DE3928066A1 - EM valve opening and closing device - has two magnet systems of small dimensions to reduce reaction time - Google Patents
EM valve opening and closing device - has two magnet systems of small dimensions to reduce reaction timeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagneti schen Steuerung eines Gaswechsel-Ventils einer Hubkolben- Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for electromagnetic control of a gas exchange valve of a reciprocating Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Aus der DE-OS 35 00 530 ist eine Vorrichtung dieser Art zur Steuerung eines Gaswechsel-Ventils einer Hubkolben- Brennkraftmaschine bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist zwischen zwei elektromagnetischen Systemen ein gemeinsamer Anker vorgesehen, der zum Öffnen und zum Schließen des Ventils gegen die Kraft einer Feder bewegbar ist. Jedes der beiden elektromagnetischen Systeme weist einen Permanentma gneten auf, welcher den Anker jeweils in der Hubendlage hält und dessen Magnetfeld durch das Magnetfeld einer Kompensa tionsspule aufhebbar ist. Durch eine solche permanentmagne tische Vorerregung sollen sich relativ geringe Schaltzeiten und ein kleiner Energieverbrauch ergeben.From DE-OS 35 00 530 is a device of this type for controlling a gas exchange valve of a reciprocating Internal combustion engine known. In this device is a common between two electromagnetic systems Anchor provided for opening and closing the Valve is movable against the force of a spring. Each of the both electromagnetic systems have a permanentma opened, which holds the anchor in the stroke end position and its magnetic field through the magnetic field of a compensa tion coil can be canceled. With such a permanent magnet table pre-excitation should result in relatively short switching times and result in a small energy consumption.
Nachteilig ist bei dieser Vorrichtung der große Platzbedarf und das hohe Gewicht der beiden Systeme mit permanentmagne tischer Vorerregung. Darüber hinaus steht auch der hohe Preis einer Großserien-Anwendung der bekannten Vorrichtung entgegen.The disadvantage of this device is the large amount of space required and the high weight of the two systems with permanent magnet pre-excitation. In addition, there is also the high one Price of a large-scale application of the known device opposite.
Aus der DE-OS 36 16 540 ist eine ähnliche Vorrichtung be kannt, bei der die beiden bei der obigen Vorrichtung erfor derlichen Druckfedern zur Rückstellung des Ventils durch eine einzige, in beiden Richtungen wirkende Drehstabfeder ersetzt sind. Durch diese Maßnahme soll sich das dynamische Verhalten der Ventilsteuerung verbessern und der Einfluß von Verschleiß und Temperaturdehnungen verringern. Der solcher maßen mechanisch verbesserte Teil der Ventilsteuerung ist mit zwei Elektromagnetsystemen kombiniert, zwischen welchen ein gemeinsamer Anker zum Öffnen bzw. Schließen des Ventils bewegbar ist. Die Elektromagnete ohne permanentmagnetische Vorerregung ermöglichen zwar eine geringere Baugröße, be sitzen allerdings besonders im unteren Drehzahlbereich einen so hohen Energiebedarf, daß z. B. bei einem Kraftfahrzeugmo tor eine Lichtmaschine mit erheblich höherer Leistung ver wendet werden muß.From DE-OS 36 16 540 a similar device be knows, in which the two in the above device pressure springs to reset the valve a single torsion bar spring acting in both directions are replaced. This measure should make the dynamic Improve valve control behavior and the influence of Reduce wear and thermal expansion. The one is mechanically improved part of the valve control combined with two electromagnetic systems, between which a common anchor for opening or closing the valve is movable. The electromagnets without permanent magnetic Pre-excitation enables a smaller size, be sit especially in the lower speed range so high energy requirements that z. B. in a motor vehicle mo tor an alternator with significantly higher performance must be applied.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur elektromagnetischen Steuerung eines Gas wechsel-Ventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine so zu verbessern, daß sich bei möglichst geringer Baugröße eine Reduzierung des Energiebedarfs im unteren Drehzahlbereich ergibt.The object of the invention is a generic Device for the electromagnetic control of a gas change valve of a reciprocating internal combustion engine improve that with the smallest possible size Reduction of energy consumption in the lower speed range results.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet. Erfindungsgemäß besteht das ventilseitige Magnet system zum Öffnen des Ventils aus einem an sich bekannten, vorzugsweise topfförmigen Elektromagneten, während das dem Ventil abgewandte Magnetsystem zum Schließen des Ventils einen Permanentmagneten aufweist, dessen Magnetfeld in gleichfalls an sich bekannter Weise durch eine Kompensa tionsspule neutralisierbar ist. Diese erfindungsgemäße Kombination ist deshalb anwendbar, weil während des Verbren nungszykluses eines herkömmlichen Ottomotors selbst bei hohen Drehzahlen Einlaß- wie Auslaßventile wesentlich länger geschlossen als geöffnet sind. Daher ist zum Öffnen des Ventils ein billigeres, rein elektromagnetisches Magnetsy stem mit geringerem Durchmesser vorgesehen, während für den Schließmagneten zur Reduzierung des Energiebedarfs bei niedrigen Drehzahlen ein Permanentmagnetsystem mit einer Kompensationsspule vorgesehen ist.This task is carried out in the manner of the main claim specified means solved. Advantageous further developments of the Subject of the invention are known in the subclaims draws. According to the valve-side magnet system for opening the valve from a known, preferably pot-shaped electromagnets, while the Solenoid system facing away from the valve for closing the valve has a permanent magnet, the magnetic field in likewise in a manner known per se by means of a compensation tion coil can be neutralized. This invention Combination is applicable because during burning cycle of a conventional gasoline engine itself high speeds inlet and outlet valves much longer are closed than open. Therefore, to open the Valve a cheaper, purely electromagnetic magnet system stem provided with a smaller diameter, while for the Closing magnets to reduce energy consumption a permanent magnet system with a low speed Compensation coil is provided.
Da das Permanentmagnetsystem aus physikalischen Gründen einen größeren Durchmesser als der vorzugsweise topfförmige Elektromagnet zum Schließen des Ventils aufweist, ist der Kerndurchmesser des Permanentmagneten ankerseitig etwa auf den Durchmesser des Ankers reduziert, der durch den Durch messer des Elektromagneten vorgegeben ist. In vorteilhafter Weise kann diese Durchmesserreduzierung dadurch erreicht werden, daß für den Innenpol des Permanentmagneten ein Werkstoff mit möglichst hoher Sättigungsinduktion, z. B. eine etwa 50%ige Eisen-Kobalt-Legierung, verwendet wird.Because the permanent magnet system for physical reasons a larger diameter than the preferably cup-shaped Has electromagnet for closing the valve is Core diameter of the permanent magnet on the armature side approximately reduced the diameter of the anchor by the through knife of the electromagnet is specified. In advantageous In this way, this reduction in diameter can be achieved be that for the inner pole of the permanent magnet Material with the highest possible saturation induction, e.g. B. an approximately 50% iron-cobalt alloy is used.
Joch und Außenpol des Permanentmagneten sind vorzugsweise koaxial auf dem Innenpol angeordnet und fassen den Perma nentmagneten beidseitig ein. Dabei weisen Außenpol und Joch vorzugsweise ihren größten Durchmesser an der Einfassung des Permanentmagneten auf und verjüngen sich konisch in Richtung zur Ankerseite bzw. zur gegenüberliegenden Seite.The yoke and the outer pole of the permanent magnet are preferred arranged coaxially on the inner pole and grasp the perma magnet on both sides. The outer pole and the yoke point out preferably its largest diameter at the border of the Permanent magnets and taper conically in the direction to the anchor side or to the opposite side.
Der Anker, der zur Verbesserung des Dynamikverhaltens einen möglichst geringen Durchmesser und eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, besteht in bevorzugter Ausführung gleichfalls aus einem magnetisch weichen Werkstoff mit möglichst hoher Sättigungsinduktion. Wegen der geringeren Anforderungen an Joch und Außenpol des Permanentmagneten können diese aus billigerem lamelliertem Material bestehen, also etwa aus evolventenförmig geschichteten Blechen kon stanter Dicke.The anchor that improves the dynamic behavior as small a diameter as possible and as small as possible Should have mass, there is a preferred embodiment also with a magnetically soft material saturation induction as high as possible. Because of the lesser Requirements for the yoke and the outer pole of the permanent magnet they can be made of cheaper laminated material, So from convolute layered sheet metal con constant thickness.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbei spiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:The object of the invention is based on an in the drawings schematically illustrated game explained in detail. Show it:
Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung mit einem nur teilweise dargestellten Zylinder einer Hubkolben-Brenn kraftmaschine, Fig. 1 with an only partially shown cylinder of a reciprocating internal combustion engine is an axial section of a control device according to the invention,
Fig. 2 die beiden Elektromagnet-Systeme der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung und Fig. 2 shows the two electromagnet systems of the device of FIG. 1 in an enlarged view and
Fig. 3 die Leistungscharakteristik einer Lichtmaschine sowie den zugehörigen Leistungsbedarf einer erfindungsgemäßen und einer herkömmlichen elek tromagnetischen Ventilsteuerung. Fig. 3 shows the performance characteristics of an alternator and the associated power requirements of an inventive and a conventional elec tromagnetic valve control.
Im unteren Teil von Fig. 1 ist der Zylinderkopf 33 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine teilweise dargestellt. Das in einer Führungshülse 28 geführte Ventil 29 liegt mit der äußeren konisch geschliffenen Dichtfläche seines Ventiltel lers 30 am Ventilsitz 32 des Zylinderkopfes 33 an. Das Öffnen bzw. Schließen des Ventils 29 erfolgt über einen seitlich angeordneten, einseitig festgelegten Schwinghebel 20, an dem die Ankerstange 17 eines zwischen zwei Magnetsy stemen 10, 13, 14, 15, 15a; 11, 16 bewegbaren Ankers 12 angreift. Die Ankerstange 17 ist mit einem Stangenkopf 18 verschraubt, der mit dem Schwinghebel 20 über einen Schwing hebelbolzen 21 verbunden ist. An ihrem freien Ende ist die Ankerstange 17 im Magnetgehäuse 1 verschieblich gelagert.In the lower part of FIG. 1, the cylinder head 33 of a reciprocating piston internal combustion engine is partially shown. The guided in a guide sleeve 28. Valve 29 is located with the outer conical surface of its sealing ground Ventiltel coupler 30 on the valve seat 32 of the cylinder head 33 at. The opening or closing of the valve 29 takes place via a laterally arranged, one-sided fixed rocker arm 20 , on which the anchor rod 17 a between two Magnetsy systems 10 , 13 , 14 , 15 , 15 a; 11 , 16 movable armature 12 attacks. The anchor rod 17 is screwed to a rod head 18 which is connected to the rocker arm 20 via a rocker pin 21 . At its free end, the anchor rod 17 is slidably mounted in the magnet housing 1 .
Der Schwinghebel 20 ist an einem Ende drehbar gelagert und in einer axialen Verlängerung des Lagermittelpunktes 19 fest eingespannt. Das andere freie Ende des Schwinghebels 20, der Schwinghebelkopf 22, greift zwischen eine, auf einem Absatz des Ventilschaftes 31 aufliegende Mitnehmerhülse 27 und eine auf dem Ventilschaft 31 längs bewegliche Schiebehülse 23 ein, die durch eine Tellerfeder 24 gegen eine am Ende des Ventilschaftes 31 befestigte Haltehülse 25 abgestützt ist. Am oberen Ende des Ventilschaftes 31 ist eine hydraulische Dämpfungseinrichtung 26 zur Dämpfung des Ventiltriebs zum Zwecke der Geräusch- bzw. Verschleißminderung vorgesehen.The rocker arm 20 is rotatably supported at one end and clamped in an axial extension of the bearing center 19 . The other free end of the oscillating lever 20, the rocker arm head 22 engages between a, on a shoulder of the valve stem 31 resting drive sleeve 27 and on the valve stem 31 longitudinally movable sliding sleeve 23 fixed by a plate spring 24 against the end of the valve stem 31 Holding sleeve 25 is supported. At the upper end of the valve stem 31 , a hydraulic damping device 26 is provided for damping the valve train for the purpose of reducing noise or wear.
Der Aufbau der beiden vom Magnetgehäuse 1 umgebenen Magnet systeme 10, 13, 14, 15, 15a; 11, 16 zum Öffnen bzw. Schlie- ßen des Ventils 29 über die Bewegung des Ankers 12 ist aus Fig. 2 ersichtlich.The structure of the two magnet systems 1 surrounded by the magnet systems 10 , 13 , 14 , 15 , 15 a; 11 , 16 for opening or closing the valve 29 via the movement of the armature 12 can be seen in FIG. 2.
Das ventilseitige Magnetsystem 11, 16 besteht aus einer ringförmigen Magnetspule 11, die von einem topfförmigen Kern 16 umgeben ist. Der Durchmesser des Ankers 12 ist durch den Durchmesser des topfförmigen Kerns 16 vorgegeben. Dieser wird wiederum durch den Angreifpunkt des Stangenkopfes 18 auf dem Schwinghebel 20 beeinflußt. Bei einem vorgegebenen Anlenkradius RV des Ventils 29 (Abstand des Längsachse des Ventils 29 vom Lagermittelpunkt 19 des Schwinghebels 20) ist die benötigte Ankerkraft umso kleiner, je größer der Anlenkradius RM der Ankerstange 17 (Abstand des Schwing hebelbolzens 21 vom Lagermittelpunkt 19 des Schwinghebels 20) ist. Der Durchmesser des Kerns 16 läßt sich also ver ringern, indem der Anlenkradius RM der Ankerstange vergrößert wird. Umgekehrt führt eine Verkleinerung des Anlenkradius RM der Ankerstange 17 zur einer vorteilhaf ten Erhöhung der ungedämpften Eigenfrequenz der Ventilsteue rung. Da allerdings gleichzeitig mit dem Magnetdurchmesser die dynamischen Probleme und der Verschleiß zunehmen, liegt das Verhältnis von RM zu RV vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,6 bis 1,0, vorzugsweise bei etwa 0,75.The valve-side magnet system 11 , 16 consists of an annular magnet coil 11 , which is surrounded by a cup-shaped core 16 . The diameter of the armature 12 is predetermined by the diameter of the cup-shaped core 16 . This is in turn influenced by the point of engagement of the rod head 18 on the rocker arm 20 . For a given pivot radius R V of the valve 29 (distance of the longitudinal axis of the valve 29 from the bearing center 19 of the rocker arm 20 ), the required anchor force is smaller, the larger the pivot radius R M of the anchor rod 17 (distance of the rocker arm pin 21 from the bearing center 19 of the rocker arm 20 ) is. The diameter of the core 16 can thus be reduced by increasing the articulation radius R M of the anchor rod. Conversely, a reduction in the articulation radius R M of the anchor rod 17 leads to an advantageous increase in the undamped natural frequency of the valve control. However, since the dynamic problems and wear increase simultaneously with the magnet diameter, the ratio of R M to R V is preferably in the range between approximately 0.6 to 1.0, preferably approximately 0.75.
Gegenüber dem ersten aus der ringförmigen Magnetspule 11 und dem topfförmigen Kern 16 bestehenden Magnetsystem ist das zweite Magnetsystem 10, 13, 14, 15, 15a zum Schließen des Ventils angeordnet. Es besteht aus einem ringförmigen Perma nentmagneten 10, der ventilseitig von einem Außenpol 15a und auf der gegenüberliegenden Seite von einem Joch 15 eingefaßt ist. Vom Joch 15 ist ein zylindrischer Innenpol 14 koaxial eingeschlossen, durch den die Ankerstange 17 geführt ist. An der ankerseitigen Stirnfläche des zweiten Magnetsystems ist zwischen dem Luftspalt 9, dem Außenpol 15a und dem Innenpol 14 eine ringförmige Kompensationsspule 13 angeordnet. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 10 kann durch die Kompensa tionsspule 13 neutralisiert werden, um das Einfangen des Ankers 12 durch das kleiner dimensionierte Magnetsystem 11, 16 zum Öffnen des Ventils zu ermöglichen.Compared to the first magnet system consisting of the annular magnet coil 11 and the cup-shaped core 16 , the second magnet system 10 , 13 , 14 , 15 , 15 a is arranged for closing the valve. It consists of an annular permanent magnet 10 , the valve side of an outer pole 15 a and on the opposite side of a yoke 15 is bordered. A cylindrical inner pole 14 is coaxially enclosed by the yoke 15 , through which the anchor rod 17 is guided. On the armature-side end face of the second magnet system, an annular compensation coil 13 is arranged between the air gap 9 , the outer pole 15 a and the inner pole 14 . The magnetic field of the permanent magnet 10 can be neutralized by the compensation coil 13 in order to enable the armature 12 to be captured by the smaller-sized magnet system 11 , 16 for opening the valve.
Der Durchmesser des Permanentmagneten 10 ist aus physikali schen Gründen größer als der Durchmesser des aus der Magnet spule 11 und dem Kern 16 bestehenden Elektromagneten. Um den Durchmesser des Permanentmagneten möglichst gering zu hal ten, besteht der Innenpol 14 aus einem Magnetwerkstoff mit möglichst hoher Sättigungsinduktion, z. B. aus einer 50%igen Eisen-Kobalt-Legierung. Joch 15 und Außenpol 15a bestehen in vorteilhafter Weise aus evolventenförmig geschichteten Blechen konstanter Dicke. Joch 15 und Außenpol 15a weisen ihren größten Durchmesser an der Einfassung des Permanentma gneten 3 auf und verjüngen sich konisch zu beiden Seiten hin, so daß der Außendurchmesser des Außenpols 15a ankersei tig etwas geringer als der Durchmesser des topfförmigen Kerns 16 ist. Dies führt zu einer vorteilhaften Reduzierung der Ankermasse, wodurch sich eine Verbesserung des Drehzahl verhaltens und eine Verschleißminderung ergibt.The diameter of the permanent magnet 10 is larger for physical reasons than the diameter of the magnet coil 11 and the core 16 existing electromagnet. In order to keep the diameter of the permanent magnet as small as possible, the inner pole 14 consists of a magnetic material with the highest possible saturation induction, for. B. from a 50% iron-cobalt alloy. The yoke 15 and the outer pole 15 a advantageously consist of involute-layered sheets of constant thickness. The yoke 15 and the outer pole 15 a have their largest diameter at the border of the permanent magnet 3 and taper conically on both sides, so that the outer diameter of the outer pole 15 a is somewhat less than the diameter of the pot-shaped core 16 . This leads to an advantageous reduction in the anchor mass, which results in an improvement in the speed behavior and a reduction in wear.
Der Anker 12 besteht gleichfalls vorzugsweise aus einem Werkstoff mit möglichst hoher Sättigungsinduktion, z. B. aus einer 50%igen Eisen-Kobalt-Legierung. Dies führt gleich falls zu einer Verbesserung des Drehzahlverhaltens und zu einer Verminderung des Energiebedarfs.The anchor 12 also preferably consists of a material with the highest possible saturation induction, for. B. from a 50% iron-cobalt alloy. This also leads to an improvement in the speed behavior and a reduction in energy consumption.
In Fig. 3 sind der Leistungsbedarf einer herkömmlichen elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten (E) und einer erfindungsgemäßen Ventilsteuerung mit einem Permanentmagnetsystem und einem Elektromagnetsystem (PE) der Leistungscharakteristik einer Lichtmaschine (L) in Abhängig keit von der Drehzahl gegenübergestellt. Während die Lei stungsaufnahme einer rein elektromagnetischen Ventilsteue rung von der Drehzahl unabhängig ist, ist der Leistungsbe darf einer erfindungsgemäßen Ventilsteuerung der Drehzahl proportional. Damit ergibt sich eine besonders gute Anpas sung des Energiebedarfs an die Leistungscharakteristik einer Lichtmaschine. Der Leistungsbedarf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bei hohen Drehzahlen zwar höher als der eines rein elektromagnetischen Systems, jedoch können wegen des geringeren Energiebedarfs bei niedrigen Drehzahlen kleinere Lichtmaschinen verwendet werden. In Fig. 3, the power requirement of a conventional electromagnetic valve control with two electromagnets (E) and a valve control according to the invention with a permanent magnet system and a solenoid system (PE) of the performance characteristics of an alternator (L) are compared depending on the speed. While the power consumption of a purely electromagnetic valve control is independent of the speed, the power requirement of a valve control according to the invention is proportional to the speed. This results in a particularly good adaptation of the energy requirement to the performance characteristics of an alternator. The power requirement of a device according to the invention is higher at high speeds than that of a purely electromagnetic system, but because of the lower energy requirement at lower speeds smaller alternators can be used.
FigurenlegendeFigure legend
1 Magnetgehäuse
9 Luftspalt
10 Permanentmagnet
11 Magnetspule
12 Anker
13 Kompensationsspule
14 Innenpol
15 Joch
15a Außenpol
16 Kern
17 Ankerstange
18 Stangenkopf
19 Lagermittelpunkt
20 Schwinghebel
21 Schwinghebelbolzen
22 Schwinghebelkopf
23 Schiebehülse
24 Tellerfeder
25 Haltehülse
26 hydraulische Dämpfungseinrichtung
27 Mitnehmerhülse
28 Führungshülse
29 Ventil
30 Ventilteller
31 Ventilschaft
32 Ventilsitz
33 Zylinderkopf 1 magnet housing
9 air gap
10 permanent magnet
11 solenoid
12 anchors
13 compensation coil
14 inner pole
15 yokes
15 a outer pole
16 core
17 anchor rod
18 rod head
19 bearing center
20 rocker arms
21 rocker arm bolts
22 rocker arm head
23 sliding sleeve
24 disc spring
25 holding sleeve
26 hydraulic damping device
27 drive sleeve
28 guide sleeve
29 valve
30 valve plates
31 valve stem
32 valve seat
33 cylinder head
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3928066A DE3928066A1 (en) | 1989-08-25 | 1989-08-25 | EM valve opening and closing device - has two magnet systems of small dimensions to reduce reaction time |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3928066A1 true DE3928066A1 (en) | 1991-02-28 |
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ID=6387832
Family Applications (1)
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DE3928066A Ceased DE3928066A1 (en) | 1989-08-25 | 1989-08-25 | EM valve opening and closing device - has two magnet systems of small dimensions to reduce reaction time |
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8131 | Rejection |