DE2754624A1

DE2754624A1 - Vorrichtung zum steuerbaren antreiben von ventilen

Info

Publication number: DE2754624A1
Application number: DE19772754624
Authority: DE
Inventors: Dieter Hirt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1979-06-13
Also published as: JPS5486820A; FR2411303A1; IT7830616A0; US4256065A; IT1101480B; GB2009844A; FR2411303B3

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, den 28. November 1977

Vorrichtung zum steuerbaren Antreiben von Ventilen

Ventile werden in den verschiedendsten Ausführungen in fast allen technischen Gebieten angewandt. In vielen Fällen ist eine genaue Steuerung der Ventile erforderlich.

Bei Ventilen, deren Arbeitsverlauf nach einem vorgegebenen Programm ablaufen soll, wirkt sich die Genauigkeit, mit der dieses Programm erfüllt wird, auf das gesamte ventilgesteuerte System aus. So wird zum Beispiel der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors unter anderem vom Antrieb der Einlaß- und Auslaßventile beeinflußt.

Derartige Ventile versucht man mit Steuermechanismen auszurüsten, um den Antrieb möglichst genau den Anforderungen anzupassen. Es ist diesbezüglich ein elektrohydraulisches Ventil-Steuersystem bekannt geworden, das elektrisch ansteuer-

7.1732 - 6 -

909824/0202

-Jf-

* 275A624

bare Magnetventile hat, die auf ein hydraulisches Antriebssystem für das eigentliche Ventil einwirken. Derartige steuerbare Ventilantriebe erfordern jedoch einen fertigungstechnisch hohen Aufwand, der bei kleineren, ventilgesteuerten Anlagen nicht im Verhältnis zur Vorrichtung steht..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fertigungstechnisch einfachen Ventilantrieb zu schaffen, mit dem der Arbeitsablauf eines Ventiles der erwünschten Gesetzmäßigkeit möglichst genau angepaßt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mechanisch zusammenwirkende und auf das Ventil einwirkende Elemente vorgesehen sind, die durch Fremdenergie angetrieben werden, und daß ferner ein elektromagnetisches Steuersystem vorgesehen ist, das durch Herstellung eines Kraftschlusses zwischen den mechanischen Elementen die Betätigung des Ventiles bewirkt.

Ein derartiges magnetisch-mechanisches Antriebssystem läßt sich fertigungstechnisch einfach, mit einfachen Bauelementen sowie mit geringer Baugröße herstellen. Außerdem ist die Betriebssicherheit dieses Systemes gegenüber der bekannten Vorrichtung wesentlich höher, weil hier keine Dichtungsprobleme auftauchen, noch Fluidverluste zu befürchten sind.

28.111977 - 7 -

909824/0202

-r-

Das elektromagnetische Steuersystem wirkt direkt auf die Antriebsmechanik und nicht in etwa auf ein Schaltsystem für die Fremdenergieversorgung zur Einleitung des Mechanismus. Der Antrieb ist somit durchgehend startbereit und kann sehr rasch auf die Signale des Steuersystemes ansprechen. Die beteiligten mechanischen Elemente halten einen Leerlaufbetrieb ein, wobei durch Einwirkung eines Magnetfeldes und eine hierdurch hergestellte kraftschlüssige Verbindung eines oder mehrerer Glieder des Mechanismus die gewünschte Bewegung zur Betätigung des Ventilstellgliedes durch mindestens ein mechanisches Glied erzeugt wird.

Vorzugsweise ist der Mechanismus so aufgebaut, daß die beteiligten Elemente im Leerlauf eine Drehbewegung ausüben und dabei eine Axialverschiebung auslösen, sobald Magnetkräfte oder Magnet- und mechanische Kräfte auf die Betätigungselemente einwirken.

Der erfindungsgemäße Ventilantrieb eignet sich insbesondere für die Einlaß- und Auslaßventile von Verbrennungsmotoren. Die zur Optimierung des Motorwxrkungsgrades erforderliche genaue Steuerung der Ventile wird mit einem derartigen Ventilantrieb gewährleistet, wobei gleichzeitig die für den Ventilantrieb notwendige Fremdenergie vom Motor direkt entnommen werden kann.

28.11.1977 - 8 -

909824/0202

-X-

Der Ventilantrieb kann außerdem mit einer elektronischen Programmsteuerung angesteuert werden, so daß das Ventil in Abhängigkeit von mehreren Funktionsvariablen, sowie Druck-, Gasatmosphäre, Drehmoment, Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach dem jeweiligen Optimierungsgesetz genau gesteuert werden

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein in der Zeichnung schematisch dargestellter Ventilantrieb beschrieben, der insbesondere für Verbrennungsmotoren, vorzugsweise Dieselmotoren geeignet ist.

Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel für ein nicht näher dargestelltes Ein- bzw. Auslaßventil, das in einem Zylinderblock 10 eingebaut ist und einen Ventilschaft 11 hat. Dem Ventilschaft 11 ist ein von einer Ventilfeder 12 beaufschlagter Ventilfederteller 13 zugeordnet.

Der Antrieb für das Ventil besteht aus einem mechanischen Teil, das eine motorangetriebene Spindel 15 und eine mit ihr gekoppelte Kugelrollhülse 16 hat, und einem elektromagnetischen Steuersystem, das einen magnetisierbaren Zahnkranz 17 und eine ihr zugeordnete Magnetspule 18 aufweist. Der Zahnkranz 17 ist im Querschnitt in Fig. 2 näher dargestellt. In Zusammenwirkung mit dem stationären Zahnkranz 17 steht ein ferromag-

28.11.1977 - 9 -

909824/0202

⁹ 275462A

netischer, beweglicher mit der Spindel 16 starr verbundener Zahnkranz 20. Diese magnetische Kopplung ist das Stellglied des Steuersystemes.

Der Funktionsablauf des Antriebes besteht darin, daß Spindel 15 in Rotation versetzt wird, die dann im Leerlauf, d.h. bei Stillstand des Ventilstellgliedes, die Kugelrollhülse 16 mitnimmt. Zur Auslösung des Ventilöffens wird die Magnetspule 18 elektisch erregt. Dadurch wird der mit der Hülse 16 verbundene ferromagnetische Kranz 20 durch die magnetischen Feldkräfte der sich gegenüberstehenden Verzahnungen der beiden Kränze 17 und 20 angehalten. Die sich weiterdrehende Spindel drückt dabei die Hülse 16 axial nach unten. Diese Axialverschiebung wird zur Betätigung des Ventilstellgliedes benützt, indem die Spindel, die mit dem Ventilstellglied bzw. dem Federteller 13 in kraftschlüssiger Verbindung steht, den Schaft 11 über den Federteller herunterdrückt.

Um die magnetische Haltekraft während des gesamten Hubes der Spindel 16 sicher zu stellen, ist der stationäre Magnetkranz so breit ausgeführt, daß das Magnetfeld während des gesamten Hubes des beweglichen Kranzes 20 im vollen Maß erhalten bleibt. Nach Erreichen der Hubgrenze wird die Spindel 15 über das Spiralkugellager 23 der Hülse 16 ein das Haltemoment der magnetischen Feldkräfte überschreitendes Moment auferlegen und die Spindel wieder in Umdrehung versetzen. Ein zwischen der Hülse 16 und dem Ventilteller 13 angeordnetes Axialkugellager 24 verhindert

28.11.1977 ~wwv*tr ucv* -10-

909824/0202

-yr-

624

die Übertragung des Drehmomentes auf den Ventilteller 13 bzw. auf das Ventilschließglied. Zum Schließen des Ventils wird die Magnetspule 18 entregt, wodurch das magnetische Haltemoment verschwindet und die Hülse 16 durch die Kraft der Ventilschließfeder 12 wieder in ihre Ausgangslage zurückkehrt.

Der Antrieb der Spindel 15 kann mit jeweils dem Anwendungsfall entsprechend angepaßten bekannten Methoden durchgeführt werden. Im hier beschriebenen Beispiel erfolgt der Antrieb mit einer oberhalb der Zylinderdeckel des Motorblockes angeordenten verzahnten Antriebswelle 25, die von der Kurbelwelle des Motors ähnlich wie eine obenliegende Nockenwelle über Zahnräder, Kette oder Zahnriemen angetrieben wird. Von dieser Antriebswelle 25 wird die Spindel 15 des Ventilantriebes über ein Schraubenrad in die erforderliche Drehbewegung versetzt.

Das elektromagnetische Steuersystem kann vorteilhaft mit einem Mikroprozessrechner 28 ausgerüstet sein, das von einer Stromquelle 29 und Funktionsdatensignalen 30, 31 gespeist wird und nach Verarbeitung der Istdaten des Motor-Betriebszustandes die Magnetspule 18 entsprechend steuert.

7.1732
28.11.1977

909824/0202

Claims

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-IJÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, den 28. November 1977

Patentansprüche

Vorrichtung zum steuerbaren Antreiben von Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch zusammenwirkende und auf das Ventil einwirkende Elemente (15, 16) vorgesehen sind, die durch Fremdenergie angetrieben werden, und daß ferner ein elektromagnetisches Steuersystem (17, 18, 20) vorgesehen ist, das durch Erzeugung eines Kraftschlusses zwischen den mechanischen Elementen die Betätigung des Ventiles bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente (15, 16) beweglich miteinander gekoppelt sind derart, daß durch Einwirkung eines Magnetfeldes des Steuersystemes eine Relativbewegung zwischen den Elementen ausgelöst wird, durch die ein Ventilstellglied verstellt wird.

7.1732 - 2 -

909824/0 202

ORIGINAL INSPECTED

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente (15, 16) drehbar gelagert sind, und daß die Relativbewegung eine axiale Verschiebung mindestens eines der Elemente (16) ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigung in einer Richtung durch Einwirkung von Magnetkräften und in der Gegenrichtung durch Einwirkung von mechanischen Kräften auf die mechanischen Elemente (16) ausgelöst wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem (17, 18) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit einem Mikroprozeßrechner ausgerüstet ist, der auf Betriebsdaten einer vom Ventil überwachten bzw. gesteuerten Anlage reagiert.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente (15, 16) mit einem motorischen Antrieb gekoppelt sind und bei Stillstand des Ventilstellgliedes einen Leerlaufbetrieb annehmen.

28.11.1977 - 3 -

909824/0202

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente konzentrisch zueinander angeordnete und mittels eines Spindelkugellagers (23) miteinander gekoppelte, umlaufende Körper (15, 16) sind, von denen ein Körper (15) von der Fremdenergie angetrieben wird, und daß auf den zweiten Körper (16, 20) das vom Steuersystem erzeugte Magnetfeld einwirkt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element als eine Welle (15) ausgebildet ist, um die das zweite als hohlzylindrische Kugelrollspindel (16) ausgebildete zweite Elemente angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelrollspindel (16) an ihrem Außenumfang einen ferromagnetischen Kranz (20) hat, der in Zusammenwirkung mit einem gestellfesten Elektromagneten (17) des Steuersystemes diesem gegenübersteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kranz (20) verzahnt ist, und daß der gestellfeste Elektromagnet (17) ein ebenfalls verzahnter Ring ist, der konzentrisch zum ferromagnetischen Kranz angeordnet ist und sich axial auf die gesamte Hublänge des Kranzes (20) erstreckt.

28.11.1977 - 4 -

909824/020?

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 für Ventile von Verbrennungsmotoren , dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdenergie für den Ventilantrieb vom Verbrennungsmotor selbst erbracht wird.

28.11.1977 - 5 -

909824/0202