DE60031660T2

DE60031660T2 - Elektromagnetische Ventilsteuerungseinrichtung

Info

Publication number: DE60031660T2
Application number: DE60031660T
Authority: DE
Inventors: Calogero Fiaccabrino
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Electrification SAS
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: EP1169552B1; KR20010110727A; WO2000061922A1; EP1169552A1; FR2792031A1; FR2792031B1; US6768406B1; DE60031660D1; KR100714387B1; JP2002541674A; ATE344380T1; ES2273677T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Steuervorrichtungen zur linearen Verstellung von Ventilen entlang einer Achse, umfassend Aktuatoren, deren Anzahl gleich der der Ventile ist, wobei jeder Aktuator einen Anker aus ferromagnetischem Material hat, der an einer Ventilstößelstange befestigt ist, die in einem Gehäuse des Aktuators durch elektromagnetische Mittel verschoben werden kann, die mindestens eine Spule enthalten, die an einem ferromagnetischen Kreis angebracht ist, und mindestens eine Rückstellfeder enthalten, deren eines Ende an der Stange anliegt.
Die Vorrichtungen dieser Art können zwei gegenwirkende Rückstellfedern (US-Patent Nr. 4 614 170 oder französische Patentanmeldung Nr. 98 12489) oder eine einzige Feder enthalten, die abwechselnd als Zugfeder und Druckfeder arbeitet (französische Patentanmeldung Nr. 98 11670). Die elektromagnetischen Mittel eines Aktuators können zwei Spulen umfassen, deren Erregung darauf abzielt, den Anker in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen ( DE 197 19 299 ). Ebenso können sie – und diese Lösung wird im Allgemeinen aus Kostengründen, aufgrund des geringeren Raumbedarfs und der geringeren Anzahl der elektrischen Verbindungen bevorzugt – nur eine einzige Spule verwenden, deren ferromagnetischer Kreis einen derartigen Aufbau hat, dass er in Kombination mit dem Anker zwei stabile Wege eines magnetischen Flusses bietet, die dem geöffneten bzw. dem geschlossenen Zustand des Ventils entsprechen (französische Patentanmeldung Nr. 98 12489 und entsprechende EP-Anmeldung).
Eine derartige Vorrichtung umfasst genauso viele Aktuatoren wie Ventile. An einem Motor mit sechzehn Ventilen, die in zwei Reihen angeordnet sind, müssen acht Aktuatoren nebeneinander platziert werden. Die Leistung eines Aktuators ist begrenzt, bei gegebener Dicke, und diese Dicke selbst ist aufgrund der Tatsache begrenzt, dass die Verteilung der Aktuatoren die gleiche sein muss wie die der Ventile. Bei Motoren mit geringem Hubraum kann sich die Leistung, die man mit den einzelnen Aktuatoren erzielen kann, als unzureichend erweisen, zumindest für die Auslassventile, die bei hoher Motorlast aufgrund des Gegendrucks in der Verbrennungskammer am stärksten beansprucht werden. Darüber hinaus ist die Notwendigkeit eines elektrischen Leistungsanschlusses pro Aktuator kostspielig und verringert die Zuverlässigkeit.
Die Erfindung ist insbesondere darauf gerichtet, eine Vorrichtung zur Steuerung von Ventilen für einen Motor mit zwei Ventilen gleicher Art pro Zylinder anzugeben, die einen geringeren Raumbedarf hat und eine höhere Zuverlässigkeit bietet.
Die Erfindung schlägt im Rahmen dieses Ziels eine Vorrichtung vor, in der die ferromagnetischen Kreise von zwei Aktuatoren, die für zwei gleichartige Ventile ein und desselben Zylinders bestimmt sind, in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten sind und die Spulen der beiden Aktuatoren demzufolge über ein und denselben Leistungsanschluss gespeist werden können. Dieser einzige Anschluss kann darüber hinaus zum Übertragen von Messsignalen verwendet werden, die aus einem Lagesensor zum Erfassen der Position des Ankers nach außen stammen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schlägt diese eine Vorrichtung vor, in der die ferromagnetischen Kreise von zwei Aktuatoren, die für zwei gleichartige Ventile ein und desselben Zylinders bestimmt sind, zusammengeschlossen sind. Diese Anordnung verringert nicht nur den Raumbedarf und ermöglicht somit ein lokales Vergrößern des Eisenquerschnittes, indem man den freien Raum zwischen zwei Zylindern nutzt, sondern ermöglicht auch ein Vergrößern des Querschnittes des gemeinsamen Abschnittes, was ganz und gar der Steuerung eines einzigen der Ventile zugute kommt, wenn das andere in Ruhestellung bleibt, beispielsweise beim Einsetzen der Oszillation der Ventile.
Die Erfindung ist besonders leicht anzuwenden, wenn die Aktuatoren eine einzige Spule enthalten, für die man ferner Lagesensoren zum Bestimmen der axialen Lage der Stange und des Tellers platzieren kann, die die Position eines an der Stange befestigten Magneten erfassen, in einem Bereich, wo der von der Spule erzeugte magnetische Fluss ständig stark reduziert ist und die Funktionsweise dank der Symmetrie der Ebenen der Kraftlinien nicht gestört wird.
Die oben genannten Merkmale sowie weitere werden beim Studium der folgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels deutlicher, das beispielhaft und nicht einschränkend gegeben wird. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen, die ihr beigefügt sind und in denen zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Steuervorrichtung, die Aktuatoren umfasst, die paarweise in ein und demselben Gehäuse gruppiert sind,
2 eine Schnittansicht durch ein Paar von Aktuatoren gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel entlang einer Ebene, die durch die Achsen dieser Aktuatoren verläuft,
3 eine Schnittansicht durch einen Aktuator mit einer einzigen Spule im Schnitt, entlang einer Ebene, die orthogonal zu der der 2 ist und durch die Achse des Aktuators geht.
Im Wesentlichen handelt es sich im Folgenden um eine Vorrichtung, die für einen Motor bestimmt ist, der zwei Einlassventile und zwei Auslassventile pro Zylinder umfasst. Alle Ventile ein und derselben Art, wie z. B. die Ventile 50 in 1, sind in einer Reihe angeordnet und der Abstand zwischen zwei Ventilen, die ein und demselben Zylinder zugeordnet sind, ist geringer als der zwischen zwei angrenzenden Ventilen, die zwei verschiedenen Zylindern zugeordnet sind. Die Ventilaktuatoren haben eine elektromagnetische Steuerung und können eine einzige Spule umfassen, wie dies weiter unten beschrieben wird, oder zwei Spulen, wie dies in der bereits erwähnten französischen Patentanmeldung Nr. 98 11670 beschrieben ist.
Die zum Teil in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst ein gemeinsames Gehäuse 16 aus einem nicht-magnetischen Material, beispielsweise aus einer Leichtmetall-Legierung, das die ferromagnetischen Kreise 54 von zwei angrenzenden Aktuatoren zusammenhält, die für ein und denselben Zylinder am Zylinderkopf des Motors bestimmt sind. Hierzu ist das Gehäuse mit Durchgangslöchern 56 für den Durchtritt von Befestigungsschrauben durchbohrt. Im Falle von Aktuatoren mit zwei Spulen werden die ferromagnetischen Kreise im Allgemeinen getrennt, um die individuelle Steuerung der beiden Ventile zu ermöglichen.
Die vier Spulen ein und desselben Paares (zwei pro Aktuator) können über ein einziges Verbindungselement 58 gespeist werden, dessen allgemeine Struktur entweder herkömmlicher Art sein kann oder vorteilhafterweise von der Art, die in der französischen Patentanmeldung mit dem gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Anmeldung beschrieben ist, mit dem Titel "Connecteur de puissance et dispositif d'alimentation d'actionneurs comportant de tels connecteurs" der Anmelderin, jedoch verdoppelt. Diese Verbindungselemente können so vorgesehen sein, dass sie ebenso die Ausgangssignale der Lage sensoren übertragen. Diese Anordnung erfordert weniger Platz als eine Einzelmontage der Aktuatoren und reduziert die Anzahl der Verbindungselemente um die Hälfte.
Wenn die Aktuatoren eine einzige Spule haben, können die magnetischen Kreise von zwei angrenzenden Aktuatoren zusammengeschaltet sein und den in 2 gezeigten Aufbau haben, wobei jeder vollständige Aktuator beispielsweise die in 3 gezeigten Elemente hat. Die vertikalen Symmetrieebenen der zwei Spulen sind voneinander weiter entfernt als die vertikalen Symmetrieebenen der beiden Anker, so dass die Flüsse, die von jeder Spule erzeugt werden, sich gegenseitig so wenig wie möglich behindern. Der Aktuator weist dann einen Anker 22 aus einem ferromagnetischen Material in Prismenform auf, der an einer Stange 24 zur Mitnahme des Ventils 50 befestigt ist.
Zwei Rückstellfedern 28a und 28b sind vorgesehen, um das Ventil in Ruhestellung in einer Position zu halten, die im Wesentlichen in der Mitte zwischen der geschlossenen Position und der vollkommen geöffneten Position liegt. Eine der Federn 28a wird zwischen einer Platte 30, die an der Stange 24 befestigt ist, und einer Verlängerung des Gehäuses 16 zusammengedrückt. Die andere Feder 28b ist zwischen einer Platte 31, die am Ventilschaft befestigt ist, und dem Boden der Ventilbohrung, die in dem Zylinderkopf 12 ausgebildet ist, zusammengedrückt.
Der ortsfeste ferromagnetische Kreis, der den beiden Aktuatoren gemeinsam ist, weist einen Querschnitt auf, der durch die Achse der beiden Anker in Form eines E geht, mit einem mittleren Schenkel 60 und zwei äußeren Schenkeln 62. Die seitlichen Schenkel haben eine Breite, die geringer ist als die des mittleren Schenkels, der von dem Zusammenschließen der beiden magnetischen Kreise profitiert. Nichtsdestotrotz können die äußeren Schenkel aufgrund des Abstandes zwischen den beiden Zylindern relativ breit sein.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder Anker 22 Ränder auf, die parallel zu den Polen des dazugehörigen magnetischen Kreises abgeschrägt sind. Ferner weist der Anker einen zentralen Vorsprung in Form einer Leiste auf, die eine Asymmetrie des magnetischen Kreises erzeugt oder vergrößert und gewährleistet, dass die anfängliche Bewegungsrichtung des Ankers aus seiner Ruhestellung heraus nach oben sein wird. Außerdem verringert das Vorhandensein des Vorsprungs den anfänglichen Widerstand des Kreises, da es den Luftspalt im Ruhestand verkleinert, wie dies die Pfeile zeigen, durch die die magnetischen Flusslinien schematisch dargestellt werden. Wenn der Anker an dem oberen Pol haftet, wie dies links in der Figur gezeigt ist, ist der Vorsprung kurzgeschlossen und setzt die Kraft der Haftverbindung nicht herab.
Die Ströme, die die beiden Spulen durchlaufen, die von ein und demselben ferromagnetischen Kreis getragen werden, habe entgegengesetzte Richtungen. Der Strom, der jede Spule durchläuft, kann von einem nicht gezeigten Rechner gesteuert werden, der ein Signal empfängt, das die Position des Ankers eines Sensors 24 anzeigt. Insbesondere kann es sich dabei um einen Hall-Sensor 64 handeln, der empfindlich auf ein magnetisches Kontaktstück reagiert, das von der Stange 24 getragen wird. Die Bahn der Kraftlinien des magnetischen Flusses ist derart, dass sie die Messung mittels eines Sensors, der in der Ebene der 3 angeordnet ist, nicht stören.

Claims

Steuervorrichtung zur linearen Verstellung von Ventilen eines Motors, umfassend Aktuatoren, deren Anzahl gleich der der Ventile ist und die unabhängig voneinander gesteuert werden, wobei jeder Aktuator einen Anker (22) aus ferromagnetischem Material hat, der an einer Ventilstößelstange befestigt ist, die in einem Gehäuse des Aktuators durch elektromagnetische Mittel verschoben werden kann, die mindestens eine Spule enthalten, die an einem ferromagnetischen Kreis angebracht ist, und mindestens eine Rückstellfeder enthalten, deren eines Ende an der Stange anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Kreise von zwei Aktuatoren, die für zwei gleichartige Ventile ein und desselben Zylinders bestimmt sind, zusammengeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aktuator eine einzige Spule (42) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zwei Aktuatoren gemeinsame, ortsfeste ferromagnetische Kreis in einer durch die Achse der beiden Anker verlaufenden Ebene einen Querschnitt in Form eines E mit einem mittleren Schenkel (60) und zwei äußeren Schenkeln (62) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder jedes Ankers (22) parallel zu den Polen des dazugehörigen magnetischen Kreises abgeschrägt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Anker (22) einen zentralen Vorsprung in Form einer Leiste aufweist, die eine Asymmetrie des magnetischen Kreises erzeugt oder vergrößert, um eine anfängliche Bewegungsrichtung des Ankers aus seiner Ruhestellung heraus vorzugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Symmetrieebenen von zwei Spulen benachbarter Aktuatoren weiter voneinander entfernt sind als die vertikalen Symmetrieebenen der beiden Anker.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme, die die beiden von ein und demselben ferromagnetischen Kreis getragenen Spulen durchlaufen, entgegengesetzter Richtung sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Kreise eines Paares von zwei Aktuatoren, die für zwei gleichartige Ventile ein und desselben Zylinders bestimmt sind, in ein und demselben Gehäuse enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen der beiden Aktuatoren über ein und dasselbe Verbindungselement (58) gespeist werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ebenso zur Übertragung von aus einem Lagesensor des Ankers (64) stammenden Messsignalen verwendet wird.