EP1175553B1 - Verfahren und vorrichtung zum öffnen und schliessen eines ventils eines verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum öffnen und schliessen eines ventils eines verbrennungsmotors Download PDF

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EP1175553B1
EP1175553B1 EP00922604A EP00922604A EP1175553B1 EP 1175553 B1 EP1175553 B1 EP 1175553B1 EP 00922604 A EP00922604 A EP 00922604A EP 00922604 A EP00922604 A EP 00922604A EP 1175553 B1 EP1175553 B1 EP 1175553B1
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EP
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valve
mass
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actuating
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Marcus Abele
Thomas Glas
Martin Lechner
Christoph Steinmetz
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Mahle Ventiltrieb GmbH
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Mahle Ventiltrieb GmbH
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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 a method and a device for opening and closing a valve of an internal combustion engine.
  • the camshaft-controlled valve actuation is known, electromagnetic and hydraulic valve control.
  • the invention is based on electromagnetic Valve control (EMVS) off. But you can also in connection with others such as B. hydraulic or use pneumatic valve controls.
  • EMVS electromagnetic Valve control
  • the EMVS was built as a one-mass transducer.
  • there an armature can swing back and forth between two solenoids.
  • the armature is connected to the valve. in the the anchor is approximately in the middle when de-energized between the two solenoids. Because of the big Gap distances in the rest position and the associated poor efficiency is disproportionate in acceleration great energy expenditure necessary, that for itself already taken the feasibility of EMVS in series applications questions.
  • DE 197 23 405 A1 discloses a method with which a defined anchor impact speed at Closing the valve can be adjusted.
  • the invention is therefore concerned with the problem of electromagnetic or hydraulic valve controls reduce energy consumption and have a negative impact the combustion process through valve niches or to avoid recessed combustion chamber walls on the cylinder head.
  • the basic idea of the invention is the kinetic energy of the valve - and one possibly connected to the valve Part by mass - which this has at the end of the closing process, to be largely transferred to a mass body and store it there so that this energy for the next opening stroke of the valve is available.
  • there the impulse can be directly between the mass bodies transmitted or forwarded via at least one intermediate link be, the pontic either largely is stationary or with one of the two masses connected is.
  • the well-known EMVS is a one-mass pendulum represents, while the invention as a two-mass pendulum with energy transfer is writable.
  • a variation of the oscillation times can be done on the one hand Adjustment of the spring preload and / or the spring stiffness and on the other hand by known means such as magnetic Holding in the end positions can be realized.
  • the system is shown in Fig. 1 in the idle state.
  • a valve 1 and one with the valve 1 through a thread connected mass 1 'and a mass 2 can be their kinetic Energy or its impulse via an intermediate link 3 replace that is firmly connected to mass 2 (m2).
  • valve 1 Compared to known electromagnetic actuators for valve control, there is no connection between the valve 1 and the actuating element for the valve, that is to say the mass m 2 , the two are separated from one another, the separation in FIG. 1 being between the start of the thread of the valve and the intermediate element 3 ,
  • FIG. 2 A possible course of the method according to the invention is shown in Fig. 2 to read in conjunction with Fig. 1 is.
  • the switch-on times of the electromagnets M 1 and M 2 are plotted on the time axis t in the upper area and the deflections Sm 1 and Sm 2 of the masses m 1 and m 2 caused by the magnets in the lower area.
  • the magnet M 2 is energized and moves the mass m 2 accelerated up to time t 1 against the force of the spring 7 in the direction of the holding position (area A).
  • the mass m 1 accelerates from t 4 and is moved in the valve opening direction by energizing the magnet M 1 from t 5 to t 6 - area C -.
  • the mass m 2 moves by means of spring force into the rest position at the stop 5 and thereby covers the free travel s. This movement can also be delayed by a damping element.
  • the mass m 1 is delayed in the period from t 6 to t 7 .
  • the time in which the valve is fully open, area D, is between t 7 and t 8 .
  • the magnet M 1 holds the valve in the open position.
  • the mass m 2 accelerates and is moved towards the holding position by energizing M 2 in the period E and fixed in the holding position by energizing M 2 in the period F.
  • the energization of the magnets M 1 and M 2 is therefore interrupted shortly before reaching the deflected position of the associated masses (period t 1 to t 2 , t 6 to t 7 and t 10 to t 11 , in order to strike the respective one too hard To avoid attacks. From t 0 to t 4 the valve rests on the valve seat, from t 4 to t 10 the valve is fully or partially open.
  • the maximum Power consumption of the electromagnet is significantly reduced be in the area of large gap distances between The magnet and the component attracted by the magnet for recycling the kinetic energy much of the otherwise required saves electrical energy.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors.
Bekannt sind die nockenwellengesteuerte Ventilbetätigung, die elektromagnetische und die hydraulische Ventilsteuerung. Die Erfindung geht im Prinzip von der elektromagnetischen 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. Dabei kann ein Anker zwischen zwei Magnetspulen hin- und herschwingen. Der Anker ist mit dem Ventil verbunden. Im stromlosen Zustand befindet sich der Anker etwa in der Mitte zwischen den beiden Magnetspulen. Aufgrund der großen Spaltabstände in der Ruhelage und damit einhergehendem schlechten Wirkungsgrad ist bei der Beschleunigung ein unverhältnismäßig großer Energieaufwand nötig, der für sich genommen schon die Realisierbarkeit der EMVS in Serienanwendungen in Frage stellt.
Zur Reduzierung des Energiebedarfs, insbesondere um das sogenannte Ankerprellen und damit die Geräusche zu minimieren, offenbart die DE 197 23 405 A1 ein Verfahren, mit dem eine definierte Auftreffgeschwindigkeit des Ankers beim Schließen des Ventils eingestellt werden kann.
Ein 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 zurückgesetzt sein muß. Diese Maßnahmen stellen verbrennungstechnisch 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 Beeinflussung 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. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die kinetische Energie des Ventils - und eines ggfs. mit dem Ventil verbundenen Masseteils - die dieses am Ende des Schließvorgangs aufweist, 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 weitergeleitet 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 Rückstellkraft auf den Massekörper ausübt.
Physikalisch stellt die bekannte EMVS ein Ein-Masse-Pendel dar, während die Erfindung als Zwei-Massen-Pendel mit Energieübertragung 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 Stoßimpuls. Durch eine geeignete Abstimmung z. B. über die Federrate 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 Federsteifigkeit und andererseits durch bekannte Mittel wie magnetisches Festhalten in den Endlagen realisiert werden.
Verglichen mit der bekannten EMVS ergeben sich die folgenden Vorteile:
  • Das Ventil bleibt ohne äußere Energiezufuhr geschlossen, da im geschlossenen Zustand die energetische 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 werden. Daher kann der Brennraum optimal - insbesondere 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 näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils im Ruhezustand
Fig. 2
ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen 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 kinetische 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 dargestellten 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 gewährleisten. Das Beschleunigen, Verzögern und Halten in Endposition der Massen 1' (m1) und 2 (m2) erfolgt mittels Elektromagneten 10 (M1) und 11 (M2).
Verglichen mit bekannten elektromagnetischen Aktuatoren zur Ventilsteuerung besteht zwischen dem Ventil 1 und dem Betätigungsglied für das Ventil, also der Masse m2, keine Verbindung, beide sind voneinander getrennt, wobei die Trennung 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 lesen ist.
Aufgetragen sind über der Zeitachse t im oberen Bereich die Einschaltzeiten der Elektromagneten M1 und M2 und im unteren Bereich die von den Magneten hervorgerufenen Auslenkungen 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 t 7 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 Ventil in der Offenstellung.
Zum Zeitpunkt t8 wird m1 losgelassen, die Ventil-Schließbewegung beginnt und es wird zum Zeitpunkt t9 die kinetische Energie von m1 an m2 übergeben.
Die Masse m2 beschleunigt und wird durch Bestromen von M 2 im Zeitraum E in Richtung Haltestellung bewegt und durch Bestromen von M2 im Zeitraum F in der Haltestellung fixiert.
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 Anschlägen zu vermeiden.
Von t0 bis t4 liegt das Ventil am Ventilsitz an, von t4 bis t 10 ist das Ventil ganz oder teilweise geöffnet.
Durch die erfindungsgemäße Ventilsteuerung kann die maximale Leistungsaufnahme der Elektromagneten erheblich vermindert werden, da im Bereich großer Spaltabstände zwischen Magnet und vom Magnet angezogenem Bauteil die Wiederverwertung der kinetischen Energie einen Großteil der sonst erforderlichen elektrischen Energie einspart.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Verbrennungsmotors, bei dem zwei Masseteile (1', 2) gegen eine Rückstellkraft bewegt werden, wobei ein Masseteil aus einem Ventil (1) und einer mit dem Ventil verbundenen Masse (1') besteht, wobei
    beim Schließen des Ventils (1) die kinetische Energie 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 und daß die in der zweiten Masse (2) gespeicherte Energie durch Stoß auf das Ventil (1 und ggfs. die Masse (1') rückübertragen wird, um den Öffnungsvorgang des Ventils (1) einzuleiten, und wobei nach dem Stoß die zweite Masse (2) gegen einen Anschlag (5) anliegt, während das Ventil (1) in Bewegung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der geöffneten Stellung des Ventils ein Elektromagnet (10) auf das Masseteil (1') wirkt.
  2. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors
    mit den Merkmalen
    zwei gegen Rückstellkraft beweglich angeordnete Masseteile (1',2) von denen das eine Masseteil aus einem Ventil (1) und einer mit dem Ventil verbundenen Masse (1') besteht,
    an zumindest einem Masseteil ist eine Kontaktfläche für eine stoßartige Energieübertragung zwischen beiden Masseteilen vorgesehen,
    es ist ein Anschlag (5) für das Masseteil (2) vorgesehen,
       dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromagnet (10) so angeordnet ist, daß er auf das Masseteil (1') wirken kann, um das Ventil in Offenstellung zu halten.
  3. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Masseteile (1',2) etwa oder exakt richtungsgleich beweglich angeordnet sind.
  4. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das erste Masseteil (1') linear verschiebbar angeordnet ist und das zweite Masseteil (2) schwenkbar und rückschwenkbar, jedoch nicht drehbar angeordnet ist.
  5. Vorrichtung zur Betätigung des Ventils (1) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 3 oder 4,
    gekennzeichnet durch
    ein oder mehrere impulsübertragende Zwischenglieder zwischen den beiden Masseteilen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft durch eine Feder erzeugt wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
    gekennzeichnet durch
    Mittel zum Festhalten mindestens eines der beiden Masseteile in der ausgelenkten Lage.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
    gekennzeichnet durch
    Mittel zur Beeinflussung der Schwingfrequenz des zweiten Masseteils (2).
EP00922604A 1999-04-30 2000-04-05 Verfahren und vorrichtung zum öffnen und schliessen eines ventils eines verbrennungsmotors Expired - Lifetime EP1175553B1 (de)

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