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Die
vorliegende Erfindung betrifft Stellglieder von Verbrennungsmotor-Ventilen.
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Ein
Stellglied dieses Typs besitzt im Allgemeinen zwei Elektromagnete,
zwischen denen ein Luftspalt ausgespart ist.
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In
den Luftspalt ist eine magnetische Palette montiert, die mit dem
zu betätigen
Ventil verbunden ist und die durch die Elektromagnete entgegen Energiespeicherfedern
bewegbar ist.
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Die
so ausgebildete Anordnung bildet einen harmonischen Oszillator,
bei dem die Speicherung der für
eine schnelle Umschaltung erforderlichen Energie durch die Federn
gewährleistet
wird und die Stellungsänderung
mit Hilfe der Elektromagnete gesteuert wird.
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Dieses
System sieht einfach aus, besitzt jedoch technische Grenzen. Die
Steuerung der Stellung des Ventils wird mit Hilfe der beiden Spulen
der Elektromagnete durch Anlegen von Strom gewährleistet, der ein Magnetfeld
erzeugt, das eine Kraft F erzeugt.
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In
der Sättigungsphase
ist diese Kraft konstant und durch den Strom nicht steuerbar.
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Außerhalb
der Sättigung
ist diese Kraft proportional zum Quadrat des in die Spulen eingegebenen
Stroms und umgekehrt proportional zum Quadrat des Luftspalts.
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Diese
doppelte Nichtlinearität
macht die Steuerung des Ventils durch die Elektromagnete sehr schwierig.
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Bei
kleinen Werten des Luftspalts zwischen der Palette und dem Elektromagnet ändert sich
die von den Elektromagneten erzeugte Kraft sehr stark mit dem Luftspalt.
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Diese
Kraft ist auch sehr sensibel gegenüber dem in die Spulen eingegebenen
Strom.
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Bei
Annäherung
des Kontakts zwischen der Palette und dem Elektromagnet kommt es
zu einem Effekt des Durchgehens, der einen Überschlag erzeugt, der für das Geräusch der
Stellglieder verantwortlich ist.
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Um
diesen Nachteil zu beseitigen, wurden komplizierte und kostspielige
Lösungen
vorgeschlagen, die insbesondere die Steuerung der Stellung der Palette
in einem geschlossenen Kreis vorsehen.
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Der
Elektromagnet kann die Palette oder Platte nur anziehen, da die
Umkehr der Richtung des Stroms in den Versorgungsspulen nicht die
Richtung der auf die Palette ausgeübten Kraft ändert, da diese Kraft eine
Funktion des Quadrats I2 des Stroms in den
Spulen ist. Dies bildet eine zusätzliche
Schwierigkeit für
die Steuerung des Anlegens, denn wenn man der Palette zu viel Energie
zuführt,
ist es nicht mehr möglich,
sie zu verlangsamen, und der Stoß mit dem Körper des Elektromagnets ist
unvermeidbar.
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Bei
Luftspalten von mehr als 1 mm wird die von dem Elektromagnet entwickelte
Kraft gering.
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Die
Kraftkurve eines herkömmlichen
Stellglieds ist also gut an den Halt des Ventils in geschlossener
oder offener Stellung angepasst, ist jedoch nicht an die Durchführung einer
Arbeit auf dem ganzen Hub des Ventils angepasst.
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Man
stellt diese Unzulänglichkeit
fest, wenn man Auslassventile betätigen möchte, da das Stellglied bei
einem heißen
Motor nun eine mechanische Energie von mehr als 1 Joule bei jedem Übergang
liefern muss, gegenüber
0,2 Joule bei dem Einlass.
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Ferner
ist es weiterhin schwierig, Ventile zu initialisieren, da der Luftspalt
zwischen der Betätigungspalette
und dem Körper
des Elektromagnets im Stillstand 4 mm beträgt.
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Zu
diesem die Kraft betreffenden Problem kommt noch das belangreiche
Vorhandensein von Wirbelströmen,
die die Wirkung der Spulen schwächen
und verzögern.
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Bei
dem Einlass muss das Stellglied in der Lage sein, die für die Umschaltung
erforderliche Energie zuzuführen.
Es geht dabei darum, die Reibungsverluste auszugleichen, die sich
bei einem Weg oder Hub des Ventils und damit der Palette der Elektromagnete
von 8 mm etwa auf 0,2 J belaufen.
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Die
von einem Elektromagnet auf dem gesamten Hub zugeführte Energie
ist gleich dem Integral der Kraft.
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Diese
Energie ist aufgrund der starken Abnahme der Kraft bei den hohen
Luftspaltwerten relativ niedrig.
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Beispielsweise
bei einer Drehgeschwindigkeit des Motors von 6000 U/min auf einem
Zweitaktzyklus, der die Verwendung des Stellglieds optimieren würde, beträgt die Nutzleistung
bei spielsweise 20 W, was angesichts seiner Masse, etwa 1 kg und
seines großen
Volumens, niedrig ist.
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Bei
einem Verbrennungsmotor von 500 cm3 Hubraum
kann man sich mit solchen Maßen
begnügen,
obwohl sie ein Hindernis bleiben.
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Diese
Abmessungen sind jedoch bei kleineren Hubräumen nicht kompatibel.
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Beim
Auslass beträgt
die zu liefernde Energie etwa 1,4 J, um den Druck in der Kammer
des Zylinders bei der Öffnung
des Ventils zu überwinden.
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Man
hat bei Versuchen festgestellt, dass die heute verwendeten Stellglieder
für den
Auslass unzureichend sind und es nicht gestatten, den Motor unter
Volllast laufen zu lassen.
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Das
gegenwärtig
verwendete Stellglied hat also eine niedrige Volumensleistung, die
seine Verwendung auf die Steuerung der Einlassventile von Motoren
mit einem Hubraum von mehr als oder gleich 500 cm3 beschränkt.
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Der
Wirkungsgrad eines Stellglieds ist das Verhältnis zwischen der abgegebenen
mechanischen Energie (Nutzenergie) und der verbrauchten elektrischen
Energie. Er beträgt
etwa 30%, wobei die Verluste hauptsächlich durch induzierte Ströme und durch
Stromwärmeverluste
verursacht werden.
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Eine
Motorumdrehung hat eine Dauer von 60 ms bei 1000 U/min, während ein
Ventilübergang
etwa 3,5 ms beträgt.
Man sieht also, dass das System bei niedriger Drehzahl statistisch
sehr oft in einer stabilen Stellung ist, sei sie offen oder geschlossen.
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Um
das Ventil in der offenen oder geschlossenen Stellung zu halten,
legt man in der Spule auf der betreffenden Seite einen Strom an,
um die Kraft der Feder zu überwinden,
die bestrebt ist, das Ventil in die Zwischenstellung zu bringen.
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Das
Stellglied eignet sich gut für
diesen Betrieb, da die von dem Elektromagnet erzeugte Kraft bei
einem Luftspalt 0 natürlich
hoch ist.
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Der
Verbrauch an elektrischem Strom wiegt jedoch bei der Berechnung
des Verbrauchs des Fahrzeugs schwer, die bei einer mittleren Drehzahl
von etwa 1600 U/min durchgeführt
wird, die für
die tatsächliche
Verwendung der Fahrzeuge repräsentativ ist,
die viel Stadtfahrten mit niedriger Drehzahl des Motors enthält.
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Beispielsweise
erfordern 100 elektrische W etwa 200 W bei dem Verbrennungsmotor,
d.h. etwa 1,5% des Kraftstoffverbrauchs pro Zyklus.
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Nun
könnte
der Halteverbrauch theoretisch Null sein, da er keine Arbeit erzeugt.
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Die
gegenwärtigen
Stellglieder besitzen wegen des Federstapels, der beiden Elektromagnete und
einer Betätigungsplatte
oder Palette eine relativ große
Höhe.
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Bei
stehendem Fahrzeug ist an den Motoren der heutigen Fahrzeuge immer
ein Zylinder unter Kompression.
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Der
Motor bildet auf diese Weise eine zusätzliche Parkbremse, die manche
Benutzer zusätzlich
zur Handbremse als Bremse benutzen, und zwar insbesondere am Hang.
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Wenn
man elektromagnetische Stellglieder verwendet, sind die Ventile
in Gleichgewichtsstellung in der Mitte, so dass alle Kammern des
Motors auf atmosphärischem
Druck sind und keine zusätzliche Bremsung
möglich
ist.
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Schließlich ist
das Stellglied selbst aufgrund seiner Einfachheit relativ preiswert,
die zugeordnete Steuerelektronik sowie der Stellungsfühler des
Ventils sind jedoch komplex und damit teuer.
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Man
kennt aus der Schrift EP-A-1 010 866 ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, das jedoch einen relativ komplexen Aufbau besitzt.
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Ziel
der Erfindung ist es, die Nachteile der herkömmlichen elektromagnetischen
Stellglieder durch Schaffung eines Stellglieds zu beseitigen, dessen
Herstellungskosten relativ niedrig sind und das gleichzeitig in
den oben genannten Bereichen verbesserte Leistungen besitzt.
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Gegenstand
der Erfindung ist hierzu ein elektromagnetisches Stellglied für ein Verbrennungsmotor-Ventil,
umfassend einen Elektromagnet mit einer Versorgungsspule, eine magnetische
Palette, die mit einem Organ zum Antrieb des Ventils entgegen der Einwirkung
mindestens einer Feder zur Speicherung der Schaltenergie des Ventils
verbunden ist, und einen in den magnetischen Körper des Elektromagnets eingesetzten
Dauermagnet, dessen Magnetisierung sich mit dem in dem Körper durch
die Versorgungsspule erzeugten Feld kombiniert, dadurch gekennzeichnet,
dass der magnetische Körper
des Elektromagnets zwei Polstücke
umfasst, deren jedes einen ersten und einen zweiten Schenkel aufweist,
die miteinander Luftspalte bilden, die Palette in den von dem ersten
und dem zweiten Schenkel von zwei Polstücken gebildeten Luft spalten
beweglich ist und der Dauermagnet zwischen diesen Polstücken angeordnet
ist.
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Gemäß anderen
Merkmalen:
- – ist der Dauermagnet in dem
Körper
des Elektromagnets so angeordnet, dass seine Magnetisierung zu dem
in dem Körper
durch die Versorgungsspule erzeugten Feld parallel ist;
- – ist
der Dauermagnet in dem Körper
des Elektromagnets so angeordnet, dass seine Magnetisierung bezüglich des
in dem Körper
durch die Versorgungsspule erzeugten Felds geneigt ist.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung folgt eine nur als Beispiel dienende Beschreibung,
in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventilstellglieds
mit einem Elektromagnet gemäß der Erfindung,
und
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2 eine
schematische Teilschnittansicht einer Abwandlung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Ventilstellglieds.
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Das
in 1 dargestellte Stellglied besitzt einen Elektromagnet 1,
dessen Körper
aus magnetischem Material, beispielsweise Dynamoblech, eine Versorgungsspule 2 trägt.
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Der
Körper
besitzt zwei Polstücke 3, 4,
die miteinander durch einen Dauermagnet 5 verbunden sind,
der von der Versorgungsspule 2 umgeben ist.
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Die
Magnetisierung des Dauermagnets 5 ist bei dem vorliegenden
Beispiel parallel zu dem Feld, das von der Versorgungsspule 2 in
dem Magnetkörper
des Elektromagnets erzeugt wird.
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Jedes
Polstück 3, 4 des
magnetischen Körpers
besitzt einen zum Dauermagnet 5 senkrechten Abschnitt 6, 7.
Jeder der Abschnitte 6, 7 besitzt einen geradlinigen
ersten Schenkel 8, 9 von geringer Länge und
einen längeren
L-förmigen
zweiten Schenkel 10, 11, dessen freies Ende mit
dem entsprechenden freien Ende des jeweiligen Schenkels 8, 9 in
einer Linie liegt.
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Zwischen
den Schenkeln 8, 10 einerseits und 9, 11 andererseits
sind Luftspalte 13, 14 gebildet, in denen eine
magnetische Palette oder Platte 15, die an einer Antriebsstange 16 eines
Ventils 17 befestigt ist, beweglich montiert ist.
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Die
Stange 16 und der Schaft des Ventils 17 sind von
Schraubenfedern 18, 19 umgeben, die zu beiden
Seiten der magnetischen Platte 15 angeordnet sind und sich
jeweils zwischen der entsprechenden Seite dieser Platte und dem
magnetischen Körper
des Elektromagnets 1, was die Feder 18 anlangt, und
der Wand des Jochs C abstützt,
was die Feder 19 anlangt.
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Gemäß der in 2 in
einem schematischen Schnitt teilweise dargestellten Abwandlung besitzt das
Stellglied einen geneigten Dauermagnet 20, der zwischen
zwei Polstücken 21, 22 angeordnet
ist, die schräge
Enden besitzen, die mit den Seitenflächen des Magnets 20 in
Kontakt sind, wobei der Magnet 20 und die Enden der Polstücke 21, 22 von
einer Versorgungsspule 23 umgeben sind.
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Auf
diese Weise ist die Richtung der Magnetisierung bezüglich des
von der Versorgungsspule 23 erzeugten Felds geneigt.
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Im Übrigen ist
das Stellglied von 2 in allen Punkten dem von 1 ähnlich und
wird deshalb nicht beschrieben.
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Die
Arbeitsweise des elektromagnetischen Stellglieds, das unter Bezugnahme
auf 1 beschrieben wurde, ist folgende:
Die Versorgung
der Spule 2 bewirkt in dem Körper des Elektromagnetes die
Erzeugung eines elektromagnetischen Felds, das zu der Richtung der
Magnetisierung des Dauermagnets parallel ist und das sich mit dieser
Magnetisierung kombiniert.
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Je
nachdem, ob die Palette sich nahe der kurzen Schenkel 8, 9 oder
der langen Schenkel 10, 11 der Polstücke des
Körpers
des Elektromagnets befindet, wird sie nach oben oder nach unten
bewegt, was die Schließung
oder Öffnung
des Ventils 17 und die Komprimierung der entsprechenden
Feder 18 oder 19 bewirkt.
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Der
Halt der Palette 15 in ihrer Stellung wird durch den Dauermagnet 5 allein
gewährleistet,
d.h. ohne Stromverbrauch.
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Auf
diese Weise gewährleistet
dank des besonderen Aufbaus des Stellglieds ein einziger Elektromagnet
in Kombination mit den beiden Energiespeicherfedern 18, 19 die
Bewegung des Ventils 17 in der Richtung der Öffnung und
der Schließung.
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Um
die Palette von einer Stellung in die andere übergehen zu lassen, versorgt
man wieder die Spule, die eine Kraft zur Freigabe der Palette erzeugt.
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Die
zugeordnete Feder 18, 19 bewirkt die Bewegung
der Palette 15 von ihren Kontaktpunkten mit den Schenkeln 8, 9 zu
ihren Kontaktpunkten mit den Schenkeln 10, 11 des
magnetischen Kreises des Elektromagnets oder umgekehrt.
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Die
oben beschriebene Anordnung gestattet einen elektrischen Verbrauch
für den
Halt des Ventils in seiner Stellung, der null oder sehr begrenzt
ist.
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Der
für die
Umschaltung erforderliche elektrische Verbrauch ist durch die Verringerung
der Stromwärmeverluste
ebenfalls reduziert.
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Sie
gestattet ferner eine bessere Steuerung des Ventils dank der relativen
Linearität
der Kraft in Abhängigkeit
vom Luftspalt, wodurch man eine Geräuscheinsparung erhalten kann.
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Durch
die Verwendung von nur einem Elektromagnet wird die Größe des Stellglieds
beträchtlich verringert.
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Die
schräge
Anordnung des Magnets gestattet noch eine weitere Verringerung der
Abmessungen.
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Die
Tatsache, dass man die Ventile geschlossen lassen kann, ohne Strom
zu verbrauchen, verbessert noch die Möglichkeit der Verwendung des erfindungsgemäßen Stellglieds
als Parkbremse.
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Es
besitzt eine erhöhte
Volumensleistung, die eine Anwendung auf den Auslass und auf Motoren
mit kleinerem Hubraum gestattet.