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Dokumentenidentifikation DE10043805A1 14.03.2002
Titel Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Schmidt, Robert, Dipl.-Ing., 70736 Fellbach, DE
DE-Anmeldedatum 06.09.2000
DE-Aktenzeichen 10043805
Offenlegungstag 14.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.03.2002
IPC-Hauptklasse H01F 7/08
IPC-Nebenklasse F01L 9/04   G01B 7/02   
Zusammenfassung Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans, insbesondere eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, der eine elektromagnetische Einheit aufweist, über die ein bewegbar gelagerter und mit dem Stellorgan in Wirkverbindung stehender Anker bewegbar ist, und mit einer Meßvorrichtung, die wenigstens ein induktives Meßelement zumindest zur Erfassung einer Stellung des Ankers aufweist, und insbesondere mit einem auf das Stellorgan wirkenden Federmechanismus.
Es wird vorgeschlagen, daß zumindest ein induktives Meßelement fest mit dem Anker verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der JP 07 224 624 A ist ein gattungsbildender Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine bekannt. Der elektromagnetische Aktuator besitzt zwei Elektromagneten, einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Ferner wirkt ein vorgespannter Federmechanismus über den Anker auf das Gaswechselventil. Als Federmechanismus dienen zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Druckfeder das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Druckfeder das Gaswechselventil in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten Elektromagneten wird der Anker durch die Druckfedern bzw. Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Elektromagneten gehalten.

Die Elektromagneten besitzen jeweils neben einer Betätigungsspule eine Meßspule. Die Meßspulen sind im radial inneren Bereich der Betätigungsspulen angeordnet. Die Stellung des Ankers zwischen den Elektromagneten beeinflußt die Induktivität der Meßspulen, wodurch ausgehend von erfaßten Induktivitätswerten der Meßspulen auf die Stellung des Ankers geschlossen werden kann. Die Induktivität nimmt mit der Entfernung des Ankers von den Meßspulen stark nichtlinear ab, und die Meßspulen sind während des Betriebs starken Magnetfeldern der Betätigungsspulen ausgesetzt.

Ferner ist aus der DE 196 28 860 A1 ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem Schwenkanker bekannt, der zwischen zwei Elektromagneten schwenkbar um eine Achse gelagert ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung mit einem Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans zu schaffen, bei der die Stellung des Ankers und/oder des Stellorgans während des Betriebs des Aktuators möglichst genau über einen großen Bereich erfaßt werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans, insbesondere eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, der eine elektromagnetische Einheit aufweist, über die ein bewegbar gelagerter und mit dem Stellorgan in Wirkverbindung stehender Anker bewegbar ist, und mit einer Meßvorrichtung, die wenigstens ein induktives Meßelement zumindest zur Erfassung einer Stellung des Ankers aufweist, und insbesondere mit einem auf das Stellorgan wirkenden Federmechanismus.

Es wird vorgeschlagen, daß zumindest ein induktives Meßelement fest mit dem Anker verbunden ist. Durch das mit dem Anker fest verbundene und dadurch mit dem Anker bewegte induktive Meßelement kann ein Totbereich reduziert werden, in dem während des Betriebs kein oder nur ein ungenaues schwaches Meßsignal erfaßt werden kann. Das am Anker befestigte Meßelement ist im Gegensatz zu einem an einem Elektromagneten der elektromagnetischen Einheit befestigten induktiven Meßelement nicht stets einem großen Magnetfeld ausgesetzt, sondern bewegt sich in Magnetfelder der Elektromagneten hinein und aus diesen heraus, wodurch frühzeitig vor einem Auftreffen des Ankers auf eine Polfläche der Elektromagneten ein großes und gut auswertbares Meßsignäl erfaßt werden kann. Basierend auf einem kleinen Totbereich kann eine vorteilhafte Steuerung und Regelung der Ankerbewegung erreicht werden. Zudem kann mit einem mit dem Anker bewegten Meßelement eine Stellung des Ankers zu zwei beabstandeten Elektromagneten erfaßt werden, ohne daß an jedem Elektromagneten ein induktives Meßelement befestigt werden muß. Ist neben dem fest mit dem Anker verbundenen induktiven Meßelement zumindest ein zusätzliches induktives Meßelement an der elektromagnetischen Einheit befestigt, so daß zumindest zwei Meßsignale erfaßt werden können, ist eine besonders genaue Messung erzielbar, und zwar insbesondere indem Korrekturwerte ermittelt werden können.

Um ein möglichst großes, gut erfaßbares und auswertbares Meßsignal zu erreichen, ist das fest mit Anker verbundene Meßelement von einer Meßspule gebildet, und zwar vorteilhaft von einer mehrwindigen Meßspule.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das induktive Meßelement zumindest teilweise in den Anker eingebracht ist. Das Meßelement kann geschützt vor äußeren Einflüssen angeordnet und eine Reduzierung einer Kontaktfläche des Ankers bei gleichbleibendem Bauvolumen kann vermieden werden. Wird das Meßelement zudem gleichzeitig bei der Herstellung in den Anker eingebracht, beispielsweise in einem Gießprozeß, können zudem Befestigungsteile, Montageaufwand und Kosten vermieden werden. Möglich ist jedoch auch, daß das als Meßspule ausgeführte Meßelement auf den Anker aufgewickelt ist, was konstruktiv einfach realisiert werden kann. Daneben sind sämtliche, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungen denkbar, beispielsweise Klebeverbindungen, Lötverbindungen usw.

Das Meßelement wird an einer Oberfläche des Ankers vorteilhaft in der Weise angeordnet, daß dieses beim Auftreffen des Ankers auf einer Polfläche der elektromagnetischen Einheit in eine Ausnehmung in der Polfläche eintaucht, in der eine Wicklung der elektromagnetischen Einheit eingebracht ist. Zusätzliche Ausnehmungen und zusätzlicher Bauraum können vermieden werden.

Die vom Meßelement erfaßten Daten können über verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Datenübertragungen vom bewegten Anker an eine mit einem Gehäuse fest verbundene Empfangseinheit übertragen werden, beispielsweise über Funk, Infrarot, Schleifkontakte usw. Ist jedoch der Anker schwenkbar gelagert, kann eine konstruktiv einfache Datenübertragung über eine Schwenkachse des Ankers ermöglicht werden, und zwar insbesondere über Datenleitungen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen zu Fig. 1 alternativen Aktuator im Längsschnitt mit einem Schwenkanker und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem in einem Kurbelgehäuse 18 geführten Hubkolben 19 und einem am Kurbelgehäuse 18 abschließenden Zylinderkopf 20. Im Zylinderkopf 20 ist ein Ventiltrieb mit einem elektromagnetischen Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils 21 angeordnet.

Der Aktuator besitzt eine elektromagnetische Einheit 16 mit einem ersten, in Öffnungsrichtung 22 wirkenden Öffnungsmagneten 23 und einem zweiten, in Schließrichtung 24 wirkenden Schließmagneten 25, zwischen denen ein Anker 12 koaxial verschiebbar angeordnet ist. Der Anker 12 wirkt über einen in einer Ankerschaftführung 26 geführten Ankerschaft 27 und über ein hydraulisches Spielausgleichselement 28 auf einen Ventilschaft 29, der in einer Schaftführung 30 im Zylinderkopf 20 geführt ist.

Ferner wirkt auf den Ventilschaft 29 ein Federmechanismus 31 mit einer oberen, in Öffnungsrichtung 22 wirkenden Ventilfeder 32 und einer unteren, in Schließrichtung 24 wirkenden Ventilfeder 33. Die in Schließrichtung 24 wirkende Ventilfeder 33ist in einem in den Zylinderkopf 20 eingebrachten Federraum 34 auf der dem Gaswechselventil 21 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 23 angeordnet, stützt sich über einen Ring 35 am Zylinderkopf 20 ab und wirkt über eine Federauflage 36 in Schließrichtung 24 auf den Ventilschaft 29.

Die in Öffnungsrichtung 22 wirkende Ventilfeder 32 ist auf der dem Gaswechselventil 21 abgewandten Seite des Schließmagneten 25 angeordnet und stützt sich mit einem dem Gaswechselventil 21 abgewandten Ende an einem auf dem Zylinderkopf 20 befestigten Deckel 37 ab und wirkt mit einem dem Gaswechselventil 21 zugewandten Ende über eine Federauflage 38 auf einen Federstößel 39, der über eine Führung 40 im Schließmagneten 25 geführt ist und mit einer in Richtung Gaswechselventil 21 weisenden Stirnseite auf eine Stirnseite des Ankerschafts 27 wirkt.

Um beim Start der Brennkraftmaschine den Anker 12 aus seiner Gleichgewichtslage zwischen den Elektromagneten 23, 25 anzuziehen, wird entweder der Schließmagnet 25 oder der Öffnungsmagnet 23 kurzzeitig übererregt oder der Anker 12 mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt.

In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 21 liegt der Anker 12 an einer Polfläche des bestromten Schließmagneten 25 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 25 spannt die in Öffnungsrichtung 22 wirkende Ventilfeder 32 weiter vor.

Um das Gaswechselventil 21 zu öffnen, wird der Schließmagnet 25 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 23 eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 22 wirkende Ventilfeder 32 beschleunigt den Anker 12 über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser vom Öffnungsmagneten 23 angezogen wird und die in Schließrichtung 24 wirkende Ventilfeder 33 weiter vorgespannt wird. Der Anker 12 schlägt auf eine Polfläche des Öffnungsmagneten 23 auf und wird von diesem gehalten. Um das Gaswechselventil 21 wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet 23 ausgeschaltet und der Schließmagnet 25 eingeschaltet. Die in Schließrichtung 24 wirkende Ventilfeder 33 beschleunigt den Anker 12 über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten 25. Der Anker 12 wird vom Schließmagneten 25 angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten 25 auf und wird von diesem gehalten.

Um die Bewegung des Ankers 12 vorteilhaft steuern und regeln zu können, wird dessen Stellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung erfindungsgemäß über als mehrwindige Meßspulen ausgeführte induktive Meßelemente 10, 14 erfaßt. Eines der Meßelemente 10 ist fest mit dem Anker 12 verbunden in diesen eingebracht, und das andere Meßelement 14 ist auf der dem Gaswechselventil 21 zugewandten Seite der Führung 40 des Federstößels 39 im Schließmagneten 25 nahe an dessen Polfläche befestigt. Die von dem im Schließmagneten 25 angeordneten Meßelement 14 erfaßten Daten werden über nicht näher dargestellte Datenleitungen und die von dem im Anker 12 angeordneten Meßelement 10 erfaßten Daten werden mit vier gleichmäßig über den Umfang des Ankers 12 verteilte Sender 42 über Infrarot an eine Empfangs- und Auswerteeinheit 41 übermittelt (Fig. 1 und 2).

Fig. 3 zeigt einen alternativen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils 43 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Der Aktuator besitzt eine elektromagnetische Einheit 17 mit zwei Elektromagneten 44, 45, einem Öffnungsmagneten 44 und einem Schließmagneten 45. Jeder der Elektromagnete 44, 45 besitzt eine auf einem nicht näher dargestellten Spulenträger aufgewickelte Magnetspule 67, 68 und einen Spulenkern 69, 70 mit zwei Jochschenkeln, die mit ihren Stirnseiten Polflächen bilden. Zwischen den Polflächen ist ein Schwenkanker 13 um eine Achse hin und her schwenkbar gelagert. Der Schwenkanker 13 wirkt über eine an ihn angeformte Weiterbildung 72 und über einen Ventilschaft 48 auf das Gaswechselventil 43 (Fig. 3 und 4). Der Ventilschaft 48 ist über eine Schaftführung 49 in einem Zylinderkopf 50 der Brennkraftmaschine axial verschiebbar gelagert.

Ferner besitzt der Aktuator einen Federmechanismus mit zwei vorgespannten Ventilfedern 51, 52, und zwar mit einer als Drehstabfeder ausgebildeten, in Öffnungsrichtung 53 wirkenden Ventilfeder 51 und mit einer als Schraubendruckfeder ausgebildeten, in Schließrichtung 54 wirkenden Ventilfeder 52.

Der Schwenkanker 13 ist fest mit einer hohlen Schwenkachse 55 verschweißt (Fig. 4). Die Schwenkachse 55 ist in einer ersten Lagerstelle 56 über ein erstes Gleitlager 57 auf einem Lagerbolzen 58 in einer ersten Gehäusewand 59 eines Aktuatorgehäuses 60 gelagert und ist in einer zweiten Lagerstelle 61 über ein zweites Gleitlager 62 auf der Drehstabfeder in einer zweiten Gehäusewand 63 des Aktuatorgehäuses 60 gelagert. Die Drehstabfeder ist mit einem Ende mit der Gehäusewand 63 drehfest verbunden und wirkt über eine in der Schwenkachse 55 drehfest angeordneten Trennwand 64, über die Schwenkachse 55, den Schwenkanker 13 und über den Ventilschaft 48 auf das Gaswechselventil 43.

Die Schraubendruckfeder stützt sich über eine erste Federauflage 65 am Zylinderkopf 50 ab und wirkt über eine zweite Federauflage 66 und über den Ventilschaft 48 auf das Gaswechselventil 43 (Fig. 3). Bei nicht erregten Elektromagneten 44, 45 wird der Schwenkanker 13 durch die Ventilfedern 51, 52 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen der Elektromagneten 23, 25 gehalten. Der Aktuator wird entsprechend dem Aktuator aus Fig. 1 und 2 gestartet.

Um die Bewegung des Schwenkanker 13 vorteilhaft steuern und regeln zu können, wird dessen Stellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung erfindungsgemäß über als mehrwindige Meßspulen ausgeführte induktive Meßelemente 11, 15 erfaßt. Das eine Meßelement 11 ist auf den Schwenkanker 13 aufgewickelt, und das andere Meßelement 15 ist im Schließmagneten 45 auf einer dem Gaswechselventil 43 zugewandten Seite der Magnetspule 68 befestigt.

Die von dem im Schließmagneten 45 angeordneten Meßelement 15 erfaßten Daten werden über nicht näher dargestellte Datenleitungen und die von dem auf den Anker 12 aufgewickelten Meßelement 11 erfaßten Daten werden über eine Datenleitung 71 zu einer Empfangs- und Auswerteeinheit 73 übermittelt. Die Datenleitung 71 ist vom Meßelement 11 durch eine in Bewegungsrichtung des Schwenkankers 13 verlaufende Bohrung 46 und durch eine senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Bohrung 47 im Schwenkanker 13 in die hohle Schwenkachse 55 geführt, von dort aus die Datenleitung 71 durch eine Bohrung 74 im Lagerbolzen 58 zur Empfangs- und Auswerteeinheit 73 geführt ist.

Beim Auftreffen des Schwenkankers 13 auf die Polfläche des Schließmagneten 45 taucht das Meßelement 11 zwischen die Jochschenkel des Schließmagneten 45 und beim Auftreffen des Schwenkankers 13 auf die Polfläche des Öffnungsmagneten 44 taucht das Meßelement 11 zwischen die Jochschenkel des Öffnungsmagneten 44 ein.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans, insbesondere eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, der eine elektromagnetische Einheit aufweist, über die ein bewegbar gelagerter und mit dem Stellorgan in Wirkverbindung stehender Anker bewegbar ist, und mit einer Meßvorrichtung, die wenigstens ein induktives Meßelement zumindest zur Erfassung einer Stellung des Anker aufweist, und insbesondere mit einem auf das Stellorgan wirkenden Federmechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein induktives Meßelement (10, 11) fest mit dem Anker (12, 13) verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein induktives Meßelement (14, 15) fest mit der elektromagnetischen Einheit (16, 17) verbunden ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fest mit dem Anker (12, 13) verbundene induktive Meßelement (10, 11) von einer Meßspule gebildet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule mehrwindig ausgeführt ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Meßelement (10) zumindest teilweise in den Anker (12) eingebracht ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule auf den Anker (13) aufgewickelt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (13) schwenkbar gelagert ist.






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