DE4035376C2 - Actuator for a lift valve - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für ein einen Ventilschaft aufweisendes Hubventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an actuating device for a Valve stem valve valve according to the preamble of Claim 1.
Betätigungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind in einer Vielzahl von Ausführungen auch unter Verwendung von Tassenstößeln bekannt, die zum hydraulischen Ventilspielausgleich eingerichtet sind. In der letzten Zeit geht insbesondere bei Fahrzeuge antreiben den Brennkraftmaschinen die Tendenz dahin, durch Steuerung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte sowie der Öffnungsdauer der Ventile eine optimale Ausnutzung des Kraftstoffs sowie einen minimalen Schadstoffgehalt der Abgase anzustreben. Bei Betätigungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art, also mit auf einer von der Maschine ange triebenen Nockenwelle angeordneten mechanischen Nocken, macht ein derartiges "Ventilmanagement" konstruktive Schwierigkeiten, da es in der Regel nicht ausreicht, die Nockenwelle beispielsweise durch Maßnahmen im Bereich des Riementriebs zwischen ihr und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Winkellage gegenüber der Kurbelwelle zu verstellen, sondern die einzelnen Nocken insbesondere hinsichtlich ihrer Breite verstellbar sein müssen.Actuators of the generic type are in one Variety of designs also using cup tappets known that set up for hydraulic valve clearance compensation are. Lately, driving has been particularly popular with vehicles the tendency towards the internal combustion engines by controlling the Opening and closing times as well as the opening time of the valves optimal use of the fuel and minimal To strive for pollutants in the exhaust gases. For actuators of the generic type, that is, on one of the machine driven camshaft arranged mechanical cams, makes such a "valve management" constructive difficulties, since it is usually not enough, for example the camshaft through measures in the area of the belt drive between her and the Crankshaft of the internal combustion engine with regard to its angular position to adjust relative to the crankshaft, but the individual Cams can be adjustable, in particular with regard to their width have to.
Außerdem ist eine Verstellbarkeit in dem Umfange, wie sie im gesamten Kennfeld einer Brennkraftmaschine nötig wäre, so nicht zu erreichen.There is also an adjustability in scope as in the whole Map of an internal combustion engine would be necessary not to achieve.
Derartige Schwierigkeiten treten beispielsweise bei elektromagne tisch im Öffnungssinne betätigbaren Ventile nicht auf, wie sie beispielsweise aus der DE 37 12 712 A1 bekannt sind. Hier wird eine Elektromagnetspule, die mit einem Magnetanker am Ventilschaft zusammenwirkt, über einen Mikroprozessor so angesteuert, daß die Öffnungsbewegung des Ventils, seine Öffnungszeit und der Zeitpunkt, in dem das Ventil von der magnetischen Kraft zum Schließen durch eine Schließfeder freigegeben wird, den jeweiligen Erfordernissen entspricht. Ein grundlegender Nachteil einer derartigen Ventilanord nung ist aber in dem hohen Energieaufwand zu sehen, der in Gestalt von elektromagnetischer Energie sowohl für die Öffnungsbewegung des Ventils als auch für das Halten desselben in der Öffnungsstellung bei jeder Ventilbetätigung aufzubringen ist. Dabei ist zu berücksich tigen, daß die Öffnungsbewegung entgegen der Kraft der stets auf das Ventil wirkenden Rückstellfeder vorzunehmen ist.Such difficulties occur, for example, with electromagnetic Valves that can be actuated in the opening direction are not designed as they are are known for example from DE 37 12 712 A1. Here will an electromagnetic coil with a magnet armature on the valve stem interacts, controlled by a microprocessor so that the Opening movement of the valve, its opening time and the time in which the valve is closed by the magnetic force a closing spring is released, the respective requirements corresponds. A fundamental disadvantage of such a valve arrangement However, the high energy expenditure can be seen in the form of electromagnetic energy for both the opening movement of the valve and for holding it in the open position must be applied each time the valve is actuated. It is too considerate that the opening movement against the force of the always on the valve acting return spring is to be made.
Diesen Nachteil eines relativ großen Energieaufwands - wenn auch in etwas verringertem Maße - weisen auch die Konstruktionen nach den DE 26 30 512 A1 und DE 37 08 373 C1 auf, in denen das Ventil gleich sam zwischen zwei in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Federn eingespannt ist und einen Magnetanker trägt, der im Luftspalt zwischen zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgenden, abwechselnd erregten Elektromagneten angeordnet ist. Je nachdem, welcher dieser beiden Elektromagneten jeweils elektrisch erregt ist, wird das Ventil in seiner Öffnungs- oder seiner Schließstellung eingefangen oder arretiert; sobald der jeweils erregte Elektromagnet abgeschaltet wird, bewegt sich das Ventil unter der Wirkung einer der beiden Federn, die zuvor gespannt war, in seine andere Stellung, in der es durch Erregung des anderen Elektromagneten festgehalten wird. Hier wird also zwar die kinetische Energie des Ventils, die ihm bei Betriebsbeginn einmal über die Elektromagneten zugeführt werden muß, gleichsam in dem Federsystem gespeichert, jedoch muß in jeder der beiden Extremstellungen des Ventils elektrische Energie zum Halten des Ventils in dieser Stellung entgegen der Wirkung einer der beiden Federn, die dann gespannt ist, aufgebracht werden.This disadvantage of a relatively large amount of energy - albeit to a somewhat reduced extent - the constructions also demonstrate this DE 26 30 512 A1 and DE 37 08 373 C1, in which the valve is the same sam between two springs acting in opposite directions is clamped and carries a magnetic armature that is in the air gap alternating between two successive ones in the axial direction excited electromagnet is arranged. Whichever of these both electromagnets is electrically excited, it will Valve trapped in its open or closed position or locked; as soon as the energized electromagnet is switched off the valve moves under the action of one of the two Springs that were previously cocked in its other position, in the it is held by excitation of the other electromagnet. So here is the kinetic energy of the valve that it be supplied once via the electromagnets at the start of operation must, as it were, stored in the spring system, but must be in everyone of the two extreme positions of the valve electrical energy for Hold the valve in this position against the action of a of the two springs, which is then tensioned, are applied.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Betätigungseinrichtung so weiterzubilden, daß unter Vermeidung einer komplizierten Konstruktion sowie unter Vermeidung eines großen, insbesondere in Kraftfahrzeugen hinsichtlich der begrenzten Batteriekapazität kritischen Energieaufwands die besonders interessie renden Zeitgrößen des Ventils - Ventilöffnungsdauer, Ventilschließ zeitpunkt - im Betrieb der jeweiligen Maschine optimiert werden können.The invention has for its object a generic To further develop the actuating device in such a way that it is avoided a complicated construction as well as avoiding one large, especially in motor vehicles with regard to the limited Battery capacity of critical energy expenditure which is of particular interest time variables of the valve - valve opening duration, valve closing point in time - be optimized in the operation of the respective machine can.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The inventive solution to this problem consists in the drawing features of the main claim, advantageous training the invention describe the subclaims.
Bei der Erfindung wird zur Erzielung der Öffnungsbewegungen des Ventils also die bewährte Lösung mit einem Nocken und einer Nocken welle beibehalten, d. h. eine Umsetzung in elektrische Energie zur Speisung von Magnetspulen und die erneute Umsetzung dieser Energie in kinetische Energie des Ventils erübrigen sich. Aus energetischen Gründen ist der Einsatz eines Nocken zur Erzeugung der Öffnungsbewegung des Ventils optimal. Die Magnetspule braucht nun lediglich zum Arretieren des Ventils in seiner Öffnungsstellung ausgelegt und mit elektrischer Energie versorgt zu werden, wobei allerdings Auslegung und Energieaufwand so bemessen sein müssen, daß das Arretieren des Ventils in seiner Öffnungsstellung entgegen der Wirkung der dann gespannten Schließfeder sichergestellt ist. Von entscheidender Bedeutung für Auslegung und Energiebelieferung der Magnetspule ist aber, daß sie nur während der Öffnungsphasen des Ventils und nur zum Halten desselben in der Öffnungsstellung wirksam ist, während die Schließbewegung des Ventils durch die sich dabei entspannende Schließfeder und die Öffnungsbewegung des Ventils durch den Nocken bewerkstelligt werden.In the invention to achieve the opening movements of the Valve is the proven solution with one cam and one cam maintain wave, d. H. a conversion into electrical energy for feeding solenoids and re-implementing them Energy in kinetic energy of the valve is unnecessary. Out energetic reasons is the use of a cam for generation the opening movement of the valve optimal. The solenoid needs now only for locking the valve in its open position designed and supplied with electrical energy, whereby however, the design and energy consumption must be such that counter that locking the valve in its open position the effect of the then tensioned closing spring is ensured. Crucial for design and energy delivery the magnet coil is that it only during the opening phases the valve and only to hold it in the open position is effective, while the closing movement of the valve by the Relaxing closing spring and the opening movement of the valve are accomplished by the cam.
Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination ergibt sich also die besonders einfache Steuerung oder Regelung von Ventilbetätigungs zeiten, wie sie an sich rein elektromagnetisch arbeitenden Betäti gungseinrichtungen eigen ist, ohne daß ein nachteiliger großer Energieaufwand für die elektromagnetischen Betätigungseinrichtungen oder aber eine komplizierte Konstruktion für einen verstellbaren Nocken in Kauf genommen werden muß. Bei Einsatz der Erfindung in einer Brennkraftmaschine kann auf eine Drosselklappe zur Lei stungsregelung verzichtet werden. The combination of features according to the invention thus results the particularly simple control or regulation of valve actuation times, as they operate on purely electromagnetic actuators equipment is peculiar, without a disadvantageous large Energy expenditure for the electromagnetic actuation devices or a complicated construction for an adjustable one Cam must be accepted. When using the invention in an internal combustion engine can lei on a throttle valve power regulation are waived.
Sieht man einen unverstellbaren Nocken bzw. eine nicht in ihrer Winkellage verstellbare Nockenwelle vor, ergibt sich hinsichtlich der Steuer- bzw. Regelbarkeit der Ventilbetätigungszeitpunkte nur die Einschränkung, daß der Beginn des Öffnens des Ventils festliegt; Ventilöffnungsdauer und Ventilschließzeitpunkt sind dagegen wählbar. Will man auch hinsichtlich des Öffnungszeitpunkts des Ventils Freiheit haben, muß man zusätzlich eine Verstellbar keit der Nockenwelle vorsehen.If you see an unadjustable cam or not one in hers Angular position of the adjustable camshaft results in terms of the controllability of the valve actuation times only the limitation that the start of opening the valve is fixed; Valve opening time and valve closing time are against it selectable. Do you want also with regard to the time of opening of the valve have freedom, you must also an adjustable provide for the camshaft.
Wie bereits aus dieser ersten Erläuterung der Erfindung folgt, wird man gemäß Patentanspruch 3 den Nocken für minimale Öffnungsdauer des Ventils auslegen, so daß die Schließbewegung des Ventils in diesem Grenzfall (bei einer Brennkraftmaschine Vollast bei niedriger Drehzahl) der Kontur der hinteren Flanke des Nockens folgt, nämlich unter der Wirkung der Schließfeder, nachdem durch Abschalten der Magnetspule das Ventil für die Schließbewegung freigegeben worden ist. In allen anderen Fällen, d. h. bei längeren Ventilöffnungszeiten, ist es dann zweckmäßig, beispielsweise entsprechend Anspruch 4 für eine hydraulische Dämpfung der letzten Phase der Schließbewegung des Ventils zu sorgen.As follows from this first explanation of the invention, is the cam for minimum opening duration according to claim 3 of the valve so that the closing movement of the valve in this limit case (with an internal combustion engine full load at low Speed) follows the contour of the rear flank of the cam, namely under the action of the closing spring after turning off the Solenoid coil the valve has been released for the closing movement is. In all other cases, i. H. with longer valve opening times, it is then appropriate, for example according to claim 4 for hydraulic damping of the last phase of the closing movement of the valve.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und seine Wirkungsweise werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ladungswechselventil einer Brennkraft maschine mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung und deren Fig. 2 verschiedene Ventilbetätigungskurven wiedergeben.An embodiment of the invention and its operation are explained below with reference to the drawing, Fig. 1 shows a longitudinal section through a charge exchange valve of an internal combustion engine with the actuating device according to the invention and Fig. 2 show different valve actuation curves.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so dient das allgemein mit 1 bezeichnete, den Ventilteller 2 und den Ventilschaft 3 aufweisende Ventil - hier das Einlaßventil einer Brennkraftmaschine - in üblicher Weise dazu, im Zusammenwirken mit einem im Zylinderkopf 4 der Maschine festen Ventilsitz 5 wahlweise eine Verbindung zwischen dem Einlaßkanal 6 einerseits und einem nicht bezeichneten Brennraum der Maschine andererseits herzustellen bzw. zu unterbinden. Der Ventilschaft 3 verläuft mit seinem in der Figur oberen Ende in dem einen bekannten und daher im einzelnen nicht zu beschreibenden Aufbau besitzenden Tassenstößel 7, der mit einer ebenfalls bekannten hydraulischen Einrichtung 8 zum Ventilspielausgleich versehen ist und die Auflagefläche 9 für den drehfest auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken 10 bildet. Die Nockenwelle wird in bekannter Weise von der Kurbelwelle der Maschine her angetrieben, so daß eine feste Relation bezüglich der Winkellagen von Kurbelwelle und Nockenwelle bzw. Nocken 10 sichergestellt ist. . Considering first Figure 1, so serves generally designated 1, the valve plate 2 and the valve shaft 3 having valve - here, the intake valve of an internal combustion engine - in the usual manner to, in cooperation with a fixed in the cylinder head 4 of the engine valve seat 5, optionally, a Establish or prevent connection between the inlet duct 6 on the one hand and a combustion chamber of the machine, which is not designated. The valve stem 3 runs with its upper end in the figure in a known and therefore not to be described structure bucket tappet 7 , which is also provided with a known hydraulic device 8 for valve clearance compensation and the bearing surface 9 for the rotation on a camshaft Forms cam 10 . The camshaft is driven in a known manner from the crankshaft of the engine, so that a fixed relationship with respect to the angular positions of the crankshaft and camshaft or cam 10 is ensured.
Die Rückstellfeder 11 stützt sich mit ihrem unteren Ende an einer Auflage im Zylinderkopf 4 und mit ihrem oberen Ende an dem zumin dest in axialer Richtung fest mit dem Ventilschaft 3 verbundenen Ventilteller 12 ab, der zugleich einen Magnetanker für eine elektro magnetische Arretiervorrichtung bildet, zu der ferner die zylinder kopffeste Magnetspule 13 gehört. Sie steht in elektrischer Verbindung mit einem Mikrocomputer, in dem Ventilschließzeitpunkte in Abhängig keit von Drehzahl und Last der Maschine gespeichert sind, so daß er an die Magnetspule 13 Erregerströme liefert, die dem jeweils vorliegenden Betriebszustand der Maschine zugeordnete Öffnungszeiten und Schließzeitpunkte des Ventils 1 sicherstellen.The return spring 11 is supported with its lower end on a support in the cylinder head 4 and with its upper end on the at least at least in the axial direction firmly connected to the valve stem 3 valve plate 12 , which also forms a magnet armature for an electromagnetic locking device to the the cylinder head-fixed solenoid 13 also belongs. It is in electrical connection with a microcomputer in which valve closing times are stored as a function of the speed and load of the machine, so that it supplies excitation currents to the solenoid 13 which ensure the opening times and closing times of the valve 1 associated with the operating state of the machine.
Die beschriebene Konstruktion arbeitet wie folgt:The construction described works as follows:
Das Ventil 1 ist in seiner Schließlage dargestellt. Sobald die in Drehrichtung (Pfeilrichtung) vordere ansteigende Flanke des Nockens 10 mit der Gleitfläche 9 zusammenwirkt, drückt der Nocken das Ventil 1 entgegen der Wirkung der Schließfeder 11 in die Öffnungs stellung, in der das Ventil 1 durch nun erfolgende Erregung der Magnetspule 13, deren in der Figur oberer Stirnfläche der Magnet anker 12 jetzt gegenübersteht, gehalten wird. Auch dann, wenn der Nockenscheitel die Gleitfläche 9 verlassen hat und dieser nunmehr die bezüglich der Bewegungsrichtung des Nockens hintere Nockenflanke gegenübersteht, kann das Ventil 1 seine Öffnungsstellung noch beibehalten, sofern der Erregerstrom für die Magnetspule 13 andauert. Wird dieser Erregerstrom abgeschaltet, bedeutet dies eine Freigabe des Ventils 1 zur Bewegung in seine figürlich darge stellte Schließlage, die durch die in der Schließfeder 11 gespei cherte mechanische Kraft vorgenommen wird. Elektrische Energie wird also lediglich während der Öffnungszeit des Ventils und auch dann nur zum Halten desselben, nicht aber zum Bewegen desselben, in der Magnetspule 13 verbraucht.The valve 1 is shown in its closed position. As soon as the rising flank of the cam 10 cooperates with the sliding surface 9 in the direction of rotation (arrow direction), the cam presses the valve 1 against the action of the closing spring 11 into the opening position in which the valve 1 is energized by the solenoid coil 13 in the figure upper end face of the magnet armature 12 now faces, is held. Even if the apex of the cam has left the sliding surface 9 and this now faces the rear cam flank with respect to the direction of movement of the cam, the valve 1 can still maintain its open position if the excitation current for the solenoid coil 13 continues. If this excitation current is switched off, this means a release of the valve 1 for movement into its figuratively Darge closed position, which is made by the mechanical force stored in the closing spring 11 . Electrical energy is therefore only consumed in the magnet coil 13 during the opening time of the valve and then only for holding the valve, but not for moving it.
Nur dann, wenn der Öffnungszeitraum des Ventils 1 seine minimale Dauer haben soll, wird die Schließbewegung des Ventils 1 durch die Kontur der hinteren Flanke des Nockens 10 bestimmt. In allen anderen Fällen ist es daher zweckmäßig, beispielsweise durch Vor sehen der hydraulischen Drossel 14 im hydraulischen Kreis der Ventilspielausgleichsvorrichtung 8 für eine Dämpfung kurz vor dem Aufsetzen des Ventiltellers 2 auf den Ventilsitz 5 zu sorgen.Only when the opening period of the valve 1 is to have its minimum duration is the closing movement of the valve 1 determined by the contour of the rear flank of the cam 10 . In all other cases, it is therefore expedient, for example, by seeing the hydraulic throttle 14 in the hydraulic circuit of the valve lash adjuster 8 for damping shortly before the valve disc 2 is placed on the valve seat 5 .
An dieser Stelle sei eingefügt, daß die hintere Nockenflanke auch so gestaltet sein kann, daß selbst im Falle der minimalen Öffnungs zeit des Ventils 1 dieses bei seiner Schließbewegung nicht der Kontur dieser Nockenflanke folgt, sondern in der beschriebenen Weise eine freie Bewegung ausführt.At this point it should be inserted that the rear cam flank can also be designed so that even in the case of the minimal opening time of the valve 1, this does not follow the contour of this cam flank when it closes, but instead performs a free movement in the manner described.
In Fig. 2 sind verschiedene Verläufe des Ventilhubs h über dem Kurbelwellenwinkel KW dargestellt. Mit V ist der Bereich der Vollast, mit T der Teillastbereich der Maschine bezeichnet, die mit dem Ventil ausgerüstet ist. Man erkennt, daß sich mit der erfindungs gemäßen Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen Drehzah- und Lastwerten unterschiedliche Schließzeitpunkte und damit Öffnungsdauern des Ventils einstellen lassen. Mit nmin und nmax sind die minimale und die maximale Drehzahl im Vollastbereich V, mit nL die Leerlaufdrehzahl bezeichnet.In Fig. 2 shows various curves of valve lift are h above the crankshaft angle KW shown. V denotes the full-load range, T the partial-load range of the machine equipped with the valve. It can be seen that, with the actuating device according to the invention, different closing times and thus opening times of the valve can be set as a function of different speed and load values. The minimum and maximum speed in the full-load range V are designated by n min and n max , and the idling speed by n L.
Aus der Darstellung der Fig. 2 wird auch ersichtlich, daß der Nocken so ausgelegt ist, daß das Maximum des Drehmoments der Maschine bereits im unteren Drehzahlbereich, also bei nmin, erreicht wird. Dies würde bei konstanten Ventilsteuerzeiten dazu führen, daß das Drehmoment bei höheren Drehzahlen stark abnehmen würde. Durch Verzögerung des Schließzeitpunkts und damit des Einlaßschlusses können aber die Steuerzeiten bei mittleren und höheren Drehzahlen entsprechend angepaßt werden. Es ist auch möglich, das Ventil so lange in seiner Öffnungsstellung zu halten, daß ein Teil der von dem betreffenden Brennraum angesaugten Frischgasladung durch den im Brennraum hochgehenden Kolben in den Einlaßkanal 6 zurückge schoben wird, so daß der gewünschte Teillastarbeitspunkt der Maschine eingestellt werden kann.From the illustration in FIG. 2 it can also be seen that the cam is designed in such a way that the maximum torque of the machine is already reached in the lower speed range, ie at n min . With constant valve timing, this would lead to a sharp decrease in torque at higher speeds. By delaying the closing time and thus the intake closing, the timing at medium and high speeds can be adjusted accordingly. It is also possible to hold the valve in its open position for so long that part of the fresh gas charge sucked in by the combustion chamber in question is pushed back into the inlet duct 6 by the piston rising in the combustion chamber, so that the desired part-load operating point of the machine can be set.
Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Betätigungs einrichtung geschaffen, die mit geringem konstruktiven und energe tischen Aufwand eine Optimierung der Steuerzeiten des Ventils ermöglicht.With the invention is accordingly a generic actuation establishment created with low constructive and energetic table effort to optimize the valve timing enables.
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DE3712712A1 (en) * | 1987-04-14 | 1988-11-03 | Detlef Beisiegel | Method and device for controlling the charge cycle of internal combustion engines |
-
1990
- 1990-11-07 DE DE4035376A patent/DE4035376C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE4035376A1 (en) | 1991-05-23 |
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