DE19723923C2 - Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor. Insbesondere be­ trifft die Erfindung eine Ventilanordnung, bei der die Hin- und Herbewegung des Ventilgliedes nicht durch eine Nocken­ welle bewirkt und gesteuert wird. Vielmehr wird bei der er­ findungsgemäßen Anordnung ein Linearmotor als elektrisch betätigter Venti­ lantrieb eingesetzt.

Aus der JP 3-92518 A ist eine Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren bekannt, bei der der Stator des Linearmotors aus zwei etwa halbzylindrischen Schalen aufgebaut ist, die sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrich­ tung jeder Schale geteilte, dem Läufer zugewandte Zähne aufweisen. Die einzelnen Zähne jeder Schale sind jeweils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in ra­ dialer Richtung verläuft.

Dadurch ergibt sich ein in radialer Richtung orientierter magnetischer Fluß, der ausgehend von jedem einzelnen der Vielzahl von Zähnen, durch den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, in den Läufer fließt.

Eine insoweit übereinstimmende Ausgestaltung des Ständers, der Ständerspulen und, des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren ist in der US 5,129,369 A beschrieben. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers je­ weils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.

Auch die EP 0 485 231 A1 zeigt eine ähnliche Art der Ge­ staltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Ver­ brennungsmotoren. Auch hier sind in radialer und tangentia­ ler Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von ei­ ner radial orientierten Wicklung umgeben.

Diese Anordnungen sind in der Herstellung sehr aufwendig, da die Montage der Wicklungen um die einzelnen Zähne schwierig zu bewerkstelligen ist. Außerdem ist die bei die­ sem Aufbau erzielbare Polteilung relativ groß.

Des weiteren ist aus der zur Neuheit gemäß PatG §3 (2) rele­ vanten DE 197 22 632 A1 ein Antrieb zur periodischen Beauf­ schlagung wenigstens eines Ventil bekannt, bei dem der Schaft eines Ventils mit einem Anker verbunden ist, der wiederum mit einem geringen Spalt von einem Stator umschlossen wird. Die­ ser als Innenläufer ausgestaltete Anker und somit das Ventil werden axial bewegt, wenn der Stator mit elektrischer Span­ nung beaufschlagt wird.

Da der Anker gemäß DE 197 22 632 A1 als Innenläufer ausge­ staltet ist, d. h. von dem Stator umschlossen wird, hat der Antrieb zur periodischen Beaufschlagung der DE 197 22 632 A1 große äußere Abmessungen. Außerdem sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um den als Innenläufer ausgestalteten Anker in einer gewünschten Lage innerhalb des Stators zu positionieren und in gewünschter Weise axial zu bewegen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für eine Ventilanordnung zum Bewegen eines Ventilgliedes bereitzustel­ len, die eine möglichst kleine Bauform hat und deren Anker so ausgestaltet ist, daß dessen Positionierung und axiale Bewe­ gung auf einfache Weise in gewünschter Form erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Ven­ tilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Linearmotor als Aktuator für ein Ventilglied, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 defi­ niert ist.

Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kleine Polteilung des Linearmotors, so daß eine sehr hohe Kraftdichte realisier­ bar ist. Außerdem kann die durch den Linearmotor erzeugte Kraft entlang des Hubweges des Ventilgliedes genau einge­ stellt werden. Damit ist es nicht erforderlich, das Ventil­ glied mit erheblicher kinetischer Energie zu beaufschlagen, damit dieses seine Endstellung einnimmt. Dies bedeutet, daß erheblich weniger Energie zur Betätigung des Ventilgliedes erforderlich ist als bei den aus dem Stand der Technik be­ kannten Anordnungen. Dies bedeutet auch eine deutlich ge­ ringere Geräuschentwicklung und weniger Verschleiß.

Durch die Anordnung der Ständerwicklung ist es möglich, die auf die Wicklung wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so daß Vibrationen der Wicklung oder Reibung der Wicklung an den Blechen gering sind. Damit ist es möglich, mit mini­ malem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Wicklungskammer auszukommen. Auch dies, trägt, zur Kompakt­ heit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen Li­ nearmotoren, da der Füllfaktor der Wicklungskammer (Wick­ lungsvolumen in der Wicklungskammer bezogen auf das Gesamt­ volumen der Wicklungskammer) hoch ist.

Bevorzugt weisen die Bleche wenigstens eine Ausnehmung auf, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche enthält. Dieses Eisenmaterial kann durch (gepackte)Eisendrähte gebildet sein, die die Bleche quer zu deren Fläche durchdringen. Al­ ternativ dazu kann das Eisenmaterial auch durch Eisenparti­ kel gebildet sein, die mittels Kunstharz oder dergl. in den Ausnehmungen der Bleche verpreßt sind.

Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Aktuators, bei dem die wenigstens eine Wicklung über ihre gesamte Erstrec­ kung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor bei­ trägt. Dies bedeutet, daß die Wicklung keine Wickelköpfe aufweist, wie dies bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Der Grund dafür ist, daß die Wicklung vollständig zwischen den Blechen des Ständers in den Wickelkammern aufgenommen ist und die Wicklung weder in axialer Richtung noch in ra­ dialer Richtung über die Zähne des Ständers hinausragt.

Damit hat die Ventilanordnung gemäß der Erfindung einen Ak­ tuator, der gegenüber, einem herkömmlichen Motor erheblich weniger Kupfer zur Erzeugung eines vergleichbaren Magnet­ feldes aufweist.

Erfindungsgemäß kann der Läufer als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder im speziellen als Reluktanzläufer ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist der Läufer mit einem Sensor zur Weger­ fassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung gekoppelt.

Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem er­ findungsgemäßen Aktuator auch ein Teilhub der Ventilanord­ nung möglich ist. Dieser Teilhub kann über den Sensor er­ faßt werden.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung der Läufer mit einer Resonanzfederanordnung gekoppelt sein.

Bevorzugt ist der Läufer als Hybridläufer mit einem Eisen­ körper, in den Kupfer- oder Aluminiumreifen eingesetzt sind, ausgestaltet.

Schließlich betrifft die Erfindung einen Verbren­ nungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit wenigstens einer Ventilanordnung für Ein- oder Auslaßventi­ le mit mindestens einem der vorstehenden Merkmale.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Ab­ wandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehen­ den Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeich­ nung Bezug genommen ist.

In der Zeichnung ist eine Ventilanordnung für einen ventil­ gesteuerten Verbrennungsmotor schematisch im Längsschnitt veranschaulicht.

Ein elektrischer Linearmotor 10 dient bei der erfindungsge­ mäßen Ventilanordnung als Aktuator für ein Ventilglied 12. Der Linearmotor 10 hat einen mit dem Ventilglied 12 über eine Stange 14 gekoppelten Läufer 16 und einen Ständer 18.

Der Ständer 18 ist aus kreisrunden Blechen 20 aus Eisen aufgebaut, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung B des Läufers 16 orientiert ist. Der Ständer 18 weist dem Läufer 16 zugewandte Zähne 22 auf, die jeweils eine ge­ schlossene, dem Läufer 16 zugewandte Mantelfläche haben. Im vorliegenden Beispiel mit kreisrunden Blechen 20 haben die einzelnen Zähne 22 eine kreiszylindrische Mantelfläche. Es ist jedoch auch, möglich, ovale Bleche oder Bleche mit poly­ gonaler Gestalt zum Aufbau des Ständers 18 zu verwenden.

Der Ständer 18 weist Ständer-Wicklungen 24 auf, die paral­ lel zu der Fläche der Bleche 20 orientiert sind. Dazu haben einzelne der Bleche 20 einen geringeren Durchmesser als diejenige Bleche, welche die Zähne 22 bilden. Damit sind jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen 22 zur Außenseite hin offene Wicklungskammern 26 gebildet, in denen sich je­ weils eine zur Mittellängsachse des Ständers 18 konzentri­ sche Wicklung 24 befindet. Die Art der Verschaltung der einzelnen Wicklungen 24 bzw. deren Beaufschlagen mit elek­ trischem Strom ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrphasenmotor) abhängig.

In der Mitte hat jedes der Bleche 20 eine Ausnehmung 30, in der polymorphes Eisenmaterial oder gepackte Eisendrähte zur magnetischen Verbindung der Bleche enthalten ist.

Da jede Wicklung 24 über ihre gesamte Erstreckung in der Wicklungskammer angeordnet ist, trägt sie auch über ihre gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmo­ tor bei.

In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein hohlzylin­ drischer Eisenring, der an seiner dem Ständer 18 zugewand­ ten Innenfläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer- oder Aluminiumringe 34 aufgenom­ men sind. Damit arbeitet der Läufer 16 als Hybridläufer.

An der dem Ventilglied 12 abgewandten Stirnseite ist der Läufer 16 mit einem Sensor 36 zur Wegerfassung des Läufers 16 in der Bewegungsrichtung B gekoppelt.

Der Läufer 16 ist gegen das Gehäuse 40 mit einer Resonanz­ federanordnung 42 abgestützt.

Claims (8)

1. Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungs­ motor, mit einem elektrischen Linearmotor (10) als Aktuator für ein Ventilglied (12), der

• 1. einen mit dem Ventilglied (12) gekoppelten Läufer (16) und
• 2. einen Ständer (18) aufweist, wobei
  • - der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren Stirn­ flächen senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert sind,
  • - der Ständer (18) dem Läufer (16) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (16) zugewandte Zylindermantelfläche haben, und wobei
  • - jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen (22) des Stän­ ders (18) Wicklungskammern (26) gebildet sind, in denen jeweils eine parallel zu den Stirnflächen der Bleche (20) orien­ tierte Wicklung (24) angeordnet ist, deren Mittellängsachse parallel zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) verläuft, wobei
• 3. der Läufer (16) als Außenläufer ausgebildet ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bleche (29) wenigstens eine Ausnehmung (30) aufweisen, die Eisenmateri­ al zur Verbindung der Bleche (20) enthält.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Wicklung (24) über ihre gesamte Erstreckung zur effek­ tiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) beiträgt.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer oder als Re­ luktanzläufer ausgebildet ist.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung (36), gekoppelt ist.

6. Ventilanordnung nach. Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einer Resonanzfederanordnung (42) gekoppelt ist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Hybridläufer mit einem Eisenkörper (16), in den Kupfer- oder Aluminiumreifen (34) eingesetzt sind, ausgestaltet ist.

8. Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Ver­ brennungszylinder und mit wenigstens einer Ventilanordnung gemäß den Merkmalen einer der vorstehenden Ansprü­ che.