WO1998055741A1 - Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor - Google Patents

Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor Download PDF

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Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
Alfred Krappel
Ullrich Masberg
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Gründl und Hoffmann GmbH Gesellschaft für elektrotechnische Entwicklungen
Bayerische Motorenwerke Aktiengesellschaft
Isad Electronic Systems Gmbh & Co. Kg
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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
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    • 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
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils

Definitions

  • the present invention relates to a valve arrangement for a valve-controlled internal combustion engine.
  • the invention relates to a valve arrangement in which the reciprocating movement of the valve member is not effected and controlled by a camshaft. Rather, an electrically operated valve drive is used in the arrangement according to the invention.
  • DE 30 19 109 AI describes a valve arrangement which is based on a linear motor for actuating the valves.
  • the linear motor is controlled by a microprocessor depending on one or more motor parameters (speed, fuel quantity, etc.). However, no information on the design of the linear motor can be found in this document.
  • a gas valve control with a gas exchange valve which is actuated by an electromagnet arrangement.
  • a special configuration of the pole leg of the electromagnet arrangement generates a signal related to the movement of the armature in the control line of the electromagnet arrangement. This signal can be evaluated to identify any anchor position without additional sensors.
  • a major problem when using an electromagnet arrangement for actuating the valve is the high level of noise when the respective end positions are reached, the abrupt braking when the end positions are reached and the high holding currents required.
  • differential electromagnet arrangements which are also proposed in various ways and which are subjected to increasing currents in a targeted manner in order to achieve the required thrust of approximately 300-400 N for car internal combustion engines.
  • the valve which is loaded by a spring arrangement, therefore initially carries out an oscillating movement before an iron plate arranged on the valve stem bears against the armature of the electromagnet arrangement, so that a much lower holding current is required.
  • the maximum engine speed is considerably limited.
  • the start-up time is relatively long since it takes some time for the valve assembly to swing into its desired position due to the high dynamic force required.
  • EP 0 485 231 AI also shows a similar type of design of the stator, the stator coils and the rotor of a drive device for a valve arrangement in internal combustion engines.
  • teeth of the stator divided in the radial and tangential directions are each surrounded by a radially oriented winding.
  • the invention teaches a valve arrangement for a valve-controlled internal combustion engine, with an electric linear motor as an actuator for a valve member, which is defined by the features of claim 1.
  • This arrangement enables a very small pole pitch of the linear motor, so that a very high force density can be achieved.
  • the force generated by the linear motor can be precisely adjusted along the stroke of the valve member. It is therefore not necessary to apply considerable kinetic energy to the valve member so that it takes on its end position. This means that considerably less energy is required to actuate the valve member than in the arrangements known from the prior art. This also means significantly less noise and less wear.
  • the arrangement of the stator winding makes it possible to keep the vibrating forces acting on the winding low, so that vibrations of the winding or friction of the winding on the metal sheets are low. This makes it possible to make do with minimal insulation material or lining material of the winding chamber. This also contributes to the compactness and reliability of the overall arrangement. This also results in a high power density even with small linear motors, since the filling factor of the winding chamber (winding volume in the winding chamber in relation to the total volume of the winding chamber) is high.
  • the sheets preferably have at least one recess which contains iron material for connecting the sheets.
  • This iron material can be formed by (packed) iron wires that penetrate the sheets across their surface.
  • the iron material can also be formed by iron particles which are pressed into the recesses in the metal sheets by means of synthetic resin or the like.
  • the invention enables the construction of an actuator in which the at least one winding contributes over its entire extent to the effective generation of force in the linear motor. This means that the winding has no end windings, as is the case with conventional motors. The reason for this is that the winding is completely accommodated between the sheets of the stator in the winding chambers and the winding does not protrude beyond the teeth of the stator in the axial direction or in the radial direction.
  • the valve arrangement according to the invention thus has an actuator which, compared to a conventional motor, has considerably less copper for generating a comparable magnetic field.
  • the rotor can be designed as an asynchronous rotor or as a synchronous rotor, or in particular as a reluctance rotor.
  • Valve arrangement the rotor is coupled to a sensor for path detection, preferably a moving coil arrangement.
  • the rotor can be coupled to a resonance spring arrangement.
  • the runner is preferably designed as a hybrid runner with an iron body in which copper or aluminum tires are inserted.
  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one combustion cylinder, with at least one valve arrangement for intake or exhaust valves with one or more of the above features.
  • valve arrangement for a valve-controlled internal combustion engine is schematically illustrated in longitudinal section.
  • an electric linear motor 10 serves as an actuator for a valve member 12.
  • the linear motor 10 has a rotor 16 coupled to the valve member 12 via a rod 14 and a stator 18.
  • the stand 18 is constructed from circular iron sheets 20, the surface of which is oriented perpendicular to the direction of movement B of the rotor 16.
  • the stand 18 has teeth 22 facing the rotor 16, each of which has a closed lateral surface facing the rotor 16.
  • the individual teeth 22 have a circular cylindrical outer surface.
  • oval sheets or sheets with a polygonal shape for the construction of the stand 18.
  • the stator 18 has stator windings 24 which are oriented parallel to the surface of the sheets 20. For this purpose, some of the sheets 20 have a smaller diameter than those sheets which form the teeth 22. In this way, between two adjacent teeth 22, open winding chambers 26 are formed, in each of which there is a winding 24 which is concentric with the central longitudinal axis of the stator 18.
  • the type of connection of the individual windings gen 24 or its application of electrical current depends on the desired type of motor (single or multi-phase motor).
  • each of the sheets 20 has a recess 30 in which polymorphic iron material or packed iron wires for the magnetic connection of the sheets is contained.
  • each winding 24 is arranged over its entire extent in the winding chamber, it also contributes to the effective generation of force in the linear motor over its entire length.
  • the rotor 16 is a hollow cylindrical iron ring which, on its inner surface facing the stator 18, has recesses which are axially spaced apart and in which copper or aluminum rings 34 are received.
  • the rotor 16 thus works as a hybrid rotor.
  • the rotor 16 is coupled to a sensor 36 for detecting the path of the rotor 16 in the direction of movement B.
  • the rotor 16 is supported against the housing 40 with a resonance spring arrangement 42.

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Abstract

Eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor (10) als Aktuator für ein Ventilglied, der einen mit einem Ventilglied (12) gekoppelten Läufer (16) und einen Ständer (18) aufweist, wobei der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert ist, und der Ständer (18) dem Läufer (18) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (18) zugewandte Mantelfläche haben.

Description

Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ventilanordnung, bei der die Hin- und Herbewegung des Ventilgliedes nicht durch eine Nockenwel- le bewirkt und gesteuert wird. Vielmehr wird bei der erfin- dungsgemäßen Anordnung ein elektrisch betätigter Ventilantrieb eingesetzt.
Derartige elektrisch betätigte Ventilanordnungen sind in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt.
Die DE 30 19 109 AI beschreibt eine Ventilanordnung, die auf einem Linearmotor zur Betätigung der Ventile beruht. Der Li- nearmotor wird dabei in. Abhängigkeit von einem oder mehreren Motorparametern (Drehzahl, Kraftstoffmenge etc.) durch einen Microprozessor gesteuert. Allerdings sind keinerlei Hinweise zur Ausgestaltung des Linearmotors in diesem Dokument zu finden.
Aus der DE 195 18 056 AI ist eine Gasventilsteuerung mit einem Gaswechselventil bekannt, das durch eine Elektromagnetanordnung betätigt wird. Dabei wird durch eine besondere Ausgestaltung des Polschenkels der Elektromagnetanordnung ein auf die Bewegung des Ankers bezogenes Signal in der Ansteuerleitung der Elektromagnetanordnung erzeugt. Dieses Signal kann ausgewertet werden, um beliebige Ankerpositionen ohne zusätzliche Sensoren zu erkennen. Ein großes Problem beim Einsatz einer Elektromagnetanordnung zur Betätigung des Ven- tils ist die hohe Geräuschentwicklung beim Erreichen der jeweiligen Endstellungen, das abrupte Abbremsen beim Erreichen der Endstellungen sowie die erforderlichen hohen Halteströme. Gleiches gilt für ebenfalls verschiedentlich vorgeschlagene Differential-Elektromagnetanordnungen, die zum Erreichen des erforderlichen Schubes von etwa 300 - 400 N für PKW- Verbrennungsmotoren gezielt mit ansteigenden Strömen beaufschlagt werden. Damit führt das durch eine Federanordnung belastete Ventil zunächst eine Schwingbewegung aus, bevor eine an dem Ventilschaft angeordnete Eisenplatte an dem Anker der Elektromagnetanordnung anliegt, so daß ein sehr viel geringe- rer Haltestrom erforderlich ist. Allerdings ist hierbei die maximale Drehzahl des Motors erheblich begrenzt. Die Anlaufzeit beim Start ist relativ hoch, da es wegen der notwendigen hohen dynamischen Kraft einige Zeit dauert, bis sich die Ventilanordnung in ihre gewünschte Stellung geschwungen hat.
Weitere Dokumente ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind: DE 33 07 070 AI, DE 35 00 530 AI, EP 244 878 Bl, WO 90/07635, US 4,829,947, EP 377 244 Bl, EP 347 211 Bl, EP 390 519 Bl, EP 328 194 Bl, EP 377 251 Bl, EP 312 216 Bl, US 4,967,702, US 3,853,102, US 4,829,947, US 4,915,015, WO 90/07637, EP 244 878 Bl, EP 328 195 A2.
Alle Konzepte, die in den vorstehend genannten Dokumenten be- schrieben sind, haben gemeinsam, daß bei ihnen wenigstens eines der oben erwähnten Probleme besteht. Darüber hinaus können mit den im Stand der Technik bekannten Anordnungen auch der für Ventilanordnungen in Verbrennungsmotoren erforderliche Hub, Schub und Dynamik bei ausreichend kompaktem Aufbau und Zuverlässigkeit für den Groß-Serien-Einsatz im KFZ- Motoren nicht erreicht werden. Aus der JP-A-3-92518 ist eine Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren bekannt, bei der der Stator aus zwei etwa halbzylindrischen Schalen aufgebaut ist, die sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung jeder Schale geteilte, dem Läufer zugewandte Zähne aufweisen. Die einzelnen Zähne jeder Schale sind jeweils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.
Dadurch ergibt sich ein in radialer Richtung orientierter magnetischer Fluß, der ausgehend von jedem einzelnen der Vielzahl von Zähnen, durch den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, in den Läufer fließt.
Eine insoweit übereinstimmende Ausgestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren ist in der US 5,129,369 beschrieben. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.
Auch die EP 0 485 231 AI zeigt eine ähnliche Art der Gestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer radial orientierten Wicklung umgeben.
Diese Anordnungen sind in der Herstellung sehr aufwendig, da die Montage der Wicklungen um die einzelnen Zähne schwierig zu bewerkstelligen ist. Außerdem ist die bei diesem Aufbau erzielbare Polteilung relativ groß. Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor als Aktuator für ein Ventilglied, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kleine Polteilung des Linearmotors, so daß eine sehr hohe Kraftdichte realisierbar ist. Außerdem kann die durch den Linearmotor erzeugte Kraft entlang des Hubweges des Ventilgliedes genau eingestellt wer- den. Damit ist es nicht erforderlich, das Ventilglied mit erheblicher kinetischer Energie zu beaufschlagen, damit dieses seine Endstellung einnimmt. Dies bedeutet, daß erheblich weniger Energie zur Betätigung des Ventilgliedes erforderlich ist, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anord- nungen. Dies bedeutet auch eine deutlich geringere Geräu- schentwicklung und weniger Verschleiß.
Durch die Anordnung der Ständerwicklung ist es möglich, die auf die Wicklung wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so daß Vibrationen der Wicklung oder Reibung der Wicklung an den Blechen gering sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Iso- lationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Wicklungskammer auszukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen Linearmotoren, da der Füllfaktor der Wicklungskammer (Wicklungsvolumen in der Wicklungskammer bezogen auf das Gesamtvolumen der Wicklungskammer) hoch ist.
Bevorzugt weisen die Bleche wenigstens eine Ausnehmung auf, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche enthält. Dieses Eisenmaterial kann durch (gepackte) Eisendrähte gebildet sein, die die Bleche quer zu deren Fläche durchdringen. Alternativ dazu kann das Eisenmaterial auch durch Eisenpartikel gebildet sein, die mittels Kunstharz oder dergl. in den Ausnehmungen der Bleche verpreßt sind. Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Aktuators, bei dem die wenigstens eine Wicklung über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor beiträgt. Dies bedeutet, daß die Wicklung keine Wickelköpfe aufweist, wie dies bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Der Grund dafür ist, daß die Wicklung vollständig zwischen den Blechen des Ständers in den Wickelkammern aufgenommen ist und die Wicklung weder in axialer Richtung, noch in radialer Richtung über die Zähne des Ständers hinausragt.
Damit hat die Ventilanordnung gemäß der Erfindung einen Aktuator, der gegenüber einem herkömmlichen Motor erheblich weniger Kupfer zur Erzeugung eines vergleichbaren Magnetfeldes aufweist.
Erfindungsgemäß kann der Läufer als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder im speziellen als Reluktanzlaufer ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung ist der Läufer mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung gekoppelt.
Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem er- findungsgemaßen Aktuator auch ein Teilhub der Ventilanordnung möglich ist. Dieser Teilhub kann über den Sensor erfaßt werden.
Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung der Läufer mit einer Resonanzfederanordnung gekoppelt sein.
Bevorzugt ist der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper in den Kupfer- oder Aluminiumreifen eingesetzt sind, ausgestaltet. Schließlich betrifft die Erfindung einen internen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit wenigstens einer Ventilanordnung für Ein- oder Auslaßventile mit einem oder mehreren der vorstehenden Merkmale.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.
In der Zeichnung ist eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor schematisch im Längsschnitt veranschaulicht.
Ein elektrischer Linearmotor 10 dient bei der erfindungsgemaßen Ventilanordnung als Aktuator für ein Ventilglied 12. Der Linearmotor 10 hat einen mit dem Ventilglied 12 über eine Stange 14 gekoppelten Läufer 16 und einen Ständer 18.
Der Ständer 18 ist aus kreisrunden Blechen 20 aus Eisen aufgebaut, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung B des Läufers 16 orientiert ist. Der Ständer 18 weist dem Läufer 16 zugewandte Zähne 22 auf, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer 16 zugewandte Mantelfläche haben. Im vorliegenden Bei- spiel mit kreisrunden Blechen 20 haben die einzelnen Zähne 22 eine kreiszylindrische Mantelfläche. Es ist jedoch auch möglich, ovale Bleche oder Bleche mit polygonaler Gestalt zum Aufbau des Ständers 18 zu verwenden.
Der Ständer 18 weist Ständer-Wicklungen 24 auf, die parallel zu der Fläche der Bleche 20 orientiert sind. Dazu haben einzelne der Bleche 20 einen geringeren Durchmesser als diejenigen Bleche, welche die Zähne 22 bilden. Damit sind jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen 22 zur Außenseite hin offe- ne Wicklungskammern 26 gebildet, in denen sich jeweils eine zur Mittellängsachse des Ständers 18 konzentrische Wicklung 24 befindet. Die Art der Verschaltung der einzelnen Wicklun- gen 24 bzw. deren Beaufschlagen mit elektrischem Strom ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrphasenmotor) abhängig.
In der Mitte hat jedes der Bleche 20 eine Ausnehmung 30 in der polymorphes Eisenmaterial oder gepackte Eisendrähte zur magnetischen Verbindung der Bleche enthalten ist.
Da jede Wicklung 24 über ihre gesamte Erstreckung in der Wicklungskammer angeordnet ist, trägt sie auch über ihre gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor bei.
In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein hohlzylin- drischer Eisenring, der an seiner dem Ständer 18 zugewandten Innenfläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer- oder Aluminiumringe 34 aufgenommen sind. Damit arbeitet der Läufer 16 als Hybridläufer.
An der dem Ventilglied 12 abgewandten Stirnseite ist der Läufer 16 mit einem Sensor 36 zur Wegerfassung des Läufers 16 in der Bewegungsrichtung B gekoppelt.
Der Läufer 16 ist gegen das Gehäuse 40 mit einer Resonanzfe- deranordnung 42 abgestützt.

Claims

Ansprüche
1. Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbren- nungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor (10) als Aktuator für ein Ventilglied, der
- einen mit einem Ventilglied (12) gekoppelten Läufer (16) und
- einen Ständer (18) aufweist, wobei — der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren
Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert ist, und
— der Ständer (18) dem Läufer (18) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (18) zu- gewandte Zylindermantelfläche haben, und wobei
— jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen (22) des Ständers (18) Wicklungskammern (26) gebildet sind, in denen jeweils eine parallel zu der Fläche der Bleche (20) orientierte Wicklung (24) angeordnet ist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bleche (20) wenigstens eine Ausnehmung (30) aufweisen, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche (20) enthält.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) beiträgt.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder als Reluktanzläufer ausgebildet ist.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauch- spulenanordnung (36) gekoppelt ist.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einer Resonanzfederanordnung (42) gekoppelt ist.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper (16) in den Kupfer- oder Aluminiumreifen (34) eingesetzt sind, ausgestaltet ist.
8. Interner Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit wenigstens einer Ventilanordnung mit den Merkmalen eines oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche.
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