DE19719299C1 - Betätigungseinrichtung für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetischen Aktuatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für Gaswech­ selventile einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetischen Aktuatoren 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 der Achse eines Gaswechselventils verschiebbar angeord­ net ist. Der Öffnungsmagnet und der Schließmagnet besitzen jeweils einen Kern und eine Spule, die die Gaswechselventilach­ se umgeben. 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 Gaswechselven­ tils wirkt. Mit der Spanneinrichtung und den Druckfedern können verschiedene Gleichgewichtslagen zwischen den Schaltmagneten eingestellt werden, um die bei Inbetriebnahme der Brennkraftma­ schine 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 Anker fest mit dem Ventilschaft verbunden ist, kann kein Spiel zwischen diesen beiden Bauteilen auftreten. Die Druckfe­ dern müssen nicht in dem Maße vorgespannt werden, um ein Spiel zu verhindern und können dadurch schwächer und leichter dimen­ sioniert werden.

Der auf dem Ventilschaft befestigte Anker erschwert jedoch die Montage, da der Aktuator mit seinem Anker nicht vormontiert in den Zylinderkopf eingesetzt werden kann. Vielmehr müssen die Gaswechselventile zuerst mit den Ventilschäften in den Zylin­ derkopf eingeführt werden, um anschließend die Öffnungsmagnete über die Ventilschäfte zu schieben. Die Anker werden danach an den Ventilschäften befestigt und schließlich die Schließmagnete montiert. Anschließend werden alle Schaltmagnete einzeln an einen Steuerkreis und gegebenenfalls an einen Kühlkreislauf angeschlossen. Dazu benötigt man für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine mit vier Ventilen je Zylinder und zwei elektrischen Anschlüssen je Schaltmagnet insgesamt allein vierundsechzig Kontakte.

Um die Gaswechselventilverluste gering zu halten und die Füllung der Zylinder zu verbessern, werden pro Zylinder mög­ lichst große Ventilquerschnitte gewählt, die nahezu den gesam­ ten Zylinderquerschnitt abdecken. Da die Querschnittsflächen der Aktuatoren zur Gaswechselventilachse nahezu symmetrisch und größer als die Ventilquerschnitte sind, stehen in der Regel die Mittellinien sämtlicher Gaswechselventile eines Zylinders und ihrer Aktuatoren zueinander windschief, so daß die Mittellinien von den Gaswechselventilen zu einer eventuell gemeinsamen Fügerichtung der Aktuatoren divergieren. Dies erschwert die Montage.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Brennkraftmaschine mit den Gaswechselventilen und den Aktuatoren so zu gestalten, daß die Montage erleichtert und gleichzeitig der Bauraum besser ausgenutzt wird.

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

Indem nur noch der jeweilige Kern des Öffnungsmagneten und des Schließmagneten die Gaswechselventilachse umgeben und diese Magnete variabel und unabhängig von der Spulenform gestaltet werden können, kann der Bauraum zwischen den Aktuatoren und zur Zylindermitte hin besser genutzt werden. Der Aktuator besitzt zu der Gaswechselventilachse keinen symmetrischen Querschnitt mehr. Die Spulen werden zweckmäßigerweise an den äußeren, freien Seiten der Zylinderreihe angeordnet. Die Aktuatoren bauen dadurch tiefer und schmaler, wodurch sie nebeneinander in Längsrichtung der Brennkraftmaschine parallel angeordnet werden können. Eine Schiefstellung in einer Ebene entfällt, die Montage wird erleichtert, der Bauraum wird besser ausgenutzt.

Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird die Montage sowohl für Aktuatoren erleichtert, bei denen die Ankerschäfte und die Ventilschäfte getrennt sind, als auch insbesondere für Aktuatoren, bei denen die Ankerschäfte und die Ventilschäfte einstückig ausgestaltet sind. Die Öffnungs- und Schließmagnete können auf einer Trägerplatte vormontiert und verschaltet und im vormontierten Zustand über die Ventilschäfte bzw. Ankerschäfte seitlich aufgeschoben werden. Es können zuvor durchzuführende mehrere Montagevorgänge zu einzelnen Vorgängen zusammengefaßt werden.

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

In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze von zwei Gaseinlaßventilen mit zugehörigen Aktuatoren,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 durch vier Aktuatoren eines Zylinders.

In Fig. 1 sind zwei Gaseinlaßventile 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, die jeweils von einem elektromagnetischen Aktuator 3 geöffnet und geschlossen werden. Der Aktuator 3 besteht aus einem Öffnungsmagneten 7 mit einem Kern 26 und einem Schließma­ gneten 8 mit einem Kern 27. Die Magnete 7, 8 wirken auf einen zwischen ihnen koaxial zu einer Gaswechselventilachse 12 verschiebbaren Anker 11. Dieser ist entweder unmittelbar auf einem Ventilschaft 13 des Gaseinlaßventils 1 befestigt oder wirkt über einen Ankerschaft auf den Ventilschaft 13. Erfin­ dungsgemäß sind die Spulen 9, 10 (Fig. 2) der Magnete 7, 8 seitlich neben der Gaswechselventilachse 12 angeordnet. Die Kerne 26, 27 umgeben jedoch die Gaswechselventilachse 12 bis auf einen Spalt 25 (Fig. 2). Hierdurch bauen die Aktuatoren 3 schmaler und können nebeneinander in Längsrichtung einer Brennkraftmaschine parallel zueinander angeordnet werden, wodurch der Bauraum besser ausgenutzt und die Montage erleich­ tert wird.

Nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Breite 14 des Spalts 25 des Kerns 26 mindestens so groß wie der Ventil­ schaftdurchmesser 15. Die Montage wird dadurch vereinfacht, insbesondere für Aktuatoren 3, bei denen der Anker 11 einstüc­ kig mit dem Ventilschaft 13 ausgebildet ist. Der Öffnungsmagnet 7 und der Schließmagnet 8 können vormontiert und anschließend von der Seite her über die Ventilschäfte 13 geschoben werden. Die Magnete 7, 8 können seitlich eingeführt werden, weil die Spule 10 des Öffnungsmagneten 7 seitlich der Gaswechselventi­ lachse 12 angeordnet ist und diese nicht umgibt. Der Schließma­ gnet 8 kann mit einer konventionellen Spule ausgestaltet sein, d. h. mit einer Spule, die die Gaswechselventilachse 12 umgibt. Vorteilhaft wird jedoch auch bei dem Schließmagneten 8 die Spule 9 seitlich neben der Gaswechselventilachse 12 angeordnet, damit insgesamt die Aktuatoren 3 schmaler bauen (Fig. 1). Ferner werden vorzugsweise für den Öffnungsmagneten 7 und den Schließmagneten 8 die gleichen Kerne 26, 27 verwendet, um die Bauteilevielfalt zu verringern.

Auf das Gaseinlaßventil 1 wirken zwei Druckfedern 28, 29, die sich an einem gemeinsamen Federteller 30 und an dem Öffnungsma­ gneten 7 und zum anderen an einem Zylinderkopf 24 abstützen. Befindet sich das Gaseinlaßventil 1 im geschlossenen Zustand, hält der Schließmagnet 8 den Anker 11 entgegen der nun vorge­ spannten Druckfeder 29. Soll das Gaseinlaßventil 1 geöffnet werden, wird der Schließmagnet 8 ausgeschaltet und der Öff­ nungsmagnet 7 eingeschaltet. Die Druckfeder 29 beschleunigt das Gaseinlaßventil 1 vom Schließmagneten 8 über eine Gleichge­ wichtslage der Druckfedern 28, 29 hinaus zum Öffnungsmagneten 7, welcher den Anker 11 anzieht und in Öffnungsstellung fest­ hält, wobei er die Druckfeder 28 vorspannt. Wird das Gaseinlaß­ ventil 1 wieder geschlossen, wird der Öffnungsmagnet 7 ausge­ schaltet und der Schließmagnet 8 eingeschaltet. Die Druckfeder 28 beschleunigt das Gaseinlaßventil 1 mit dem Anker 11 in Richtung Schließmagnet 8, der den Anker 11 anzieht und in Schließstellung hält. Dadurch, daß der Anker 11 über den Abstand der Magnete 7, 8 in erster Linie durch die Druckfedern 28, 29 beschleunigt wird, können die Magnete 7, 8 kleiner dimensioniert werden. Es reicht ein kleineres Magnetfeld 4 aus, um den Anker 11 kurz vor dem Magneten 7, 8 anzuziehen und an diesem zu halten. Nur kurz vor dem Start der Brennkraftmaschine müssen die Magnete 7, 8 kurzfristig übererregt werden.

Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Aktuatoren 3 auf einer Trägerplatte 16 vormontiert. Eine besonders günstige Montage ergibt sich, wenn alle Aktuatoren 3 der Gaseinlaßventile 1 auf einer Trägerplatte 16 vormontiert sind und wenn alle Aktuatoren 3 der Gasauslaßventile 2 auf einer zweiten Trägerplatte 5 vormontiert sind (Fig. 2). Damit können sämtliche Aktuatoren 3 der Gaseinlaßventile 1 und sämtliche Aktuatoren 3 der Gasaus­ laßventile 2 mit jeweils einem Montageschritt von der Seite her über die Ventilschäfte 13 geschoben und entsprechend positio­ niert werden. Die Trägerplatten 16, 5 werden über Befestigungs­ vorrichtungen 6 beispielsweise an dem Zylinderkopf 24 oder an einem angrenzenden Bauteil befestigt.

In den Trägerplatten 16, 5 befinden sich Aussparungen 17 für die Spulen 9, 10. Der Bauraum der Materialstärke der Träger­ platten 16, 5 wird dadurch genutzt und zudem eine günstige Kühlung der Spulen 9, 10 ermöglicht. In den Trägerplatten 16, 5 sind Leiterbahnen 18, 19 und/oder Leistungsendstufen für die Aktuatoren 3 integriert. Die Aktuatoren 3 sämtlicher Gaseinlaß­ ventile 1 und Gasauslaßventile 2 können durch wenige Montage­ schritte kontaktiert werden, beispielsweise durch Steckverbin­ dungen. Die Öffnungsmagnete 7 und die Schließmagnete 8 der Aktuatoren 3 müssen nicht mehr einzeln angeschlossen werden.

Ferner wird vorgeschlagen, in den Trägerplatten 16, 5 Kühlmit­ telkanäle 20, 21 für die Elektronik und die Aktuatoren 3 zu integrieren. Die Kühlmittelkanäle 20, 21 können beispielsweise durch Eingießen oder durch Bohrungen in die Trägerplatten 16, 5 eingebracht sein. Eine besonders gute Kühlung der Aktuatoren 3 wird erreicht, wenn in den Kernen 26, 27 Kühlmittelkanäle 22, 23 integriert sind, die mit den Kühlmittelkanälen 20, 21 der Trägerplatten 16, 5 verbunden sind, so daß Kühlmittel durch die Aktuatoren 3, insbesondere im Bereich der Spulen 9, 10, durch­ fließen kann. Die Kühlmittelkanäle 20, 21 in den Trägerplatten 16, 5 können in diesem Fall auch als einfache Kühlzulauf- und Kühlablaufbohrungen gestaltet sein, die senkrecht zur Ebene der Trägerplatte 16, 5 eingebracht sind.

Claims (8)

1. Betätigungseinrichtung für Gaswechselventile (1, 2) einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetischen Aktuatoren (3), die jeweils einen Öffnungsmagneten (7) und einen Schließmagneten (8) mit jeweils mindestens einer Spule (10, 9) aufweisen, zwischen deren Kernen (26, 27) ein Anker (11) koaxial entlang einer Gaswechselventilachse (12) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen Ventilschaft (13) eines der Gaswechselventile (1, 2) wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (9, 10) seitlich der zugehörigen Gaswechselventilachse (12) angeordnet sind und die Kerne (26, 27) bis auf einen Spalt (25) den Ankerschaft bzw. den Ventilschaft (13) umgeben.

2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest der dem Ventilteller nähere Kern (26) einen Spalt (25) hat, dessen Breite (14) größer als der Ventilschaft­ durchmesser (15) ist, so daß der Kern (26) von der Seite her über den Ventilschaft (13) schiebbar ist.

3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens zwei Aktuatoren (3) auf einer Trägerplatte (16, 5) vormontiert sind.

4. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerplatte (16, 5) Aussparungen (17) für die Spulen (9, 10) aufweist.

5. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Trägerplatte (16, 5) Leiterbahnen (18, 19) und/oder Leistungsendstufen für die Aktuatoren (3) integriert sind.

6. Betätigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trägerplatte (16, 5) Kühlmittelkanäle (20, 21) für die Elektronik und die Aktuatoren (3) integriert sind.

7. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Aktuatoren (3) Kühlmittelkanäle (22, 23) integriert sind, die mit den Kühlmittelkanälen (20, 21) in der Trägerplatte (16, 5) verbunden sind.

8. Verfahren zur Montage der Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Schaft des Ankers (11) und der Ventilschaft (13) eines Gaswechselventils (1, 2) einstückig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. - die Gaswechselventile (1, 2) in einen Zylinderkopf (24) eingesetzt werden,
• 2. - die Anker (11) auf den Ventilschäften (13) befestigt werden,
• 3. - die auf der Trägerplatte (16, 5) vormontierten Aktuatoren (3) seitlich über die Ventilschäfte (13) geschoben und anschließend
• 4. - mehrere der Aktuatoren (3) gemeinsam elektrisch angeschlossen werden.