DE19722632A1

DE19722632A1 - Antrieb zur periodischen Beaufschlagung wenigstens eines Ventils

Info

Publication number: DE19722632A1
Application number: DE19722632A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Giese
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-03
Also published as: US5884591A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Antrieb zur periodischen Beaufschlagung wenigstens eines Ventils für einen Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch in Öffnungs- und Schließrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartiger Antrieb ist der Fachwelt beispielsweise aus der DE-OS 26 30 512 bekannt. Der dort offenbarte Antrieb arbeitet als elektromagnetischer Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine. Bei derartigen Antrieben kann auf den üblicherweise verwendeten klassischen Nockentrieb mit Nockenwelle und Steuernocken verzichtet werden, welcher über ein Treibmittel mit der Kurbelwelle verbunden ist. In aller Regel arbeitet ein solches System als Feder- Masse-Schwinger mit der ihm eigenen Resonanzfrequenz. Die im Abstand der Totpunkte des beaufschlagten Ventils angeordneten Hubmagneten bewirken ein Öffnen und Schließen des Ventils durch Zu- und Abschalten von elektrischer Energie. Nachteilig ist es bei dem vorbeschriebenen System, daß es durch den unvermeidlichen mechanischen Anschlag im Bereich der Totpunkte zu einer ex tremen Geräuschentwicklung kommt. Auch ist keine Variation des Ventilhubes an sich möglich, so daß keine geringeren Gaswechselquerschnitte am Ventil als der maximale hergestellt werden können. Diese geringeren Gaswechselquer schnitte erweisen sich jedoch beispielsweise bei Mehrventiltechnik wie Vier ventiltechnik im Leerlauf- bzw. Teillastbereich der Brennkraftmaschine als sinnvoll. Dort ist dann durch den verkleinerten Gaswechselquerschnitt am Ventil mit einem höheren Drall und somit mit einer verbesserten Gemisch bildung und Verbrennung zu rechnen.

Auch kann der Fachmann dem zitierten Stand der Technik keine Hinweise darüber entnehmen, wie er wenigstens einen Teil der in das System geführten elektrischen Energie wieder zurückgewinnen kann. An sich ist ohnehin festzu stellen, daß das aus der DE-OS 26 30 512 vorbekannte System relativ viel Leistung (ca. 3 KW) verbraucht und von seiner reinen Mechanik her schon schwer zu beherrschen ist. Aufgrund seiner Mittellagenempfindlichkeit empfiehlt sich des weiteren der aufwendige Einsatz eines hydraulischen Spielausgleichs elements.

Des weiteren können im Extremfall durch die harten Endanschläge nicht nur unerwünscht Geräusche emitiert werden, sondern das Ventil kann aufgrund seiner ruckartigen Beschleunigungsänderung unerwünscht dilatieren bzw. sein Teller kann im Extremfall sogar abreißen.

Zwar hat die Fachwelt versucht, den Nachteil des harten Ventilaufsetzens beispielsweise durch nicht näher zu erläuternde hydraulische Dämpfmaßnah men zu eliminieren. Jedoch erweisen sich diese Maßnahmen als konstruktiv sehr aufwendig und schwer beherrschbar.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Antrieb der vorgenannten Gattung zu schaffen, bei welchem die zitierten Nachteile beseitigt sind, der elektromagne tisch arbeitet und bei dem mit einfachen Mitteln insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit einem weichen Anschlag des beaufschlagten Ventils im Bereich seiner Totpunkte bei gleichzeitiger Möglichkeit einer stufenlosen Einstellung dessen Hubes zu rechnen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Konkretisierungen der Erfindung Gegenstand der Unteransprüche sind, denen auch selbständig schutzfähige Maßnahmen imma nent sein können. Des weiteren bezieht sich der Anspruch 10 auf ein Verfahren zum Betrieb des hier besprochenen erfindungsgemäßen Antriebes.

Durch den in Anspruch 1 genannten Antrieb, welcher sich in einer ersten Konkretisierung der Erfindung auf einen Antrieb zur Beaufschlagung eines Ventils für einen Gaswechsel einer Brennkraftmaschine bezieht, ist ein einfach aufgebauter elektromagnetischer Ventiltrieb mit elektrischem Linearantrieb geschaffen. Dem Fachmann wird durch Wahl des im letzten Absatz des An spruchs 1 vorgeschlagenen elektromotorischen Prinzips eine einfache Lehre in die Hand gegeben, wie er einen derartigen Antrieb realisieren kann.

Nachdem die Ringwindungen des Stators mit elektrischer Spannung beauf schlagt wurden, wird aufgrund des sich ausbildenden magnetischen Feldes der mit dem Ventil verbundene Anker in Richtung eines der Totpunkte des Ventils schlagartig verlagert. Erzielt werden können bei maximalen Auslenkungen des Ventils von beispielsweise 10 mm Ventilschwingungen bis 120 Hz. Somit kann auch ein Bereich höchster Drehzahl der Brennkraftmaschine, beispielsweise 7000 Umdrehungen pro Minute und höher, sicher bedient werden, ohne daß es wie von den herkömmlichen Nockentrieben bekannt zu einem sogenannten "Ventilflattern" kommt.

In Abhängigkeit des gewählten elektrischen Motortyps ist der Anker mit oder ohne Ringwindungen (Kurzschlußwindungen) bzw. mit oder ohne Reluktanznu ten (Reluktanzmotor) versehen. Dieser Anker entspricht im übertragenen Sinne dem Rotor bei Elektromotoren und besteht vorteilhafterweise aus Transformator blech. Der ihn umschließende Stator ist aus wirbelstromverlustarmem Trans formatorblech gefertigt und weist im erforderlichen Umfang Ringwindungen auf. Diese Ringwindungen bestehen beispielsweise aus Kupfer.

Der Anker ist in Schließrichtung des Ventils durch eine Druckfeder derart belastet, daß das Ventil im abgeschalteten Zustand des Antriebs seinen Sitz erreicht. Dabei soll die Federkraft dieses Rückstellmittels, wobei an dieser Stelle auch an andere mechanische Rückstellmittel bzw. an hydraulische Rückstell mittel zu denken ist, lediglich 1 bis maximal 30% der Rückstellkraft bisher verwendeter Ventilfedern betragen. Bisherig verwendete Ventilfedern sind ja bekanntermaßen für den Bereich der maximalen Drehzahl der Brennkraftmaschi ne ausgelegt, um auch in diesem Bereich ein sicheres Schließen des Gaswech selventils nach dessen mechanisch erzeugtem Hub zu realisieren. Somit waren diese Ventilfedern für den zumeist gefahrenen mittleren bis unteren Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine deutlich überdimensioniert. Das nach der Erfindung vorgeschlagene Federmittel braucht lediglich die Eigenmasse und -reibung des Ventils im abgeschalteten Zustand des Antriebs zu überwinden, um das Ventil in seinen Sitz zu führen. Nach dem hier vorgeschlagenen Antrieb wird somit nur eine äußerst geringe Energiemenge zur Überwindung dieser Federkraft benötigt.

Vorgeschlagen wird auch, den Antrieb als sogenannten Feder-Masse-Schwinger auszubilden, wobei dann der mit dem Ventil verbundene Anker durch ein weiteres Federmittel beaufschlagt wird, welches entgegengesetzt der Kraftrich tung des ersten Federmittels wirkt. Das System könnte dann somit im Resonanz betrieb arbeiten.

Der in Fortbildung der Erfindung beschriebene Topf dient als einfaches Anlage mittel für die weitere Druckfeder. Gegebenenfalls kann dieser Topf im Bereich seines Bodens wenigstens einen Durchlaß besitzen, welcher Durchlaß in Verbindung mit einem zwischen einem Außenmantel des Ankers und dem Stator vorhandenen Luftspalt die Ausbildung eines unnötigen Luftpolsters innerhalb des Stators verhindert.

Der Stator wird nach der Erfindung aus einem Umrichter mit Zwischenkreis und Mitteln zur Netzrückspeisung sowie Mikroprozessorregelung gespeist. Dabei soll der Stator mit einer Eingangsspannung von 12 bis 500 Volt entsprechend den geringsten elektrischen Verlusten betrieben werden. Aufgrund der vorhan denen und nicht näher beschriebenen Mittel zur Netzrückspeisung kann der erfindungsgemäße Antrieb sehr energiearm betrieben werden. Es ist vorgeschla gen, den erfindungsgemäßen Linearantrieb kurz vor Erreichen eines seiner Totpunkte auf generatorischen Betrieb umzustellen. Die Verfahrgeschwindigkei ten des Ventils werden in diesen Umkehrpunkten auf nahezu "null" abgebremst bzw. ist mit sehr "sanften" Aufsetzgeschwindigkeiten zwischen etwa 0,1 und l m/s zu rechnen. Die aufgrund seiner generatorischen Abbremsung in den Ringwindungen des Stators erzeugte elektrische Energie wird gemäß Erfindungs vorschlag über den Umrichter zu den Mitteln zur Netzrückspeisung zurückge führt (Zwischenkreis). Die so gewonnene Energie ist für den nächsten zu erzeu genden Hubvorgang des Ventils nutzbar. Somit braucht dem gesamten Antrieb nur eine äußerst geringe Energiemenge, deutlich geringer als beim bisherigen Stand der Technik, zugeführt zu werden. Es müssen lediglich die auftretenden Reibungsverluste und elektrischen Verluste ersetzt werden.

Die genannte Umschaltung in den generatorischen Betrieb kann auch dazu benutzt werden, das Ventil in seinem Hub zu variieren.

Zur exakten Positionsbestimmung des anmeldungsgemäßen Linearantriebes und damit Regelung des Ventilhubes wird der Linearantrieb als Meßsystem nach dem Induktiv- oder Wirbelmeßprinzip verwendet. Hierzu wird der Stator mit elektrischer Energie höherer Frequenz als die der Antriebsenergie beaufschlagt. Je nach axialer Lage des Ankers ergibt sich für diese Energie ein anderer magne tischer/induktiver Widerstand, der von einer Auswerteelektronik in den zugeord neten Weg ausgewertet wird. Die Ansteuerung und Auswertung befinden sich in dem Umrichter. Es ist keine getrennte Zuleitung erforderlich.

Da dieser Antrieb mikroprozessorgesteuert sein soll, wobei als Eingangsgrößen zum Mikroprozessor der Kurbelwellenwinkel, die Drehzahl der Brennkraftma schine, die Gaspedalstellung und das Motormoment einfließen sollen, kann dieser Mikroprozessor die optimale Ventilfunktion, d. h. dessen Öffnungsdauer, dessen Hub und dessen Öffnungs- und Schließzeit errechnen und elektrisch realisieren.

Zur Erhöhung einer Leistungsdichte des genannten Umrichters mit weiteren elektronischen Bauteilen können die genannten Elemente flüssigkeitsgekühlt sein.

Ebenfalls wird vorgeschlagen, das Ventil aus einem Leichtbauwerkstoff wie Maschinenbaukeramik zu fertigen. Somit sind aufgrund des gegenüber bisherig ausgeführten Ventilen geringeren Gewichts geringere Energiemengen zur Bewegung des Ventils erforderlich (Verringerung der oszillierenden Massen). Gleichzeitig wird der Brennraum der Brennkraftmaschine durch den ebenfalls aus Keramik bestehenden Teller des Ventils wärmedichter gestaltet.

Ein zwischen einem Außenmantel des Ankers und dem Stator befindlicher Spalt soll so gering wie möglich, vorteilhafterweise in einem Bereich von etwa 1/20 bis 1/200 eines Außendurchmessers des Ankers liegen. Somit wird ein sehr hoher Wirkungsgrad am elektrischen Linearantrieb realisiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird zweckmäßigerweise anhand einer zeichnerisch dargestellten Ausführungsvariante näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt einen erfin dungsgemäßen Antrieb zur Beaufschlagung eines Ventils für einen Gaswechsel einer Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch einen Zylinderkopfbe reich.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Figur offenbart einen Antrieb 1 zur periodischen Beaufschlagung wenigstens eines Ventils 2 für einen Gaswechsel einer Brennkraftmaschine. Das Ventil 2 ist in einer Führung 6 eines Umgebungsteils 7 (Zylinderkopf) längsbeweglich aufgenommen. Es liegt in der Figur mit seinem Federteller 4 an einem Sitz 3 an. Somit hat es seinen oberen Totpunkt erreicht und ein Gasaustausch ist nicht ermöglicht. Im Bereich eines Endes 8 seines Schaftes 5 ist das Ventil 2 fest mit einem Anker 9 mit Ringwindungen 10 an seinem Außenmantel 11 versehen. Diese Ringwindungen 10 sind auch als Kurzschlußwindungen zu betrachten. Der Außenmantel 11 des Ankers 9 (aus Transformatorblech) ist mit einem geringen Spalt 22 beabstandet ausgeführt zu einem ringförmigen Stator 12 aus magnetverlustarmem Transformatorblech mit innenliegenden Ringwindungen 13, beispielsweise aus Kupfer. Dieser Stator 12 erstreckt sich zumindest über den axialen Hubbereich des Ventils 2 mit Anker 9.

Eine Aufnahme für den Stator 12 ist über eine sich in Ventilrichtung erstrecken de Bohrung 15 mit einem ventilseitigen Boden 16 realisiert. An diesem Boden 16 ist ein Federmittel 17 (hier als Schraubenfeder ausgeführt) abgestützt. Dieses Federmittel 17 wirkt anderenends gegen den Anker 9. Somit wird das Ventil im stromlosen Zustand des Antriebs 1 durch das Federmittel 17 in seinem ge schlossenen Zustand gehalten. Dabei ist das Federmittel 17 in seiner Federkraft sehr schwach (siehe Beschreibungseinleitung) ausgelegt. Wahlweise kann in der Bohrung 15 ein dem Ventil 2 abgewandtes Begrenzungsteil 20 mit Boden 19 vorgesehen sein. An diesem Boden 19 soll sich dann ein weiteres Federmittel 18 abstützen, welches gleichzeitig auf den Anker 9 wirkt und mit seiner Kraft der Kraft des ersten Federmittels 17 entgegengesetzt ist. Dabei sind beide Federmittel 17, 18 in ihren Federkräften in etwa gleich ausgelegt, so daß der gesamte Antrieb auch im Resonanzbetrieb arbeiten kann.

Der Stator 12 ist mit elektrischen Zuleitungen 20a versehen, welche Zuleitun gen 20a von einem Umrichter 13a mit Mikroprozessor 14 ausgehen, welcher Umrichter 13a mit Mitteln 21 (nicht näher bezeichnet) zur Netzrückspeisung und Ansteuerung sowie Auswerteeinheit zur Hubmessung versehen ist. Die Bezugszahl 23 kennzeichnet dabei die dem Mikroprozessor zugeführten Ein gangsgrößen wie Winkellage der Kurbelwelle, Drehzahl der Brennkraftmaschi ne, Motormoment, Stellung des Gaspedals und weitere Eingangsgrößen. Die Bezugszahl 24 steht für das Bordnetz, beispielsweise mit einer Eingangsspan nung von 14 V, wobei die Ausgangsspannung 12 bis 500 V betragen soll.

Werden nunmehr die Ringwindungen 13 des Stators 12 mit einer elektrischen Energie in Form eines linear oszillierenden Feldes beaufschlagt, wird der Anker 9 aufgrund des magnetischen Feldes und entgegen der Kraft des Federmittels 17 mit sehr hoher Geschwindigkeit mit seinem Ventil 2 in Richtung zum unteren Totpunkt bewegt. Wie genannt können Hübe von 10 mm bei einer Hubfre quenz von 120 Hz erzielt werden. Kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes wird der Antrieb 1 auf Generatorbetrieb umgeschaltet, d. h. elektrische Energie wird dem Umrichter 13a zugeführt und in einem Gleichspannungszwischen kreis gespeichert. Diese Energie steht dann für den nächsten Beschleunigungs vorgang des Ventils 2 zur Verfügung. Durch diese Umschaltung wird das Ventil 2 mit Anker 9 hervorragend abgebremst, so daß mit einem extrem geräusch armen Aufsetzen bei Geschwindigkeiten im Bereich von 0,1 bis 1 m/s des Ventils 2 an seinen unteren Totpunkt (bzw. wahlweise oberen Totpunkt) zu rechnen ist. Dem System muß nur eine Energie aus der Zuleitung 24 zugeführt werden, welche die Reibungsverluste und elektrischen Verluste ersetzt.

Durch eine spezielle konstruktive Ausbildung des Ankers 9 und des Stators 11 (Wanddicke, wahlweise Ringwindungen 10, wahlweise Reluktanznuten u. a.) kann der Antrieb nach dem Prinzip eines Synchronmotors bzw. Reluktanzmo tors oder Asynchronmotors arbeiten. Gleichzeitig ist durch den erfindungs gemäßen Antrieb 1 eine stufenlose Variation des Hubes des Ankers 9 mit Ventil 2 zur Realisierung kleinerer Gaswechselquerschnitte als der maximal mögliche Gaswechselquerschnitt geschaffen.

Der mit 22 gekennzeichnete Spalt soll so gering wie möglich ausgeführt sein, um einen sehr hohen Wirkungsgrad am elektrischen Antrieb 1 zu erzielen. Der Fachmann wird in zweckmäßiger Weise den Spalt 22 zwischen 0,5 und 5 O/o eines Außendurchmessers des Ankers 9 dimensionieren.

Somit ist insgesamt gesehen ein einfach aufgebauter elektrischer Antrieb 1 (Linearantrieb) für ein Ventil 2 geschaffen, welches Ventil 2 beispielsweise der Realisierung eines Gaswechsels einer Brennkraftmaschine dient. Im übrigen wird auf die Ausführungen in der Beschreibungseinleitung verwiesen.

Bezugszeichenliste

1

Antrieb

2

Ventil

3

Sitz

4

Federteller

5

Schaft

6

Führung

7

Umgebungsteil

8

Ende

9

Anker

10

Ringwindung

11

Außenmantel

12

Stator

13

Ringwindung

13

a Umrichter

14

Mikroprozessor

15

Bohrung

16

Boden

17

Federmittel

18

Druckfeder

19

Boden

20

Begrenzungsteil

20

a Zuleitung

21

Mittel zur Netzrückspeisung

22

Spalt

23

Eingangsgrößen für Mikroprozessor (Winkellage Kurbelwelle, Drehzahl Kurbelwelle, Motormoment, Stellung Gaspedal)

24

Zuleitung Bordnetz

Claims

1. Antrieb (1) zur periodischen Beaufschlagung wenigstens eines Ventils (2) für einen Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch in Öffnungs- und Schließrichtung, ge kennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das Ventil (2) besteht aus einem an einem Sitz (3) in geschlossenem Zustand anliegenden Federteller (4) und einem Schaft (5), welcher Schaft (5) in einer Führung (6) eines Umgebungsteils (7) axial beweglich aufgenommen ist;
- an einem Ende (8) des Schaftes (5) ist ein scheibenartiger Anker (9) mit wahl weise zumindest einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden und elektrisch leitenden Ringwindung (10) befestigt,
- der Anker (9) ist an seinem Außenmantel (11) und zumindest in seinem Hubbereich von einem gering beabstandeten Stator (12) mit wenigstens einer elektrisch leitenden, spulenartigen Ringwindung (13) umschlossen und
- der Stator (12) ist derart aus einem Umrichter (13a) mit Mikroprozessor (14) mit elektrischer Energie beaufschlagbar, daß die Baueinheit Anker (9) mit Ventil (2) und Stator (12) nach dem Prinzip eines Synchronmotors bzw. Reluktanzmotors oder Asynchronmotors arbeitet.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (1) zur Beaufschlagung eines Ventils (2) für einen Gaswechsel einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) in einer sich in Richtung zum Federteller (4) erstreckenden Bohrung (15) des als Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildeten Umgebungsteils (7) angeordnet ist, wobei vorzugsweise an einem Boden (16) der Bohrung (15) ein erstes Federmittel (17) wie eine Druckfeder anliegt, welche anderenends am Anker (9) abgestützt ist.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft des ersten Federmittels (17) derartig gering dimensioniert ist, daß sie kleiner ist als die Massenkraft des Ventils (2) im Leerlauf der Brennkraftmaschine, jedoch größer ist, als die vom Eigengewicht des Ventils (2) mit Anker (9) erzeugte Kompres sionskraft.

5. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) von einem weiteren Federmittel (18) wie einer Druckfeder beaufschlagt ist, dessen Kraft der Kraft des ersten Federmittels (17) entgegengesetzt und in etwa gleich ausgebildet ist.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (15) des Umgebungsteils (7), in Richtung von ihrem Boden (16) weg, von einem Boden (19) eines wahlweise als Topf ausgebildeten Begrenzungsteils (20) verschlossen ist, gegen welchen Boden (19) die weitere Druckfeder (18) sich abstützt.

7. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (13a) zum Stator (12) mit Mitteln (21) zur Netzrückspeisung oder Energiespeicherung in einem Gleichspannungszwischenkreis versehen ist.

8. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (1), ausgehend von seiner elektrischen Zuleitung (20a) nach dem Umrichter (13a), mit einer Spannung zwischen 12 und 500 V betrieben ist.

9. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Außenmantel (11) des Ankers (9) und dem Stator (12) befindlicher Spalt (22) in etwa 1/20 bis 1/200 eines Außendurchmessers des Ankers (9) entspricht.

10. Verfahren zum Betrieb des Antriebes (1) mit den Merkmalen des Anspru ches 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß in einem ersten Schritt der Stator (12) mit elektrischer Spannung beauf schlagt wird und
- daß in einem darauffolgenden Schritt, unmittelbar vor Erreichen eines der Totpunkte des Ventils (2), der Antrieb (1) in einen generatorischen Betrieb umgestellt und die erzeugte elektrische Energie wahlweise in einem Gleich spannungszwischenkreis des Umrichters (13a) gespeichert wird.

11. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (2) aus einem Leichtbauwerkstoff wie Maschinenbaukeramik gefertigt ist.

12. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (13a) mit einer Ansteuerungs- und Auswerteeinheit zur Messung einer Lage/- eines Hubes des Antriebes (1) versehen ist.

13. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig zu betätigende Ventile (2) von demselben Umrichter (13a) bedienbar sind.