DE4225329A1

DE4225329A1 - Ventilansteuerungseinrichtung fuer den einsatz in verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE4225329A1
Application number: DE4225329A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl Ing Dreyer; Andreas Dipl Ing Sehnert
Original assignee: SEHNERT ANDREAS DIPL ING FH
Current assignee: SEHNERT ANDREAS DIPL ING FH
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1993-02-18

Description

Die Erfindung ist im gesamten Bereich der Ver brennungsmotoren anzuwenden.

Ventilsteuerungen werden seit dem Beginn der Motorenentwicklung zum Ein- und Auslaß der Ver brennungsgase bei Otto- und Dieselmotoren einge setzt. Hierbei erfolgt die Betätigung dieser Ven tile über eine mechanische Verbindung mit der Kurbelwelle.

Zur Zeit sind verschiedene Arten der rein mecha nischen Ventilansteuerung bekannt. Grundlegend wurde seither eine Nockenwelle verwendet, die entweder direkt oder über Stangen und Kipphebe l die Ventile betätigt. Der Nachteil dieser Anord nung ist, daß sehr viel Energie durch den An trieb der Ventilbetätigung verloren geht. Dies erhöht zum einen den Benzinverbrauch zum anderen das Gewicht und die Größe des Motors. Außerdem ist es bedingt durch die starre Anordnung des Ventiltriebs nicht möglich, variable Ventilsteuer zeiten zu erzeugen. Das Bestreben ist einerseits die Füllung und damit die Literleistung ohne allzu großen maschinenbautechnischen Aufwand zu erhöhen und andererseits den Kraftstoffverbrauch und die Größe des Motors möglichst zu verringern. Diese gestellten Anforderungen sind nur durch konstruk tive Veränderungen möglich. Nach dem heutigen Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten be kannt, die Gaswechselströmung an die jeweiligen Lastzustände anzupassen. Dies erfolgt zum einen durch eine mechanische Veränderung der Nockenwellen steuerzeiten. Hierbei ist es möglich die Steuer zeiten so anzupassen, daß im oberen Drehzahlbereich die Öffnungszeiten der Ein- und Auslaßventile eine stärkere Überschneidung erhalten und somit eine bessere Füllung der Zylinder gewährleistet ist. Um bei den unteren Drehzahlbereichen zu verhindern, daß Frischgas in den Abgaskanal ge saugt und somit der Verbrauch erhöht und die Abgasreinigung in Form eines Katalysator zerstört würde, wird die Überschneidung in diesem Bereich zurückgenommen.

Bei einer rein mechanischen Verstellung ist dies nur in bestimmten Grenzen möglich, hervorgerufen durch den großen Aufwand bei einer durch die Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle.

Zum Anderen ist es machbar, die Füllung eines Kraftfahrzeugmotors zu erhöhen in dem die Einlaß kanäle erweitert und gleichzeitig die Anzahl der Ventile vergrößert werden.

Außerdem kann man, um die Drehzahl bei Hochleist ungsmotoren weiter zu steigern, diese mit einer pneumatisch unterstützten Ventilbetätigung ausstatten. Allerdings ist dieser Aufwand nur bei den o.g. Motoren begründet. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Motordrehzahl lediglich bis zu einer gewissen Grenze erhöht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile und Probleme zu beseitigen. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, daß die Betätigung der Ein- und Auslaßventile des Verbrennungsmotors über Magnetspulen (11) erfolgt. Ihre Ansteuerung erfolgt jeweils durch die digi tale Motorelektronik (1).

Die sonst üblichen mechanischen Betätigungsein richtungen wie zum Beispiel Nockenwelle, Zahn riemen, Steuerkette, Kipphebel, Stößelstangen, Königswelle können entfallen.

Da die bewegten Massen des Ventiltriebs auf die Ventile selbst und ihre Ventilfedern (10), die lediglich die Aufgabe haben die Ventile in der Ruhestellung zu halten, reduziert werden, läßt sich die Grenzdrehzahl derart ausgerüsteter Motoren weiter erhöhen. Der mechanische Aufbau der Motoren kann aufgrund der oben genannten Vorteile kompakter gestaltet werden. Somit kann der Motor raum und hierdurch auch das ganze Fahrzeug selbst kleiner gehalten werden. Die Ventilsteuerzeiten können ohne zusätzliche Einrichtungen in großen Bereichen verändert werden. Sie lassen sich an den gesamten Lastbereich der Motoren anpassen.

In Fig. 6 ist hierzu die Leistungskurve (19) für einen Magnetventilzylinderkopf im Vergleich zu einer Leistungskurve (20) für einen herkömmlichen Zylinderkopf dargestellt. Zusätzlich ist diese Art des Motors mit einer vollelektronischen Zündung (5), zum Beispiel in der Form einer statischen Hochspannungskondensatorzündanlage, ausgestattet, da der konventionelle Zündverteiler entfällt. Das Schließen der Ventile (9, 12) selbst wird durch eine Gegenstrombremsung unterstützt um die negative Beschleunigung in Bezug auf die Ventilruhelage zu verringern.

Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind die Ventile (9, 12) (in diesem Fall 4 je Zylinder) hängend im Zylinderkopf angeordnet. Um genügend Platz für die Magnetspulen zu erhalten, wurde eine V-förmige Anordnung der Ventile gewählt. Die Ventilschäfte sind mit einer Dauerschmierung (Graphit) versehen. Es entfällt also auch die aufwendige Schmierung der Ventilbetätigung durch das Lageröl. Die Ölpumpe kann dadurch kleiner gewählt werden. Nur die Kühlung der Magnetspulen muß durch zusätzliche Kühlwasserkanäle sicherge stellt sein. Die Kühlwirkung kann durch zusätz lich angebrachte Kühlrippen (17) auf dem Zylinder kopfdeckel verstärkt werden.

Die notwendige Kraft, die über die Magnetspulen zur Ansteuerung der einzelnen Ventile notwendig ist, errechnet sich aus

Wobei µ₀ und µ_r die magnetische Feldkonstante bzw. die Permeabilitätszahl, I die Stromstärke, N die Windungszahl, r_w den Windungsradius, 1 die Spulen länge und A die Querschnittsfläche des Spulen ankers darstellen.

Die erforderliche Kraft selbst ist abhängig von der Ventilbeschleunigung a_V und errechnet sich aus

F = (m_V + m_F + m_A) a_V

Die Größen m_V, m_F und m_A stehen für die Gesamt beschleunigungsmasse aus Ventilmasse, Federmasse sowie Ankermasse.

Nach dem heutigen Stand der Technik bereitet es keinerlei Schwierigkeiten, Verbrennungsmotoren mit dieser Art der Ventilsteuerung auszurüsten. Bei Motoren mit Zahnriemenantrieb wird hierbei lediglich der Zylinderkopf entfernt und durch einen Magnet ventilzylinderkopf (18) ersetzt.

Die digitale Motorelektronik ist durch ein Modul für die Steuerzeiten (3) und durch Leistungs ausgänge (4) zur Ansteuerung der Magnetspulen (11) zu erweitern.

In Fig. 3 ist eine Gesamtansicht eines Sechs zylinder-Ottomotors mit Magnetventilzylinderkopf gezeigt.

Claims

1. Ventilansteuereinrichtung für den Einsatz in Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Verbrennungsgasventile mit Hilfe von Magnetspulen (11) erfolgt.

2. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (11) über eine elektrische Hilfseinrichtung in Form einer digitalen Motorelektronik angeregt werden.

3. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine mechanische Ver bindung zur Kurbelwelle (15) notwendig ist.

4. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Graphit-Schmierung der Ventilschäfte (16) erfolgt.

5. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustleistung der Magnetspulen (11) durch Kühlung abgeführt wird.

6. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuerzeiten in weiten Grenzen verändert werden können.

7. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorgehäuse kom pakt ausgeführt werden kann.

8. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfedern ledig lich eine definierte Ruhelage beim Stillstand des Motors sicherstellen.

9. Ventilansteuereinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbeschleunigung über den Ventilhub während des Betriebes durch eine Gegenstrombremsung in den maximalen Grenzen gehalten wird.