DE69423891T2

DE69423891T2 - Elektromagnetisch betätigbares ventil

Info

Publication number: DE69423891T2
Application number: DE69423891T
Authority: DE
Inventors: Dennis Bulgatz; B. Morinigo; Christopher Sortore; O. Stuart
Original assignee: Aura Systems Inc
Current assignee: Aura Systems Inc
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: US5782454A; DE69423891D1; EP0706710A4; PT706710E; ES2147235T3; DK0706710T3; CA2165470C; WO1995000959A1; ATE191582T1; EP0706710A1; EP0706710B1; JP2798306B2; JPH08512173A; GR3033738T3; US5548263A; KR960703488A; CA2165470A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil im allgemeinen und insbesondere ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, welches eine genaue Steuerung des Ventilsitzdruckes erlaubt.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit sind Ventile für Öffnungs- und Verschlussmechanismen entworfen worden, welche die Wirkung von Federn mit Elektromagneten kombinieren. Zum Beispiel wird in dem US-Patent 4,614,170 von Pischinger offenbart, Federn in einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil zu 0 verwenden, um von einer geöffneten zu einer geschlossenen Position und umgekehrt umzustellen. In diesen Ventilen sitzt der Kern in einer zentralen Gleichgewichtsposition zwischen zwei Elektromagneten. Um das Ventil zu schließen, wird einem ersten Elektromagneten Energie zugeführt, wodurch der Kern zum ersten Elektromagneten angezogen wird und eine Feder komprimiert. Um das Ventil zu öffnen, wird der stromdurchflossene erste Elektromagnet ausgeschaltet, und dem zweiten Elektromagneten wird Energie zugeführt. Durch die Kraft der vorgespannten Feder wird der Kern zum zweiten Elektromagneten hin beschleunigt, wodurch sich die zum Wegziehen des Kerns vom ersten Elektromagneten benötigte Magnetkraft verringert.
Ein Problem bei früheren Ventilkonstruktionen bestand darin, dass die Ventile nicht schnell genug arbeiteten, um sie mit ausreichender Geschwindigkeit, Kraft oder Taktrate, wie sie für das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine erforderlich sind, oder mit der für Gaskompressoren erforderlichen Kraft beziehungsweise Taktrate zu öffnen und zu schließen. Daher bestand ein Bedürfnis nach einer Ventilkonstruktion mit einer effizient konstruierten Anordnung eines beweglichen Kerns, die für gewünschte Anwendungen wie in modernen Brennkraftmaschinen schnell genug beschleunigt werden kann.
Ein anderes Problem beim Entwurf von elektromagnetisch betätigbaren Ventilen besteht darin, die genauen mechanischen Toleranzen einzuhalten, welche erforderlich sind, um am oberen Elektromagneten einen Spalt der Größe Null zu erzielen, wenn das Ventil ordnungsgemäß sitzt. Dieses Problem wird durch die thermische Expansion verschärft, welche während des Betriebs des Ventils auftritt. Unter Testbedingungen hat sich der Ventilschaft einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung aufgrund der Wärmeausdehnung um bis zu 3.048 · 10&supmin;&sup4; m (12 Tausendstel eines Inches) verlängert. Wenn das Ventil schließt, kontaktiert die Polfläche den oberen Elektromagneten, aber aufgrund der erhöhten Länge des- Ventilschaftes kann es sein, dass das Ventil nicht ordnungsgemäß sitzt. Umgekehrt kann das Ventil sitzen, bevor das Kernelement den oberen Elektromagneten erreicht, wodurch verhindert wird, dass das Ventil einen Spalt der Größe Null bildet. Ein Spalt der Größe Null wäre wünschenswert, um den Energieverbrauch auf einem niedrigen Niveau zu halten, so dass das Ventil in diesem Falle nicht auf einem gewünschten Effizienzniveau arbeitet.
Ein anderes Problem mit früher entworfenen Ventilen besteht darin, dass die bewegliche Kernanordnung in eine anfängliche neutrale Position zurückkehren muss, wenn sie nicht in Betrieb ist. Die anfängliche neutrale Position des Kernelementes muss vom ersten und zweiten Elektromagneten gleich beabstandet sein. Wie oben beschrieben ist es bekannt, eine Feder zu verwenden, um die Kernanordnung in diese neutrale Position vorzuspannen. Die Federspannungen variieren jedoch unvermeidlich, was es schwierig macht, eine zwischen den beiden Elektromagneten zentrierte neutrale Position für das Kernelement zu erhalten. Es ist daher wünschenswert, Mittel für eine manuelle Anpassung der Position des Kernelementes zu haben, um die zentrale neutrale Position zu erreichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Verfügung. Die Betätigungsvorrichtung kann eines oder mehrere Merkmale der abhängigen Ansprüche 2 bis 4 enthalten.
Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektromagnetisches Ventil zur Verfügung zu stellen, welches eine effizientere Konstruktion der Kernanordnung bereitstellt.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung bereitzustellen, welche Wärmeausdehnungen während des Betriebs der Betätigungsvorrichtung kompensiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung mit einer manuellen Einstellung zur Erzielung präziser mechanischer Toleranzen.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kombination des ersten und zweiten Federgliedes eine Kompensation für die Wärmeausdehnung der beweglichen Anordnung in der Betätigungsvorrichtung bereitstellt.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Einstellvorrichtung es erlaubt, die neutrale Position der Kernanordnung präzise festzusetzen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Konstruktion der Anordnung des beweglichen Kerns eine schnelle Beschleunigung der Betätigungsvorrichtung erlaubt.
Diese und andere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften bevorzugten Ausgestaltung unmittelbar verständlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen gelesen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1. ist ein Querschnitt durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Ventils, welche eine präzise Steuerung des Ventilsitzdruckes gewährleistet; und
Fig. 2. ist ein Querschnitt durch eine andere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Ventils mit einer effizienten Kernkonstruktion.

Beschreibung einer beispielhaften bevorzugten Ausgestaltung

In Fig. 1 ist eine Ausgestaltung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils 10 gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt dargestellt. In der gezeigten Ausgestaltung enthält das Ventil 10 zwei Paare elektromagnetischer Elemente 12, eine Mehrzahl von Spulen 14, ein Kern- oder Ankerelement 16, eine Trägerfeder 20, einen Ventilschaft 22 und ein Ventilgehäuse 24. Jedes der elektromagnetischen Elemente 12 ist vorzugsweise ringförmig und definiert eine zentrale Kammer 26.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung enthält jedes der elektromagnetischen Elemente 12 weiterhin ein oberes elektromagnetisches Element 32 und ein unteres elektromagnetisches Element 34. Die oberen und die unteren elektromagnetischen Elemente stehen in einer spiegelbildlichen Beziehung zueinander, wobei die zentralen Kanäle 30 der oberen und unteren elektromagnetischen Elemente sich einander gegenüberstehen.
Zwischen den oberen und unteren elektromagnetischen Elementen 32, 34 ist das Kernelement 16 angeordnet. Das Kernelement 16 ist vorzugsweise im horizontalen Querschnitt ringförmig. Das Kernelement 16 stellt zwei Polflächen 42 zur Verfügung.
Das Kernelement 16 ist mit dem Ventilschaft 22 verbunden. Der Ventilschaft 22 erstreckt sich vorzugsweise in axialer Ausrichtung zur zentralen vertikalen Achse 28 der zentralen Kammer 26 der elektromagnetischen Elemente 12. Ein Ventilgehäuse 24 umschließt das Ventil.
Die Trägerfeder 20 ist ebenfalls in der zentralen Kammer 26 angeordnet, wobei sie vorzugsweise den Ventilschaft 22 umgibt. In der dargestellten Ausgestaltung steht das untere Ende der Trägerfeder mit dem Ventilgehäuse 24 in Kontakt. Das Ventil enthält weiterhin zwei Ausgleichsfedern 50 (compliance springs). In der dargestellten Ausgestaltung kontaktieren die Ausgleichsfedern einen Abschnitt des Ventilgehäuses 24 und den unteren Elektromagneten 34. Die oberen und unteren Elektromagneten 32, 34 sind durch ein Abstandselement 52 verbunden. Das Abstandselement 52 hält einen konstanten Abstand zwischen den oberen und unteren Elektromagneten 32, 34 aufrecht. Die oberen und unteren Elektromagneten wirken daher als eine Anordnung.
Die Ausgleichsfedern 50 werden verwendet, um die Wärmeausdehnung im Ventilschaft zu kompensieren. Wenn der Ventilkopf 54 ordnungsgemäß sitzt, sollte das Kernelement 16 in Kontakt zum oberen Elektromagneten 32 stehen. Wenn sich der Ventilschaft ausdehnt, kontaktiert das Kernelement den oberen Elektromagneten 32, bevor der Ventilkopf 54 ordnungsgemäß sitzt. Wenn jedoch der Ventilschaft zur Anpassung an die Wärmeausdehnung verkürzt wird, kann der Ventilkopf aufsitzen, bevor das Kernelement 16 den oberen Elektromagneten kontaktiert.
Um dieses Problem zu lösen, wird die Trägerfeder verwendet, um das Kernelement in die normal vorgespannte erste Position vorzuspannen. Die Trägerfeder ist ein Federglied mit einem bekannten Wert der Nachgiebigkeit. Die Aus gleichsfedern werden dann dazu verwendet, den oberen Elektromagneten vom Kern weggerichtet vorzuspannen. Die Ausgleichsfedern sind ebenfalls Federglieder und haben ebenso einen bekannten Wert der Nachgiebigkeit. Die Trägerfeder 20 und die Ausgleichsfedern 50 werden so ausgewählt, dass die Nachgiebigkeit der Trägerfeder 20 größer als die Nachgiebigkeit der Ausgleichsfedern 50 ist. Wenn daher der Elektromagnet eingeschaltet ist, bewegt sich der Kern 16 nach oben auf den oberen Elektromagneten 32 zu bis der Ventilkopf in Sitzposition ist. An diesem Punkt wird der obere Elektromagnet nach unten zum Kernelement 16 angezogen, bis ein Spalt der Größe Null zwischen dem Kern 16 und dem oberen Elektromagneten 32 vorliegt.
Gemäß Fig. 1 enthält das Ventil weiterhin einen unteren Ausgleichsraum 56 zwischen dem unteren Elektromagneten 34 und dem Ventilgehäuse 24 und einen oberen Ausgleichsraum 58 zwischen dem oberen Elektromagneten 32 und dem Ventilgehäuse 24. Die Ausgleichsräume 56, 58 erlauben die Bewegung der Anordnung aus oberen und unteren Elektromagneten in Reaktion auf die Ausgleichsfedern 50 ohne eine Kontaktierung des Ventilgehäuses 24.
Es versteht sich von selbst, dass die Ausgleichsfedern irgendein federndes Element enthalten können und ebenso mit irgendeinem Abschnitt der Anordnung aus oberem und unterem Elektromagneten zusammenwirken können, wobei sie nach wie vor das oben beschriebene Merkmal einer Kompensation der Wärmeausdehnung gewährleisten.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 1 ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Dieses Merkmal besteht in einem Elektromagneteinstellteil 60 und erlaubt die Einstellung der Anordnung aus oberem und unterem Elektromagneten in axialer Richtung ohne Beeinflussung der axialen Position des Kernelementes, des Ventilschaftes oder Ventilgehäuses. Die für die Positionierung des Elektromagneten erforderlichen präzisen mechanischen Toleranzen können daher nach Zusammensetzen des Ventils manuell erzielt werden. In der dargestellten Ausgestaltung enthält das Elektromagneteinstellteil 60 einen hohlen Gewindebolzen 62, welcher mit dem Ventilgehäuse 24 in Schraubverbindung steht. Der Bolzen 62 ist hohl und definiert einen Bolzenleerraum 64, der einen Freiraum für die Trägerfeder 20 bietet. In der dargestellten Ausgestaltung übt der Bolzen, wenn er angezogen wird, einen Druck auf den oberen Elektromagneten 32 aus und schiebt damit die elektromagnetische Anordnung in eine nach unten gerichtete axiale Position und komprimiert die Ausgleichsfedern 50. In ähnlicher Weise kann der Bolzen 62 gelöst werden und dadurch den Ausgleichsfedern ermöglichen, eine nach oben gerichtete axiale Bewegung der elektromagnetischen Anordnung zu erzwingen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Bolzen 62 so konstruiert sein kann, dass er Druck auf eine andere Stelle der elektromagnetischen Anordnung ausüben kann, wobei jedoch die Verbindung des oberen und unteren Elektromagneten durch das Abstandselement 52 dem Elektromagneteinstellteil 60 erlaubt, sowohl die oberen als auch die unteren Elektromagneten gleichzeitig zu beeinflussen. Das Elektromagneteinstell teil 60 kann ferner eine erste Mutter 65 enthalten, um den Bolzen 62 in der richtigen Position zu sichern.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in dem Trägerfedereinstellteil 66. Das Trägerfedereinstellteil 66 ist in Fig. 1 so dargestellt, dass es ein hohles Schraubenelement 68 enthält. Das hohle Schraubenelement 68 ist in den Bolzenleerraum 64 eingeschraubt. In der dargestellten Ausgestaltung wirkt das hohle Schraubenelement 68 mit dem oberen Ende der Trägerfeder 20 zusammen. Die Trägerfeder 20 wirkt mit dem Kernelement 16 zusammen. Wenn daher das Schraubenelement 68 angezogen wird, wird die Trägerfeder komprimiert, wodurch das Kernelement in eine axial abwärts gerichtete Position bewegt wird. Wenn das Schraubenelement 68 gelockert wird, dehnt sich die Trägerfeder aus, was dem Kernelement die Bewegung in eine axial aufwärtsgerichtete Position erlaubt. Das Trägerfedereinstellteil 66 kann ebenfalls eine zweite Mutter 72 enthalten, um die Schraube 68 in ihrer Position zu sichern.
Die Funktion des Trägerfedereinstellteils 66 besteht darin, eine präzise Positionierung des Kernelementes 16 zwischen dem oberen und unteren Elektromagneten 32, 34 zu gewährleisten. Wie oben beschrieben wurde, sollte das Kernelement präzise zwischen den Elektromagneten zentriert sein. Das Trägerfedereinstellteil 66 ermöglicht die manuelle Positionierung des Kernelementes, nachdem das Ventil zusammengesetzt worden ist. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass das Trägerfedereinstellteil die Trägerfeder in einem anderen Bereich kontaktieren und dennoch das gleiche Merkmal der Kernpositionierung bereitstellen kann. Der Betrieb des Ventils 10 wird detailliert in den US- Patenten Nr. 5,222,714 und 5,355,108 der vorliegenden Anmelder beschrieben.
In Fig. 2 ist eine besondere Konstruktion des Kerns und Elektromagneten detailliert gezeigt. Gemäß Fig. 2 definieren die elektromagnetischen Elemente 12 eine erste Oberfläche 70. Die erste Oberfläche 70 definiert eine zentrale Kammer oder Öffnung 26 und den kontinuierlichen Kanal 26, der sich um die Öffnung 26 herum erstreckt. Die Spule 14 ist im kontinuierlichen Kanal 26 angeordnet. Die erste Oberfläche 70 des Elektromagneten ist vorzugsweise im wesentlichen konvex geformt. Das Anker- oder Kernelement 16 ist in einer normal vorgespannten, anfänglich von den elektromagnetischen Elementen 12 beabstandeten Position. Das Kernelement 16 definiert ferner eine Polfläche 74. Die Kernpolfläche 74 ist im wesentlichen konkav geformt, um zu der ersten Oberfläche 70 des elektromagnetischen Elementes zu korrespondieren.
Der Winkel der Oberflächen 70, 74 gewährleistet einen erhöhten Kontakt zwischen den elektromagnetischen Elementen und den Kernelementen. Der Winkel der Polflächen relativ zu der Taktbewegung des Ventils dient dazu, die Menge an Strom zu verringern, die benötigt wird, um das Ventil von einer geöffneten in eine geschlossene Position und umgekehrt zu ziehen. Wie in US-Patent Nr. 5,355,108 beschrieben wird, löst die Konstruktion der vorliegenden Erfindung daher die Probleme der Bereitstellung einer ausreichenden Polfläche, eines ausreichenden Rückweges für den Fluss und eines ausreichend großen magnetischen Feldes, um die gewünschte Kraft bereitzustellen, während eine hinreichend geringe bewegliche Masse beibehalten wird, um den Betrieb des Ventils bei den gewünschten Drehgeschwindigkeiten zu erlauben.
Es wird ebenso darauf hingewiesen, dass in einer anderen Ausgestaltung des Ventils 10 der vorliegenden Erfindung zwei Paare von elektromagnetischen Elementen verwendet werden können. Das erste Paar von Elektromagneten ist dann auf dem zweiten Paar von Elektromagneten gestapelt. Die Verwendung mehrfacher Paare elektromagnetischer Elemente und Kerne ist dadurch von Bedeutung, dass sie die zur Vervollständigung des magnetischen Kreises benötigte Masse reduziert, ohne die dem Fluss zugeordnete Fläche zu reduzieren. Obwohl die Strom- und Leistungsanforderungen mit mehrfachen Elektromagnetpaaren und Kernen ansteigen, bleiben daher die gesamten Strom- und Leistungsanforderungen wünschenswerter Weise handhabbar.
Es wurde eine beispielhafte bevorzugte Ausgestaltung des elektromagnetisch betätigbaren Ventils gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Fachmann wird zahlreiche Verwendungen und Abweichungen von den oben beschriebenen Ausgestaltungen vornehmen können, ohne von den hierin offenbarten erfinderischen Konzepten abzuweichen.

Claims

1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung (10), welche umfasst:

wenigstens einen Elektromagneten (12);

wenigstens ein Kernelement (16), das eine normal vorgespannte anfängliche beabstandete erste Position hat, die vom Elektromagneten entfernt ist, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist, und eine feste Stoppposition, die dem Elektromagneten nahe ist, wenn der Elektromagnet eingeschaltet ist;

ein erstes Federglied (20), das ausgelegt ist, das Kernelement in die normal vorgespannte erste Position vorzuspannen, wobei das erste Federglied einen ersten Nachgiebigkeitswert hat; und

ein zweites Federglied (50), das ausgelegt ist, um den Elektromagneten vom Kern weg vorzuspannen, wobei das zweite Federglied einen zweiten Nachgiebigkeitswert hat, wobei der erste Nachgiebigkeitswert größer als der zweite Nachgiebigkeitswert ist, wobei sich der Kern dem Elektromagne ten nähert, wenn der Elektromagnet eingeschaltet ist, bis der Kern die feste Stoppposition erreicht, und sich der Elektromagnet nachfolgend dem Kern zur festen Stoppposition hin nähert.

2. Betätigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, welche ferner umfasst:

ein Elektromagneteinstellteil (60), das mit dem Elektromagneten (12) in Eingriff tritt, um den Druck des Elektromagneten gegen das zweite Federglied (50) zu steuern, wodurch die axiale Position des Elektromagneten gesteuert wird.

3. Betätigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner umfasst:

wenigstens ein Paar von Elektromagneten (12), wobei jedes Paar von Elektromagneten ferner einen oberen Elektromagneten (32) und einen unteren Elektromagneten (34) aufweist, wobei der obere und untere Elektromagnet des Paares in einer spiegelnden Anordnung zueinander angeordnet sind, wobei das Kernelement (16) zwischen dem oberen und unteren Elektromagneten angeordnet ist;

ein Abstandselement (52), das den oberen und unteren Elektromagneten des Paares verbindet, wobei das Abstandselement einen vorbestimmten Abstand zwischen dem oberen und unteren Elektromagneten aufrechterhält; und

ein Elektromagneteinstellteil (60), das mit dem oberen oder unteren Elektromagneten in Eingriff tritt, um den Druck des unteren Elektromagneten gegen das zweite Federglied zu steuern, wodurch die axiale Position der Elektromagneten gesteuert wird.

4. Betätigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, welche ferner umfasst:

ein Federgliedeinstellteil (66), wobei das Einstellteil mit dem ersten Federglied (20) in Eingriff tritt, um die Spannung im ersten Federglied zu steuern, wodurch die neutrale Position des Kernelements gesteuert wird.