DE10358936A1

DE10358936A1 - Elektrischer Ventiltrieb mit Drehaktuator

Info

Publication number: DE10358936A1
Application number: DE10358936A
Authority: DE
Inventors: Johannes Meyer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-07-07
Also published as: JP2007514093A; WO2005061863A1; US20060278190A1; JP4538466B2; CN100439664C; EP1700012A1; CN1890460A; US7367300B2; EP1700012B1; DE502004003508D1

Abstract

Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventil, das axial verschieblich zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung ist und das durch eine Schließfeder in Richtung seiner Schließstellung vorgespannt ist. Ein mit der Steuerwelle verbundener Nocken ist zur Betätigung des Ventils vorgesehen. Die Steuerwelle ist durch einen Elektromotor um eine Längsachse der Steuerwelle hin- und herschwenkbar angeordnet. Ein um eine Schwenkachse schwenkbares Andrückelement ist durch ein Federelement vorgespannt. Das Federelement übt über das Andrückelement ein Drehmoment auf die Steuerwelle aus. Das momentan ausgeübte Drehmoment hängt von der Schwenkstellung des Nockens ab. Das Andrückelement wird mit der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle um seine Schwenkachse hin und her mitverschwenkt. Wesentlich ist, dass das auf die Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoments des Andrückelements größer ist als das durch die Steuerwelle und den Nocken gebildete, auf die Längsachse der Steuerwelle bezogene Massenträgheitsmoment.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruches 1.

Ein derartiger Ventiltrieb ist aus der DE 101 40 461 A1 bekannt. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle mechanisch über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Spritverbrauchs würde es erhebliche Vorteile bringen, die Ventile der einzelnen Zylinder, zumindest aber die Einlassventile und die Auslassventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen elektromagnetischen Ventiltrieb möglich. Bei einem elektromagnetischen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht. Bei einem Grundtyp sind einem Ventil oder einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden. Derartige Ventiltriebe sind jedoch regelungstechnisch schwer beherrschbar. Bei dem anderen Grundtyp ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin und her schwenkbar ist. Man spricht hierbei auch von dem sogenannten „Drehaktuatorprinzip". Bei der eingangs genannten DE 101 40 461 A1 wirkt der Nocken auf einen Kipphebel. Vom Kipphebel wird dann die vom Nocken erzeugte Öffnungskraft auf das Ventil übertragen. An einem Ende der Steuerwelle ist ferner ein hebelartiges Element vorgesehen, das die Form einer "Handkurbel" hat. Ferner ist eine Schenkelfeder vorgesehen, die einen abstehenden Federarm aufweist, der gegen das hebelartige Element drückt. Der Federarm der Schwenkfeder übt ein Drehmoment auf die Steuerwelle bzw. auf den Nocken aus. Das Drehmoment hängt von der Stellung des hebelartigen Elements, d.h. von der Schwenkstellung der Steuerwelle ab.

Wie bereits erwähnt, schwenkt die Steuerwelle mit dem Nocken bei einem Ventiltrieb, wie er in der DE 101 40 461 A1 beschrieben ist, zyklisch hin und her. Es findet also permanent eine Drehrichtungsumkehr statt. Der Elektromotor muss hierbei die Steuerwelle und den Nocken und das daran befestigte hebelartige Element aus dem Ruhezustand auf eine relativ hohe Drehgeschwindigkeit beschleunigen. Beim Öffnen des Ventils wird der Elektromotor zwar von der Schenkelfeder unterstützt, er muss dabei jedoch gegen die Kraft der Schließfeder arbeiten, was eine relativ hohe elektrische Leistung erfordert. Ein wesentliches Problem hierbei ist, dass bei der Beschleunigung der Steuerwelle, des Nockens und des mit der Steuerwelle verbundenen hebelartigen Element der Elektromotor jedes Mal aus dem Ruhezustand "startet". Es dauert bei jedem Zyklus eine gewisse Zeit, bis der Elektromotor eine Drehzahl erreicht, bei ab der der Elektromotor mit einem günstigem elektrischen Wirkungsgrad arbeitet. Insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad des Elektromotors relativ ungünstig, was zu einem hohen Energieverbrauch führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nach dem „Drehaktuatorprinzip" arbeitenden elektrischen Ventiltrieb zu schaffen, der hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventil, das axial verschieblich zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung angeordnet ist. Durch eine Schließfeder ist das Ventil in Richtung seiner Schließstellung vorgespannt. Ferner ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, welcher das Ventil betätigt. Die Steuerwelle ist mit einem Elektromotor gekoppelt, der die Steuerwelle um eine Längsachse hin und her schwenkt. Ferner ist ein schwenkbar angeordnetes "Andrückelement" vorgesehen, das durch eine Feder vorgespannt ist. Das durch die Feder vorgespannte Andrückelement übt auf die Steuerwelle ein Drehmoment aus. Das momentan auf die Steuerwelle ausgeübte Drehmoment hängt von der Schwenkstellung des Nockens ab. Bei der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle wird das Andrückelement ebenfalls um seine Schwenkachse hin und her mitverschwenkt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die für die Ventilbetätigung erforderliche Energie bzw. die für die Ventilbetätigung erforderliche elektrische Leistung ganz wesentlich vom Verhältnis der Massenträgheitsmomente der "schwenkbaren Ventiltriebkomponenten" abhängt. Je größer das Massenträgheitsmoment der Steuerwelle und des Nockens, desto mehr Leistung muss vom Elektromotor für die Beschleunigung der Steuerwelle und des Nockens bereit gestellt werden. Beim Öffnen des Ventils wird die Beschleunigung der Steuerwelle und des Nockens durch das durch die Feder vorgespannte Andrückelement unterstützt. Wenn das Ventil geschlossen ist, dann ist die Feder maximal gespannt. Im Versuch kann nachgewiesen werden, dass sich insbesondere das Massenträgheitsmoment des Andrückelements bzw. das durch die Feder und das Andrückelement gebildete Massenträgheitsmoment entscheidend auf die für den Betrieb des Elektromotors erforderliche elektrische Leistung auswirkt. Ein guter "elektrischer Wirkungsgrad" wird erreicht, wenn das auf seine Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoment des Andrückelements größer ist als das durch die Steuerwelle und den Nocken gebildete, auf die Längsachse der Steuerwelle bezogene Massenträgheitsmoment.

Das Andrückelement wird also "massiver" ausgeführt, als es für die Übertragung der durch die Feder erzeugten Vorspannkraft eigentlich erforderlich wäre.

Bei der Auslegung des Elektromotors ist es günstig, die maximale Drehzahl des Elektromotors nicht zu hoch anzusetzen. Zwar könnte bei einer Vergrößerung des Massenträgheitsmoments der Steuerwelle und des Nockens die maximale Drehzahl des Elektromotors herabgesetzt werden. Wie bereits erwähnt, verringert sich jedoch mit der Zunahme des Massenträgheitsmoments der Steuerwelle und des Nockens die Dynamik des Ventiltriebs, da das Massenträgheitsmoment der Steuerwelle und des Nockens auch in den „stabilen Endlagen", d.h. aus den Ruhestellungen der Steuerwelle heraus erst elektrisch durch den Elektromotor und anschließend zusätzlich mechanisch durch die Federn beschleunigt werden muss. Ebenso muss dieses Massenträgheitsmoment bei einem "Minihubbetrieb" elektrisch beschleunigt werden.

Eine Vergrößerung des Massenträgheitsmoments des Andrückelements hingegen hat den Vorteil, dass das Andrückelement beim Öffnen des Ventils gerade nicht allein durch den Elektromotor aus der Ruhelage heraus beschleunigt werden muss, sondern durch das Federelement mit bewegt wird.

Während einer ersten Phase des Öffnungsvorgangs des Ventils wird zunächst die Steuerwelle und der Nocken durch den Elektromotor auf eine gewisse Geschwindigkeit beschleunigt, ohne dass das Ventil bereits geöffnet wird. Während dieser ersten Phase wird das Andrückelement mit beschleunigt und speichert somit eine gewisse Menge Drehenergie. Während der zweiten Phase beginnt die eigentliche Öffnungsbewegung des Ventils, in der das Ventil entgegen der Schließfederkraft des Ventils geöffnet wird. Die für das Öffnen des Ventils erforderliche Energie wird dabei primär durch das Federelement und die im Andrückelement gespeicherte „Bewegungsenergie" aufgebracht.

Durch eine Erhöhung des Massenträgheitsmoments des Andrückelements wird entsprechend mehr kinetische Energie im Andrückelement gespeichert. Dieser Teil der Energie muss nicht mehr in der Nockenwelle gespeichert werden. Anders ausgedrückt wird gemäß der Erfindung ein Teil der für die Ventilöffnung erforderlichen Energie von der Nockenwelle auf das Andrückelement "verlagert". Dies ermöglicht eine Herabsetzung der für die Ventilöffnung erforderlichen maximalen Steuerwellendrehzahl. Die Vergrößerung des Massenträgheitsmoments des Andrückelements wirkt in diesem Betriebszustand wie eine Erhöhung des Massenträgheitsmoments der Steuerwelle. Da der "Drehaktor" aus den beiden Endlagen heraus elektrisch beschleunigt werden muss, ist insbesondere zu Beginn der Beschleunigungsbewegung ein niedriges Massenträgheitsmoment sowohl hinsichtlich der Aktordynamik als auch hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs günstig.

Ein weiterer mit der Erfindung erreichter Vorteil liegt darin, dass mit der Erfindung die mittlere Drehzahl des Elektromotors in einen höheren Drehzahlbereich verschoben wird. Dadurch sinken die Ohmschen Verluste, insbesondere beim Beschleunigen des Elektromotors aus niedrigen Drehzahlen heraus, was zu einer Verbesserung des elektrischen Gesamtwirkungsgrades führt. Damit sinkt der Gesamtenergieverbrauch und die abzuführende Verlustwärme.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Federelement eine Torsionsfeder. Hierbei kann es sich um einen Torsionsfederstab handeln, dessen erstes Ende fest eingespannt ist, z.B. an einem Aktorgehäuse befestigt ist und an dessem anderen Ende das Andrückelement befestigt ist und im Wesentlichen senkrecht vom Torsionsfederstab absteht. Der Torsionsfederstab kann parallel in Bezug auf die Steuerwelle und somit sehr platzsparend angeordnet sein.

Vorzugsweise wird das "erhöhte" Massenträgheitsmoment des Andrückelements durch eine Massenkonzentration an dem der Torsionsfeder abgewandten Ende erreicht. Hierdurch ergibt sich ein relativ hohes Massenträgheitsmoment bei vergleichsweise geringer Gesamtmasse des Andrückelements. Das Andrückelement kann beispielsweise aus einem plattenförmigen Bauteil hergestellt sein und eine geschlossene Kontur mit einer Ausnehmung im Mittelbereich aufweisen. Das Andrückelement kann ein Stanzteil sein. Insbesondere kann die Ausnehmung im Mittelbereich ausgestanzt sein.

Wie bereits erwähnt, ist gemäß der Erfindung das auf seine Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoment des Andrückelements größer als das durch die Steuerwelle und den Nocken gebildete, auf die Längsachse der Steuerwelle bezogene Massenträgheitsmoment. Ein besonders günstiges Massenträgheitsmomentenverhältnis ergibt sich, wenn das auf seine Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoment des Andrückelements um einen Faktor, der im Bereich zwischen 1,7 und 2,3 liegt, größer ist als das durch die Steuerwelle und den Nocken gebildete, auf die Längsachse der Steuerwelle bezogene Massenträgheitsmoment.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen elektrischen Ventiltrieb mit Drehaktor gemäß dem Stand der Technik, wie er aus der DE 101 40 461 A1 bekannt ist;
2 ein durch eine Torsionsfeder vorgespanntes Andrückelement gemäß der Erfindung;
3 ein Drehzahl-Drehwinkel-Diagramm zur Erläuterung des mit der Erfindung erreichten Energieeinsparpotenzials.
1 zeigt einen Drehaktuator wie er aus der DE 101 40 461 A1 bekannt ist. Der Inhalt der DE 101 40 461 A1 wird hiermit in vollem Umfang in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sämtliche in der DE 101 40 461 A1 beschriebenen Merkmale auch Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind.
1 zeigt einen elektrischen Ventiltrieb 1, der auf dem Drehaktorprinzip beruht. Ein axial verschieblich angeordnetes Ventil 2 wird durch eine Schließfeder 3 in die hier gezeigte Schließstellung vorgespannt. Am Schaftende des Ventils 2 ist ein Kipphebel 4 angeordnet. Ferner ist eine Steuerwelle 5 mit einem auf den Kipphebel 4 wirkenden Nocken 6 vorgesehen. Die Steuerwelle 5 mit dem Nocken 6 wird durch einen Elektromotor 7 hin und her geschwenkt. Ferner ist ein hebelartiges Element 8 vorgesehen, gegen das ein Arm 9 einer Schenkelfeder 10 drückt. Die Schenkelfeder 10 übt somit auf die Steuerwelle 5 ein Drehmoment aus, das abhängig von der Schwenkstellung der Steuerwelle 5 ist. Bei der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle 5 und des Nockens 6 wird auch der Arm 9 der Schenkelfeder 10 entsprechend der Bewegung des hebelartigen Elements 8 mit bewegt. Bei dem in 1 gezeigten Drehaktuator ist das Massenträgheitsmoment des Arms 9 der Schenkelfelder 10 im Vergleich zur Steuerwelle 5 und des Nockens 6 vergleichsweise klein.
Eine Senkung der für die Ventilsteuerung erforderlichen Motorleistung bzw. eine Senkung der für die Ventilsteuerung erforderlichen elektrischen Energie kann dadurch erreicht werden, dass ein "Arm" bzw. ein mit dem Hebelelement 8 zusammenwirkendes "Andrückelement" verwendet wird, das eine "höhere" Massenträgheit hat. Dadurch kann zum einen die für die Ventilsteuerung erforderliche maximale Motordrehzahl bzw. die Leerlaufdrehzahl des Elektromotors verringert werden. Anders ausgedrückt ergibt sich dadurch ein verbesserter elektrischer Gesamtwirkungsgrad.
2 zeigt eine gemäß der Erfindung verbesserte Anordnung. Anstatt der in 1 gezeigten Schenkelfeder ist bei der Anordnung der 2 ein Torsionsstab 11 vorgesehen, dessen eines Ende 12 fest eingespannt ist, z.B. an einem hier nicht näher dargestellten Aktorgehäuse. Am anderen Ende 13 des Torsionsstabs 11 ist ein "Andrückelement 14" befestigt, das gegen ein hebelartiges Element 15 drückt, das fest mit der Steuerwelle 5 verbunden ist und somit mit der Steuerwelle 5 durch einen in 2 nicht dargestellten Elektromotor hin und her verschwenkt wird. Das hebelartige Element 15 ist exzentrisch zur Steuerwelle 5 angeordnet. Das Andrückelement 14 weist in Bezug auf seine Schwenkachse, d.h. in Bezug auf die Längsachse des Torsionsstabs 11 ein hohes Massenträgheitsmoment auf, das primär durch eine lokale "Massenkonzentration" im Bereich des freien Endes 16 des Andrückelements erreicht wird. Das Massenträgheitsmoment des Andrückelements 14 ist größer als das durch die Steuerwelle 5 und das hebelartige Element 15 gebildete auf die Längsachse 17 bezogene Massenträgheitsmoment. Das Andrückelement weist aber eine vergleichsweise geringe Gesamtmasse auf, was durch eine Ausnehmung 18 im Mittelbereich des Andrückelements 14 erreicht wird. Das Andrückelement 14 ist also durch eine geschlossene Kontur gebildet.
3 zeigt ein Diagramm, in dem die Drehzahl der Steuerwelle über dem Drehwinkel der Steuerwelle aufgetragen ist. Qualitativ entspricht die Kurve 21 den Verhältnissen bei einem Drehaktuator gemäß dem Stand der Technik, wie er z.B. in 1 dargestellt ist. Der Kurvenverlauf der Kurve 22 entspricht qualitativ einem Drehaktuator gemäß der Erfindung. Wenn das Ventil ganz geschlossen ist und sich die Steuerwelle und der Nocken in ihrer Ruhestellung befinden, dann entspricht dies einem Drehwinkel 0. Im Bereich zwischen 0 und α₁ wird die Steuerwelle und der Nocken durch den Elektromotor und durch die Feder bzw. das Andrückelement beschleunigt. Im Drehwinkelbereich zwischen 0 und α₁ wird ca. 1/4 bzw. 1/3 der in der Feder gespeicherten mechanischen Energie in kinetische Energie des Andrückelements umgewandelt. Das Ventil ist bis zum Drehwinkel α₁ noch vollständig geschlossen. Anschaulich ausgedrückt holen die Steuerwelle und der Nocken im Drehwinkelbereich zwischen 0 und α₁ Schwung, um dann im Drehwinkelbereich zwischen α₁ und α₂ das Ventil entgegen der Kraft der Schließfeder (vgl. 1) zu öffnen.
Beim Stand der Technik hat das Andrückelement eine vergleichsweise geringe Massenträgheit. Somit muss die Steuerwelle und der damit verbundene Nocken auf eine relativ große Drehzahl n₁ beschleunigt werden.
Eine Verringerung der für die Ventilbetätigung erforderlichen maximalen Drehzahl auf n₂ kann erreicht werden, wenn das auf die Schwenkachse des Andrückelements bezogene Massenträgheitsmoment des Andrückelements vergrößert wird, insbesondere wenn es größer ist als das durch die Steuerwelle und den Nocken gebildete, auf die Längsachse der Steuerwelle bezogene Massenträgheitsmoment. Wie aus 4 ersichtlich ist, wird die "Stellmotorkurve" wesentlich flacher. In Bezug auf die maximale Motordrehzahl n₁ bzw. n₂ ist die "mittlere" Betriebsdrehzahl, bei der der Elektromotor arbeitet, bei einem Andrückelement mit vergrößerter Massenträgheit größer als beim Stand der Technik. Absolut betrachtet kann die mittlere Arbeitsdrehzahl bei einem Drehaktor gemäß der Erfindung zwar kleiner sein. Die auf die maximale Motordrehzahl bzw. auf die Leerlaufdrehzahl bezogene mittlere Betriebsdrehzahl ist jedoch größer. Das Verhältnis zwischen mittlerer Betriebsdrehzahl und maximaler Motordrehzahl n₁ bzw. n₂ wiederum ist entscheidend für die "Wirtschaftlichkeit" des Elektromotors. Durch eine Vergrößerung der Massenträgheit des Andrückelements, d.h. bei einer flacheren Drehzahl-Drehwinkel-Kennlinie ergibt sich insgesamt ein besserer elektrischer Gesamtwirkungsgrad.

Claims

Ventiltrieb (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventil (2), das axial verschieblich zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung ist und das durch eine Schließfeder (3) in Richtung seiner Schließstellung vorgespannt ist, einem mit der Steuerwelle (5) verbundenen Nocken (6), der zur Betätigung des Ventils (2) vorgesehen ist, wobei die Steuerwelle (5) durch einen Elektromotor (7) um eine Längsachse (17) der Steuerwelle (5) hin und her schwenkbar angeordnet ist, einem um eine Schwenkachse schwenkbaren Andrückelement (14), das durch ein Federelement (11) vorgespannt ist, wobei das Federelement (11) über das Andrückelement (14) ein Drehmoment auf die Steuerwelle (5) ausübt und das momentan ausgeübte Drehmoment von der Schwenkstellung des Nockens (6) abhängt, und wobei das Andrückelement (14) mit der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle (5) ebenfalls um seine Schwenkachse hin und her miterschwenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoments des Andrückelements (14) größer ist als das durch die Steuerwelle (5) und den Nocken (6) gebildete, auf die Längsachse (17) der Steuerwelle (5) bezogene Massenträgheitsmoment.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das Federelement (11) eine Torsionsfeder ist.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Federelement ein Torsionsfederstab (11) ist, der ein erstes Ende (12) aufweist, das fest eingespannt ist, und ein zweites Ende (13) an dem das Andrückelement (14) befestigt ist und senkrecht von dem anderen Ende (13) absteht.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 3, wobei der Torsionsfederstab (11) parallel zur Steuerwelle (5) angeordnet ist.
Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein bezüglich der Steuerwelle (5) exzentrisch angeordnetes und mit der Steuerwelle (5) fest verbundenes Teil (5) vorgesehen ist, gegen das das Andrückelement (14) drückt.
Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Massenmittelpunkt des Andrückelements in Bezug auf den Flächenmittelpunkt seiner Projektion näher bei dem der Torsionsfeder (11) abgewandten Ende (16) des Andrückelements (14) liegt.
Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Andrückelement (14) eine geschlossene Kontur mit einer Ausnehmung in ihrem Mittelbereich aufweist.
Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Andrückelement (14) ein Stanzteil ist.
Ventiltrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das auf seine Schwenkachse bezogene Massenträgheitsmoment des Andrückelements (14) um einen Faktor, der im Bereich zwischen 1,7 und 2,3 liegt, größer ist als das durch die Steuerwelle (5) und den Nocken (6) gebildete, auf die Längsachse (17) der Steuerwelle (5) bezogene Massenträgheitsmoment.