DE19860451A1

DE19860451A1 - Actuator for a valve of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE19860451A1
Application number: DE19860451A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-06-29
Also published as: EP1144813A1; EP1144813B1; WO2000039435A1; DE59905115D1

Abstract

The invention relates to a drive unit for a valve of an internal combustion engine. According to the invention, a pivotably mounted lever which is moved in a reciprocating manner acts on the valve stem. The pivoting movement is produced by means of a torque motor whose axis of rotation matches the pivot axis of the lever. The rotor of said torque motor is connected to the lever in order to transmit the rotating movement.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Ventil eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a drive for a valve of an internal combustion engine with the Features of the preamble of claim 1.

Ein derartiger Antrieb ist aus der WO 98/42960 bekannt. Dort ist der Anker eines elektromagnetischen Antriebs in den schwenkbaren Hebel integriert und dem Anker sind gegenüberliegend zwei Elektromagnete zugeordnet, deren Erregerströme ab wechselnd eingeschaltet werden. Auf den Anker bzw. Hebel wirken zwei entgegen gerichtete Federkräfte ein, die ohne Erregung der Elektromagnete den Anker in eine Zwischenstellung stellen. Diese Federkräfte in Verbindung mit den Elektromagneten bringen den Anker und damit den Hebel jeweils in Schwenkendstellungen und bewir ken damit die Ventilbewegung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den An trieb hinsichtlich seines Leistungsbedarfs weiter zu verbessern.Such a drive is known from WO 98/42960. There is an anchor there electromagnetic drive integrated in the swiveling lever and the anchor are oppositely assigned to two electromagnets, the excitation currents of which can be switched on alternately. Two counteract on the anchor or lever directional spring forces, the armature in a without excitation of the electromagnet Intermediate position. This spring force in conjunction with the electromagnet bring the anchor and thus the lever in pivoting end positions and cause thus the valve movement. The invention is based, to urged to further improve in terms of its power requirements.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprü che beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is solved by the features of claim 1. The subclaims che contain advantageous developments of the invention.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Antriebs ist über den gesamten Hub eine gleichmäßige Antriebskraft vorhanden. Der Antrieb ist besser regelbar bei An wendung einer Stellungsregelung, so daß kleine Ventilaufsetzgeschwindigkeiten er zielbar sind. Dieser Vorteil wird durch eine kleine Zeitkonstante des Antriebs unter stützt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung kann in einfacher Weise ein variabler Hub erzielt werden. Der Antrieb weist geringe bewegte Masse und damit geringes Gewicht auf. In the inventive design of the drive is over the entire stroke there is an even driving force. The drive is easier to control when on application of a position control, so that he low valve placement speeds are targetable. This advantage is due to a small time constant of the drive supports. In the training according to the invention, a variable can be easily Stroke can be achieved. The drive has low moving mass and therefore little Weight on.

Der Drehmotor kann hydraulisch angetrieben werden. Er ist jedoch vorzugsweise ein Elektromotor. Dieser kann - wie üblich - ein voll ausgelegter Motor sein, aber es ge nügt auch, ihn als Segmentmotor auszubilden.The rotary motor can be driven hydraulically. However, it is preferably a Electric motor. As usual, this can be a fully designed engine, but it does it is also sufficient to train it as a segment motor.

In seiner einfachsten Form bringt der Drehmotor durch Umschalten der Antriebsener gie seinen Rotor und damit den Hebel in Endlagen und hält den Hebel entsprechend den Notwendigkeiten dort fest. Das Einfahren in die Endlagen und das Festhalten dort wird vorzugsweise geregelt erfolgen. Man kann in den Endlagen aber auch Permanentmagneten vorsehen oder Elektromagnete wirksam machen, die den An trieb in diesen Endstellungen festhält. Die Haltekraft kann zwischen der Drehachse und dem Ventilschaft am Hebel angreifen (i < 1), aber auch jenseits des Ventil schafts (i < 1). Es sind beliebige Drehmotoren einsetzbar, z. B. kollektorlose Gleich strommotoren, aber auch andere Motorprinzipien mit permanentmagnetischem Rotor, switched reluctance Motor oder Induktionsmotor, insbesondere mit segmentförmiger Ausbildung von Rotor und Stator.In its simplest form, the rotary motor brings the switch of the drive cast its rotor and thus the lever in end positions and hold the lever accordingly the needs there. Driving into the end positions and holding on there will preferably be regulated. But you can also in the end positions Provide permanent magnets or make electromagnets effective, which the An drives in these end positions. The holding force can be between the axis of rotation and engage the valve stem on the lever (i <1), but also beyond the valve shaft (i <1). Any rotary motors can be used, e.g. B. collectorless equal current motors, but also other motor principles with permanent magnetic Rotor, switched reluctance motor or induction motor, especially with segmented design of rotor and stator.

Man kann, wie oben gezeigt, einen Drehmotor verwenden, der in seiner Antriebs richtung umpolbar ist und allein den Hebel in beide Endstellungen bringt. Es ist je doch auch möglich, einen Motor zu verwenden, der nur in eine Richtung antreibt und evt. auch nur antreiben kann. Hier wird als Gegenkraft eine Federkraft notwendig, gegen die der Motor den Hebel in die eine Endlage bringt. Die Feder übernimmt den Rücktransport in die andere Endstellung, wobei durch eine Teilantriebskraft das wei che Einlaufen in die zweite Endstellung regelbar ist. In diesem Falle wird zumindest für die zweite Stellung ein Haltemagnet benötigt.One can, as shown above, use a rotary motor that drives in it direction can be reversed and alone brings the lever to both end positions. It is ever but also possible to use a motor that drives in only one direction and possibly only can drive. Here a spring force is required as a counterforce, against which the motor brings the lever into one end position. The feather takes over Return transport to the other end position, whereby the white by a partial driving force che entry into the second end position is adjustable. In this case, at least a holding magnet is required for the second position.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Antrieb können ähnlich wie bei dem eingangs ge nannten Stand der Technik entgegen gerichtete Federkräfte auf den Hebel, bzw. den Rotor einwirken. Die Federkraft, bzw. die Federkräfte können wenigstens teilweise durch eine Torsionsfeder gebildet werden. Aber es können auch Zug- oder Druckfe dern vorgesehen sein., die wenigstens teilweise die Federkräfte bilden. Zu der Fe derkraft/den Federkräften kann auch eine übliche Ventilfeder beitragen.Also in the drive according to the invention can be similar to the ge called prior art counter-directed spring forces on the lever or Act on rotor. The spring force or the spring forces can at least partially be formed by a torsion spring. But it can also tensile or compressive be provided, which at least partially form the spring forces. To the Fe A conventional valve spring can also contribute to the force / spring forces.

Die Ankopplung des Ventilschafts an den Hebel kann wie im eingangs genannten Stand der Technik über eine am Hebel angelenkte Betätigungsstange erfolgen. Vor teilhafter ist es, den Hebel direkt auf den Ventilschaft einwirken zu lassen, da da durch die bewegte Masse kleiner wird.The coupling of the valve stem to the lever can be as mentioned in the introduction State of the art on an actuated rod on the lever. Before It is more partial to let the lever act directly on the valve stem, because there becomes smaller due to the moving mass.

Hierbei wird entweder der Ventilschaft über ein Gelenk mit dem Hebel verbunden und zum Versatzausgleich der Ventilschaft wenigstens in einer Zone biegsam aus gebildet, oder bei Verwendung einer Ventilfeder liegt der Hebel lose auf dem Ventil schaft auf, wobei die Reibung zwischen Hebel und Schaft durch ein Gleitstück oder eine Rolle gemindert werden kann. Man kann in die Ventilankopplung ein Spielaus gleichselement einschalten, um auftretendes Spiel auszugleichen.Here either the valve stem is connected to the lever via a joint and flexible to compensate for misalignment of the valve stem in at least one zone formed, or when using a valve spring, the lever is loose on the valve shaft, the friction between lever and shaft by a slider or a role can be diminished. You can play in the valve coupling Switch on the same element to compensate for any game that occurs.

Besonders vorteilhaft für eine geringe Leistungsaufnahme ist die Kombination eines Drehmotors und eines oder zweier Haltemagneten für die Endlagen, nämlich "voll geöffnetes" und "voll geschlossenes Ventil". Da der Drehmotor weitestgehend die Arbeit für die Abdeckung der Reibungs- und Gaskräfte während des Hubs aufbringt, kann der Haltemagnet im Wesentlichen auf die Haltekräfte des Ventils ausgelegt sein. Diese werden durch die Feder- und Gaskräfte bestimmt. Da der Haltemagnet nur im Bereich der Endlagen wirksam ist, kann man den Haltemagnetkreis mit nur einer Erregerspule und jeweils Polen für die beiden Endlagen ausgestalten.The combination of one is particularly advantageous for low power consumption Rotary motor and one or two holding magnets for the end positions, namely "full open "and" fully closed valve ". Since the rotary motor largely Work to cover the friction and gas forces during the stroke, the holding magnet can essentially be designed for the holding forces of the valve his. These are determined by the spring and gas forces. Because the holding magnet is only effective in the area of the end positions, you can use the holding magnetic circuit with only an excitation coil and each design poles for the two end positions.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Antrieb mit einem Switch- Reluctance-Motor. Fig. 1 shows a drive according to the invention with a switch reluctance motor.

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Antrieb mit Permanent-Magnet- Rotor Fig. 2 shows a drive according to the invention with a permanent magnet rotor

Fig. 3 bis 7 Detailausbildungen des Antriebs FIGS. 3 to 7 show detailed configurations of the drive

Fig. 8 eine Bremsenergierückgewinnschaltung Fig. 8 shows a brake energy recovery circuit

In Fig. 1 ist ein anzutreibender Ventilschaft mit 1 bezeichnet. Er ist über eine Betäti gungsstange 2 mit einem Hebel 3 gelenkig verbunden. Das Gelenk wird durch ein Kugellager 4 gebildet. Der Hebel 3 ist bei 5 schwenkbar gelagert und mit einer zwei entgegengesetzte Federkräfte erzeugenden Torsionsfeder 6 verbunden.In Fig. 1, a valve stem to be driven is designated 1 . It is connected via an actuation rod 2 with a lever 3 articulated. The joint is formed by a ball bearing 4 . The lever 3 is pivotally mounted at 5 and connected to a torsion spring 6 which generates two opposite spring forces.

Zur Erzeugung der Schwenkbewegungen ist ein als Segmentmotor ausgebildeter Switch-Reluctance-Motor 7 vorgesehen, der aus einem mit Spulen 8 bestückten Stator 9 und einem Pole aufweisenden Eisenrotor 10 besteht. Der Rotor 10 weist die gleiche Drehachse 5 wie der Hebel 3 auf und ist mit dem Hebel 3 verbunden. Das linke Hebelende könnte auch als Motorrotor ausgebildet sein.A switch reluctance motor 7 designed as a segment motor is provided to generate the swiveling movements and consists of a stator 9 equipped with coils 8 and an iron rotor 10 having poles. The rotor 10 has the same axis of rotation 5 as the lever 3 and is connected to the lever 3 . The left end of the lever could also be designed as a motor rotor.

Durch Ansteuern der Wicklungen in einer Polung des Antriebsstroms wird der Rotor in die eine Drehrichtung bewegt, bei umgekehrter Polung in die andere Richtung.By driving the windings in a polarity of the drive current, the rotor moved in one direction of rotation, with reverse polarity in the other direction.

Im Beispiel der Fig. 1 ist eine Antriebskraft in nur eine Richtung vorgesehen. Die Rückstellung in die andere Endstellung erfolgt durch die Rückstellfederkraft (Tor sionsfeder), wobei der Anker in der Nähe der Endstellung durch den Haltemagnet eingefangen wird. Diese Lösung ist z. B. für ein Auslaßventil günstig, da hier zum Öffnen des Ventils eine große Kraft benötigt wird. Zum Schließen genügt die Rück stellfederkraft in Verbindung mit dem Haltemagneten.In the example of FIG. 1, a driving force is provided in only one direction. The return to the other end position takes place through the return spring force (gate spring), the armature being caught near the end position by the holding magnet. This solution is e.g. B. cheap for an exhaust valve, since a large force is required to open the valve. The return spring force in connection with the holding magnet is sufficient to close.

Es ist auch denkbar, den Motor so auszubilden, daß ein Teil der Wicklungen mit ent sprechenden Polen bei Ansteuerung den Motor in die eine Richtung dreht und ein anderer Teil bei Ansteuerung den Motor in die andere Richtung bewegt. Im Hebel ist ein Anker 11 integriert, durch den der Hebel 3 in den Endstellungen festgehalten wird. Hierzu ist ein Elektromagnet 12 vorgesehen, dessen Kern derart ausgebildet ist, daß der Anker 11 in den Endstellungen des Hebels 3 einem Polpaar 12a, bzw. 12b gegenübersteht, so daß bei Ansteuerung der Wicklung 13 der Hebel 3 in den Endstellungen ohne Motoransteuerung festgehalten wird. Der Strom der Wick lung 13 wird hierzu geregelt.It is also conceivable to design the motor in such a way that part of the windings with corresponding poles turns the motor in one direction when actuated and another part moves the motor in the other direction when activated. An armature 11 is integrated in the lever, by means of which the lever 3 is held in the end positions. For this purpose, an electromagnet 12 is provided, the core of which is designed such that the armature 11 in the end positions of the lever 3 faces a pole pair 12 a or 12 b, so that when the winding 13 is actuated, the lever 3 is held in the end positions without motor control becomes. The current of the winding 13 is regulated for this purpose.

Vorzugsweise wird die Rotorlänge und entsprechend auch die zugehörige Stator länge sehr groß gegenüber dem Rotordurchmesser gewählt. Das Verhältnis ist vor zugsweise größer als 2. The rotor length and correspondingly also the associated stator are preferred length chosen very large compared to the rotor diameter. The relationship is in front preferably greater than 2.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 einmal dadurch, daß der Ventilschaft 21 über ein als Kugellager 22 ausgebildetes Gelenk direkt mit dem Hebel 23 verbunden ist und daß der Ventilschaft 21 zum Versatzausgleich eine Biegezone 21a aufweist. Zum andern ist ein Motor 27 vorgesehen, der auf der Rotorseite einen Eisenkern 26 und einen Permantentmagnetring 28 aufweist. Auf dem Stator sind Spulen 29 aufge bracht. Bei Ansteuern mit Strömen unterschiedlicher Polung schwenkt der Rotor 26/28 in unterschiedliche Richtungen aus. Fig. 2 differs from Fig. 1 once in that the valve stem 21 is connected directly to the lever 23 via a joint formed as a ball bearing 22 and that the valve stem 21 has a bending zone 21 a for compensating for offset. On the other hand, a motor 27 is provided which has an iron core 26 and a permanent magnet ring 28 on the rotor side. Coils 29 are brought up on the stator. When driving with currents of different polarity of the rotor 26/28 in different directions from pivots.

In den Fig. 3, 4, 5, 6, und 7 ist eine Übersicht über mögliche Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In Fig. 3a und 3b sind Antriebe mit voller Ausbildung und Sek torausbildung gegenübergestellt. In Fig. 4 ist ein hydraulischer Antrieb gezeigt, bei dem über Ventile 40 gegenläufig Hydraulikflüssigkeit in eine hydraulische Kam mer 41 eingesteuert werden kann, das ein mit dem Hebel 42 verbundenes Teil im Rohr 41 hin und her bewegt.In Figs. 3, 4, 5, 6, and 7, an overview is shown of possible embodiments of the invention. In Fig. 3a and 3b drives with full training and sec tor training are juxtaposed. In FIG. 4, a hydraulic drive is shown in which hydraulic fluid can in opposite directions via valves 40 are controlled in a hydraulic Kam mer 41 which moves a lever 42 connected to the part of the tube 41 back and forth.

In Fig. 5a und Fig. 5b sind die Haltemagnete und der zugehörige Anker 51 im Ge gensatz zu den Fig. 1 und 2 anders angeordnet. Einmal sind sie links vom Motor an geordnet und der Anker 51 wirkt auf eine Hebelverlängerung 52 ein (Fig. 5a). Im Fall der Fig. 5b ist der Haltemagnet 50a und 50b zweigeteilt und der Anker 51 jenseits der Ventilankopplung 53 angeordnet.In Fig. 5a and Fig. 5b, the holding magnets and the associated armature 51 are arranged differently in contrast to FIGS . 1 and 2. Once they are arranged to the left of the engine and the armature 51 acts on a lever extension 52 ( Fig. 5a). In the case of FIG. 5b, the holding magnet 50 a and 50 b is divided in two and the armature 51 is arranged beyond the valve coupling 53 .

In Fig. 6 werden die beiden Federkräfte durch eine Torsionsfeder 60, eine auf den Ventilschaft wirkende Ventilfeder 61 und eine zusätzliche Druckfeder 62 gebildet. In Fig. 6b ist gegenüber Fig. 6a die Torsionsfeder entfallen.In Fig. 6, the two spring forces are formed by a torsion spring 60 , a valve spring 61 acting on the valve stem and an additional compression spring 62 . In FIG. 6b, the torsion spring is omitted compared to FIG. 6a.

In den Fig. 6a und 6b mit Ventilfeder 61 liegt ein Gleitstück 63 lose auf dem Ventil schaft auf. In Fig. 7 ist zwischen Gleitstück 73 und Ventilschaft 70 ein Spielaus gleichselement 74 eingeschaltet.In Figs. 6a and 6b with the valve spring 61, a slider 63 is located loosely on the valve stem. In Fig. 7, a play compensation element 74 is switched on between the slider 73 and valve stem 70 .

In Fig. 8 ist der Elektromotor mit 81 bezeichnet. Er wird durch eine zentrale Steuer ung 82 über eine Ansteuerschaltung 83 betrieben. Im Abbremsfall öffnet die zentrale Steuerung 82 einen Speicher 80 zur Einspeicherung der rückgewonnenen Brems energie. Diese wird in den Folgezyklen über ein Koppelglied 84 der Ansteuerschal tung zur Nutzung zugeführt.In FIG. 8, the electric motor is designated by 81. It is operated by a central control 82 via a control circuit 83 . In the event of braking, the central controller 82 opens a memory 80 for storing the recovered braking energy. This is fed to the control circuit for use in the subsequent cycles via a coupling element 84 .

Claims

1. Drive for a valve of an internal combustion engine with a reciprocating, pivotably mounted lever ( 3 , 23 ), which acts on the stem of the valve ( 1 , 21 ), characterized in that a rotary motor ( 7 , 27 ) is provided, whose rotor ( 9 , 26 , 28 ) can be pivoted about the axis of rotation ( 5 ) of the lever ( 3 , 23 ) and that the movement of the rotor ( 9 , 26 , 28 ) is transmitted to the lever ( 3 , 23 ) becomes.

2. Drive according to claim 1, characterized in that the rotary motor is driven hy draulically ( Fig. 4).

3. Drive according to claim 1, characterized in that the rotary motor is an electric motor ( Fig. 1, Fig. 2).

4. Drive according to claim 3, characterized in that the electric motor motor that can be driven in only one direction.

5. Drive according to claim 3, characterized in that the rotary motor on different directions of rotation is switchable.

6. Drive according to claim 3, characterized in that the motor is a switch reluctance motor ( 7 ).

7. Drive according to claim 3, characterized in that the motor is designed as a motor with permanent rotor and windings ( 29 ) on the stator.

8. Drive according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rotary motor is designed as a segment motor ( Fig. 3b).

9. Drive according to one of claims 1 to 8, characterized in that in at least one of the two end positions of the lever / rotor (3, 10, 23, 26/28) a magnetic force, in particular the force of an electromagnet the He bel / rotor ( 3, 10, 23, 26/28) holds.

10. The drive according to claim 9, characterized in that the lever arm on which the retaining magnetic force (11/12) acts is smaller than the lever arm which engages the valve stem (1) (Fig. 1).

11. Drive according to claim 9, characterized in that the lever arm on which the holding magnetic force acts is larger than the lever arm which acts on the valve stem ( Fig. 5b).

12. Drive according to one of claims 1 to 11, characterized in that (/ 11 3) at least acts on the lever / rotor a spring force (6).

13. The drive according to claim 12, characterized in that on the bel He / rotor (3/11) has two oppositely directed spring forces (6) act.

14. Drive according to one of claims 12 or 13, characterized in that the spring force / spring forces is at least partially formed by a torsion spring ( 16 ).

15. Claim according to one of claims 12 to 14, characterized in that the spring force / spring forces are at least partially formed by Zugfe or Druckfe ( 61 , 63 ) ( Fig. 6a, Fig. 6b).

16. Drive according to one of claims 12 to 15, characterized in that the spring force / spring forces is (at least partially) formed by a valve spring ( 61 ).

17. Drive according to one of claims 1 to 16, characterized in that the valve coupling of the lever via an articulated actuating rod ( 2 ) acts on the valve stem ( 1 ) ( Fig. 1).

18. Drive according to one of claims 1 to 16, characterized in that for coupling the valve lever ( 23 ) acts directly on the shaft ( 21 ).

19. Drive according to claim 18, characterized in that the lever ( 23 ) via a joint ( 22 ) with the shaft ( 21 ) is connected and that the shaft is flexible (zone 21 a).

20. Drive according to claim 16 and 18, characterized in that the lever rests loosely on the shaft ( 60 ) ( Fig. 6).

21. Drive according to claim 20, characterized in that the loose on the Lever part lying on the shaft is a sliding element.

22. Drive according to claim 20, characterized in that the loose on the The lever part lying on the shaft is a roller.

23. Drive according to one of claims 20 to 22, characterized in that a hydraulic lash adjuster ( 74 ) is switched on in the valve coupling ( Fig. 7).

24. Drive according to one of claims 3 to 23, characterized in that a Part of the lever is designed as a rotor of the electric rotary motor.

25. Drive according to one of claims 1 to 24, characterized in that the Rotor length and stator length large compared to the rotor diameter, is in particular larger than twice the diameter.

26. Drive according to one of claims 3 to 5, characterized in that a memory ( 80 ) is provided, to which the recovered energy is supplied in the braking phase of the rotary motor ( 81 ) and which it stores there and in that switching means ( 82 , 83 ) are provided, which returns the stored braking energy to the motor 81 in the event of acceleration.