DE102012015295A1 - Electric motor-operated magneto-rheological fluid-actuator for fully variable control of gas exchange valves of piston combustion engines, has piston rod that is positively or non-positively connected with valve shaft - Google Patents

Electric motor-operated magneto-rheological fluid-actuator for fully variable control of gas exchange valves of piston combustion engines, has piston rod that is positively or non-positively connected with valve shaft Download PDF

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Abstract

The electric motor-operated magneto-rheological fluid (MRF)-actuator or electro-rheological fluid-actuator (1) has a cam shaft drive corresponds with a camshaft or corresponds with a cam spring through a plunger. A MRF-chamber (8) is filled with MRF (23), where a piston rod (25) is positively or non-positively connected with a valve shaft (15) and passes through the eccentric piston with axial bores (7,9) in hermetically sealed manner. The magnetic field of a magnetic coil (21) changes the viscosity of the MRF on the total length of run of the MRF-chamber.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf einen Magneto-Rheologischen-Fluid (MRF) Aktuator, insbesondere zur vollvariablen Steuerung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen.The invention relates according to the preamble of claim 1 to a magneto-rheological fluid (MRF) actuator, in particular for fully variable control of gas exchange valves of internal combustion engines.

Stand der TechnikState of the art

Der Steuerung von Ladungswechselventilen kommt für die Bestimmung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen große Bedeutung zu.The control of charge exchange valves is of great importance for the determination of the efficiency of internal combustion engines.

Neben Nockenwellensteuerungen, elektromagnetischen Ventilsteuerungen werden auch elektrohydraulische Ventilsteuerungen eingesetzt. Elektrohydraulische Ventilsteuerungen bieten die Möglichkeit einer teilvariablen bzw. vollvariablen Ventilsteuerung, so dass eine Optimierung des Gaswechsels und somit eine Steigerung des motorischen Wirkungsgrades bei unterschiedlichen motorischen Anforderungen einer Brennkraftmaschine möglich ist. Der mechanische Aufwand ist jedoch so hoch, dass bisher keine Entwicklung in die Serie gekommen ist.In addition to camshaft controls, electromagnetic valve controls and electro-hydraulic valve controls are used. Electrohydraulic valve controls offer the possibility of a partially variable or fully variable valve control, so that an optimization of the gas exchange and thus an increase of the engine efficiency with different engine requirements of an internal combustion engine is possible. However, the mechanical complexity is so high that so far no development has come into the series.

Um optimale Gaswechsel zu erreichen, sind hohe Schaltgeschwindigkeiten des Aktuators notwendig. Auch ein möglichst weiches Aufsitzen des Ventiltellers auf den Ventilsitzring und daraus resultierende längere Standzeiten bei gleichzeitig geringerer Geräuschentwicklung sind nach wie vor Entwicklungsziele. Weitere Entwicklungsziele sind hohe Standzeiten, ein geringer Bauteileaufwand und möglichst günstige wirtschaftliche Gesamtkosten.To achieve optimal gas exchange, high switching speeds of the actuator are necessary. Even the softest possible seating of the valve disk on the valve seat ring and the resulting longer service life with simultaneously lower noise development are still development goals. Further development goals are long service lives, low component costs and the lowest possible overall economic costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Ventilsteuerung vorzuschlagen, die den Stand der zuvor genannten Entwicklungsziele weiter führt und entsprechende Verbesserungen beinhaltet.The invention has for its object to propose a valve control, which continues the state of the aforementioned development goals and includes corresponding improvements.

Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die vorgegebenen Entwicklungsziele mittels eines MRF Aktuators zu erreichen.For this purpose, it is provided according to the invention to achieve the predetermined development goals by means of an MRF actuator.

Die Erfindung ist anhand von drei in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:The invention is described with reference to three embodiments schematically illustrated in the drawings. It shows:

1 einen vereinfachten Längsschnitt des Aktuators (1), wobei der Elektromotor (2), der vorzugsweise als Schrittmotor ausgeführt ist, den Exzenter (3) mit der Exzenterwelle (4) treibt und im Gelenkelement (5) des Exzenterkolben mit Axialbohrung (7) und der Kolbenerweiterung (26) dreht. Zwischen dem Exzenterkolben mit Axialbohrung (7) und dem Exzenterkolben mit Axialbohrung (10) die kraft- oder formschlüssig mit dem Zylinder (24) verbundenen sind und von der Kolbenstange (25) durchfahren werden, ist in der MRF-Kammer (8) eine MRF (23) eingebracht. Nach Aktivierung der Magnetspule (21) wird durch das verfestigte MRF (23) die Kolbenstange (25) mitgenommen, wobei das Fixierelement (22) als Widerlager dient und auch einer Sedimentation der MRF (23) entgegenwirkt. Die MRF-Kammer (12) wird durch die Kolben (11, 18) begrenzt und steht über die darin eingebrachte MRF (20) nach Aktivierung der Magnetspule (17) mit der Innenwandung des Laufzylinders (6) in Wechselbeziehung, wobei das Fixierelement (19) als Widerlager dient und der Sedimentation der MRF (20) entgegenwirkt. Über den MRF Druckausgleichs- und Nachfüllstutzen (13) und die Strömungsverbindung (10) ist der thermisch bedingte Druckausgleich gewährleistet und die MRF (20, 23) Verluste können im laufenden Betrieb nachgefüllt werden. 1 a simplified longitudinal section of the actuator ( 1 ), wherein the electric motor ( 2 ), which is preferably designed as a stepper motor, the eccentric ( 3 ) with the eccentric shaft ( 4 ) drives and in the joint element ( 5 ) of the eccentric piston with axial bore ( 7 ) and the piston extension ( 26 ) turns. Between the eccentric piston with axial bore ( 7 ) and the eccentric piston with axial bore ( 10 ) the positive or positive fit with the cylinder ( 24 ) and from the piston rod ( 25 ) is in the MRF chamber ( 8th ) an MRF ( 23 ) brought in. After activation of the magnetic coil ( 21 ) is determined by the solidified MRF ( 23 ) the piston rod ( 25 ), wherein the fixing element ( 22 ) serves as an abutment and also a sedimentation of the MRF ( 23 ) counteracts. The MRF chamber ( 12 ) is controlled by the pistons ( 11 . 18 ) and is available via the MRF ( 20 ) after activation of the magnetic coil ( 17 ) with the inner wall of the barrel ( 6 ), wherein the fixing element ( 19 ) serves as an abutment and the sedimentation of the MRF ( 20 ) counteracts. About the MRF pressure compensation and refilling nozzles ( 13 ) and the flow connection ( 10 ), the thermally induced pressure equalization is ensured and the MRF ( 20 . 23 ) Losses can be refilled during operation.

2 eine Ausführungsform für den energiesparenden Nockenwellenbetrieb. Hierzu drückt der von der Nockenwelle getriebene Nocken (30) im Laufzylinder (6) den Stößel (31) gegen die Rückstellkraft der Nockenfeder (32) die sich auf dem Widerlager (33) abstützt. 2 an embodiment for the energy-efficient camshaft operation. For this purpose, the cam driven by the camshaft ( 30 ) in the barrel ( 6 ) the plunger ( 31 ) against the restoring force of the cam spring ( 32 ) located on the abutment ( 33 ) is supported.

3 eine Ausführungsform mit einem elektromagnetischen Aktuator mit einem Topfmagneten (41) und einer davon anziehbaren Ankerplatte (40). 3 an embodiment with an electromagnetic actuator with a pot magnet ( 41 ) and an anchor plate ( 40 ).

Verfahrensschritte zum Betrieb des Aktuators:Process steps for operating the actuator:

Wegen der hohen Betriebsfrequenz von Hubkolbenbrennkraftmaschinen kann der Motor (2) nicht im Start-Stopp Modus betrieben werden Er muss permanent mit der geforderten Betriebsfrequenz oder auch höher entsprechend hoch drehen. Zum Betrieb voller Ventilhübe von z. B. 9 mm kann in der Ausgangslage nach 1 die Magnetspule (21) aktiviert sein, so dass die MRF (23) permanent die Kolbenstange (25) mitnimmt und der Ventilteller (16) entsprechende Hübe durchfährt. Soll nun ein motorisch bedingter Teilhub von z. B. 1 mm erfolgen, so fährt die MRF-Kammer (8) über die Kolbenstange (19) in Richtung Brennraum bis sie die über das ZMM die geforderte Position signalisiert bekommt und die Magnetspule (21) erst jetzt aktiviert wird, so dass sich der Ventilteller (16) nur um 1 mm in Richtung Brennraum bewegt, wobei jetzt die Magnetspule (17) aktiviert wird und die Magnetspule (21) inaktiviert wird. Hierdurch wird der Ventilteller (16) für die kurze Zeit fixiert in der der Exzenter (3) wieder OT erreicht, wobei die Magnetspule (17) inaktiviert wird und der Ventilteller (16) danach durch die Ventilfeder (14) auf den Ventilsitz gedrückt wird. Um ein „Soft Landing” zu erzielen kann die MRF (20) in ihrer Viskosität durch Beeinflussung der Höhe der Steuerspannung entsprechend geändert werden. Nach 3 wird die Ankerplatte (40) vom Topfmagneten (41) angezogen, wobei nach Erreichen des entsprechenden Hubes die Magnetspule (17) durch das ZMM aktiv geschaltet wird und somit den Ventilteller (16) fixiert. Nach Inaktivierung der Magnetspule (17) wird der Ventilteller (16) durch die Ventilfeder (14) in die Schließposition gefahren, wobei dies durch die MRF (20) in der MRF-Kammer (12) im „Soft Landing” Verfahren abläuft.Because of the high operating frequency of reciprocating internal combustion engines, the engine ( 2 ) must not be operated in the start-stop mode. It must always turn correspondingly high at the required operating frequency or higher. To operate full valve strokes of z. B. 9 mm can in the starting position 1 the magnetic coil ( 21 ), so that the MRF ( 23 ) permanently the piston rod ( 25 ) and the valve plate ( 16 ) passes through corresponding strokes. If now a motorized partial stroke of z. 1 mm, the MRF chamber ( 8th ) via the piston rod ( 19 ) in the direction of the combustion chamber until it is signaled via the ZMM the required position and the solenoid coil ( 21 ) is activated only now, so that the valve plate ( 16 ) is only moved by 1 mm in the direction of the combustion chamber, whereby now the magnetic coil ( 17 ) is activated and the magnetic coil ( 21 ) is inactivated. As a result, the valve plate ( 16 ) fixed for a short time in the eccentric ( 3 ) reaches OT again, the magnet coil ( 17 ) is inactivated and the valve plate ( 16 ) then through the valve spring ( 14 ) is pressed on the valve seat. To achieve a soft landing, the MRF ( 20 ) are changed in their viscosity by influencing the height of the control voltage accordingly. To 3 the anchor plate ( 40 ) from the pot magnet ( 41 ), after reaching the corresponding stroke, the magnetic coil ( 17 ) is activated by the ZMM and thus the valve plate ( 16 ) fixed. After inactivation of the magnetic coil ( 17 ) the valve plate ( 16 ) by the valve spring ( 14 ) moved to the closed position, this being done by the MRF ( 20 ) in the MRF chamber ( 12 ) in the "soft landing" procedure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Aktuatoractuator
22
Motorengine
33
Exzentereccentric
44
Exzenterwelleeccentric shaft
55
Gelenkelementjoint element
66
LaufzylinderFriction cylinder
77
Exzenterkolben mit AxialbohrungEccentric piston with axial bore
88th
MRF-KammerMRF chamber
99
Exzenterkolben mit AxialbohrungEccentric piston with axial bore
1010
Strömungsverbindungflow connection
1111
Kolbenpiston
1212
MRF-KammerMRF chamber
1313
MRF Druckausgleichs- und NachfüllstutzenMRF pressure equalizing and refilling nozzles
1414
Ventilfedervalve spring
1515
Ventilschaftvalve stem
1616
Ventiltellervalve disc
1717
Magnetspulesolenoid
1818
Kolbenpiston
1919
Fixierelementfixing
2020
MRFMRF
2121
Magnetspulesolenoid
2222
Fixierelementfixing
2323
MRFMRF
2424
Zylindercylinder
2525
Kolbenstangepiston rod
2626
Kolbenerweiterungpiston extension
2727
Strömungsverbindungflow connection
2828
LeckölbohrungLeak oil bore
3030
Nockecam
3131
Stößeltappet
3232
Nockenfedercam spring
3333
Widerlagerabutment
4040
Ankerplatteanchor plate
4141
Topfmagnetpot magnet

Claims (1)

Elektromotorisch betätigter MRF-Aktuator oder ERF-Aktuator, insbesondere zur vollvariablen Steuerung von Gaswechselventilen von Kolbenbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromagnetischer Aktuator mit dem Topfmagneten (41) und der Ankerplatte (40), die kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft (15) verbundenen ist oder ein radial oder axial zum Ventilschaft (15) platziertes Antriebselement in Ausführungsform eines Motors (2), eines Nockenwellenantriebs mit dem Nocken (30), oder über den Stößel (31) mit der Nockenfeder (32) korrespondiert und sich auf dem Widerlager (33), welches auch ersatzlos entfallen kann, wobei dann die die Rückstellkraft der Nockenfeder (32) kleiner ist als die der Ventilfeder (14), abstützt, und den Exzenter (3) dreht, der bei Drehung um 360° einen vollen Ventilhub ausführen kann und über die Exzenterwelle (4) mit dem Exzenterkolben mit Axialbohrung (7) mit der Kolbenerweiterung (26), und der Entlüftungsöffnung (27), die ersatzlos entfallen kann, versehen ist und über das Gelenkelement (5) und die Kolbenerweiterung (26) mit dem Exzenterkolben mit Axialbohrung (7) kraft- oder formschlüssig verbunden ist und die MRF-Kammer (8) bildet, die durch den Zylinder (24) räumlich begrenzt ist und auch als Kolben ausgebildet sein kann und dann mit der Innenwandung des Laufzylinders (6) in Gleitreibung steht, wobei die MRF-Kammer (8) mit dem MRF (23) ausgefüllt ist und die Kolbenstange (25), die mit dem Ventilschaft (15) kraft- oder formschlüssig verbundenen ist, die Exzenterkolben mit Axialbohrungen (7, 9) hermetisch dicht durchfährt und das das Magnetfeld der Magnetspule (21) die Viskosität der MRF (23) auf der ganzen Fahrstrecke der MRF-Kammer (8) viskositätsändernd beeinflussen kann, wobei die MRF (20) in der MRF-Kammer (12), die durch die Kolben (11, 18) begrenzt wird, durch die Magnetspule (17) viskositätsändernd beeinflusst werden kann und der MRF Druckausgleichs- und Nachfüllstutzen (13) mit der MRF-Kammer (12) und über die Strömungsverbindung (10) auch mit der MRF-Kammer (8) in Strömungsverbindung steht und der Laufzylinder (6) die Leckölbohrung (28) aufweist.Electromotive actuated MRF actuator or ERF actuator, in particular for the fully variable control of gas exchange valves of reciprocating internal combustion engines, characterized in that an electromagnetic actuator with the pot magnet ( 41 ) and the anchor plate ( 40 ), the positive or positive fit with the valve stem ( 15 ) or a radial or axial to the valve stem ( 15 ) placed in the embodiment of an engine ( 2 ), a camshaft drive with the cam ( 30 ), or over the plunger ( 31 ) with the cam spring ( 32 ) and on the abutment ( 33 ), which can also be omitted without replacement, in which case the restoring force of the cam spring ( 32 ) is smaller than that of the valve spring ( 14 ), and the eccentric ( 3 ), which can perform a full valve lift on rotation through 360 ° and on the eccentric shaft ( 4 ) with the eccentric piston with axial bore ( 7 ) with the piston extension ( 26 ), and the vent ( 27 ), which can be omitted without replacement, is provided and via the joint element ( 5 ) and the piston extension ( 26 ) with the eccentric piston with axial bore ( 7 ) is positively or positively connected and the MRF chamber ( 8th ) formed by the cylinder ( 24 ) is spatially limited and can also be designed as a piston and then with the inner wall of the barrel cylinder ( 6 ) is in sliding friction, wherein the MRF chamber ( 8th ) with the MRF ( 23 ) and the piston rod ( 25 ) connected to the valve stem ( 15 ) is positively or positively connected, the eccentric piston with axial bores ( 7 . 9 ) passes through hermetically sealed and that the magnetic field of the magnetic coil ( 21 ) the viscosity of the MRF ( 23 ) over the entire travel distance of the MRF chamber ( 8th ) can change the viscosity, whereby the MRF ( 20 ) in the MRF chamber ( 12 ) through the pistons ( 11 . 18 ) is limited by the magnetic coil ( 17 ) can be influenced viscosity-changing and the MRF pressure compensation and refilling ( 13 ) with the MRF chamber ( 12 ) and via the flow connection ( 10 ) also with the MRF chamber ( 8th ) is in fluid communication and the running cylinder ( 6 ) the oil drain hole ( 28 ) having.
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