DE10013704A1 - Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors mit einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents

Abstract

Es wird ein Antrieb für ein Ventil eines Verbrennungsmotors beschrieben, der einen Aktuator aufweist, auf den zwei entgegen gerichtete Federkräfte einwirken, von denen eine eine Ventilfeder ist, und der durch Magentkräfte in Endstellungen bringbar ist. In die Triebverbindung zwischen Anker und Ventil ist ein hydraulisches Ventilaugleichselement (HVA) eingeschaltet. DOLLAR A Am Ventil ist elastisches Glied vorgesehen, dessen Elastizität der Elastizität des HVA und der Treibverbindung entgegen gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors mit ei­ nem elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

Ein derartiger Aktuator ist z. B. aus der EP 08 14 238 A1 bekannt.

Die Triebverbindung zwischen Anker und Ventil einschließlich des hydraulischen Spielausgleichelements weist eine gewisse Elastizität, bzw. Steifheit auf.

Die Berücksichtigung dieser Elastizität, bzw. Steifigkeit des Ventiltriebes ist bei her­ kömmlichen Motoren mit Nockenwelle gelöst. Eine wichtige Rolle spielt hierbei das hydraulische Spielausgleichselement HVA. Dieses ist so dimensioniert, daß der klei­ ne, insbesondere während der Ventilöffnung auftretende Leckfluß die gleichzeitig auftretende Ventilausdehnung im Warmlauf des Motors kompensiert. Man spricht hier von Wegverlust. Dieser ist bei kleinen Drehzahlen oder großen Ventilöffnungs­ zeiten erheblich größer als bei hohen Drehzahlen. Der Wegverlust bewirkt, daß beim Ventilschließen das Ventil mit endlicher Geschwindigkeit aufsetzt und der Kipphebel einen kleinen Freihub macht, der dann während der Schließphase des Ventils wieder über das HVA ausgeglichen wird. Da Nockenantriebe bei kleinen Drehzahlen kleine­ re Ventilbewegungsgeschwindigkeiten besitzen wird hier der größere Wegverlust ausgeglichen, das heißt er wirkt sich nicht nachteilig aus.

Die Sachlage ist bei elektromagnetischen Ventilsteuerungen anders. Hier kann die Steifheit durch die Kompressibilität des HVA und den unterschiedlichen Fülldruck stark schwanken. Wenn noch der Wegverlust berücksichtigt wird, können bei kleinen Drehzahlen abhängig von der Toleranz des Leckflusses Wegunterschiede zwischen 30 und 200 µm auftreten, was dann einer Differenzgeschwindigkeit von ca. 0,3- 1,0 m/s entspricht. Andererseits soll insbesondere bei kleinen Drehzahlen der Ventil­ trieb nur geringe Geräusche verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde diesem großen Differenzweg und der daraus resultierenden Differenzgeschwindigkeit beim Aufsetzen entgegenzuwirken.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung bei Verwendung eines HVA mit kleiner Elasitzität und definiertem Wegverlust, die Gegenstand einer gleichzeitig eingereich­ ten Patentanmeldung ist, die die nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist. Hier kann die Elastizität zumindest in kleinen Grenzen gehalten werden.

Ein Spielausgleichselement (HVA) weist üblicher Weise einen in einem Kolbenraum verschieblich gelagerten Kolben auf und ein druckerzeugendes Mittel fördert ein flui­ des Medium über mindestens eine Zuleitung in den Kolbenraum und erzeugt dort einen Arbeitsdruck, der den Kolben in Richtung des Ventils druckbeaufschlagt. Ge­ mäß den Merkmalen der parallel eingereichten Anmeldung weist das HVA eine Par­ allelschaltung bestehend aus einem Rückschlagventil und einem Überdruck- Schließventil auf, die mindestens eine Zuleitung mit dem Kolbenraum des Spielaus­ gleichselements verbindet.

Das erfindungsgemäße Spielausgleichselement des elektromagnetischen Aktuators hat vorteilhaft einen nahezu drehzahlunabhängigen Leckfluß und Wegverlust. Bei einem Motorstillstand entsteht kein Leckfluß, so daß sich der Kolbenraum des Spielausgleichelements nicht leert. Von Vorteil ist ferner, daß das Spielausgleich­ selement sehr klein in seinen Abmessungen ist, wodurch sich eine kleine Elastizität der Vorrichtung ergibt. Der Leckfluß ist sehr klein und ist so bemessen, daß gerade die Ventilausdehnung während eines Ventilhubs ausgeglichen wird. Dieser Wert be­ trägt bei kleinen Drehzahlen ca. 0,5 µm. Aufgrund der kleinen Elastizität und des klei­ nen Leckflusses ist der Unterschied zwischen der Ventil- und Ankeraufsetzgeschwin­ digkeit vorteilhaft gering. Um die Elastizität möglichst klein zu halten, ist der schädli­ che Raum und Weg des Kolbens des Spielausgleichselements möglichst klein zu halten. Zusätzlich ist der Fülldruck in kleinen Grenzen zu gestalten. Der Fülldruck schwankt bei einem konventionellen Motor unter Berücksichtigung des Öffnungs­ drucks des Rückschlagventils zwischen 0,3 und ca. 5,5 bar. Hier wird vorgeschlagen durch eine spezielle Einrichtung die Schwankunsbreite zweischen 4 und 6 bar zu halten.

Das oben beschriebene hydraulische Spielausgleichselement wird anhand des Aus­ führungsbeispiels der Fig. 1 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt das freie Ende eines Ankers 1 eines elektromagnetischen Aktuators. In dem freien Ende des Ankers 1 ist ein Spielausgleichselement angeordnet, welches mit dem Ventilstößel 2 über den Kolben 4 des Spielausgleichelements in Verbindung ist. Der Anker 1 weist einen Kanal 1a auf, der über eine Zuleitung 21 mit einer elek­ trisch angetriebenen Pumpe 20 in Verbindung ist. Diese kann als Freikolbenpumpe entsprechend der in der DE 100 00 045.2 beschriebenen Pumpe gestaltet werden, deren Betrieb sich automatisch ausschaltet, wenn die Motorölpumpe einen Druck von z. B. über 4 bar liefert. Der Kanal 1a erweitert sich an seinem Ende 1b auf einen grö­ ßeren Durchmesser. In diesem Bereich ist ein Filter F zur Filterung des geförderten fluiden Mediums, insbesondere Motoröl angeordnet. Das freie Ende des Ankers 1 weist eine Bohrung auf, in der das Spielausgleichselement angeordnet ist. Das Spielausgleichselement besteht aus einem zylindrischen Teil 3. In dem Teil 3 sind sowohl das Rückschlagventil sowie das Überdruck-Schließventil angeordnet. Dabei bildet das Teil 3 den Ventilsitz 16 für das Rückschlagventil sowie den Ventilsitz 17 für das Schließventil. Das Teil 3 weist an seiner zylindrischen Außenfläche eine umlau­ fende Nut 13 auf. Diese Nut 13 ist mit einer weiteren Aussparung 12 in Verbindung, welche bis in den Bereich des Endes des Kanals 1a, 1b reicht, so daß im montierten Zustand das fluide Medium vom Kanal 1a, 1b in die ringförmige Nut 13 gelangen kann. Im montierten Zustand ist das Teil 3, insbesondere mittels einer Schweißver­ bindung mit dem freien Ende 1c des Ankers 1 verbunden. Über zusätzliche Bohrun­ gen 15, 10 gelangt das fluide Medium von der Nut 13 zum Rückschlagventil 14, 15, 7 sowie zum Überdruck-Schließventil 18, 18a, 17, 9, 8, 8a. Das Ventilstellglied 14 ist eine Kugel, welche mittels einer Ringblattfeder 7 gegen den Ventilsitz 16 druckbe­ aufschlagt ist. Die Ringblattfeder 7 ist mittels einer insbesondere Punktschweißver­ bindung am Teil 3 befestigt. Das Überdruck-Schließventil hat als Ventilstellglied eine Kugel 9, welche mittels einer Feder 18, die sich mit ihrem einen Ende gegen das Ende einer Sackbohrung 18a des Teils 3 abstützt, gegen den mittels des Teils 8 gebil­ deten Ventilsitzes druckbeaufschlagt wird. Das Teil 8 weist einen Durchlaß 8a auf, über den das fluide Medium vom Kolbenraum 19 um die Kugel 9 herum zum Kanal 10 gelangen kann. Das Teil 8 wird samt Kugel 9 und Feder 18 eingesetzt und vor dem Verbinden (Schweißverbindung) derart in der Bohrung des Teils 3 positioniert, daß sich ein definierter Weg einstellt, welchen die Kugel 9 zwischen den Ventilsitzen des Überdruck-Schließventils zurücklegen muß. Die Schweißverbindung wird insbe­ sondere mittels eines Lasers realisiert. Dieser Vorgang kann automatisch mittels ei­ ner Abgleich-Laserschweißvorrichtung erfolgen.

Der Kolben 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kunststoff gefertigt und liegt mit seiner Außenseite an der Innenwand des hülsenförmigen Abschnitts 3a des Teils 3 an. Zur Abdichtung zwischen dem Kolben 4 und dem Teil 3 dient entweder, wie auf der rechten Seite des Kolbens dargestellt eine Dichtung, bestehend aus einem O- Ring 5 und einer Hülse 6. Es kann jedoch eine Dichtungslippe 25 vorgesehen sein, wie auf der linken Seite des Kolbens 4 dargestellt. Welche Art von Kunststoffmaterial vorgesehen wird, hängt von den gestellten Anforderungen ab. Bedingt durch die ge­ ringen Auslenkungen des Kolbens 4 bewegt sich die Elastomerhülse 6 nicht mit dem Kolben 4. Hierdurch entstehen keine Reibungskräfte zwischen der Hülse 6 und der Kolbenrauminnenwandung. Der Gleitdichtungsring 5 ist insbesondere aus Elastomer gefertigt und wird bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 4 gewalkt.

Der hülsenförmige Abschnitt 3a weist einen Durchlaß 3b auf, der einen Kanal 4c des Kolbens 4 mit einem Kanal 11 verbindet, wobei der Kanal 11 durch die Innenwan­ dung der Bohrung des freien Endes 1c des Ankers 1 und einer Aussparung an dem Teil 3 gebildet ist. Der Kanal 4c endet in einer runden Aussparung 4b des Kolbens 4, in dem formschlüssig das runde Ende 2a des Ventilstößels 2b beweglich einliegt. Über den Kanal 11, den Durchlaß 3b und den Kanal 4b des Kolbens 4 gelangt das Öl zwischen der Kolbenwandung und dem Bereich 2a des Ventilstößels 2, wodurch eine Schmierung dieser Verbindung erfolgt. Der Ventilstößel 1 wird mittels eines flexiblen Teils 26, welches formschlüssig in dem Kolben 4 mittels eines Kragens 26b einliegt, gehalten.

Aufgrund der Tatsache, daß der Kolben 4 und das Teil 3 sehr flach gestaltet werden kann, ist der Kolbenraum 19 sehr klein gehalten, damit sich eine kleine Elastizität des Spielausgleichselements ergibt. Dies ist insbesondere bei der Inbetriebnahme, das heißt Ölfüllung wichtig, bei der der Kolben auf dem Boden von Teil 3 aufliegt.

Das Halteelement leitet das für die Schmierung von Kolben 4 und Ventilstößel 2 ver­ wendete Öl mittels seiner Haltearme 26a in Richtung der Verlängerung zur Ventilfüh­ rung.

Wie auf der linken Seite der Fig. 1 dargestellt, kann als druckerzeugendes Mittel eine elektrisch angetriebene Pumpe 20 eingesetzt werden, die insbesondere durch die Motorölpumpe 24 unterstützt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Mo­ torölpumpe 24 über ein Rückschlagventil 22 abgesichert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 bis 9 näher erläutert.

Die Figuren der Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein bereits vorn beschriebenes HVA, das zur An­ wendung bei der Erfindung besonders geeignet ist

Fig. 2 und Fig. 3 Prinzipdarstellungen eines Antriebs in verschiedenen Betriebsstellungen ohne Einsatz der Erfindung

Fig. 4 und 5 Diagramme zur Erläuterung

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel unter prinzipieller Berück­ sichtigung der Erfindung

Fig. 7 bis Fig. 9 Ausführungsformen gemäß der Erfindung

In Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist im Prinzip ein Aktuator 100, eine Triebverbindung 200 und ein Ventil 300 gezeigt. Der Aktuator 100 besteht hier aus zwei Elektroma­ gneten 110 und 111, einem bei 113 schwenkbar gelagerten Hebel 112, in den ein Anker 114 integriert ist. Zum Aktuator 100 gehören auch eine als Drehrohr 115 ausgebildete Feder und eine Feder 116, die Ventilfeder, die das Ventil 300 über einen Ventilteller 117 in Richtung der Schließstellung beaufschlagt.

In die Triebverbindung 200 ist ein HVA 210 eingeschaltet, das über ein Rückschlag­ ventil mit einer Druckquelle (nicht dargestellt) verbunden ist, die bei nicht belastetem Kolben 212 mit Flüssigkeit (Öl) nachversorgt wird.

In Fig. 2 befindet sich der Hebel 112 in der einen Endstellung, in der er durch einen Haltestrom gehalten wird. Das Flüssigkeitsvolumen 211 ist relativ entspannt.

Wird nun, wie in Fig. 3 dargestellt, der Anker freigegeben und die Feder 115 wirkt auf den Hebel 112 ein oder der Anker bewegt sich zurück zum Schließen, so wird der Hebel 112 geschwenkt und das Flüssigkeitsvolumen 211 wird stärker belastet. Die gezeigte Stellung kann gerade die sein, bei der die Federkräfte gleich groß sind. Zum einen wird dabei das Flüssigkeitsvolumen 211 komprimiert, es entsteht zum Andern ein erhöhter Leckfluss und auch die andern Triebteile erfahren eine gewisse Stau­ chung. Die drei in gleicher Richtung nämlich eine Verkürzung ΔS der Wegstrecke zwischen Hebel 112 und Ventilschaft 310 bewirkenden Komponenten sind in Fig. 3 durch die andere Stellung des Kolbens 212 berücksichtigt.

Der Ablauf wird anhand der Diagramme der Fig. 4 und 5 näher erläutert. Fig. 4 zeigt für zwei unterschiedliche Steifheiten die Kraft-Weg-Bilanz. Im Fall A (große Steifheit) wird nach einem kleineren Weg ΔS₁ das Ventil geöffnet als im Fall B.

Die Fig. 5 zeigt für einen Fall, z. B. Fall A die Verläufe des Wegs S und der Ge­ schwindigkeit V des Ankers und des Ventils beim Öffnen Ö und Schließen S. Nach dem Loslassen des Ankers zum Zeitpunkt t_Ö bewegt sich dieser bis er bei t₁ also nach einem Weg ΔS das Ventil mitnimmt. Der Geschwindigkeitsunterschied ist zum Zeitpunkt t₁ ΔV.

Beim Schließvorgang trifft bei t₂ das Ventil auf seinem Sitz auf, während sich der An­ ker mit abnehmender Geschwindigkeit weiterbewegt bis er nach dem Weg ΔS an den Polen anschlägt. Die Anordnung nimmt wieder die Stellung der Fig. 2 ein.

Fig. 6 zeigt im Einzelnen die oben erwähnten Komponenten. Im oberen Teil ist neben dem elektromagnetischen Aktuator 100 das HVA 200' im Prinzip aufgezeigt. Dieses HVA bringt wie oben erwähnt, einen Wegverlust bedingt durch den Leckfluß, der ab­ hängig ist vom Spalt zwischen Kolben und Bohrung, der Temperatur und der Zeit­ dauer der Ventilöffnung. Er ist bei I aufgezeigt. Diese Schwankungsbreite ΔS dieses Wegverlusts kann sich bei konventionellen HVA's zwischen 10 und 140 µm bewe­ gen. Das in Fig. 1 gezeigte HVA hat einen kleinen definierten Wert von nur 2 µm.

In II ist die Kompressibilität des HVA's gezeigt, die von der Druckversorgung und dem Volumen abhängt. Die Schwankung bei konventionellen HVA's kann zwischen 10 und 60 µm betragen.

In III ist die Elastizität des mechanischen Teils 200" der Triebverbindung aufgetra­ gen, die nur wenige µm ausmacht.

IV zeigt die künstlich erzeugte Elastizität des Ventilschaftes oder Ventils 300, welche den Elastizitäten I-III entgegenwirkt.

In der Summe schwanken konventionelle HVA's zwischen 30 und 200 µm. Dagegen schwankt das oben beschriebene HVA nur zwischen 8.-10 µm. Für eine optimale Einregelung ist dieser Wert jedoch immer noch zu hoch, weshalb auch bei diesem HVA die Erfindung vorzugsweise zum Einsatz kommt.

Fig. 7 zeigt ein Ventil mit hohlem Schaft 301, welches eine größere Elastizität besitzt als ein Vollventil. Die dazu benötigten Wandstärken sind klein.

Fig. 8 zeigt eine Ausführung bei der ein gegebenenfalls biegsamer Stößel 320 mit dem Ventilschaft 301', z. B. durch Schweißen verbunden ist. Am anderen Ende des Stößels 301 ist der Ventilteller 321 angebracht. Das Schaftmaterial kann mit zur Temperaturkompensation herangezogen werden.

In Fig. 9 ist ein elastisches Glied am Ventilschaftende angebracht. Die Ventilfeder 330 wirkt hier auf eine Scheibe 331, die über eine Tellerfeder 332 mit definierter Ela­ stizität auf das spezifisch ausgebildete Ventilschaftende 334 wirkt. Über diese Teile ist ein hutförmiges Übertragungselement 333 gestülpt und mit dem Ventilstößel 301" verbunden. Beim Öffnen des Ventils wirkt die Drehstabkraft über dieses Übertra­ gungselement 333 auf die Scheibe 331 ein, welche nach einem kleinen Freihub die Kraft auf den Ventilschaft 301 überträgt. Die Tellerfeder entspannt sich.

Beim Schließen wird nach dem Aufsetzen des Ventils die Tellerfeder 332 durch die Kraft der Ventilfeder 330 gespannt. Das hutförmige Element 333 mit der Scheibe 331 bewegt sich dabei immer noch in Richtung zur Schließstellung des Ankers. Gleich­ zeitig entspannen sich die komprimierte Flüssigkeit und die gestauchten Triebverbin­ dungsteile. Nach Erreichen der Endstellung wird Flüssigkeit in den Raum 211 der Fig. 2 nachgeladen.

Die hohe Steifheit und kleine Schwankungsbreite sind zusammen mit dem wenig­ stens weitgehend die gesamte Elastizität kompensierenden Ventil die Grundlage für eine Softtouchregelung mit kleiner Auftreffgeschwindigkeit. Bei Anwendung der so­ genannten sensorlorsen Softtouchregelung nach DE 198 34 213 A1 oder WO 99/34378 bei der die Induktion des Magneten zur Gewinnung der Ankerbewe­ gung, bzw. Ankergeschwindigkeit ausgewertet wird, ist die oben erläuterte Steifig­ keitskompensation absolut notwendig.

Claims (7)

1. Antrieb eines Ventils (300) eines Verbrennungsmotors, mit einem elektroma­ gnetischen Aktuator (100), bei dem ein Anker (114) durch Magnetkraft (Elek­ tromagnete 110, 111) in zwei Endstellungen bringbar ist, bei dem zwei entge­ gen gerichtete Federkräfte (115, 116) auf den Anker (114) einwirken und ihn ohne Magnetkraft in eine Mittelstellung stellen, wobei wenigstens ein Teil der einen Federkraft durch eine in Richtung der Ventilschließstellung wirkende Ventilfeder (116) erzeugt wird und mit einer Triebverbindung (200) zwischen den Anker (114) und dem Ventil (300), die ein hydraulisches Ventilausgleich­ selement (210-212) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß im oder am Ventil (300) ein elastisches Glied (Fig. 6 bis 8) vorgesehen ist, dessen Elastizität der Elastizität der Triebverbindung (200) einschließlich des hydraulischen Ven­ tilausgleichselements (210-212) entgegen gerichtet ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied durch die Ausbildung des Ventils als Hohlventil oder des Ventilschafts als Hohl­ ventilschaft (301) gebildet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stößel (31) auf den Ventilschaft (320) einwirkt, der vorzugsweise biegsam ausgebildet ist.

4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oder im Ventilschaft (301) ein elastisches Element (331-334) an- bzw. eingebaut ist.

5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ventilöffnungs­ richtung gesehen der Anker (114) über die Triebverbindung(200) ein Übertra­ gungsglied (333) bewegt, das nach einem Freihub den Ventilschaft (301") in Öffnungsrichtung mitnimmt, daß zwischen dem Übertragungsglied (333) und dem Ventilschaftende (334) eine Feder (332) wirksam ist, die nach dem Aufset­ zen des Ventiltellers während des Schließens des Ventils gespannt wird und dabei eine Weiterbewegung des Übertragungsglieds zuläßt.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein HVA verwendet wird, in dessen Zuleitung (21) zu seinem Kolbenraum (19) eine Parallelschaltung aus einem Rückschlagventil und einem Überdruck- Schließventil eingeschaltet ist.

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der Differenzweg ΔS bei der Softtouchregelung durch entsprechende Programmie­ rung des Reglers berücksichtigt wird.