WO2002040834A1 - Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem zylinderkopf angeordneten aktor - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem zylinderkopf angeordneten aktor Download PDF

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actuator
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Andreas Donner
Helmut Kellermann
Johannes Denteler
Johannes Meyer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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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

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with an electromagnetic actuator arranged on a cylinder head according to the preamble of claim 1.
  • Such an actuator is known from DE 197 12 669 A1.
  • An electromagnet is arranged between two axially spaced armatures formed on the valve tappet.
  • a coil core of the electromagnet has one or more pole faces on the respective sides facing the armatures.
  • a force acting on the respective nearest armature predominates.
  • an alternating interruption and energization of the excitation circuit can be used to move the actuator back and forth and thus to open and close the gas exchange valve coupled to it.
  • the overall height is problematic when arranging such actuators on the cylinder heads. If the actuators are too high, space problems can arise in the engine compartment. In particular, problems can arise when installing the vehicle and driving the engine into the engine compartment.
  • the aim of the present invention is to provide an internal combustion engine which is particularly compact.
  • a cavity is formed in the cylinder head in which a part of the actuator is accommodated.
  • this part is at least partially the armature of the actuator on the cylinder head side, the electromagnet lying between the armatures at least partially delimiting the cavity mentioned on the actuator side. Due to the formation of the cavity mentioned and a possible displacement of actuator parts into the cavity and thus in the direction of the cylinders, the overall height can be reduced to a significant extent, which overall leads to a more compact internal combustion engine, particularly when considering a large number of actuators to be assembled ,
  • a favorable heat dissipation can be achieved by placing the electromagnet directly on the cylinder head, so that the actuator is easy to cool.
  • the armature shaft is mounted in the electromagnet itself. It is therefore only important to fix the electromagnet in relation to the cylinder head.
  • the armature stem of the actuator can be directly or indirectly coupled to the valve stem of the valve, for example with the interposition of a valve clearance compensation element.
  • valve spring can pretension the valve into an end position, for example the closed position.
  • the valve spring is preferably supported on the one hand on the valve stem and on the other hand on the cylinder head. This enables a simple installation of the valve.
  • a second spring can be integrated in the actuator and can be arranged with respect to the cylinder head.
  • the simple structure of this embodiment is promoted if this actuator spring is supported directly against the armature remote from the cylinder head.
  • the actuator in particular the two anchor plates, can also be adjusted with respect to its position relative to the electromagnet.
  • the electromagnet can consist of a coil core with one or more pole faces, as is known for example from DE 197 12 669 A1.
  • Figure 1 is a sectional view of a unit consisting of two electromagnetic valves which are arranged on a cylinder head
  • Figure 2 is a sectional view of a designed according to the invention
  • the actuator 10 comprises an electromagnet 12, which is shown here only as a unit.
  • the electromagnet 12 can comprise one or more pole faces on the sides facing the respective armatures as well as one or more coils.
  • two bearings 15 are formed coaxially with a central bore at both end regions, which hold an armature shaft 14 movably guided in the axial direction.
  • two armature plates 16 and 18 are axially spaced from one another, on opposite sides of the electromagnet 12 respectively.
  • the armature plate 16 is made smaller than the armature plate 18.
  • the asymmetry is at the same distance from the electromagnet 12 important for the actuator to vibrate when the internal combustion engine starts, since the force on the upper anchor plate 18 is then greater than that on the lower anchor plate 16.
  • the distance between the two anchor plates 16 and 18 is greater than the thickness of the electromagnet 12, so that a back and forth movement is guaranteed in a certain area.
  • the electromagnet 12 is accommodated in a housing 20 such that, together with the housing 20, it essentially limits the actuator on the side of the small armature plate 16.
  • the armature plate 16 thus projects together with the armature shaft 14 projecting on this side the volume limited by the electromagnet 12 and the housing 20.
  • a bore is formed which is coaxial with the bore in the electromagnet 12 and has an internal thread into which a screwing device 26 can be screwed.
  • the screw device 26 also forms a spring seat for an actuator spring 22, which is supported on the one hand against this spring seat and on the other hand against a valve seat arranged directly on the armature plate 18.
  • the actuator spring 22 serves to preload the gas exchange valve in
  • the screwing device 26 also includes a central, stepped bore into which a displacement sensor 28 (not shown in the present case) is inserted.
  • the displacement sensor 28 in turn comprises a central bore arranged coaxially to the cylinder bore, through which an extension of the armature shaft 14 extends.
  • the electromagnet 12 is energized via supply lines, of which only one is shown here with reference number 30.
  • Reference number 23 denotes a so-called oil gallery. This is a supply line for lubricating oil, which ends in the area of the upper anchor plate 18 and ensures minimal lubrication by the dropwise addition of lubricating oil.
  • a cylinder head 50 of the internal combustion engine is formed in the region of each valve with a recess (cavity) 58 in which the actuator part (armature plate 16 and armature shaft 14) protruding above the housing 20 and electromagnet 12 is received.
  • the valve 52 is mounted in the cylinder head and is located opposite the actuator 12 into the cavity 58.
  • a spring seat 56 is arranged at the upper end of the valve 52, against which a further spring, namely the valve spring 54, is supported.
  • the valve spring 54 is supported against a spring seat directly on the cylinder head and biases the valve in its closed direction.
  • a valve lash adjuster is provided at the upper end of the valve.
  • the armature plate 16 is now inserted into the cavity 58 together with the armature shaft 14 in such a way that the front end of the armature shaft comes to rest on the valve shaft of the gas exchange valve already arranged therein, with the valve clearance compensation element being interposed. There is thus a coupling between the actuator 10 and the valve 52.
  • An appropriate dimensioning and arrangement of the springs 22 and 54 or the corresponding spring seats achieve an armature position in which the electromagnet comes to lie approximately between the two armature plates 16 and 18 (not shown here). This represents the rest position.
  • the cavity is mainly delimited by the electromagnet on the actuator side.
  • valve or actuator elements in the cavity 58, a particularly small unit of cylinder head and actuators can be achieved, which is the aim of the present invention.
  • the electromagnet 12 is at least at its edge areas directly on the cylinder head, which is always well cooled. This optimal thermal coupling allows good heat dissipation of the heat generated in the actuator, in particular in the electromagnet 12 itself, to be achieved without special cooling measures having to be taken for the actuator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem Zylinderkopf angeordneten Aktor zum Betrieb eines Gaswechselventils, wobei der Aktor einen schaltbaren Elektromagneten umfasst, der zwischen zwei axial beabstandeten, an eimen gemeinsamen Ankerschaft angeordneten Ankern angeordnet ist. Zur Ausbildung einer kompakten Brennkraftmaschine wird vorgeschlagen, dass im Zylinderkopf ein Hohlraum ausgebildet ist, in dem der zylinderkopfseitige Anker des Aktors zumindest teilweise aufgenommen ist und dass der Elektromagnet den Hohlraum aktorseitig zumindest zum Teil begrenzt.

Description

Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem Zylinderkopf angeordneten Aktor
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem Zylinderkopf angeordneten Aktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Aktor ist aus der DE 197 12 669 A1 bekannt. Dabei ist ein Elektromagnet zwischen zwei axial beabstandeten, am Ventilstößel ausgebildeten Ankern angeordnet. Ein Spulenkern des Elektromagneten weist an den jeweiligen, den Ankern zugewandten Seiten eine oder mehrere Polflächen auf. Bei einer Bestromung des Elektromagneten überwiegt eine auf den jeweiligen, nächstliegenden Anker einwirkende Kraft. Insbesondere im Zusammenspiel mit der Dynamik des Aktors lässt sich durch eine abwechselnde Unterbrechung und Bestromung des Erregerstromkreises ein Hin- und Herbewegen des Aktors und somit ein Öffnen und Schließen des damit gekoppelten Gaswechselventils erreichen. Problematisch bei der Anordnung solcher Aktoren auf den Zylinderköpfen ist jeweils die Gesamtbauhöhe. Bei zu hoch bauenden Aktoren können Platzprobleme im Motorraum entstehen. Insbesondere kann es zu Problemen bei der Montage des Fahrzeugs und dem Einfahren des Motors in den Motorraum kommen.
Aus diesem Grunde ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine anzugeben, die in besonderem Maße kompakt aufgebaut ist.
Dieses Ziel wird durch die im Anspruch 1 angegeben Maßnahmen erreicht.
Erfindungswesentlich ist dabei im Zylinderkopf ein Hohlraum ausgebildet, in dem ein Teil des Aktors aufgenommen ist. Bei diesem Teil handelt es sich vorliegend zumindest teilweise um den zylinderkopfseitigen Anker des Aktors, wobei der zwischen den Ankern liegende Elektromagnet den genannten Hohlraum aktorseitig zumindest zum Teil begrenzt. Durch die Ausbildung des genannten Hohlraums und einer damit möglich werdenden Verlagerung von Aktorteilen in den Hohlraum und damit in Richtung der Zylinder kann die Bauhöhe in signifikantem Masse verringert werden, was insgesamt - insbesondere unter Berücksichtigung einer Vielzahl von zu montierenden Aktoren - zu einer kompakteren Brennkraftmaschine führt.
Überdies kann durch ein direktes Aufsetzen des Elektromagneten auf den Zylinderkopf eine günstige Wärmeabführung erreicht werden, so dass der Aktor einfach zu kühlen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Ankerschaft im Elektromagneten selbst gelagert. Damit ist es lediglich wichtig, den Elektromagneten gegenüber dem Zylinderkopf zu fixieren. Der Ankerschaft des Aktors kann mit dem Ventilschaft des Ventils mittelbar oder unmittelbar, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Ventilspiel- ausgleichselementes gekoppelt sein.
Um den Hohlraum noch besser zu nutzen, ist es gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, wenigstens eine erste Feder (Ventilfeder) in dem Hohlraum anzuordnen. Diese Ventilfeder kann das Ventil in eine Endstellung, beispielsweise die Geschlossenstellung vorspannen. Vorzugsweise stützt sich die Ventilfeder dabei einerseits am Ventilschaft und andererseits am Zylinderkopf ab. Dies ermöglicht eine einfache Einbauweise des Ventils.
Eine zweite Feder (Aktorfeder) kann im Aktor integriert und bezüglich des Elektromagneten zylinderkopffem angeordnet sein. Der einfache Aufbau dieser Ausführungsform wird dadurch gefördert, wenn sich diese Aktorfeder unmittelbar gegen den zylinderkopffernen Anker abstützt. Durch eine Schraubvorrichtung, mittels der die Aktorfeder über einen Federsitz gehalten wird, kann zudem eine Justierung des Aktors, insbesondere der beiden Ankerplatten, in Bezug auf seine Lage zum Elektromagneten durchgeführt werden. Der Elektromagnet kann aus einem Spulenkern mit einem oder mehreren Polflächen bestehen, wie dies beispielsweise aus der DE 197 12 669 A1 bekannt ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Einheit, bestehend aus zwei elektromagnetischen Ventilen, die auf einem Zylinderkopf angeordnet sind, und Figur 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Aktors.
In Figur 1 ist eine zusammengebaute Einheit, bestehend im wesentlichen aus zwei elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen, die auf einem Zylinderkopf angeordnet sind, im Schnitt dargestellt.
Der Aufbau eines elektromagnetischen Aktors für ein solches Gaswechselventil wird zunächst anhand von Figur 2 beschrieben.
Der Aktor 10 umfasst einen Elektromagneten 12, der vorliegend lediglich als Einheit dargestellt ist. Der Elektromagnet 12 kann eine oder mehrere Polflächen an den den jeweiligen Ankern zugewandten Seiten sowie eine oder mehrere Spulen umfassen. Im Elektromagneten 12 sind koaxial mit einer zentralen Bohrung an beiden Endbereichen zwei Lager 15 ausgebildet, die einen Ankerschaft 14 in axialer Richtung beweglich geführt halten. Am Ankerschaft 14 sind zwei Ankerplatten 16 und 18 axial voneinander beabstandet, und zwar auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Elektromagneten 12. Vorliegend ist die Ankerplatte 16 kleiner ausgebildet als die Ankerplatte 18. Bei einer Nullpunktlage der Anker mit jeweils gleichem Abstand vom Elektromagneten 12 ist diese Asymmetrie für ein Anschwingen des Aktors im Startfall der Brennkraftmaschine wichtig, da die Kraft auf die obere Ankerplatte 18 dann größer ist als diejenige auf die untere Ankerplatte 16. Der Abstand zwischen den beiden Ankerplatten 16 und 18 ist größer als die Dicke des Elektromagneten 12, so dass eine Hin- und Herbewegung in einem bestimmten Bereich gewährleistet ist.
Der Elektromagnet 12 ist derart in einem Gehäuse 20 aufgenommen, dass er zusammen mit dem Gehäuse 20 den Aktor auf der Seite der kleinen Ankerplatte 16 im wesentlichen begrenzt. Damit steht die Ankerplatte 16 zusammen mit dem auf dieser Seite vorspringenden Ankerschaft 14 über das vom Elektromagneten 12 und dem Gehäuse 20 begrenzte Volumen über.
Im in Figur 2 oben dargestellten oberen Bereich des Gehäuses 20 ist eine koaxial zur Bohrung im Elektromagneten 12 ausgerichtete Bohrung mit einem Innengewinde ausgebildet, in die eine Schraubvorrichtung 26 eindrehbar ist. Die Schraubvorrichtung 26 bildet zugleich einen Federsitz für eine Aktorfeder 22, die sich zum einen gegen diesen Federsitz und zum anderen gegen einen direkt auf der Ankerplatte 18 angeordneten Ventilsitz abstützt. Die Aktorfeder 22 dient zur Vorspannung des Gaswechselventils in
Offenstellung und ist im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel zusammengedrückt. Die Einschraubvorrichtung 26 umfasst überdies eine zentrale, gestufte Bohrung, in die ein Wegsensor 28 (vorliegend nicht näher dargestellt) eingesetzt ist. Der Wegsensor 28 umfasst wiederum eine zentrale, koaxial zu der Zylinderbohrung angeordnete Bohrung, durch die sich ein Fortsatz des Ankerschaftes 14 hindurcherstreckt.
Eine Bestromung des Elektromagneten 12 erfolgt über Zufuhrleitungen, von denen vorliegend nur eine mit Bezugsziffer 30 dargestellt ist.
Mit der Bezugsziffer 23 ist eine sogenannte Ölgalerie bezeichnet. Dies ist eine Versorgungsleitung für Schmieröl, welche im Bereich der oberen Ankerplatte 18 endet und durch tröpfchenweise Zugabe von Schmieröl eine Minimalschmierung sicherstellt.
Gemäß Figur 1 ist ein Zylinderkopf 50 der Brennkraftmaschine im Bereich eines jeden Ventils mit einer Ausnehmung (Hohlraum) 58 ausgebildet, in welcher der über Gehäuse 20 und Elektromagnet 12 vorstehende Aktorteil (Ankerplatte 16 und Ankerschaft 14) aufgenommen ist. Überdies ist das Ventil 52 im Zylinderkopf gelagert und steht gegenüberliegend dem Aktor 12 in den Hohlraum 58 hinein. Am oberen Ende des Ventils 52 ist ein Federsitz 56 angeordnet, gegen den sich eine weitere Federn, nämlich die Ventilfeder 54, abstützt. Die Ventilfeder 54 ist andererseits gegen einen Federsitz direkt am Zylinderkopf abgestützt und spannt das Ventil in seiner Geschlossen-Richtung vor. Am oberen Ende des Ventils ist ein nicht näher dargestelltes Ventilspielaus- gleichselement vorgesehen.
Beim Zusammenbau wird nun die Ankerplatte 16 zusammen mit dem Ankerschaft 14 in den Hohlraum 58 derart eingeführt, dass das vordere Ende des Ankerschaftes auf dem Ventilschaft des darin bereits angeordneten Gaswechselventils unter Zwischenschaltung des Ventilspielausgleichselements zu liegen kommt. Damit besteht eine Kopplung zwischen dem Aktor 10 und dem Ventil 52. Durch eine geeignete Dimensionierung und Anordnung der Federn 22 und 54 beziehungsweise der entsprechende Federsitze wird eine Ankerstellung erreicht, in der der Elektromagnet in etwa zwischen den beiden Ankerplatten 16 und 18 zu liegen kommt (vorliegend nicht dargestellt). Dies stellt die Ruhelage dar. Durch die vorliegende, asymmetrische Wahl der beiden Ankerplatten 16 und 18 kann durch eine Bestromung des Elektromagneten beim Anschwingen eine anfängliche Auslenkung erreicht werden, so dass es schließlich bei nachfolgender, geeigneter, abwechselnder Bestromung und Stromlosstellung des Elektromagneten zu einem Hin- und Herschwingen des aus Anker, Ventil und Ventilfeder bestehenden Federmassesystems kommt. Dabei bewegt sich die untere Ankerplatte 16 im Hohlraum hin und her. Beide Anker 16, 18 können in ihren jeweiligen, elektromagnetnahen Endstellungen durch fortdauernde Bestromung gehalten werden.
Der Hohlraum wird vorwiegend durch den Elektromagneten aktorseitig begrenzt. Durch die Aufnahme von Ventil- bzw. Aktorelementen im Hohlraum 58 kann eine besonders kleinbauenden Einheit aus Zylinderkopf und Aktoren erreicht werden, was Ziel der vorliegenden Erfindung ist.
Überdies liegt der Elektromagnet 12 zumindest an seinen Randbereichen direkt am Zylinderkopf an, der immer gut gekühlt ist. Durch diese optimale thermische Kopplung kann eine gute Wärmeabführung der im Aktor, insbesondere im Elektromagneten 12 selbst, erzeugten Wärme erreicht werden, ohne dass besondere Kühlungsmassnahmen für den Aktor ergriffen werden müssen.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem Zylinderkopf angeordneten AktorPatentansprüche:
1. Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen, auf einem Zylinderkopf angeordneten Aktor (10) zum Betrieb eines Gaswechselventils (52), wobei der Aktor (10) einen schaltbaren Elektromagneten (12) umfasst, der zwischen zwei axial beabstandeten, an einem gemeinsamen Ankerschaft (14) angeordneten, in Axialrichtung beweglichen Ankern (16, 18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf ein Hohlraum (58) ausgebildet ist, in dem der zylinderkopfseitige Anker (16) des Aktors (10) zumindest teilweise aufgenommen ist und dass der Elektromagnet (12) den Hohlraum (58) aktorseitig zumindest zum Teil begrenzt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (12) zumindest zum Teil direkt am Zylinderkopf anliegt und mit diesem thermisch gekoppelt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerschaft (14) im Elektromagneten (12) gelagert ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgehendes oder zumindest zwei Lager (15) vorgesehen sind.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerschaft (14) mit einem im Zylinderkopf gelagerten Ventilschaft des Ventils (52) mittelbar oder unmittelbar gekoppelt ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ankerschaft (14) und dem Ventilschaft ein Ventil- spielausgleichselement vorgesehen ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (58) eine das Ventil in eine Endstellung vorspannende erste Feder (Ventilfeder) (54) vorgesehen ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder (54) das Ventil (52) in seine Geschlossenstellung vorspannt.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Feder (54) einerseits am Ventilschaft und andererseits am Zylinderkopf abstützt.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Feder (Aktorfeder) (22) bezüglich des Elektromagneten zy- linderkopffern angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Feder (22) zum einen gegen den zylinderkopffemen Anker (18) abstützt.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Feder (22) gegen einen Federsitz (26) abstützt, der von einer Schraubvorrichtung gehalten ist, mittels welcher eine Aktorjustierung durchführbar ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Aktors (10) ein Sensor zur Detektion der Ankerpositionen vorgesehen ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet zumindest eine Spulenkern mit einer oder mehreren
Polflächen umfasst.
15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ankerplatten unterschiedlich dimensioniert sind.
16. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Teil des Aktors eine Ölzuführleitung endet, über die mittels tropfenweiser Ölzuführung eine Schmierung erreichbar ist.
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