete in eine Stellung bei den Polflächen des entsprechenden Elektromagneten gebracht wird, wobei der Strom des Elektromagneten geändert wird und wobei der Anker mit dem anzutreibenden Teil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisches Rastsystem (13 bis 16) vorgesehen ist, das jeweils bei Erreichen einer Stellung in der Nähe der Polflächen einrastet und den Anker (7) dort festhält, daß jeweils in der Nähe der Polflächen Sollpositionen s_soll für den Anker (7) definiert sind, die von einem Sensor (19) überwacht werden, daß die Elektromagnete (5,6) zur Ansteuerung einer der Sollpositionen s_soll mit einem Stromimpuls angesteuert werden und daß die Länge des Stromimpulses im Folgezyklus bei Abweichungen des Ankers (7) von der Sollposition s_soll verändert werden.

2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Antrieb eines Ventils (1, 2) in einem Verbrennungsmotor, wobei auf das Ventil eine Federkraft (4) in Richtung "Ventil geschlossen" einwirkt, die zumindest teilweise eine der Federkräfte ist, die das Ventil in die Zwischenstellung stellen.

3. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls zum Öffnen des Ventils (1, 2) zu Beginn des Öffnungsvorgangs (bei T₀ ) wirksam ist (Fig. 2b).

4. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls zum Schließen des Ventils (1, 2) während eines Teils des Ventilhubs wirksam ist (Fig. 3b).

5. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls vor der Entrastung des Ankers (7) eingeschaltet wird.

6. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ankerwegsensor (19) für den vollen Hub und ein Ventilwegsensor (18) mit kleinem Auswertbereich vorgesehen sind.

7. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zur Erfassung des Ventilspiels genutzt werden.

8. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Elektromagnet (5 oder 6) zusätzlich angesteuert wird, wenn keine ausreichende Annäherung an die Sollposition (s_soll) erreicht wird.