DE10141261A1

DE10141261A1 - Cooling electromagnetic actuators for internal combustion engine valve control, involves using endothermic phase transition of cooling medium into gaseous phase to cool actuator

Info

Publication number: DE10141261A1
Application number: DE10141261A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kellermann; Andreas Frischeisen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-13

Abstract

The method involves using the endothermic phase transition of a cooling medium into the gaseous phase to cool the actuator, especially in the vicinity of at least one magnet, especially in the vicinity of a second magnet in a housing on the side facing away from cylinder head.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung elektromagnetischer Aktuatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method for cooling electromagnetic actuators according to the preamble of claim 1.

Aktuatoren zur elektromagnetischen Ventilbetätigung bei Brennkraftmaschinen erfahren im Betrieb eine sehr starke Erwärmung, welche einerseits die Verlustleistung der verwendeten Elektromagneten stark ansteigen lässt und sich andererseits sehr nachteilig auf die Lebensdauer auswirkt - im Extremfall kann sogar eine Zerstörung des Aktuators die Folge sein. Es ist daher notwendig, die Wärme von den verwendeten Elektromagneten abzuleiten. Die Elektromagneten sind in einem mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verbundenen Gehäuse angeordnet, wobei ein Elektromagnet - zur Steuerung der Öffnungsbewegung des Ventils - zylinderkopfseitig und der andere Elektromagnet - zur Steuerung einer Schließbewegung des Ventils - auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite angeordnet ist. Eine Kühlung erfolgt beispielsweise durch Wärmeableitung auf den kühleren Zylinderkopf, in dem ein leitender Wärmeübergang von der Magnetspule über das Gehäuse und den Aktorfuß auf den kühleren Zylinderkopf erfolgt. Zwischen den Elektromagneten ist eine mit dem Schaft des zu betätigenden Ventils axial fest verbundene Ankerplatte angeordnet, wodurch sich in deren Bereich ein geringer Gehäusequerschnitt - und somit nur eine geringe Wärmeleitung - ergibt. Aufgrund dessen erwärmt sich im Betrieb der auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite befindliche Aktuatorbereich sehr viel stärker als der zylinderkopfseitige Bereich. Eine besondere Kühlung dieses Aktuatorbereiches ist daher unumgänglich notwendig. Actuators for electromagnetic valve actuation in internal combustion engines experience a very strong warming during operation, which on the one hand results in power loss of the electromagnet used can rise sharply and on the other hand very much adversely affects the service life - in extreme cases, even destruction of the actuator. It is therefore necessary to remove the heat from the derive used electromagnets. The electromagnets are in one arranged housing connected to the cylinder head of the internal combustion engine, an electromagnet - to control the opening movement of the valve - on the cylinder head side and the other electromagnet - to control one Closing movement of the valve - on the side facing away from the cylinder head is arranged. Cooling takes place, for example, by heat dissipation to the cooler cylinder head, in which a conductive heat transfer from the solenoid on the cooler cylinder head via the housing and the actuator base. Between the electromagnet is one with the stem of the valve to be actuated axially fixed anchor plate arranged, which is in their area small housing cross section - and thus only a low heat conduction - results. Because of this, the cylinder head warms up during operation Actuator area located on the opposite side is much stronger than that area on the cylinder head side. A special cooling of this actuator area is therefore absolutely necessary.

Der Stand der Technik kennt sehr aufwendige Lösungen zur Kühlung dieses Aktuatorbereiches, beispielhaft wird die DE 199 48 205 A1 genannt. Die Ableitung der Wärme aus dem dem Zylinderkopf zugewandten Aktuatorbereich erfolgt wärmeleitend über Träger auf den Zylinderkopf, zur Ableitung der Wärme aus den dem Zylinderkopf abgewandten Bereichen des Aktuators ist ein Aktuatorgehäusedeckel vorgesehen, an welchem im oberen Bereich ein von Kühlerluft oder Kühlmittel durchströmter Luftleitkanal angrenzt. Um die Wärmeleitung vom oberen Aktuatorbereich zum Luftleitkanal herzustellen, sind Wärmebrücken in Form wärmeleitender Bänder oder eines wärmeleitenden Elastomers vorgesehen. Diese beispielhaft genannte Anordnung ist sehr aufwändig, umfasst eine Vielzahl von Bauteilen und ist somit sehr teuer, schwierig zu montieren/demontieren bzw. zu warfen und sehr fehleranfällig. The prior art knows very complex solutions for cooling this Actuator area, DE 199 48 205 A1 is mentioned as an example. Deriving the Heat is generated from the actuator area facing the cylinder head thermally conductive via carrier on the cylinder head, to dissipate the heat from the Areas of the actuator facing away from the cylinder head is an actuator housing cover provided, on which in the upper area one of cooler air or coolant air duct flowed through. To conduct heat from the top Manufacture actuator area to the air duct, thermal bridges in the form of heat conductive Tapes or a thermally conductive elastomer are provided. This is exemplary said arrangement is very complex, includes a large number of components and is therefore very expensive, difficult to assemble / disassemble or throw and very error-prone.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kühlung elektromagnetischer Aktuatoren bereitzustellen, welches eine vereinfachte und in Bezug auf Kosten, Montage und Funktion günstige Kühlung insbesondere des dem Zylinderkopf abgewandten Aktuatorbereichs bereitzustellen. The object of the invention is a method for cooling electromagnetic Provide actuators, which is simplified and in terms of cost, assembly and function favorable cooling, especially that of the cylinder head facing away To provide actuator area.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die zugrundeliegende Idee die Nutzung des endothermen Phasenübergangs eines Kühlmediums in die Gasphase beinhaltet. According to the invention, the object is achieved with the features of Claim 1, wherein the underlying idea is the use of the endothermic Includes phase transition of a cooling medium in the gas phase.

Mit den Unteransprüchen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet. With the subclaims is a preferred embodiment of the invention designated.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Temperatur des Kühlmediums vor Aufbringung auf den zu kühlenden Aktuator bzw. Aktuatorbereich entsprechend den die Erwärmung des Kühlmediums beeinflussenden Parametern eingestellt. Dies sind insbesondere die Temperatur des Aktuators bzw. Aktuatorbereiches, die Größe der benetzten Fläche und/oder die Kontaktdauer zwischen Kühlmedium und zu kühlendem Aktuator bzw. Aktuatorbereich, welche durch die Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums und den Weg bestimmt ist. Bevorzugt wird eine Temperatur des Kühlmittels bei seiner Aufbringung auf den zu kühlenden Bereich derart, dass dessen Verdampfungsbereich während der Umströmung der zu kühlenden Bereiche bei dessen Erwärmung vollständig durchlaufen wird. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the Temperature of the cooling medium before application to the actuator to be cooled or Actuator area corresponding to the heating of the cooling medium influencing parameters set. These are in particular the temperature of the actuator or actuator area, the size of the wetted area and / or the contact duration between the cooling medium and the actuator or actuator area to be cooled, which is determined by the flow rate of the cooling medium and the path. A temperature of the coolant when it is applied to the is preferred cooling area such that its evaporation area during the Run around the areas to be cooled completely when they are heated becomes.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kommt als Kühlmedium Öl, zweckmäßigerweise aus dem Motorölkreislauf, zur Anwendung, welches vor Aufbringung auf den zu kühlenden Bereich unter Wärmeübergabe auf einen vom Ölkreislauf getrennten Wasserkühlkreislauf auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt wird. Die Berechnung dieser vorbestimmten Temperatur erfolgt beispielsweise mittels eines elektronischen Steuergerätes auf Basis von mittels Temperatursensoren gemessener oder mittels eines Temperaturmodelles berechneter Temperaturwerte der elektromagnetischen Aktuatoren. In the preferred embodiment, oil is used as the cooling medium, expediently from the engine oil circuit, for use, which before application to the Area to be cooled with heat transfer to a separate area from the oil circuit Water cooling circuit is set to a predetermined temperature. The This predetermined temperature is calculated, for example, by means of a electronic control device based on temperature sensors temperature values measured or calculated using a temperature model electromagnetic actuators.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Figur beschrieben. Dabei zeigt An embodiment of the invention is described below with reference to FIG described a figure. It shows

Fig. 1 schematisch und beispielhaft eine Aktuatorkühlung durch Beölung. Fig. 1 schematically and by way of example actuator cooling by oiling.

Fig. 1 zeigt einen Aktuator 100 zur elektromagnetischen Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors. Der Aktuator 100 weist ein Gehäuse 101 auf, welches mit dem Zylinderkopf 110 verbunden ist. Im Gehäuse 101 sind zwei Elektromagneten 104, 105 angeordnet, wobei der Elektromagnet 105 zylinderkopfseitig angeordnet ist und zum Steuern einer Öffnungsbewegung des Ventils dient; der Elektromagnet 104 ist auf der dem Zylinderkopf 110 abgewandten Seite des Aktuators angeordnet und ist zum Schließen des Ventils ansteuerbar. Im Bereich zwischen den Elektromagneten 104, 105 ist eine Ankerplatte 106, welche mit dem Betätigungsstößel oder Schaft 108 eines Ventils axialfest verbunden ist, angeordnet. Durch eine entsprechende Beaufschlagung der Elektromagneten 104, 105 verschiebt sich die Ankerplatte zwischen den Elektromagneten 104, 105 und eine definierte axiale Bewegung des Ventilschaftes 108 und somit des Ventils wird erreicht. Fig. 1 shows an actuator 100 for the electromagnetic actuation of a valve of an internal combustion engine. The actuator 100 has a housing 101 which is connected to the cylinder head 110 . Two electromagnets 104 , 105 are arranged in the housing 101 , the electromagnet 105 being arranged on the cylinder head side and serving to control an opening movement of the valve; the electromagnet 104 is arranged on the side of the actuator facing away from the cylinder head 110 and can be actuated to close the valve. In the area between the electromagnets 104 , 105 , an armature plate 106 , which is axially fixed to the actuating tappet or stem 108 of a valve, is arranged. Appropriate loading of the electromagnets 104 , 105 displaces the armature plate between the electromagnets 104 , 105 and a defined axial movement of the valve stem 108 and thus of the valve is achieved.

Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme der Elektromagneten 104, 105 erwärmen sich diese im Betrieb sehr stark. Ein großer Teil der im Elektromagneten 105 entstehenden Wärme kann über den großen Querschnitt im Bereich 102 des Gehäuses an den kühleren Zylinderkopf 110 abgegeben werden, wohingegen der Elektromagnet 104 nur über Bereiche dünnen Querschnitts 103 wärmeleitend mit dem Zylinderkopf 110 gekoppelt ist. Insbesondere in diesem oberen Bereich wird ein Kühlmedium 107, wie beispielsweise Öl, aufgebracht. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung von Motoröl aus dem Ölsumpf über eine Steigleitung und eine Ölgalerie 109. Das Kühlmedium 107 umströmt den oberen - vom Zylinderkopf entfernten - Bereich des Aktuators 100, wobei zugleich eine Schmierwirkung im Bereich des Betätigungsstößels oder Ventilschaftes 108 erzielt wird. Due to the high power consumption of the electromagnets 104 , 105, they heat up considerably during operation. A large part of the heat generated in the electromagnet 105 can be dissipated to the cooler cylinder head 110 via the large cross-section in the area 102 of the housing, whereas the electromagnet 104 is coupled to the cylinder head 110 in a heat-conducting manner only over areas with a thin cross-section 103 . A cooling medium 107 , such as oil, is applied in particular in this upper region. According to a preferred exemplary embodiment, engine oil is supplied from the oil sump via a riser and an oil gallery 109 . The cooling medium 107 flows around the upper region of the actuator 100 , which is remote from the cylinder head, a lubricating effect being simultaneously achieved in the region of the actuating tappet or valve stem 108 .

Maßgeblich für den Kühlvorgang ist die Temperatur des zugeführten Kühlmediums 107 im Zusammenwirken mit der Temperatur des zu kühlenden Aktorbereiches. Während des Umströmens erfolgt ein Wärmeübergang vom Aktuator 100 auf das Kühlmedium 107, wodurch der Aktuator gekühlt und das Kühlmedium 107 erhitzt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des zugeführten Kühlmediums 107 derart gewählt, dass während des Kühlvorganges eine Erwärmung des Kühlmediums 107 in den Bereich seiner Verdampfungstemperatur erfolgt. Auf diese Weise wird einerseits eine Kühlung des Aktuators 100 aufgrund des kühlen Mediums 107 erreicht, andererseits erfolgt eine zusätzliche Kühlung aufgrund des endothermen Phasenüberganges des Kühlmediums 107 in die Gasphase während des Kühlvorganges. Unter Berücksichtigung einer Mehrzahl von Parametern wie beispielsweise des Kühlmittelmassenstromes, der benetzten Oberfläche, der Temperatur des Mediums 107 und des Aktuators 100 und/oder der Kontaktdauer wird die Temperatur des Kühlmediums 107 vor Aufbringung zweckmäßigerweise so eingestellt, dass eine Verdampfung während des Überströmens erfolgt. Sehr zweckmäßig ist es dabei, wenn der umströmte Bereich des Aktuators eine große Oberfläche und/oder Strömungsleiteinrichtungen aufweist, so dass eine besonders effektive Kühlung erreicht wird. The temperature of the supplied cooling medium 107 in conjunction with the temperature of the actuator area to be cooled is decisive for the cooling process. During the flow around, heat is transferred from the actuator 100 to the cooling medium 107 , as a result of which the actuator is cooled and the cooling medium 107 is heated. In the present exemplary embodiment, the temperature of the supplied cooling medium 107 is selected such that the cooling medium 107 heats up in the region of its evaporation temperature during the cooling process. In this way, cooling of the actuator 100 is achieved on the one hand due to the cool medium 107 , and on the other hand additional cooling takes place due to the endothermic phase transition of the cooling medium 107 into the gas phase during the cooling process. Taking into account a plurality of parameters such as the coolant mass flow, the wetted surface, the temperature of the medium 107 and the actuator 100 and / or the contact time, the temperature of the cooling medium 107 is expediently set before application so that evaporation takes place during the overflow. It is very expedient if the area around the actuator which has flow around it has a large surface area and / or flow guide devices, so that particularly effective cooling is achieved.

Die Nutzung des endothermen Phasenüberganges eines Kühlmediums bedingt auch eine weitere sehr zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, gemäß der ein eigener Kühlkreislauf zur Kühlung des elektromagnetischen Aktuators vorgesehen ist. Insbesondere in diesem Falle ist es vorteilhaft, ein Kühlmittel zu verwenden, welches in Bezug auf seinen Verdampfungstemperaturbereich, seine Verdampfungs- und seine Kondensationseigenschaften optimiertes ist. The use of the endothermic phase transition of a cooling medium requires also another very useful embodiment of the invention, according to the a separate cooling circuit for cooling the electromagnetic actuator is provided. In this case in particular, it is advantageous to add a coolant use, which in terms of its evaporation temperature range, its Evaporation and its condensation properties is optimized.

Claims

1. Method for cooling electromagnetic actuators for valve control in internal combustion engines with
an armature movable to move a gas exchange valve and
at least one magnet which can be acted upon electrically and comprises a coil which generates heat during operation,
characterized in that the endothermic phase transition of a cooling medium ( 107 ) into the gas phase is used for cooling an actuator, in particular in the area of the at least one magnet ( 104 , 105 ).

2. The method according to claim 1, wherein the actuator
a housing connected to the cylinder head of the internal combustion engine in a heat-dissipating manner,
a first magnet arranged in the housing on the cylinder head side and comprising a coil that generates heat during operation
a second magnet arranged in the housing on the side facing away from the cylinder head and comprising a coil generating heat during operation
comprises, characterized in that an actuator is cooled by means of the cooling medium ( 107 ), in particular in the region of the second magnet ( 104 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature of the cooling medium ( 107 ) corresponding to the temperature, the wetted surface and / or the duration of contact with the / the actuator / actuator area to be cooled is set in such a way that in In the course of the cooling process, a cooling medium temperature is set in the region of its evaporation temperature range.

4. The method according to claim 1 or 3, characterized in that oil is used as the cooling medium ( 107 ), which is set to a predetermined temperature before application to the actuator / actuator area to be cooled with heat transfer to a water cooling circuit separate from the oil circuit.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a separate coolant circuit, delimited from other cooling circuits, is used for cooling the actuator ( 100 ) using its own cooling medium ( 107 ).

6. The method according to claim 5, characterized by the use of a cooling medium ( 107 ) optimized in particular with regard to its evaporation temperature range, its evaporation and its condensation properties.