EP0317725A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils - Google Patents

Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils Download PDF

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EP0317725A1
EP0317725A1 EP88115424A EP88115424A EP0317725A1 EP 0317725 A1 EP0317725 A1 EP 0317725A1 EP 88115424 A EP88115424 A EP 88115424A EP 88115424 A EP88115424 A EP 88115424A EP 0317725 A1 EP0317725 A1 EP 0317725A1
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valve
poppet valve
central bore
cylinder head
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Klaus Dipl.-Ing. Schneider
Hans-Joachim Dr. Dipl.-Ing. Esch
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F01L2009/2109—The armature being articulated perpendicularly to the coils axes

Definitions

  • the invention relates to a device for actuating a gas exchange poppet valve, which is longitudinally guided in the cylinder head of a reciprocating piston engine, according to the preamble of claim 1.
  • the gas exchange valve is actuated by two electromagnets working against spring force, which are excited alternately and thereby move an armature back and forth that opens and closes the poppet valve.
  • a cylindrical torsion bar spring is used.
  • the torsion bar spring is attached to the cylinder head on one side and non-rotatably connected to one end of a one-arm valve lever on the other side. With its other end, the valve lever articulates on the valve stem of the poppet valve.
  • the armature is attached to the valve lever at a distance from this articulation point.
  • armature with the armature disk is coaxial with the poppet valve, it can be controlled with it when the electromagnets are energized without the interposition of play-related articulation points.
  • armature stroke and valve stroke There is an exact assignment between armature stroke and valve stroke, provided the manufacturing dimensions from The poppet valve and armature as well as the distance from the seat of the poppet valve to the end faces of the electromagnets are observed.
  • a magnetizable drive plate is attached to the shaft end of the poppet valve, which lies with axial play between two stop surfaces of the armature disk.
  • the simplest design is when the armature disk is formed from two circular disks and the driving disk is inserted at its parting plane with axial play to the end faces of the disks. which now serve as stop surfaces. If the armature disk is applied to the upper electromagnet when the poppet valve closes. the drive plate is then pulled upwards by the electromagnet until the poppet valve closes tightly. To open the poppet valve, the upper electromagnet is switched off and the armature disk is moved downwards by spring force.
  • the construction according to the invention allows a hydraulic damping device to be integrated into the actuating device in the simplest way, which prevents hard and noisy mounting of the valve plate and undesired oscillating movements.
  • the anchor contains a central bore filled with hydraulic fluid.
  • a shaft end of the poppet valve is guided so that the piston can move longitudinally and is supported by a helical spring which bears against a radial projection of the central bore.
  • the central bore contains a ball check valve above the radial bore.
  • a magnet housing 2 is fastened to the cylinder head 1 of a reciprocating piston engine, in which a first electromagnet 3 and a second electromagnet 4 are fixedly attached at a distance a1 from one another.
  • armature disk 6 fastened to an armature 5, which is held in the end position by the respectively excited electromagnet 3 or 4.
  • the armature 5 is sealed in the magnet housing 2 and guided longitudinally in a bearing 8. At its end protruding from the magnet housing, the armature 5 is provided with a recess 9 into which a fork 11 attached to the end of a valve lever 10 engages. At its other end, the valve lever 10 is designed as a bearing tube 12.
  • the bearing tube 12 is mounted in a bearing block 13 screwed onto the cylinder head 1. The bearing tube 12 or the valve lever 10 is secured against axial displacement by contacting the bearing block 13 at the end.
  • one end of a cylindrical torsion bar spring 14 is fixed in the bearing tube 12.
  • the other end of the torsion bar 14 is provided with a flange 15 and screwed to the cylinder head 1 with screws 16.
  • a camshaft 17 is mounted in the cylinder head 1 below the valve lever 10, the holding cam 18 of which is pivoted up when the engine is at a standstill and thus blocks the valve lever 10 and tensions the torsion bar spring 14.
  • a stepping motor 19 is used to pivot the camshaft 17 and is controlled by a control unit 20 as a function of sensor signals from the motor.
  • a driving plate 21 is screwed, which is inserted at the parting plane 22 between the upper part 6 'and lower part 6' of the armature plate 6. After inserting the drive plate 21, the two parts 6 'and 6 ⁇ are welded together.
  • the driving plate 21, like the armature plate 6, is made of magnetizable material. As can be seen from Fig. 3, it has a distance a2 to the upper part 6 'of the armature disk 6.
  • the armature disk 6 is placed on the end face of the electromagnet 3 by the torsion bar spring after the electromagnet 4 has been switched off. Then this electromagnet 3 attracts the drive plate 21 and moves it to the upper part 6 'of the armature plate 6; the plate 23 is placed close to the seat ring 24.
  • the armature disk 6 is again moved as a whole towards the lower electromagnet 4 and then the driving disk 21 is moved relative to it.
  • the torsion bar 14 is rotated by the same angular path when opening and closing the poppet valve 7 so that its force-displacement curve is linear around the neutral zero position in both directions.
  • this spring return and energy storage in the desired manner works completely free of play by means of the torsion bar spring 14.
  • the armature 5 contains a hydraulic damping device acting on the shaft end of the plate valve 7.
  • This consists of a piston 25 which is longitudinally guided in an oil-filled central bore 26 of the armature 5 and in a pin 27 of the armature disk 6 fitted in the central bore 26.
  • the piston 25 is damped by the hydraulic oil and clamped by a helical spring 28 which is supported on a radial projection 29 of the central bore 26.
  • a further helical spring 30 and a valve ball 31 resting on a seat of the central bore 26 are arranged as a resilient check valve.
  • the arrangement of the driving plate 21 according to the invention and the damping device located centrally in the armature 5 can also be used for an electromagnetic valve actuation in which two coil springs are used for energy storage instead of a torsion bar spring.

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Abstract

Ein im Zylinderkopf (1) eines Hubkolbenmotors längsgeführtes Gaswechseltellerventil (7) wird durch zwei wechselweise periodisch erregte Elektromagnete (3,4) entgegen Federkraft geöffnet und geschlossen. Hierbei wird ein zum Tellerventil koaxialer Anker (5) zusammen mit einer an ihm befestigten Ankerscheibe (6) hin- und herbewegt und verspannt über einen an ihm angelenkten Ventilhebel (10) eine am Zylinderkopf eingespannte zylindrische Drehstabfeder (14). Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Wärmedehnungen ist in der Ankerscheibe mit Axialspiel eine magnetisierbare Mitnahmescheibe (21) angeordnet, die mit dem Schaftende des Tellerventils (7) verschraubt ist und dessen dichtes Schließen bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines im Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors längsgeführten Gaswechsel-Tellerventils nach dem Ober­begriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Betätigungsvorrichtung ist in der Patentanmeldung P 36 16 540.9-13 beschrieben. Das Gaswechselventil wird durch zwei entgegen Federkraft arbeitende Elektromagnete betätigt, die wechselweise erregt wer­den und dabei einen Anker hin und herbewegen, der das Tellerventil öffnet und schließt. Um die bewegten Federmassen und damit die Massenträgheit der ganzen Betätigungsvorrichtung gering zu halten, wird als Feder eine zylin­drische Drehstabfeder benutzt. Die Drehstabfeder ist an ihrer einen Seite am Zylinderkopf befestigt und an ihrer anderen Seite mit einem Ende eines ein­armigen Ventilhebels drehfest verbunden. Mit seinem anderen Ende greift der Ventilhebel gelenkig am Ventilschaft des Tellerventils an. Mit Abstand zu dieser Anlenkstelle ist der Anker am Ventilhebel angebracht. Da zwei Anlenk­stellen vorhanden sind die immer mit Fertigungstoleranzen behaftet sind, ist es schwierig den tatsächlichen Ventilhub auf den Ankerhub so abzustim­men, daß einerseits das Ventil dichtgeschlossen und andererseits bei Schließstellung zwischen Ankerscheibe und Elektromagnet kein zu groBer Luft­spalt verbleibt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung eine solche Betätigungsvorrichtung in der Weise weiterzubilden, daß ihre bewegten Massen abermals verringert werden und ohne Einhalten enger Fertigungstoleranzen die Funktion des Ventiltriebes gewährleistet ist.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­spruchs 1. Wenn der Anker mit Ankerscheibe koaxial zum Tellerventil liegt, kann er mit ihm bei Erregen der Elektromagnete ohne Zwischenschaltung von spielbehafteten Anlenkstellen gesteuert werden. Es besteht eine exakte Zu­ordnung zwischen Ankerhub und Ventilhub, sofern die Fertigungsmaße vom Tellerventil und Anker sowie das Abstandsmaß vom Sitz des Tellerventils zu den Stirnflächen der Elektromagnete eingehalten werden.
  • Um von Fertigungstoleranzen noch unabhängiger zu werden und einen spannungs­freien Ausgleich bei thermischer Dehnung des Tellerventils zu schaffen, ist nach Anspruch 2 am Schaftende des Tellerventils eine magnetisierbare Mitnah­mescheibe befestigt, die mit Axialspiel zwischen zwei Anschlagflächen der Ankerscheibe liegt. Am einfachsten wird die Konstruktion dann, wenn die An­kerscheibe aus zwei Kreisscheiben gebildet ist und die Mitnahmescheibe an ihrer Trennebene mit Axialspiel zu den Stirnflächen der Scheiben eingelegt ist. die nun als Anschlagflächen dienen. Wird beim Schließen des Tellerven­tils die Ankerscheibe an den oberen Elektromagnet angelegt. so wird an­schließend vom Elektromagnet die Mitnahmescheibe nach oben gezogen, bis das Tellerventil dicht schließt. Zum Öffnen des Tellerventils wird der obere Elektromagnet abgeschaltet und die Ankerscheibe wird durch Federkraft nach unten bewegt.
  • Die erfindungsgemäße Konstruktion gestattet es, auf einfachste Weise auch eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung in die Betätigungsvorrichtung zu in­tegrieren, die ein hartes und geräuschvolles Aufsetzen des Ventiltellers und unerwünschte Schwingbewegungen verhindert. Hierzu enthält der Anker eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte Zentralbohrung. In ihr und in der Ankerscheibe ist ein Schaftende des Tellerventils einwirken der Kolben längsbeweglich ge­führt und durch eine Schraubenfeder abgestützt, die an einem Radialvorsprung der Zentralbohrung anliegt. Oberhalb der Radialbohrung enthält die Zentral­bohrung ein Kugelrückschlagventil. Die erfindungsgemäße Konstruktion gestat­tet es, den Ventilhebel bei gleichem zu realisierenden Ventilhub kürzer aus­zuführen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 Längsschnitt der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung,
    • Fig. 2 Drehstabfeder und ihre Lagerung,
    • Fig. 3 Ankerscheibe in vergrößerter Darstellung.
  • Am Zylinderkopf 1 eines Hubkolbenmotors 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 dem Elektro­magneten 3 und 4 liegt eine an einem Anker 5 befestigte Ankerscheibe 6, die von dem jeweils erregten Elektromagneten 3 oder 4 in Endlage festgehalten wird.
  • Der Anker 5 ist in dem Magnetgehäuse 2 abgedichtet und in einem Lager 8 längsbeweglich geführt. An seinem aus dem Magnetgehäuse herausragenden Ende ist der Anker 5 mit einer Ausdrehung 9 versehen, in die eine an einem Ven­tilhebel 10 endseitig angebrachte Gabel 11 eingreift. An seinem anderen Ende ist der Ventilhebel 10 als Lagerrohr 12 ausgebildet. Das Lagerrohr 12 ist in einem am Zylinderkopf 1 angeschraubten Lagerbock 13 gelagert. Durch stirnseitige Anlage an dem Lagerbock 13 ist das Lagerrohr 12 bzw. der Ven­tilhebel 10 gegen Axialverschiebung gesichert.
  • Im Bereich des Lagerbocks 13 ist in dem Lagerrohr 12 das eine Ende einer zy­lindrischen Drehstabfeder 14 befestigt. Das andere Ende der Drehstabfeder 14 ist mit einem Flansch 15 versehen und mit Schrauben 16 an den Zylinderkopf 1 angeschraubt.
  • Parallel zur Drehstabfeder 14 ist in dem Zylinderkopf 1 unterhalb des Ven­tilhebels 10 eine Nockenwelle 17 gelagert, deren Haltenocken 18 bei Still­stand des Motors hochgeschwenkt ist und so den Ventilhebel 10 blockiert und die Drehstabfeder 14 spannt. Zum Verschwenken der Nockenwelle 17 dient ein Schrittmotor 19, der von einem Steuergerät 20 in Abhängigkeit von Sensorsi­gnalen des Motors angesteuert wird.
  • Auf das Schaftende des Tellerventils 7 ist eine Mitnahmescheibe 21 ge­schraubt, die an der Trennebene 22 zwischen dem oberen Teil 6′ und unteren Teil 6˝ der Ankerscheibe 6 eingelegt ist. Nach Einlegen der Mitnahmescheibe 21 werden die beiden Teile 6′ und 6˝ miteinander verschweißt. Die Mitnahme­scheibe 21 ist wie die Ankerscheibe 6 aus magnetisierbarem Material gefer­tigt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat sie zu dem oberen Teil 6′ der An­kerscheibe 6 einen Abstand a2.
  • Zum Schließen des Tellerventils 7 wird die Ankerscheibe 6 nach Abschalten des Elektromagnets 4 von der Drehstabfeder an die Stirnfläche des Elektro­magnets 3 angelegt. Danach zieht dieser Elektromagnet 3 die Mitnahmescheibe 21 an und verschiebt sie zum oberen Teil 6′ der Ankerscheibe 6 hin; dabei wird der Teller 23 dicht an den Sitzring 24 angelegt. Zum Öffnen des Teller­ventils 7 wird wieder zunächst die Ankerscheibe 6 als ganzes zum unteren Elektromagneten 4 hinbewegt und danach die Mitnahmescheibe 21 ihr gegenüber verschoben. Die Drehstabfeder 14 wird beim Öffnen und Schließen des Teller­ventils 7 um denselben Winkelweg so verdreht, daß ihre Kraft- Wegkurve um die neutrale Nullage nach beiden Richtungen linear ist. Außerdem arbeitet diese Federrückstellung und Energiespeicherung mittels der Drehstabfeder 14 in erwünschter Weise völlig spielfrei.
  • Um den Aufschlag beim Aufsetzen des Tellers 23 auf den Sitzring 24 zu dämp­fen, enthält der Anker 5 eine auf das Schaftende des Tellerventils 7 einwir­kende hydraulische Dämpfungsvorrichtung. Diese besteht aus einem Kolben 25, der in einer ölgefüllten Zentralbohrung 26 des Ankers 5 und in einem in der Zentralbohrung 26 eingepaßten Zapfen 27 der Ankerscheibe 6 längsgeführt ist. Der Kolben 25 wird vom Hydrauliköl gedämpft und durch eine Schraubenfeder 28 verspannt, die sich an einem radialen Vorsprung 29 der Zentralbohrung 26 abstützt. An der anderen Seite des radialen Vorsprungs 29 ist als federndes Rückschlagventil eine weitere Schraubenfeder 30 und eine an einem Sitz der Zentralbohrung 26 anliegende Ventilkugel 31 angeordnet. Die erfindungsgemäße Anordnung der Mitnahmescheibe 21 und die zentral im Anker 5 liegende Dämp­fungsvorrichtung können auch für eine elektromagnetische Ventilbetätigung angewendet werden, bei der anstelle einer Drehstabfeder zwei Schraubenfedern zur Energiespeicherung benutzt werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines im Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors längsgeführten Gaswechsel-Tellerventils mit zwei Elektromagneten, die wech­selweise periodisch erregt werden und dabei entgegen der Kraft einer zylin­drischen Drehstabfeder einen Anker hin und her bewegen, der das Tellerventil öffnet und schließt, wobei die Drehstabfeder an ihrer einen Seite am Zylin­derkopf drehfest gehalten ist und an ihrer anderen Seite mit einem einar­migen Ventilhebel drehfest verbunden ist, der mit dem Anker gelenkig verbun­den ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker (5) der Ventilhebel (10) an seinem freien Ende angelenkt ist und daß der Anker (5) mit der zentrisch an ihm befestigten Ankerscheibe (6) koaxial zum Schaft des Tellerventils (7) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Schaftende des Tellerventils (7) eine magnetisierbare Mitnahmescheibe (21) befestigt ist, die mit Axialspiel (a2) an der Ankerscheibe (6) längsbeweglich so ange­ordnet ist, daß sie wechselweise von den Elektromagneten (3, 4) angezogen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerscheibe (6) aus zwei an einer Trennstelle (22) aneinander anliegenden, etwa gleich großen Teilen (6′, 6˝) zusammengesetzt ist und daß die Mitnahmescheibe (21) an der Trennebene (22) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß in einer mit Hy­draulikflüssigkeit gefüllten Zentralbohrung (26) des Ankers (5) eine auf das Schaftende des Tellerventils (7) einwirkende hydraulische Dämpfungsvorrich­tung untergebracht ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet daß die hydraulische Dämpfungsvorrichtung aus einem stirnseitig am Schaftende des Tellerventils (7) anliegenden, in der Zentralbohrung (26) längsgeführten Kolben (25) und einer ihn an der anderen Stirnseite belastenden, an einem radialen Vorsprung (29) der Zentralbohrung (26) abgestützten Schraubenfeder (28) besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der an­deren Seite des radialen Vorsprungs (29) eine zweite Schraubenfeder (30) ab­stützt, die eine Ventilkugel (31) an einen in der Zentralbohrung (26) ausge­bildeten Ventilsitz anlegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Ventilhebels (10), etwa mittig zu seiner Armlänge ein drehbarer Haltenocken (18) angebracht ist, der nach Abstellen des Motors den Ventilhebel (10) ab­stützt und so das Tellerventil (7) in Schließlage hält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder 7, dadurch gekenn­zeichnety, daß der Anker (5) aus nicht magnetisierbarem Werkstoff, die Anker­scheibe (6) und Mitnahmescheibe (21) aus gut magnetisierbarem Werkstoff ge­fertigt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerscheibe (6) mit einem Zapfen (27) in die Zentralbohrung (26) des Ankers (5) einge­paßt und mit ihm durch Kleben oder Schweißen oder Verschrauben verbunden ist.
EP88115424A 1987-11-25 1988-09-21 Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils Expired - Lifetime EP0317725B1 (de)

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