EP0245614B1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0245614B1
EP0245614B1 EP87103881A EP87103881A EP0245614B1 EP 0245614 B1 EP0245614 B1 EP 0245614B1 EP 87103881 A EP87103881 A EP 87103881A EP 87103881 A EP87103881 A EP 87103881A EP 0245614 B1 EP0245614 B1 EP 0245614B1
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valve
poppet valve
armature
bearing
damping
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Hans-Joachim Dr. Dipl. Ing. Esch
Reinhard Könneker
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils
    • F01L2009/2109—The armature being articulated perpendicularly to the coils axes

Definitions

  • the invention relates to a device for actuating a gas exchange valve designed as a poppet valve of a reciprocating piston internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Such a valve actuation device is known from EP-PS 0 118 591.
  • Two electromagnets which are excited out of phase with each other, form an oscillation system with two coil springs, which rest on both sides of an armature disk attracted by the electromagnets.
  • the poppet valve connected to the armature disk is moved back and forth and thereby opens or closes a fluid passage opening.
  • a tight closing of the poppet valve should also be ensured if the end positions of the two stroke movements have tolerances caused by the production.
  • the characterizing features of claim 1 serve to solve this problem.
  • the torsion bar spring used for valve actuation does not have any oscillating masses which negatively influence the oscillating system. Even the rocker arm rigidly connected to the torsion bar spring, which is in operative connection with the poppet valve, has only a very small reduced mass, so that the armature articulated on the valve lever follows the alternating excitations of the electromagnets almost without inertia and can control the poppet valve accordingly.
  • a similar torsion bar spring is known from DE-AS 1 120 804 for a purely mechanical valve control actuated by a cam.
  • the use of a torsion bar spring for an electromagnetic valve control has the decisive advantage that it becomes functional in the first place by eliminating the translationally moved spring masses and correspondingly reducing the inertial forces and can be operated with a still reasonable amount of energy for the power supply of the electromagnets.
  • a resilient tolerance compensation is achieved in that the free end of the valve lever rests on a sliding sleeve which is longitudinally guided on the valve stem and is arranged at a short distance from a holding sleeve.
  • the torsion bar spring is rotatably connected at one end to the valve lever and is mounted in two bearing blocks arranged on both sides of the valve lever; at the other end, the torsion bar is clamped in a rotationally fixed manner in a holding bush screwed to the cylinder head.
  • the armature which is mounted longitudinally movably in the center of the two electromagnets, is articulated on the valve lever in such a way that its distance from the longitudinal axis of the poppet valve is considerably smaller than its distance from the longitudinal axis of the torsion bar or the center of the bearing of the valve lever. In this way, an adapted path translation can be achieved, from the valve stroke of the poppet valve, which is optimized from a thermodynamic point of view, to the stroke movement of the armature which is useful for commercially available electromagnets.
  • a hydraulic damping device is installed in the cylinder head above the valve stem.
  • damping discs are located in an oil-filled, cylindrical damping space.
  • a magnet housing 2 is fixed to the cylinder head 1 of a reciprocating piston internal combustion engine, in which a first electromagnet 3 and a second electromagnet 4 are fixedly attached at a distance a1 from one another.
  • an armature disk 6 which is fastened to an armature 5 and which is drawn towards the respectively excited electromagnet 3 or 4.
  • the armature is mounted at its free end in a bearing 7 of the magnet housing 2.
  • the other end of the armature 5 is screwed into a rod head 8 which is articulated with a pin 9 to a fork 10 of a one-armed valve lever 11; the just milled rod head 8 lies with lateral play between the fork 10.
  • the front end of the fork 10 engages between a thrust washer 13 resting on a shoulder of the valve stem 12 and a sliding sleeve 14 which is longitudinally movable on the valve stem 12 and is compensate by a helical spring 15 against a holding sleeve 16 fastened to the valve stem 12 is supported.
  • a small distance b is provided between the sliding sleeve 14 and the holding sleeve 16 in order to enable a resilient tolerance compensation between the armature stroke a2 and the valve stroke s of the poppet valve 17.
  • a damping sleeve 18 is fastened which, when the poppet valve 17 is closed, penetrates into the oil-filled damping cylinder 19 formed in the cylinder head, in which a plurality of damping disks 20 lie.
  • the end is designed as a bearing tube 25 with two radially projecting collars.
  • the bearing tube 25 is mounted on both sides in a bearing block 27 or 28 screwed to the cylinder head 1; the collars 26 lying on the end faces of the bearing blocks 27, 28 secure the bearing tube 25 against axial displacement.
  • one end of a cylindrical torsion bar spring 29 is fastened in the bearing tube 25 with a serration connection 30.
  • the other end of the torsion bar spring 29 is also non-rotatably connected with a serration connection 30 in a holding bush 31 which is provided with elongated holes 32 and is flanged to the cylinder head 1.
  • the distance c1 of the articulation point of the armature 5 on the valve lever to the longitudinal axis of the poppet valve 17 is smaller than the distance c2 to the center of the bearing of the valve lever 17 in order to be able to translate away from the armature stroke a2 to the valve stroke s.
  • the electromagnet 3 is energized.
  • the electromagnet 3 is de-energized and at the same time the electromagnet 4 is energized, but because of the large distance a2 it cannot exert any noticeable force on the armature disk.
  • the initial movement to open the poppet valve is effected by the tensioned torsion bar 29, which is only relaxed on half of the armature stroke. From here, the armature disk 6 is applied to the electromagnet 4 by the strongly progressively increasing magnetic force of the electromagnet 4 and the inertia force of the valve mechanism, the poppet valve 17 going into the open position and the torsion bar spring 29 being tensioned again, this time in the other direction of rotation.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines als Tellerventil ausgebildeten Gaswechselventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Ventilbetätigungsvorrichtung ist aus EP-PS 0 118 591 bekannt. Zwei phasenverschoben zueinander erregte Elektromagnete bilden mit zwei Schraubenfedern, die beidseits an einer durch die Elektromagnete angezogenen Ankerscheibe anliegen, ein Schwingsystem. Im Rhythmus dieser Schwingung wird das mit der Ankerscheibe verbundene Tellerventil hin- und herbewegt und öffnet bzw. schließt dabei eine Fluid-Durchtrittsöffnung. Wenn eine solche Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine verwendet wird, ist es wichtig, die Masse des Federsystems möglichst klein zu halten, um einerseits eine präzise Steuerung über den ganzen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu erhalten und andererseits den Energiebedarf für die Elektromagnete auf eine minimale Größe zu beschränken. Außerdem soll auch dann ein dichtes Schließen des Tellerventils sichergestellt werden, wenn die Endlagen der beiden Hubbewegungen durch die Fertigung bedingte Toleranzen aufweisen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ventilbetätigung mit möglichst geringen bewegten Federmassen zu schaffen und ein dichtes Schließen des Tellerventils durch eine elastisch nachgiebige Verbindung zwischen dem freien Ende des Ventilhebels und dem Schaft des Tellerventils sicherzustellen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die zur Ventilbetätigung verwendete Drehstabfeder besitzt keine, das Schwingsystem negativ beeinflussende, oszillierende Massen. Auch der mit der Drehstabfeder starr verbundene, in Wirkverbindung mit dem Tellerventil stehende Schlepphebel hat nur eine sehr geringe reduzierte Masse, so daß der am Ventilhebel angelenkte Anker nahezu trägheitslos den wechselweisen Erregungen der Elektromagnete folgen und das Tellerventil entsprechend steuern kann.
  • Eine ähnliche Drehstabfeder ist zwar aus DE-AS 1 120 804 bekannt für eine rein mechanische, durch einen Nocken betätigte Ventilsteuerung. Jedoch bringt die Anwendung einer Drehstabfeder für eine elektromagnetische Ventilsteuerung den entscheidenden Vorteil, daß sie durch Wegfall der translatorisch bewegten Federmassen und entsprechende Reduzierung der Massenkräfte überhaupt erst richtig funktionsfähig wird und mit einem noch vertretbaren Energieaufwand für die Stromversorgung der Elektromagnete betrieben werden kann.
  • Ein federnder Toleranzausgleich ist erreicht, indem das freie Ende des Ventilhebels an einer auf dem Ventilschaft längsgeführten federnd und mit geringem Abstand zu einer Haltehülse angeordneten Schiebehülse anliegt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Drehstabfeder an ihrem einen Ende drehfest mit dem Ventilhebel verbunden und in zwei, zu beiden Seiten des Ventilhebels angeordneten Lagerböcken gelagert; am anderen Ende ist der Drehstab in einer mit dem Zylinderkopf verschraubten Haltebuchse drehfest eingespannt. Der zentrisch zu den beiden Elektromagneten längsbeweglich gelagerte Anker ist an dem Ventilhebel so angelenkt, daß sein Abstand zur Längsachse des Tellerventils erheblich kleiner ist als sein Abstand zur Längsachse des Drehstabes bzw. der Lagermitte des Ventilhebel. Auf diese Weise läßt sich eine angepaßte Wegübersetzung erzielen, von dem nach thermodynamischen Gesichtspunkten optimierten Ventilhub des Tellerventils zu der für handelsübliche Elektromagnete sinnvollen Hubbewegung des Ankers.
  • Um beim Schließen des Tellerventils den Aufprall des Ventiltellers am Ventilsitz zu dämpfen, ist oberhalb des Ventilschaftes im Zylinderkopf eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung angebracht. Mehrere Dämpfungsscheiben liegen in einem ölgefüllten zylindrischen Dämpfungsraum. Wenn die am oberen Ende des Ventilschaftes befestigte Dämpfungshülse in den Dämpfungsraum eindringt, wird das zwischen den Dämpfungsscheiben befindliche Öl durch definierte Drosselspalte hindurch verdrängt und bewirkt so ein sanfteres, geräuscharmeres Aufsetzen des Ventiltellers auf den Ventilsitz.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend erläutert.
    • Es zeigt
    • Fig. 1 Frontansicht der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung mit Längsschnitt durch das Tellerventil,
    • Fig. 2 Seitenansicht der Ventilsteuerung mit Längsschnitt durch die Lagerung der Drehstabfeder,
    • Fig. 3 Draufsicht auf die Ventilsteuerung.
  • Am Zylinderkopf 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine ist ein Magnetgehäuse 2 befestigt, in dem mit Abstand a1 zueinander ein erster Elektromagnet 3 und ein zweiter Elektromagnet 4 fest angebracht sind. In dem Freiraum zwischen den Elektromagneten 3 und 4 liegt eine an einem Anker 5 befestigte Ankerscheibe 6, die zu dem jeweils erregten Elektromagnet 3 oder 4 hingezogen wird. Der Anker ist an seinem freien Ende in einem Lager 7 des Magnetgehäuses 2 gelagert. Das andere Ende des Ankers 5 ist in einen Stangenkopf 8 geschraubt, der mit einem Stift 9 an eine Gabel 10 eines einarmigen Ventilhebels 11 angelenkt ist; der eben abgefräste Stangenkopf 8 liegt dabei mit seitlichem Spiel zwischen der Gabel 10.
  • Das vordere Ende der Gabel 10 greift zwischen eine, auf einem Absatz des Ventilschaftes 12 aufliegende Druckscheibe 13 und eine auf dem Ventilschaft 12 längsbewegliche Schiebehülse 14 ein, die durch eine Schraubenfeder 15 gegen eine am Ventilschaft 12 befestigte Haltehülse 16 abgestützt ist. Zwischen der Schiebehülse 14 und der Haltehülse 16 ist ein geringer Abstand b vorgesehen, um einen federnden Toleranzausgleich zwischen dem Ankerhub a2 und dem Ventilhub s des Tellerventils 17 zu ermöglichen. Am oberen Ende des Ventilschaftes 12 ist eine Dämpfungshülse 18 befestigt, die beim Schließen des Tellerventils 17 in den im Zylinderkopf ausgebildeten, ölgefüllten Dämpfungszylinder 19 eindringt, in dem mehrere Dämpfungsscheiben 20 liegen.
  • Dabei verdrängt sie das Öl in die Ölzulaufbohrung 21 sowie in die Drosselspalte 22. Mit dieser Dämpfungsvorrichtung ist eine Geräuschminderung des Ventiltriebes und eine Verringerung des Verschleißes am Ventilteller 23 und Sitzring 24 erreicht. Die Höhe der Dämpfung läßt sich durch den ÖI-Zulaufdruck und die Bemessung der Drosselspalte einstellen.
  • Wichtig für eine präzise Ventilsteuerung ist eine gute Lagerung des Ventilhebels 11. Hierzu ist der endseitig als Lagerrohr 25 mit zwei radial vorstehenden Bunden ausgebildet. Das Lagerrohr 25 ist an beiden Seiten in einem am Zylinderkopf 1 angeschraubten Lagerbock 27 bzw. 28 gelagert; die stirnseitig an den Lagerböcken 27, 28 anliegenden Bunde 26 sichern das Lagerrohr 25 gegen Axialverschiebung.
  • Im Bereich des einen Lagerbockes 27 ist in dem Lagerrohr 25 das eine Ende einer zylindrischen Drehstabfeder 29 mit einer Kerbzahnverbindung 30 befestigt. Das andere Ende der Drehstabfeder 29 ist ebenfalls mit einer Kerbzahnverbindung 30 in einer Haltebuchse 31 drehfest, die mit Langlöchern 32 versehen ist und an den Zylinderkopf 1 angeflanscht ist. Der Abstand c1 der Anlenkstelle des Ankers 5 am Ventilhebel zur Längsachse des Tellerventils 17 ist kleiner als der Abstand c2 zur Lagermitte des Ventilhebels 17, um eine Wegübersetzung vom Ankerhub a2 zum Ventilhub s realisieren zu können. In der gezeichneten Schließlage des Tellerventils 17 ist der Elektromagnet 3 erregt. Er zieht die Ankerscheibe 6 an und hält die Drehstabfeder gespannt. Zum Öffnen des Tellerventils 17 wird der Elektromagnet 3 entregt und gleichzeitig der Elektromagnet 4 erregt, der aber wegen des großen Abstandes a2 noch keine merkliche Kraft auf die Ankerscheibe ausüben kann. Die Anfangsbewegung zum Öffnen des Tellerventils wird bewirkt durch die gespannte Drehstabfeder 29, die erst auf der Hälfte des Ankerhubs entspannt ist. Ab hier wird die Ankerscheibe 6 durch die stark progressiv ansteigende Magnetkraft des Elektromagnets 4 sowie die Trägheitskraft des Ventilmechanismus an den Elektromagnet 4 angelegt, wobei das Tellerventil 17 in Offenstellung geht und die Drehstabfeder 29 wieder, diesmal in der anderen Drehrichtung gespannt wird.
  • Beim Schließen des Tellerventils 17 wiederholt sich der eben beschriebene Vorgang in der umgekehrten Reihenfolge. Die Verstellkraft wird hierbei auf das Tellerventil über die Schiebehülse und Schraubenfeder aufgebracht. Die federnde Betätigung sorgt für eine gleichzeitige Anlage der Ankerscheibe am Elektromagnet und des Ventiltellers am Sitzring, auch dann, wenn fertigungsbedingte oder temperaturbedingte Toleranzabweichungen des Abstandes a2 oder des Ventilhubes s auftreten.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines im Zylinderkopf (1) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine längsgeführten Gaswechsel-Tellerventils (17) mit zwei Elektromagneten (3, 4), die wechselweise periodisch erregt werden und dabei entgegen der Kraft einer Feder (29) einen Anker (5) hin- und herbewegen, der das Tellerventil (17) öffnet und schließt, dadurch gekennzeichnet, daß als Feder eine Drehstabfeder (29) verwendet wird, die an ihrer einen Seite am Zylinderkopf (1) drehfest gehalten ist und an ihrer anderen Seite mit einem einarmigen Ventilhebel (11) in dessen Lagerbereich drehfest verbunden ist, wobei der Ventilhebel (11) an den Anker (5) angelenkt ist und mit seinem freien Ende (10) am Ventilschaft (12) des Tellerventils (17) angreift, und wobei das freie Ende des Ventilhebels (11) in Schließrichtung des Tellerventils (17) an einer auf dem Ventilschaft (12) längsgeführten Schiebehülse (14) anliegt, die mittels einer Schraubenfeder (15) an einer auf dem Ventilschaft (12) befestigten Haltehülse (16) abgestützt ist, wobei die Schiebehülse (14) und die Haltehülse (16) zueinander einen kleinen Abstand (b) haben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (c1) der Anlenkstelle (Stift 9) des Ankers (5) zur Längsachse des Tellerventils (17) kleiner ist als der Abstand (c2) zur Lagermitte des Ventilhebels (11).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhebel (11) von seinem freien Ende her als Gabel (10) ausgebildet ist, die sich geringfügig über die Anlenkstelle (Stift 9) hinaus erstreckt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließbewegung des Tellerventils (17) durch eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung (18, 19, 20, 21, 22) gedämpft ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung aus einer endseitig am Ventilschaft (12) befestigten Dämpfungshülse (18), einem ölgefüllten und mit Dämpfungsscheiben (20) ausgestatteten Dämpfungszylinder (19) sowie aus einer ÖI-Zulaufbohrung (21) und Drosselspalten (22) besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhebel (11) endseitig als Lagerrohr (25) ausgebildet ist, das an seinen beiden Seiten in Lagerböcken (27, 28) gelagert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstabfeder (29) mit ihrem einen Ende das Lagerrohr (25) durchragt und im Bereich des einen Lagerbocks (28) drehfest mit dem Lagerrohr (25) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstabfeder (29) mit ihrem anderen Ende in einer Haltebuchse (31) drehfest eingespannt ist, die an den Zylinderkopf (1) angeflanscht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlage der Haltebuchse (31) durch Verschwenken in Langlöchern (32) einstellbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum gleichzeitigen Betätigen zweier Tellerventile ausgebildet ist.
EP87103881A 1986-05-16 1987-03-17 Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0245614B1 (de)

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