DE4035376C2 - Betätigungseinrichtung für ein Hubventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für ein einen Ventilschaft aufweisendes Hubventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Betätigungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind in einer Vielzahl von Ausführungen auch unter Verwendung von Tassenstößeln bekannt, die zum hydraulischen Ventilspielausgleich eingerichtet sind. In der letzten Zeit geht insbesondere bei Fahrzeuge antreiben­ den Brennkraftmaschinen die Tendenz dahin, durch Steuerung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte sowie der Öffnungsdauer der Ventile eine optimale Ausnutzung des Kraftstoffs sowie einen minimalen Schadstoffgehalt der Abgase anzustreben. Bei Betätigungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art, also mit auf einer von der Maschine ange­ triebenen Nockenwelle angeordneten mechanischen Nocken, macht ein derartiges "Ventilmanagement" konstruktive Schwierigkeiten, da es in der Regel nicht ausreicht, die Nockenwelle beispielsweise durch Maßnahmen im Bereich des Riementriebs zwischen ihr und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Winkellage gegenüber der Kurbelwelle zu verstellen, sondern die einzelnen Nocken insbesondere hinsichtlich ihrer Breite verstellbar sein müssen.

Außerdem ist eine Verstellbarkeit in dem Umfange, wie sie im gesamten Kennfeld einer Brennkraftmaschine nötig wäre, so nicht zu erreichen.

Derartige Schwierigkeiten treten beispielsweise bei elektromagne­ tisch im Öffnungssinne betätigbaren Ventile nicht auf, wie sie beispielsweise aus der DE 37 12 712 A1 bekannt sind. Hier wird eine Elektromagnetspule, die mit einem Magnetanker am Ventilschaft zusammenwirkt, über einen Mikroprozessor so angesteuert, daß die Öffnungsbewegung des Ventils, seine Öffnungszeit und der Zeitpunkt, in dem das Ventil von der magnetischen Kraft zum Schließen durch eine Schließfeder freigegeben wird, den jeweiligen Erfordernissen entspricht. Ein grundlegender Nachteil einer derartigen Ventilanord­ nung ist aber in dem hohen Energieaufwand zu sehen, der in Gestalt von elektromagnetischer Energie sowohl für die Öffnungsbewegung des Ventils als auch für das Halten desselben in der Öffnungsstellung bei jeder Ventilbetätigung aufzubringen ist. Dabei ist zu berücksich­ tigen, daß die Öffnungsbewegung entgegen der Kraft der stets auf das Ventil wirkenden Rückstellfeder vorzunehmen ist.

Diesen Nachteil eines relativ großen Energieaufwands - wenn auch in etwas verringertem Maße - weisen auch die Konstruktionen nach den DE 26 30 512 A1 und DE 37 08 373 C1 auf, in denen das Ventil gleich­ sam zwischen zwei in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Federn eingespannt ist und einen Magnetanker trägt, der im Luftspalt zwischen zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgenden, abwechselnd erregten Elektromagneten angeordnet ist. Je nachdem, welcher dieser beiden Elektromagneten jeweils elektrisch erregt ist, wird das Ventil in seiner Öffnungs- oder seiner Schließstellung eingefangen oder arretiert; sobald der jeweils erregte Elektromagnet abgeschaltet wird, bewegt sich das Ventil unter der Wirkung einer der beiden Federn, die zuvor gespannt war, in seine andere Stellung, in der es durch Erregung des anderen Elektromagneten festgehalten wird. Hier wird also zwar die kinetische Energie des Ventils, die ihm bei Betriebsbeginn einmal über die Elektromagneten zugeführt werden muß, gleichsam in dem Federsystem gespeichert, jedoch muß in jeder der beiden Extremstellungen des Ventils elektrische Energie zum Halten des Ventils in dieser Stellung entgegen der Wirkung einer der beiden Federn, die dann gespannt ist, aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Betätigungseinrichtung so weiterzubilden, daß unter Vermeidung einer komplizierten Konstruktion sowie unter Vermeidung eines großen, insbesondere in Kraftfahrzeugen hinsichtlich der begrenzten Batteriekapazität kritischen Energieaufwands die besonders interessie­ renden Zeitgrößen des Ventils - Ventilöffnungsdauer, Ventilschließ­ zeitpunkt - im Betrieb der jeweiligen Maschine optimiert werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei der Erfindung wird zur Erzielung der Öffnungsbewegungen des Ventils also die bewährte Lösung mit einem Nocken und einer Nocken­ welle beibehalten, d. h. eine Umsetzung in elektrische Energie zur Speisung von Magnetspulen und die erneute Umsetzung dieser Energie in kinetische Energie des Ventils erübrigen sich. Aus energetischen Gründen ist der Einsatz eines Nocken zur Erzeugung der Öffnungsbewegung des Ventils optimal. Die Magnetspule braucht nun lediglich zum Arretieren des Ventils in seiner Öffnungsstellung ausgelegt und mit elektrischer Energie versorgt zu werden, wobei allerdings Auslegung und Energieaufwand so bemessen sein müssen, daß das Arretieren des Ventils in seiner Öffnungsstellung entgegen der Wirkung der dann gespannten Schließfeder sichergestellt ist. Von entscheidender Bedeutung für Auslegung und Energiebelieferung der Magnetspule ist aber, daß sie nur während der Öffnungsphasen des Ventils und nur zum Halten desselben in der Öffnungsstellung wirksam ist, während die Schließbewegung des Ventils durch die sich dabei entspannende Schließfeder und die Öffnungsbewegung des Ventils durch den Nocken bewerkstelligt werden.

Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination ergibt sich also die besonders einfache Steuerung oder Regelung von Ventilbetätigungs­ zeiten, wie sie an sich rein elektromagnetisch arbeitenden Betäti­ gungseinrichtungen eigen ist, ohne daß ein nachteiliger großer Energieaufwand für die elektromagnetischen Betätigungseinrichtungen oder aber eine komplizierte Konstruktion für einen verstellbaren Nocken in Kauf genommen werden muß. Bei Einsatz der Erfindung in einer Brennkraftmaschine kann auf eine Drosselklappe zur Lei­ stungsregelung verzichtet werden.

Sieht man einen unverstellbaren Nocken bzw. eine nicht in ihrer Winkellage verstellbare Nockenwelle vor, ergibt sich hinsichtlich der Steuer- bzw. Regelbarkeit der Ventilbetätigungszeitpunkte nur die Einschränkung, daß der Beginn des Öffnens des Ventils festliegt; Ventilöffnungsdauer und Ventilschließzeitpunkt sind dagegen wählbar. Will man auch hinsichtlich des Öffnungszeitpunkts des Ventils Freiheit haben, muß man zusätzlich eine Verstellbar­ keit der Nockenwelle vorsehen.

Wie bereits aus dieser ersten Erläuterung der Erfindung folgt, wird man gemäß Patentanspruch 3 den Nocken für minimale Öffnungsdauer des Ventils auslegen, so daß die Schließbewegung des Ventils in diesem Grenzfall (bei einer Brennkraftmaschine Vollast bei niedriger Drehzahl) der Kontur der hinteren Flanke des Nockens folgt, nämlich unter der Wirkung der Schließfeder, nachdem durch Abschalten der Magnetspule das Ventil für die Schließbewegung freigegeben worden ist. In allen anderen Fällen, d. h. bei längeren Ventilöffnungszeiten, ist es dann zweckmäßig, beispielsweise entsprechend Anspruch 4 für eine hydraulische Dämpfung der letzten Phase der Schließbewegung des Ventils zu sorgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und seine Wirkungsweise werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ladungswechselventil einer Brennkraft­ maschine mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung und deren Fig. 2 verschiedene Ventilbetätigungskurven wiedergeben.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so dient das allgemein mit 1 bezeichnete, den Ventilteller 2 und den Ventilschaft 3 aufweisende Ventil - hier das Einlaßventil einer Brennkraftmaschine - in üblicher Weise dazu, im Zusammenwirken mit einem im Zylinderkopf 4 der Maschine festen Ventilsitz 5 wahlweise eine Verbindung zwischen dem Einlaßkanal 6 einerseits und einem nicht bezeichneten Brennraum der Maschine andererseits herzustellen bzw. zu unterbinden. Der Ventilschaft 3 verläuft mit seinem in der Figur oberen Ende in dem einen bekannten und daher im einzelnen nicht zu beschreibenden Aufbau besitzenden Tassenstößel 7, der mit einer ebenfalls bekannten hydraulischen Einrichtung 8 zum Ventilspielausgleich versehen ist und die Auflagefläche 9 für den drehfest auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken 10 bildet. Die Nockenwelle wird in bekannter Weise von der Kurbelwelle der Maschine her angetrieben, so daß eine feste Relation bezüglich der Winkellagen von Kurbelwelle und Nockenwelle bzw. Nocken 10 sichergestellt ist.

Die Rückstellfeder 11 stützt sich mit ihrem unteren Ende an einer Auflage im Zylinderkopf 4 und mit ihrem oberen Ende an dem zumin­ dest in axialer Richtung fest mit dem Ventilschaft 3 verbundenen Ventilteller 12 ab, der zugleich einen Magnetanker für eine elektro­ magnetische Arretiervorrichtung bildet, zu der ferner die zylinder­ kopffeste Magnetspule 13 gehört. Sie steht in elektrischer Verbindung mit einem Mikrocomputer, in dem Ventilschließzeitpunkte in Abhängig­ keit von Drehzahl und Last der Maschine gespeichert sind, so daß er an die Magnetspule 13 Erregerströme liefert, die dem jeweils vorliegenden Betriebszustand der Maschine zugeordnete Öffnungszeiten und Schließzeitpunkte des Ventils 1 sicherstellen.

Die beschriebene Konstruktion arbeitet wie folgt:

Das Ventil 1 ist in seiner Schließlage dargestellt. Sobald die in Drehrichtung (Pfeilrichtung) vordere ansteigende Flanke des Nockens 10 mit der Gleitfläche 9 zusammenwirkt, drückt der Nocken das Ventil 1 entgegen der Wirkung der Schließfeder 11 in die Öffnungs­ stellung, in der das Ventil 1 durch nun erfolgende Erregung der Magnetspule 13, deren in der Figur oberer Stirnfläche der Magnet­ anker 12 jetzt gegenübersteht, gehalten wird. Auch dann, wenn der Nockenscheitel die Gleitfläche 9 verlassen hat und dieser nunmehr die bezüglich der Bewegungsrichtung des Nockens hintere Nockenflanke gegenübersteht, kann das Ventil 1 seine Öffnungsstellung noch beibehalten, sofern der Erregerstrom für die Magnetspule 13 andauert. Wird dieser Erregerstrom abgeschaltet, bedeutet dies eine Freigabe des Ventils 1 zur Bewegung in seine figürlich darge­ stellte Schließlage, die durch die in der Schließfeder 11 gespei­ cherte mechanische Kraft vorgenommen wird. Elektrische Energie wird also lediglich während der Öffnungszeit des Ventils und auch dann nur zum Halten desselben, nicht aber zum Bewegen desselben, in der Magnetspule 13 verbraucht.

Nur dann, wenn der Öffnungszeitraum des Ventils 1 seine minimale Dauer haben soll, wird die Schließbewegung des Ventils 1 durch die Kontur der hinteren Flanke des Nockens 10 bestimmt. In allen anderen Fällen ist es daher zweckmäßig, beispielsweise durch Vor­ sehen der hydraulischen Drossel 14 im hydraulischen Kreis der Ventilspielausgleichsvorrichtung 8 für eine Dämpfung kurz vor dem Aufsetzen des Ventiltellers 2 auf den Ventilsitz 5 zu sorgen.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß die hintere Nockenflanke auch so gestaltet sein kann, daß selbst im Falle der minimalen Öffnungs­ zeit des Ventils 1 dieses bei seiner Schließbewegung nicht der Kontur dieser Nockenflanke folgt, sondern in der beschriebenen Weise eine freie Bewegung ausführt.

In Fig. 2 sind verschiedene Verläufe des Ventilhubs h über dem Kurbelwellenwinkel KW dargestellt. Mit V ist der Bereich der Vollast, mit T der Teillastbereich der Maschine bezeichnet, die mit dem Ventil ausgerüstet ist. Man erkennt, daß sich mit der erfindungs­ gemäßen Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen Drehzah- und Lastwerten unterschiedliche Schließzeitpunkte und damit Öffnungsdauern des Ventils einstellen lassen. Mit n_min und n_max sind die minimale und die maximale Drehzahl im Vollastbereich V, mit n_L die Leerlaufdrehzahl bezeichnet.

Aus der Darstellung der Fig. 2 wird auch ersichtlich, daß der Nocken so ausgelegt ist, daß das Maximum des Drehmoments der Maschine bereits im unteren Drehzahlbereich, also bei n_min, erreicht wird. Dies würde bei konstanten Ventilsteuerzeiten dazu führen, daß das Drehmoment bei höheren Drehzahlen stark abnehmen würde. Durch Verzögerung des Schließzeitpunkts und damit des Einlaßschlusses können aber die Steuerzeiten bei mittleren und höheren Drehzahlen entsprechend angepaßt werden. Es ist auch möglich, das Ventil so lange in seiner Öffnungsstellung zu halten, daß ein Teil der von dem betreffenden Brennraum angesaugten Frischgasladung durch den im Brennraum hochgehenden Kolben in den Einlaßkanal 6 zurückge­ schoben wird, so daß der gewünschte Teillastarbeitspunkt der Maschine eingestellt werden kann.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Betätigungs­ einrichtung geschaffen, die mit geringem konstruktiven und energe­ tischen Aufwand eine Optimierung der Steuerzeiten des Ventils ermöglicht.

Claims (5)

1. Betätigungseinrichtung für ein einen Ventilschaft aufweisendes Hubventil, insbesonde­ re ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit einem rotierenden Nocken zum Bewegen des Ventils in eine Öffnungsstellung und einer Schließfeder zum Be­ wegen des Ventils in eine Schließstellung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (3) einen Magnetanker (12) trägt, der zusammen mit einer außerhalb des Ventils (1) angeordneten, von einem Steuergerät angesteuerten Magnetwicklung (13) eine Arretiervorrichtung für das in seine Öffnungsstellung bewegte Ventil (1) bil­ det.

2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (12) zugleich einen Federteller für die Schließfeder (11) bildet.

3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (10) für minimale Öffnungsdauer des Ventils (1) ausgelegt ist.

4. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ventilschaft (3) und Nocken (10) ein hydraulischer Tassenstößel (7) ange­ ordnet ist, dessen Hydraulikkreis eine Drossel (14) zum Dämpfen von Schließbewe­ gungen des Ventils (1) enthält.

5. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (1) das Leistungsstellglied einer Brennkraftmaschine bildet.