DE19756201A1

DE19756201A1 - Elektromagnetisch betätigtes Ventil mit thermischer Kompensation

Info

Publication number: DE19756201A1
Application number: DE19756201A
Authority: DE
Inventors: Daniel E Zimmermann
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1998-06-18
Also published as: US5961097A; GB2320617A; GB9723307D0; JPH10184326A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein elektromagnetisch betätigtes Ventil und insbesondere auf ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, welches eine Kompensation für die thermische Expansion des Ventil schaftes vorsieht, wodurch gestattet wird, daß das Ventil vollständig aufsitzt, wenn es geschlossen ist.

In der Vergangenheit sind elektromagnetisch betätigte Ventile für Öffnungs- und Schließmechanismen konstruiert worden, die die Wirkung von Federn mit Elektromagneten kombinieren. Beispielsweise ist im US-Patent 4 614 170, ausgegeben an Pischinger, offenbart, Federn in einem elektromagnetisch betätigten Ventil zu verwenden, um von einer offenen Position in eine geschlossene Position und umgekehrt zu schalten. In diesen Ventilen liegt der Kern in einer mittigen ausgeglichenen Position zwischen zwei Elektromagneten. Um das Ventil zu schließen, wird der er ste Elektromagnet erregt, was den Kern an den ersten Elektromagneten zieht und eine Feder zusammendrückt. Um das Ventil zu öffnen, wird der erregte erste Elektro magnet abgeschaltet und der zweite Elektromagnet wird er regt. Auf Grund der Kraft der vorgespannten Feder wird der Kern zum zweiten Elektromagneten hin beschleunigt, wodurch das Ausmaß der Magnetkraft verringert wird, die erforderlich ist, um den Kern weg vom ersten Elektro magneten zu ziehen.

Ein Problem bei den früheren Ventilkonstruktionen war, daß die Bewegung des Kerns nicht schnell genug arbeitete, um die Ventile mit ausreichender Geschwindigkeit, Kraft oder ausreichendem Hub zu öffnen und zu schließen, die für die Öffnung und den Verschluß von Einlaß- und Aus laßventilen eines Verbrennungsmotors erforderlich sind, oder für die Kraft und für den Hub, der für Gaskompres soren erforderlich ist. Daher bestand eine Notwendigkeit für eine Ventilkonstruktion, die eine wirkungsvoll kon struierte bewegliche Kernanordnung vorsah, die schnell genug für die gewünschten Anwendungen beschleunigt werden konnte, wie beispielsweise für den modernen Verbrennungs motor.

Ein weiteres Problem, welches bei der Konstruktion von elektromagnetisch betätigten Ventilen angetroffen wird, liegt im Erhalten der präzisen mechanischen Toleranzen, die erforderlich sind, um einen Null-Spalt am oberen Elektromagneten zu erreichen, wenn das Ventil ordnungs gemäß sitzt. Dieses Problem wird verschärft durch die thermische Expansion, die während des Betriebs des Ven tils auftritt, und zwar dahingehend, daß der Ventilschaft einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung sich ty pischerweise auf Grund der Wärmeexpansion verlängert. Wenn das Ventil schließt, berührt die Polstirnseite des sich bewegenden Kernelementes den oberen Elektromagneten, jedoch auf Grund der vergrößerten Länge des Ventilschaf tes könnte das Ventil nicht ordnungsgemäß aufsitzen. Al ternativ könnte das Ventil aufsitzen, bevor das Anker element den oberen Elektromagneten erreicht, was verhin dert, daß das Ventil einen Spalt von Null bzw. Null-Spalt erreicht. Ein Spalt von Null ist erwünscht, um den Lei stungsverbrauch bei niedrigem Niveau aufrechtzuerhalten, und daher arbeitet das Ventil nicht auf einem gewünschten Wirkungsgradniveau.

Ein weiteres Problem bei den früher konstruierten Venti len ist, daß die sich bewegende Kernanordnung zu einer anfänglichen neutralen Position zurückkehren muß, wenn sie nicht im Betrieb ist. Die anfängliche Neutralposition des Kernelementes muß äquidistant bzw. gleich beabstandet von sowohl dem ersten Elektromagneten als auch dem zwei ten Elektromagneten sein. Wie zuvor beschrieben, ist es bekannt, eine Feder zu verwenden, um die Kernanordnung in diese neutrale Position vorzuspannen. Jedoch variieren unvermeidlicherweise die Federspannungen, was Schwierig keiten erzeugt, die Neutralposition für das Kernelement zu erhalten, welches zwischen den Elektromagneten zen triert wird.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil wird offenbart. Die Betätigungsvorrichtung weist einen Elektromagneten und einen Anker auf, wobei der Anker eine normalerweise vor gespannte anfängliche beabstandete erste Position be sitzt, und zwar entfernt vom Elektromagneten, wenn der Elektromagnet aus ist, und eine zweite festgelegte Stoppo sition in Anlage an den Elektromagneten, wenn der Elek tromagnet an ist. Zusätzlich weist die Betätigungsvor richtung ein elastisches Glied auf, welches geeignet ist, um den Anker in die normalerweise vorgespannte anfängli che beabstandete erste Position vorzuspannen, und ein Un ter- bzw. Folgeglied, welches mit dem Anker verbunden ist. Der Anker nähert sich dem Elektromagneten, wenn der Elektromagnet an ist und drückt das Unter- bzw. Folge glied zusammen, bis der Anker die festgelegte Stoppo sition erreicht.

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die Begleitzeichnungen, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines bevor zugten Ausführungsbeispiels eines elektromagne tisch betätigten Ventils der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht des Kreises 2 der Fig. 1.

Mit Bezug auf die Zeichnungen ist ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel eines elektromagnetisch betätigten Ven tils 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dem ge zeigten Ausführungsbeispiel weist das Ventil 10 zwei Paa re von elektromagnetischen Elementen 12 auf, eine Viel zahl von Spulen 14, ein Kern- oder Ankerelement 16, eine obere Tragfeder 20 und eine untere Tragfeder 25, einen Ventilschaft 22 und einen Zylinderkopf 24. Jedes der elektromagnetischen Elemente 12 ist vorzugsweise ringför mig und definiert eine zentrale bzw. mittlere Kammer 26. Die zentrale Kammer 26 definiert weiter eine zentrale vertikale Achse 28.

Fig. 1 zeigt eine diagrammartige Querschnittsansicht ei nes bevorzugten Ausführungsbeispiels eines elektro magnetisch betätigten Ventils der vorliegenden Erfindung, wobei jedes Paar von elektromagnetischen Elementen 12 weiter ein oberes elektromagnetisches Element 32 und ein unteres elektromagnetisches Element 34 aufweist. Die obe ren und unteren elektromagnetischen Elemente 32 und 34 sind in spiegelbildlicher Beziehung zueinander, wobei die zentralen Kanäle 30 der oberen und unteren elektromag netischen Elemente in zueinander hinweisender Beziehung sind.

Zwischen den oberen und unteren elektromagnetischen Ele menten 32 und 34 ist das Ankerelement 16. Das Anker element 16 ist vorzugsweise ringförmig im horizontalen Querschnitt. Das Ankerelement 16 sieht zwei (nicht ge zeigte) Polstirnseiten vor.

Das Ankerelement 16 ist mit dem Ventilschaft 22 verbun den. Der Ventilschaft 22 erstreckt sich vorzugsweise in axialer Ausrichtung mit der zentralen vertikalen Achse 28 der zentralen Kammer 26 der elektromagnetischen Elemente. Der Zylinderkopf 24 umschließt das Ventil.

Die Tragfedern 20 und 25 sind auch innerhalb der zentra len Kammer 26 angeordnet, vorzugsweise um den Ventil schaft 22 herum. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs beispiel berührt das untere Ende der Tragfeder 25 den Zy linderkopf 24.

Mit Bezug auf Fig. 2 weist das elektromagnetisch betätig te Ventil ein Unter- bzw. Folgeglied 50 auf. In dem ge zeigten Ausführungsbeispiel ist das Unterglied 50 vor zugsweise mit dem Ventilschaft 22 verbunden, und im be vorzugten Ausführungsbeispiel ist es in Form einer Tel lerfeder oder einer Belleville-Feder. Eine flache Scheibe 52 ist betriebsmäßig mit dem Ventilschaft über der Tel lerfeder 50 verbunden. Ein Sicherungsglied 53 ist vorge sehen, welches das Unterglied 50 an dem Ventilschaft 22 sichert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Si cherungsglied 53 eine Kappen- bzw. Imbusschraube, die durch die Öffnung der Tellerfeder 50 hindurch angeordnet ist und durch die Öffnung der flachen Scheibe 52, und ist in den Ventilschaft 22 geschraubt und am Platz gesichert. Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derart be schrieben ist, daß es eine Kappen- bzw. Imbusschraube 53 aufweist, wird es dem Fachmann klar sein, daß andere ge eignete Sicherungs- bzw. Befestigungsmittel leicht und einfach verwendet werden könnten, ohne vom Geiste und Um fang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispiels weise wird der Fachmann erkennen, daß ein Bolzen bzw. Stehbolzen, eine Niete oder ein anderes geeignetes Befe stigungsglied für die Kappen- bzw. Imbusschraube einge setzt werden könnte.

Das Unterglied 50 wird verwendet, um die Wärmedehnung des Ventilschaftes 22 zu kompensieren. Insbesondere, wenn der Ventilkopf 54 ordnungsgemäß sitzt, sollte das Ankerele ment 16 in Kontakt mit dem oberen Elektromagneten 32 sein. Wenn sich der Ventilschaft 22 thermisch ausdehnt, wird das Ankerelement 16 den oberen Elektromagneten 32 berühren, bevor der Ventilkopf 54 ordnungsgemäß sitzt. Wenn jedoch der Ventilschaft 22 verkürzt wird, um die thermische Expansion aufzunehmen bzw. auszugleichen, kann der Ventilkopf 54 aufsitzen, bevor das Ankerelement 16 den oberen Elektromagneten 32 berührt.

Um dieses Problem zu lösen, wird die Tragfeder 20 verwen det, um das Ankerelement 16 in die normalerweise vorge spannte erste Position vorzuspannen. Die Tragfeder 20 ist ein elastisches Glied und besitzt einen bekannten Elasti zitätswert bzw. eine bekannte Federkonstante. Wenn daher der obere Elektromagnet 32 an ist, bewegt sich das Anker element 16 nach oben zum oberen Elektromagneten 32 hin, bis der Ventilkopf 54 aufsitzt. An diesem Punkt wird das Ankerelement 16 einfach auf dem Ventilschaft 22 nach oben gezogen und drückt das Unterglied 50 zusammen, bis das Ankerelement 16 in Anlage mit dem oberen Elektromagneten 32 ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die oberen und unteren Elektromagneten 32 und 34 am Platz festgelegt, und das Ankerelement 16 läuft auf dem Ende des Ventilschaftes 22 zwischen den oberen und unteren Elektromagneten 32 und 34. Zusätzlich sieht das Unter element 50 eine gesteuerte Abbremsung des Ventils vor, wenn das Ventil öffnet. Wenn beispielsweise das Anker element 16 an den unteren Elektromagneten 34 angezogen wird, um das Ventil zu öffnen, wird die Trägheit des Ven tilkopfes 54 und des Ventilschaftes 22 fortfahren, das Ventil nach unten zu treiben, und wird geringfügig das Unterglied 50 zusammendrücken und das Ventil über einen festgelegten Abstand abbremsen, anstelle eine Stoßbela stung für das Ventil darzustellen.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Tragfedereinstellglied 66. Das in Fig. 1 gezeigte Trag federeinstellglied 66 weist ein hohles Schraubenglied 68 auf. Das hohle Schraubenglied 68 ist verschraubbar in Eingriff mit dem Bolzenhohlraum 64. In dem in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsbeispiel steht das hohle Schrauben glied 68 mit dem oberen Ende der Tragfeder 20 in Ein griff. Die Tragfeder 20 steht mit dem Ankerelement 16 in Eingriff. Wenn daher das Schraubenglied 68 festgezogen wird, wird die Tragfeder 20 zusammengedrückt, was das An kerelement 16 in eine axial untere Position bewegt. Wenn das Schraubenglied 68 gelöst wird, expandiert die Tragfe der 20, was gestattet, daß sich das Ankerelement 16 in eine obere Axialposition bewegt. Das Tragfedereinstell glied 66 kann auch eine zweite Mutter 72 aufweisen, um die Schraube 68 an der Position zu sichern.

Die Funktion des Tragfedereinstellgliedes 66 ist es, eine präzise Positionierung des Ankerelementes 16 zwischen dem oberen Elektromagneten 32 und dem unteren Elektromagneten 34 vorzusehen. Wie oben beschrieben, sollte das Ankerele ment 16 zwischen dem oberen Elektromagneten 32 und dem unteren Elektromagneten 34 zentriert sein. Das Tragfeder einstellglied 66 gestattet die manuelle Positionierung des Ankerelementes 16, nachdem das Ventil montiert ist. Es sei bemerkt, daß das Tragfedereinstellglied 66 die Tragfeder 20 in einem anderen Gebiet bzw. an einer an deren Fläche berühren kann, und immer noch das gleiche Positionierungsmerkmal vorsehen kann.

Während somit die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel oben gezeigt und beschrieben worden ist, sei bemerkt, daß vom Fachmann verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen werden können, ohne vom Geiste und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil wird offenbart. Die Betätigungsvorrichtung weist einen Elektromagneten und einen Anker auf, wobei der Anker eine normalerweise vor gespannte anfänglich beabstandete erste Position besitzt, und zwar von dem Elektromagneten beabstandet, wenn der Elektromagnet aus ist, und eine zweite festgelegte Stop position in Anlage mit dem Elektromagneten, wenn der Elektromagnet an ist. Zusätzlich weist die Betätigungs vorrichtung ein elastisches Glied auf, welches geeignet ist, um den Anker in die normalerweise vorgespannte an fängliche beabstandete erste Position vorzuspannen, und ein Unter- oder Folgeglied, welches betriebsmäßig mit dem Anker verbunden ist. Der Anker nähert sich dem Elektro magneten, wenn der Elektromagnet an ist und drückt das Unter- bzw. Folgeglied zusammen, bis der Anker die fest gelegte Stopposition erreicht.

Claims

1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, welches fol gendes aufweist:
einen Elektromagneten;
einen Anker mit einer normalerweise vorgespannten anfänglichen beabstandeten ersten Position entfernt von dem Elektromagneten, wenn der Elektromagnet aus ist, und mit einer zweiten festgelegten Stopposition in Anlage mit dem Elektromagneten, wenn der Elektro magnet an ist;
ein elastisches Glied, welches geeignet ist, um den Anker in die normalerweise vorgespannte anfängliche beabstandete erste Position vorzuspannen; und
ein Unter- bzw. Folgeglied, welches geeignet ist, um den Anker weg von dem Elektromagneten vorzuspannen, wobei sich der Anker dem Elektromagneten nähert, wenn der Elektromagnet an ist und das Unter- bzw. Folgeglied zusammendrückt, wenn der Anker seine festgelegte Stopposition erreicht.

2. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach An spruch 1, wobei der Elektromagnet festgelegt ist.

3. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach An spruch 1 oder 2, die weiter einen ersten Elektroma gneten und einen zweiten Elektromagneten aufweist, wobei der Anker zwischen dem ersten Elektromagneten und dem zweiten Elektromagneten angeordnet ist und dazwischen beweglich ist.

4. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach An spruch 1, die weiter ein Einstellglied aufweist, wo bei das Einstellglied mit dem elastischen Glied ver bunden ist, wobei das Einstellglied geeignet ist, um eine manuelle Positionierung des Ankers zu ge statten.

5. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach An spruch 1, wobei das Unter- bzw. Folgeglied eine Tel lerfeder ist.

6. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach An spruch 1, die weiter ein Sicherungs- bzw. Befesti gungsglied aufweist, wobei das Befestigungsglied das Unter- bzw. Folgeglied an dem Ventilschaft befe stigt.

7. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach An spruch 6, wobei das Befestigungsglied eine Kappen- bzw. Imbusschraube ist.

8. Temperaturkompensierende elektromagnetische Betäti gungsvorrichtung für ein elektromagnetisch betä tigtes Ventil, wobei das Ventil einen Ventilschaft besitzt, der thermische Ausdehnung zeigt, wobei die Betätigungsvorrichtung folgendes aufweist:
einen Elektromagneten;
einen Anker, der geeignet ist, um an dem Ventil schaft befestigt zu werden, wobei der Anker eine normalerweise vorgespannte anfängliche beabstandete erste Position beabstandet von dem Elektromagneten besitzt, wenn der Elektromagnet aus ist, und eine dazwischen liegende zweite Position nahe dem Elek tromagneten, wenn der Elektromagnet an ist, wobei die dazwischenliegende zweite Position mit Bezug auf die thermische Expansion des Ventilschaftes variiert und entsprechend dazu, daß das Ventil in einer ge schlossenen Position ist;
ein elastisches Glied, welches geeignet ist, um den Anker in der normalerweise vorgespannten anfängli chen beabstandeten ersten Position vorzuspannen; und
ein Unter- bzw. Folgeglied, welches betriebsmäßig mit dem Ventilschaft verbunden ist, wobei das Unter- bzw. Folgeglied geeignet ist, um den Anker weg von dem Elektromagneten vorzuspannen, wobei der Anker sich dem Elektromagneten nähert, wenn der Elektro magnet an ist, bis der Anker die zweite Position er reicht, wobei der Anker sich darauffolgend auf dem Ventilschaft zu dem Elektromagneten hin bewegt und das Unter- bzw. Folgeglied zusammendrückt, bis der Anker in Anlage mit dem Elektromagneten ist.

9. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betä tigtes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 8, wobei der Elek tromagnet fest ist.

10. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betätig tes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, welches weiter einen ersten Elektromagneten und einen zweiten Elektro magneten aufweist, wobei der Anker zwischen dem er sten Elektromagneten und dem zweiten Elektromagneten angeordnet ist und dazwischen beweglich ist.

11. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betä tigtes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 8, welches weiter ein Einstellglied aufweist, wobei das Einstellglied mit dem elastischen Glied verbunden ist, wobei das Einstellglied eine manuelle Positionierung des An kers gestattet.

12. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betätig tes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei das Unter- bzw. Folgeglied eine Tellerfeder ist.

13. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betätig tes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, welches weiter ein Si cherungs- bzw. Befestigungsglied aufweist, wobei das Befestigungsglied das Unter- bzw. Folgeglied an dem Ventilschaft befestigt.

14. Temperaturkompensierendes elektromagnetisch betätig tes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei das Befesti gungsglied eine Kappen- bzw. Imbusschraube ist.