DE19718038C1 - Elektromagnetischer Aktuator für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 30 24 109 C2 ist ein Aktuator bekannt, der zwei Schaltmagnete, einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagne­ ten, besitzt, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial entlang einer Gaswechselventilachse eines Gaswechselventils verschiebbar angeordnet ist. Der Öffnungsmagnet und der Schließmagnet besitzen jeweils einen Kern und eine Spule, die die Gaswechselventilachse umgeben. Ankerschaft und Ventilschaft sind einstückig ausgebildet, d. h. der Anker ist direkt auf dem Ventilschaft des Gaswechselventils befestigt. Am Anker greifen zwei mit einer Spanneinrichtung verbundene Druckfedern an, wobei eine in Schließrichtung und eine in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils wirkt. Mit der Spanneinrichtung und den Druckfedern können verschiedene Gleichgewichtslagen zwischen den Schaltmagneten eingestellt werden, um die bei Inbetriebnah­ me der Brennkraftmaschine erforderlichen Kräfte reduzieren zu können.

In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfeder vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schlie­ ßen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließma­ gnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende Druckfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten. Das harte Auftreffen des Ankers auf die Polflächen verursacht starke Geräusche und erhöht den Verschleiß. Um das Geräusch und den Verschleiß zu reduzieren, ist im Stand der Technik zwischen dem Anker und dem Gaswechselventil ein Dämpfungselement angeordnet.

Da der Ankerschaft und der Ventilschaft einstückig ausgebildet sind, kann kein Spiel zwischen diesen beiden Bauteilen auftreten. Die Druckfedern müssen nicht in dem Maße vorgespannt werden, um ein Spiel zu verhindern und können dadurch schwächer und leichter dimensioniert werden.

Trotzdem kann aufgrund von Einbautoleranzen, Wärmedehnungen und Verschleiß während des Betriebs Spiel zwischen dem Anker und den Polflächen auftreten, so daß eine exakt arbeitende Spielausgleichseinrichtung notwendig ist. Schließt das Gaswech­ selventil nicht absolut dicht ab, besteht die Gefahr, daß das Gaswechselventil durch die intensive Aufheizung durch ausströ­ mende Brenngase verbrennt. Mit zunehmendem Spiel zwischen dem Anker und dem Schließmagneten steigt die Energie zum Halten des Gaswechselventils und wird schließlich unzulässig hoch. Um dies zu vermeiden, wird in der DE 30 24 109 C2 eine Spielaus­ gleichseinrichtung vorgeschlagen, bei der der Anker über Tellerfedern mit einer hohen Federsteifigkeit an dem Ventil­ schaft des Gaswechselventils befestigt ist. Die Federsteifig­ keit dieser Federn ist wesentlich höher als die der Druckfedern auszulegen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektromagneti­ schen Aktuator so auszubilden, daß das Aufschlaggeräusch und der Verschleiß des Ankers vermieden werden. Ferner sollte eine Ventilspielausgleichseinrichtung nicht erforderlich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Erfindungsgemäß hält ein Federmechanismus den Anker in einer stabilen Öffnungsendlage oder in einer stabilen Schließendlage, in der das Gaswechselventil an seinem Ventilsitz anliegt. Der Aktuator bewirkt lediglich den Wechsel von einer Endlage in die andere über einen instabilen Zwischenbereich. Der Anker kann entweder vor einem Öffnungs- oder vor einem Schließmagneten zum Stehen kommen oder ist vorzugsweise in diesen in einem Freiraum berührungslos verschiebbar. Der Anker trifft auf keine Polflä­ chen des Öffnungsmagneten und Schließmagneten und auch auf keine sonstigen Anlaufflächen auf, wodurch Auflaufgeräusche und Verschleiß vermieden werden. Die Federkraft des Federmechanis­ muses in der Schließendlage ist so bestimmt, daß das Gaswech­ selventil stets vollständig schließt, trotz üblicher Einbauto­ leranzen, Wärmedehnungen, Verschleiß usw. . Die Gefahr ist beseitigt, daß das Gaswechselventil nicht richtig schließt und verbrennt. Eine Spielausgleichseinrichtung ist nicht erforder­ lich.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Die Figur zeigt einen Teilausschnitt mit einen elektromagneti­ schen Aktuator und einem Gaswechselventil in offener Stellung.

Ein Gaswechselventil 2 beherrscht einen Gaswechselkanal 23 und ist mit einem Ventilschaft 5 in einer Ventilführung 24 in einem Zylinderkopf 18 eingesetzt und wird von einem elektromagneti­ schen Aktuator 1 betätigt. Auf dem Ventilschaft 5 ist ein Anker 4 befestigt. Am Ventilschaft 5 greift ein Federmechanismus 8' mit zwei stabilen Endlagen 9, 10 und einem dazwischen liegenden instabilen Zwischenbereich 11 an.

Der Federmechanismus 8' kann durch einen Kniehebelmechanismus, eine Schraubenfeder mit einem Umlenkhebel oder eine Drehfeder mit einem Umlenkhebel gebildet werden. Besonders günstig ist jedoch die dargestellte Ausführung, bei der eine einzige Tellerfeder 8 den Federmechanismus 8' bildet. Hierfür sind wenige Bauteile erforderlich und die Tellerfeder 8 beansprucht nur einen kleinen axialen Bauraum.

Vorteilhaft ist es, wenn der Öffnungsmagnet und der Schließmagnet durch einen Magneten 3 mit einem Kern 19 und einer Spule 20 gebildet werden. Hierbei ist der Anker 4 in dem Magneten 3 in einer Ausnehmung 22 mit seinem Massenmittelpunkt 12 durch eine Mittelebene 13 des Magnetfeldes in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung verschiebbar angeordnet. Der Massenmittelpunkt 12 des Ankers 4 befindet sich in der Öffnungsendlage 6 auf der dem Gaswechselventil 2 zugewandten Seite der Mittelebene 13 und in der Schließendlage 7 auf der dem Gaswechselventil 2 abge­ wandten Seite. Die Schließendlage 7 und die Öffnungsendlage 6 sind als gestrichelte Linien durch die Positionen des Massen­ mittelpunktes 12 dargestellt. In der Schließendlage 7 liegt das Gaswechselventil 2 unter der Kraft der Tellerfeder 8 mit seinem Ventilteller 25 an einem Ventilsitzring 21 im Zylinderkopf 18 an. Es wird ein Elektromagnet eingespart und damit Kosten, Bauraum, insbesondere Bauhöhe, Gewicht und Montageaufwand.

Der Aktuator 1 kann jedoch auch einen separaten Öffnungsmagne­ ten und einen separaten Schließmagneten aufweisen, zwischen denen der Anker 4 in Bewegungsrichtung verschiebbar angeordnet ist, ohne daß er die Magnete 3 oder deren Kerne 19 berührt. Dies wird mit einer Öffnungsendlage 6 und einer Schließendlage 7 des Ankers 4 erreicht, die sich jeweils vor dem Schließmagne­ ten und vor dem Öffnungsmagneten befinden oder indem der Schließmagnet und der Öffnungsmagnet Ausnehmungen aufweisen, in die der Anker 4 einfahrbar ist, ohne daß er mit den Magneten in Kontakt kommt.

Befindet sich der Anker 4 in seiner Öffnungsendlage 6, d. h. die Tellerfeder 8 befindet sich in ihrer stabilen Endlage 9 und das Gaswechselventil 2 ist geöffnet, und soll dieses geschlossen werden, wird der Magnet 3 kurz eingeschaltet. Der Massenmittel­ punkt 12 wird in Richtung Mittelebene 13 des Magnetfeldes beschleunigt. Mit der dadurch entstehenden kinetischen Energie des Gaswechselventils 2 wird der instabile Zwischenbereich 11 der Tellerfeder 8 überwunden. Der Magnet 3 wird wieder ausge­ schaltet und der Anker 4 kommt in seiner Schließendlage 7 zum Stehen, indem die Tellerfeder 8 sicher in ihre zweite stabile Endlage 10 schnappt. Das Gaswechselventil 2 ist geschlossen. Wird das Gaswechselventil 2 geöffnet, wird wiederum der Magnet 3 kurz eingeschaltet, der Massenmittelpunkt 12 wird in Richtung Mittelebene 13 beschleunigt, der Magnet 3 wird ausgeschaltet und der Anker 4 kommt in seiner Öffnungsendlage 6 zum Stehen, indem die Tellerfeder 8 über den instabilen Zwischenbereich 11 in ihre stabile Endlage 9 schnappt.

Um den Anker 4 aus seiner Öffnungsendlage 6 und aus seiner Schließendlage 7 mit möglichst wenig Energie durch den Magneten 3 zu bewegen und die Beschleunigung des Massenmittelpunktes 12 zur Mittelebene 13 zu vergrößern, um den instabilen Zwischenbereich 11 leicht zu überbrücken, hat der Anker 4 an seinen Stirnseiten 14, 15 am äußeren Umfang in Bewegungsrichtung weisende Vor­ sprünge 16, 17, von denen stets einer in den Bereich der Mittelebene 13 des Magnetfeldes reicht. In der Öffnungsendlage 6 und in der Schließendlage 7 kann der Magnet 3 auf die Vor­ sprünge 16, 17 wirken. Je näher der Massenmittelpunkt 12 der Mittelebene 13 kommt, desto größer wird die vom Magnetfeld erfaßte Masse des Ankers 4. Die Beschleunigung nimmt zu. Der instabile Zwischenbereich 11 wird schnell überwunden. Ferner wird durch die Form des Ankers 4 das Magnetfeld günstig beein­ flußt.

Die stabile Endlage 10 der Tellerfeder 8 ist so bestimmt, daß das Gaswechselventil 2 stets sicher schließt, auch wenn im üblichen Maße Wärmedehnungen, Verschleiß oder Fertigungstoleranzen vorliegen. Hierzu steht die Tellerfeder 8 in der Schließ­ endlage 7 unter Vorspannung. Das Gaswechselventil 2 besitzt vor der Endlage 10 noch eine hohe kinetische Energie und schlägt mit einer hohen Geschwindigkeit auf den Ventilsitzring 21, wodurch ein erhöhter Verschleiß und ein verstärktes Geräusch entstehen kann. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, den Öffnungsmagneten bzw. den Magneten 3 zu nutzen, um die Bewegung des Gaswechselventils 2 zu bremsen. Hierzu bleibt der Öffnungs­ magnet bzw. der einzelne Magnet 3 der beschriebenen Variante nach Anspruch 2 länger eingeschaltet oder wird erneut vor dem Auftreffen auf den Ventilsitzring 21 aktiviert, um den Anker 4 abzubremsen. Auch beim Öffnen des Gaswechselventils 2 kann es zweckmäßig sein, daß der Schließmagnet bzw. der Magnet 3 die Bewegung des Gaswechselventils 2 dämpft, um ein Überschwingen zu vermeiden.

Claims (5)

1. Elektromagnetischer Aktuator (1) für ein Gaswechselventil (2) einer Brennkraftmaschine, mit einem Öffnungsmagneten (3) und einem Schließmagneten (3), die auf einen Anker (4) wirken, der auf einem Ventilschaft (5) des Gaswechselventils (2) befestigt ist, und mit einem auf das Gaswechselventil (2) wirkenden Federmechanismus (8'), dadurch gekennzeichnet, daß der Federme­ chanismus (8') den Anker (4) in einer stabilen Öffnungsendlage (6) bzw. einer stabilen Schließendlage (7) hält und der Anker (4) durch die Wirkung des Öffnungsmagneten (3) bzw. des Schließmagneten (3) über einen instabilen Zwischenbereich (11) von der Schließendlage (7) in die Öffnungsendlage (6) und umgekehrt verschiebbar ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmagnet (3) und der Schließmagnet (3) von einem einzigen Magneten (3) gebildet werden, in dem der Anker (4) mit seinem Massenmittelpunkt (12) durch eine Mittelebene (13) des durch den Magneten (3) gebildeten Magnetfeldes in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung verschiebbar angeordnet ist, wobei sich der Massenmittelpunkt (12) des Ankers (4) in der Öffnungsendla­ ge (6) auf der dem Gaswechselventil (2) zugewandten Seite der Mittelebene (13) befindet und in der Schließendlage (7) auf der dem Gaswechselventil (2) abgewandten Seite.

3. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tellerfeder (8) den Federmechanismus (8') bildet.

4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmagnet (3) das Gaswechselventil (2) bremst, wenn es schließt.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4) an seinen Stirnseiten (14, 15) am äußeren Umfang in Bewegungsrichtung weisende Vorsprünge (16, 17) aufweist, von denen stets einer in den Bereich der Mittelebene (13) des Magnetfelds reicht.