EP1175553A1 - Verfahren und vorrichtung zum öffnen und schliessen eines ventils eines verbrennungsmotors - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum öffnen und schliessen eines ventils eines verbrennungsmotorsInfo
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- EP1175553A1 EP1175553A1 EP00922604A EP00922604A EP1175553A1 EP 1175553 A1 EP1175553 A1 EP 1175553A1 EP 00922604 A EP00922604 A EP 00922604A EP 00922604 A EP00922604 A EP 00922604A EP 1175553 A1 EP1175553 A1 EP 1175553A1
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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
- F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
- F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
Definitions
- the invention relates to a method and a device for opening and closing a valve of an internal combustion engine.
- the camshaft-controlled valve actuation, the electromagnetic and the hydraulic valve control are known.
- the invention is based in principle on electromagnetic valve control (EMVS). But you can also in connection with others such.
- EMVS electromagnetic valve control
- B. use hydraulic or pneumatic valve controls.
- the EMVS was built as a one-mass transducer.
- An armature can swing back and forth between two solenoids.
- the armature is connected to the valve.
- the armature When de-energized, the armature is located approximately in the middle between the two solenoids. Due to the large gap distances in the rest position and the associated poor efficiency, a disproportionate amount of energy is required during acceleration, which in itself questions the feasibility of EMVS in series applications.
- Another disadvantage is that - in order to reliably prevent contact of the valve with the piston - valve niches must be incorporated in the piston or that the wall of the combustion chamber in the cylinder head must be set back. In terms of combustion technology, these measures have a negative impact on the combustion chamber.
- the invention is therefore concerned with the problem of reducing the use of energy in the case of electromagnetic or hydraulic valve controls and avoiding a negative influence on the combustion process by valve niches or recessed combustion chamber walls on the cylinder head.
- the basic idea of the invention is to reduce the kinetic energy of the valve - and if necessary. to the mass part connected to the valve - which it has at the end of the closing process - largely to be transferred to a mass body and temporarily stored there, so that this energy is available for the next opening stroke of the valve.
- the impulse can in each case be transmitted directly between the mass bodies or passed on via at least one intermediate link, the intermediate link either being largely stationary or being connected to one of the two masses.
- the intermediate storage of energy - when the mass body z. B. to be held by a magnet - usually takes place in a spring that exerts a restoring force on the mass body.
- the well-known EMVS represents a one-mass pendulum, while the invention can be described as a two-mass pendulum with energy transfer.
- the well-known one-mass vibration of the EMVS is divided into two half-vibrations with two masses. At the end of each half-vibration, the kinetic energy is transferred to the second vibrating mass by an impact Pulse.
- a suitable vote z. B. via the spring rate is achieved that the basic oscillation period of the valve in the ratio "three cycles closed” to "one cycle open” is set.
- a variation of the oscillation times can thus be realized on the one hand by adjusting the spring preload and / or the spring stiffness and on the other hand by known means such as magnetic retention in the end positions.
- the valve remains closed without external energy supply, since the energetic zero position is present in the closed state. If necessary, it can also be pressed into the valve seat by spring force.
- the swinging is controlled, contact of the valve with the piston can be excluded.
- the combustion chamber can therefore be optimally designed - especially without valve niches.
- the impulse-like transmission enables very steep opening flanks or a very quick opening of the valve.
- the valve opening duration can be varied by changing the spring preload.
- Fig. 1 shows an inventive device for actuating a valve in the idle state
- Fig. 2 is a flow diagram of a method according to the invention.
- the system is shown in Fig. 1 in the idle state.
- a valve 1 and a mass 1 'connected to the valve 1 by a thread and a mass 2 can exchange their kinetic energy or their impulse via an intermediate member 3 which is firmly connected to the mass 2 (m2).
- the seat ring 4 connected to the cylinder head (not shown) and a stop 5 for mass 2 are provided.
- the position of the stop 5 is fixed or adjustable so that the valve can be closed in all operating states.
- the prestressing force of the spring 6 is set greater with the help of the adjustable support 8 than the force of the spring 7 with the support 9 in order to ensure the safe closing of the valve in the idle state. Accelerating, decelerating and holding in the end position of the masses 1 '(ml) and 2 (m2) is carried out by means of electromagnets 10 (Ml) and 11 (M2).
- valve 1 Compared to known electromagnetic actuators for valve control, there is no connection between the valve 1 and the actuating element for the valve, that is to say the mass m, the two are separated from one another, the separation in FIG. 1 being between the start of the thread of the valve and the intermediate element 3.
- FIG. 2 A possible sequence of the method according to the invention is shown in FIG. 2, which can be read in conjunction with FIG. 1.
- the magnet M is energized and moves the mass m accelerated up to time t against the force of the spring 7 in the direction of the holding position (area A).
- the delay in mass m begins and ends at t when mass m reaches the stop position.
- the mass m accelerates from t and is energized
- Valve opening direction is moving. At the same time it moves
- Mass m by means of spring force in the rest position at the stop 5 and thereby covers the free travel s. This movement can also be delayed by a damping element.
- the mass m is delayed in the period from t to t.
- the valve contacts the valve seat from t to t, from t to
- the maximum power consumption of the electromagnets can be considerably reduced by the valve control according to the invention, since the recycling of the kinetic energy saves a large part of the otherwise required electrical energy in the area of large gap distances between the magnet and the component attracted by the magnet.
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils eines Verbrennungsmotors mit insbesondere elektromagnetischer Ventilsteuerung soll die benötigte Energie verringert werden. Hierzu wird die kinetische Energie des Ventils beim Schließvorgang auf einen Massekörper übertragen und in diesem zwischengespeichert.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors .
Bekannt sind die nockenwellengesteuerte Ventilbetätigung, die elektromagnetische und die hydraulische Ventilsteuerung. Die Erfindung geht im Prinzip von der elektromagnetischen Ventilsteuerung (EMVS) aus. Sie läßt sich aber auch im Zusammenhang mit anderen wie z. B. hydraulischen oder pneumatischen Ventilsteuerungen einsetzen.
Bisher war die EMVS als Ein-Massen-Schwinger aufgebaut. Dabei kann ein Anker zwischen zwei Magnetspulen hin- und herschwingen. Der Anker ist mit dem Ventil verbunden. Im stromlosen Zustand befindet sich der Anker etwa in der Mitte zwischen den beiden Magnetspulen. Aufgrund der großen Spaltabstände in der Ruhelage und damit einhergehendem schlechten Wirkungsgrad ist bei der Beschleunigung ein unverhältnismäßig großer Energieaufwand nötig, der für sich genommen schon die Realisierbarkeit der EMVS in Serienanwendungen in Frage stellt.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß - um einen Kontakt des Ventils mit dem Kolben sicher zu verhindern - im Kolben Ventilnischen eingearbeitet sein müssen oder daß die Wand des Verbrennungsraums im Zylinderkopf zurückgesetzt sein muß. Diese Maßnahmen stellen verbrennungstechnisch eine negative Beeinflussung des Brennraums dar.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei elektromagnetischen oder hydraulischen Ventilsteuerungen den Energieeinsatz zu reduzieren und eine negative Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs durch Ventilnischen oder zurückgesetzte Brennraumwände am Zylinderkopf zu vermeiden.
Dieses Problem wird bei gattungsgemäßen Verfahren gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen wird das Problem gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 oder 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Grundgedanke der Erfindung ist es, die kinetische Energie des Ventils - und eines ggfs . mit dem Ventil verbundenen Masseteils - die dieses am Ende des Schließvorgangs aufweist, weitestgehend auf einen Massekörper zu übertragen und dort zwischenzuspeichern, sodaß diese Energie für den nächsten Öffnungshub des Ventils zur Verfügung steht. Dabei kann der Impuls jeweils direkt zwischen den Massekörpern übertragen oder über mindestens ein Zwischenglied weitergeleitet werden, wobei das Zwischenglied entweder weitgehend ortsfest angeordnet ist oder mit einer der beiden Massen verbunden ist. Die Zwischenspeicherung der Energie - wenn der Massekörper z. B. von einem Magnet festgehalten werden soll - erfolgt im Regelfall in einer Feder, die eine Rückstellkraft auf den Massekörper ausübt.
Physikalisch stellt die bekannte EMVS ein Ein-Masse-Pendel dar, während die Erfindung als Zwei-Massen-Pendel mit Energieübertragung beschreibbar ist.
Dabei wird die bekannte Ein-Masse-Schwingung der EMVS in zwei Halbschwingungen mit zwei Massen aufgeteilt. Am Ende jeder Halbschwingung erfolgt eine Übergabe der kinetischen Energie an die zweite schwingende Masse durch einen Stoßim-
puls. Durch eine geeignete Abstimmung z. B. über die Federrate erreicht man, daß sich die Grund-Schwingungsdauer des Ventils im Verhältnis "drei Takte geschlossen" zu "ein Takt geöffnet" einstellt.
Eine Variation der Schwingzeiten kann also einerseits durch Verstellung der Federvorspannung und/oder der Federsteifig- keit und andererseits durch bekannte Mittel wie magnetisches Festhalten in den Endlagen realisiert werden.
Verglichen mit der bekannten EMVS ergeben sich die folgenden Vorteile:
- Das Ventil bleibt ohne äußere Energiezufuhr geschlossen, da im geschlossenen Zustand die energetische Nullage vorliegt. Erforderlichenfalls kann es auch durch Federkraft in den Ventilsitz gepreßt werden.
- Undefinierte Betriebspunkte werden vermieden, da es im Ventilbewegungszyklus eine eindeutige Ruhelage gibt .
- Das Einschwingen verläuft kontrolliert, ein Kontakt des Ventils mit dem Kolben kann ausgeschlossen werden. Daher kann der Brennraum optimal - insbesondere ohne Ventilnischen - gestaltet werden.
- Durch die impulsartige Übertragung werden sehr steile Öffnungsflanken bzw. wird ein sehr schnelles Öffnen des Ventils ermöglicht.
- Die Ventilöffnungsdauer kann über eine Änderung der Federvorspannung variiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils im Ruhezustand
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
Das System ist in Fig. 1 im Ruhezustand dargestellt.
Eine Ventil 1 und eine mit dem Ventil 1 durch ein Gewinde verbundene Masse 1' sowie eine Masse 2 können ihre kinetische Energie bzw. ihren Impuls über ein Zwischenglied 3 austauschen, das mit der Masse 2 (m2) fest verbunden ist.
Zur Begrenzung der Bewegung der Masse 1' bzw. des mit Masse 1 ' verbundenen Ventils 1 ist der mit dem nicht dargestellten Zylinderkopf verbundene Sitzring 4 und für Masse 2 ein Anschlag 5 vorgesehen. Die Position des Anschlags 5 ist so festgelegt bzw. einstellbar, daß in allen Betriebszuständen das Ventil geschlossen werden kann. Die Vorspannkraft der Feder 6 wird mit Hilfe der verstellbaren Auflage 8 größer eingestellt als die Kraft der Feder 7 mit der Auflage 9, um im Ruhezustand das sichere Schließen des Ventils zu gewährleisten. Das Beschleunigen, Verzögern und Halten in Endposition der Massen 1' (ml) und 2 (m2) erfolgt mittels Elektromagneten 10 (Ml) und 11 (M2).
Verglichen mit bekannten elektromagnetischen Aktuatoren zur Ventilsteuerung besteht zwischen dem Ventil 1 und dem Betätigungsglied für das Ventil, also der Masse m , keine Verbindung, beide sind voneinander getrennt, wobei die Trennung in Fig. 1 zwischen dem Gewindebeginn des Ventils und dem Zwischenglied 3 vorliegt.
Ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Fig. 2 dargestellt, die in Verbindung mit Fig. 1 zu lesen ist.
Aufgetragen sind über der Zeitachse t im oberen Bereich die
Einschaltzeiten der Elektromagneten M und M und im unte-
1 2 ren Bereich die von den Magneten hervorgerufenen Auslenkungen Sm und Sm der Massen m und . 1 2 1 2
Zum Zeitpunkt t wird der Magnet M bestromt und bewegt die Masse m beschleunigt bis zum Zeitpunkt t gegen die Kraft der Feder 7 in Richtung der Halteposition (Bereich A) .
Zum Zeitpunkt t beginnt die Verzögerung der Masse m und endet bei t , wenn die Masse m die Halteposition erreicht.
2 2
Ab dem Zeitpunkt t hält der Magnet M die Masse m bis zum
Zeitpunkt t (Bereich B) . 3
Zum Zeitpunkt t wird die Masse losgelassen und beginnt beschleunigt durch die Feder 7 die Rückbewegung bis zum
Übergabepunkt der Energie von m an m zum Zeitpunkt t .
Nach der Übertragung der Energie ist der Impuls der Masse m nahezu 0 und die Masse m hat den Impuls der Masse m
2 1 2 weitestgehend übernommen.
Die Masse m beschleunigt ab t und wird durch Bestromen
1 4 des Magnets M im Zeitraum von t bis t - Bereich C - in
1 5 6
Ventilöffnungsrichtung bewegt. Gleichzeitig bewegt sich die
Masse m mittels Federkraft in die Ruhelage am Anschlag 5 und legt dabei den Leerweg s zurück. Diese Bewegung kann auch durch ein Dämpfungselement verzögert ablaufen.
Im Zeitraum von t bis t wird die Masse m verzögert.
6 7 1
Die Zeit, in der das Ventil ganz geöffnet ist, Bereich D, liegt zwischen t und t . Dabei hält der Magnet M das Ven-
7 8 1 til in der Offenstellung.
Zum Zeitpunkt t wird m losgelassen, die Ventil-Schließbe-
8 1 wegung beginnt und es wird zum Zeitpunkt t die kinetische
Energie von m an m übergeben. 1 2
Die Masse m beschleunigt und wird durch Bestromen von M
2 2 im Zeitraum E in Richtung Haltestellung bewegt und durch
Bestromen von M im Zeitraum F in der Haltestellung fi-
2 xiert .
Gleichzeitig bewegt sich ab t die Masse m durch die Kraft
9 1 der Feder 6 in ihre Ruhelage, in der das Ventil geschlossen ist und legt dabei noch den Leerweg s zurück.
Die Bestromung der Magneten M und M wird also jeweils kurz vor Erreichen der ausgelenkten Lage der zugehörigen
Massen unterbrochen (Zeitraum t bis t , t bis t und t
1 2 6 7 10 bis t , um ein zu hartes Auftreffen an den jeweiligen An-
11 schlagen zu vermeiden.
Von t bis t liegt das Ventil am Ventilsitz an, von t bis
0 4 4 t ist das Ventil ganz oder teilweise geöffnet. 10
Durch die erfindungsgemäße Ventilsteuerung kann die maximale Leistungsaufnahme der Elektromagneten erheblich vermindert werden, da im Bereich großer Spaltabstände zwischen Magnet und vom Magnet angezogenem Bauteil die Wiederverwertung der kinetischen Energie einen Großteil der sonst erforderlichen elektrischen Energie einspart.
Claims
1. Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors , dadurch gekennzeichnet, daß beim Schließen des Ventils (1) die kinetische Energie des Ventils und einer gegebenenfalls mit dem Ventil (1) verbundenen Masse (1') auf eine zweite, beweglich angeordnete Masse (2) zumindest teilweise übertragen und in dieser vorübergehend in Form von kinetischer oder potentieller Energie gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Masse (2) gespeicherte Energie auf das Ventil (1) und ggfs. die Masse (1') übertragen wird, um den Öffnungsvorgang des Ventils (1) einzuleiten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung jeweils durch Stoß erfolgt.
4. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors gekennzeichnet durch
- zwei gegen Rückstellkraft beweglich angeordnete Masseteile, von denen das eine Masseteil zumindest aus einem Ventil (1) besteht,
- die beiden Masseteile sind etwa oder exakt richtungsgleich beweglich angeordnet,
- an zumindest einem Masseteil ist eine Kontaktfläche für eine stoßartige Energieübertragung zwischen beiden Masseteilen vorgesehen.
5. Vorrichtung zur Betätigung des Ventils eines Verbrennungsmotors , gekennzeichnet durch
- zwei gegen Rückstellkraft beweglich angeordnete Masseteile, von denen das eine Masseteil zumindest aus einem Ventil (1) besteht,
- das erste, zumindest aus dem Ventil bestehende Masseteil ist linear verschiebbar angeordnet und das zweite Masseteil (2) ist schwenkbar und rückschwenkbar, jedoch nicht drehbar angeordnet,
- an zumindest einem Masseteil ist eine Kontaktfläche für eine stoßartige Energieübertragung zwischen beiden Masseteilen vorgesehen.
6. Vorrichtung zur Betätigung des Ventils (1) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein oder mehrere impulsübertragende Zwischenglieder zwischen den beiden Masseteilen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft durch eine Feder erzeugt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
Mittel zum Festhalten mindestens eines der beiden Masseteile in der ausgelenkten Lage.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
Mittel zur Beeinflussung der Schwingtreguenz des zweiten Masseteils (2).
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