WO2000071860A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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    • F01L1/26Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of two or more valves operated simultaneously by same transmitting-gear; peculiar to machines or engines with more than two lift-valves per cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-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
    • F01L3/02Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L9/21Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils
    • F01L2009/2109The armature being articulated perpendicularly to the coils axes

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1.
  • valves In high-performance engines it is known to use three, four or five valves per cylinder. Two inlet valves and one outlet valve are used when three valves are used, two inlet and two outlet valves are used when four valves are used, and three inlet and two outlet valves are used when five valves are used.
  • the invention is based on the object of reducing the valve and actuator expenditure in order to save space, weight and costs. This object is achieved by the features of claim 1.
  • inlet valve that has a larger diameter than the outlet valves. It is advantageous to use a lightweight valve or a ceramic valve at least for the inlet valve. It is important for the invention that fast actuators with small moving masses and large magnetic forces are used.
  • 19854019.1, 198540020.5 and 19860451.3 are known or described, bring a shorter flight time, which means a better cylinder filling at high speeds and thus an increased torque and increased power.
  • 3 and 4 the corresponding courses are shown and designated b. If the increased power is not required, smaller valve diameters and smaller actuators can be used.
  • the combination according to the invention allows a valve and the associated actuator to be saved.
  • the diameter of the inlet valve is chosen larger. It is preferably a lightweight valve, e.g. B. a steel or an aluminum valve, which at the low
  • valve plate The large diameter of the valve plate is advantageous when measuring cylinder pressure in accordance with the international patent application.
  • PCT / EP98 / 00830 since the deflection is greater here.
  • the additional valve weight of the larger valve can be controlled, so that there is still sufficient or even faster flight time in the Comparison to the conventional actuator results.
  • the enlarged valve diameter of the intake valve including the fast actuator sufficient cylinder fillings can be achieved.
  • Fast actuators with a low moving mass can be started by the armature design according to international patent application W098 / 42959 and / or by mounting the armature by a spring-loaded lever according to international patent application WO98 / 42960 and / or by fastening the armature by means of at least one lever a rotatably mounted tube, through the inside of which runs the torsion spring which is connected to the tube, in accordance with German patent application 19854019.1 and / or the design of the yokes of the electromagnets and the armature as a long magnet (length / depth of the yokes and the armature to the width > 1.5) according to German patent application 19854020.5 and / or by designing the actuator as a rotary motor according to patent application 19860451.3.
  • Fig. 1 a section through part of a
  • Fig. 2 an overview of the engine block and the actuators
  • Fig. 1 shows a section through an engine block 1, m the Zylmderblock 2, an inlet valve 3 with a large diameter (z. B. about 48mm diameter) and two exhaust valves 4a and 4b are used, which have a smaller diameter (of about 36mm ) exhibit.
  • the actuator 7a is the actuator for the inlet valve 3 and 7b and 7c for the outlet valves 4a and 4b.
  • the basic structure of the actuators can be seen from the actuator 7c, where two electromagnets 8a and 8b are shown, which act on an armature 9 which is pivotably mounted on a torsion spring 10 via a lever.
  • the torsion spring and the valve spring 6 together form the spring forces mentioned.
  • An extension 11 of the lever transfers the armature movement to the valve stem. So here the distance of the armature from the pivot axis of the lever (axis of the torsion spring) is smaller than the distance the point of action on the valve in front of the swivel axis e.g. 0.5.
  • With the large inlet valve, which requires a large stroke, such dimensioning has the advantage that only a reduced stroke of the armature is necessary.
  • Fig. 2 shows two spark plugs 13 for the cylinder 14, which can be inserted and exchanged through m the box-built shafts 15, thereby avoiding injury to the actuators when changing the plug.
  • the control unit 16 of the actuators is located on the top of the box, directly on the intake pipe 17, so that cooling takes place through the intake air flow.
  • the ignition coil 18 is housed for cooling.

Abstract

Es wird ein Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem jeder Zylinder Ein- und Auslassventile aufweist, die durch schnelle elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden. Es sind pro Zylinder zwei Auslassventile, aber nur ein Einlassventil vorgesehen.

Description

Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit dem Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei Hochleistungsmotoren ist es bekannt, drei, vier oder fünf Ventile pro Zylinder einzusetzen. Bei Verwendung von drei Ventilen werden zwei Einlaßventile und ein Auslaßventil, bei Verwendung von vier Ventilen zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile und bei Verwendung von fünf Ventilen drei Einlaß- und zwei Auslaßventile verwendet .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Ventil- und Aktuatoraufwand zu verringern, um Raum, Gewicht und Kosten zu sparen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost .
Vorteilhaft ist es dabei ein Einlaßventil zu verwenden, das einen größeren Durchmesser als die Auslaßventile hat. Von Vorteil ist es zumindest für das Einlaßventil ein Leichtbauventil oder ein Keramikventil zu verwenden. Wichtig ist f r die Erfindung, daß schnelle Aktuatoren mit kleinen bewegten Massen und großen Magnetkräften zum Einsatz kommen.
Konventionelle Aktuatoren haben wegen der großen bewegten Massen und des verwendeten Magnetsystems relativ große Schalt- bzw. Flugzeiten. Daher ist bei hohen Drehzahlen der zeitliche Verlauf der Ventilbewegung a ungefähr gleich wie der Verlauf c bei der konventionellen Nockenwellensteuerung. In Fig. 3 ist der entsprechende Verlauf ausgezogen eingezeichnet und mit a/c bezeichnet. Bei kleinen Drehzahlen öffnet der konventionelle Aktuator das Ventil schneller (Verlauf a) als die Nockenwellensteuerung (Verlauf c) , wie dies Fig. 4 zeigt. Durch die umfangreicher angesaugte Luftmasse wird das Drehmoment erhöht.
Konventionelle Aktuatoren benotigen bei kleinem Zylinderabstand eine relativ große Zylinderkopfbreite, weil m der Zylinderkopfmitte die Zündkerze eingesetzt werden muß. Die an sich vorteilhafte Verwendung von zwei Zündkerzen ist hier oft nicht möglich. Bei großem Zylinderabstand ist eine kleinere Zylinderkopfbreite möglich, indem eine Zündkerze schräg zwischen den Aktuatoren der einzelnen Zylinder eingebaut wird. Außerdem muß bei derartigen Aktuatoren der Ventilwinkel zur Zylinderbohrungsachse relativ groß gemacht werden, was verbrennungstechnische Nachteile mit sich bringt.
Schnelle Aktuatoren mit geringen bewegten Massen, wie sie aus den internationalen Patentanmeldungen W098/42959 und W98/42960 und in den deutschen Patentanmeldungen
19854019.1, 198540020.5 und 19860451.3 bekannt, bzw. beschrieben sind, bringen eine kürzere Flugzeit, was bei hohen Drehzahlen eine bessere Zylinderfullung und damit ein erhöhtes Drehmoment und erhöhte Leistung bedeutet. In den Fig. 3 und 4 sind die entsprechenden Verlaufe eingezeichnet und mit b bezeichnet. Wird die erhöhte Leistung nicht benotigt, so können kleinere Ventildurchmesser und kleinere Aktuatoren benutzt werden.
Die erfmdungsgemaße Kombination erlaubt es ein Ventil und den zugehörigen Aktuator einzusparen. Wie schon gesagt, der Durchmesser des Einlaßventils wird großer gewählt. Es ist vorzugsweise ein Leichtbauventil, z. B. ein Stahl- oder ein Al-Stahl-Ventil, das bei den geringen
Temperaturbelastungen des Einlaßventils gut zu realisieren ist. Gegebenenfalls muß die Drehfeder für große Hube durch eine m Richtung Ventiloffnung wirkende
Zusatzfeder unterstutzt werden.
Der große Durchmesser des Ventiltellers ist vorteilhaft bei der Zylinderdruckmessung gemäß der internationalen Patentanmeldung. PCT/EP98/00830, da hier die Durchbiegung großer ist.
Infolge der geringeren beweglichen Massen des schnellen Aktuators laßt sich das Ventilmehrgewicht des größeren Ventils beherrschen, so daß sich immer noch eine ausreichende oder auch noch schnellere Flugzeit im Vergleich zum konventionellen Aktuator ergibt . Mit dem vergrößerten Ventildurchmesser des Einlaßventils einschließlich des schnellen Aktuators lassen sich ausreichende Zylmderfullungen erzielen.
Bei dem erfmdungsgemaßen 3-Ventιlkonzept kann man auch bei kleiner Zylinderkopfbreite zwei Zündkerzen einsetzen und einen kleinen Ventilwinkel anwenden. Dadurch ist auch eine Anwendung bei Dieselmotoren möglich. Außerdem ist bei diesem Konzept eine große Kosten- und Gewichtseinsparung möglich.
Schnelle Aktuatoren mit geringer bewegter Masse lassen sich durch die Ankerausbildung gemäß der internationalen Patentanmeldung W098/42959 und/oder durch die Lagerung des Ankers durch einen drehfedergelagerten Hebel gemäß der internationalen Patentanmeldung WO98/42960 und/oder durch die Befestigung des Ankers mittels wenigstens eines Hebels an einem drehbar gelagerten Rohr, durch dessen Innern die Drehfeder verlauft, die mit dem Rohr verbunden ist, gemäß der deutschen Patentanmeldung 19854019.1 und/oder die Ausbildung der Joche der Elektromagnete und des Ankers als langer Magnet (Lange/Tiefe der Joche und des Ankers zur Breite > 1,5) gemäß der deutschen Patentanmeldung 19854020.5 und/oder durch Ausbildung des Aktuators als Drehmotor gemäß der Patentanmeldung 19860451.3 erzielen.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung naher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1: einen Schnitt durch ein Teil eines
Motorblocks mit aufgesetztem Aktuator;
Fig. 2: einen Aufblick auf den Motorblock und die Aktuatoren
Fig. 3 und 4: Verlaufe von Flugwegen der Ventile über der Zeit bei unterschiedlichen Drehzahlen und unterschiedlichen Aktuatoren .
Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Motorblock 1, m dessen Zylmderblock 2 ein Einlaßventil 3 mit großem Durchmesser (z. B. ca. 48mm Durchmesser) und zwei Auslaßventile 4a und 4b eingesetzt sind, die einen kleineren Durchmesser (von ca. 36mm) aufweisen. Die Anordnung der Ventile 3 und 4a und 4b weisen
Ventilfuhrungen 5 und Ventilfedern 6 auf, die die Ventile 3 und 4 nach oben drucken. Diese Ventilfedern 6 erzeugen einen Teil der Federkräfte, die den verwendeten Aktuator ohne Ansteuerung m eine Zwischenstellung stellen.
Mit 7a ist der Aktuator für das Einlaßventil 3 und mit 7b und 7c die für die Auslaßventile 4a und 4b bezeichnet. Der prinzipielle Aufbau der Aktuatoren ist aus dem Aktuator 7c erkennbar, wo zwei Elektromagnete 8a und 8b gezeigt sind, die auf einen Anker 9 einwirken, der über einen Hebel an einer Drehfeder 10 schwenkbar gelagert ist. Die Drehfeder und die Ventilfeder 6 bilden zusammen die erwähnten Federkräfte. Eine Verlängerung 11 des Hebels übertragt die Ankerbewegung auf den Ventilschaft . Hier ist also der Abstand des Ankers von der Schwenkachse des Hebels (Achse der Drehfeder) kleiner als der Abstand des Einwirkungspunkts auf das Ventil vor der Schwenkachse z.B. 0,5. Eine solche Dimensionierung hat bei dem großen Einlaßventil, das einen großen Hub benotigt, den Vorteil, daß nur ein reduzierter Hub des Ankers notwendig ist.
Die Aktuatoren 7 und weitere Aktuatoren weiterer Zylinder sind m einem Kasten 12 montiert, der in vormontiertem Zustand auf den Zylinderkopf 2 aufgesetzt wird, wobei die Ventilschafte in den Kasten von unten eingeführt werden. Ein derartiger Aufbau ist aus der W098/42957 bekannt. Die Fig. 2 zeigt zwei Zündkerzen 13 für den Zylinder 14, die durch m den Kasten eingebaute Schachte 15 eingebracht und gewechselt werden können, wodurch beim Kerzenwechsel eine Verletzung der Aktuatoren vermieden wird.
Auf dem Kasten sitzt oben das Steuergerat 16 der Aktuatoren und zwar direkt am Ansaugrohr 17, so daß eine Kühlung durch den Ansaugluftstrom erfolgt. Im Ansaugrohr 17 ist die Zündspule 18 zur Kühlung untergebracht.
Bezugszeichenliste
Motorblock
Zylinderblock
Einlaßventil
a, 4b Auslaßventil
5 Ventillagerung
Ventilfeder
a, 7b, 7c Aktuatoren
a, 8b Elektromagnete
Anker
0 Drehfeder
1 Hebelverlan
2 Kasten
3 Zündkerzen
4 Zylinder
5 Schacht
6 Steuergerat
Ansaugrohr
Zündspule

Claims

Patentansprüche
1) Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern (14) und mehreren den einzelnen Zylindern (14) zugeordnete Ein- (3) und Auslaßventile (4a, 4b), die durch elektromagnetische Aktuatoren (7) angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder (14) zwei Auslaßventile (4a, 4b) jedoch nur ein Einlaßventil (3) vorgesehen ist.
2) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Einlaßventils (3) großer als der der Auslaßventile (4a, 4b) ist.
3) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Aktuator (7a) für das Einlaßventil (3) eine geringe bewegliche Masse und kraftige Magnete (8a, 8b) aufweist.
4) Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Einlaßventil (3) ein Leichtbauventil oder ein Keramikventil ist.
5) Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Aktuator (7a) f r das Einlaßventil (3) einen von einem schwenkbaren Hebel getragenen Anker (9) auf weist, dessen Bewegung auf das Ventil übertragen wird und der von zwei Elektromagneten (8a, 8b) verschwenkt wird und daß der Hebel mit einer Drehfeder (10) verbunden ist.
6) Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Ankers (9) von der Schwenkachse (10) kleiner ist, als der des Einwirkungspunkts auf das Ventil von der Schwenkachse (10) .
7) Verbrennungsmotor nach einem der Anspr che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator nach Art eines Drehmotors ausgelegt ist.
8) Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aktuatoren (7) mehrerer Zylinder (14) auf einem Trager, insbesondere einem Kasten (12) montiert sind, der auf den Zylinderblock (2) aufgesetzt wird.
9) Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerat (16) für die
Aktuatoren (7) auf dem Trager, insbesondere Kasten (12) mit untergebracht ist.
10) Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom des Ansaugrohrs (17) des Motors zur Kühlung des Steuergeräts (16) herangezogen ist.
11) Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerat (16λ) im Ansaugrohr (17) untergebracht ist
12) Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Anspr che, dadurch gekennzeichnet, daß die Z ndspule (18) im Ansaugrohr (17) untergebracht ist.
13) Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder
(14) zwei Zündkerzen (13) vorgesehen sind.
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