DE10151201A1

DE10151201A1 - Electrical valve drive for internal combustion engine gas exchange valves, has rotation axis of electrical machine inclined to valve lift direction so machine rotary motion is converted to valve lifting motion

Info

Publication number: DE10151201A1
Application number: DE10151201A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Masberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-04-30

Abstract

The drive has a rotary electrical machine (8) whose rotor (10) is coupled to a gas exchange valve (1) of the internal combustion engine. The axis of rotation (11) of the electrical machine is inclined with respect to the valve lift direction (12) so that a rotary motion of the electrical machine is converted into a lifting motion of the valve. AN Independent claim is also included for the following: (i) Combustion engine with gas shuttle valves and at least an electrical valve impulse after one of the other claims.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Ventiltriebe für Verbrennungsmotoren, und insbesondere einen elektrischen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor, mit einer rotatorischen elektrischen Maschine, deren Rotor mit einem Gaswechselventil des Verbrennungsmotors gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem derartigen elektrischen Ventiltrieb. The invention relates generally to valve trains for internal combustion engines, and in particular an electric valve train for an internal combustion engine, with a rotary electric machine, the rotor of which with a gas exchange valve Internal combustion engine is coupled. The invention also relates to a Internal combustion engine with at least one such electric valve train.

Bei Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung erfolgt beim 4-Takt- Verfahren die Steuerung des erforderlichen Gas- oder Ladungswechsels mit Gaswechselventilen (auch bei bestimmten Zweitaktmotorkonstruktionen kommen Gaswechselventile zur Anwendung). Herkömmlicherweise werden beim 4-Takt- Verfahren zur Steuerung des Gaswechsels eine oder mehrere, mit halber Motordrehzahl drehende Nockenwellen von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Die Nockenwellen öffnen die für das Ausschieben der verbrauchten Gase und Ansaugen der Frischgase separat ausgelegten Gaswechselventile gegen Ventilfedern. Bei der Mehrzahl der derzeit in Großserie hergestellten Verbrennungsmotoren stehen die Nockenwellen in einer festen Winkelbeziehung zur Kurbelwelle, das Öffnen und Schließen der Ventile erfolgt also bei festen Winkelstellungen der Kurbelwelle, bezogen auf deren 720°-Umlaufperiode beim 4-Takt-Verfahren. In internal combustion engines with 4-stroke Process the control of the required gas or charge change with Gas exchange valves (also come with certain two-stroke engine designs Gas exchange valves for use). Traditionally, 4-stroke Method of controlling the gas exchange one or more, with half Engine speed rotating camshafts from the crankshaft of the internal combustion engine driven. The camshafts open for the exhaust of the used gases and Suction of fresh gases against separately designed gas exchange valves Valve springs. Most of the internal combustion engines currently mass-produced the camshafts are in a fixed angular relationship to the crankshaft The valves are opened and closed at fixed angular positions Crankshaft, based on its 720 ° rotation period in the 4-stroke process.

Derartige starre Steuerzeiten für die Ventile sind jedoch nicht als optimal anzusehen, da im Hinblick auf bestmöglichen Wirkungsgrad und möglichst hohes Drehmoment bei allen Drehzahlen variable Steuerzeiten als Funktion der Drehzahl und ggf. weiterer Motorparameter (z. B. der Last) erforderlich wären. Starre Steuerzeiten stellen hingegen einen wirkungsgradmindernden Auslegungs-Kompromiß hinsichtlich der bei verschiedenen Drehzahlen erreichbaren Mitteldrücke (und damit Drehmomente) dar. Je höher die Nenndrehzahl oder je breiter das nutzbare Drehzahlband eines Verbrennungsmotors ist, desto unbefriedigender fällt dieser Kompromiß aus. Im Hinblick auf den zunehmend als wichtig erkannten sparenden Umgang mit Ressourcen und die Reduzierung umweltschädlicher oder klimaaktiver Abgasemissionen besteht daher ein Bedürfnis nach Ventiltrieben mit variablen Steuerzeiten. Während nämlich andere Ansätze zur Wirkungsgraderhöhung und Emissionsminderung (z. B. durch elektronische Steuerung der Einspritzmenge und des Zündzeitpunkts) als weitgehend ausgereizt gelten und deren weitere Optimierung bei vertretbarem Aufwand nur noch kleinere Verbesserungen zu erwarten läßt, können aus heutiger Sicht durch Ventiltriebe mit variablen Steuerzeiten signifikante Wirkungsgradverbesserungen und Emissionsreduzierungen erreicht werden. Such rigid control times for the valves are, however, not optimal to look at, in view of the best possible efficiency and the highest possible Torque at all speeds variable timing as a function of speed and possibly further motor parameters (e.g. the load) would be required. rigidity Control times, on the other hand, represent an efficiency-compromising design compromise with regard to the mean pressures achievable at different speeds (and thus Torques). The higher the nominal speed or the wider the usable one Speed range of an internal combustion engine, the more unsatisfactory it falls Compromise. In view of the saving that is increasingly recognized as important Use of resources and the reduction of environmentally harmful or climate-active Exhaust emissions there is therefore a need for valve trains with variable Timing. While other approaches to increasing efficiency and Emission reduction (e.g. by electronic control of the injection quantity and the Ignition point) are considered largely exhausted and their further optimization justifiable effort can be expected only minor improvements significant from today's perspective due to valve trains with variable timing Efficiency improvements and emission reductions can be achieved.

Es gibt bereits eine Reihe von Vorschläge, variable Steuerzeiten durch eine verstellbare Ausführung der Nockenwelle, der Nocken oder eines Nockenübertragers zu erzielen. Bei einer bekannten derartigen Lösung wird die Einlaßnockenwelle über einen Hydrauliksteller in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verdreht (Alfa Romeo, Mercedes-Benz). Gemäß einem weiteren derartigen Vorschlag erfolgt die Veränderung der Ventilsteuerzeiten durch Schalten von zwei unterschiedlichen Nockenformen (Honda). Gemäß einer noch weiteren derartigen Lösung erfolgt eine stufenlose Änderung der Ventilsteuerzeiten mit Hilfe von räumlichen Nockenprofilen auf einer längsverschieblichen Nockenwelle (Fiat) (siehe H. Bauer (Red.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch, 22. Auflage, 1995, S. 374-376}. BMW bietet schließlich seit kurzem Serienfahrzeuge mit einer Ventilsteuerung mit dem Markennamen "Valvetronic" an, bei der die Steuerzeiten der Einlaßventile mit Hilfe eines verstellbaren Nockenübertragers variiert werden können. There are already a number of proposals for variable tax times through one adjustable version of the camshaft, the cams or a cam transmitter to achieve. In a known such solution, the intake camshaft is over a hydraulic actuator rotated depending on the engine speed (Alfa Romeo, Mercedes Benz). According to another such proposal, the Change the valve timing by switching two different ones Cam shapes (Honda). According to yet another solution of this type, there is a stepless one Change the valve timing with the help of spatial cam profiles on one longitudinally displaceable camshaft (Fiat) (see H. Bauer (ed.): automotive engineering Taschenbuch / Bosch, 22nd edition, 1995, pp. 374-376}. BMW has been offering since recently production vehicles with a valve control with the brand name "Valvetronic", in which the control times of the intake valves with the help of a adjustable cam transmitter can be varied.

Obgleich diese Lösungen, die auf einer mechanischen Verstellung des von der Kurbelwelle abgeleiteten Nockenantriebs beruhen, zu Verbesserungen hinsichtlich Wirkungsgrad- und Abgasemissionsverhalten führen, ist der konstruktive Aufwand bei zumindest einigen dieser Lösungen beträchtlich, und die Möglichkeiten zur Variation der Steuerzeiten sind konstruktiv beschränkt. Although these solutions, which are based on a mechanical adjustment of the Crankshaft-derived cam drives are based on improvements regarding Leading efficiency and exhaust emission behavior is the design effort considerable with at least some of these solutions, and the opportunities to Variations in the timing are structurally limited.

Jenseits dieser, auf einer Relativ-Verstellung des Nockenantriebs gegenüber der Kurbelwelle beruhenden Lösungen wurden bereits elektrische Ventiltriebe vorgeschlagen, welche eine weitgehend freie Wahl der Ventilsteuerzeiten unabhängig von der Kurbelwellenstellung erlauben. Meist sind hierbei - obwohl dies nicht zwingend ist - individuelle Ventiltriebe für die einzelnen Ventile vorgesehen, was konstruktiv besonders einfach ist. Als einfachste Lösung dieser Art wurde vorgeschlagen, den Ventilschaft als eine Art Resonanz-Schwinger zwischen den Endlagen zweier elektrischer Spulen auszubilden. Während der Öffnungs- und Schließbewegung fliegt der Ventilschaft weitgehend unkontrolliert, lediglich in den Endlagen wird er in seiner Position erfaßt und durch mechanische Federn abgebremst. Ein Problem bei dieser Lösung ist, daß der Ventilsitz im Zylinder des Verbrennungsmotors mit relativ hoher Geschwindigkeit getroffen wird und es daher zu relativ lauten, in hohem Frequenzbereich liegenden Klappergeräuschen kommt. Beyond this, on a relative adjustment of the cam drive opposite Solutions based on the crankshaft were already electric valve trains proposed which a largely free choice of valve timing independent of allow the crankshaft position. Most are here - although this is not mandatory is - individual valve trains provided for the individual valves, which is constructive is particularly simple. The simplest solution of this type was proposed to be the Valve stem as a kind of resonance oscillator between the end positions of two form electrical coils. The flies during the opening and closing movement Valve stem largely uncontrolled, only in the end positions it becomes in its Position detected and braked by mechanical springs. A problem with this Solution is that the valve seat in the cylinder of the internal combustion engine with a relatively high Speed is hit and it is therefore too noisy, in high Frequency range rattling noise comes.

Gemäß einem weitergehenden Vorschlag soll dieses Problem durch Verwendung eines elektromagnetischen Linearmotors, der die Information über die Lage des Ventils aus der Bewegung des Ventilschafts erhält, vermieden werden. Es ist damit - anders als bei der obigen Lösung - möglich, die Ventilgeschwindigkeit zu den Endlagen hin auf Null herunter zu regeln. Die Linearmotor-Lösung läßt aber einen relativ hohen Leistungsbedarf und daher nicht ganz befriedigenden Wirkungsgrad erwarten. According to a more extensive proposal, this problem should be solved Use of an electromagnetic linear motor that provides information about the location of the Valve obtained from the movement of the valve stem can be avoided. It is so - unlike the above solution - possible to increase the valve speed Regulate end positions down to zero. The linear motor solution leaves one relative expect high power requirements and therefore not quite satisfactory efficiency.

Darüber hinaus sind bereits elektrische Ventiltriebe der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, welche mit einer rotatorischen elektrischen Maschine ausgerüstet sind, deren Rotor mit einem Gaswechselventil des Verbrennungsmotors gekoppelt ist. Beispielsweise ist aus der DE 198 60 451 A1 ein Ventiltrieb in Form eines elektromagnetischen Drehstellers bekannt. Die Achse dieses Drehstellers verläuft quer und seitlich versetzt zur Ventilachse. Mit dem Rotor des Drehstellers ist ein Schwenkhebel fest gekoppelt, welcher über ein Drehgelenk mit dem Ende des Ventilschafts verbunden ist. Das Öffnen des Ventils erfolgt durch Drehung des Drehstellers in der einen Richtung, und das Schließen des Ventils durch Drehung in der anderen Richtung. In addition, electric valve trains are already mentioned Art has been proposed using a rotary electrical machine are equipped, the rotor with a gas exchange valve of the internal combustion engine is coupled. For example, a valve train is in the form of DE 198 60 451 A1 an electromagnetic rotary actuator known. The axis of this turntable runs transversely and laterally offset to the valve axis. With the rotor of the turntable a swivel lever firmly coupled, which is connected via a swivel to the end of the Valve stem is connected. The valve is opened by turning the Turntable in one direction, and closing the valve by turning in the other direction.

Weitere elektrische Ventiltriebe mit Drehstellern sind aus der US-Patentschrift 5,873,335 bekannt. Bei einer in der dortigen Fig. 5 gezeigten Ausführungsform verläuft die Achse des Drehstellers parallel und seitlich versetzt zur Ventilschaftachse. Der Drehsteller dreht einen Steuerkörper, welcher mit einer nicht vollständig umlaufenden Kulissenbahn ausgerüstet ist, deren höchster und tiefster Punkt mit der Geschlossenstellung bzw. Offenstellung des Ventils korrespondiert. Der Ventilschaft ist mit einer Stange ausgerüstet, an welcher ein in die Kulissenbahn eingreifender Gleitstein angeordnet ist. Durch Drehung des Drehstellers in der einen Richtung wird die Stange abgesenkt und damit das Ventil geöffnet, durch Drehung in der anderen Richtung wird sie angehoben und damit das Ventil geschlossen. Further electric valve trains with rotary actuators are known from US Pat. No. 5,873,335. In an embodiment shown in FIG. 5 there, the axis of the rotary actuator runs parallel and laterally offset to the valve stem axis. The turntable rotates a control body, which is equipped with a slotted track that does not completely rotate, the highest and lowest point of which corresponds to the closed or open position of the valve. The valve stem is equipped with a rod on which a sliding block engaging in the slide track is arranged. By turning the turntable in one direction the rod is lowered and the valve is opened, by rotating it in the other direction it is raised and the valve is closed.

Ein weiterer Ventiltrieb mit einer rotatorischen elektrischen Maschine ist schließlich aus der US-Patentschrift 5,327,856 bekannt. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich hier um eine umlaufende Maschine (d. h. eine Maschine, die eine unbegrenzte Anzahl von vollständigen Drehungen in einer Drehrichtung ausführen kann), welche konzentrisch zur Ventilschaftachse angeordnet ist. Die Maschine dreht einen Steuerkörper, welcher eine vollständig umlaufende Kulissenbahn aufweist. Deren höchster bzw. tiefster Punkt entspricht der Geschlossenstellung bzw. Offenstellung des Ventils. Zur Ventilbetätigung wird die elektrische Maschine nicht - wie bei den beiden vorgenannten Vorschlägen - für jede einzelne Ventilbetätigung aus dem Stillstand beschleunigt und wieder zum Stillstand gebracht. Vielmehr dreht die elektrische Maschine fortwährend in einer Richtung, wobei die Kulissenbahn im Steuerkörper so ausgebildet ist, daß das Ventil über ungefähr x des Umlaufs geschlossen ist (ungefähr entsprechend dem Verdichtungstakt, Verbrennungstakt und einem der beiden Gaswechseltakte) und nur ungefähr über ein R eines Umlaufs geöffnet ist (im wesentlichen entsprechend dem anderen Gaswechseltakte). Eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten kann bei diesem Vorschlag dadurch erzielt werden, daß die elektrische Maschine jeweils innerhalb eines Umlaufs beschleunigt und abbremst, so daß bei insgesamt ungeänderter Gesamtumdrehungszeit bestimmte Winkelbereiche schneller und andere langsamer durchlaufen werden. Another valve train with a rotary electrical machine is finally known from US Pat. No. 5,327,856. With the electrical Machine is a rotating machine (i.e. a machine that an unlimited number of complete rotations in one direction can perform), which is arranged concentrically to the valve stem axis. The machine rotates a control body, which is a completely revolving slide track having. The highest or lowest point corresponds to the closed position or Open position of the valve. The electrical machine is not used for valve actuation - as with the two aforementioned proposals - for each individual valve actuation accelerated from standstill and brought to a standstill again. Rather turns the electrical machine continuously in one direction, the slide track in Control body is designed so that the valve over approximately x of the circulation is closed (approximately according to the compression stroke, combustion stroke and one of the two gas exchange cycles) and only about one R of a cycle is open (essentially according to the other gas exchange cycle). A With this proposal, the valve timing can be changed by that the electrical machine accelerates within one revolution and decelerates so that given an overall unchanged total revolution time Angular ranges are traversed faster and others more slowly.

Grundsätzlich erscheinen die auf rotatorischen elektrischen Maschinen beruhenden Vorschläge vorteilhaft, da sie teilweise eine sehr flexible Verstellung der Ventilsteuerzeiten und zum Teil eine Steuerung der Ventilbewegung über den gesamten Ventilhub erlauben und dabei im Vergleich zu verstellbaren Nockenwellen - mechanisch relativ einfach aufgebaut sein können. Nach diesseitiger Kenntnis konnte sich aber in der Praxis noch keiner dieser Vorschläge durchsetzen. Basically, they appear on rotary electrical machines based proposals advantageous because they are partly a very flexible adjustment of the Valve timing and partly control of valve movement via the Allow the entire valve lift compared to adjustable camshafts - Can be constructed mechanically relatively simple. According to this knowledge However, none of these suggestions was able to prevail in practice.

Die vorliegende Erfindung stellt einen elektrischen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor bereit, welcher mit einer rotatorischen elektrischen Maschine ausgerüstet ist. Der Rotor der elektrischen Maschine ist mit einem Gaswechselventil des Verbrennungsmotors gekoppelt. Die Rotationsachse dar elektrischen Maschine verläuft schräg zur Hubrichtung des Ventils, so daß eine Drehbewegung der elektrischen Maschine in eine Hubbewegung des Ventils umgesetzt wird. The present invention provides an electric valve train for a Internal combustion engine ready, which with a rotary electrical machine is equipped. The rotor of the electrical machine is equipped with a gas exchange valve Internal combustion engine coupled. The axis of rotation represents the electrical machine runs obliquely to the stroke direction of the valve, so that a rotary movement of the electrical machine is converted into a lifting movement of the valve.

Die Erfindung schlägt auch einen Verbrennungsmotor vor, der mit wenigstens einem elektrischen Ventiltrieb mit einer rotatorischen elektrischen Maschine ausgerüstet ist. Der Rotor der elektrischen Maschine ist mit einem Gaswechsellventil des Verbrennungsmotors gekoppelt. Die Rotationsachse der elektrischen Maschine verläuft schräg zur Hubrichtung des Ventils, so daß eine Drehbewegung der elektrischen Maschine in eine Hubbewegung des Ventils umgesetzt wird. The invention also proposes an internal combustion engine that works with at least one electric valve train with a rotary electric Machine is equipped. The rotor of the electrical machine is with one Gas exchange valve of the internal combustion engine coupled. The axis of rotation of the electrical Machine runs obliquely to the stroke direction of the valve, so that a Rotary movement of the electrical machine is converted into a lifting movement of the valve becomes.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und der angefügten beispielhaften Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen: The invention will now be described on the basis of preferred examples Embodiments and the attached exemplary drawing explained in more detail. In the schematic drawing show:

Fig. 1 eine Seiten-Schnittansicht eines ersten Ausführungsform eines elektrischen Ventiltriebs in Offen- und Geschlossenstellung des Ventils; Figure 1 is a side sectional view of a first embodiment of an electric valve train in the open and closed position of the valve.

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf den Ventiltrieb von Fig. 1; Fig. 2 is a schematic plan view of the valve train of Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm der Ventilstellung und der Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine als Funktion des Drehwinkels bei der Ausführungsform von Fig. 1; Fig. 3 is a diagram of the valve position and the rotational speed of the electric machine as a function of the rotation angle in the embodiment of FIG. 1;

Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht einer zweiten Ausführungsform; FIG. 4 shows a view corresponding to FIG. 1 of a second embodiment;

Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht der zweiten Ausführungsform; Fig. 5 is a view corresponding to Fig 2 of the second embodiment.

Fig. 6 eine Fig. 3 entsprechendes Diagramm der zweiten Ausführungsform; Fig. 6 is a diagram corresponding to Fig. 3 of the second embodiment;

Fig. 7 eine Funktionsblockdarstellung der Speisung und Steuerung eines elektrischen Ventiltriebs; Fig. 7 is a functional block diagram of the power supply and control of an electric valve drive;

Fig. 8 eine Draufsicht eines Verbrennungsmotors mit einem elektrischen Ventiltrieb für jedes Ventil. Fig. 8 is a plan view of an internal combustion engine with an electric valve train for each valve.

In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile zum Teil mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In the figures, parts that are the same or similar in function are partly included marked with the same reference numerals.

Bevor die Figuren näher erläutert werden, folgen zunächst einige Anmerkungen zu den bevorzugten Ausführungsformen. Before the figures are explained, some follow Comments on the Preferred Embodiments.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist das Ventil zur Umsetzung der Drehbewegung in die Hubbewegung an einem Anlenkungspunkt mit dem Rotor gekoppelt, welcher sich auf einem, gegenüber der Hubrichtung des Ventils geneigten Kreis bewegt. Dieser wird durch die Drehung des Rotors definiert. Die vom Kreis aufgespannte Ebene steht also senkrecht auf der Rotationsachse der elektrischen Maschine. Die Rotationsachse verläuft schräg gegenüber der Hubrichtung des Ventils. Die Neigung der Kreisbahn am Anlenkungspunkt relativ zur Ventilachse ändert sich im Verlauf einer Rotordrehung. Daher sind bei den bevorzugten Ausführungsformen der Rotor und das Ventil über ein Drehgelenk gekoppelt. Eine weitere Folge der Schrägstellung ist, daß der Kreis des Anlenkungspunkts, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Ventil-Hubrichtung, als Ellipse erscheint. Bei einer Rotordrehung ändert sich daher der Abstand des Anlenkungspunkts zur Ventilachse geringfügig. Bei den bevorzugten Ausführungsformen sind daher der Rotor und das Ventil so miteinander gekoppelt, daß der entsprechende Längenausgleich möglich ist. Zum Beispiel sorgt eine Geradführung oder, alternativ, ausreichendes Spiel im Drehgelenk für den erforderlichen Längenausgleich. In the preferred embodiments, the valve is for implementing the Rotational movement in the stroke movement at a point of articulation with the rotor coupled, which is on a, opposite to the stroke direction of the valve inclined circle moves. This is defined by the rotation of the rotor. The The plane spanned by the circle is perpendicular to the axis of rotation of the electrical machine. The axis of rotation runs obliquely with respect to the Direction of stroke of the valve. The inclination of the circular path at the point of articulation relative to the valve axis changes in the course of a rotor rotation. Therefore with the preferred embodiments of the rotor and the valve via a swivel joint coupled. Another consequence of the inclination is that the circle of the Articulation point, projected onto a plane perpendicular to the valve stroke direction, as Ellipse appears. With a rotor rotation, therefore, the distance of the Point of articulation to the valve axis is slight. With the preferred Embodiments are therefore coupled to each other so that the rotor and the valve appropriate length compensation is possible. For example, straight guidance ensures or, alternatively, sufficient play in the swivel for the required Length compensation.

Bei (nicht gezeigten) Ausführungsformen kann das Ventil mit einer Verdrehsicherung (z. B. einer Führung an Ventilschaft und Ventilbuchse) ausgerüstet sein, welche eine Übertragung der Rotation der elektrischen Maschine bei der Ventilbetätigung auf das Ventil verhindert. Es wurde aber erkannt, daß eine Drehung des Ventils während des Öffnungs- und Schließvorgangs vorteilhaft sein kann, beispielsweise kann eine Drehung der Einlaßventile die Verwirbelung des Kraftstoff-/Luftgemisches beim Einspritzvorgang in der Brennkammer unterstützen und so zu einem verbesserten Verbrennungsablauf beitragen. Vorzugsweise wird daher das Ventil bei einer Ventilbetätigung um seine eigene Achse gedreht. Bei den bevorzugten Ausführungsformen geschieht dies durch eine Übertragung der Rotation der elektrischen Maschine auf das Ventil. In embodiments (not shown), the valve can be equipped with a Anti-rotation device (e.g. a guide on the valve stem and valve sleeve) be, which is a transmission of the rotation of the electrical machine at the Valve actuation on the valve prevented. However, it was recognized that a Rotation of the valve during the opening and closing process may be advantageous can, for example, a rotation of the intake valves the swirl of the Fuel / air mixture during the injection process in the combustion chamber support and thus contribute to an improved combustion process. Preferably the valve is therefore rotated about its own axis when the valve is actuated. In the preferred embodiments, this is done by transmission the rotation of the electrical machine on the valve.

Bei von der Kurbelwelle abgeleiteten Ventiltrieben sorgt der Ventiltrieb üblicherweise nur für das Öffnen der Ventile, das Schließen der Ventile erfolgt hingegen durch ein Rückholelement, meist eine Feder. Grundsätzlich ist derartiges auch bei einem elektrischen Ventiltrieb möglich. Bei den bevorzugten Ausführungsformen erlaubt der elektrische Ventiltrieb jedoch eine Ventilbetätigung in beiden Richtungen und ein genaues Anfahren der Endpunkte der Ventilbewegung, so daß hier vorteilhaft auch das Schließen des Ventils durch die elektrische Maschine, nicht aber durch ein Rückholelement (z. B. eine Feder) erfolgt. Die Ventilbetätigung kann dadurch stoßärmer erfolgen - das bisherige "Ventilklappern" entfällt, der Verbrennungsmotor läuft also leiser. In the case of valve drives derived from the crankshaft, the valve train provides Usually only for opening the valves, closing the valves on the other hand by a return element, usually a spring. This is basically the case also possible with an electric valve train. With the preferred In embodiments, however, the electric valve train allows valve actuation in both directions and a precise approach to the end points of the Valve movement, so that here advantageously the closing of the valve by the electrical machine, but not by a return element (e.g. a spring). The valve actuation can be done with less shock - the previous one "Valve rattling" is eliminated, so the combustion engine runs quieter.

Hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Winkelstellung des Rotors der elektrischen Maschine und Stellung des Ventils sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht eine Position des Anlenkungspunkts am unteren Scheitel des geneigten Kreises der Offenstellung des Ventils und eine Position des Anlenkungspunkts am oberen Scheitel der Geschlossenstellung. Für eine Öffnungs- bzw. Schließbewegung muß die elektrische Maschine daher den Anlenkungspunkt jeweils von einem zum anderen Scheitel drehen, also jeweils eine Drehung von ungefähr 180° ausführen. An den Scheitelpunkten des geneigten Kreises verläuft die Kreisbahn senkrecht zur Ventilhubrichtung, weshalb eine Kraft in Richtung des Ventilschafts zu keinem Drehmoment auf den Rotor führt. Aus diesem Grund braucht die elektrische Maschine kein oder nur ein geringes Haltemoment aufbringen, um das Ventil in der Geschlossenstellung zu halten. Allerdings benötigt bei dieser Ausführungsform die elektrische Maschine relativ große Drehwinkel, um das geschlossene Ventil etwas zu öffnen oder das bereits teilweise geschlossene Ventil ganz zu schließen. Denn der Zusammenhang zwischen Winkelstellung der elektrischen Maschine und Hubstellung des Ventils entspricht einer Kosinusfunktion, deren oberer und unterer Scheitelpunkt der Geschlossenstellung bzw. Offenstellung des Ventils entspricht; diese Funktion ist aber im Bereich der Scheitelpunkte (d. h. also insbesondere bei der Geschlossenstellung) flach. Um angesichts der Flachheit eine schnelle Ventilöffnung zu erzielen, sollte die Maschine sehr schnell aus dem Stand beschleunigen können. Vorteilhaft ist daher eine Ausführung der elektrischen Maschine mit möglichst geringem Trägheitsmoment. Um eine relativ lange effektive Ventilöffnungszeit zu erzielen, kann die elektrische Maschine vorteilhaft so angesteuert werden, daß sie zum Öffnen des Ventils zunächst schnell auf eine relativ hohe Winkelgeschwindigkeit beschleunigt wird, dann, wenn das Ventil weitgehend geöffnet ist, auf eine niedrigere Winkelgeschwindigkeit oder sogar auf Stillstand abgebremst wird, dann zum Schließen des Ventils wieder auf eine relativ hohe Winkelgeschwindigkeit beschleunigt und schließlich bei Erreichen der Geschlossenstellung zum Stillstand gebremst wird. Aufgrund der verschwindenden Steigung der Kosinusfunktion am Scheitelpunkt ist es auch möglich, die ellektrische Maschine zum Öffnen des Ventils bereits vor dem gewünschten Öffnungszeitpunkt loslaufen zu lassen und/oder zu dessen Schließen erst nach dem gewünschten Schließzeitpunkt zum Stillstand zu bringen. Dies führt nur zu einer vernachlässigbar kleinen verfrühten bzw. verspäteten Ventilöffnung. Vorteil dieser Maßnahme ist jedoch, daß die effektive Ventilöffnungszeit verlängert wird. With regard to the relationship between the angular position of the rotor electrical machine and position of the valve are different Embodiments possible. In a preferred embodiment, one position corresponds of the articulation point at the lower vertex of the inclined circle Open position of the valve and a position of the articulation point at the upper vertex of the Closed position. For an opening or closing movement, the electrical machine therefore the point of articulation from one to the other Turn the apex, i.e. make a rotation of approximately 180 ° each. On the vertices of the inclined circle run perpendicular to Valve stroke direction, which is why a force in the direction of the valve stem to none Torque leads to the rotor. For this reason, the electrical needs Apply little or no holding torque to the valve in the machine Keep closed position. However, this embodiment requires the electrical machine relatively large angle of rotation to the closed valve something to open or the already partially closed valve completely conclude. Because the relationship between the angular position of the electrical Machine and stroke position of the valve corresponds to a cosine function, the upper one and lower vertex of the closed position or open position of the Valve corresponds; however, this function is in the area of the vertices (i.e. especially when closed) flat. To face the flatness To achieve a quick valve opening, the machine should very quickly get out of the Can accelerate the stand. It is therefore advantageous to carry out the electrical machine with the lowest possible moment of inertia. To a relatively long time To achieve effective valve opening time, the electrical machine can be advantageous are controlled so that they open quickly to open the valve a relatively high angular velocity is accelerated when the valve is largely open to a lower angular velocity or even is braked to a standstill, then closed again to close the valve relatively high angular velocity accelerated and finally when reached the closed position is braked to a standstill. Due to the vanishing slope of the cosine function at the vertex it is also possible to electrical machine to open the valve before the desired one Let the opening time start and / or only close after the bring the desired closing time to a standstill. This only leads to one negligible small premature or delayed valve opening. advantage this measure, however, is to increase the effective valve opening time.

Es sind übrigens auch Varianten möglich, bei denen der Anlenkungspunkt in der Geschlossenstellung des Ventils ein wenig jenseits des Scheitelpunkts der Kreisbalhn gewählt wird. Zum Öffnen des Ventils läuft der Anlenkungspunkt dann zunächst auf den Scheitelpunkt zu, durchläuft ihn und läuft dann auf der anderen Seite des Scheitelpunkts entlang der geneigten Kreisbahn, wodurch dann das Ventil geöffnet wird. Die elektrische Maschine kann hierdurch bereits vor dem eigentlichen Öffnungszeitpunkt auf eine relativ hohe Winkelgeschwindigkeit beschleunigt werden, wodurch die verzögernde Wirkung von Trägheitskräften verringert wird. Entsprechend läuft der Anlenkungspunkt zum Schließen des Ventils über den Scheitelpunkt hinaus und kommt erst etwas jenseits des Scheitelpunkts zum Stehen. Incidentally, variants are also possible in which the articulation point in the Closed position of the valve a little beyond the apex of the Kreisbalhn is selected. The articulation point then runs to open the valve first towards the vertex, it passes through and then runs on the other Side of the vertex along the inclined circular path, which then causes the Valve is opened. The electrical machine can hereby before actual opening time to a relatively high angular velocity be accelerated, reducing the retarding effect of inertial forces is reduced. The pivot point for closing the valve runs accordingly beyond the vertex and only comes a little beyond the vertex to stand.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform entspricht hingegen der Geschlossenstellung des Ventils ein Anlenkungspunkt, der zwischen dem oberen und unteren Scheitelpunkt liegt, also in einem Bereich, in dem die Kreisbahn relativ stark geneigt ist. Ein bevorzugtes Beispiel ist eine Lage in der Mitte zwischen dem oberen und unteren Scheitelpunkt. Wegen der Neigung führt eine Drehung der elektrischen Maschine im Bereich der Geschlossenstellung zu einer relativ großen Hubbewegung des Ventils, was für ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils vorteilhaft ist. Allerdings führt bei dieser Ausführungsform eine Kraft in Ventilrichtung zu einem Drehmoment auf den Rotor, so daß die elektrische Maschine zum Geschlossenhalten des Ventils ein Haltemoment aufzubringen hat (sofern keine Selbsthemmung vorliegt oder eine andere Halteeinrichtung vorgesehen ist). In a second preferred embodiment, however, corresponds to Closed position of the valve is an articulation point that is between the upper and the lower vertex, so in an area where the circular path is relatively strongly inclined. A preferred example is a location midway between the top and bottom vertices. Because of the inclination there is a turn the electrical machine in the area of the closed position to a relative large stroke movement of the valve, what a quick opening and closing of the valve is advantageous. However, in this embodiment there is a force in the valve direction to a torque on the rotor, so that the electrical Machine to apply a holding torque to keep the valve closed (if there is no self-locking or another holding device is provided).

Wie bei der obigen ersten Ausführungsform kann das Öffnen und anschließende Schließen des Ventils durch eine zusammenhängende Rotordrehung erfolgen, die hier allerdings weniger als 360° (beim vorliegenden Beispiel 180°) beträgt. Die Winkelgeschwindigkeit kann dabei von den Anfangs- und Endbereichen wegen der dort erforderlichen Beschleunigung abgesehen - im wesentlichen konstant sein. Alternativ ist es aber auch möglich, die Winkelgeschwindigkeit in dem Bereich zwischen Offen- und Geschlossenstellung herabzusetzen oder den Rotor kurzzeitig ganz zum Stillstand zu bringen, um eine lange Ventilöffnungszeit zu erzielen. As with the first embodiment above, opening and subsequent closing of the valve by a continuous rotor rotation take place, but here less than 360 ° (in the present example 180 °) is. The angular velocity can vary from the initial and End areas apart because of the acceleration required there - in be essentially constant. Alternatively, it is also possible to use the Reduce the angular velocity in the area between the open and closed positions or bring the rotor to a complete standstill for a long time To achieve valve opening time.

Bei der erstgenannten Ausführungsform, bei welcher der untere und obere Scheitel der geneigten Kreisbahn der Offen- bzw. Geschlossenstellung des Ventils entspricht, ist es möglich, die Ventilbetätigungen fortlaufend durch Rotordrehung in nur einer Drehrichtung auszuführen. Alternativ ist eine oszillierende Betriebsweise möglich, bei welcher die elektrische Maschine ihre Drehrichtung nach jedem Öffnungs-Schließ-Zyklus ober innerhalb eines jeden solchen Zyklus wechselt. Bei der zweitgenannten Ausführungsform, bei welcher eine Anlenkungspunktposition im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Scheitelpunkt der Geschlossenstellung des Ventils entspricht, arbeitet die elektrische Maschine in jedem Fall oszillierend, da im oberen Bereich liegende Teile der Kreisbahn nicht durchfahren werden können. In the former embodiment, in which the lower and upper Vertex of the inclined circular path of the open or closed position of the Corresponds to the valve, it is possible to continuously control the valve actuations Rotate the rotor in only one direction. Alternatively, an oscillating one Operating mode possible in which the electrical machine changes its direction of rotation every opening-closing cycle or within each such cycle replaced. In the second embodiment, in which one Articulation point position in the area between the upper and lower vertex corresponds to the closed position of the valve, the electrical machine works in any case oscillating, since parts of the circular path lying in the upper area are not can be driven through.

Mit der elektrischen Maschine können, wie bei einem Positionierantrieb, bestimmte Anfangs- und Endpunkte (beispielsweise die Scheitelpunkte) angefahren und außerdem einzelne Kreissegmente mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durchfahren werden, um bestimmte gewünschte Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils zu realisieren. Grundsätzlich kann die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgeführt sein. Wegen der einfacheren Steuerbarkeit und dem besser definierten Zusammenhang zwischen dem drehmomenterzeugenden Magnetfeld und der Winkelstellung des Rotors ist jedoch eine Ausbildung als Synchronmaschine bevorzugt. Zur Positionierung und geschwindigkeitsvariablen Steuerung ist vorteilhaft eine Rückmeldung der momentanen tatsächlichen Rotor- oder Ventilstellung an die Steuerung der elektrischen Maschine vorgesehen. Besonders vorzugsweise ist die elektrische Maschine als Schrittmotor ausgebildet, insbesondere in Form einer hochpoligen Synchronmaschine, die beispielsweise permanenterregt ist (siehe z. B. Peter F. Brosch: "Moderne Stromrichterantriebe", 2. Auflage, 1992, Seiten 202-211). Bei einem solchen Schrittmotor ist eine schrittgenaue Positionierung durch Vorgabe von Steuerimpulsen möglich. Eine Rückmeldung der tatsächlichen Stellung des Rotors ist dabei nicht erforder- lich, kann aber vorteilhaft sein, um feststellen zu können, ob der Schrittmotor aus dem Tritt gefallen ist. Mit einem solchen Schrittmotor ist es durch entsprechende Vorgabe der Steuerimpulse auf besonders einfache Weise möglich, bestimmte Winkelstellungen anzufahren und einzelne Kreissegmente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu durchfahren. With the electrical machine, as with a positioning drive, certain start and end points (for example the vertices) approached and also individual circle segments at different speeds be driven through to certain desired opening and opening Realize closing movements of the valve. Basically, the electrical machine be designed as an asynchronous machine. Because of the easier controllability and the better defined relationship between the torque-generating magnetic field and the angular position of the rotor is an education preferred as a synchronous machine. For positioning and speed-variable control is advantageous a feedback of the current actual Rotor or valve position to control the electrical machine intended. The electrical machine is particularly preferred as a stepper motor trained, in particular in the form of a multi-pole synchronous machine, the for example, is permanently excited (see, for example, Peter F. Brosch: "Modernity Power converter drives ", 2nd edition, 1992, pages 202-211). With such a stepper motor step-by-step positioning is possible by specifying control pulses. A feedback of the actual position of the rotor is not necessary Lich, but can be advantageous to determine whether the stepper motor has fallen out of step. With such a stepper motor it is done corresponding specification of the control impulses is possible in a particularly simple manner, to move to certain angular positions and individual segments of a circle to drive through different speeds.

Auch wenn ein Ventil nicht mit einer Ventilfeder ausgerüstet ist, ist zum Ventilöffnen Arbeit aufzubringen. Hierbei handelt es sich neben Reibungsarbeit und Kompressionsarbeit (im Fall, daß beim Öffnen Überdruck im Zylinder herrscht) um Beschleunigungsarbeit. Letztere wird in kinetische Energie des sich bewegenden Ventils umgewandelt. Im weiteren Verlauf der Öffnungsbewegung wird das Ventil wieder abgebremst und zum Stillstand gebracht, die kinetische Energie also wieder herausgenommen. Im Prinzip kann diese wiedergewonnene Energie "vernichtet" (d. h. beispielsweise in Wärme dissipiert) werden. Im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad ist es jedoch bevorzugt, die kinetische Energie zu rekuperieren. Während die elektrische Maschine beim Beschleunigen des Ventils als Motor arbeitet und elektrische Energie durch Leisten mechanischer Arbeit in kinetische Energie umwandelt, arbeitet sie zwecks Rekuperation dieser Energie beim anschließenden Abbremsen als Generator, welcher die kinetische Energie durch Bremsarbeit in elektrische Energie zurückverwandelt. Diese Energie wird zwischengespeichert und für die nächste Ventilbeschleunigung wiederverwendet. Die Zwischenspeicherung erfolgt vorzugsweise in einem Kondensatorspeicher oder einer geeigneten schnellen Batterie. Prinzipiell kann die Beschleunigungsarbeit wegen des unter 100% liegenden Wirkungsgrads der elektrischen Maschine und des Energiespeichers nicht vollständig rekuperiert werden. Dennoch verringert sich die zum Betreiben des Ventiltriebs erforderliche effektive Leistung gegenüber Ausführungsformen, bei denen die Bremsenergie verheizt wird. Even if a valve is not equipped with a valve spring, Valve opening to apply work. In addition to friction work and compression work (in the event that overpressure in the cylinder when opening prevails) around acceleration work. The latter is expressed in the kinetic energy of itself moving valve converted. In the further course of the opening movement the valve is braked again and brought to a standstill, the kinetic So energy is taken out again. In principle, this can be recovered Energy is "destroyed" (i.e. dissipated in heat, for example). in the However, in order to achieve the highest possible efficiency, it is preferred that to recuperate kinetic energy. While the electrical machine at Accelerate the valve as the motor works and electrical energy through strips Converting mechanical work into kinetic energy, it works for the purpose Recuperation of this energy when braking as a generator, which the kinetic energy by braking into electrical energy reconverted. This energy is stored temporarily and for the next one Valve acceleration reused. The intermediate storage is preferably carried out in a capacitor store or a suitable fast battery. in principle can the acceleration work because of the less than 100% Efficiency of the electrical machine and the energy storage is not complete be recuperated. Nevertheless, that for operating the valve train is reduced effective performance required over embodiments in which the Braking energy is heated.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist jedes Einlaß- und Auslaßventil mit einem eigenen elektrischen Ventiltrieb ausgerüstet. Da eine in manchen Fällen ausreichende Variabilität der Steuerzeiten allein durch variable Ansteuerung der Einlaßventile (oder ev. allein der Auslaßventile) erzielt werden kann, sind auch Hybride möglich, bei denen nur die Einlaßventile (bzw. nur die Auslaßventile) einzeln durch elektrische Maschinen der hier beschriebenen Art angetrieben werden, wohingegen die anderen Ventile durch eine herkcimmliche, von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle betätigt werden. In the preferred embodiment of the internal combustion engine, each is Inlet and outlet valve equipped with their own electric valve train. Because in some cases a sufficient variability of the tax times is solely due to variable control of the intake valves (or possibly only the exhaust valves) achieved hybrids in which only the inlet valves (or only the exhaust valves) individually by electrical machines of here described type are driven, whereas the other valves by a conventional, driven by the crankshaft camshaft.

Nun zurückkommend zu den Fig. 1 und 2, ist dort ein elektrischer Ventiltrieb gemäß einer ersten Ausführungsform in Seiten-Schnittansicht und Draufsicht schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform entsprechen die Scheitelpunkte der geneigten Kreisbahn der Offen- und Geschlossenstellung des Ventils. Fig. 1a zeigt die Offenstellung, und Fig. 1b die Geschlossenstellung. Das Gaswechselventil 1 weist einen Ventilteller 2 und einen Ventilschaft 3 auf. Es ist mit dem Ventilschaft 3 in einer Ventilführung 4 geführt, welche eine Verschiebung des Ventils 1 längs einer Ventilhubachse 12 sowie eine Drehung des Ventils 1 zuläßt. Das Ventil 1 sitzt in Geschlossenstellung (Fig. 1b) in einem Ventilsitz 5, wodurch es einen Luftkanal 6 gegenüber einem Zylinderraum 7 eines Verbrennungsmotors hermetisch abschließt. In der Offenstellung (Fig. 1a) ist das Ventil 1 um den maximalen Ventilhub H in Richtung Zylinder verschoben, so daß zvwischen Ventilteller 2 und Ventilsitz 5 eine Ventilöffnung vorliegt, durch die Gas aus dem Luftkanal 6 in den Zylinder (oder umgekehrt) strömen kann. Returning now to FIGS. 1 and 2, an electrical valve train according to a first embodiment is shown schematically in a side sectional view and a top view. In this embodiment, the vertices of the inclined circular path correspond to the open and closed positions of the valve. Fig. 1a shows the open position, and Fig. 1b, the closed position. The gas exchange valve 1 has a valve plate 2 and a valve stem 3 . It is guided with the valve stem 3 in a valve guide 4 , which permits a displacement of the valve 1 along a valve stroke axis 12 and a rotation of the valve 1 . The valve 1 is seated in the closed position ( FIG. 1b) in a valve seat 5 , as a result of which it hermetically seals an air channel 6 with respect to a cylinder space 7 of an internal combustion engine. In the open position ( Fig. 1a), the valve 1 is displaced by the maximum valve lift H in the direction of the cylinder, so that between the valve plate 2 and valve seat 5 there is a valve opening through which gas can flow from the air duct 6 into the cylinder (or vice versa) ,

Eine elektrische Maschine 8 sorgt für den Antrieb des Ventils 1. Sie weist einen Stator 9 und einen drehbar im Gehäuse gelagerten Rotor 10 auf. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich um eine vielpolige permanenterregte Synchronmaschine, die als Positionierantrieb nach Art eines Schrittmotors ausgebildet ist. Die Achse 11 des Rotors 10 ist gegenüber der Ventilhubachse 12 um einen Winkel a geneigt angeordnet. An electric machine 8 drives the valve 1 . It has a stator 9 and a rotor 10 rotatably mounted in the housing. The electrical machine is a multi-pole, permanently excited synchronous machine, which is designed as a positioning drive in the manner of a stepper motor. The axis 11 of the rotor 10 is arranged inclined at an angle a with respect to the valve stroke axis 12 .

Das Ventil 1 ist mit dem Rotor 10 durch eine Koppelstange 15 gekoppelt, welche quer zur Ventilhubachse 12 verläuft. Ein Ende der Koppelstange 15 ist an einem Anlenkungspunkt 13 mit dem Rotor 10 durch ein Drehgelenk 16 verbunden. Der Anlenkungspunkt 13 liegt in der Mittelebene des Rotors 10 an dessen innerem Umfang. Das Drehgelenk 16 erlaubt Relativdrehungen zwischen Rotor 10 und Koppelstange 15 in allen drei Drehrichtungen. Am anderen Ende ist die Koppelstange 15 längsverschiebbar mit dem äußeren Ende des Ventilschafts 3 gekoppelt. Hierzu dient eine Führung 14, welche eine Relativverschiebung von Koppelstange 15 und Ventilschaft 3 der zur Ventilhubachse 12, jedoch keine Relativdrehung zwischen beiden erlaubt. Insgesamt ist hierdurch zwischen Rotor 10 und Ventil 1 ein Drehgelenk mit Längenausgleich realisiert. The valve 1 is coupled to the rotor 10 by a coupling rod 15 , which extends transversely to the valve stroke axis 12 . One end of the coupling rod 15 is connected to the rotor 10 at an articulation point 13 by a swivel joint 16 . The articulation point 13 lies in the central plane of the rotor 10 on its inner circumference. The swivel joint 16 permits relative rotations between the rotor 10 and the coupling rod 15 in all three directions of rotation. At the other end, the coupling rod 15 is longitudinally displaceably coupled to the outer end of the valve stem 3 . For this purpose, a guide 14 is used , which allows a relative displacement of the coupling rod 15 and valve stem 3 relative to the valve stroke axis 12 , but no relative rotation between the two. Overall, a swivel joint with length compensation is realized between rotor 10 and valve 1 .

Bei einer anderen Ausführungsform erlaubt die Führung 14 auch eine Drehung um die Längsachse der Koppelstange 15, sie stellt also auch diesen Drehfreiheitsgrad bereit. Das Drehgelenk 116 braucht dann für diesen Drehfreiheitsgrad nicht zu sorgen. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen sorgt hingegen das Drehgelenk 16 auch für den Längenausgleich. Beispielsweise kann es mit ausreichendem Spiel ausgestattet sein, welches den Längenausgleich erlaubt. Die Koppelstange 15 und der Ventilschaft 3 sind bei solchen Ausführungsformen i. a. einstückig und starr miteinander verbunden. In another embodiment, the guide 14 also allows rotation about the longitudinal axis of the coupling rod 15 , so it also provides this degree of freedom of rotation. The swivel joint 116 then need not provide this degree of freedom of rotation. In other embodiments (not shown), on the other hand, the swivel joint 16 also ensures the length compensation. For example, it can be equipped with sufficient play that allows length compensation. The coupling rod 15 and the valve stem 3 are generally integrally and rigidly connected to one another in such embodiments.

Eine Ventilbetätigung im Rahmen eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors läuft folgendermaßen ab: Zunächst befindet sich das Ventil 1 in der, in Fig. 1b gezeigten Geschlossenstellung. Zum Öffnen des Ventils 1 wird die elektrische Maschine 8 nun so angesteuert, daß sich der Rotor 10 und mit ihm der Anlenkungspunkt 13 um 180° dreht (siehe Fig. 2), wodurch er in die in Fig. 1a gezeigte Stellung gelangt. Aufgrund der Schrägstellung der Rotorachse 11 geht mit dieser Drehung eine Versetzung des Anlenkungspunkts 13 in Richtung der Ventilhubachse 12 um den maximalen Hub H einher. Die Koppelstange 15 wirkt dabei als Hebel, welcher die Versetzung und Drehung des Anlenkungspunkts 13 auf das Ventil 1 überträgt, so daß das Ventil 1 in die in Fig. 1a gezeigte Offenstellung gebracht und um 180° gedreht wird. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen eine solche Ventildrehung vermieden werden soll, ist der Ventilschaft in der Ventilführung gegen Verdrehung gesichert, und es ist am Ventilschaft ein weiteres Drehgelenk vorgesehen, welches die dann nötige Drehung zwischen Koppelstange und Ventilschaft um die Ventilhubachse erlaubt. Valve actuation as part of a working cycle of the internal combustion engine proceeds as follows: First, valve 1 is in the closed position shown in FIG. 1b. To open the valve 1 , the electrical machine 8 is now controlled so that the rotor 10 and with it the articulation point 13 rotates through 180 ° (see FIG. 2), as a result of which it reaches the position shown in FIG. 1a. Due to the inclined position of the rotor axis 11 , this rotation is accompanied by a displacement of the articulation point 13 in the direction of the valve stroke axis 12 by the maximum stroke H. The coupling rod 15 acts as a lever which transmits the displacement and rotation of the articulation point 13 to the valve 1 , so that the valve 1 is brought into the open position shown in FIG. 1a and rotated by 180 °. In other embodiments, in which such valve rotation is to be avoided, the valve stem is secured against rotation in the valve guide, and a further swivel joint is provided on the valve stem, which then permits the necessary rotation between the coupling rod and valve stem about the valve stroke axis.

Zwischen dem maximalen Ventilhub H, dem Abstand R des Anlenkungspunkts 13 von der Rotorachse und dem Neigungswinkel a besteht die Beziehung:
H = 2 R sin a. Beispielsweise ergibt ein Neigungswinkel von 7° und ein Abstand des Anlenkungspunkts 13 von der Rotorachse 11 von 20 mm einen maximalen Ventilhub H von ungefähr 5 mm. Zur Veranschaulichung ist der Neigungswinkel a in Fig. 1 (und ebenso in Fig. 4) übertrieben groß dargestellt. The relationship exists between the maximum valve lift H, the distance R of the articulation point 13 from the rotor axis and the angle of inclination a:
H = 2 R sin a. For example, an inclination angle of 7 ° and a distance of the articulation point 13 from the rotor axis 11 of 20 mm result in a maximum valve stroke H of approximately 5 mm. For illustration, the angle of inclination a is shown in FIG. 1 (and also in FIG. 4) in an exaggerated manner.

Um das Ventil wieder zu schließen, erfolgt wiederum eine 180°-Drehung des Rotors in die in Fig. 1b gezeigte Geschlossenstellung (siehe Fig. 2). Wenn relativ lange Ventilöffnungszeiten erforderlich ist, kann die elektrische Maschine in der Offenstellung vollständig stillgesetzt werden. Die Öffnungsdrehung und die Schließdrehung sind dann voneinander entkoppelt und können wahlweise in der gleichen oder in entgegengesetzten Drehrichtungen erfolgen. Wenn hingegen kürzere Ventilöffnungszeiten genügen, so ist kein Stillsetzen des Rotors 10 in der Offenstellung erforderlich, vielmehr bilden dann Öffnungs- und Schließdrehung Teile einer durchgehenden Rotordrehung um 360°. Grundsätzlich ist es möglich, diese 360°-Drehung nach einer Anfang- und vor einer Endbeschleunigung mit im wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit durchzuführen. Es ist aber auch möglich, die Drehgeschwindigkeit im laufe der 360°-Drehung zu variieren, beispielsweise zunächst den Rotor 10 auf eine relativ hohe Anfangsgeschwindigkeit zu beschleunigen, anschließend wieder abzubremsen, so daß der Übergang von Öffnungs- zu Schließdrehung relativ langsam durchlaufen wird, und ihn anschließend im Verlauf der Schließdrehung wieder auf eine relativ hohe Endgeschwindigkeit zu beschleunigen, bis er schließlich bei Erreichen der Geschlossenstellung wieder zum Stillstand abgebremst wird. Diese letztgenannte Möglichkeit ist in Fig. 3 veranschaulicht, worin als Funktion des Rotordrehwinkels w sowohl die Ventilstellung wie auch die momentane Rotorwinkelgeschwindigkeit dw/dt dargestellt sind. In order to close the valve again, the rotor is again turned through 180 ° into the closed position shown in FIG. 1b (see FIG. 2). If relatively long valve opening times are required, the electrical machine can be shut down completely in the open position. The opening rotation and the closing rotation are then decoupled from one another and can optionally take place in the same or in opposite directions of rotation. If, on the other hand, shorter valve opening times are sufficient, then it is not necessary to stop the rotor 10 in the open position, rather the opening and closing rotations then form parts of a continuous rotor rotation through 360 °. In principle, it is possible to carry out this 360 ° rotation after an initial and before an end acceleration with an essentially constant angular velocity. But it is also possible to vary the rotational speed in the course of the 360 ° rotation, for example first accelerating the rotor 10 to a relatively high initial speed, then braking again, so that the transition from opening to closing rotation is relatively slow, and then accelerate it again to a relatively high final speed in the course of the closing rotation until it is finally braked to a standstill again when the closed position is reached. This last-mentioned possibility is illustrated in FIG. 3, in which both the valve position and the instantaneous rotor angular velocity dw / dt are shown as a function of the rotor rotation angle w.

Im folgenden Absatz soll noch die Kopplung von Ventil 1 und Rotor 10 im Hinblick auf die Relativneigung von Rotorachse 11 und Ventillängsachse 12 vertieft dargestellt werden. Wäre keine derartige Relativneigung vorhanden, so könnte das Ventil 1 starr mit dem Rotor 10 gekoppelt sein (allerdings würde eine Rotordrehung dann keine Hubbewegung des Ventils bewirken). Aufgrund der für die Hubbewegung erforderlichen Relativneigung ändert jedoch die Koppelstange 15 ihren Anstellwinkel relativ zum Rotor 10, an dem sie im Anlenkungspunkt 13 angelenkt ist. Und zwar hat dieser Anstellwinkel beispielsweise in der Offenstellung gemäß Fig. 1a den Wert a relativ zur Ebene des schräggestellten Kreises. Nach einer Drehung um 180°, also in Geschlossenstellung gemäß Fig. 1b hat der Anstellwinkel hingegen einen Wert von -a. Er hat sich also im Verlauf einer 180°-Drehung um 2a geändert. Außerdem kommt es im Verlauf einer 180°- Drehung des Rotors 10 zu einer Relativdrehung zwischen Koppelstange 15 und Rotor 10 um die Längsachse der Koppelstange 10, welche bei Geschlossenstellung beispielsweise 0°, bei Halboffenstellung a und bei Offenstellung wiederum 0° beträgt. Im Hinblick auf diese beiden hauptsächlichen Relativbewegungen zwischen Ventil 1 und Rotor 10 erlaubt das Drehgelenk 16 Drehungen mit zwei Freiheitsgraden, und zwar Relativdrehungen um eine Achse, die durch den Anlenkungspunkt 13 tangential zu dessen Kreisbahn verläuft sowie Relativdrehungen um die Längsachse der Koppelstange 15, wobei der letztere Freiheitsgrad - wie gesagt - auch durch die Führung 14 am Ventilschaft 3 vermittelt werden kann. Weitere, wenn auch geringfügigere Relativbewegungen zwischen Ventil 1 und Rotor 10 rühren daher, daß die geneigte Kreisbahn, entlang welcher sich der Anlenkungspunkt 13 bei der Drehung des Rotors 10 um die Rotorachse 11 bewegt, in Projektionsrichtung der Ventilhubachse 12 als Ellipse erscheint. Die lange Hauptachse dieser Ellipse gleicht dem Durchmesser der geneigten Kreisbahn, ihre kurze Hauptachse ist demgegenüber jedoch um den Faktor cos a verkürzt. Wegen dieser Elliptizität ist die Koppelstange 15 längsverschieblich gelagert, um den Längenausgleich entsprechend dem halben Längenunterschied der beiden Hauptachsen im Verlauf einer Rotordrehung zu gewährleisten. In Fig. 2 ist die Verkürzung der Ellipse und damit der effektiven Länge der Koppelstange 15 zwecks Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt. Bei den in der Praxis geringen Neigungswinkeln a sind die Elliptizität der Ellipse und damit der erforderliche Längenausgleich gering. Bei dem oben genannten Beispiel eines Neigungswinkels a = 7° und einem Radius der geneigten Kreisbahn von 20 mm beträgt der erforderliche Längenausgleich (d. h. die Hälfte des Unterschieds zwischen großer und kleiner Ellipsenhauptachse) nur ungefähr 0,15 mm. Für diesen Längenausgleich kann eine Längsführung vorgesehen sein, wie in Fig. 1 gezeigt, es ist jedoch auch möglich, allein das Drehgelenk mit ausreichendem Spiel für den Längenausgleich auszustatten. Eine gesonderte Längsführung kann dann entfallen. Ein weiterer Unterschied zwischen Kreis- und Ellipsengeometrie besteht darin, daß beim Kreis dessen Durchmesser immer senkrecht auf der Kreisbahn arn Schnittpunkt steht, während bei der Ellipse von den durch den Mittelpunkt verlaufenden Sehnen nur die beiden Hauptachsen unter 90° auf der Ellipse stehen, die Sehnen in den Winkelbereichen dazwischen jedoch von 90° abweichende Winkel zur Ellipse haben. Diese Abweichungen von 90° sind bei der hier vorliegenden kleinen Elliptizität sehr gering. Das Drehgelenk 16 läßt diese sehr geringen Drehungen um eine Achse durch den Anlenkungspunkt 13 parallel zur Rotorachse 11 zu, indem es als Drehgelenk mit drei Freiheitsgraden (z. B. Kugelgelenk) ausgebildet ist. Alternativ ist auch ein Drehgelenk mit nur den beiden oben genannten Haupt-Drehfreiheitsgraden möglich, welches mit ausreichend Spiel ausgestattet ist, um auch die geringfügigen Drehungen um die genannte dritte Achse zu erlauben. In the following paragraph, the coupling of valve 1 and rotor 10 will be shown in more detail with regard to the relative inclination of rotor axis 11 and valve longitudinal axis 12 . If there were no such relative inclination, the valve 1 could be rigidly coupled to the rotor 10 (however, a rotor rotation would then not result in a lifting movement of the valve). Due to the time required for the stroke movement relative inclination, however, the coupling rod 15 changes its angle of attack relative to the rotor 10, to which it is hinged at the hinge point. 13 Specifically, this angle of attack, for example in the open position according to FIG. 1a, has the value a relative to the plane of the inclined circle. After a rotation through 180 °, that is to say in the closed position according to FIG. 1b, the angle of attack, on the other hand, has a value of -a. It has therefore changed by 2a in the course of a 180 ° rotation. In addition, in the course of a 180 ° rotation of the rotor 10, there is a relative rotation between the coupling rod 15 and the rotor 10 about the longitudinal axis of the coupling rod 10 , which is 0 ° in the closed position, 0 ° in the half-open position and 0 ° in the open position. With regard to these two main relative movements between valve 1 and rotor 10 , the swivel joint 16 allows rotations with two degrees of freedom, namely relative rotations about an axis that runs through the articulation point 13 tangential to its circular path and relative rotations about the longitudinal axis of the coupling rod 15 , the the latter degree of freedom - as mentioned - can also be conveyed by the guide 14 on the valve stem 3 . Further, even minor relative movements between the valve 1 and rotor 10 be due to that the inclined circular path along which the articulation point 13 moves during the rotation of the rotor 10 about the rotor axis 11, appears in the projection direction of the Ventilhubachse 12 as an ellipse. The long main axis of this ellipse is equal to the diameter of the inclined circular path, but its short main axis is shortened by the factor cos a. Because of this ellipticity, the coupling rod 15 is longitudinally displaceable in order to ensure the length compensation corresponding to half the length difference of the two main axes in the course of a rotor rotation. In Fig. 2 the shortening of the ellipse and thus the effective length of the coupling rod 15 is shown exaggerated for the purpose of illustration. Given the small inclination angles a in practice, the ellipticity of the ellipse and thus the required length compensation are low. In the above example of an angle of inclination a = 7 ° and a radius of the inclined circular path of 20 mm, the required length compensation (ie half the difference between the major and minor ellipse main axes) is only approximately 0.15 mm. A longitudinal guide can be provided for this length compensation, as shown in FIG. 1, but it is also possible to provide the swivel joint alone with sufficient play for the length compensation. A separate longitudinal guide can then be omitted. Another difference between circular and elliptical geometry is that the diameter of the circle is always perpendicular to the circular path at the intersection, while in the ellipse of the tendons running through the center, only the two main axes are at 90 ° on the ellipse, the tendons in the angular areas in between, however, have angles deviating from 90 ° to the ellipse. These deviations of 90 ° are very small given the small ellipticity here. The swivel joint 16 allows these very small rotations about an axis through the articulation point 13 parallel to the rotor axis 11 , in that it is designed as a swivel joint with three degrees of freedom (e.g. ball joint). Alternatively, a swivel joint with only the two above-mentioned main degrees of freedom of rotation is also possible, which is equipped with sufficient play to allow the slight rotations about the third axis mentioned.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform, bei welcher eine Position des Anlenkungspunkts 13 im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Scheitelpunkt der geneigten Kreisbahn der Geschlossenstellung des Ventils entspricht. Die obigen Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3 treffen auch für diese zweite Ausführungsform zu, abgesehen von den im folgenden erläuterten Unterschieden. FIGS. 4 and 5 illustrate a second embodiment in which a position of the articulation point 13 in the region between the upper and the lower vertex of the inclined orbit of the closed position of the valve corresponds to. The above statements relating to FIGS. 1 to 3 also apply to this second embodiment, apart from the differences explained below.

In den Figuren gezeigt ist ein Beispiel, bei dem sich der Anlenkungspunkt 13 bei Geschlossenstellung des Ventils 1 in der Mitte zwischen dem oberen und unteren Scheitelpunkt befindet, also bei einem Drehwinkel von 90° bzw. 270° (bezogen auf 0° beim oberen Scheitelpunkt, siehe Fig. 2 und 5). Bei der Offenstellung des Ventils 1 liegt der Anlenkungspunkt bei 180°, wie bei der ersten Ausführungsform. Um das Ventil 1 von der Geschlossen- in die Offenstellung zu bringen, genügt also ein Winkel kleiner als 180°, und zwar bei dem hier gezeigten Beispiel 90°. Um bei diesem kleineren Drehwinkel dennoch einen entsprechenden maximalen Ventilhub H zu erzielen, ist vorzugsweise ein entsprechend größerer Neigungswinkel a zwischen Rotorachse 11 und Ventillängsachse 12 vorgesehen. Alternativ kann auch ein Rotor mit weiter außen liegendem Anlenkungspunkt 13 gewählt werden. The figures show an example in which the articulation point 13 is in the middle between the upper and lower vertex when the valve 1 is closed, that is to say at an angle of rotation of 90 ° or 270 ° (in relation to 0 ° at the upper vertex, see Figs. 2 and 5). When the valve 1 is in the open position, the articulation point is 180 °, as in the first embodiment. To move the valve 1 from the closed to the open position, an angle of less than 180 ° is sufficient, namely 90 ° in the example shown here. In order to nevertheless achieve a corresponding maximum valve lift H at this smaller rotation angle, a correspondingly larger inclination angle a is preferably provided between the rotor axis 11 and the valve longitudinal axis 12 . Alternatively, a rotor with articulation point 13 located further out can also be selected.

Vorteilhaft bei dieser zweiten Ausführungsform ist, daß das Ventil 1 schneller geöffnet und geschlossen werden kann als bei der ersten Ausführungsform, da bei einer Winkelstellung des Anlenkungspunkts zwischen den Scheitelpunkten eine Drehung um einen bestimmten Drehwinkel zu einer größeren Ventilhubbewegung führt, als bei einer Stellung in der Nähe eines Scheitelpunkts. Am stärksten ist dieser Effekt bei der beispielhaft in den Fig. 4 und 5 gezeigten Wahl einer Winkelstellung von 90 bzw. 270° für die Geschlossenstellung. Bei diesen Winkeln ist der kosinusförmige funktionelle Zusammenhang zwischen Winkel und Ventilstellung am steilsten, so daß hier mit der kleinsten Winkeländerung die größtmögliche Ventilbewegung erzielt wird. It is advantageous in this second embodiment that the valve 1 can be opened and closed faster than in the first embodiment, since with an angular position of the articulation point between the vertices, a rotation by a certain angle of rotation leads to a greater valve lift movement than with a position in the Near a vertex. This effect is most pronounced in the choice of an angular position of 90 or 270 ° for the closed position, which is shown by way of example in FIGS. 4 and 5. At these angles, the cosine-shaped functional relationship between angle and valve position is steepest, so that the greatest possible valve movement is achieved with the smallest change in angle.

Fig. 6 veranschaulicht diesen funktionellen Zusammenhang und zeigt außerdem ein Beispiel für eine mögliche Wahl der Rotordrehgeschwindigkeit dw/dt als Funktion des Winkels. Die Winkelbereiche zwischen 0 und 90° und 270 und 360° sind hier nicht zugänglich. Je nachdem, wie lange das Ventil offen gehalten werden soll, ist es (wie bei der ersten Ausführungsform) möglich, die Schließbewegung an die Öffnungsbewegung ohne Stillsetzung des Rotors 3 durchzuführen, oder, alternativ den Rotor in der Offenstellung stillzusetzen. Im ersteren Fall ist es wiederum möglich, die Öffnungs- und Schließbewegung mit im wesentlichen gleicher Drehgeschwindigkeit durchzuführen, oder, alternativ, die Drehgeschwindigkeit im Bereich der Offenstellung herabzusetzen, wie dies der in Fig. 6 beispielhaft gezeigte Verlauf von dw/dt veranschaulicht. Der Rotor 12 führt dann für eine Öffnungs- und Schließbewegung eine durchgehende 180°-Drehung durch. Bei der zweiten Alternative mit Rotorstillstand in der Offenstellung kann die Schließdrehung mit gleicher oder entgegengesetzter Drehrichtung wie die vorausgegangene Öffnungsdrehung erfolgen. FIG. 6 illustrates this functional relationship and also shows an example of a possible choice of the rotor rotation speed dw / dt as a function of the angle. The angle ranges between 0 and 90 ° and 270 and 360 ° are not accessible here. Depending on how long the valve is to be kept open, it is possible (as in the first embodiment) to carry out the closing movement to the opening movement without stopping the rotor 3 , or alternatively to stop the rotor in the open position. In the former case, it is again possible to carry out the opening and closing movement with essentially the same rotational speed, or, alternatively, to reduce the rotational speed in the area of the open position, as illustrated by the course of dw / dt shown by way of example in FIG. 6. The rotor 12 then performs a continuous 180 ° rotation for an opening and closing movement. In the second alternative with rotor standstill in the open position, the closing rotation can take place in the same or opposite direction of rotation as the previous opening rotation.

Während die Fig. 1, 2, 4 und 5 den mechanischen Teil des Ventiltriebs zeigen, veranschaulicht Fig. 7 anhand einer Funktionsblockdarstellung dessen Speisung und Steuerung. Die elektrische Maschine 8 ist eine vielpolige Synchronmaschine, deren Rotor 10 mit Permanentmagneten bestückt ist. Sie weist im Stator 9 eine Mehrphasenwicklung auf, vorzugsweise eine 3-Phasenwicklung (auch 4- oder 5-Phasenwicklungen sind alternativ möglich). Zur Ansteuerung der Phasenwicklungen ist ein Wechselrichter 21 vorgesehen, welcher mit Hilfe elektronischer Schalter die geeigneten, zeitlich sich ändernden Phasenspannungen aus der Gleichspannung eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 22 erzeugt. Dieser ist über einen Spannungswandler 23 mit dem Bordnetz 24 des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Vorzugsweise laufen der Gleichspannungs-Zwischenkreis 22 und das Bordnetz 24 im wesentlichen auf gleicher Spannung, so daß der Spannungswandler 23 im wesentlichen der Stabilisierung der Zwischenkreisspannung auf einen konstanten Spannungswert dient. Bei alternativen Ausführungsformen ist es auch möglich, daß die Zwischenlkreisspannung über oder unter der Bordnetzspannung liegt; der Spannungswandler 23 arbeitet dann als Spannungshochsetzer bzw. -tiefsetzer. Es ist andererseits auch möglich, den Spannungswandler 23 entfallen zu lassen; der Zwischenkreis 22 ist dann Teil des Bordnetzes 24. Im Zwischenkreis 22 ist ferner ein Zwischenspeicher 25 angeordnet, welcher der kurzzeitigen Zwischenspeicherung von "Blindenergie" dient und hierzu als Kondensatorspeicher (vorzugsweise auf der Grundlage von Doppelschichtkondensatoren) oder elektrochemische Kurzzeitbatterie ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 8 arbeitet bei positiver Beschleunigung motorisch, bei negativer Beschleunigung generatorisch. Bei motorischem Betrieb fließt elektrische Energie aus dem Zwischenkreis 22 durch den Wechselrichter 21 in die elektrische Maschine 8; bei generatorischem Betrieb fließt elektrische Energie in umgekehrter Richtung aus der elektrischen Maschine 8 über den Wechselrichter 21 (der dann die induzierten Phasenspannungen gleichrichtet) in den Zwischenkreis 22. Die bei generatorischem Betrieb in den Zwischenkreis 25 zurückfließende Energie stellt die Blindenergie dar und wird im Zwischenspeicher 25 gespeichert. Der Differenzbetrag, um den die für motorischen Betrieb benötigte Energie größer als die Blindenergie ist, wird aus dem Bordnetz 24 über den Spannungswandler 23 in den Zwischenkreis 25 eingespeist. Diese zusätzliche Energie kompensiert die Verluste der elektromechanischen Wandlung und Energiespeicherung, und fließt außerdem in die Reibungsarbeit sowie eine etwaige Kompressionsarbeit, dient also denjenigen Anteilen, welche zusätzlich zu der hin- und hergeschaufelten Beschleunigungs- und Bremsenergie aufzubringen sind. Ein Vorteil der Anordnung des Zwischenspeichers 25 im Zwischenkreis 22 ist, daß die Blindenergie nicht über den Spannungswandler 23 hin- und hergeschaufelt zu werden braucht. Andere (nicht gezeigte) Ausführungsformen machen von diesem Vorteil keinen Gebrauch; bei ihnen ist kein gesonderter Zwischenspeicher vorgesehen, für die Zwischenspeicherung der Blindenergie sorgt vielmehr eine Bordnetzbatterie (z. B. die übliche Starterbatterie). Schließlich ist es auch möglich, von der Rekuperation der Bremsenergie ganz abzusehen und diese z. B. über einen Heizwiderstand in Wärme umzuwandeln. While FIGS. 1, 2, 4 and 5 show the mechanical part of the valve train illustrated Fig. 7 based on a function block diagram of the power supply and control. The electrical machine 8 is a multi-pole synchronous machine, the rotor 10 of which is equipped with permanent magnets. It has a multi-phase winding in the stator 9 , preferably a 3-phase winding (alternatively 4-phase or 5-phase windings are also possible). To control the phase windings, an inverter 21 is provided, which uses electronic switches to generate the suitable, time-changing phase voltages from the DC voltage of a DC voltage intermediate circuit 22 . This is coupled to the vehicle electrical system 24 of the motor vehicle via a voltage converter 23 . The DC voltage intermediate circuit 22 and the on-board electrical system 24 preferably run essentially at the same voltage, so that the voltage converter 23 essentially serves to stabilize the DC link voltage to a constant voltage value. In alternative embodiments, it is also possible for the intermediate circuit voltage to be above or below the vehicle electrical system voltage; the voltage converter 23 then works as a voltage step-up or step-down converter. On the other hand, it is also possible to omit the voltage converter 23 ; The intermediate circuit 22 is then part of the electrical system 24 . A buffer 25 is also arranged in the intermediate circuit 22 , which serves for the temporary storage of "reactive energy" and is designed for this purpose as a capacitor store (preferably based on double-layer capacitors) or an electrochemical short-term battery. The electrical machine 8 operates as a motor when the acceleration is positive, and as a generator when the acceleration is negative. During motor operation, electrical energy flows from the intermediate circuit 22 through the inverter 21 into the electrical machine 8 ; during generator operation, electrical energy flows in the opposite direction from the electrical machine 8 via the inverter 21 (which then rectifies the induced phase voltages) into the intermediate circuit 22 . The energy flowing back into the intermediate circuit 25 during generator operation represents the reactive energy and is stored in the intermediate store 25 . The difference in amount by which the energy required for motor operation is greater than the reactive energy is fed from the on-board electrical system 24 into the intermediate circuit 25 via the voltage converter 23 . This additional energy compensates for the losses of the electromechanical conversion and energy storage, and also flows into the friction work and any compression work, that is to say serves the portions which are to be applied in addition to the back-and-forth acceleration and braking energy. An advantage of the arrangement of the intermediate store 25 in the intermediate circuit 22 is that the reactive energy does not have to be scooped back and forth via the voltage converter 23 . Other embodiments (not shown) make no use of this advantage; no separate buffer is provided for them, rather an on-board power supply battery (e.g. the usual starter battery) ensures the temporary storage of the reactive energy. Finally, it is also possible to completely refrain from recuperation of the braking energy and this z. B. to convert it into heat via a heating resistor.

Ein Steuergerät 26 in Form eines geeignet programmierten Mikrocomputers gibt dem Wechselrichter 21 zu jedem Zeitpunkt vor, welche Phasenspannung er erzeugen soll, d. h. welche elektronischen Schalter zu welchem Zeitpunkt geöffnet bzw. geschlossen sein sollen. Als Eingangsgrößen erhält das Steuergerät 26 hierfür verschiedene Verbrennungsmotorparameter, und zwar insbesondere die momentane Winkelstellung k der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, die momentane Drehzahl dk/dt der Kurbelwelle sowie die momentane Last (z. B. in Form der Fahrpedal- oder Drosselklappenstellung). Außerdem kann das Steuergerät 26 verschiedene Rückmeldegrößen aus dem Ventiltrieb erhalten, so die momentane tatsächliche Ventilstellung (z. B. in Form der momentanen Winkelstellung des Rotors 10), die Zwischenkreisspannung und ggf. die Phasenspannungen. Das Steuergerät 26 kann auch den Spannungswandler 23 ansteuern. A control unit 26 in the form of a suitably programmed microcomputer specifies to the inverter 21 at any point in time which phase voltage it is to generate, ie which electronic switches are to be opened or closed at which point in time. For this purpose, the control unit 26 receives various internal combustion engine parameters as input variables, in particular the instantaneous angular position k of the crankshaft of the internal combustion engine, the instantaneous speed dk / dt of the crankshaft and the instantaneous load (e.g. in the form of the accelerator pedal or throttle valve position). In addition, the control unit 26 can receive various feedback values from the valve train, such as the current actual valve position (for example in the form of the current angular position of the rotor 10 ), the intermediate circuit voltage and, if appropriate, the phase voltages. The control unit 26 can also control the voltage converter 23 .

Fig. 8 veranschaulicht die Ausrüstung eines Verbrennungsmotors mit individuellen elektrischen Ventiltrieben. Ein hier beispielhaft gezeigter Vierzylinder-4- Takt-Verbrennungsmotor weist vier Einlaßventile 1E und vier Auslaßventile 1A auf. Jedes dieser Ventile ist mit einem eigenen Ventiltrieb gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 bzw. 4 und 5 ausgerüstet. Bei Verbrennungsmotoren mit mehr als einem Einlaß- bzw. Auslaßventil pro Zylinder ist es möglich, bei diesen jedes einzelne Ventil mit einem eigenen elektrischen Ventiltrieb auszurüsten. Alternativ ist es möglich, mehrere Einlaß- bzw. Auslaßventile eines Zylinders, mehrere Gruppen von Einlaß- bzw. Auslaßventilen oder sämtliche Einlaß- bzw. Auslaßventile mit einem gemeinsamen elektrischen Ventiltrieb der oben beschriebenen Art auszurüsten. Für eine gemeinsame Ansteuerung mehrerer Ventile wird die auf die Koppelstange in Ventilhubrichtung ausgeübte Stellkraft auf die Ventilschäfte der mehreren Ventile übertragen. Eine Ausrüstung mit individuellen Ventiltrieben ist jedoch im Hinblick auf konstruktive Einfachheit vorteilhaft, da sie es erlaubt, im wesentlichen ein- und dieselbe Ventiltriebkonstruktion für die verschiedensten Verbrennungsmotoren zu verwenden. Fig. 8 shows the equipment illustrated an internal combustion engine with individual electric valve actuators. A four-cylinder four-stroke internal combustion engine shown here by way of example has four intake valves 1 E and four exhaust valves 1 A. Each of these valves is equipped with its own valve train according to the embodiments of FIGS. 1 and 2 or 4 and 5. In internal combustion engines with more than one intake or exhaust valve per cylinder, it is possible to equip each individual valve with its own electric valve train. Alternatively, it is possible to equip several intake or exhaust valves of one cylinder, several groups of intake or exhaust valves or all intake or exhaust valves with a common electric valve train of the type described above. For a joint control of several valves, the actuating force exerted on the coupling rod in the valve stroke direction is transmitted to the valve stems of the several valves. However, equipping them with individual valve trains is advantageous in terms of structural simplicity, since it allows essentially the same valve train construction to be used for a wide variety of internal combustion engines.

Die Anpassung eines Ventiltriebs gemäß den beschriebenen Ausführungsformen an die jeweils geforderten Steuerzeiten kann rein softwaremäßig durch entsprechende Programmierung des Steuergeräts 26 vorgenommen werden. Der maximale Hub H des Ventils läßt sich konstruktiv durch eine entsprechende Wahl des Neigungswinkels a einstellen, unter dem der Rotor im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet wird. The adaptation of a valve train according to the described embodiments to the respectively required control times can be carried out purely in software by appropriate programming of the control device 26 . The maximum stroke H of the valve can be set constructively by a corresponding choice of the angle of inclination a, at which the rotor is arranged in the cylinder head of the internal combustion engine.

Insgesamt ist es mit den offenbarten Ausführungsformen möglich, die Ventilöffnungs- und Schließbewegungen unabhängig von der Kurbelwellenstellung variabel zu regeln und damit die Nutzung des Verbrennungskraftstoffs optimal zu gestalten. Die beschriebene Konstruktion ist mechanisch relativ einfach und ist ohne besondere konstruktive Anpassung, allein über geeignete Wahl des Neigungswinkels der Rotorachse sowie durch geeignete Programmierung der Steuerung für die verschiedensten Verbrennungsmotortypen geeignet. Overall, it is possible with the disclosed embodiments that Valve opening and closing movements regardless of the Variable control of the crankshaft position and thus the use of the combustion fuel to optimally design. The construction described is mechanically relatively simple and is without any special design adjustment, only through a suitable choice of Angle of inclination of the rotor axis and by suitable programming of the Control suitable for a wide variety of combustion engine types.

Claims

1. Electric valve train for an internal combustion engine, with a rotary electric machine ( 8 ), the rotor ( 10 ) of which is coupled to a gas exchange valve ( 1 ) of the internal combustion engine ( 31 ), characterized in that the axis of rotation ( 11 ) of the electric machine ( 8 ) runs obliquely to the stroke direction ( 12 ) of the valve ( 1 ), so that a rotary movement of the electrical machine ( 8 ) is converted into a stroke movement of the valve ( 1 ).

2. Electric valve train according to claim 1, in which the valve ( 1 ) is coupled at an articulation point ( 13 ) to the rotor ( 10 ) which moves on a circle inclined with respect to the stroke direction ( 12 ) of the valve ( 1 ).

3. Electric valve train according to claim 1 or 2, wherein the rotor ( 10 ) and the valve ( 1 ) via a swivel joint ( 16 ) are coupled.

4. Electrical valve train according to claim 3, wherein the rotor ( 10 ) and the valve ( 1 ) are coupled so that a length compensation is possible.

5. Electric valve train according to one of claims 1 to 4, in which the valve ( 11 ) is rotated about its own axis ( 12 ) when the valve is actuated.

6. Electric valve train according to one of claims 1 to 5, wherein the closing of the valve ( 1 ) by the electrical machine ( 8 ), but not by a return element.

7. Electric valve train according to one of claims 2 to 6, wherein a position of the articulation point ( 13 ) on the lower apex of the inclined circular path of the open position of the valve ( 1 ) and a position of the articulation point on the upper apex of the inclined circular path of the closed position of the valve ( 1 ) corresponds.

8. Electric valve train according to one of claims 2 to 6, in which a position of the articulation point in the region between the upper and lower apex of the inclined circular path corresponds to the closed position of the valve ( 1 ).

9. Electric valve train according to one of claims 1 to 8, which is designed such that the opening and subsequent closing of the valve ( 1 ) is carried out by rotating the rotor in the same direction of rotation.

10. Electrical valve train according to one of claims 1 to 9, wherein the electrical machine ( 8 ) is a synchronous machine.

11. Electrical valve train according to claim 10, wherein the electrical machine ( 8 ) is designed as a stepper motor.

12. Electrical valve train according to one of claims 1 to 11, in which a negative valve acceleration is achieved by regenerative braking action of the electrical machine ( 8 ).

13. Electrical valve train according to claim 12, in which the electrical energy obtained in regenerative braking is stored and in particular is used again for motor operation of the electrical machine ( 8 ) with positive valve acceleration.

14. Internal combustion engine with gas exchange valves and at least one Electric valve train according to one of claims 1 to 13.