EP0317725B1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils - Google Patents

Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel-Tellerventils Download PDF

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EP0317725B1
EP0317725B1 EP88115424A EP88115424A EP0317725B1 EP 0317725 B1 EP0317725 B1 EP 0317725B1 EP 88115424 A EP88115424 A EP 88115424A EP 88115424 A EP88115424 A EP 88115424A EP 0317725 B1 EP0317725 B1 EP 0317725B1
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valve
poppet valve
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central bore
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Van-Khanh Dipl.-Ing. Tran
Klaus Dipl.-Ing. Schneider
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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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 poppet valve, which is longitudinally guided in the cylinder head of a reciprocating piston engine, according to the preamble of claim 1.
  • Such an actuator is described in patent application DE-A-36 16 540.9-13.
  • 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.
  • the poppet valve In an actuating device known from EP-A-0 118 591, the poppet valve is moved back and forth against the force of a cylindrical spring by two alternately excited electromagnets.
  • the electromagnets act on an armature attached to the poppet valve, which is arranged coaxially with the armature of the poppet valve together with an armature disk centrally attached to it.
  • 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 faces. If the armature disk is placed on the upper electromagnet when the poppet valve is closed, the drive disk 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 anchor contains a central bore filled with hydraulic fluid.
  • a shaft end of the poppet valve is guided in a longitudinally movable manner 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 fastened 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, thus blocking the valve lever 10 and tensioning 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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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 DE-A-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 großer Luftspalt verbleibt.
  • Bei einer aus EP-A-0 118 591 bekannten Betätigungsvorrichtung wird das Tellerventil durch zwei wechselweise erregte Elektromagnete entgegen der Kraft einer zylindrischen Feder hin- und herbewegt. Die Elektromagnete wirken auf einen am Tellerventil befestigten Anker ein, der zusammen mit einer zentrisch an ihm befestigten Ankerscheibe koaxial zum Schaft des Tellerventils angeordnet ist.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine solche Betätigungsvorrichtung in der Weise weiterzubilden, daß ihre bewegten Massen 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 am Schaftende des Tellerventils eine magnetisierbare Mitnahmescheibe befestigt ist, die mit Axialspiel zwischen zwei Anschlagflächen der Ankerscheibe liegt, wird man von Fertigungstoleranzen weitgehend unabhängig und es wird bei thermischer Dehnung des Tellerventils ein spannungsfreier Ausgleich möglich.
  • 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 längsbeweglich geführt und durch eine Schraubenfeder abgestützt, die an einem Radialvorsprung der Zentralbohrung anliegt. Oberhalb der Radialbohrung enthält die Zentralbohrung ein Kugelrückschlagventil.
  • 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 (8)

  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, und 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.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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.
  3. 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.
  4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, 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.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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.
  6. 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.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) aus nicht magnetisierbarem Werkstoff, die Ankerscheibe (6) und Mitnahmescheibe (21) aus gut magnetisierbarem Werkstoff gefertigt sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, 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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