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Die
Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Brennkraftmaschinen-Hubventil,
mit einem Aktuatorgehäuse,
innerhalb dessen zumindest ein unter dem Einfluß zweier Magnetspulen im wesentlichen
in Ventilachsrichtung bewegbarer und auf das Hubventil einwirkender
Anker angeordnet ist, sowie mit einer Flüssigkeitskühlung für die Magnetspulen und die
denen zugeordneten Spulenkerne. Zum bekannten Stand der Technik
wird auf die
US 3 882
833 A verwiesen.
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Eine
elektromagnetische Hubventil-Betätigungsvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine hat wegen der Freiheit hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten,
d. h. hinsichtlich des jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunktes
der Hubventile immense Vorteile, jedoch müssen zum Betätigen, insbesondere
zum Öffnen
des Hubventiles relativ hohe Kräfte
aufgebracht werden, was eine gewisse Mindestgröße von Magnetspulen und Anker
erforderlich macht. Als Folge hiervon ist es äußerst schwierig, die bekannten Aktuatorgehäuse überhaupt
in einen heute üblichen Zylinderkopf
beispielsweise einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine
unterzubringen. Noch intensiver tritt dieses Problem bei Brennkraftmaschinen
auf, die zwei oder mehr Einlaßventile oder
Auslaßventile
je Zylinder besitzen. Dabei entsteht in den Magnetspulen bei der
Betätigung
der Hubventile insbesondere bei höheren Betätigungsfrequenzen relativ viel
Verlustwärme,
die auf geeignete Weise abgeführt
werden muß.
Eine reine Konvektionskühlung
des Aktuatorgehäuses
in der umgebenden Luft ist hierfür
nicht ausreichend, insbesondere auch unter Berücksichtigung der soeben beschriebenen
beengten Platzverhältnisse.
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Bei
der elektromagnetischen Hubventil-Betätigungsvorrichtung nach der
o.g.
US 3 882 833 A ist daher
eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen,
wobei die Spulenkerne direkt von einer Kühlflüssigkeit, die in den Innenraum
des Aktuatorgehäuses
eingeleitet und aus diesem auch wieder herausgeleitet wird, umströmt werden.
Nicht nur im Hinblick auf die notwendige Abschottung der Magnetspulen
gegenüber
der Kühlflüssigkeit,
sondern auch im Hinblick auf die Standfestigkeit der Spulenkerne
ist diese bekannte Konstruktion jedoch unbefriedigend.
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Zum
weiteren allgemeinen Stand der Technik wird auf die
DE 26 32 411 A1 verwiesen,
die eine spezielle Kühlanordnung
für ein
Auslaßventil
einer Brennkraftmaschine beschreibt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, verbesserte Maßnahmen zur Kühlung insbesondere
der Spulenkerne und Magnetspulen an einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung
für ein
Brennkraftmaschinen-Hubventil aufzuzeigen, und zwar mittels einer
geeigneten Kühlflüssigkeit.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Kühlkanal vorgesehen,
innerhalb dessen die Kühlflüssigkeit
geführt
ist, ohne mit den Magnetspulen und den Spulenkernen direkt in Kontakt
zu kommen. Eine effiziente Kühlung
ist hierdurch gewährleistet,
gleichzeitig sind die Magnetspulen und Spulenkerne auch ohne aufwendige
Abdichtmaßnahmen
hierdurch wirkungsvoll vor Schäden
durch die Kühlflüssigkeit
geschützt.
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Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. So
verläuft
der Kühlkanal im
Aktuatorgehäuse
und kann dabei bevorzugt in geeigneter Weise (beispielsweise kreisförmig) um
die Spulenkerne herumgeführt
sein, um eine intensive Wärmeübertragung
zu ermöglichen.
Um weiterhin für den
Anker sowie die Magnetspulen und Spulenkerne, die sich im Aktuatorgehäuse befinden,
unter Berücksichtigung
des üblicherweise
beengten Bauraumes, insbesondere falls die elektromagnetische Ventil-Betätigungsvorrichtung
an einem Reihenzylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
zum Einsatz kommt, eine möglichst
große
Grundfläche bereitzustellen,
so daß ausreichend
hohe Ventilbetätigungskräfte erzeugbar
sind, besitzen die Spulenkerne und Magnetspulen gemäß der Erfindung
einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Dann kann das Aktuatorgehäuse bei
dementsprechender Gestaltung derart am Zylinderkopf angeordnet bzw. auf
diesen aufgesetzt sein, daß die
längere
Seite des Aktuatorgehäuses
quer zur Zylinderkopf-Längsachse und
die kürzere
Gehäuseseite
parallel hierzu verläuft.
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In
diesem Falle ergibt sich eine besonders kompakte und gleichzeitig
wirkungsvolle Anordnung für
den Kühlkanal,
wenn dieser im Bereich der beiden Schmalseiten der Spulenkerne im
wesentlichen parallel zur Ventilachsrichtung verläuft.
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Das
Aktuatorgehäuse
kann grundsätzlich mehrteilig
ausgebildet sein, um einen einfachen Zusammenbau dieser elektromagnetischen
Betätigungsvorrichtung
zu ermöglichen,
d. h. um auf einfache Weise den Anker zunächst zwischen den beiden Magnetspulen
einzulegen und anschließend
die einzelnen Gehäuseabschnitte
um den Anker und die Magnetspulen herum zum Aktuatorgehäuse zusammenzufügen. Dann
können
zur paßgerechten
Zuordnung der Gehäuseabschnitte
Paßhülsen vorgesehen sein,
die im Sinne einer vorteilhaften Funktionsvereinigung gleichzeitig
jeweils einen Kühlkanal-Teilabschnitt bilden.
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Dies
sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen auch aus
der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
hervor. Erfindungswesentlich können
dabei sämtliche
näher bezeichneten
Merkmale sein. Im einzelnen zeigt
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße elektromagnetische
Betätigungsvorrichtung,
die auf einen Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf aufgesetzt ist, zusammen
mit dem zu betätigenden
Hubventil,
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2 den
Schnitt A-A aus 1, sowie
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3 eine
Perspektivdarstellung zweier Betätigungsvorrichtungen
auf einem Segment eines Reihen-Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
bezeichnet, in dem wie üblich
ein Hubventil 2 angeordnet ist, welches in der dargestellten
Position den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine zum Einlaßkanal 4 hin
verschließt. Wird
das Hubventil 2 gemäß Pfeilrichtung 5 in
seine offene Position gebracht, so kann über den Einlaßkanal 4 ein
frisches Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 3 gelangen.
Zum Verschieben des Hubventiles 2 in bzw. gegen Pfeilrichtung 5 ist
eine in ihrer Gesamtheit mit 6 bezeichnete elektromagnetische
Betätigungsvorrichtung
vorgesehen, welche auf den Zylinderkopf 1 aufgesetzt ist.
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Im
einzelnen besteht die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 6 aus
zwei Magnetspulen 7a, 7b mit zugeordneten Spulenkernen 8a, 8b,
zwischen denen ein Anker 9 ebenfalls in bzw. gegen Pfeilrichtung 5 und
somit im wesentlichen in Ventilachsrichtung 2' bewegbar angeordnet
ist. Dieser Anker 9 trägt eine
Stößelstange 10,
welche wie ersichtlich direkt auf den Schaft des Hubventiles 2 einwirkt,
um dieses ausgehend von der gezeigten Position im Sinne einer Öffnungsbewegung
gemäß Pfeilrichtung 5 zu
verschieben. Wie üblich
wirkt dabei unterstützend
die am freien Ende der Stößelstange 10 vorgesehene Ventilöffnungsfeder 11,
wobei weiterhin wie üblich eine
Ventilschließfeder 12 vorgesehen
ist, unter deren Einfluß das
Hubventil 2 aus seiner geöffneten Position gegen Pfeilrichtung 5 in
seine Schließposition gebracht
wird. Durch geeignete abwechselnde Erregung bzw. Entregung der Magnetspulen 7a, 7b führt das
Hubventil 2 somit eine schwingende Bewegung zwischen der
Offenposition und der Schließposition aus.
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Die
Magnetspulen 7a, 7b, die Spulenkerne 8a, 8b,
sowie der Anker 9 sind im Innenraum eines sog. Aktuatorgehäuses 13 untergebracht,
welches aus einzelnen übereinander
angeordneten Gehäuseabschnitten 13a, 13b, 13c und 13d zusammengesetzt
ist. Wie 3 zeigt, sind diese Gehäuseabschnitte 13a bis 13d über zwei
Stiftschrauben 14a miteinander verbunden, während über zwei
weitere Stiftschrauben 14b das Aktuatorgehäuse 13 am
Zylinderkopf 1 befestigt ist. Die Stiftschrauben 14a und 14b sind
dabei bezüglich
des Aktuatorgehäuses 13 jeweils
einander diagonal gegenüberliegend
angeordnet.
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Mit
der Erzeugung der erforderlichen Magnetkräfte in den Magnetspulen 7a, 7b bzw.
in den Spulenkernen 8a, 8b entsteht wie bekannt
Verlustwärme,
die aus der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 6 abgeführt werden
muß. Dabei kann
eine einfache Konvektionskühlung über die
das Aktuatorgehäuse 13 umgebende
Luft nicht ausreichend sein, vielmehr können separate Kühlungsmaßnahmen
erforderlich sein. Hier ist nun eine Flüssigkeitskühlung für die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 6 vorgesehen,
wobei eine geeignete Kühlflüssigkeit
in einem Kühlkanal 15 durch
die Betätigungsvorrichtung 6 geführt ist.
Dadurch, daß ein
separater Kühlkanal 15 in
der Betätigungsvorrichtung 6 verläuft, besteht
keine Gefahr, daß die
Kühlflüssigkeit
in direkten Kontakt mit den Magnetspulen 7a, 7b oder
den Spulenkernen 8a, 8b gelangt, was diese genannten
Elemente schädigen
könnte.
Dabei bestehen verschiedene Möglichkeiten
für die
Ausbildung eines Kühlkanales 15:
So kann beispielsweise eine Rohrleitung im Innenraum des Aktuatorgehäuses 13 vorgesehen
sein und dabei in geeigneter Weise um die Spulenkerne 8a, 8b herumgeführt sein,
um eine optimale Wärmeübertragung
von diesen Spulenkernen zur Kühlflüssigkeit
zu ermöglichen.
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Wesentlich
einfacher ist es jedoch, wenn wie im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
der Kühlkanal 15 im
Aktuatorgehäuse 13 selbst
verläuft,
d. h. wenn der Kühlkanal 15 im
wesentlichen durch Bohrungen in den Wänden der Gehäuseabschnitte 13a bis 13c gebildet
ist. Da – wie
ersichtlich – die
Magnetspulen 7a, 7b sowie die Spulenkerne 8a, 8b mit
den Gehäuseabschnitten 13a und 13c in
direkter wärmeleitender
Verbindung stehen und da auch vom Anker 9 Wärme in den
Gehäuseabschnitt 13b übertragen werden
kann, ist eine Kühlung
dieser genannten Gehäuseabschnitte
durch die Kühlflüssigkeit
durchaus ausreichend, um eine effiziente Kühlung der Magnetspulen 7a, 7b und
der Spulenkerne 8a, 8b zu erzielen.
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Nun
verläuft
also der Kühlkanal 15 in
zwei einander gegenüberliegenden
Wänden
des Aktuatorgehäuses 13 und
bildet in jedem dieser Wandabschnitte einen sog. Kühlkanal-Abschnitt 15a, 15b.
Diese beiden Kühlkanal-Abschnitte 15, 15b sind nun
durch einen weiteren Kühlkanal-Abschnitt 15c, der
im wesentlichen aus dem obersten Gehäuseabschnitt 13d herausgearbeitet
ist, miteinander verbunden. Dessen entsprechende Gestaltung geht
besonders gut aus 2 hervor.
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2 zeigt
auch, daß das
Aktuatorgehäuse 13 einen
im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt, nachdem der in 2 gezeigte
Gehäuseabschnitt 13d im
wesentlichen den gleichen Querschnitt besitzt wie die Gehäuseabschnitte 13a bis 13c.
Dies geht im übrigen
auch aus der Darstellung gemäß 3 hervor.
Angepaßt
an den rechteckigen Querschnitt des Aktuatorgehäuses 13 besitzen auch
die Spulenkerne 8a, 8b sowie die Magnetspulen 7a, 7b einen
im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei die längere in
der Darstellung gemäß 1 ersichtliche
Außenkante
quer zur Längsachse 16 (vgl. 3)
des Reihen-Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist,
während
die kürzere
Außenkante
beispielsweise der Magnetspulen 7a, 7b aber auch
des Aktuatorgehäuses 13 gemäß 3 parallel zur
Längsachse 16 des
Zylinderkopfes 1 verläuft. Diese
geschilderte Anord nung zeichnet sich dabei durch größtmögliche Kompaktheit
aus, insbesondere ist es auch möglich,
an einem Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit vier Hubventilen je
Zylinder (ein derartiger, einen Zylinder umfassender Zylinderkopfabschnitt
ist in 3 dargestellt) äußerst kompakt die vier elektromagnetischen
Betätigungsvorrichtungen 6 für die vier
Hubventile 2 je Zylinder unterzubringen.
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Insbesondere
dann ergibt sich auch im Hinblick auf den Kühlkanal 15 eine äußerst kompakte Anordnung,
wenn dieser Kühlkanal 15 – wie im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
dargestellt – im
Bereich der beiden Schmalseiten der Spulenkerne 8a, 8b bzw.
des Aktuatorgehäuses 13 im
wesentlichen parallel zur Ventilachsrichtung 2' verläuft, und
zwar in Form der bereits geschilderten Kühlkanal-Abschnitte 15a, 15b.
Dabei ist der Kühlkanal-Abschnitt 15a an einen
im Zylinderkopf 1 im wesentlichen in Richtung von dessen
Längsachse 16 verlaufenden
Versorgungskanal 17 für
Kühlflüssigkeit
angeschlossen, während
der Kühlkanal-Abschnitt 15b mit
dem Kühlflüssigkeits-Mantel 18 des
Zylinderkopfes 1 verbunden ist. Der Kühlkanal 15 ist somit
an das Kühlflüssigkeitssystem
des Zylinderkopfes 1 angeschlossen, wobei dieses System
bevorzugt wie üblich
auf Wasserbasis arbeitet. Alternativ ist aber selbstverständlich auch
eine Ölkühlung möglich, wobei
dann vorteilhafterweise Lecköl,
welches im Kühlkanal 15 umgewälzt wird,
dazu verwendet werden kann, die Gleitstellen zwischen der Stößelstange 10 und
deren Führungsbuchsen 19,
die im Gehäuseabschnitt 13d sowie
im oberen Spulenkern 8b angeordnet sind, zu schmieren.
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Wie
bereits erwähnt
wird der Kühlkanal 15 der
elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 6 vom
Versorgungskanal 17 im Zylinderkopf 1 mit Kühlflüssigkeit
versorgt. Dabei sollte der Druck der Kühlflüssigkeit im Versorgungskanal 17 größer sein
als derjenige der Kühlflüssigkeit
im Kühlflüssigkeitsmantel 18,
um sicherzustellen, daß aufgrund
der dann vorliegenden Druckdifferenz kontinuierlich Kühlmittel im
Kühlkanal 15 umgewälzt wird,
d. h. über
den Kühlkanal-Abschnitt 15a in
den Kühlkanal-Abschnitt 15c und
von diesem in den Kühlkanal-Abschnitt 15b gelangen
kann. Der Kühlkanal-Abschnitt 15a stellt
dabei sozusagen die Vorlaufseite des Kühlsystemes der Betätigungsvorrichtung 6 dar,
während
der Kühlkanal-Abschnitt 15b als
Rücklaufseite
bezeichnet werden kann. Aufgrund der kontinuierlichen Umwälzung von
Kühlflüssigkeit
wird aus dem Aktuatorgehäuse 13 und
somit insbesondere auch aus den Magnetspulen 7a, 7b und
den Spulenkernen 8a, 8b kontinuierlich Wärme abgeführt und
damit eine thermische Überlastung
dieser elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 6 vermieden.
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Wie
bereits erwähnt,
ist das Aktuatorgehäuse 13 in
Sandwich-Bauweise ausgeführt,
d. h. es besteht aus einzelnen übereinander
angeordneten Gehäuseabschnitten 13a bis 13d.
Diese Gehäuseabschnitte 13a bis 13d werden
gegeneinander durch Paßhülsen 20 lagegenau
positioniert und anschließend
durch die bereits erwähnten
Stiftschrauben 14a miteinander verbunden sowie durch die
Stiftschrauben 14b mit dem Zylinderkopf 1 verschraubt.
Nun sind die Paßhülsen 20 derart
angeordnet, daß sie
ihrerseits einen Kühlkanal-Teilabschnitt
bilden. Die Paßhülsen 20 sind
somit an den jeweiligen Endbereiche der Kühlkanal-Abschnitte 15a, 15b in
die einzelnen Gehäuseabschnitten 13a bis 13d derart
eingesetzt, daß,
wie ersichtlich, durch diese hohlen Paßhülsen 20 nicht nur
die Kühlflüssigkeit
fließen
kann, sondern daß durch
deren Außenseite
gleichzeitig die Passungsfunktion und somit die gegenseitige Lagezuordnung
der einzelnen Gehäuseabschnitte 13a bis 13d zueinander
realisiert werden kann. Zur Abdichtung ist dabei im Bereich jeder
Paßhülse 20 ein
die Paßhülse 20 umgebendes
Dichtelement 21 vorgesehen.
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Beim
untersten Dichtelement 21 im Bereich derjenigen Paßhülse 20 die
den Gehäuseabschnitt 13a bezüglich des
Zylinderkopfes 1 positioniert, kann das Dichtelement 21 dabei
als O-Ring-Dichtung ausgeführt
sein. Beim mittleren Dichtelement 21, das im Bereich der
im wesentlichen im Gehäuseabschnitt 13b vorgesehenen
Paßhülsen 20 vorgesehen
ist, kann es sich um eine Flüssigdichtung
handeln. Das oberste Dichtelement 21 zwischen dem Gehäuseabschnitt 13c und
dem Gehäuseabschnitt 13d schließlich kann
eine Blechsickendichtung sein, die wie gezeigt auch die Oberseite
des Gehäuseabschnittes 13c abdeckt
und insbesondere auch Abdichtfunktionen im Bereich der oberen Führungsbuchse 19 übernimmt.
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Im übrigen kann
diese Führungsbuchse 19 für die Stößelstange 10 wie
ersichtlich zweiteilig ausgebildet sein und zum ersten aus einer äußeren Stahlhülse bestehen,
welche in den Spulenkern 8b eingeführt und beispielsweise durch
Aufschweißen fest
mit diesem verbunden sein kann. In diese äußere Stahlhülse oder auch sog. Trägerbuchse
kann dann zum zweiten eine Dauergleitbuchse mit Überdeckung eingepreßt werden,
so daß ein
Herausfallen derselben verhindert wird. Es ist nämlich nicht möglich, eine
Kunststoff-Dauergleitbuchse direkt in den Spulenkern 8b einzupressen,
da dieser bekanntlich aus einem Blechpaket besteht, welches beim
direkten Einpressen einer Kunststoffbuchse auffächern würde.
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Jedoch
kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend
vom gezeigten Ausführungsbeispiel
gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets erhält man eine
optimale Wärmeabfuhr
bezüglich
der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 6,
und zwar auf einfache Weise, ohne daß aufwendige Sonderkonstruktionen
am Zylinderkopf 1 erforderlich wären. Das Kühlsystem der Betätigungsvorrichtung 6,
bestehend aus einem Kühlkanal 15,
innerhalb dessen die Kühlflüssigkeit
geführt
ist, ohne mit den Magnetspulen 7a, 7b und den
Spulenkernen 8a, 8b direkt in Kontakt zu kommen,
ist nämlich
auf einfache Weise an das Kühlsystem
des Zylinderkopfes 1 bzw. der gesamten Brennkraftmaschine
angeschlossen.