DE102008019815A1 - Elektromotorischer Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen mit Linearmotor - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektromotorischer Ventiltrieb (EMVT) mittels Linearmotor vorgeschlagen, bei dem in einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß der Ventilschaft eines Gaswechselventils in seinem distalen Abschnitt eine axiale Durchbohrung aufweist, die einen Druckausgleich vom Brennraum des Zylinders zu einem vor einem Linearmotor platzierten und damit in Strömungsverbindung stehendem Druckraum aufweist, wobei der Kolben der im Zylinder des Druckraumes läuft, kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden ist, so dass durch den nun geschaffenen Druckausgleich P - je nach motorischen Gegebenheiten - immer gleich P' ist, so dass der Linearmotor, dessen Läufer ebenfalls kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden ist, nur noch die relativ geringen dynamischen Kräfte der Druckfeder zur Ventilsteuerung überwinden muss. So reduzieren sich gegenüber den ansonsten zur Ansteuerung der Gaswechselventile von EMTV erforderlichen extrem hohen Kraft- und Energiedichten wesentlich, was zu einer insgesamt besseren Energiebilanz führt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Elektromotorischen Ventiltrieb (EMVT) mit Linearmotor nach der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
• Ventilsteuerungen der zuvor genannten Art sind in unterschiedlichen Technologien und Ausführungsformen bekannt, wobei aber bisher keine Serienanwendungen bekannt sind.
• Der im Stand der Technik beschriebene Feder-Masse-Schwinger (Schwingankerprinzip) ist zwar hinsichtlich der Öffnungs- und Schließzeiten eines Ventils vollvariabel, nicht aber hinsichtlich deren Hübe. Diese Nachteile entfallen mit einem Linearmotor als Aktuator, der eine vollvariable Ventilsteuerung der Öffnungs- und Schließzeiten als auch des Ventilhubs zulässt. Beide Systeme sind bisher steuerungsmäßig noch schwer zu beherrschen. Weiter müssen die Systeme bisher sehr großbauend ausgeführt werden, da extrem hohe Ventilöffnungskräfte zu überwinden sind.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Ventilsteuerung vorzuschlagen, die die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch eine bessere Energiebilanz beinhaltet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer ersten Ausführungsform der Ventilschaft eines Gaswechselventils in seinem distalen Abschnitt eine axiale Durchbohrung aufweist, die einen Druckausgleich vom Brennraum des Zylinders zu einem vor einem Linearmotor platzierten und damit in Strömungsverbindung stehendem Druckraum aufweist, wobei der Kolben der im Zylinder des Druckraumes läuft, kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden ist, so dass durch den nun geschaffenen Druckausgleich P je – nach motorischen Gegebenheiten – immer gleich P' ist, so dass der Linearmotor, dessen Läufer ebenfalls kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden ist, nur noch die relativ geringen dynamischen Kräfte der Druckfeder zur Ventilsteuerung überwinden muss. So reduzieren sich gegenüber den ansonsten zur Ansteuerung der Gaswechselventile von EMTV erforderlichen extrem hohen Kraft- und Energiedichten wesentlich, was zu einer insgesamt besseren Energiebilanz führt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die nach der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art von diesem Anspruch abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
• In folgendem wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit drei Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 einen vereinfachten Längsschnitt der Ventilsteuerung (1).
• Linearmotoren haben zur Steuerung von Gaswechselventilen gegenüber EMTV nach dem Feder-Masse-Prinzip (Schwingankerprinzip) viele Vorteile:
  Variabler Ventilhub, aktives Abbremsen des Ventils, einfachere Steuerung der Auftreffgeschwindigkeit, allg. Steuerbarkeit wie Geschwindigkeit und Position des Ventils über den gesamten Ventilweg, aktives Abbremsen des Ventils, adaptives Einstellen der Ventilkraft und ein kleiner konstanter Luftspalt über den gesamten Arbeitsbereich.
• Bisher waren zur Ansteuerung von Gaswechselventilen, insbesondere durch den Gasgegendruck, sehr hohe Kraft- und Energiedichten erforderlich. Die Entwicklung zeigt einen Weg auf, dass die Kraft- und Energiedichten erheblich dadurch reduziert werden können, dass der Ventilschaft (4) der mit dem Läufer (2) des Linearmotors (20) kraft- oder formschlüssig verbunden ist, den axial verlaufenden Ventilschaftkanal (12) mit dem Kolbenkanal (15) oder der Ventilschaftquerbohrung (18) aufweist, wodurch der Brennraum (10) des Zylinders (9) mit dem Druckraum (5) des Druckraumzylinders (14) so in Strömungsverbindung steht, dass der Druck P im Brennraum des (10) bei allen motorischen Gegebenheiten immer gleich dem Druck P' im Druckraum (5) ist, so dass der Linearmotor (20) lediglich die dynamischen Kräfte der Druckfeder (7) überwinden muss, die sich gegen das Widerlager (17), welches kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft (4) verbunden, abstützt. Dies führt zu wesentlichen Verbesserungen in der allgemeinen Beherrschung der Steuerbarkeit der Gaswechselventile, bei einer spürbar besseren Energiebilanz. Anstatt des Ventilschaftkanal s (12) kann auch eine direkte externe Druckleitung vom Zylinder (9) zum Druckraum (5) als Strömungsverbindung eingesetzt werden, um evtl. thermische Probleme besser zu beherrschen. Die Entwicklung kann auch unmittelbar auf EMVT nach dem Schwingankerprinzip und leicht modifiziert auf klassische Nockenwellentriebe übertragen werden.
• 2 Modifikation bei der sich die Druckfeder (7) im Druckraumzylinder (14) gegen die Unterseite des Kolbens (6) abstützt.
• 3 eine Modifikation bei der sich der Druckraumzylinder (14), dem Kolben (6) und dem Druckraum (5) oberhalb des Linearmotors (20) angeordnet ist und durch einen axial durchgehend geführten Ventilschaftkanal (12) mit dem Brennraum (10) in Strömungsverbindung steht.

1

Ventilsteuerung

2

Läufer

3

Stator

4

Ventilschaft

5

Druckraum

6

Kolben

7

Druckfeder

8

Ventilteller

9

Zylinder

10

Brennraum

11

Druckraumkolben

12

Ventilschaftkanal

13

Belüftungsöffnung

14

Druckraumzylinder

15

Kolbenkanal

16

Druckraumzylinderbuchse

17

Widerlager

18

Ventilschaftquerbohrung

20

Linearmotor

Claims (3)

1. Ventilsteuerung bzw. Aktuator zur Steuerung eines Stellgliedes, insbesondere eines Gaswechselventils von Brennkraftmaschinen mit Linearmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (4) den axial verlaufenden Ventilschaftkanal (12) mit dem Kolbenkanal (15) oder der Ventilschaftquerbohrung (18) aufweist, wobei diese oder nach 3 der Ventilschaftkanal (12) direkt in den Druckraum (5) einmündet, so dass der Brennraum (10) und der Druckraum (5) in Strömungsverbindung stehen und der kraft- oder formschlüssig mit dem Ventilschaft (4) verbundene Kolben (6) im Druckraumzylinder (14) läuft und der Ventilschaft (4) die Druckraumzylinderbuchse (16) hermetisch dicht durchläuft, wobei sich die Druckfeder (7) gegen das Widerlager (17) oder nach 2 im Druckraumzylinder (14) gegen die Unterseite des Kolbens (6) abstützt und der Ventilschaft (4) in seinem oberen Abschnitt den kraft- oder formschlüssig damit verbundenen Läufer (2) aufweist, der im Stator (3) des Linearmotors (20) läuft, wobei der Ventilschaftkanal (12), der Kolbenkanal (15) bzw. die Ventilschaftquerbohrung (15) auch entfallen kann und durch eine äußere Strömungsverbindung zwischen dem Brennraum (10) und dem Druckraum (5) ersetzt werden kann und der Druckraumzylinder (14) und der Linearmotor (20) in die Luft- und/oder Ölkühlung der Brennkraftmaschine einbezogen sind.
2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) denselben Durchmesser wie der Ventilteller (8) hat bzw. auch kleiner oder größer sein kann.
3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (20) durch einen EMVT nach dem Feder-Masse-Schwinger Prinzip oder durch einen Nockenwellentrieb ersetzt wir.