DE19628860A1 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Brennkraftmaschinen-Hubventil - Google Patents
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Brennkraftmaschinen-HubventilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein
Brennkraftmaschinen-Hubventil mit einem zwischen zwei Magnetspulen als
Anker um eine Drehachse verschwenkbaren, auf das Hubventil einwirkenden
Hebel.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen für ein Brennkraft
maschinen-Hubventile sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekanntgeworden.
Die häufigste Bauart ist dabei ähnlich der nur beispielshalber genannten
DE 43 36 287 C1, bei welcher die Magnetspulen mit dem dazwischenliegen
den Anker koaxial oberhalb des Hubventiles angeordnet sind, so daß die
Bewegung des Ankers beispielsweise über einen zentral hieran befestigten
Stift indirekt oder auch direkt auf den Schaft des Hubventiles übertragen
werden kann. Diese Anordnung einer elektromagnetischen Betätigungsvor
richtung erfordert jedoch in Ventil-Längsrichtung oberhalb des Hubventiles
relativ viel Bauraum. Demgegenüber günstiger ist die aus der US 5 161 494
bekannte Anordnung mit einem Kipphebel, der wie ein üblicher Kipphebel
zur Betätigung von Brennkraftmaschinen-Hubventilen zentral drehbar gela
gert ist und der mit seinem einen freien Ende auf das Hubventil einwirkt und
mit dem anderen freien Ende zwischen zwei Magnetspulen als deren Anker
wirkt. Bei entsprechender Erregung bzw. Entregung der jeweiligen Magnet
spulen soll dann dieser Kipphebel derart betätigt werden, daß das Hubventil
geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Theoretisch ist diese Anordnung
mit einem Kipphebel als Anker zwar überzeugend, jedoch in der Praxis kaum
funktionsfähig, da die in dieser Schrift gezeigten Magnetspulen derart klein
ausgebildet sind, daß es kaum möglich ist, ein Brennkraftmaschinen-Hub
ventil entgegen der Federkraft einer weiterhin benötigten Ventilschließfeder
zu öffnen.
Eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 aufzuzeigen, die ausreichende Magnetkräfte erzeugen kann
und dennoch sowenig Bauraum als möglich benötigt, ist daher Aufgabe der
vorliegenden Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Hebel als Schwinghebel
ausgebildet ist, so daß die Drehachse in einem Endbereich des Hebels und
der Einwirkpunkt auf das Hubventil am anderen Hebelende liegt. Insbeson
dere kann der Einwirkpunkt zwischen den beiden Magnetspulenkernen im
wesentlichen in deren Randbereich liegen, während sich die Drehachse au
ßerhalb des von den Magnetspulen beschriebenen Raumes befindet. Wei
tere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der
Unteransprüche.
Näher erläutert wird eine erfindungsgemäße elektromagnetische Betäti
gungsvorrichtung im folgenden anhand des in der beigefügten Fig. 1 in
einem Prinzipschnitt dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles, von
dem in Fig. 2 der Schnitt A-A dargestellt ist.
Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 ein wie üblich angeordnetes Brennkraftma
schinen-Hubventil, das beispielsweise als Einlaßventil eines Zylinders einer
ansonsten nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine fungieren kann,
bezeichnet. Dieses Hubventil 1 ist wie üblich durch eine Ventilfeder 2 in sei
ner Schließposition gehalten. Im Öffnungs- bzw. Schließsinn betätigt wird
dieses Hubventil 1 durch eine in ihrer Gesamtheit mit 3 bezeichnete elek
tromagnetische Betätigungsvorrichtung.
Innerhalb eines sogenannten Aktuatorgehäuses 4 dieser elektromagneti
schen Betätigungsvorrichtung 3 sind zwei Magnetspulen 5a, 5b angeordnet,
die jeweils einen Magnetspulen-Kern 6a, 6b aufweisen. Diese beiden Ma
gnetspulen 5a, 5b mit ihren Kernen 6a, 6b sind durch einen Spalt 7 vonein
ander getrennt, in welchem bezüglich dieser Magnetspulen 5a, 5b als Anker
fungierend ein Schwinghebel 8 hineinragt. In einem Endbereich weist dieser
Schwinghebel 8 einen hohlwellenartig ausgebildeten Abschnitt 8a auf, mit
welchem er auf einem Achsbolzen 9 gelagert ist, wobei die Achse 10 dieses
Achsbolzens gleichzeitig die Drehachse 10 für den Schwinghebel 8 bildet.
Mit seinem dem Abschnitt 8a gegenüberliegenden Ende wirkt der Schwing
hebel 8 in einem sogenannten Einwirkpunkt 8b auf eine Stange 11 ein, de
ren anderes Ende auf dem Schaft des Hubventiles 1 aufliegt. Wird nun die
untere Magnetspule 5a erregt, so wird der als Anker fungierende und dem
zufolge ferromagnetische Schwinghebel 8 von dieser Magnetspule 5a ange
zogen und somit gemäß Pfeilrichtung 12 zu dieser Magnetspule 5a hin ver
schwenkt, und zwar um die Drehachse 10. Diese Bewegung wird über die
Stange 11 auf das Hubventil 1 übertragen, so daß dieses gemäß Pfeilrichtung 13
geöffnet wird. Wird anschließend die Magnetspule 5a entregt und
dafür die Magnetspule 5b erregt, so erfolgt eine entgegengesetzte Bewe
gung des Schwinghebels 8 gegen Pfeilrichtung 12 zur Magnetspule 5b hin,
so daß das Hubventil 1 entgegen Pfeilrichtung 13 in seine Schließposition
gebracht wird. Während bei dieser Schließbewegung die Kraft der Ventilfe
der 2 unterstützend wirkt, wirkt bei der Ventilöffnungsbewegung gemäß
Pfeilrichtung 13 im unterstützenden Sinne eine der Ventilfeder 2 entgegen
gerichtete Hilfsfeder 14, die oberhalb der Magnetspule 5b angeordnet ist und
deren Federkraft über einen Stößel 15 auf die Oberseite bzw. obere
Oberfläche 8′ des Schwinghebels 8 übertragen wird. Die Ventilfeder 2 sowie
die Hilfsfeder 14 sind dabei so dimensioniert, daß bei abgeschalteten Ma
gnetspulen 5a, 5b, d. h., wenn beide Magnetspulen 5a, 5b entregt sind, der
Schwinghebel 8 die gezeigte Zwischenposition einnimmt, in welcher das
Hubventil 1 teilweise geöffnet ist.
Vollständig geöffnet ist demzufolge das Hubventil 1, wenn der Schwinghebel
8 auf der ihm zugewandten Fläche der Magnetspule 5a bzw. des Magnet
spulen-Kerns 6a aufliegt, während das Hubventil 1 dann vollständig ge
schlossen ist, wenn der Schwinghebel 8 direkt an der Magnetspule 5b bzw.
dem Magnetspulen-Kern 6b anliegt. Um dabei ein derartiges großflächiges
Anliegen des Schwinghebels 8 entweder am Kern 6a oder am Kern 6b zu
ermöglichen, besitzt der Schwinghebel 8 wie ersichtlich eine konische Kon
tur, d. h. seine auf den Spalt 7 bezogene Breite ist nahe der Drehachse 10
größer als im von der Drehachse 10 entfernten Endabschnitt nahe des Ein
wirkpunktes 8b. Diese Gestaltung des als Anker fungierenden Schwinghe
bels 8 ist im übrigen besonders vorteilhaft, da aufgrund des relativ geringen
Luftspaltes zwischen dem Schwinghebel 8 sowie der jeweils benachbarten
Magnetspule 5a bzw. 5b im Bereich nahe der Drehachse 10 äußerst starke
Anziehungskräfte bei Erregung der jeweiligen Magnetspule 5a bzw. 5b auf
den Schwinghebel 8 einwirken.
Besonders vorteilhaft ist die gezeigte Anordnung auch im Hinblick auf die
Hebelverhältnisse. Mit einem relativ großen Hebelarm greift der Schwinghe
bel 8 nämlich am Hubventil 1 an, während die am Schwinghebel 8 angrei
fende Magnetkraft bei punktueller Betrachtung, d. h. zentriert auf das Zen
trum der Magnetspulen 6a bzw. 6b bezüglich der Drehachse 10 einen gerin
geren Hebelarm besitzt. Dies bedeutet, daß bezüglich der Magnetspulen
bzw. Magnetspulen-Kerne 6a, 6b der Schwinghebel 8 nicht so weit ver
schwenkt werden muß, als es erforderlich ist, einen gewissen gewünschten
Ventilhub gemäß Pfeilrichtung 13 zu erzielen. Vielmehr genügt bezüglich der
Magnetspulen 5a, 5b eine geringere Verschwenkbewegung des Schwinghe
bels 8 gemäß Pfeilrichtung 12, so daß - wie bereits angesprochen - der
Luftspalt zwischen dem als Anker fungierenden Schwinghebel 8 sowie der
jeweils erregten Magnetspule 5a bzw. 5b relativ gering gehalten werden
kann.
Wie ersichtlich durchdringt sowohl der Stößel 15 als auch die Stange 11 den
jeweils benachbarten Magnetspulen-Kern 6b bzw. 6a, was einerseits eine
besonders kompakte Anordnung ermöglicht und andererseits sicherstellt,
daß die beiden Kerne 6a, 6b die gleiche Querschnittsfläche besitzen. Mit
dieser Anordnung ist es nämlich möglich, den von der elektromagnetischen
Betätigungsvorrichtung 3 benötigten Bauraum quer zur Achse des Hubventi
les 1 so gering als möglich zu halten und andererseits die beschriebenen
vorteilhaften Hebelverhältnisse herzustellen, indem sich die Drehachse 10
außerhalb des von den Magnetspulen 5a, 5b beschriebenen Raumes befin
det, während der Einwirkpunkt 8b zwischen den beiden Magnetspulen-Ker
nen 6a, 6b im wesentlichen im gegenüberliegenden Randbereich liegt.
Wie ersichtlich sind dabei sowohl der Stößel 15 als auch die Stange 11
durch Buchsen 16 innerhalb der Magnetspulen-Kerne 6b bzw. 6a geführt.
In diesem Zusammenhang sei nochmals auf die Gestaltung des als Anker
bezüglich der Magnetspulen 6a, 6b wirkenden Schwinghebels 8 eingegan
gen. Zunächst verjüngt sich dieser Schwinghebel 8 ausgehend von der
Achse 10 zu seinem freien Ende hin in seinem Querschnitt, um sicherzustel
len, daß dieser Schwinghebel 8 mit seinen Oberflächen 8′ im wesentlichen
vollflächig an der jeweils erregten Magnetspule 5a bzw. 5b bzw. an den je
weiligen Magnetspulen-Kernen 6a, 6b an liegen kann. Dabei erfährt der An
ker bereits mit der gezeigten Gestalt, d. h. mit den planen Oberflächen 8′
aufgrund geringfügiger Verformungen eine gewisse Abwälzbewegung auf
dem jeweils erregten Magnetspulen-Kern 6a bzw. 6b. Dies bedeutet, daß der
Anker nicht vollflächig auf die jeweils erregte Magnetspule 6a bzw. 6b auf
schlägt, sondern quasi abwälzend mit seiner Oberfläche 8′ an diesem Ma
gnetspulen-Kern zum Anliegen kommt. Aufgrund dieser Abwälzbewegung
wird die Geräuschentwicklung vorteilhafterweise so gering als möglich ge
halten. Diese beschriebene Abwälzbewegung läßt sich jedoch noch verstär
ken, wenn die den Magnetspulen-Kernen 6a, 6b zugewandten Oberflächen
8′ des Schwinghebels 8 im Hinblick auf diese Abwälzbewegung gewölbt
ausgebildet sind (nicht gezeigt). Diese Wölbung kann dabei nach außen
oder nach innen gerichtet, d. h. konkav oder konvex ausgebildet sein.
Kurz beschrieben wurde bereits das Aktuatorgehäuse 4, welches grundsätz
lich starr in einem nicht gezeigten Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf gela
gert sein kann. Soll jedoch an dieser elektromagnetischen Betätigungsvor
richtung für ein Brennkraftmaschinen-Hubventil zusätzlich noch ein insbe
sondere selbsttätiger Ventilspielausgleich möglich sein, so kann hierzu das
Aktuatorgehäuse 4 beweglich gelagert sein, wobei sich - da bereits der An
ker bzw. Schwinghebel 8 verschwenkt wird - eine Verschwenkbewegung des
Aktuatorgehäuses 4 besonders anbietet. Insbesondere kann hierzu das Ak
tuatorgehäuse 4 um die Drehachse 10 des Schwinghebels 8 verschwenkbar
sein. Wie Fig. 2 zeigt, ist hierzu das Aktuatorgehäuse 4 ebenfalls auf dem
Achsbolzen 9 gelagert, wobei in der Gehäusewand im Bereich dieses Achs
bolzens 9 eine entsprechende Aussparung 17 zur Aufnahme des Schwing
hebels 8 vorgesehen ist. Übernommen wird die Einstellung des Ventilspiels
nun von bevorzugt zwei gegeneinander wirkenden, insbesondere hydrauli
schen Ventilspiel-Ausgleichselementen 18, die an einer von der Drehachse
10 möglichst weit entfernten Nase 19 des Aktuatorgehäuses 4 angreifen.
Alternativ oder zusätzlich kann an dieser Nase 19 zusammen mit einer
Kontermutter (noch) eine Einstellschraube vorgesehen sein, die sich zur
Sicherstellung einer Grundeinstellung oder überhaupt zur mechanischen
Ventilspiel-Einstellung an einer geeigneten Stelle des Brennkraft
maschinen-Zylinderkopfes abstützt. Aufgrund des relativ großen Hebelarmes bezüglich
der Drehachse 10 sind dabei die von den hydraulischen Ventil
spiel-Ausgleichselementen 18 aufzubringenden Kräfte relativ gering. Doch kann
dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art
durchaus abweichend vom gezeigten Ausbildungsbeispiel gestaltet sein,
ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. So können
beispielsweise sämtliche Reibflächen durch Verwendung geeigneter
Werkstoffe im Hinblick auf minimale Reibleistungsverluste optimiert
sein.
Claims (7)
1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Brennkraftmaschi
nen-Hubventil (1) mit einem zwischen zwei Magnetspulen (5a, 5b) als
Anker um eine Drehachse (10) verschwenkbaren, auf das Hubventil
(1) einwirkenden Hebel,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel als Schwinghebel (8) aus
gebildet ist, so daß die Drehachse (10) in einem Endbereich des
Schwinghebels und der Einwirkpunkt (8b) auf das Hubventil (1) am
anderen Hebelende liegt.
2. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkpunkt (8b) zwischen den
beiden Magnetspulen-Kernen (6a, 6b) im wesentlichen in deren
Randbereich liegt und sich die Drehachse (10) außerhalb des von den
Magnetspulen (5a, 5b) beschriebenen Raumes befindet.
3. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß am Schwinghebel (8) ein Federelement
(Hilfsfeder 14) in Ventilöffnungsrichtung zwischen der Drehachse (10)
und dem Hubventil-Einwirkpunkt (8b) angreift.
4. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein die Kraft des Federelementes
(Hilfsfeder 14) auf den Schwinghebel (8) übertragender Stößel (15)
sowie eine auf das Hubventil (1) einwirkende Stange (11) oder der
Schaft des Hubventiles selbst die Magnetspulen-Kerne (6a, 6b)
durchdringen.
5. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorange
gangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetspulen-Kernen (6a, 6b)
zugewandten Oberflächen (8′) des Schwinghebels (8) im Hinblick auf
eine Abwälzbewegung konkav oder konvex gewölbt ausgebildet
sind.
6. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorange
gangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein die Magnetspulen (5a, 5b) aufneh
mendes Aktuatorgehäuse (4) zur Einstellung des Ventilspieles um die
Drehachse (10) schwenkbar gelagert ist.
7. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß möglichst weit entfernt von der Dreh
achse (10) am Aktuatorgehäuse (4) zumindest ein, bevorzugt jedoch
zwei gegeneinander wirkende insbesondere hydraulische(s) Ventil
spiel-Ausgleichselement(e) (18) angreifen/angreift.
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