EP1818518A1 - Verbrennungsmotor mit einem elektromechanischen Ventiltrieb - Google Patents

Verbrennungsmotor mit einem elektromechanischen Ventiltrieb Download PDF

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EP1818518A1
EP1818518A1 EP06025639A EP06025639A EP1818518A1 EP 1818518 A1 EP1818518 A1 EP 1818518A1 EP 06025639 A EP06025639 A EP 06025639A EP 06025639 A EP06025639 A EP 06025639A EP 1818518 A1 EP1818518 A1 EP 1818518A1
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EP
European Patent Office
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valve
spring
opening
electric motor
force
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EP06025639A
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Johannes Meyer
Werner Rottstegge
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Bayerische Motoren Werke AG
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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
    • F01L9/22—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by rotary motors
    • 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 present invention relates to an internal combustion engine with an electric valve drive according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a valve train for an internal combustion engine is from the DE 103 58 936 A1 as well as from the DE 101 40 461 A1 known.
  • the camshaft is mechanically driven by the crankshaft via a timing chain or timing belt.
  • an electric valve drive an "actuator unit" is assigned to each valve or "valve group" of a cylinder.
  • an opening and a closing magnet are assigned to a valve of a valve group. By energizing the magnets, the valves can be moved axially, ie opened or closed.
  • such valve trains are difficult to control in terms of control engineering.
  • a control shaft is provided with a cam, wherein the control shaft is swingable back and forth by an electric motor.
  • This is referred to as the so-called "rotary actuator principle".
  • the cam acts on a rocker arm. From the rocker arm, the opening force generated by the cam is then transmitted to the valve.
  • a lever-like element is provided, which has the shape of a hand crank.
  • a leg spring is provided which has a protruding spring arm which presses against the lever-like element.
  • the spring arm of the leg spring exerts a torque on the control shaft or on the cam, which counteracts the force exerted by the valve spring closing force or exerted by the valve spring "closing torque".
  • the driven by the rotary actuator or an electric motor control shaft, the leg spring, the valve spring and the valve thereby form a "vibratory system".
  • a torsion spring is used instead of a leg spring.
  • the control shaft driven by the rotary actuator or an electric motor, the torsion bar spring, the valve spring and the valve form an oscillatory system.
  • a rotary actuator valve train In a rotary actuator valve train, most of the mechanical friction occurs in the last-minute portion of an opening cycle, that is, when the valve is opened. In normal engine operation with valve opening times of approximately 240 ° to 280 ° crank angle, most of the friction energy is consumed in the last third of the rotary actuator movement. In a rotary actuator of an exhaust valve In addition, opening work must be used to overcome the cylinder internal pressure. The electric motor of such a rotary actuator must supply the mechanical friction work to the system. For this purpose, only half the period of a working cycle is available because the electric motor or the rotary actuator comes to a stop when the maximum stroke of the valve and then back to the closed position of the valve.
  • the energy lost due to friction when opening the valve must be supplied by the electric motor until the maximum stroke of the valve is reached.
  • the electric motor must therefore be able to provide a high torque in a very short time and must therefore be designed relatively powerful, which in turn implies a relatively large moment of inertia.
  • a large mass moment of inertia has an unfavorable effect on the dynamics of the system.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine with an electric valve drive with rotary actuator, in which the system to be supplied with electric motor energy can be supplied more efficiently.
  • the starting point of the invention is an internal combustion engine with at least one cylinder, which has at least one valve which can be moved back and forth between an open position and a closed position. Further, a valve spring is provided which exerts a closing force on the valve, which biases the valve in the direction of the closed position. In the region of the cylinder head of the internal combustion engine, a pivotally mounted pivoting element is provided. By pivoting the pivoting element in an opening direction, the valve can counteract the closing force exerted by the valve spring in the direction of the open position to be moved. Furthermore, a spring device is provided which exerts an opening force or an opening moment on the "valve mechanism", for example on the pivoting element, during the opening process.
  • the opening force or opening moment exerted by the spring device on the valve mechanism counteracts the closing force exerted by the closing spring.
  • the spring device can be, for example, a leg spring, as is known from US Pat DE 101 40 461 A1 is known, or to a torsion bar, as in the DE 103 58 936 A1 is described.
  • the valve drive also has an electric motor, through which the pivoting element can be pivoted back and forth. The torque exerted by the electric motor is positively superimposed depending on the instantaneous direction of rotation of the electric motor, either the closing force exerted by the closing spring or the oppositely acting opening force exerted by the spring device.
  • the essence of the invention is that the spring device and the closing spring are coordinated so that the oscillatory system formed thereby is energetically “detuned” in the direction of the opening movement of the valve train.
  • the spring device and the oppositely acting valve spring thus store different large spring energy in the end positions of the valve.
  • the spring energy stored in the spring means is greater than the spring energy stored in the closing spring when the valve is in the open position.
  • so much spring energy is stored in the spring device that the friction losses occurring during the opening process, in particular during the last third of the opening process, can be partially or completely overcome by the spring energy stored in the spring device.
  • the electric motor compared to a valvetrain in which the spring device and the valve spring are designed to be energetically approximately equal, has to apply less power during the opening process of the valve, but on reverse rotation of the rotary actuator, i. When closing the valve, apply a little more power.
  • the electric motor supplies the system with energy over a relatively long period of time, but with less power.
  • the electric motor can thus be operated with a lower peak torque and also a lower average torque and thus with a lower current, which allows the use of compact, cost-effective electric motors.
  • FIG. 1 shows a rotary actuator as it is made DE 101 40 461 A1 is known.
  • the content of DE 101 40 461 A1 is hereby incorporated in full in the content of the present patent application. It is expressly stated that all in the DE 101 40 461 A1 described features are also the subject of the present patent application.
  • FIG. 1 shows an electric valve drive 1 which is based on the rotary actuator principle.
  • An axially Veschiet arranged valve 2 is biased by a closing spring 3 in the closed position shown here.
  • a rocker arm 4 is arranged at the shaft end of the valve 2.
  • a control shaft 5 is provided with a cam 6 acting on the rocker arm 4.
  • the control shaft 5 with the cam 6 is swung back and forth by an electric motor 7.
  • a lever-like element 8 is provided, against which an arm 9 of a leg spring 10 presses.
  • the leg spring 10 exerts on the control shaft 5 a torque which is dependent on the pivot position of the control shaft 5.
  • the reciprocation of the control shaft 5 and the cam 6 and the arm 9 of the leg spring 10 is moved in accordance with the movement of the lever-like element 8.
  • Figure 2 shows a rotary actuator, as shown in FIG DE 103 58 936 A1 is known.
  • the content of DE 103 58 936 A1 is also hereby incorporated in full in the content of the present patent application. It is expressly stated that all in the DE 103 58 936 A1 described features are also the subject of the present patent application.
  • a torsion bar 11 is provided instead of the leg spring shown in Figure 1, the end 12 is firmly clamped, for example on an actuator housing not shown here.
  • a pressing member 14 is fixed, which presses against a lever-like element 15, fixed to the Control shaft 5 is connected and thus back and forth with the control shaft 5 by a not shown in Figure 2 electric motor and herverschwenkt.
  • FIG. 3a shows a diagram for explaining the basic principle of the invention.
  • torque bar When the term “torsion bar” is used in connection with the drawing, this is by no means restrictive. Instead of the torsion bar shown in Figure 2, another “spring means” may be provided, e.g. the leg spring 10 shown in FIG.
  • the rotation angle is applied, which passes through the rotary actuator during an opening cycle and a closing cycle.
  • the valve lift and spring energy are plotted on the one hand.
  • the valve lift is equal to zero up to an angle of rotation ⁇ 0 .
  • the rotary actuator moves only on its base circle (see Figure 1), without a lifting movement is transmitted to the valve.
  • the cam portion of the rotary actuator acts on the rocker arm, which leads to an opening movement of the valve.
  • the valve is opened up to an opening position S 1 .
  • valve spring 3 Upon opening of the valve, the valve spring 3 is compressed. Thus, the energy stored in the valve spring 3 increases. When the open position is reached, the spring energy E 1 is stored in the valve spring 3. When the valve is closed again, the valve spring relaxes and the valve spring energy returns to level "0". When "turning back” of the rotary actuator in its initial position, the valve spring 3 is relaxed and at the same time the leg spring 10 ( Figure 1) and the torsion spring 11 ( Figure 2) is stretched.
  • the oscillatory system formed by the two springs is detuned energetically in the direction of the open position of the valve. That is, when the valve is completely closed, a larger spring energy E 2 is stored in the spring device, ie in the leg spring or in the torsion spring, as in the valve spring when the valve is fully open.
  • E 2 spring energy stored in the spring device
  • the electric motor of the rotary actuator only has to compensate for a part of these friction losses and the rest of the frictional losses is compensated by the spring energy stored in the spring device.
  • the electric motor supplies energy to the entire system over a relatively long period of time, but in comparison to the prior art, lower power or lower torque.
  • the electric motor also supplies mechanical energy to the system during reverse rotation, ie during the closing cycle.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

Verbrennungsmotor mit - mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil (2) aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann, - einer Ventilfeder (3), die auf das Ventil (2) eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil in Richtung der Schließstellung spannt, - einem schwenkbar im Bereich des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors angeordneten Schwenkelement (5,6), mit dem durch Verschwenken des Schwenkelements in einer Öffnungsrichtung das Ventil entgegen der von der Ventilfelder ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden kann, - einer Federeinrichtung (10,11), welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsdrehmoment ausübt, die bzw. das der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft entgegenwirkt, - einem Elektromotor (7), durch den das Schwenkelement hin- bzw. hergeschwenkt werden kann, wobei das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung ausgeübten Öffnungskraft positiv überlagert ist. Die Federeinrichtung und die Ventilfeder sind so aufeinander abgestimmt, dass in der Schließstellung des Ventils die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie (E 2 ) größer ist als die Federenergie (E 1 ), die in der Ventilfeder gespeichert ist, wenn sich das Ventil in der Öffnungsstellung befindet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein derartiger Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor ist aus der DE 103 58 936 A1 sowie aus der DE 101 40 461 A1 bekannt.
  • Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle mechanisch über einer Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Spritverbrauchs würde es erhebliche Vorteile bringen, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen elektrischen Ventiltrieb möglich. Bei einem elektrischen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten untersucht. Bei einem Grundtyp sind einem Ventil einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden. Derartige Ventiltriebe sind jedoch regelungstechnisch schwer beherrschbar. Bei dem anderen Grundtyp ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin- und herschwenkbar ist. Man spricht hierbei von dem sogenannten "Drehaktuatorprinzip". Bei der eingangs genannten DE 101 40 461 A1 wirkt der Nocken auf einen Kipphebel. Vom Kipphebel wird dann die vom Nocken erzeugte Öffnungskraft auf das Ventil übertragen. An einem Ende der Steuerwelle ist ein hebelartiges Element vorgesehen, das die Form einer Handkurbel hat. Ferner ist eine Schenkelfeder vorgesehen, die einen abstehenden Federarm aufweist, der gegen das hebelartige Element drückt. Der Federarm der Schenkelfeder übt ein Drehmoment auf die Steuerwelle bzw. auf den Nocken aus, das der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft bzw. dem von der Ventilfeder ausgeübten "Schließmoment" entgegenwirkt. Die durch den Drehaktuator bzw. einen Elektromotor angetriebene Steuerwelle, die Schenkelfeder, die Ventilfeder und das Ventil bilden dabei ein "schwingungsfähiges System".
  • Bei dem in der DE 103 58 963 A1 beschriebenen Ventiltrieb wird anstatt einer Schenkelfeder eine Drehstabfeder verwendet. Hier bilden die durch den Drehaktuator bzw. einen Elektromotor angetriebene Steuerwelle, die Drehstabfeder, die Ventilfeder und das Ventil ein schwingungsfähiges System.
  • Anstatt des Begriffs "Schenkelfeder" bzw. "Drehstabfeder" wird im Folgenden auch der allgemeinere Begriff "Federeinrichtung" verwendet. Bei den oben genannten Patentanmeldungen können in der Federeinrichtung und in der Ventilfeder in etwa die gleiche Energie gespeichert werden. In der Schließstellung des Ventils ist also in der Federeinrichtung in etwa genauso viel Federenergie gespeichert wie in der Ventilfeder, wenn das Ventil geöffnet ist.
  • Bei einem Drehaktorventiltrieb tritt die meiste mechanische Reibung im zeitlich letzten Abschnitt eines Öffnungszyklus auf, d.h. wenn das Ventil geöffnet wird. Im normalen Verbrennungsmotorbetrieb mit Ventilöffnungszeiten von ca. 240° bis 280° Kurbelwinkel wird die meiste Reibenergie im letzten Drittel der Drehaktorbewegung verbraucht. Bei einem Drehaktor eines Auslassventils muss zusätzlich Öffnungsarbeit aufgewendet werden, um den Zylinderinnendruck zu überwinden. Der Elektromotor eines solchen Drehaktors muss die mechanische Reibarbeit dem System zuführen. Hierzu steht nur die halbe Periodendauer eines Arbeitsspiels zur Verfügung, da der Elektromotor bzw. der Drehaktor bei Erreichen des Maximalhubs des Ventils zum Stillstand kommt und danach wieder in die Schließstellung des Ventils zurückdreht. Die durch Reibung beim Öffnen des Ventils verlorengehende Energie muss der Elektromotor bis zum Erreichen des Maximalhubs des Ventils zuführen. Der Elektromotor muss also in der Lage sein, in sehr kurzer Zeit ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen und muss daher relativ leistungsfähig ausgelegt sein, was wiederum ein relativ großes Massenträgheitsmoment impliziert. Ein großes Massenträgheitsmoment jedoch wirkt sich ungünstig auf die Dynamik des Systems aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Ventiltrieb mit Drehaktor zu schaffen, bei dem die dem System elektromotorisch zuzuführende Energie effizienter zugeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann. Ferner ist eine Ventilfeder vorgesehen, die auf das Ventil eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil in Richtung der Schließstellung spannt. Im Bereich des Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors ist ein schwenkbar angeordnetes Schwenkelement vorgesehen. Durch Verschwenken des Schwenkelements in einer Öffnungsrichtung kann das Ventil entgegen der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden. Ferner ist eine Federeinrichtung vorgesehen, welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsmoment auf den "Ventilmechanismus", z.B. auf das Schwenkelement, ausübt. Die Öffnungskraft bzw. das Öffnungsmoment, das von der Federeinrichtung auf den Ventilmechanismus ausgeübt wird, wirkt der von der Schließfeder ausgeübten Schließkraft entgegen. Bei der Federeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Schenkelfeder handeln, wie sie aus der DE 101 40 461 A1 bekannt ist, oder um eine Drehstabfeder, wie sie in der DE 103 58 936 A1 beschrieben ist. Der Ventiltrieb weist ferner einen Elektromotor auf, durch den das Schwenkelement hin- und hergeschwenkt werden kann. Das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment ist in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Schließfeder ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung ausgeübten, entgegengesetzt wirkenden Öffnungskraft positiv überlagert.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Federeinrichtung und die Schließfeder so aufeinander abgestimmt sind, dass das dadurch gebildete schwingungsfähige System energetisch in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventiltriebs "verstimmt" ist. Die Federeinrichtung und die entgegengesetzt wirkende Ventilfeder speichern also in den Endstellungen des Ventils unterschiedliche große Federenergien. In der Schließstellung des Ventils ist die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie größer als die Federenergie, die in der Schließfeder gespeichert ist, wenn sich das Ventil in der Öffnungsstellung befindet. Anders ausgedrückt, bei geschlossenem Ventil ist in der Federeinrichtung soviel Federenergie gespeichert, dass damit die während des Öffnungsvorgangs, insbesondere die während des letzten Drittels des Öffnungsvorgangs auftretenden Reibungsverluste teilweise oder ganz durch die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie überwunden werden können.
  • Der Elektromotor muss also im Vergleich zu einem Ventiltrieb, bei dem die Federeinrichtung und die Ventilfeder energetisch in etwa gleich ausgelegt sind, während des Öffnungsvorgangs des Ventils eine geringere Leistung aufbringen, dafür aber beim Zurückdrehen des Drehaktuators, d.h. beim Schließen des Ventils, eine etwas größere Leistung aufbringen.
  • Insgesamt betrachtet führt der Elektromotor dem System also über einen längeren Zeitabschnitt Energie zu, jedoch mit geringerer Leistung. Der Elektromotor kann also mit einem geringeren Spitzenmoment und auch einem geringeren mittleren Drehmoment und somit mit einem geringeren Strom betrieben werden, was die Verwendung kompakter, kostengünstiger Elektromotoren ermöglicht.
  • Dadurch wird erreicht, dass die Energieabgabe des Elektromotors auf beide Halbzyklen eines Öffnungs-/Schließzyklus verteilt wird. Damit sinken die Verlustleistung und der Kühlbedarf des Gesamtsystems. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der kleineren elektrischen Ströme im Steuergerät kleinere Leistungstransistoren verwendet werden können.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen elektrischen Ventiltrieb mit Schenkelfeder entsprechend der DE 101 40 461 A1 ;
    Figur 2
    einen elektrischen Ventiltrieb mit einer Schenkelfeder entsprechend der DE 103 58 936 A1 ;
    Figur 3a, 3b
    Diagramme zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt einen Drehaktuator, wie er aus DE 101 40 461 A1 bekannt ist. Der Inhalt der DE 101 40 461 A1 wird hiermit in vollem Umfang in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sämtliche in der DE 101 40 461 A1 beschriebenen Merkmale auch Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind.
  • Figur 1 zeigt einen elektrischen Ventiltrieb 1, der auf dem Drehaktorprinzip beruht. Ein axial veschieblich angeordnetes Ventil 2 wird durch eine Schließfeder 3 in die hier gezeigte Schließstellung vorgespannt. Am Schaftende des Ventils 2 ist ein Kipphebel 4 angeordnet. Ferner ist eine Steuerwelle 5 mit einem auf den Kipphebel 4 wirkenden Nocken 6 vorgesehen. Die Steuerwelle 5 mit dem Nocken 6 wird durch einen Elektromotor 7 hin- und hergeschwenkt. Ferner ist ein hebelartiges Element 8 vorgesehen, gegen das ein Arm 9 einer Schenkelfeder 10 drückt. Die Schenkelfeder 10 übt auf die Steuerwelle 5 ein Drehmoment aus, das abhängig von der Schwenkstellung der Steuerwelle 5 ist. Bei der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle 5 und des Nockens 6 wird auch der Arm 9 der Schenkelfeder 10 entsprechend der Bewegung des hebelartigen Elements 8 mitbewegt.
  • Figur 2 zeigt einen Drehaktuator, wie er aus der DE 103 58 936 A1 bekannt ist. Der Inhalt der DE 103 58 936 A1 wird hiermit ebenfalls in vollem Umfang in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sämtliche in der DE 103 58 936 A1 beschriebenen Merkmale auch Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind.
  • Bei dem in der Figur 2 gezeigten Drehaktuator ist anstatt der in Figur 1 gezeigten Schenkelfeder ein Torsionsstab 11 vorgesehen, dessen Ende 12 fest eingespannt ist, z.B. an einem hier nicht näher dargestellten Aktorgehäuse. Am anderen Ende 13 des Torsionsstabs 11 ist ein Andrückelement 14 befestigt, das gegen ein hebelartiges Element 15 drückt, das fest mit der Steuerwelle 5 verbunden ist und somit mit der Steuerwelle 5 durch einen in Figur 2 nicht dargestellten Elektromotor hin- und herverschwenkt wird.
  • Figur 3a zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung. Wenn im Zusammenhang mit der Zeichnung der Begriff "Drehstab" verwendet wird, ist dies keineswegs einschränkend zu verstehen. Anstatt des in Figur 2 gezeigten Drehstabs kann auch eine andere "Federeinrichtung" vorgesehen sein, wie z.B. die in Figur 1 gezeigte Schenkelfeder 10.
  • Auf der Abszisse des Diagramms der Figur 3a ist der Drehwinkel aufgetragen, den der Drehaktor während eines Öffnungszyklus und eines Schließzyklus durchläuft. Auf der Ordinate sind zum einen der Ventilhub und zum anderen Federenergien aufgetragen. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist bis zu einem Drehwinkel α0 der Ventilhub gleich Null. Im Bereich zwischen 0 und α0 bewegt sich der Drehaktor lediglich auf seinem Grundkreis (vgl. Figur 1), ohne dass eine Hubbewegung auf das Ventil übertragen wird. Im Bereich zwischen α0 und α1 wirkt der Nockenabschnitt des Drehaktors auf den Kipphebel, was zu einer Öffnungsbewegung des Ventils führt. Das Ventil wird bis in eine Öffnungsposition S1 geöffnet.
  • Bei einer Öffnung des Ventils wird die Ventilfeder 3 zusammengedrückt. Somit steigt die in der Ventilfeder 3 gespeicherte Energie an. Bei Erreichen der Öffnungsstellung ist in der Ventilfeder 3 die Federenergie E1 gespeichert. Wird das Ventil wieder geschlossen, entspannt sich die Ventilfeder und die Ventilfederenergie nimmt wieder das Niveau "0" an. Beim "Zurückdrehen" des Drehaktors in seine Ausgangsstellung wird die Ventilfeder 3 entspannt und gleichzeitig wird die Schenkelfeder 10 (Figur 1) bzw. die Drehstabfeder 11 (Figur 2) gespannt.
  • In Figur 3a ist sowohl die Federenergie einer herkömmlichen Drehstabfeder als auch die Federenergie einer Drehstabfeder eines Ventiltriebs gemäß der Erfindung eingetragen. Bei einem herkömmlichen Ventiltrieb sind die Schenkelfeder bzw. die Drehstabfeder und die Ventilfeder im Wesentlichen gleich ausgelegt. Wenn das Ventil ganz geöffnet ist, dann ist bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß dem Stand der Technik in der Ventilfeder im Wesentlichen die gleiche Federenergie E1 gespeichert wie in der Drehstabfeder, wenn das Ventil ganz geschlossen ist.
  • Bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß der Erfindung ist das durch die beiden Federn gebildete schwingungsfähige System energetisch in Richtung der Öffnungsstellung des Ventils verstimmt. D.h., wenn das Ventil ganz geschlossen ist, ist in der Federeinrichtung, d.h. in der Schenkelfeder bzw. in der Drehstabfeder, eine größere Federenergie E2 gespeichert als in der Ventilfeder wenn das Ventil ganz geöffnet ist. Dadurch erreicht, dass in der Hubphase, in der die meisten Reibungsverluste auftreten, der Elektromotor des Drehaktors nur einen Teil dieser Reibverluste kompensieren muss und der Rest der Reibverluste durch die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie kompensiert wird. Der Elektromotor führt dem Gesamtsystem also über eine längere Zeitspanne Energie zu, jedoch, im Vergleich zum Stand der Technik, eine geringere Leistung bzw. ein geringeres Drehmoment. Insbesondere führt der Elektromotor bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß der Erfindung auch beim Zurückdrehen, d.h. während des Schließzyklus, dem System mechanische Energie zu.

Claims (3)

  1. Verbrennungsmotor mit
    - mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil (2) aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann,
    - einer Ventilfeder (3), die auf das Ventil (2) eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil (2) in Richtung der Schließstellung spannt,
    - einem schwenkbar im Bereich des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors angeordneten Schwenkelement (5, 6), mit dem durch Verschwenken des Schwenkelements (5, 6) in einer Öffnungsrichtung das Ventil (2) entgegen der von der Ventilfelder (3) ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden kann,
    - einer Federeinrichtung (10, 11), welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsdrehmoment ausübt, die bzw. das der von der Ventilfeder (3) ausgeübten Schließkraft entgegenwirkt,
    - einem Elektromotor, durch den das Schwenkelement (5, 6) hin- bzw. hergeschwenkt werden kann, wobei das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Ventilfeder (3) ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung (10, 11) ausgeübten Öffnungskraft positiv überlagert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (10, 11) und die Ventilfeder (3) so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Schließstellung des Ventils (2) die in der Federeinrichtung (10, 11) gespeicherte Federenergie (E2) größer ist als die Federenergie (E1), die in der Ventilfeder (3) gespeichert ist, wenn sich das Ventil (2) in der Öffnungsstellung befindet.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die in der Federeinrichtung (10, 11) gespeicherte Federenergie (E2) um 20 % bis 30 % größer ist als die Federenergie (E1), die in der Ventilfeder (3) gespeichert ist, wenn sich das Ventil (2) in der Öffnungsstellung befindet.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2) ein Auslassventil ist.
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