EP1464795A2 - Elektrischer Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren mit Ventilspieldämpfungselement - Google Patents

Elektrischer Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren mit Ventilspieldämpfungselement Download PDF

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EP1464795A2
EP1464795A2 EP04005096A EP04005096A EP1464795A2 EP 1464795 A2 EP1464795 A2 EP 1464795A2 EP 04005096 A EP04005096 A EP 04005096A EP 04005096 A EP04005096 A EP 04005096A EP 1464795 A2 EP1464795 A2 EP 1464795A2
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EP
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valve
fluid
electrically controllable
actuator
actuator element
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EP04005096A
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Dirk Gebhardt
Oliver Grohe
Klaus Neuber
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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    • 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
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2132—Biasing means
    • F01L2009/2134—Helical springs
    • F01L2009/2136—Two opposed springs for intermediate resting position of the armature

Definitions

  • the present invention relates to an electrically controllable valve train according to the preamble of claim 1.
  • valve train controls are being tested.
  • the valves by an electromagnetically actuated actuator element or by a actuated by an electric motor actuated element.
  • it speaks one of stroke actuators
  • the actuator element presses the valve against the force of one or several valve springs in the direction of the combustion chamber.
  • the valve For a flawless Operation requires the valve to be in relation to the actuator element has a certain valve clearance.
  • Spacer for example a cap, on the free end of the Valve stem.
  • the actuator element When the valve is opened, the actuator element hits the end without being braked of the valve stem or on that arranged at the end of the valve stem Spacer on. On the one hand, this creates a loud impact noise, that negatively affects the entire engine acoustics. On the other hand the valve is vibrated strongly, which regulates the Valve train extremely difficult.
  • the object of the invention is to provide an electrically controllable valve train create that in terms of noise and emergence mechanical vibrations is optimized.
  • the present invention is based on an electrically controllable valve train for internal combustion engines.
  • an electrically controllable actuator element is provided to move the valve, that is to say When the valve is opened.
  • the actuator element can be a stroke actuator, for example, the one anchor plate slidably arranged between two electromagnets and has an anchor shaft.
  • the anchor shaft exercises to open the Valve exerts a force on the valve stem.
  • the essence of the invention is a hydraulic damping element, which is arranged between the valve stem and the actuator element.
  • the damping element has two fluid volumes. When opening the Valve through the actuator element must first the valve clearance be overcome. In this case, fluid is removed from the via a "throttle point" one fluid volume pressed into the other fluid volume.
  • the actuator element thus does not hit the end of the valve stem without braking or on the spacer element arranged at the end of the valve stem on, but sets, due to the damping element comparatively "gently” on. This will both the "impact noise” mentioned above as well as the mechanical vibration caused by the impact of the valve almost completely avoided. By eliminating the Valve vibration improves the controllability of the valve train.
  • the damping element preferably has a cup-shaped or cylindrical cavity through which the first fluid volume is formed and a groove-like cavity in the wall area of the pot-shaped cavity, through which the second fluid volume is formed.
  • a free end section of the Actuator element protrudes into the cup-shaped cavity and acts as a displacement piston acts for the fluid contained therein.
  • the end section of the actuator element and the cup-shaped cavity form a clearance fit.
  • the game fit thus represents a "throttle point" for the transfer of the fluid from the first fluid volume into the second fluid volume.
  • the damping element is preferably form-fitting by means of two clamping pieces connected to the free end of the valve stem.
  • FIG. 1 shows an electrically controllable valve train 1 with one in one Cylinder head 2 arranged valve 3, which has a valve stem 4.
  • the Valve 3 is closed by a valve spring 5 in the shown here Position pressed.
  • a Stroke actuator arrangement 2 ' is provided, which essentially consists of a Actuator or anchor element consists of an anchor plate 6 and one with it connected anchor shaft 7.
  • the actuator element is axially displaceable arranged between two electromagnets 8, 9, with which the Actuator element can be moved axially.
  • the shaft 7 exercises a counteracting action of the valve spring 5 Force on the valve stem 4, which means an opening of the valve 3rd has the consequence.
  • valve 3 is in the closed state a certain valve clearance with respect to the actuator element is required.
  • a cap-like spacer 10 is applied become. By placing such a spacer 10 with a suitable one Thickness on the end of the valve stem 4 can be a certain one Valve clearance s are observed.
  • the damping element 11 is fastened to the end of the valve stem 4 by means of two half-shell-like clamping pieces 12.
  • the damping element 11 has a cup-shaped cavity 13 which forms a first fluid volume.
  • a second fluid volume formed by an annular groove 14 is provided in the wall area of the damping element 11.
  • the free end of the armature shaft 7 protrudes slightly into the cup-shaped cavity 13.
  • the free end of the armature shaft 7 and the cavity 13 are dimensioned in such a way that there is a clearance fit which acts as a throttle point.
  • the cavity 13 is filled with a fluid, preferably oil.
  • the armature shaft 7 moves into the cavity 13.
  • the oil contained in the cavity 13 is pressed laterally on the wall upwards into the annular groove 14.
  • the cavity 13 and the groove 14 are dimensioned such that they have essentially the same volume.
  • the armature shaft 7 arranged in the cylinder head is permanently supplied with oil, where oil runs down on anchor shaft 7. This ensures that depending on the position of the anchor shaft 7 always the cavity 13 or the annular groove 14 are filled with oil.

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Abstract

Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren, mit einem elektrisch ansteuerbaren Aktuatorelement zum Verschieben eines Ventils, wobei im unbetätigten Zustand das Ventil in Bezug auf das Aktuatorelement ein Ventilspiel aufweist. Zwischen dem Ventilschaft und dem Aktuatorelement ist ein mit einem Fluid gefülltes Dämpfungselement angeordnet, das zwei Fluidvolumina aufweist, wobei beim Betätigen des Ventils Fluid von dem einen Fluidvolumen in das andere Fluidvolumen gedrückt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch steuerbaren Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Verbesserung der Leistungsausbeute und zur Senkung des Energieverbrauchs werden unter anderem elektrische Ventiltriebsteuerungen erprobt. Im Unterschied zu herkömmlichen Ventiltrieben, bei denen die Ventile über die mechanisch von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle gesteuert werden, werden bei elektrischen Ventiltriebsteuerungen die Ventile durch ein elektromagnetisch betätigbares Aktuatorelement oder durch ein elektromotorisch betätigtes Aktuatorelement betätigt. Im ersten Fall spricht man von Hubaktuatoren, im zweiten Fall von Drehaktuatoren. Zum Öffnen des Ventils drückt das Aktuatorelement das Ventil entgegen der Kraft einer oder mehrerer Ventilfedern in Richtung Brennraum. Für einen einwandfreien Betrieb ist es erforderlich, dass das Ventil in Bezug auf das Aktuatorelement ein gewisses Ventilspiel aufweist. Zur Einhaltung eines optimalen Ventilspiels kann in Abhängigkeit bestehender Fertigungs- bzw. Montagetoleranzen ein Distanzelement, zum Beispiel eine Kappe, auf das freie Ende des Ventilschafts aufgesetzt werden.
Beim Öffnen des Ventils trifft das Aktuatorelement ungebremst auf das Ende des Ventilschafts bzw. auf das am Ende des Ventilschafts angeordnete Distanzelement auf. Hierdurch entsteht zum einen ein lautes Aufprallgeräusch, das die gesamte Motorakustik negativ beeinflusst. Zum anderen wird das Ventil in eine starke Schwingung versetzt, was die Regelung des Ventiltriebs extrem erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrisch steuerbaren Ventiltrieb zu schaffen, der hinsichtlich der Geräuschentwicklung und Entstehung mechanischer Schwingungen optimiert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung geht von einem elektrisch steuerbaren Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren aus. Zum Verschieben des Ventils, das heißt zum Öffnen des Ventils ist ein elektrisch ansteuerbares Aktuatorelement vorgesehen. Das Aktuatorelement kann beispielsweise ein Hubaktuator sein, der eine zwischen zwei Elektromagneten verschieblich angeordnete Ankerplatte und einen Ankerschaft aufweist. Der Ankerschaft übt zum Öffnen des Ventils eine Kraft auf den Ventilschaft auf. Im unbetätigten Zustand des Ventils und wenn sich das Aktuatorelement in einer Endstellung befindet, weist das Ventil in Bezug auf das Aktuatorelement ein konstruktiv vorgegebenes bzw. durch Fertigungs- und Montagetoleranzen bedingtes Ventilspiel auf.
Der Kern der Erfindung besteht in einem hydraulischen Däpfungselement, das zwischen dem Ventilschaft und dem Aktuatorelement angeordnet ist.
Das Dämpfungselement weist zwei Fluidvolumina auf. Beim Öffnen des Ventils durch das Aktuatorelement muss zunächst das Ventilsspiel überwunden werden. Dabei wird Fluid über eine "Drosselstelle" von dem einen Fluidvolumen in das andere Fluidvolumen gedrückt.
Das Aktuatorelement trifft somit nicht umgebremst auf das Ende des Ventilschafts bzw. auf das am Ende des Ventilschafts geordnete Distanzelement auf, sondern setzt, bedingt durch das Dämpfungselement vergleichsweise "sanft" auf. Dadurch werden sowohl das oben erwähnte "Aufprallgeräusch" als auch die durch den Aufprall hervorgerufene mechanische Schwingung des Ventils nahezu völlig vermieden. Durch die Beseitigung der Ventilschwingung verbessert sich die Regelbarkeit des Ventiltriebs.
Vorzugsweise weist das Dämfungselement einen topfförmigen bzw. zylindrischen Hohlraum auf, durch den das erste Fluidvolumen gebildet ist sowie im Wandbereich des topfförmigen Hohlraums einen nutartigen Hohlraum, durch den das zweite Fluidvolumen gebildet ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein freier Endabschnitt des Aktorelements in den topfförmigen Hohlraum ragt und als Verdrängerkolben für das darin enthaltene Fluid fungiert. Der Endabschnitt des Aktorelements und der topfförmige Hohlraum bilden eine Spielpassung. Die Spielpassung stellt somit eine "Drosselstelle" für den Übertritt des Fluids vom ersten Fluidvolumen in das zweite Fluidvolumen dar. Beim Öffnen des Ventils, das heißt beim Einfahren des Endabschnitts des Aktuatorelements wird Fluid bzw. Öl entlang der Wand des Hohlraums des Dämpfungselementes durch die Spielpassung nach oben in die das zweite Fluidvolumen bildende Ringnut verdrängt und beim Zurückfahren des Aktuatorelementes aus dem zweiten Fluidvolumen wieder in das erste Fluidvolumen gesaugt.
Vorzugsweise ist das Dämpfungselement durch zwei Klemmstücke formschlüssig mit dem freien Ende des Ventilschafts verbunden.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
den grundsätzlichen Aufbau eines elektrisch steuerbaren Ventiltriebs mit Hubaktor;
Figur 2
einen Ventiltrieb ohne Dämpfungselement; und
Figur 3
einen Ventiltrieb mit Dämpfungselement gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen elektrisch steuerbaren Ventiltrieb 1 mit einem in einem Zylinderkopf 2 angeordneten Ventil 3, das einen Ventilschaft 4 aufweist. Das Ventil 3 wird durch eine Ventilfeder 5 in die hier gezeigte geschlossene Stellung gedrückt. Zum Betätigen bzw. Öffnen des Ventils 3 ist eine Hubaktuatoranordnung 2' vorgesehen, die im wesentlichen aus einem Aktuator- bzw. Ankerelement besteht, das eine Ankerplatte 6 und einen damit verbundenen Ankerschaft 7 aufweist. Das Aktuatorelement ist axial verschieblich zwischen zwei Elektromagneten 8, 9 angeordnet, mit denen das Aktuatorelement axial verschoben werden kann. Beim "nach unten Verschieben" des Aktuatorelements übt der Schaft 7 eine der Ventilfeder 5 entgegenwirkende Kraft auf den Ventilschaft 4 aus, was ein Öffnen des Ventils 3 zur Folge hat.
Für einen einwandfreien Betrieb ist im geschlossenen Zustand des Ventils 3 ein gewisses Ventilspiel in Bezug auf das Aktuatorelement erforderlich.
Zur Einhaltung eines bestimmten Ventilspiels unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagetoleranzen könnte auf das Ende des Ventilschafts, wie in Figur 2 dargestellt, ein kappenartiges Distanzelement 10 aufgebracht werden. Durch Aufsetzen eines derartigen Distanzelementes 10 mit geeigneter Dicke auf das Ende des Ventilschafts 4 kann zwar ein bestimmtes Ventilspiel s eingehalten werden.
Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass beim Öffnen des Ventils der Ankerschaft 7 ungebremst auf das Distanzelement 10 und somit auf den Ventilschaft 4 auftrifft, was zu Geräuschproblemen führt. Außerdem wird dabei das Ventil zu mechanischen Schwingungen angeregt, was die Regelbarkeit des Ventiltriebs erschwert.
Diesem Problem kann durch ein Dämpfungselement 11 gemäß Fig. 3 abgeholfen werden. Das Dämpfungselement 11 ist mit Hilfe zweier halbschalenartiger Klemmstücke 12 am Ende des Ventilschafts 4 befestigt. Das Dämpfungselement 11 weist einen topfförmigen Hohlraum 13 auf, der ein erstes Fluidvolumen bildet. Im Wandbereich des Dämpfungselementes 11 ist ein durch eine Ringnut 14 gebildetes zweites Fluidvolumen vorgesehen. Das freie Ende des Ankerschafts 7 ragt in der hier gezeigten unbetätigten Stellung des Ventils geringfügig in den topfförmigen Hohlraum 13. Das freie Ende des Ankerschafts 7 und der Hohlraum 13 sind so dimensioniert, dass sich eine Spielpassung ergibt, die als Drosselstelle fungiert. Der Hohlraum 13 ist mit einem Fluid, vorzugsweise Öl gefüllt. Beim Betätigen des Ventiltriebaktuators fährt der Ankerschaft 7 in den Hohlraum 13 ein. Dabei wird das im Hohlraum 13 enthaltene Öl seitlich an der Wand nach oben in die ringförmige Nut 14 gedrückt. Der Hohlraum 13 und die Nut 14 sind so dimensioniert, dass sie im wesentlichen das gleiche Volumen haben. Beim Eintauchen des Ankerschafts 7 in den Hohlraum 13 wird das Auftreffen der Stirnseite 15 des Ankerschafts 7 auf den Boden 16 des Dämpfungselementes 11 gedämpft, wodurch die Geräuschentwicklung und die mechanischen Schwingungen des Ventils ganz wesentlich verringert werden.
Beim Zurückfahren des Ankerschafts 7, das heißt beim Schließen des Ventils wird dann das in der Nut 14 enthaltene Öl zurück in den Hohlraum 13 gesaugt.
Der im Zylinderkopf angeordnete Ankerschaft 7 wird permanent mit Öl versorgt, wobei Öl am Ankerschaft 7 nach unten läuft. Somit ist sichergestellt, dass in Abhängigkeit von der Stellung des Ankerschafts 7 stets der Hohlraum 13 oder die Ringnut 14 mit Öl gefüllt sind.

Claims (6)

  1. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1) für Verbrennungsmotoren, mit
    einem elektrisch ansteuerbaren Aktuatorelement (6, 7) zum Verschieben eines Ventils (3, 4), wobei im unbetätigten Zustand das Ventil (3, 4) in Bezug auf das Aktuatorelement (6, 7) ein Ventilspiel aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Ventilschaft (4) und dem Aktuatorelement (7) ein mit einem Fluid gefülltes Dämpfungselement (11) angeordnet ist, das zwei Fluidvolumina aufweist, wobei beim Betätigen des Ventils (3) Fluid von dem einen Fluidvolumen (13) in das andere Fluidvolumen (14) gedrückt wird.
  2. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1), wobei das Dämpfungselement (11) durch ein Element gebildet ist, das einen topfförmigen Hohlraum (13) aufweist, durch den das erste Fluidvolumen gebildet ist und einen nutartigen Hohlraum (14) im Wandbereich des Dämpfungselements (11), durch den das zweite Fluidvolumen gebildet ist.
  3. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1) nach Anspruch 2, wobei ein Endabschnitt (7) des Aktuatorelements (6, 7) in den topfförmigen Hohlraum (13) ragt und als Verdrängerkolben für das Fluid fungiert.
  4. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1) nach Anspruch 3, wobei zwischen dem Endabschnitt (7) des Aktuatorelementes und dem topfförmigen Hohlraum (13) eine Spielpassung besteht, so dass beim Eintauchen des Endabschnitts (7) in den Hohlraum (13) Fluid vom Hohlraum (13) entlang des Wandbereichs in das andere Fluidvolumen (14) gedrückt werden kann, wobei die Spielpassung als Drosselstelle fungiert.
  5. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Dämpfungselement (11) am Ende des Schafts (4) des Ventils (3) befestigt ist.
  6. Elektrisch steuerbarer Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aktuatorelement (6, 7) ein Hubaktuator ist, dem ein erster Elektromagnet (8) zur Verschiebung des Hubaktuators in die eine Richtung und ein zweiter Elektromagnet zur Verschiebung des Hubaktuators in die andere Richtung zugeordnet ist.
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