EP1025344A1 - Elektromagnetische stelleinrichtung - Google Patents

Elektromagnetische stelleinrichtung

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Publication number
EP1025344A1
EP1025344A1 EP98950091A EP98950091A EP1025344A1 EP 1025344 A1 EP1025344 A1 EP 1025344A1 EP 98950091 A EP98950091 A EP 98950091A EP 98950091 A EP98950091 A EP 98950091A EP 1025344 A1 EP1025344 A1 EP 1025344A1
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EP
European Patent Office
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valve
control device
shaft
actuating device
cams
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98950091A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Metz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1025344A1 publication Critical patent/EP1025344A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/24—Safety means or accessories, not provided for in preceding sub- groups of this group
    • 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
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46—Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • 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
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • 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
    • F01L2800/00—Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • F01L2800/12—Fail safe operation

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetically operating actuating device for a gas exchange valve in a reciprocating piston engine, a piston compressor or a machine of the same Virk principle.
  • Electromagnetic valve controls of this type generally have an electromagnetic one
  • Actuating device for opening and a tensioning device designed as a mechanical spring for closing the valve are designed as a mechanical spring for closing the valve.
  • valve control devices have been proposed in which the basic functions continue to be carried out mechanically, additional functions, for. B. different timing and the like variability, but with electromagnetic
  • the object of the invention is to reliably avoid the feared collision between the piston plates and the valve plate in the case of a valve control operating purely electromagnetically without a return spring and the like in the event of a power failure.
  • the invention solves this problem with the help of the "security closing shaft” mentioned in claim 1.
  • This mechanically driven safety locking shaft is driven via the crankshaft in a ratio of 1: 1 and runs "empty" ⁇ contactless>.
  • the electromagnetic valve control has full freedom with regard to the choice of the exact closing time, the choice of the duration of the shutter and the choice of opening the valve. The control of these points in time can be individually adjusted to the ignition point and variably within certain limits.
  • the electromagnetic actuating device can be designed correspondingly weaker, since it does not have to work against a spring force with each working stroke.
  • a conventional actuating device consisting of valve mass and spring represents an oscillatory system that only works optimally at a single frequency, its resonance frequency.
  • Such return springs which serve as a tensioning device for the actuating device, are quite unsuitable for a wide speed range.
  • special waveforms ⁇ z. B. as a rectangle to be represented in the xt diagram is practically impossible.
  • valve construction according to the invention works without a return spring, there is also no preferred resonance frequency; all frequencies and thus all engine speeds are closed with equally strong signals equally large amplitudes, ie equally large valve deflections, and excited to any "curve farms" of the valve openings.
  • the risk of collision in the case of power failures, defects, etc. between the piston crown and the valve plate is reliably eliminated with the aid of the “safety closing shaft” according to the invention, which only runs as “auxiliary” as an auxiliary unit.
  • At least one cam can run behind a collar that is detachably connected to the valve stem for assembly purposes. This results in a great variety of options for the valve lift and the valve opening time through electronic full control of the valves with simultaneous mechanical safety.
  • the safety closing shaft only needs to move the valve towards the closing position until the valve has left the collision position given by the top dead center of the piston.
  • the safety closing shaft can additionally limit the maximum valve stroke by the base circle of the safety closing shaft determining the maximum stroke.
  • the closing shaft according to the invention also acts in the opposite direction as a safety unit. That is, : No separate training is required for this. But even when this feature is implemented, the electromagnetic actuating device can move completely freely between the predetermined limit values (maximum valve lift, on the one hand, and closing position, on the other hand,).
  • the safety shaft according to the invention can also be used advantageously for a decompression position of the valves, in order to protect the machine against excessive wear during cold starts, possibly in conjunction with an electric oil pump that starts up beforehand.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of the electromagnetically operating actuator 2 according to the invention in longitudinal section. 2 shows a side view of this actuating device 2.
  • the electromagnetic actuating unit 4 has an electrical input for receiving electrical valve control signals and a mechanical output which protrudes from the cylinder head via part 12
  • Valve stem 6 is operatively connected to a valve disk 8.
  • the part 12 is connected to the core of a coil arrangement; it can also be part of the core.
  • the electromagnetic actuator 4 moves the part 12 up and down.
  • the valve stem 6 is guided by a valve stem guide 10.
  • a "safety closing shaft” 18 provided with cams 16 is arranged below the bottom 14 of the part 12 perpendicular to the valve stem 6.
  • the safety closing shaft 18 is a camshaft which, as an auxiliary unit, runs continuously "empty", ie without contact, at a certain safety distance.
  • the safety closing shaft 18 is arranged vertically next to the valve stem 6.
  • the one or more cams 16 are located below the bottom 14 of the part 12. If two cams 16 are attached to the safety shaft 18, they are located symmetrically on both sides of the Ven ilschafts 6th
  • the shape of the cams 16 is designed with a relief grind so that a slow pushing up of the valve is first made possible and shortly before top dead center a quick pushing up - away from the collision position - is ensured.
  • the upper position of the cams 16 corresponds to the top dead center of the piston.
  • the electrical control variable is converted into an equally large analog mechanical force via a magnetic field strength that is analogous to the electrical control variable, as a result of which the part 12, in addition to the valve stem 6 provided with valve plate 8, experiences a corresponding vertical deflection.
  • Security closing shaft 18 runs "empty” in the normal case. That is, : Shaft 18 and cam 16 are normally always at a certain distance 20 from the bottom 14 of part 12. Only in the event of a power failure or malfunctions of the electromagnetic actuating unit 4 do the cams 16 raise the base 14 of the part 12 together with the valve plate 8 located on the valve stem 6, so that a collision between the piston head and the valve element 8 is avoided.
  • the camshaft 18 according to the invention thus serves only as a "safety closing shaft”. Electromagnetic position control

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Abstract

In einer im Normalfall rein elektromagnetisch ohne Rückholfeder und dergleichen Hilfsmittel arbeitenden Ventilsteuerung soll auch bei Stromausfall die befürchtete Kollision zwischen Kolbenboden und Ventilteller (8) zuverlässig vermieden werden. Eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung (2) für mindestens ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine weist eine mit mindestens einem Nocken (16) versehene Welle ('Sicherheitsschließwelle') (18) auf, die über die Kurbelwelle im Verhältnis 1:1 antreibbar ist. Damit ist im Falle einer Störung der elektromagnetischen Ventilbetätigung der der jeweiligen Stelleinrichtung (2) zugeordnete Ventilmechanismus mechanisch mindestens so weit verschiebbar, daß der Ventilteller (8) die Kollisionsposition verlassen hat, wodurch eine Kollision zwischen Kolbenboden und Ventilteller (8) zuverlässig vermieden wird. Für ein Gaswechselventil in einem Hubkolbenmotor, einem Kolbenverdichter oder einer Maschine gleichen Wirkprinzips.

Description

Elektromagnetische Stelleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für ein Gaswechselventil in einem Hubkαlbenmotor , einem Kolbenverdichter oder einer Maschine gleichen Virkprinzips.
Im Unterschied zu Zweitaktmotoren wird in Viertakt-Otto- und Dieselmotoren der Carnot'sche Kreisprozeß mit Hilfe von Gaswechsel entilen gesteuert. Diese Ventile wurden früher mittels einer mit halber Drehzahl laufenden Nockenwelle über Kipphebel im Rhythmus der Arbeitstakte geöffnet und mittels als Spanneinrichtung wirkender Federmechanismen wieder geschlossen.
Wegen der relativ großen Masse der im Rhythmus der Takte auf und ab zu bewegenden Kipphebel sind diese Kipphebel bei schnei laufenden Motoren mehr und mehr durch direkt über eine obenliegende Nockenwelle ansteuerbare Ventilstößel ersetzt worden.
Da aber jegliche, mechanisch arbeitenden, über Nocken betätigten Ventilsteuerungen mehr oder weniger träge funktionieren und keine variable Beeinflussung der Steuerung zulassen, sind verschiedene, elektromagnetisch arbeitende Ventilsteuerungen vorgeschlagen worden. Derartige elektromagnetisch arbeitenden Ventilsteuerungen weisen in der Regel eine elektromagnetische
Stelleinrichtung zum öffnen und eine als mechanische Feder ausgebildete Spannvorrichtung zum Schließen des Ventils auf.
Ohne auf Einzelheiten derartiger Konstruktionen näher einzugehen, seien hier z. B. die Schriften DE-PS 30 24 109 und DE-PS 35 13 103, sowie die PCT-Anmeldunge VO 95/00787 und VO 95/00959 genannt.
Darüberhinaus sind Ventilsteuereinrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen die Grundfunktionen weiterhin mechanisch durchgeführt werden, zusätzliche Funktionen, z. B. unterschiedliche Steuerzeiten und dergleichen Variabilitäten, jedoch mit elektromagnetischen
Hilfseinrichtungen zu realisieren sind (siehe z. B. EP 0 312 216).
Der Nachteil der genannten Konstruktionsprinzipien besteht im wesentlichen darin, daß man auf die nur beschränkt steuerbaren mechanischen Stellglieder nicht verzichtet und aus Sicherheitsgründen auch gar nicht darauf verzichten kann. Würde man auf die mechanischen Komponenten, insbesondere auf die als Spannvorrichtung funktionierenden Rückholfedern, verzichten, so wäre im Fall eines
Stromausfalls eine Kollision zwischen Kolbenboden und Ventilteller unvermeidbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer im Nαrmalfall rein elektromagnetisch ohne Rückholfeder und dergleichen Hilfsmittel arbeitenden Ventilsteuerung auch bei Stromausfall die befürchtete Kollision zwischen Kαlbenbαden und Ventilteller zuverlässig zu vermeiden. Die Erfindung löst dieses Problem mit Hilfe der im Anspruch 1 genannten "Sicherheitsschließwelle". Diese mechanisch angetriebene Sicherheitsschließwelle wird über die Kurbelwelle im Verhältnis 1 : 1 angetrieben und läuft "leer" <berührungsfrei > mit. Das bedeutet: Die elektromagnetische Ventilsteuerung hat volle Freiheit bezüglich der Wahl des genauen Schließzeitpunkts, der Wahl der Verschlußdauer und der Wahl des Venti 1-öffnens. Die Steuerung dieser Zeitpunkte können auf den Zündzeitpunkt individuell und in gewissen Grenzen variabel abgestimmt werden.
Wegen des Fehlens einer als Spannvorrichtung dienenden mehr oder weniger starken Rückholfeder kann die elektromagnetische Stelleinrichtung entsprechend schwächer ausgelegt werden, da sie nicht bei jedem Arbeitshub gegen eine Federkraft anarbeiten muß.
Eine herkömmliche, aus Ventilmasse und -Feder bestehende Stelleinrichtung stellt ein schwingungsfähiges System dar, das lediglich bei einer einzigen Frequenz, seiner Resonanzfrequenz, optimal arbeitet. Für einen weiten Drehzahlbereich sind derartige, mit als Spannvorrichtung der Stelleinrichtung dienenden Rückholfedern ziemlich ungeeignet. Wegen der harmonischen (sinusförmigen) Grundschwingung im Resonanzbereich sind spezielle Schwingungsformen <z. B. ein als im x-t-Diagramm darzustellendes Rechteck) praktisch unmöglich. Diese Hindernisse sind bei Verwendung eines im Sinne der Erfindung elektromagnetisch funktionierenden Systems überwunden. Da die erfi du gsgemäße Ventilkonstruktion ohne Rückholfeder arbeitet, gibt es auch keine bevorzugte Resonanzfrequenz; alle Frequenzen und damit alle Motordrehzahlen werden mit gleichstarken Signalen zu gleichgroßen Amplituden, d. h. gleichgroßen Ventilauslenkungen, und zu beliebigen "Kurvenfarmen" der Ventilöffnungen angeregt. Dabei wird die bei Strαmausf ll , Defekten usw. zwischen Kolbenboden und Ventilteller bestehende Kollisiσnsgefahr mit Hilfe der erfindungsgemäßen "Sicherheitsschließwelle", die lediglich als Hilfsaggregat permanent "leer" mitläuft, zuverlässig ausgeschlossen.
Bei Normalbetrieb kann dabei mindestens ein Nocken berührungsfrei einem Kragen, der aus Montagezwecken lösbar mit dem Ventilschaft verbunden ist, hinterherlaufen. Dadurch ergibt sich für den Ventilhub sowie für die VentilÖffnungszeit eine große Variatiαnsmöglichkeit durch elektronische Vollsteuerung der Ventile bei gleichzeitiger mechanischer Sicherheit.
Dabei braucht die Sicherheitsschließwelle das Ventil aber nur so weit in Richtung Schließposition zu verschieben, bis das Ventil die durch den oberen Totpunkt des Kolbens gegebene Kollisionsposition verlassen hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Sicherheitsschließwelle zusätzlich den maximalen Ventilhub begrenzen, indem der Grundkreis der Sicherheitsschließwelle den maximalen Hub bestimmt. Auf diese Weise wirkt die erfindungsgemäße Schließwelle auch in der entgegengesetzten Richtung als Sicherheitsaggregat. D. h. : Es ist hierfür keine separate Weiterbildung erforderlich. Aber auch bei Realisierung dieses Merkmals kann sich die elektromagnetische Stelleinrichtung zwischen den vorgegebenen Grenzwerten (maximaler Ventilhub, einerseits, und Schließposition, andererseits,) völlig frei bewegen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Sicherheitswelle auch vorteilhaft für eine Dekompressionsstellung der Ventile genutzt werden, um die Maschine bei Kaltstarts vor übermäßigem Verschleiß zu schützen, - evtl. in Verbindung mit einer elektrischen ölpumpe, die vorher anläuft.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung beschrieben,
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen, elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung 2 im Längsschnitt. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht dieser Stelleinrichtung 2.
Oben in der Fig. 1 befindet sich eine als "black box" dargestellte elektromagnetische Stelleinheit 4. Die elektromagnetische Stelleinheit 4 besitzt einen elektrischen Eingang zur Aufnahme von elektrischen Ventil- Steuersignalen und einen mechanischen Ausgang, der über das Teil 12 mit einem aus dem Zylinderkopf herausragenden
Ventilschaft 6 mit einem Ventilteller 8 in Wirkverbindung steht. Das Teil 12 ist mit dem Kern einer Spulenanαrdnung verbunden; es kann auch Bestandteil des Kerns sein. Bei Betrieb der elektromagnetischen Stelleinrichtung 2 bewegt die elektromagnetische Stelleinheit 4 das Teil 12 auf und ab. Der Ventilschaft 6 wird von einer Ventilschaftführung 10 geführt. Unterhalb des Bodens 14 des Teils 12 ist eine mit Nocken 16 versehene "Sicherheitsschließwelle" 18 senkrecht zum Ventilschaft 6 angeordnet.
Die Sicherheitsschließwelle 18 ist eine Nockenwelle, die als Hilfsaggregat permanent in einem gewissen Sicherheitsabstand "leer", d. h. berührungsfrei, mitläuft. Die Sicherheitsschließwelle 18 ist senkrecht neben dem Ventilschaft 6 angeordnet. Der bzw. die Nocken 16 befinden sich unterhalb des Bodens 14 des Teils 12. Sind zwei Nocken 16 auf der Sicherheitswelle 18 angebracht, so befinden sie sich symmetrisch beiderseits des Ven ilschafts 6.
Die Form der Nocken 16 ist mit einem Hinterschliff so ausgebildet, daß zunächst ein langsames Hochdrücken des Ventils ermöglicht wird und kurz vor dem oberen Totpunkt ein schnelles Hochdrücken - von der Kol lisionspαsition weg - gewährleistet ist. Dabei entspricht die obere Stellung der Nocken 16 dem oberen Totpunkt des Kolbens.
In der elektromagnetischen Stelleinheit 4 wird die elektrische Steuergröße über eine der elektrischen Steuergröße analoge magnetische Feldstärke in eine ebensogroße analoge mechanische Kraft umgewandelt, wodurch das Teil 12 nebst dem mit Ventilteller 8 versehenen Ventilschaft 6 eine entsprechende vertikale Auslenkung erfährt.
Die unterhalb des Teils 12 befindliche
Sicherheitsschließwelle 18 läuft im Normalfall "leer" mit. D. h. : Welle 18 und Nocken 16 weisen im Normalfall stets einen gewissen Abstand 20 zum Boden 14 des Teils 12 auf. Erst bei Stromausfall oder Funktionsstörungen der elektromagnetischen Stelleinheit 4 heben die Nocken 16 den Boden 14 des Teils 12 samt dem am Ventilschaft 6 befindlichen Ventilteller 8 an, so daß eine Kollision zwischen Kolbenboden und Venti ltel ler 8 vermieden wird. Die erfindungsgemäße Nockenwelle 18 dient somit lediglich als "Sicherheitsschließwelle" . Elektromagnetische Stellei-uric-atung
Bezugszeic-ienliste
2 elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung
4 elektromagnetische Stelleinheit
6 Ventilschaft
8 Ventilteller
10 Ventilschaftführung
12 Teil
14 Kragen (Boden)
16 Nocken
18 Sicherheitsschließwelle
20 Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung (2) für mindestens ein Gaswechsel wentil in einer Brennkraftmaschine g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine mit mindestens einem Nocken (16) versehene Welle ("Sicherheitschließwelle" ) (18), die über die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine im Verhältnis 1 : 1 antreibbar ist, und durch den - im Falle einer Störung der elektromagnetischen Ventilbetätigung - der der jeweiligen
Stelleinrichtung (2) zugeordnete Ventilmechanismus mechanisch mindestens so weit verschiebbar ist, daß eine Kollision .zwischen Kolbenbαden und Ventilteller
(8) zuverlässig vermieden wird, d. h. , daß sich der Ventilteller (8) außerhalb der
"Kollisiαnsposition" befindet.
2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Abstand (20) zwischen Nocken (16) der Sicherheitsschließwelle (18) und antreibbarer Stelleinrichtung (2), wobei bei Normalbetrieb der (oder die) Nocken (16) einem Kragen (14), der fest mit einem Ventilschaft (6) verbunden ist, in dem Abstand (20) berührungsfrei hinterherläuft.
3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß durch den Grundkreis der Sicherheitsschließwelle (18) und durch den (bzw. die) auf der Sicherheitsschließwelle (18) befindlichen Nocken (16) der maximale Ventilhub begrenzbar ist.
4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein Ventil mit Hilfe der mit Nocken (16) versehenen Sicherheitsschließwelle (18) in Dekompressionsposition einstellbar ist.
EP98950091A 1997-10-23 1998-09-29 Elektromagnetische stelleinrichtung Withdrawn EP1025344A1 (de)

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DE19746832 1997-10-23
DE19746832A DE19746832C1 (de) 1997-10-23 1997-10-23 Elektromagnetische Stelleinrichtung
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