EP0244878B1 - Elektromagnetisch-hydraulischer Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

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EP0244878B1 EP87107613A EP87107613A EP0244878B1 EP 0244878 B1 EP0244878 B1 EP 0244878B1 EP 87107613 A EP87107613 A EP 87107613A EP 87107613 A EP87107613 A EP 87107613A EP 0244878 B1 EP0244878 B1 EP 0244878B1
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    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/02—Systems with continuously-operating input and output apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/031—Electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

Definitions

  • the present application relates to the electromagnetic valve train of an internal combustion engine, i.e. for four-stroke gasoline or diesel engines, with a first electromagnet that can be excited as a function of the operating parameters, in particular synchronously with the engine speed, and an armature that can be attracted by the first electromagnet.
  • Such machines have at least 2 valves per cylinder, which according to the currently preferred technique are pressed into their closed position by spring force and thereby brought into their open position in that a force which counteracts and exceeds the spring force is applied to the valve stem; this in such a way that cams are mounted on an auxiliary shaft driven by the crankshaft at half the speed, which apply the required force to the valve tappets via rocker arms.
  • cams and rocker arms are exposed to considerable wear due to sliding against one another, and the valve lift that can be achieved is limited in that the flank pitch of the cams cannot be chosen to be as large as desired if the forces to be exerted when they interact with the rocker arms should not exceed the permissible level.
  • Electromagnetic valve trains are already known, namely from DE-A 3 311 250 and EP-A 0 043 426.
  • an attempt is made to close the valve, which is designed as an armature of an electromagnet, via the selected displacement path (for example in a motor vehicle engine of 100 KW can be a few mm) by exciting the former.
  • This requires relatively large electromagnets, which are not only complex, but also often difficult to accommodate in the immediate vicinity of the engine block.
  • FR-A 932 936 devices for actuating valves are known in which a first piston slides on the conventional cam of a camshaft instead of the rocker arm; this displaces hydraulic fluid from its cylinder or takes it up again when moving backward. The hydraulic fluid in turn moves a second piston, which actuates the valve itself. From this document, the person skilled in the art can further see that the hydraulic transmission can also have a step-up or step-down if the cross sections of the two pistons are selected differently. However, there is no reason to use this option from the scriptures.
  • the object of the present invention is to enable a greater valve lift while basically adhering to the traditional design of the aforementioned motors and at the same time to eliminate parts which are susceptible to wear. This is intended to achieve a more favorable control behavior of the valves.
  • the solution to this problem is characterized in that the displacement of the armature is approximately 1-1.5 mm; by a first piston which slides in a first hydraulic cylinder and is connected to the armature, a second piston which acts on the valve stem and has a reduced diameter compared to the first piston and which slides in a second hydraulic cylinder, and a line connecting the first and second hydraulic cylinders .
  • the hydraulic power transmission 1 can translate the movement of the first piston in that the second piston has a noticeably smaller cross section than the first piston.
  • the former then follows the movement imposed by the latter with a stroke which is enlarged in relation to the cross-sectional areas when the overall system is closed.
  • the movement of the pistons in their cylinders is largely wear-free due to the lack of transverse forces that stress the sliding surfaces. Since the armature of the proposed first electromagnet only needs to be communicated a very small displacement in the order of magnitude of 1 to 1.5 mm, relatively low electromagnetic forces are sufficient. This slight movement is then increased by the hydraulic ratio to the desired valve lift.
  • the return of the armature to its initial position when the electromagnet is de-energized can be effected in a conventional manner by the force of a return spring.
  • this return spring can be dispensed with in an embodiment of the invention according to claim 2, or its strength can be reduced to the extent which is sufficient to compensate for mechanical play if a special electromagnet is present for each movement device of the primary piston, which is mutually excited with the other.
  • the differential piston arrangement has the effect that a displacement of one piston, no matter in which direction, always results in a corresponding displacement of the other piston.
  • a pot magnet appears to be particularly suitable for use in the construction described, as proposed in claim 3.
  • the second piston and the valve stem with the integrally formed valve plate can be made in one piece, which also further reduces the possibility of play in the transmission.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in the drawing, namely in the longitudinal axial section.
  • the figure partially shows the combustion chamber 1 of a cylinder of an internal combustion engine machine to which a fuel / air mixture is supplied via an intake duct 2; an outlet valve can be designed in basically the same way.
  • the intake duct 2 is closed off from the combustion chamber 1 by a valve disk 4, which forms a unit with a tappet 5.
  • the valve 4 is loaded in the direction of its closed position by a helical spring 6, which is supported on an abutment 7.
  • the first piston 12 is made in one piece with an armature 19.
  • the armature 19 is in contact with a first electromagnet 20 or a second electromagnet 21, depending on the alternating excitation to be carried out.
  • the air gap s to the electromagnet removed in each case is only about 1 to 1.5 mm in size, so that relatively weak and thus small electromagnets can be used. This is particularly the case when, as shown here, it is not necessary to work against a strong return spring, but rather a spring 6, which presses the valve plate 4 into its closed position, only serves to compensate for play and can be dimensioned correspondingly weak.
  • the excitation of the electromagnets 20, 21 takes place alternately by a control unit 26, in which not only the respective, for. B. on a crankshaft 27 decreased speed of the machine, but also other operating values that are detected by sensors 28 not described here. In this way, the valve closing times that correspond most precisely to the respective operating state can be controlled.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft den elektromagnetischen Ventiltrieb einer Verbrennungskraftmaschine, d.h. für Viertakt-Otto- bzw. Dieselmotoren, mit einem in Abhängigkeit von den Betriebsparametern, insbesondere synchron zur Motordrehzahl, erregbaren ersten Elektromagneten und einem durch den ersten Elektromagneten anziehbaren Anker.
  • Derartige Maschinen weisen je Zylinder mindestens 2 Ventile auf, die nach der derzeitig bevorzugten Technik durch Federkraft in ihre Schließstellung gedrückt und dadurch in ihre Offenstellung gebracht werden, daß auf den Ventilschaft eine der Federkraft entgegenwirkende und diese übersteigende Kraft aufgebracht wird; dies in der Art, daß auf einer von der Kurbelwelle mit der halben Drehzahl angetriebenen Hilfswelle Nocken angebracht sind, die über Kipphebel die erforderliche Kraft auf die Ventilstößel aufbringen. Nocken und Kipphebel sind durch das Aneinanderabgleiten einem erheblichen Verschleiß ausgesetzt, und der erreichbare Ventilhub ist dadurch begrenzt, daß die Flankensteigung der Nocken nicht beliebig groß gewählt werden kann, wenn die bei Zusammenwirken derselben mit den Kipphebeln aufzubringenden Kräfte nicht das zulässige Maß überschreiten sollen. Neuere Untersuchungen lassen vermuten, daß eine vollständigere Verbrennung im Zylinder und damit eine günstigere Treibstoffausnutzung und Herabsetzung der im Abgas abgegebenen Schadstoffe durch die Vergrößerung des Ventilhubs, durch ein schnelleres Öffnen und Schließen der Ventile und/oder dadurch erreichbar sein können, daß die starre Kupplung der Stellung der Ventile an diejenige des Kolbens bei allen Betriebszuständen gelockert wird. Eine solche nach Betriebszustand variable Ankopplung erfolgt bereits bei der Betätigung der Zündung bei Otto-Motoren.
  • Elektromagnetische Ventiltriebe sind bereits bekannt, und zwar aus den DE-A 3 311 250 und EP-A 0 043 426. Hier wird versucht, das als Anker eines Elektromagneten ausgebildete Schließorgan des Ventils über den gewählten Verschiebeweg (der z.B. bei einem Kraftfahrzeugmotor von 100 KW einige mm betragen kann) durch das Erregen des ersteren zu bewegen. Dies erfordert verhältnismäßig große Elektromagneten, die nicht nur aufwendig, sondern auch oft in unmittelmarer Nähe des Motorblocks nur schwer unterzubringen sind.
  • Aus der FR-A 932 936 sind Einrichtungen zur Betätigung von Ventilen bekannt, bei denen an den herkömmlichen Nocken einer Nockenwelle statt der Kipphebel ein erster Kolben abgleitet; dieser verdrängt Hydraulikflüssigkeit aus seinem Zylinder bzw. nimmt diese bei Rückwärtsbewegung wieder auf. Die Hydraulikflüssigkeit ihrerseits bewegt entsprechend einen zweiten Kolben, der das Ventil selbst betätigt. Dieser Schrift kann der Fachmann ferner entnehmen, daß bei der hydraulischen Übertragung auch eine Über- bzw. Untersetzung erfolgen kann, wenn die Querschnitte der beiden Kolben entsprechend unterschiedlich gewählt werden. Ein Grund, von dieser Möglichkeit Gebrauch zu machen, ergibt sich aus der Schrift jedoch nicht.
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, bei grundsätzlichem Festhalten an der hergebrachten Bauweise der genannten Motoren einen größeren Ventilhub zu ermöglichen und gleichzeitig verschließanfällige Teile zu eliminieren. Hierdurch soll ein günstigeres Steuerverhalten der Ventile erreicht werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet dadurch, daß der Verschiebeweg des Ankers ca. 1-1,5 mm beträgt; durch einen ersten Kolben, der in einem ersten Hydraulikzylinder gleitet und mit dem Anker verbunden ist, einen auf den Ventilschaft wirkenden zweiten Kolben mit gegenüber dem ersten Kolben verringertem Durchmesser, der in einem zweiten Hydraulikzylinder gleitet, sowie eine den ersten und zweiten Hydraulikzylinder miteinander verbindende Leitung.
  • Dabei kann die hydraulische Kraftübertragung 1, die Bewegung des ersten Kolbens übersetzen, indem der zweite Kolben einen merklich geringeren Querschnitt aufweist als der erste Kolben. Ersterer folgt der durch letzteren aufgezwungenen Bewegung dann mit einem im Verhältnis der Querschnittsflächen vergrößerten Hub, wenn das Gesamtsystem geschlossen ist. Die Bewegung der Kolben in ihren Zylindern erfolgt wegen des Fehlens von die Gleitflächen beanspruchenden Querkräften weitgehend verschleißfrei. Da dem Anker des vorgeschlagenen ersten Elektromagneten nur ein sehr geringer Verschiebeweg in der Größenordnung von 1 bis 1,5 mm mitgeteilt zu werden braucht, reichen verhältnismäßig geringe elektromagnetische Kräfte aus. Diese geringe Bewegung wird dann durch die hydraulische Übersetzung auf den gewünschten Ventilhub vergrößert. Die Rückkehr des Ankers in seine Ausgangsstellung bei entregtem Elektromagneten kann dabei in herkömmlicher Weise durch die Kraft einer Rückstellfeder bewirkt werden.
  • Jedoch kann auf diese Rückstellfeder bei einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 2. Anspruch verzichtet werden, bzw. kann ihre Stärke auf das Maß herabgesetzt werden, das ausreicht, um ein mechanisches Spiel auszugleichen, wenn für jede Bewegungseinrichtung des Primärkolbens ein besonderer Elektromagnet vorhanden ist, der wechselseitig mit dem anderen erregt wird. Die Differentialkolben-Anordnung bewirkt, daß eine Verschiebung des einen Kolbens, egal in welche Richtung, stets eine entsprechende Verschiebung des anderen Kolbens zur Folge hat.
  • Als besonders geeignet für den Einsatz in der beschriebenen Konstruktion erscheint, wie im 3. Anspruch vorgeschlagen, ein Topfmagnet. Gemäß der im 4. Anspruch vorgeschlagenen Ausgestaltung der Erfindung können der zweite Kolben und der Ventilschaft mit dem angeformten Ventilteller aus einem Stück hergestellt sein, wodurch auch die Möglichkeit des Spiels in der Übertragung weiter vermindert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar im Längsaxialschnitt. Die Figur zeigt teilweise den Brennraum 1 eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, dem über einen Ansaugkanal 2 ein Brennstoffluftgemisch zugeführt wird; ein Auslaßventil kann in prinzipiell gleicher Weise ausgeführt sein. Der Ansaugkanal 2 wird gegenüber dem Brennraum 1 abgeschlossen durch einen Ventilteller 4, der mit einem Stößel 5 eine Einheit bildet. Durch eine Schraubenfeder 6, die sich an einem Widerlager 7 abstützt, ist das Ventil 4 in Richtung seiner Schließstellung belastet.
  • Ein erster Hydraulikzylinder 13, in dem ein erster Kolben 12 gleitet, ist über zwei in Länge und Formgebung fast beliebig auszuführende Leitungen 15, 18 mit einem zweiten Hydraulikzylinder 16 verbunden, in dem ein zweiter Kolben 17 gleitet, der seinerseits auf den Ventilschaft 5 derart wirkt, daß jede Leitung jeweils auf einer Seite eines ersten bzw. zweiten Kolbens 12 bzw. 17 mündet. Ohne Rückholfeder folgt dann letzterer jeder Bewegung des ersteren. Da der von beiden Kolben 12, 17 bestrichene Hubraum gleich sein muß und der Durchmesser D des ersten Zylinders 13 größer bemessen ist als derjenige d des zweiten Zylinders 16, setzt sich die verhältnismäßig kleine hin- und hergehende Bewegung h des ersten Kolbens 12 in eine entsprechend größere Bewegung H des zweiten Kolbens 17 um. Die Größe des entsprechenden Hubs des Ventils 4 kann so über das mit Hilfe herkömmlicher Nockenwellen erzielbare Maß hinaus gesteigert werden.
  • Der erste Kolben 12 ist einstückig mit einem Anker 19 ausgeführt. Der Anker 19 liegt je nach deren wechselweise vorzunehmender Erregung an einem ersten Elektromagneten 20 oder an einem zweiten Elektromagneten 21 an. Dabei ist der Luftspalt s zum jeweils entfernten Elektromagneten nur etwa 1 bis 1,5 mm groß, so daß verhältnismäßig schwache und damit kleine Elektromagneten Verwendung finden können. Dies insbesondere dann, wenn wie hier dargestellt nicht gegen eine kräftige Rückholfeder gearbeitet werden muß, sondern eine den Ventilteller 4 in seine Schließstellung drückende Feder 6 lediglich zum Spielausgleich dient und entsprechend schwach dimensioniert werden kann. Die Erregung der Elektromagneten 20, 21 erfolgt abwechselnd durch eine Steuereinheit 26, in die nicht nur die jeweilige, z. B. an einer Kurbelwelle 27 abgenommene Drehzahl der Maschine, sondern auch andere Betriebswerte eingehen, die durch hier nicht näher beschriebene Sensoren 28 erfaßt werden. Hierdurch lassen sich die dem jeweiligen Betriebszustand am genauesten entsprechenden Ventilschließzeiten steuern.

Claims (4)

1. Elektromagnetischer Ventiltrieb einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in Abhängigkeit von den Betriebsparametem, insbesondere synchron zur Motordrehzahl, erregbaren ersten Elektromagneten (20) und einem durch den ersten Elektromagneten (20) anziehbaren Anker (19), gekennzeichnet durch einen Verschiebeweg des Ankers (19) von ca. 1-1,5 mm, einen ersten Kolben (12), der in einem ersten Hydraulikzylinder (13) gleitet und mit dem Anker (19) verbunden ist, einen auf den Ventilschaft (5) wirkenden Kolben (17) mit gegenüber dem ersten Kolben verringertem Durchmesser (d/D), der in einem zweiten Hydraulikzylinder (16) gleitet, sowie eine den ersten und den zweiten Hydraulikzylinder miteinander verbindende Leitung (15).
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
a) einen zweiten Elektromagneten (21), der zeitlich versetzt und räumlich entgegengesetzt zum ersten Elektromagneten (20) erregbar ist,
b) eine zweite den ersten (13) mit dem zweiten Hydraulikzylinder (16) verbindende Leitung (18), die in bezug auf die erste Leitung (15) jeweils auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens (12, 17) in den Zylinder mündet.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder zweite Elektromagnet (20, 21) ein Topfmagnet ist.
4. Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (5) in den zweiten Kolben (17) integriert ist.
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