DE10126025A1

DE10126025A1 - Electromagnetic actuator for combustion engine valves has at least one additional spring force acting in closing direction during armature movement from valve closed to open position

Info

Publication number: DE10126025A1
Application number: DE10126025A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-01-03

Abstract

The actuator has two electromagnetic forces (1,2) acting on an armature (3) to displace it, whereby movement of the armature is transferred to the valve shaft (5). Two opposed spring forces (6,8) act on the armature to bring it to an intermediate position in the absence of any other forces acting on it. At least one additional spring force acts in the closing direction during armature movement from the valve-closed position to its open position.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.The invention relates to an electromagnetic actuator with the features of Preamble of claim 1.

Elektromagnetische Ventilsteuervorrichtungen sind meistens mit Federn aufgebaut, die gegeneinander wirken und physikalisch einen Resonanzschwinger darstellen. Die Federn sind meist als Druckfedern ausgebildet. In der DE 197 12 063 A1 und in der PCT/EP9908755 ist eine Vorrichtung mit einer Ventilfeder beschrieben; die Feder kräfte sind gegeneinander gerichtet.Electromagnetic valve control devices are mostly built with springs, that work against each other and physically represent a resonance oscillator. The Springs are usually designed as compression springs. In DE 197 12 063 A1 and in PCT / EP9908755 describes a device with a valve spring; the feather forces are directed against each other.

Hierbei übernimmt der Drehstab das Öffnen, und die Federenergie der Ventilfeder übernimmt das Schließen und beschleunigt sowohl das Ventil als auch den Anker mit den entsprechenden Verbindungsgliedern.The torsion bar opens and the spring energy of the valve spring takes over the closing and accelerates both the valve and the armature the corresponding connecting links.

Beide Federn sind im Neuzustand so eingestellt, daß diese ohne weitere Kräfte das System ungefähr in die Mittellage bringen. Im Betrieb des Motors erfährt diese Mit tellage mit der Zeit eine deutliche Abweichung, die durch die Relaxation und den Ventilverschleiß entsteht. Bei einer deutlichen Unsymmetrie der Mittellage ist ein er heblicher elektrischer Mehrverbrauch notwendig, der 30% übersteigen kann.Both springs are set so that they can do this without additional forces Bring the system approximately to the middle position. This is experienced during the operation of the engine tellage a clear deviation over time caused by the relaxation and the Valve wear occurs. If there is a clear asymmetry of the middle layer, it is a considerable electrical consumption is necessary, which can exceed 30%.

Zur Vermeidung dieser Unsymmetrie sind in den Patentanmeldungen 199 48 204.7 und 100 13 058.5 Lösungen vorgeschlagen worden. Diese sind jedoch aufwendig.To avoid this asymmetry, the patent applications 199 48 204.7 and 100 13 058.5 solutions have been proposed. However, these are complex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das genannte Problem zu beseitigen, ohne daß diese Maßnahme mit zusätzlichem Aufwand verbunden wäre.The invention is based on the object of eliminating the problem mentioned, without this measure being associated with additional effort.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is solved by the features of claim 1.

Die Unteransprüche beinhalten Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfin dung.The sub-claims contain embodiments and developments of the Erfin dung.

Durch eine z. B. asymmetrische Drehstabauslegung übernimmt dieser mit seiner Federenergie ein Teil der Beschleunigung des Ankers beim Schließen. Dadurch wird die Ventilfeder erheblich entlastet und kann dadurch eine relativ kleine Federkon stante aufweisen, so daß der Einfluß der Kraftänderung durch Ventilverschleiß klein ist.By a z. B. asymmetrical torsion bar design this takes over with his Spring energy is part of the acceleration of the armature when closing. This will the valve spring is considerably relieved and can therefore have a relatively small spring cone have constant, so that the influence of the change in force due to valve wear is small is.

Der zusätzliche Aufwand ist praktisch 0.The additional effort is practically 0.

Durch die Erfindung kommt es während des Motorbetriebs zu einem erheblich kleine ren Mittenversatz. Man benötigt eine kleinere Ventilfedermasse mit einem kleineren Federteller. Man kann die Ventilfedervorspannung von 45 N auf 22 N (-38%) durch den Einfluß der Ventilfeder verringern. Dadurch kommt es zu einer geringeren An kerbelastung bei geöffnetem Ventil (von 430 N auf ca. 200 N). Es treten dann auch kleinere Ventilfederquerkräfte und damit weniger Ventilschaftreibung (- ca. 50%) auf. Auch tritt eine geringere Ventilschaftbelastung an der Keilnut (von 340 auf ca. 220 N) auf. Die Ventilfedereinstellung wird dadurch auch weniger toleranzempfindlich.The invention results in a considerably small one during engine operation center offset. You need a smaller valve spring mass with a smaller one Spring plate. The valve spring preload can be adjusted from 45 N to 22 N (-38%) reduce the influence of the valve spring. This leads to a lower arrival notch load when the valve is open (from 430 N to approx. 200 N). Then it also occurs smaller valve spring transverse forces and thus less valve stem friction (- approx. 50%). There is also a lower valve stem load on the keyway (from 340 to approx. 220 N) on. This also makes the valve spring setting less sensitive to tolerances.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ak tuators beschrieben.Using the drawing, exemplary embodiments of the Ak according to the invention described.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen ersten Aufbau des Aktuators Fig. 1 shows a first structure of the actuator

Fig. 2 ein Diagramm mit der Federkraftauslegung gemäß dem Stand der Technik Fig. 2 is a diagram with the spring force design according to the prior art

Fig. 3 ein Diagramm mit der Federkraftauslegung gemäß der Fig. 1 Fig. 3 shows a diagram with the spring force interpretation of Fig. 1

Fig. 4 ein weiterer Aufbau des Aktuators Fig. 4 shows a further structure of the actuator

Fig. 5 ein Diagramm mit der Federkraftauslegung der Fig. 4 Fig. 5 is a diagram with the spring force design of FIG. 4

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer elektromagnetischen Ventilsteuerung, bestehend aus zwei Elektromagneten 1 und 2 zum Öffnen und Schließen des Ven tils, einem um die Achse schwenkbar gelagerten Hebel 4 mit einem integrierten An ker 3. Der Hebel 4 wirkt bei seiner Schwenkbewegung auf den Schaft 5 eines Ventils ein. Es ist eine konventionelle Druckfeder 8 als Ventilfeder vorgesehen, die in Rich tung Schließen des Ventils wirkt. Die gegen gerichtete Feder ist ein Drehstab 6, der primär die Gegenfederkraft erzeugt, aber durch seine erfindungsgemäße Auslegung teilweise mit der Ventilfeder 8 in gleicher Richtung zusammenwirkt. Darauf wird spä ter eingegangen. Fig. 1 shows the basic structure of an electromagnetic valve control, consisting of two electromagnets 1 and 2 for opening and closing the Ven valve, a lever 4 pivotally mounted about the axis with an integrated ker 3 . The lever 4 acts on the stem 5 of a valve during its pivoting movement. A conventional compression spring 8 is provided as a valve spring, which acts in the direction of closing the valve. The counter-directed spring is a torsion bar 6 , which primarily generates the counter spring force, but due to its inventive design partially interacts with the valve spring 8 in the same direction. This will be discussed later.

Der Abstand Δ I_V vom Ventilteller zum Ventilsitz ist eine Funktion der Betriebsdauer. Dieser kann sich mit der Zeit bis zu 0,5 mm ändern, was eine Abnahme der Ventil schließkraft zur Folge hat. Diese muß so bemessen sein, daß trotz der am Ventil wir kenden Differenzdrücke, das Ventil geschlossen bleibt.The distance Δ I _V from the valve plate to the valve seat is a function of the operating time. This can change up to 0.5 mm over time, which results in a decrease in the valve closing force. This must be such that, despite the differential pressures acting on the valve, the valve remains closed.

Fig. 2 zeigt die Federauslegung gemäß dem Stand der Technik bei der die Feder A als Drehstab ausgebildet ist und gegen die Ventilfeder B wirkt. Die Resultierende R_n hat zur Folge, daß das System bei III im Gleichgewicht ist. Wird das System um den Hub s nach rechts bewegt, so ist bei I das Ventil geschlossen; bei II ist das Ventil offen. Im Neuzustand beginnt die Feder A bei II mit 0 Kraft und endet bei I beim Maximalwert. Die Feder B ist bei I mit F_Vn vorgespannt und endet bei II mit der maxi malen Rückstellkraft F_Rn. Die Resultierende beider Federn beginnt im Neuzustand bei I mit der Öffnungskraft F_Ön. Infolge Relaxation im Dauerbetrieb reduziert sich die Federkraft der Feder A um R1. Die Feder B unterliegt zwei Einflüssen; die in Fig. 1 angedeutete Längenänderung ΔV hat eine Kraftabnahme entsprechend der Feder konstante um ΔF_V zur Folge. Hinzu addiert sich die Relaxation R2. Dadurch ändert sich die resultierende Kraft bei II auf F_Öa, indem vom ursprünglichen Wert R1 und die reduzierte Federvorspannung F_Va subtrahiert werden. Auf der Gegenseite bei II wird die Ausgangskraft F_Rn um ΔF_V + R reduziert, wobei die Relaxationskraft R1 der Feder A diesen Betrag mindert. Die Resultierende Ra hat bei III einen deutlichen Mittenver satz zur Folge. Fig. 2 shows the spring design according to the prior art in which the spring A is designed as a torsion bar and acts against the valve spring B. The resultant R _n has the result that the system is in equilibrium at III. If the system is moved to the right by the stroke s, the valve is closed at I; with II the valve is open. When new, spring A starts at 0 with II and ends at I at the maximum value. The spring B is preloaded at I with F _Vn and ends at II with the maximum restoring force F _Rn . The resultant of both springs begins in the new state at I with the opening force F _Ön . As a result of relaxation in continuous operation, the spring force of spring A is reduced by R1. The spring B is subject to two influences; The change in length ΔV indicated in FIG. 1 results in a decrease in force corresponding to the spring constant by ΔF _V. In addition, the relaxation R2 is added. This changes the resulting force at II to F _Öa by subtracting F _Va from the original value R1 and the reduced spring preload. On the opposite side at II, the initial force F _Rn is reduced by ΔF _V + R, the relaxation force R1 of spring A reducing this amount. The resultant Ra results in a clear offset in the middle.

Fig. 3 zeigt die neue Federauslegung. Die Feder A vornehmlich als Drehstab wirkend erreicht die Federkraft 0 nicht im voll geöffneten Zustand II, sondern früher schon bei IV. Bei II hat diese eine deutliche negative Vorspannung F_D. Dadurch reduziert sich die Kraft der Ventilfeder im Neuzustand F_V2 erheblich. Beide Kräfte addiert ergeben die maximale Rückstell- oder Schließkraft F_Rn. Bei I ist die Ventilvorspannung F_Vn dieselbe wie in Fig. 2. Durch die reduzierte Ventilfederkraft bei II läßt sich bei gleicher Vorspannkraft F_Vn die Federkonstante erheblich reduzieren. Dies hat zur Folge, daß die Ventillängenänderung ΔI eine erheblich geringere Federkraftänderung ΔF_V bei I wirkt. Dadurch wirken sich Ventilfeder und Einbautoleranzen nicht so stark aus. Fig. 3 shows the new spring design. The spring A, acting primarily as a torsion bar, does not reach the spring force 0 in the fully open state II, but earlier in the case of IV. In the case of II, this has a clear negative preload F _D. This significantly reduces the force of the valve spring when new F _V2 . The sum of both forces results in the maximum restoring or closing force F _Rn . At I the valve preload F _{Vn is the} same as in Fig. 2. Due to the reduced valve spring force at II, the spring constant can be considerably reduced with the same preload force F _Vn . The result of this is that the change in valve length ΔI has a considerably smaller change in spring force ΔF _V at I. This means that the valve spring and installation tolerances have less of an impact.

Die Reduzierung der maximalen Ventilfederkraft haben auch kleinere Relaxations kräfte R2 zur Folge. Die maximale Rückstell- oder Schließkraft ändert sich deshalb vom Neuzustand F_Rn bei II bei Alterung auf F_Ra, indem die Federkraft F_C sich um R1 erhöht und F_V2 um ΔF_V + R2 sich reduziert. Beides ergibt nun F_Ra welche nur ge ringfügig von F_Rv abweicht.The reduction in the maximum valve spring force also results in smaller relaxation forces R2. The maximum restoring or closing force therefore changes from the new state F _Rn for II with aging to F _{Ra in} that the spring force F _C increases by R1 and F _V2 decreases by ΔF _V + R2. Both now result in F _Ra which deviates only slightly from F _Rv .

Auf der anderen Seite bei I reduziert sich die maximale Kraft von der Feder A um R1. Die resultierende Federkraft im Neuzustand Rn beginnt bei der entsprechenden Öff nungskraft F_Ön durch Berücksichtigung der Ventilfedervorspannung F_Vn. Bei Alterung reduziert sich diese geringfügig auf F_Öa durch Berücksichtigung von R1 und F_Va, wel che ΔI und Relaxation R2 berücksichtigt. Im Vergleich zu Fig. 1 ist die Differenz von F_Vn und F_Va erheblich geringer. Dies wirkt sich bei II genauso aus. Deshalb ändert sich die resultierende Kraft zwischen Neu- und Alterungszustand nur geringfügig, so daß ein nur kleiner Mittenversatz ΔI entsteht.On the other hand at I, the maximum force from spring A is reduced by R1. The resulting spring force when new Rn begins at the corresponding opening force F _Ön by taking the valve spring preload F _Vn into account. In the _{event of} aging, this is reduced slightly to F _Öa by taking R1 and F _Va into account, which takes ΔI and relaxation R2 into account. In comparison to FIG. 1, the difference between F _Vn and F _{Va is} considerably smaller. This has the same effect with II. Therefore, the resulting force changes only slightly between the new and the aging state, so that there is only a small center offset ΔI.

Grundsätzlich kann der hier beschriebene wechselnd wirkende Drehstab auch durch mehrere Schließfedern, z. B. als Druckfedern ausgebildet, aufgebaut werden. Der Drehstab ist von der effektiven beweglichen Masse und der günstigen konstruktiven Gestaltung jedoch im Vorteil.In principle, the rotating torsion bar described here can also be used several closing springs, e.g. B. designed as compression springs. The Torsion bar is of the effective movable mass and the favorable constructive Design, however, has an advantage.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das weitgehend dem der Fig. 1 ent spricht. Sich entsprechende Teile beider Figuren weisen deshalb die gleichen Be zugszeichen auf. In. Fig. 5 ist jedoch noch eine Zusatzfeder 9 vorgesehen, die die in Richtung zur Offenstellung gerichtete Kraft des Drehstabs oder Drehrohrs unterstützt. In Fig. 4 an embodiment is shown, which speaks largely that of FIG. 1 ent. Corresponding parts of both figures therefore have the same reference numerals. In. Fig. 5, however, a supplementary spring 9 is provided, which supports the forward direction to the open position, force of the torsion bar or rotary tube.

Diese Ausbildung ist insbesondere für aufgeladene Motoren sinnvoll, wo große Drehmomente benötigt werden und durch die begrenzte Baulänge der Aktuatoren und damit der Drehstäbe keine ausreichende Drehmomente erzielbar sind. Bei dieser Ausbildung wird eine hohe Rückstellfederkraft zur Verfügung gestellt, ohne dass der Drehstab sehr stark belastet werden muss.This training is particularly useful for supercharged engines where large Torques are required and due to the limited overall length of the actuators and so that the torsion bars cannot achieve sufficient torques. At this Training provides a high return spring force without the Torsion bar must be very heavily loaded.

In Fig. 5 sind die Federkräfte für diese Ausbildung über dem Hub aufgetragen. Die Kraft des Drehstabs ist mit F_DS, die der Zusatzfeder 9 mit F_Z und die der Ventilfeder 8 mit F_V bezeichnet. F_Re ist der resultierende Federkraftverlauf.In Fig. 5, the spring forces for this training are plotted over the stroke. The force of the torsion bar is denoted by F _DS , that of the additional spring 9 by F _Z and that of the valve spring 8 by F _V. F _Re is the resulting spring force curve.

Claims

1. Electromagnetic actuator for actuating a valve of a combustion engine with two electromagnetic forces ( 1 , 2 ), which act alternately on an armature ( 3 ) and contribute to its adjustment, the movement of the armature ( 3 ) on the shaft ( 5 ) of the Valve is transmitted, with two oppositely directed spring forces ( 6 , 8 ) acting on the armature ( 3 ), which place the armature ( 3 ) in an intermediate position without other forces acting on it, and the first spring force acting in the direction of the Closing position is effective, includes a spring ( 8 ) acting on the valve, characterized in that in the course of the armature stroke from the closed position (I) to the open position (II) of the valve, at least one additional one, in the direction of the closed position ( I) directed spring force (F _V2 ) takes effect.

2. Electromagnetic actuator according to claim 1, characterized in that the second spring force ( 6 ) is dimensioned such that it in the course of the armature stroke from the closed position (I) in the open position (II) of the valve from an opposing spring force in one spring force directed in the direction of the first spring force passes.

3. Electromagnetic actuator according to claim 2, characterized in that the second spring force is formed by at least one torsion bar ( 6 ) which generates spring forces in both directions of rotation.

4. Electromagnetic actuator according to claim 3, characterized in that an additional spring force ( 9 ) is provided which supports the spring force of the torsion bar ( 6 ) in the direction of the open position (II).

5. Electromagnetic actuator according to claim 1, characterized in that the first spring force is formed by at least two compression springs.

6. Electromagnetic actuator according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the two Fe directed towards the closed position forces are dimensioned according to the proportions of the moving masses.