DE3500530C2 - - Google Patents

Description

Aus der DE-PS 33 07 683 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Hubventile einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind jedem Ventil zwei elektromagnetische Systeme zugeordnet, die mittels einer Elektronik abwechselnd in der Drehfrequenz der Maschine erregbar sind. Ein gemeinsamer Anker für beide elektromag­ netische Systeme ist mit dem Ventilschaft hierbei fest verbunden und zwischen zwei einander entgegenwirkenden Federn eingespannt.

Bei diesem System ist es schwierig, die magnetischen Felder rasch aufzubauen und damit kurze Schließ- und Öff­ nungszeiten zu realisieren. Ein weiterer Nachteil ist, daß das Lagermagnetsystem wegen der ständigen Bestromung zu­ sätzlich Energie aufnimmt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Steuervorrichtung so zu verbessern, daß bei gerin­ gem Energieaufwand kurze Schaltzeiten realisierbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Nach Merkmal a) ist in jedem der beiden elektromagnetischen Systeme ein Dauermagnet angeordnet, welcher den Anker jeweils in der Hubendlage hält.

Gemäß Merkmal b) ist das Magnetfeld des den Anker in Hub­ endlage haltenden ersten Dauermagneten mit dem magnetischen Gleichfeld, das von dem diesem Dauermagneten zugeordneten elektromagnetischen System erzeugt wird, aufhebbar, wodurch der Anker von dem zweiten Dauermagneten angezogen wird.

Der Dauermagnet hat die Aufgabe, den Anker und damit das Ventil in der jeweiligen Hubendlage zu halten. Die Halte­ kraft des Dauermagneten läßt sich durch ein dem Magnetfeld des Dauermagneten entgegengerichtetes Gleichfeld, das vom Elektromagneten desselben Systems erzeugt wird, aufheben. Die Folge ist, daß der Anker unter der Wirkung der vorge­ spannten Feder abfällt und von dem anderen Magnetsystem eingefangen wird. Dessen Dauermagnet hält den Anker wieder­ um in der Hubendlage, bis seine Haltekraft durch das Gleichfeld des diesem Dauermagneten zugeordneten elektro­ magnetischen Systems aufgehoben wird. Da die Dauermagnete den Anker jeweils in die Endlage führen und dort halten, das Feld des Dauermagneten nur durch ein kurzes Bestromen der elektromagnetischen Systeme aufzuheben ist, ist die nach den Merkmalen a) und b) verbesserte Steuervorrichtung energetisch günstiger. Ein weiterer Vorteil ist, daß der im magnetischen Kreis angeordnete Dauermagnet ähnlich wie ein Luftspalt die Zeitkonstante des Systems herabsetzt, wodurch die Schaltzeiten und damit Ventilschließ- und -öffnungszei­ ten verkürzt werden.

Ferner sichern die Dauermagnete ohne zusätzliche Stromzu­ fuhr, daß das Steuerventil bei abgeschaltetem Motor in Hubendlage bleibt, was für eine störungsarme Arbeitsweise und inbesondere das Anlassen des Motors erforderlich oder zweckmäßig ist.

Grundsätzlich ist aus der DE-OS 33 01 741 ein Magnetsystem mit den Merkmalen a) und b) zum Antrieb des Kolbens einer Kraftstoffpumpe bekannt. Bei diesem Antrieb kommt es jedoch anders als bei einer Vorrichtung zur Elektromagnetensteue­ rung von Hubventilen bei Verbrennungskraftmaschinen nicht entscheidend auf kurze Schaltzeiten an.

Außerdem sind weitere Maßnahmen, nämlich die Merkmale c) und d), zur Lösung der gestellten Aufgabe notwendig. So ist es wichtig, das Feld des Dauermagneten sehr rasch zu kom­ pensieren, so daß der Anker unter der Wirkung der vorge­ spannten Feder von einer Hubendlage in die andere überführt wird.

Nach Merkmal c) sind die Magnetkörper der elektromagneti­ schen Systeme lamelliert. Die Lamellierung führt, wie an sich bekannt, zu einer Reduzierung der Wirbelstromverluste und damit auch zu einer Verkürzung der Schaltzeiten.

Eine weitere Verkürzung der Schaltzeit kann dadurch er­ reicht werden, daß die Vorspannung der einander entgegen­ wirkenden Federn erhöht wird. Die Federspannung kann jedoch nicht unbegrenzt erhöht werden, da die dem Schwingsystem erteilte Bewegungsenergie in der Hubendlage wieder vernich­ tet werden muß. Um trotz Verwendung stärker vorgespannter Federn nachteilige Eigenschaften, wie z. B. Überschwinger, Preller und dgl., zu vermeiden, wird gemäß Merkmal d) vorgeschlagen, zwischen den Federn und dem Anker Dämpfungs­ elemente vorzusehen.

Wie oben erläutert, wird die Ventilbewegung im wesentlichen durch die Anziehungskraft der Dauermagnete sowie die Federkräfte der vorgespannten Federn bewirkt. Diese Bewe­ gungen lassen sich nach weiteren Vorschlägen der Erfindung durch zusätzliches Erregen der elektromagnetischen Systeme beeinflussen.

Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 2 kann beispielsweise dem den Anker anziehenden Feld ein in gleicher Richtung wirkendes magnetisches Gleichfeld des Elektromagneten überlagert werden, wodurch Anker- und Ventilbewegung beschleunigt werden.

Um die Aufprallenergie zu vermindern, ist es jedoch ratsam, die Erregung dieses Magneten kurz vor Erreichen der Hubend­ lage zu unterbrechen oder, wie mit Anspruch 3 vorgeschlagen ist, das Magnetfeld des Dauermagneten kurzzeitig mit einem vom Elektromagnetsystem erzeugten magnetischen Gleichfeld zu schwächen oder aufzuheben.

Weitere Dämpfungsmaßnahmen sind Gegenstand der Ansprüche 4 bis 6.

Für den Fall, daß der Anker in einer an sich stabilen Mittellage zwischen den beiden System verharrt und damit das Ventil nur halb geöffnet bzw. geschlossen ist, kann dieser nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 7 sehr rasch mit geringem Energieaufwand in seine Endlage überführt werden. Zu diesem Zweck sind die elektromagnetischen Systeme ab­ wechselnd in einer Taktfrequenz zu erregen, welche der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Feder-Masse-Systems, bestehend aus den schwingenden Massen von Ventil, Anker und Feder und den von den beiden Federn erzeugten Federkräften, entspricht.

Mit den Ansprüchen 8 und 9 sind schließlich Maßnahmen zur Herabsetzung der Wirbelströme vorgeschlagen, wodurch im Sinne der eingangs genannten Aufgaben­ stellung kürzere Schaltzeiten und damit eine bessere Anpassung der Ventilsteuerung an den Gaswechselvorgang, sowie eine Energieeinsparung ermöglicht wird.

Anders als die rein mechanische Ventilsteuerung ge­ stattet die elektromagnetische Ventilsteuerung eine von der Motorendrehzahl unabhängige Einstellung der Steuer­ zeiten, wodurch der Gaswechselvorgang entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand des Motors, insbesondere wenn dieser im Teillastbereich arbeitet, optimal ange­ paßt werden kann. Dies hat eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung des Kraftstoffverbrauches, also eine Verbesserung des Wirkungsgrades, zur Folge, wobei vorteilhafterweise wegen vollständiger Ver­ brennung des Kraftstoffes die Umweltbelastung verrin­ gert wird.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung an einem nur teilweise dargestellten Motorzylinder,

Fig. 2 Aufsicht eines lamellierten Magnetkörpers nach einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 Aufsicht eines lamellierten Magnetkörpers nach einem zweiten Vorschlag.

Im unteren Teil von Fig. 1 ist teilweise der Motorblock 1 einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt, in wel­ chem der Kolben 2 mit Kolbenringen 3 bewegbar angeord­ net ist. Auf den Zylinderblock aufgesetzt und mit einer Zylinderkopfdichtung 4 abgedichtet ist der Zylinderkopf 5, über dessen Gaskanäle 10 das Luftgemisch zuführ­ bar ist. Der Gaskanal 10 ist mittels des Tellerventiles 6 verschließbar, welches mit seinem äußeren konisch geschliffenen Umfang an der ringförmigen Sitzfläche des Ventilsitzringes 9 anliegt. Zum Einstellen oder Nach­ stellen des Ventilsitzes kann der Ventilsitzring 9 gegen die Wirkung eines Federpaketes 9 a mit Hilfe eines vorzugsweise verschraubbaren Stellringes 9 b eingestellt werden.

Die gem. der Erfindung aufgebaute Steuervorrichtung besteht aus den nachstehend erläuterten Elementen 11 bis 33.

Zur Bewegungssteuerung des Ventils 6 ist an dem in der Ventilführung 7 und dem Führungsrohr 29 geführten Schaft 6 a mit Hilfe von Tellerfedern 12 ein Anker 11 angebracht, welcher zwi­ schen dem oberen und unteren Elektromagneten gelegen ist und damit im magnetischen Kreis sowohl des unteren als auch des oberen Elektromagneten angeordnet ist. Beide magnetische Systeme sind nach Art von Topfmagneten vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Das untere System mit seiner Spule 14 besteht aus dem Kern 23 und dem Mantel 25, die gemeinsam den Magnetkörper bilden. Zwischen ihnen im Magnetkreis ist der Dauermagnet 16 angeordnet, welcher sich innen an einem Distanzring 26 und außen an der Distanzhülse 20 abstützt, wobei beide Teile aus nichtmagnetischem Material bestehen.

In entsprechender Weise setzt sich das obere elektro­ magnetische System aus der Spule 15 mit Kern 22, Mantel 24 und Dauermagnet 17 zusammen, der wiederum von Distanzring 27 und Distanzhülse 20 gehalten ist.

Beidseitig des Ankers 11 sind Schraubenfedern 18 und 19 angeordnet, deren dem Anker 11 zugeordnete Enden sich über Dämpfungshülsen 13 und an dem Ventilschaft 6 a fest angebrachten Konen 13 a am Schaft 6 a und damit am Anker 11 abstützen. Die entgegengesetzten Enden der Federn 18 und 19 liegen an Ringflanschen 28 a und 29 a der gehäuse­ festen Führungsrohre 28 und 29 an, auf deren Außen­ mantel die Federn 18 bzw. 19 und in deren Innenbohrung der Ventilschaft 6 a verschiebbar geführt sind. Das unten gelegene Führungsrohr 28 stützt sich hierbei unter Federwirkung über die Zwischenscheibe 30 an der Innenfläche des Magnetkerns 23 ab. Das oben gelegene Führungsrohr 29, das sich gleichfalls unter Federdruck über die Zwischenscheibe 31 an der innen gelegenen Fläche des Magnetkernes 22 abstützt, ist außerdem mit Hilfe eines Gewindestückes 29 b und einer Mutter 32 mit Sicherungs- bzw. Unterlegscheibe 33 am Deckel 21 a festgelegt, welcher das mit dem Zylinderkopf 5 einstüc­ kige Gehäuse 21 nach oben verschließt.

Die schon obenerwähnten Dämpfungselemente 13 und 13 a liegen mit ihren konischen Mantelflächen aneinander, deren Konuswinkel nahe des Selbsthemmungswinkels gewählt ist. Die Dämpfungshülse 13 besteht hierbei aus einem in radialer Richtung elastisch federnden Mate­ rial. Durch diese Maßnahme wird der Aufprall der Ven­ til- und Ankermassen kurz vor Erreichen der Endlage gedämpft, wobei die Bewegungsenergie in einen weitgehend unelastischen Streß umgewandelt wird, so daß der Anker nicht oder nur geringfügig prellt. Ein Rest von Prellbe­ wegungen wird durch die Differenz aus magnetischer Halte­ kraft und Federkraft unterdrückt.

Mit Fig. 1 ist das Ventil 6 in Schließstellung darge­ stellt. In dieser Stellung wird es ausschließlich von dem den Anker 11 anziehenden Dauermagneten 17 gehalten. Soll es aus dieser Position in die Öffnungsstellung gebracht werden, wird mit Hilfe der Spule 15 ein magne­ tisches Gleichfeld aufgebaut, welches dem magnetischen Gleichfeld des Dauermagneten 17 entgegengerichtet ist und dieses darum aufhebt. Unter der Wirkung der vorge­ spannten Feder 19 wird die Ankerplatte 11 und damit das Ventil 6 ausgefahren, bis die Ankerplatte 11 von dem vom zweiten Dauermagneten 16 aufgebauten Magnetfeld angezogen und an den Polflächen des unteren Magnetkör­ pers 23, 25 zur Anlage gebracht wird.

Die in der Feder 19 gespeicherte potentielle Energie wird also zunächst in kinetische Energie umgewandelt, welche bei Erreichen der Endlage wiederum umgewandelt werden muß. Diesem Zweck dienen die erläuterten Dämp­ fungselemente 13, 13 a zusammen mit den Tellerfedern 12 und in Schließstellung auch dem den Ventilsitzring 9 abfedernden Federpaket 9 a. Die Schaltbewegung kann durch zusätzliches Erregen der Elektromagnetsysteme noch beschleunigt oder gebremst werden.

Das in Fig. 1 dargestellte System kann in einer Mittel­ stellung des Ventils in eine stabile Gleichge­ wichtslage gelangen. Bei symmetrischem Aufbau der beiden elektromagnetischen Systeme ist diese Mittellage erreicht, wenn sich die Ankerplatte 11 genau zwischen den Polflächen der beiden Systeme befindet. Aus dieser stabilen Gleichgewichtslage kann das Ventil in sehr einfacher Weise mit geringem Energieaufwand durch Aufschaukeln des Ventils herausgebracht werden. Zu diesem Zweck sind die elektromagnetischen Systeme abwechselnd zu erregen, wobei zweckmäßigerweise die Taktfrequenz der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Sy­ stem des schwingungsfähigen Ventils entspricht. In Bruchteilen einer Sekunde läßt sich die Ventilbewegung soweit aufschaukeln, daß die Ankerplatte 11 von einem der beiden Dauermagneten angezogen und in eine definierte Endlage gebracht wird.

Gute dynamische Eigenschaften bei Magneten lassen sich bekanntermaßen durch Lamellieren des Magnetkörpers erreichen, da hier­ durch Wirbelstromverluste erheblich verringert werden.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Steuervorrichtung sind darum auch zumindest die Kerne 22 und 23 der Magnetkörper lamelliert.

Eine besonders wirtschaftliche Herstellung lamellierter Kerne ist möglich, wenn, wie mit der Aufsicht gem. Fig. 2 angedeutet, die Lamellenbleche evolventenförmig ge­ krümmt angeordnet sind. In diesem Fall ist es bei einer topfförmigen Ausbildung des Magnetkörpers möglich, Ble­ che konstanter Dicke zu verwenden.

Möglich ist natürlich auch die Herstellung des Magnet­ körpers mit radial verlaufenden Lamellenblechen, die in diesem Fall jedoch, wie die Aufsicht gem. Fig. 3 zeigt, proportional zum Achsabstand zunehmende Dicke haben müssen.

In entsprechender Weise können auch die Mäntel 24 und 25 der Magnetkörper lamelliert sein.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Hubventile einer Verbren­ nungskraftmaschine, bestehend aus zwei dem Öffnen bzw. dem Schließen des Ventiles (6, 7) dienenden, abwech­ selnd mit der Drehfrequenz der Maschine erregbaren elektromagnetischen Systemen mit einem gemeinsamen Anker (11), der am Ventilschaft (6 a) angebracht und zwischen zwei einander entgegenwirkenden Federn (18, 19) eingespannt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) in jedem der beiden elektromagnetischen Systeme (14, 23, 11, 25; 15, 22, 11, 24) ist ein Dauermagnet (16, 17) angeordnet, welcher den Anker (11) jeweils in der Hubendlage hält;
• b) das Magnetfeld des den Anker (11) in Hubendlage haltenden ersten Dauermagneten (16, bzw. 17) ist mit dem magnetischen Gleichfeld, das von dem diesem Dauermagneten zugeordneten elektromagnetischen System erzeugt wird, aufhebbar, wodurch der Anker (11) von dem zweiten Dauermagneten (17 bzw. 16) angezogen wird;
• c) die Magnetkörper (22, 23) der elektromagnetischen Systeme sind lamelliert;
• d) zwischen den Federn (18, 19) und dem Anker (11) sind Dämpfungselemente (13, 13 a) vorgesehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld des den Anker (11) anziehenden Dauermagneten (16 bzw. 17) mit dem magnetischen Gleich­ feld des diesem zugeordneten elektromagnetischen Sy­ stems (14, 23, 11, 25, 15, 22, 11, 24) verstärkt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das den Anker (11) anziehende Magnetfeld des Dauermagneten (16, 17) kurz vor Erreichen der Hubendlage mittels eines dem Magnetfeld des Dauermagne­ ten (16, 17) entgegenwirkenden Gleichfeldes des dem Dauermagneten (14, 16) zugeordneten elektromagnetischen Systems (14, 23, 11, 25; 15, 22, 11, 24) geschwächt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Ankers (11) jeweils ein Konus (13 a) am Ventilschaft (6 a) angebracht ist, auf welchem ver­ schiebbar eine Hülse (13) mit konischer Innenbohrung sitzt, an welcher sich jeweils eine der beiden Federn (18, 19) abstützt, wobei die Hülse (13) und/oder der Konus (13 a) in radialer Richtung elastisch federnd sind und der Konuswinkel so bemessen ist, daß Konus (13 a) und Hülse (13) nahezu selbsthemmend sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (11) mit dem Ventilschaft (6 a) mittels Tellerfedern (12) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in Form eines Ringes (9) ausgebildete Ventilsitz in Hubrichtung verstellbar und/oder mit Hilfe eines Federpaketes (9 a) abgefedert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (14, 15) der elektromag­ netischen Systeme abwechselnd in einer Taktfrequenz bestrombar sind, welche der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems, bestehend aus Ventil- (6, 6 a, 13 a), Anker- (11, 12) und Federmasse (18, 19, 13) und Federkraft, entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmig ausgebildeten Magnetkörper (22, 23) aus evolventenförmig geschichteten Blechen konstanter Dicke bestehen (Fig. 2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmig ausgebildeten Magnetkörper (22, 23) aus radial angeordneten Blechen mit proportional zum Achsabstand zunehmender Dicke bestehen (Fig. 3).