DE19919734A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils eines Verbrennungsmotors mit insbesondere elektromagnetischer Ventilsteuerung soll die benötigte Energie verringert werden. DOLLAR A Hierzu wird die kinetische Energie des Ventils beim Schließvorgang auf einen Massekörper übertragen und in diesem zwischengespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungs­ motors.

Bekannt sind die nockenwellengesteuerte Ventilbetätigung, die elektromagnetische und die hydraulische Ventilsteue­ rung. Die Erfindung geht im Prinzip von der elektromagneti­ schen Ventilsteuerung (EMVS) aus. Sie läßt sich aber auch im Zusammenhang mit anderen wie z. B. hydraulischen oder pneumatischen Ventilsteuerungen einsetzen.

Bisher war die EMVS als Ein-Massen-Schwinger aufgebaut. Da­ bei kann ein Anker zwischen zwei Magnetspulen hin- und her­ schwingen. Der Anker ist mit dem Ventil verbunden. Im stromlosen Zustand befindet sich der Anker etwa in der Mit­ te zwischen den beiden Magnetspulen. Aufgrund der großen Spaltabstände in der Ruhelage und damit einhergehendem schlechten Wirkungsgrad ist bei der Beschleunigung ein un­ verhältnismäßig großer Energieaufwand nötig, der für sich genommen schon die Realisierbarkeit der EMVS in Serienan­ wendungen in Frage stellt.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß - um einen Kontakt des Ventils mit dem Kolben sicher zu verhindern - im Kolben Ventilnischen eingearbeitet sein müssen oder daß die Wand des Verbrennungsraums im Zylinderkopf zurückge­ setzt sein muß. Diese Maßnahmen stellen verbrennungstech­ nisch eine negative Beeinflussung des Brennraums dar.

Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei elektromagnetischen oder hydraulischen Ventilsteuerungen den Energieeinsatz zu reduzieren und eine negative Beein­ flussung des Verbrennungsvorgangs durch Ventilnischen oder zurückgesetzte Brennraumwände am Zylinderkopf zu vermeiden. Dieses Problem wird bei gattungsgemäßen Verfahren gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen wird das Problem gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 oder 5. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Grundgedanke der Erfindung ist es, die kinetische Energie des Ventils - und eines ggfs. mit dem Ventil verbundenen Masseteils - die dieses am Ende des Schließvorgangs auf­ weist, weitestgehend auf einen Massekörper zu übertragen und dort zwischenzuspeichern, sodaß diese Energie für den nächsten Öffnungshub des Ventils zur Verfügung steht. Dabei kann der Impuls jeweils direkt zwischen den Massekörpern übertragen oder über mindestens ein Zwischenglied weiterge­ leitet werden, wobei das Zwischenglied entweder weitgehend ortsfest angeordnet ist oder mit einer der beiden Massen verbunden ist. Die Zwischenspeicherung der Energie - wenn der Massekörper z. B. von einem Magnet festgehalten werden soll - erfolgt im Regelfall in einer Feder, die eine Rück­ stellkraft auf den Massekörper ausübt.

Physikalisch stellt die bekannte EMVS ein Ein-Masse-Pendel dar, während die Erfindung als Zwei-Massen-Pendel mit Ener­ gieübertragung beschreibbar ist.

Dabei wird die bekannte Ein-Masse-Schwingung der EMVS in zwei Halbschwingungen mit zwei Massen aufgeteilt. Am Ende jeder Halbschwingung erfolgt eine Übergabe der kinetischen Energie an die zweite schwingende Masse durch einen Stoßim­ puls. Durch eine geeignete Abstimmung z. B. über die Feder­ rate erreicht man, daß sich die Grund-Schwingungsdauer des Ventils im Verhältnis "drei Takte geschlossen" zu "ein Takt geöffnet" einstellt.

Eine Variation der Schwingzeiten kann also einerseits durch Verstellung der Federvorspannung und/oder der Federsteifig­ keit und andererseits durch bekannte Mittel wie magneti­ sches Festhalten in den Endlagen realisiert werden.

Verglichen mit der bekannten EMVS ergeben sich die folgen­ den Vorteile:

• - Das Ventil bleibt ohne äußere Energiezufuhr ge­ schlossen, da im geschlossenen Zustand die energe­ tische Nullage vorliegt. Erforderlichenfalls kann es auch durch Federkraft in den Ventilsitz gepreßt werden.
• - Undefinierte Betriebspunkte werden vermieden, da es im Ventilbewegungszyklus eine eindeutige Ruhelage gibt.
• - Das Einschwingen verläuft kontrolliert, ein Kontakt des Ventils mit dem Kolben kann ausgeschlossen wer­ den. Daher kann der Brennraum optimal - insbesonde­ re ohne Ventilnischen - gestaltet werden.
• - Durch die impulsartige Übertragung werden sehr steile Öffnungsflanken bzw. wird ein sehr schnelles Öffnen des Ventils ermöglicht.
• - Die Ventilöffnungsdauer kann über eine Änderung der Federvorspannung variiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels nä­ her beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betä­ tigung eines Ventils im Ruhezustand

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

Das System ist in Fig. 1 im Ruhezustand dargestellt.

Eine Ventil 1 und eine mit dem Ventil 1 durch ein Gewinde verbundene Masse 1' sowie eine Masse 2 können ihre kineti­ sche Energie bzw. ihren Impuls über ein Zwischenglied 3 austauschen, das mit der Masse 2 (m2) fest verbunden ist.

Zur Begrenzung der Bewegung der Masse 1' bzw. des mit Masse 1' verbundenen Ventils 1 ist der mit dem nicht dargestell­ ten Zylinderkopf verbundene Sitzring 4 und für Masse 2 ein Anschlag 5 vorgesehen. Die Position des Anschlags 5 ist so festgelegt bzw. einstellbar, daß in allen Betriebszuständen das Ventil geschlossen werden kann. Die Vorspannkraft der Feder 6 wird mit Hilfe der verstellbaren Auflage 8 größer eingestellt als die Kraft der Feder 7 mit der Auflage 9, um im Ruhezustand das sichere Schließen des Ventils zu gewähr­ leisten. Das Beschleunigen, Verzögern und Halten in Endpo­ sition der Massen 1' (m1) und 2 (m2) erfolgt mittels Elek­ tromagneten 10 (M1) und 11 (M2).

Verglichen mit bekannten elektromagnetischen Aktuatoren zur Ventilsteuerung besteht zwischen dem Ventil 1 und dem Betä­ tigungsglied für das Ventil, also der Masse m₂, keine Ver­ bindung, beide sind voneinander getrennt, wobei die Tren­ nung in Fig. 1 zwischen dem Gewindebeginn des Ventils und dem Zwischenglied 3 vorliegt.

Ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Fig. 2 dargestellt, die in Verbindung mit Fig. 1 zu le­ sen ist.

Aufgetragen sind über der Zeitachse t im oberen Bereich die Einschaltzeiten der Elektromagneten M₁ und M₂ und im unte­ ren Bereich die von den Magneten hervorgerufenen Auslenkun­ gen Sm₁ und Sm₂ der Massen m₁ und m₂.

Zum Zeitpunkt t₀ wird der Magnet M₂ bestromt und bewegt die Masse m₂ beschleunigt bis zum Zeitpunkt t₁ gegen die Kraft der Feder 7 in Richtung der Halteposition (Bereich A).

Zum Zeitpunkt t₁ beginnt die Verzögerung der Masse m₂ und endet bei t₂, wenn die Masse m₂ die Halteposition erreicht. Ab dem Zeitpunkt t₂ hält der Magnet M₂ die Masse m₂ bis zum Zeitpunkt t₃ (Bereich B).

Zum Zeitpunkt t₃ wird die Masse m₂ losgelassen und beginnt beschleunigt durch die Feder 7 die Rückbewegung bis zum Übergabepunkt der Energie von m₂ an m₁ zum Zeitpunkt t₄. Nach der Übertragung der Energie ist der Impuls der Masse m₂ nahezu 0 und die Masse m₁ hat den Impuls der Masse m₂ weitestgehend übernommen.

Die Masse m₁ beschleunigt ab t₄ und wird durch Bestromen des Magnets M₁ im Zeitraum von t₅ bis t₆ - Bereich C - in Ventilöffnungsrichtung bewegt. Gleichzeitig bewegt sich die Masse m₂ mittels Federkraft in die Ruhelage am Anschlag 5 und legt dabei den Leerweg s zurück. Diese Bewegung kann auch durch ein Dämpfungselement verzögert ablaufen.

Im Zeitraum von t₆ bis t₇ wird die Masse m₁ verzögert.

Die Zeit, in der das Ventil ganz geöffnet ist, Bereich D, liegt zwischen t₇ und t₈. Dabei hält der Magnet M₁ das Ven­ til in der Offenstellung.

Zum Zeitpunkt t₈ wird m₁ losgelassen, die Ventil-Schließbe­ wegung beginnt und es wird zum Zeitpunkt t₉ die kinetische Energie von m₁ an m₂ übergeben.

Die Masse m₂ beschleunigt und wird durch Bestromen von M₂ im Zeitraum E in Richtung Haltestellung bewegt und durch Bestromen von M₂ im Zeitraum F in der Haltestellung fi­ xiert.

Gleichzeitig bewegt sich ab t₉ die Masse m₁ durch die Kraft der Feder 6 in ihre Ruhelage, in der das Ventil geschlossen ist und legt dabei noch den Leerweg s zurück.

Die Bestromung der Magneten M₁ und M₂ wird also jeweils kurz vor Erreichen der ausgelenkten Lage der zugehörigen Massen unterbrochen (Zeitraum t₁ bis t₂, t₆ bis t₇ und t₁₀ bis t₁₁, um ein zu hartes Auftreffen an den jeweiligen An­ schlägen zu vermeiden.

Von t₀ bis t₄ liegt das Ventil am Ventilsitz an, von t₄ bis t₁₀ ist das Ventil ganz oder teilweise geöffnet.

Durch die erfindungsgemäße Ventilsteuerung kann die maxima­ le Leistungsaufnahme der Elektromagneten erheblich vermin­ dert werden, da im Bereich großer Spaltabstände zwischen Magnet und vom Magnet angezogenem Bauteil die Wiederverwer­ tung der kinetischen Energie einen Großteil der sonst er­ forderlichen elektrischen Energie einspart.

Claims (9)

1. Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schließen des Ventils (1) die kinetische Ener­ gie des Ventils und einer gegebenenfalls mit dem Ventil (1) verbundenen Masse (1') auf eine zweite, beweglich angeordnete Masse (2) zumindest teilweise übertragen und in dieser vorübergehend in Form von kinetischer oder potentieller Energie gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Masse (2) gespeicherte Energie auf das Ventil (1) und ggfs. die Masse (1') übertragen wird, um den Öffnungsvorgang des Ventils (1) einzulei­ ten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung jeweils durch Stoß erfolgt.

4. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Verbren­ nungsmotors, gekennzeichnet durch

• - zwei gegen Rückstellkraft beweglich angeordnete Masseteile, von denen das eine Masseteil zumindest aus einem Ventil (1) besteht,
• - die beiden Masseteile sind etwa oder exakt rich­ tungsgleich beweglich angeordnet,
• - an zumindest einem Masseteil ist eine Kontaktfläche für eine stoßartige Energieübertragung zwischen beiden Masseteilen vorgesehen.

5. Vorrichtung zur Betätigung des Ventils eines Verbren­ nungsmotors, gekennzeichnet durch

• - zwei gegen Rückstellkraft beweglich angeordnete Masseteile, von denen das eine Masseteil zumindest aus einem Ventil (1) besteht,
• - das erste, zumindest aus dem Ventil bestehende Mas­ seteil ist linear verschiebbar angeordnet und das zweite Masseteil (2) ist schwenkbar und rück­ schwenkbar, jedoch nicht drehbar angeordnet,
• - an zumindest einem Masseteil ist eine Kontaktfläche für eine stoßartige Energieübertragung zwischen beiden Masseteilen vorgesehen.

6. Vorrichtung zur Betätigung des Ventils (1) eines Ver­ brennungsmotors nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein oder mehrere impulsübertragende Zwischenglieder zwischen den beiden Masseteilen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft durch eine Feder erzeugt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel zum Festhalten mindestens eines der beiden Mas­ seteile in der ausgelenkten Lage.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel zur Beeinflussung der Schwingfrequenz des zwei­ ten Masseteils (2).