DE19934548A1 - Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit elektromagnetisch betätigten Gaswechsel-Hubventilen - Google Patents

Abstract

Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit elektromagnetisch betätigten Gaswechsel-Hubventilen, wobei neben den elektromagnetischen Aktuatoren auch deren kühlbare Steuerungs- und Leistungselektronik im Zylinderkopf angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: DOLLAR A Z die Steuerungs- und Leistungselektronik ist auf einer an einer Wand des Zylinderkopfes oder der Zylinderkopfhaube anliegenden und befestigten Trägerplatte angeordnet, DOLLAR A Z durch die Trägerplatte selbst oder durch den die Trägerplatte tragenden Wandabschnitt des Zylinderkopfes verlaufen Kanäle zur Führung eines Kühlmittels, DOLLAR A Z zwischen den unabhängig von der Trägerplatte am Zylinderkopf befestigten Aktuatoren sowie der Steuerungs- und Leistungselektronik ist ein elektrisches Steckverbindungssystem vorgesehen, dessen erstes Element am Aktuator und dessen jeweiliges zweites Element auf der Trägerplatte angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit elektro­ magnetisch betätigten Gaswechsel-Hubventilen, wobei neben den elektro­ magnetischen Aktuatoren auch deren kühlbare Steuerungs- und Leistung­ selektronik im Zylinderkopf angeordnet ist. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 197 19 299 C1 verwiesen.

Mittels elektromagnetischer Aktuatoren lassen sich an den von diesen betä­ tigten Brennkraftmaschinen-Hubventilen nahezu beliebige Ventilsteuerzei­ ten, d. h. Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Hubventile bzw. Gaswechsel­ ventile, über welche der Ladungswechsel der Brennkraftmaschine erfolgt, einstellen. Hierdurch wird ein äußerst günstiger Brennkraftmaschinen- Betrieb, bspw. im Hinblick auf Emissionen und Wirkungsgrad ermöglicht. Wie, d. h. insbesondere zu welchen Zeitpunkten die betätigten Hubventile von deren zugeordneten Aktuatoren in Bewegung versetzt werden, wird da­ bei von einer sog. Steuerungs- oder Regelungselektronik vorgegeben, die hierfür üblicherweise die benötigten Signale (wie z. B. über aktuelle Brenn­ kraftmaschinen-Drehzahl sowie über den aktuellen Lastwunsch, aber ggf. auch über weitere Randbedingungen) von einem elektronischen Brennkraft­ maschinen-Steuergerät erhält. Berücksichtigen kann diese Regelungselek­ tronik im übrigen ggf. auch die jeweils aktuelle Position entweder des zu be­ tätigenden Hubventiles oder bevorzugt des diesem zugeordneten Aktuator- Ankers, für deren Ermittlung bevorzugt im Aktuator ein entsprechender Hub­ sensor vorgesehen sein kann.

Diese genannte Regelungselektronik berechnet dann, wie die den Anker in Bewegung versetzenden Magnetspulen zu bestromen, d. h. mit elektrischer Energie zu versorgen sind, um die jeweils gewünschte Bewegung des Brennkraftmaschinen-Hubventiles zu erzielen und gibt die dementsprechen­ den Signale an eine sog. Leistungselektronik weiter, die dann die konkrete Energieversorgung der Aktuator-Magnetspulen übernimmt. Hierfür ist selbst­ verständlich nicht nur die Leistungselektronik, sondern auch die Steuerungs- oder Regelungselektronik (hierfür wird im folgenden nur der Begriff "Steuerungselektronik" verwendet) mit einer elektrischen Energiequelle ver­ bunden, wobei noch allgemein darauf hingewiesen sei, daß die Begriffe "Leistungselektronik" und "Regelungselektronik" dem Fachmann geläufige Begriffe für geeignete elektronische Schaltungen (bspw. auf Platinen bzw. Leiterplatten angebracht oder auch in Form integrierter Schaltungen) dar­ stellen.

Zumeist ist die Leistungselektronik sowie die Steuerungselektronik in einem gemeinsamen Steuergerät-Gehäuse untergebracht, welches über geeignete elektrische Leitungsverbindungen bzw. Leitungen mit den jeweils betroffenen Elementen, d. h. den Aktuatoren einerseits, sowie dem Brennkraftmaschinen- Steuergerät, ggf. dem Hubsensor, sowie der elektrischen Energiequelle an­ dererseits, verbunden ist. Üblicherweise besteht nun jeder Aktuator aus zwei Elektromagnetspulen sowie ggf. einem Sensor zur Lageregelung. Es werden somit für jedes Hubventil 6 Anschlußleitungen benötigt. Bei einer vierzylin­ drigen Vierventil-Brennkraftmaschine summieren sich dann 96 Leitungen auf, die an den Aktuatoren sowie am Steuergerät kontaktiert werden müs­ sen. Diese aufwendige Verkabelung ist kritisch bezüglich der Unterbringung im Zylinderkopf, erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems, das Ge­ wicht, und stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Insbesondere die Leitungsverbindungen zwischen dem genannten Steuerge­ rät, d. h. insbesondere der Leistungselektronik desselben, sowie den Aktua­ toren stellen dabei Störstellen im Hinblick auf die sog. elektromagnetische Verträglichkeit dar. Diesen Anforderungen muß aber eine mit elektromagne­ tischen Hubventil-Aktuatoren ausgestattete Brennkraftmaschine genügen, wenn diese zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist. Im übrigen sind elektrische Leitungsverbindungen generell an Brennkraftmaschinen ei­ ne mögliche Störquelle, nachdem die mechanischen Standfestigkeitsanfor­ derungen insbesondere an die Steckverbindungen zwischen den elek­ trisch/elektronischen Leitungen und den angeschlossenen Elementen (hier: Aktuator, Leistungselektronik, Brennkraftmaschinen-Steuergerät, elektrische Energiequelle, ggf. Hubsensor) aufgrund der beim Betrieb der Brennkraft­ maschine (insbesondere falls diese dem Antrieb eines Fahrzeuges dient) auftretenden Erschütterungen relativ hoch sind.

Bei dem aus der eingangs genannten DE 197 19 299 C1 bekannten Stand der Technik sind die Aktuatoren auf einer sog. Trägerplatte vormontiert, um Vorteile bei der Montage und Bauraum zu gewinnen. In diesem Zusammen­ hang sind auch die Möglichkeiten erwähnt, die Trägerplatte mit Kühlmittel zu kühlen und die Leistungselektronik für die Aktuatoren inklusive zugehöriger elektrischer Leiterbahnen auf dieser Trägerplatte zu plazieren. Ferner findet sich darin der Hinweis, daß die Aktuatoren mit der genannten Elektronik bspw. durch Steckverbindungen kontaktiert werden können.

Mit diesem bekannten Stand der Technik werden somit bereits einige der weiter oben genannten Leitungsverbindungen eingespart, da diese in die sog. Trägerplatte integriert sind. Weiterhin müssen jedoch die Steuerleitun­ gen durch den Zylinderkopf hindurch nach außen zur sog. Steuerungselek­ tronik geleitet werden, wodurch einige der o. g. Nachteile erhalten bleiben.

Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Standes der Technik ist, daß für ei­ nen Austausch eines bspw. defekten Aktuators die gesamte Trägerplatte und somit alle Aktuatoren aus dem Zylinderkopf ausgebaut werden müssen, was einen unverhältnismäßig hohen Aufwand darstellt.

Diesbezüglich Verbesserungen aufzuzeigen, wobei höchste Funktionssi­ cherheit gewährleistet sein soll, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steue­ rungs- und Leistungselektronik auf einer an einer Wand des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfhaube anliegenden und befestigten Trägerplatte ange­ ordnet ist, daß durch die Trägerplatte selbst oder durch den die Trägerplatte tragenden Wandabschnitt des Zylinderkopfes Kanäle zur Führung eines Kühlmittels verlaufen, und daß zwischen den unabhängig von der Träger­ platte am Zylinderkopf befestigten Aktuatoren sowie der Steuerungs- und Leistungselektronik ein elektrisches Steckverbindungssystem vorgesehen ist, dessen erstes Element am Aktuator und dessen jeweiliges zweites Ele­ ment auf der Trägerplatte angeordnet ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, sog. Elektronikmodule ohne mechanische Trägerfunktion für die Aktuatoren oder Teile von diesen im Zy­ linderkopf so zu plazieren, daß eine direkte Steckverbindung zwischen der gesamten Elektronik und den Aktuatoren möglich ist, und daß die gesamte Steuerungs- und Leistungselektronik eine definierte Wärmesenke im Zylin­ derkopf erhält. Eine derartige gezielte Wärmesenke bzw. eine hochwirksame Kühlung insbesondere auch der Steuerungselektronik ist nämlich erforder­ lich, um unter allen Umständen eine optimale Funktionssicherheit zu ge­ währleisten.

Erfindungsgemäß ist somit die gesamte Elektronik unter der Zylinderkopf­ haube bzw. im Zylinderkopf angeordnet. Eine entsprechende elektronische Leiterplatte bzw. ein sog. Hybrid ist hierfür auf einer Trägerplatte befestigt, die auch als Wärmesenke dient. Diese Trägerplatte kann dabei konstruktiver Bestandteil des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfhaube sein, d. h. sie kann bspw. verschraubt, vergossen, oder eingespritzt sein. Die Trägerplatte wird als ganzes oder partiell gekühlt, wobei neben den Kühlmittelkanälen auch thermisch leitende Kühlfahnen vorgesehen sein können. Da üblicherweise die Bauelemente der Leistungselektronik für deutlich höhere Temperaturen als diejenigen der Steuerungselektronik ausgelegt sind, ist es auch möglich, die besonders temperaturempfindlichen Bauelemente zusätzlich mittels ei­ nes Peltierelementes zu kühlen.

Die gesamte Elektronik wird direkt über eine Steckverbindung mit dem jewei­ ligen Aktuator verbunden. Diese Steckverbindungen sind im Bereich der Aktuatoren angeordnet, so daß eine kurze Verbindung zur Elektronik ge­ währleistet ist. Die Funktion der eingangs beschriebenen aufwendigen elek­ trischen Leitungsverbindungen übernimmt jetzt die Elektronik. Um die Elek­ tronik von den Aktuatoren mechanisch und toleranzmäßig zu entkoppeln, kann die Steckverbindung auch indirekt über kurze Adapterstücke oder mit flexiblen Leiterbahnen zu den Steckverbindungen erfolgen. Um größere Freiheitsgrade für die Anordnung im Zylinderkopf zu erreichen, kann die Elektronik auch auf mehrere kleine Einzelmodule verteilt werden, die über flexible Verbindungsleitungen fest oder trennbar untereinander verbunden sind. Die Elektronik kann zum Schutz gegen Umwelteinflüsse eingegossen oder mit Kunststoff umspritzt werden.

Dabei ist es möglich, einen Teil der Elektronik dem jeweiligen Aktuator zuzu­ ordnen und an diesem fest montiert unterzubringen. Geeignet hierfür ist bspw. eine Aufbereitungsschaltung für den Sensor, um Störeinflüsse zu ver­ ringern; ebenfalls geeignet sind die Endstufentransistoren um die Modularität zu erhöhen. In diesem Zusammenhang sei noch darauf hingewiesen, daß es für mehrreihige Brennkraftmaschine, d. h. für solche der V-Bauart oder W- Bauart aufgrund der Zylinderanordnung sinnvoll sein kann, die Elektronik so auszulegen, daß die Systeme der Zylinderbänke unabhängig voneinander betrieben werden können. Es ist dann nur die ohnehin vorhandene externe Schnittstelle notwendig. Die Zuordnung zur jeweiligen Zylinderbank kann über Programmierung oder Hardwarecodierung erfolgen. Eine solche Tren­ nung kann im übrigen auch zwischen den Einlaß-Hubventilen und den Auß­ laß-Hubventilen der Brennkraftmaschine vorgenommen werden.

In den beigefügten Fig. 1a, 1b, 2 sind lediglich in Prinzipdarstellungen Ausschnitte eines erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Zylinderkopfes gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 1a, 2 jeweils einen Querschnitt durch den Zylinderkopf, während in Fig. 1b der Schnitt A-A aus Fig. 1a dargestellt ist.

In allen Figuren ist mit der Bezugsziffer 4 der Zylinderkopf einer Hubkolben- Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem nicht dargestellte Gaswechsel- Hubventile angeordnet sind. Jedes Hubventil wird von einem elektromagne­ tischen Aktuator 2 betätigt, der über Befestigungselemente 8 direkt am Zy­ linderkopf 4 befestigt ist. Die zugehörige Steuerungs- und Leistungselektro­ nik bzw. die (im wesentlichen) gesamte Elektronik mehrerer, bevorzugt aller Aktuatoren 2 ist auf einer Trägerplatte 1 angeordnet. Ebenfalls auf dieser Trägerplatte 1 befindet sich ein erstes Element eines in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 3 bezeichneten elektrischen Steckverbindungssystemes zwischen der auf der Trägerplatte 1 angeordneten Elektronik und den jeweils zugeordneten Aktuatoren 2. Selbstverständlich sind ebenso viele Steckver­ bindungen 3 wie Aktuatoren 2 vorhanden, die das jeweils zweite Element dieses elektrischen Steckverbindungssystemes 3 tragen. Ferner sind an der Trägerplatte 1 noch Signal-, Bus- und Spannungsleitungen mit zumindest einem Steckkontakt 9 vorgesehen, d. h. selbstverständlich muß die gesamte auf der Trägerplatte 1 angeordnete Elektronik (Steuerungs- und Leistungse­ lektronik) sowohl mit elektrischer Spannung als auch mit elektronischen Si­ gnalen versorgt werden, was über diese/diesen Steckkontakt(e) 9 erfolgt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a, 1b ist die Trägerplatte 1 über mehre­ re Befestigungselemente 7 an einer Wand des Zylinderkopfes 4 und dabei an dieser Wand anliegend befestigt. In diesem die Trägerplatte 1 tragenden Wandabschnitt des Zylinderkopfes verlaufen Kanäle 5 zur Führung eines Kühlmittels. Bevorzugt handelt es sich bei diesem Kühlmittel um das ohnehin im Zylinderkopf 4 umgewälzte Kühlwasser einer bzw. der flüssigkeitsgeküh­ ten Brennkraftmaschine.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Trägerplatte 1 über mehrere Befestigungselemente 7 an der Innenseite der Zylinderkopfhaube 6 und da­ bei an dieser anliegend befestigt. Hier verlaufen Kanäle 5 zur Führung eines Kühlmittels direkt in der Trägerplatte 1, wobei diese Kühlmittel-Kanäle 5 be­ vorzugt mit dem Kühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine verbunden sind. Bei beiden Anordnungen, d. h. nach Fig. 1a, 1b und 2 wird durch die Kühlkanalführung bzw. durch die Kühlmittelkanäle 5 sicher eine Maximaltemperatur für die Elektronik garantiert.

Die soweit beschriebene Anordnung und Partionierung der Elektronik hat den Vorteil, daß aufwendige elektrische Leitungsverbindungen zwischen den Aktuatoren und einem die Steuerungselektronik enthaltenden Steuerge­ rät nicht mehr benötigt werden. Dadurch werden Stecker und Kabel einge­ spart, was zu einer deutlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit führt, Kosten und Gewicht einspart und die Einstrahlung auf die vorhandenen Sensoren verringert. Aufgrund der Nähe der Elektronik zu den Aktuatoren 2 ergibt sich trotz deren hohem elektrischen Leistungsbedarf eine verbesserte elektroma­ gnetische Verträglichkeit sowie eine Reduzierung der elektrischen Verlustlei­ stung.

Im Übrigen können die genannten auf der Trägerplatte 1 angeordneten Elektronikmodule neben der Leistungs- und Steuerungselektronik für die Aktuatoren 2 weitere Eingänge zur Signal- und Datenaufbereitung enthalten. Ferner können in diesen Elektronikmodulen auch Elektronikumfänge anderer im Zylinderkopf befindlicher Elektrik-Komponenten integriert sein, wie bspw. Zündendstufen o. ä., jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Trägerplatte

2

Aktuator

3

elektrisches Steckverbindungssystem

4

Zylinderkopf

5

Kühlmittel-Kanal

6

Zylinderkopfhaube

7

Befestigungselement für

1

an

4

oder

6

8

Befestigungselement für

2

an

4

9

Signal-, Bus- und Spannungsleitungen mit Steckkontakt

Claims (1)

1. Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit elektromagnetisch betätigten Gaswechsel-Hubventilen, wobei neben den elektromagnetischen Ak­ tuatoren (2) auch deren kühlbare Steuerungs- und Leistungselektronik im Zylinderkopf (4) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Kombi­ nation folgender Merkmale:

   • - die Steuerungs- und Leistungselektronik ist auf einer an einer Wand des Zylinderkopfs (4) oder der Zylinderkopfhaube (6) an­ liegenden und befestigten Trägerplatte (1) angeordnet,
   • - durch die Trägerplatte (1) selbst oder durch den die Träger­ platte (1) tragenden Wandabschnitt des Zylinderkopfes (4) ver­ laufen Kanäle (5) zur Führung eines Kühlmittels,
   • - zwischen den unabhängig von der Trägerplatte (1) am Zylin­ derkopf (4) befestigten Aktuatoren (2) sowie der Steuerungs- und Leistungselektronik ist ein elektrisches Steckverbindungs­ system (3) vorgesehen, dessen erstes Element am Aktuator (2) und dessen jeweiliges zweites Element auf der Trägerplatte (1) angeordnet ist.