DE60116000T2 - Electromagnetic Hubventilaktuator in an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Stellglieder von Verbrennungsmotor-Ventilen.The The present invention relates to actuators of internal combustion engine valves.
Ein Stellglied dieses Typs besitzt im Allgemeinen zwei Elektromagnete, zwischen denen ein Luftspalt ausgespart ist.One Actuator of this type generally has two electromagnets, between which an air gap is omitted.
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.In The air gap is a magnetic pallet mounted with the to press Valve is connected and the opposite by the electromagnets energy storage springs is movable.
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.The thus formed arrangement forms a harmonic oscillator, when storing the for a fast switching required energy through the springs guaranteed will and the position change controlled by means of electromagnets.
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.This System looks simple but has technical limitations. The Control of the position of the valve is done by means of the two coils the electromagnets by applying current ensures that a magnetic field generated, which generates a force F.
In der Sättigungsphase ist diese Kraft konstant und durch den Strom nicht steuerbar.In the saturation phase this force is constant and not controllable by the current.
Außerhalb der Sättigung ist diese Kraft proportional zum Quadrat des in die Spulen eingegebenen Stroms und umgekehrt proportional zum Quadrat des Luftspalts.Outside the saturation this force is proportional to the square of the entered in the coils Current and inversely proportional to the square of the air gap.
Diese doppelte Nichtlinearität macht die Steuerung des Ventils durch die Elektromagnete sehr schwierig.These double nonlinearity makes the control of the valve by the electromagnets very difficult.
Bei kleinen Werten des Luftspalts zwischen der Palette und dem Elektromagnet ändert sich die von den Elektromagneten erzeugte Kraft sehr stark mit dem Luftspalt.at small values of the air gap between the pallet and the electromagnet changes the force generated by the electromagnets very strong with the air gap.
Diese Kraft ist auch sehr sensibel gegenüber dem in die Spulen eingegebenen Strom.These Power is also very sensitive to that entered into the coils Electricity.
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.at approach the contact between the pallet and the electromagnet occurs to an effect of going through, which generates a rollover, which is responsible for the noise of Actuators is responsible.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden komplizierte und kostspielige Lösungen vorgeschlagen, die insbesondere die Steuerung der Stellung der Palette in einem geschlossenen Kreis vorsehen.Around To eliminate this disadvantage has become complicated and costly solutions proposed, in particular, the control of the position of the pallet to provide in a closed circle.
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.The electromagnet can only attract the pallet or plate because reversing the direction of the current in the supply coils does not change the direction of the force applied to the pallet, since this force is a function of the square I 2 of the current in the coils. This poses an additional difficulty for the control of the mooring, because if too much energy is supplied to the pallet, it is no longer possible to slow it down, and the impact with the body of the electromagnet is unavoidable.
Bei Luftspalten von mehr als 1 mm wird die von dem Elektromagnet entwickelte Kraft gering.at Air gaps of more than 1 mm will be the one developed by the electromagnet Power low.
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.The Force curve of a conventional Actuator is so good at the stop of the valve in closed or open position is adjusted, however, is not to carry out a Work adapted to the whole stroke of the valve.
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.you represents this inadequacy fixed, if you want to operate exhaust valves, as the actuator at one hot Motor now has a mechanical energy of more than 1 joule at each transition must deliver, opposite 0.2 joules at the inlet.
Ferner ist es weiterhin schwierig, Ventile zu initialisieren, da der Luftspalt zwischen der Betätigungspalette und dem Körper des Elektromagnets im Stillstand 4 mm beträgt.Further It is still difficult to initialize valves because the air gap between the operating pallet and the body of the electromagnet at standstill is 4 mm.
Zu diesem die Kraft betreffenden Problem kommt noch das belangreiche Vorhandensein von Wirbelströmen, die die Wirkung der Spulen schwächen und verzögern.To this force-related problem is still the significant Presence of eddy currents, which weaken the effect of the coils and delay.
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.at At the inlet the actuator must be capable of switching to supply required energy. It's about compensating for the frictional losses that are at a stroke or stroke of the valve and thus the range of electromagnets from 8mm to about 0.2J.
Die von einem Elektromagnet auf dem gesamten Hub zugeführte Energie ist gleich dem Integral der Kraft.The Energy supplied by an electromagnet throughout the stroke is equal to the integral of the force.
Diese Energie ist aufgrund der starken Abnahme der Kraft bei den hohen Luftspaltwerten relativ niedrig.These Energy is high due to the strong decrease in power Air gap values relatively low.
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.For example at a rotation speed of the motor of 6000 rpm on one Two-stroke cycle, which would optimize the use of the actuator, is the net power for example, 20 W, considering its mass, about 1 kg and his big one Volume, is low.
Bei einem Verbrennungsmotor von 500 cm3 Hubraum kann man sich mit solchen Maßen begnügen, obwohl sie ein Hindernis bleiben.In an internal combustion engine of 500 cm3 displacement can be content with such measures, although they remain an obstacle.
Diese Abmessungen sind jedoch bei kleineren Hubräumen nicht kompatibel.These However, dimensions are not compatible with smaller displacements.
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.At the Outlet is the energy to be supplied is about 1.4 J to the pressure in the chamber of the cylinder at the opening overcome the valve.
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.you has found in experiments that the actuators used today for the Outlet are inadequate and do not allow the engine under To run full load.
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.Thus, the actuator currently used has a low volumetric efficiency, which restricts its use to the control of the intake valves of engines with a displacement of greater than or equal to 500 cm 3.
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.Of the Efficiency of an actuator is the ratio between the delivered mechanical energy (useful energy) and the consumed electrical Energy. He is about 30%, with losses mainly due to induced currents and through Current heat losses caused.
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.A Motor rotation has a duration of 60 ms at 1000 rpm, while a Valve transition is about 3.5 ms. So you can see that the system is statistically low at low speed very often in a stable position, be it open or closed.
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.Around to keep the valve in the open or closed position, place a current in the coil on the side in question, to overcome the force of the spring, the endeavor is to bring the valve in the intermediate position.
Das Stellglied eignet sich gut für diesen Betrieb, da die von dem Elektromagnet erzeugte Kraft bei einem Luftspalt 0 natürlich hoch ist.The Actuator is good for this operation, since the force generated by the electromagnet at an air gap 0 of course is high.
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.Of the Electricity consumption, however, weighs in the calculation the consumption of the vehicle heavy, which at a medium speed carried out at about 1600 rpm will that for the actual Use of the vehicles is representative, which contains a lot of city driving at low engine speed.
Beispielsweise erfordern 100 elektrische W etwa 200 W bei dem Verbrennungsmotor, d.h. etwa 1,5% des Kraftstoffverbrauchs pro Zyklus.For example require 100 electrical W about 200 W in the internal combustion engine, i.e. about 1.5% of fuel consumption per cycle.
Nun könnte der Halteverbrauch theoretisch Null sein, da er keine Arbeit erzeugt.Now could the holding consumption should theoretically be zero because it does not generate work.
Die gegenwärtigen Stellglieder besitzen wegen des Federstapels, der beiden Elektromagnete und einer Betätigungsplatte oder Palette eine relativ große Höhe.The current Actuators have because of the spring stack, the two electromagnets and an actuator plate or pallet a relatively large one Height.
Bei stehendem Fahrzeug ist an den Motoren der heutigen Fahrzeuge immer ein Zylinder unter Kompression.at standing vehicle is always on the engines of today's vehicles a cylinder under compression.
Der Motor bildet auf diese Weise eine zusätzliche Parkbremse, die manche Benutzer zusätzlich zur Handbremse als Bremse benutzen, und zwar insbesondere am Hang.Of the Motor forms in this way an additional parking brake, which some User in addition to use the handbrake as a brake, especially on a slope.
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.If one uses electromagnetic actuators, the valves in equilibrium position in the middle, so that all the chambers of the Motors on atmospheric Pressure and no additional braking possible is.
Schließlich ist das Stellglied selbst aufgrund seiner Einfachheit relativ preiswert, die zugeordnete Steuerelektronik sowie der Stellungsfühler des Ventils sind jedoch komplex und damit teuer.Finally is the actuator itself, due to its simplicity relatively inexpensive, the associated control electronics and the position sensor of Valves are complex and therefore expensive.
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.you Known from the document EP-A-1 010 866 an actuator according to the preamble of claim 1, but having a relatively complex structure.
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.aim The invention is the disadvantages of conventional electromagnetic To eliminate actuators by creating an actuator whose Production costs are relatively low and at the same time in has improved performance in the above areas.
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.object the invention is for this purpose an electromagnetic actuator for an internal combustion engine valve, comprising an electromagnet with a supply coil, a magnetic Pallet equipped with an organ to drive the valve against the action at least one spring for storing the switching energy of the valve is connected, and one inserted into the magnetic body of the electromagnet Permanent magnet, whose magnetization is consistent with that in the body the supply coil generated field combined, characterized that the magnetic body of the electromagnet two pole pieces each having a first and a second leg, which form air gaps with each other, the pallet in the one of the first and split the second leg of two pole pieces formed air is movable and the permanent magnet between these pole pieces arranged is.
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.
- The permanent magnet is arranged in the body of the electromagnet so that its magnetization is parallel to the field generated in the body by the supply coil;
- - The permanent magnet is arranged in the body of the electromagnet so that its magnetization is inclined with respect to the field generated in the body by the supply coil.
Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine nur als Beispiel dienende Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:To the better understanding The invention is followed by a description given by way of example only. in which reference is made to the accompanying drawings. In this demonstrate:
Das
in
Der
Körper
besitzt zwei Polstücke
Die
Magnetisierung des Dauermagnets
Jedes
Polstück
Zwischen
den Schenkeln
Die
Stange
Gemäß der in
Auf
diese Weise ist die Richtung der Magnetisierung bezüglich des
von der Versorgungsspule
Im Übrigen ist
das Stellglied von
Die
Arbeitsweise des elektromagnetischen Stellglieds, das unter Bezugnahme
auf
Die Versorgung
der Spule
The supply of the coil
Je
nachdem, ob die Palette sich nahe der kurzen Schenkel
Der
Halt der Palette
Auf
diese Weise gewährleistet
dank des besonderen Aufbaus des Stellglieds ein einziger Elektromagnet
in Kombination mit den beiden Energiespeicherfedern
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.Around to change the palette from one position to the other one returns the coil, which generates a force to release the pallet.
Die
zugeordnete Feder
Die oben beschriebene Anordnung gestattet einen elektrischen Verbrauch für den Halt des Ventils in seiner Stellung, der null oder sehr begrenzt ist.The The arrangement described above allows electrical consumption for the Stop the valve in its position, which is zero or very limited is.
Der für die Umschaltung erforderliche elektrische Verbrauch ist durch die Verringerung der Stromwärmeverluste ebenfalls reduziert.Of the for the Switching required electrical consumption is by reducing the current heat losses also reduced.
Sie gestattet ferner eine bessere Steuerung des Ventils dank der relativen Linearität der Kraft in Abhängigkeit vom Luftspalt, wodurch man eine Geräuscheinsparung erhalten kann.she also allows better control of the valve thanks to the relative linearity the power in dependence From the air gap, whereby you can get a noise reduction.
Durch die Verwendung von nur einem Elektromagnet wird die Größe des Stellglieds beträchtlich verringert.By using only one elect romagnet the size of the actuator is considerably reduced.
Die schräge Anordnung des Magnets gestattet noch eine weitere Verringerung der Abmessungen.The slope Arrangement of the magnet still allows a further reduction of Dimensions.
Die Tatsache, dass man die Ventile geschlossen lassen kann, ohne Strom zu verbrauchen, verbessert noch die Möglichkeit der Verwendung des erfindungsgemäßen Stellglieds als Parkbremse.The The fact that you can leave the valves closed without electricity to consume, still improves the possibility of using the actuator according to the invention as a parking brake.
Es besitzt eine erhöhte Volumensleistung, die eine Anwendung auf den Auslass und auf Motoren mit kleinerem Hubraum gestattet.It owns an increased Volume output, which is an application to the exhaust and engines allowed with smaller displacement.
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