DE102015212793A1 - Antrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Antrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine Download PDF

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12Transmitting gear between valve drive and valve
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Gaswechselventil (10) einer Brennkraftmaschine mit einem Drehmotor (12) und einem zwischen Drehmotor (12) und Gaswechselventil (10) angeordnetem Getriebe (16), welches eine Schwenkbewegung des Drehmotors (12) zwischen zwei Endlagen in eine translatorische Bewegung des Gaswechselventils (10) umsetzt, wobei eine erste Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) in den Zustand "Offen" und eine zweite Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) in den Zustand "Geschlossen" bewegt. Hierbei ist das Getriebe (16) als nichtlineares Getriebe ausgebildet, wobei zwischen dem Drehmotor (12) und dem Getriebe (16) zusätzlich eine magnetische Drehfeder (14) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem Drehmotor und einem zwischen Drehmotor und Gaswechselventil angeordnetem Getriebe, welches eine Schwenkbewegung des Drehmotors zwischen zwei Endlagen in eine translatorische Bewegung des Gaswechselventils umsetzt, wobei eine erste Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors das Gaswechselventil in den Zustand "Offen" und eine zweite Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors das Gaswechselventil in den Zustand "Geschlossen" bewegt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der DE 198 60 451 A1 ist ein Antrieb für ein Ventil eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein schwenkbar gelagerter, zwischen zwei Endlagen hin und her bewegter Hebel auf einen Ventilschaft des Ventils einwirkt. Zur Erzeugung der Schwenkbewegung ist ein Drehmotor mit Rotor vorgesehen, wobei eine Drehachse des Rotors mit einer Schwenkachse des Hebels übereinstimmt. Der Rotor des Drehmotors ist mit dem Hebel zur Übertragung der Drehbewegung verbunden. Der Drehmotor ist beispielsweise ein Elektromotor. In wenigstens einer der beiden Endlagen des Hebels/Rotors hält eine Magnetkraft den Hebel/Rotor fest.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Antrieb der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Antrieb der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Getriebe als nichtlineares Getriebe ausgebildet ist, wobei zwischen dem Drehmotor und dem Getriebe zusätzlich eine magnetische Drehfeder angeordnet ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass ein extrem flachbauender Ventiltrieb zur Verfügung steht, wobei gleichzeitig eine variable Ansteuerung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine erzielt wird. Hierdurch lässt sich der Verbrennungsprozess in einem dem Gaswechselventil zugeordneten Brennraum gezielt beeinflussen. Weiterhin wird eine Kraftstoffersparnis bei Verbrennungsmotoren mit Drosselklappe erzielt, da die Drosselklappe durch entsprechende Variationen des Ventilhubes nicht mehr notwendig ist.
  • Einen besonders funktionssicheren und präzisen Antrieb erzielt man dadurch, dass das nichtlineare Getriebe eine Konturscheibe mit darin angeordneter Kontur in Form einer Ausnehmung aufweist, wobei an dem Gaswechselventil ein Mitnehmer, insbesondere ein Zapfen, angeordnet ist, welcher in die Kontur eingreift.
  • Eine direkte Verbindung zwischen Gaswechselventil und Drehmotor mit eindeutiger Zuordnung zwischen eine Position des Gaswechselventils und einem Schwenkwinkel des Drehmotors erzielt man dadurch, dass die Kontur derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Verschwenken der Konturscheibe zwischen den beiden Endlagen des Drehmotors das Gaswechselventil in die entsprechenden Zustände "Offen" bzw. "Geschlossen" bewegt.
  • Ein sehr hohes, über den Schwenkwinkel des Drehmotors bzw. des nichtlinearen Getriebes sinusförmiges Moment der magnetischen Drehfeder erzielt man dadurch, dass die magnetische Drehfeder zwei konzentrisch zueinander angeordnete, stabförmige Permanentmagnete aufweist, die jeweils in Umfangsrichtung abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweisen, wobei ein erster Permanentmagnet als Stator angeordnet ist und ein zweiter Permanentmagnet relativ zu dem Stator verschwenkbar als Rotor angeordnet ist, wobei der zweite Permanentmagnet drehfest mit einer Schwenkachse des nichtlinearen Getriebes einerseits sowie mit einer Schwenkachse des Drehmotors andererseits mechanisch verbunden ist.
  • Einen besonders exakten und kraftvollen Antrieb erzielt man dadurch, dass der Drehmotor als Proportionaldrehmagnet in Form einer Gleichstrommaschine mit begrenztem Schwenkwinkel ausgebildet ist.
  • Eine mechanisch besonders gute Umsetzung der Schwenkbewegung des Drehmotors in eine translatorische Bewegung des Gaswechselventils erzielt man dadurch, dass der begrenzte Schwenkwinkel +/–22,5° beträgt.
  • Eine besonders genaue Bewegung des Gaswechselventils erzielt man dadurch, dass die Kontur derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Verschwenken der Konturscheibe zwischen den beiden Endlagen des Drehmotors das Gaswechselventil um einen Hub von +/–4mm translatorisch bewegt.
  • Eine verbesserte Ausnutzung der Kraft aus der magnetischen Drehfeder für die Hubbewegung des Gaswechselventils erzielt man dadurch, dass die Kontur derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Hubbeginn des Gaswechselventils erst nach einem vorbestimmten Schwenkwinkel beabstandet von den Endlagen des Drehmotors, insbesondere nach einem Schenkwinkel ausgehend von der Endlage von 7,5°, erfolgt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs in perspektivischer Ansicht,
  • 2 eine Darstellung des Aufbaus einer magnetischen Drehfeder in perspektivischer Schnittansicht und
  • 3 eine graphische Darstellung einer Abstimmung einer Konturscheibe auf die mechanische Drehfeder.
  • Die in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebes für ein Gaswechselventil 10 umfasst in Abtriebsrichtung gesehen einen Drehmotor 12, eine magnetische Drehfeder 14, ein nichtlineares Getriebe 16 und einen Koppelmechanismus 18 zwischen dem Gaswechselventil 10 und dem nichtlinearen Getriebe 16. Der Drehmotor 12, die magnetische Drehfeder 14 und das nichtlineare Getriebe 16 sind auf einer gemeinsamen Schwenkachse 20 angeordnet. Die Lagerung der einzelnen Komponenten ist in 1 nicht dargestellt.
  • Über das nichtlineare Getriebe 16 erfolgt eine Umwandlung einer Schwenkbewegung des Drehmotors 12 in einen Ventilhub des Gaswechselventils 10. Hierzu weist das nichtlineare Getriebe 16 eine Konturscheibe 22 auf, in der eine Kontur 24 in Form einer Ausnehmung ausgebildet ist. An dem Koppelmechanismus 18, welcher mechanisch fest mit einem Ventilschaft 28 des Gaswechselventils 10 verbunden ist, ist ein Zapfen 26 angeordnet, welcher in die Kontur 24 eingreift. Hierbei wird das Gaswechselventils 10 in der Kontur 24 durch den Zapfen 26 geführt und ist somit zwangsgesteuert. Unter Vernachlässigung des Getriebespiels ist somit eine eindeutige Zuordnung zwischen Eingangswinkel bzw. Schwenkwinkel des Getriebes 16 und Hub möglich. Da bei hohen Motordrehzahlen die Gaswechselventile 10 sehr schnell geöffnet und geschlossen werden müssen, weist der Antrieb zwei Komponenten auf. Diese sind die Magnetische Drehfeder 14 und der Drehmotor 12, beispielsweise in Form eines Proportionaldrehmagnet.
  • Der Drehmotor 12 ist beispielsweise als Gleichstrommaschine mit begrenztem Schwenkwinkel ausgebildet. Die magnetische Drehfeder 14 dient dagegen als Verspannung.
  • Ein beispielhafter Aufbau für die magnetische Drehfeder 14 ist in 2 dargestellt. Ein Rotor 30 und ein Stator 32 sind ohne Wicklungen ausgeführt und verfügen lediglich über Permanentmagnete, wobei sich in Umfangsrichtung jeweils magnetische Nordpole 34 und magnetische Südpole 36 abwechseln. Der Rotor 30 ist konzentrisch und schwenkbar zum Stator 32 angeordnet sowie mechanisch drehfest mit der Schwenkachse 20 verbunden. Bei einem Verschwenken des Rotors 30 relativ zum Stator 32 stehen sich somit abwechselnd entweder gleichnamige magnetische Pole 34, 36 gegenüber, so dass durch die Abstoßung der Permanentmagnete von dem Stator 32 auf den Rotor 30 ein hohes Drehmoment übertragen wird, oder ungleichnamige magnetische Pole gegenüber, so dass durch die sich anziehenden Permanentmagnete kein Drehmoment auf von dem Stator 32 auf den Rotor 30 übertragen wird. Hieraus resultiert ein sehr hohes über dem Schwenkwinkel der Schwenkachse 20 sinusförmiges Moment MMFD, welches dementsprechend Nulldurchgänge aufweist, d.h. eigenstabile Zustände bei bestimmten Schwenkwinkeln der Schwenkachse 20, bei denen zunächst Kraft aufgewendet werden muss, um die Schwenkachse 20 weiter zu bewegen. Mit anderen Worten weist die magnetische Drehfeder 14 mehrere stabile Lagen auf (Nulldurchgänge des sinusförmigen. Moments), die mit dem nichtlinearen Getriebe 16 so abgestimmt sind, dass diese den Zuständen "Ventil geschlossen" und "Ventil geöffnet" entsprechen. In diesen Endlagen des Drehmotors 12 ist kein Haltestrom nötig.
  • Stößt jedoch der Drehmotor 12 über die Schwenkachse 20 die magnetische Drehfeder 14 an, wird das System aus der Ruhelage bzw. Endlage " Gaswechselventil 10 geschlossen" geschoben und die magnetische Drehfeder 14 erzeugt ein Moment, welches das System in die gegenüberliegende Ruhelage bzw. Endlage " Gaswechselventil 10 geschlossen" treibt. Der Prozess ist dementsprechend ausgehend von der Ruhelage bzw. Endlage " Gaswechselventil 10 geöffnet" auch umkehrbar, um das Gaswechselventil 10 zu schließen.
  • Während des Übergangs von der einen in die andere stabile Lage (Endlage/Ruhelage) müssen die mechanischen und magnetischen Verluste durch den Drehmotor 12 gedeckt bzw. aufgebracht werden.
  • 3 zeigt die Abstimmung zwischen dem nichtlinearen Getriebe 16 und der magnetischen Drehfeder 14. Hierbei ist auf einer horizontalen Achse 38 ein Schwenkwinkel in [°] und auf einer ersten vertikalen Achse 40 ein Ventilhub in [mm] sowie auf einer zweiten vertikalen Achse 41 ein Drehmoment MMDF in [Nm], welches in der magnetischen Drehfeder 14 der Stator 32 auf den Rotor 31 überträgt, aufgetragen. Ein erster Graph 42 mit gestrichelter Linie veranschaulicht den Verlauf des Ventilhubes 40 über den Schwenkwinkel 38 und ein zweiter Graph 44 mit durchgezogener Linie veranschaulicht den Verlauf des Drehmomentes 41 MMDF über den Schwenkwinkel 38. Bei einem Schwenkwinkel 38 der Schwenkachse 20 von +22,5° ist das Gaswechselventil 10 in dem Zustand "Geschlossen" und bei einem Schwenkwinkel 38 der Schwenkachse 20 von –22,5° ist das Gaswechselventil 10 in dem Zustand "Geöffnet". Bei einem Schwenkwinkel 38 der Schwenkachse 20 von ca. +12° und ca. –12° stehen sich zwischen Rotor 31 und Stator 32 der magnetischen Drehfeder 14 gleichnamige magnetische Pole gegenüber, so dass hier ein maximales Drehmoment MMDF vom Rotor 32 auf den Stator 31 und damit auf die Schwenkachse 20 übertragen wird.
  • Bei einem Eingangswinkel des nichtlinearen Getriebes 16 von +22,5° ist das System in der Ruhelage bzw. Endlage "Gaswechselventil 10 geschlossen" bei +4mm Hub. Die magnetische Drehfeder 14 weist an dieser Stelle kein Moment MMDF auf, wodurch kein Haltestrom am Drehmotor 12 benötigt wird. Das maximale Moment MMDF der magnetischen Drehfeder 14 liegt nahe des Hubbeginns des Gaswechselventils 10 bei +/–15,0°, so dass das sich in der Richtung umkehrende Drehmoment aus der magnetischen Drehfeder 14 die Hubbewegung des Gaswechselventils 10 zusätzlich zum Drehmotor 12 unterstützt. Dies ist ein großer Vorteil im Vergleich zu anderen Verspannungen, da bei Hubbeginn auch die größten Gaskräfte im Motor wirken. All diese genannten Maßnahmen führen dazu, dass der Drehmotor 12 sehr kompakt ausfällt und durch die magnetische Drehfeder 14 das System kaum aufbaut und somit in einem konventionellen Zylinderkopf Platz findet.
  • Wie aus 3 ersichtlich, erfolgt der Hubbeginn für das Gaswechselventil 10 nicht sofort mit dem Beginn der Verschwenkung der Schwenkachse 20 aus einer der Endlagen, sondern die Kontur 24 ist derart ausgebildet, dass der Hubbeginn verzögert wird. In dem dargestellten Beispiel erfolgt der Hubbeginn erst bei +15°, wenn von dem Zustand "Gaswechselventil geschlossen" und den Zustand "Gaswechselventil geöffnet" gewechselt wird bzw. bei –15°, wenn von dem Zustand "Gaswechselventil geöffnet" und den Zustand "Gaswechselventil geschlossen" gewechselt wird. Mit anderen Worten ist der Hubbeginn um einen Schwenkwinkel Delta (Δ) von ca. 7,5° verzögert.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Gaswechselventil
    12
    Drehmotor
    14
    magnetische Drehfeder
    16
    nichtlineares Getriebe
    18
    Koppelmechanismus
    20
    Schwenkachse
    22
    Konturscheibe
    24
    Kontur
    26
    Zapfen
    28
    Ventilschaft
    30
    Rotor
    32
    Stator
    34
    magnetischer Nordpole
    36
    magnetischer Südpole
    38
    horizontale Achse: Schwenkwinkel in [°]
    40
    erste vertikale Achse: Ventilhub in [mm]
    41
    zweiten vertikalen Achse: Drehmoment MMDF in [Nm]
    42
    erster Graph mit gestrichelter Linie: Verlauf des Ventilhubes über den Schwenkwinkel 38
    44
    zweiter Graph mit durchgezogener Linie: Verlauf des Drehmomentes MMDF über den Schwenkwinkel 38
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19860451 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Antrieb für ein Gaswechselventil (10) einer Brennkraftmaschine mit einem Drehmotor (12) und einem zwischen Drehmotor (12) und Gaswechselventil (10) angeordnetem Getriebe (16), welches eine Schwenkbewegung des Drehmotors (12) zwischen zwei Endlagen in eine translatorische Bewegung des Gaswechselventils (10) umsetzt, wobei eine erste Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) in den Zustand "Offen" und eine zweite Endlage der Schwenkbewegung des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) in den Zustand "Geschlossen" bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (16) als nichtlineares Getriebe ausgebildet ist, wobei zwischen dem Drehmotor (12) und dem Getriebe (16) zusätzlich eine magnetische Drehfeder (14) angeordnet ist.
  2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Getriebe (16) eine Konturscheibe (22) mit darin angeordneter Kontur (24) in Form einer Ausnehmung aufweist, wobei an dem Gaswechselventil (10) ein Mitnehmer (26), insbesondere ein Zapfen, angeordnet ist, welcher in die Kontur (24) eingreift.
  3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (24) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Verschwenken der Konturscheibe (22) zwischen den beiden Endlagen des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) in die entsprechenden Zustände "Offen" bzw. "Geschlossen" bewegt.
  4. Antrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Drehfeder (14) zwei konzentrisch zueinander angeordnete, stabförmige Permanentmagnete aufweist, die jeweils in Umfangsrichtung abwechselnd magnetische Nord- und Südpole (34, 36) aufweisen, wobei ein erster Permanentmagnet als Stator (32) angeordnet ist und ein zweiter Permanentmagnet relativ zu dem Stator (32) verschwenkbar als Rotor (30) angeordnet ist, wobei der zweite Permanentmagnet drehfest mit einer Schwenkachse (20) des nichtlinearen Getriebes (16) einerseits sowie mit einer Schwenkachse (20) des Drehmotors (12) andererseits mechanisch verbunden ist.
  5. Antrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmotor (12) als Proportionaldrehmagnet in Form einer Gleichstrommaschine ausgebildet ist.
  6. Antrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmotor (12) mit begrenztem Schwenkwinkel (38) ausgebildet ist.
  7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Schwenkwinkel (38) +/–22,5° beträgt.
  8. Antrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (24) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Verschwenken der Konturscheibe (22) zwischen den beiden Endlagen des Drehmotors (12) das Gaswechselventil (10) um einen Hub (40) von +/–4mm translatorisch bewegt.
  9. Antrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (24) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Hubbeginn des Gaswechselventils (10) erst nach einem vorbestimmten Schwenkwinkel Δ beabstandet von den Endlagen des Drehmotors (12), insbesondere nach einem Schenkwinkel Δ ausgehend von der Endlage von Δ = 7,5°, erfolgt.
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Citations (4)

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