DE19743913A1 - Ventilsteuerung für Kolbenbrennkraftmaschinen mit elektromagnetischen Aktoren - Google Patents

Description

Bei der Weiterentwicklung von Kolbenbrennkraftmaschinen besteht die Möglichkeit die Gaswechselventile der Brennräume nicht mechanisch über Nockenwellen zu betreiben, sondern die Gaswechselventile elektromecha­ nisch mit elektromagnetischen Aktoren zu bewegen.

Derartige Ventilsteuerungen sind beispielsweise aus der DE-30 24 109 C2 bekannt. Dabei bestehen elektromagnetische Aktoren aus einem Öffnerma­ gnet und einem Schließermagnet. Zwischen diesen beiden Magneten befin­ det sich eine Ankerplatte aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Diese Ankerplatte wird durch Bestromung des Öffnermagneten oder des Schlie­ ßermagneten in dies jeweilige Richtung bewegt. Die Rückstellkraft, um die Ankerplatte in die Ruhelage zwischen beide Magneten zu bewegen, wird von herkömmliche Ventilfedern aufgebracht. An der Ankerplatte ist ein Stößel befestigt, der das Gaswechselventil betätigt. Damit die Kraft der Magneten, die auf die Ankerplatte wirkt, von der Ankerplatte auf den Stößel und schließlich auf das Gaswechselventil übertragen werden kann, ist es notwendig die Ankerplatte fest mit dem Stößel zu verbinden. Die höchste Festigkeit wäre zu erreichen, wenn die Ankerplatte und der Stößel einteilig ausgeführt werden. Bei dieser Lösung ist jedoch die Masse der bewegten Anordnung sehr hoch. Die Masse von Ankerplatte und Stößel sollte mög­ lichst gering sein, um die von den beiden Magneten aufzubringende Kraft gering zu halten. Technisch besteht die Möglichkeit, für den Stößel einen metallischen Werkstoff mit einem geringeren spezifischen Gewicht bei gleicher Festigkeit zu verwenden und den Stößel mit der Ankerplatte zu verschweißen.

Die Nachteile von Ventilsteuerungen für Kolbenbrennkraftmaschinen mit elektromagnetischen Aktoren, bei denen die Ankerplatte und der Stößel miteinander verschweißt sind, ist, daß als Werkstoff für den Stößel nur we­ nige Metalle genutzt werden können, und daß beim Verschweißen unter­ schiedlicher metallischer Werkstoffe häufig Festigkeitsprobleme auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsteuerung für Kolben­ brennkraftmaschinen mit elektromagnetischen Aktoren anzugeben, bei denen eine Ankerplatte und ein Stößel aus völlig verschiedenen Werkstof­ fen miteinander verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ankerplatte und der Stößel durch einen Schrumpfverband miteinander verbunden sind. Dabei weist die Ankerplatte eine Bohrung zur Aufnahme des Stößels auf, in die der Stößel bis zu einem an dem Stößel ausgebildeten Anschlag einge­ bracht wird. Dabei steht ein Teil des Stößels auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite über die Ankerplatte hinaus. In diesem Teil des Stößels ist eine Nut eingearbeitet, die einseitig konisch ausgebildet ist. In diese Nut werden zwei Halbschalen eingesetzt, auf die bei der Fertigung als Schrumpfverband ein erhitzter Metallring aufgesetzt wird. Beim Abkühlen des Metallrings verschieben sich die beiden Halbschalen durch die einseitig konisch ausgebildete Nut des Stößels in Richtung der Ankerplatte, wodurch die Ankerplatte und der Stößel fest verbunden sind.

Alternativ kann die Ankerplatte selbst für den Schrumpfverband mit dem Stößel genutzt werden. Dabei wird die Bohrung in der Ankerplatte zur Auf­ nahme des Stößels mit einem geringfügig geringeren Durchmesser als der des Stößels ausgeführt. Die Ankerplatte wird bei der Fertigung stark erhitzt, wobei sie sich ausdehnt. Danach wird der Stößel in die nun gerade passende Bohrung der Ankerplatte eingebracht. Beim Abkühlen der Ankerplatte ist diese fest mit dem Stößel verbunden. Zusätzlich kann an dem Stößel ein Anschlag und eine Nut ausgeformt werden, wobei die Ankerplatte bis an den Anschlag des Stößels geschoben wird. Mittels eines geeigneten Preß­ werkzeuges wird anschließend Material von der Ankerplatte in die Nut des Stößels verschoben, wobei eine noch festere Verbindung geschaffen wird.

Dabei können die Ankerplatte und der Stößel aus verschiedenen Werkstof­ fen bestehen. Die Ankerplatte wird aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt. Der Stößel wird aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliziumnitrid, gefertigt.

Die Verbindung der Ankerplatte und des Stößels mit einem Schrumpfver­ band ermöglicht für den Stößel die Verwendung einer Vielzahl von Werk­ stoffen, wobei speziell Werkstoffe hoher Festigkeit mit geringem spezifi­ schem Gewicht genutzt werden können.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilsteuerung anhand von zwei Ausführungsbeispielen für eine Kolbenbrennkraftmaschine eines Kraftfahr­ zeuges im Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aktors mit den wichtig­ sten Bestandteilen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schrumpfverbandes mit einem Metallring, der über zwei Halbschalen auf die Anker­ platte und den Stößel wirkt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schrumpfverbandes zwi­ schen Ankerplatte und Stößel mit zusätzlicher Materialverpres­ sung in eine Nut des Stößels.

In der Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Aktor zur Betätigung eines Gas­ wechselventils GV beispielsweise für den Auslaß eines Zylinders einer Kol­ benbrennkraftmaschine dargestellt. Der Aktor besteht aus dem Schließer­ magnet SM und einem Öffnermagnet ÖM. Zwischen diesen beiden Magne­ ten SM, ÖM befindet sich die kreisrunde Ankerplatte AP₁ aus einem ferro­ magnetischen Werkstoff. In der Mitte der Ankerplatte AP₁ ist der Stößel S₁ befestigt, der die Kräfte der Ankerplatte AP₁ auf das Gaswechselventil GV überträgt. Um die Masse der bewegten Anordnung zu reduzieren ist der Stößel S₁ aus einem keramischen Werkstoff, aus Siliziumnitrid, gefertigt. Das Gaswechselventil GV und der Stößel S₁ sind dadurch miteinander ver­ bunden, daß sie über an ihnen befestigten Trägerelementen TE von einer Aktorfeder AF und einer Ventilfedern VF aneinandergepreßt werden. Durch die Federn AF, VF wird ebenfalls die Ruhestellung der Ankerplatte AP₁ zwi­ schen den beiden Magneten ÖM, SM bestimmt. Beim Bestromen des Öff­ nermagneten ÖM wird die Ankerplatte AP₁ in die Richtung des Brennraumes bewegt, wodurch sich das Auslaß-Gaswechselventil GV gegen den Brenn­ raumdruck sowie gegen die Rückstellkraft der Ventilfeder VF öffnet. Wird der Schließermagnet SM bestromt, wird das Auslaß-Gaswechselventil GV auch gegen die Rückstellkraft der Aktorfeder AF in den Ventilsitz gezogen, wobei die Aktorfeder AF eine hohe Zugkraft auf den Stößel S₁ ausübt. Da­ durch muß die Verbindung zwischen dem Stößel S₁ und der Ankerplatte AP₁ hohen Zug- und Druckkräften Stand halten können.

In der Fig. 2 ist ein Schrumpfverband dargestellt, der durch einen erhitz­ ten Metallring MR bewirkt wird. Dazu weist die Ankerplatte AP₂ eine Boh­ rung zur Aufnahme des Stößels S₂ auf, in die der Stößel S₂ bis zu einem am Stößel S₂ ausgebildeten ringförmigen Anschlag A₂ eingebracht wird. Dabei steht ein Teil des Stößels S₂ über die Ankerplatte AP₂ hinaus. An diesem Teil des Stößels S₂ ist eine Nut N₂ einseitig konisch eingearbeitet. In diese Nut N₂ werden zwei Halbschalen HS eingesetzt, die einen größeren Durchmesser aufweisen als der Stößel S₂, die auf der Ankerplatte AP₂ aufliegen und die in ihrem für die Nut N₂ vorgesehenen Bereich ebenfalls konisch ausgeführt sind. Die konische Seite der Nut N₂ des Stößels S₂ und der konische Bereich der zwei Halbschalen HS sind derart ausgeführt, daß beim Einsetzen der Halbschalen HS in die Nut N₂ und beim Zusammendrücken der beiden Halb­ schalen HS die Halbschalen HS in Richtung der Ankerplatte AP₂ verschoben werden. Bei der Fertigung wird für den Schrumpfverband ein erhitzter Metallring MR um die zwei Halbschalen HS gelegt, der nur im erhitzten Zu­ stand genau auf beide Halbschalen HS paßt. Nach dem Abkühlen des Metall­ ringes MR werden beide Halbschalen HS zusammengepreßt, wobei die An­ kerplatte AP₂ fest auf den ringförmigen Anschlag AR des Stößels S₂ gepreßt wird und wodurch die Verbindung hohe Zug- und Druckkräfte aufnehmen kann.

In der Fig. 3 ist ein Schrumpfverband dargestellt, der direkt durch die erhitzte Ankerplatte AP₃ bewirkt wird. Dabei ist in der Ankerplatte AP₃ eine Bohrung zur Aufnahme des Stößels S₃ eingearbeitet, die einen geringfügig geringeren Durchmesser als der des Stößel S₃ aufweist. Zur Montage wird die Ankerplatte AP₃ stark erhitzt, wobei sie sich ausdehnt. Anschließend wird der Stößel S₃ in die nun gerade passende Bohrung der Ankerplatte AP₃ eingebracht. Beim Abkühlen der Ankerplatte AP₃ ist diese fest mit dem Stößel S₃ verbunden. Zusätzlich kann an dem Stößel S₃ ein ringförmiger Anschlag A₃ und eine Nut N₃ ausgeformt werden, wobei die Ankerplatte AP₃ auf den Stößel S₃ bis an den ringförmigen Anschlag A₃ eingebracht wird. Dabei wird die Nut N₃ im Stößel S₃ von der Ankerplatte AP₃ überdeckt. Mit­ tels eines geeigneten Preßwerkzeuges wird Material von der Ankerplatte AP₃ in die Nut N₃ des Stößels S₃ verschoben, wobei eine noch festere Verbindung geschaffen wird.

Die Verbindung der Ankerplatte AP₁-AP₃ mit dem Stößels S₁-S₃ durch einen Schrumpfverband ermöglicht für den Stößel S₁-S₃ die Verwendung einer Vielzahl von Werkstoffen (für die Ankerplatte AP₁-AP₃ sind ferromagneti­ sche Werkstoffe zwingend). Dadurch besteht die Möglichkeit die Masse der bewegten Anordnung des elektromagnetischen Aktors zu reduzieren, wo­ durch der Aktor in seinen Dimensionen begrenzt werden kann. Dabei ist die Verbindung durch einen Schrumpfverband dauerhaft, kostengünstig und hält hohen Zug- und Druckkräften stand.

Claims (8)

1. Ventilsteuerung für Kolbenbrennkraftmaschinen mit Gaswechselventilen, wobei mindestens ein Gaswechselventil (GV) mittels einem elektromagne­ tischen Aktor bewegt wird, der eine Ankerplatte (AP₁-AP₃) und einen Stößel (S₁-S₃) zur axialen Kraftübertragung zwischen der Ankerplatte und dem Gaswechselventil (GV) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (AP₁-AP₃) und der Stößel (S₁-S₃) durch mindestens einen Schrumpfverband miteinander verbunden sind.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößels (S₁-S₃) bis zu einem am Stößel (S₁-S₃) ausgebildeten Anschlag (A₂, A₃) in einer Bohrung der Ankerplatte (AP₁-AP₃) sitzt, daß der Stößel (S₁-S₃) an der dem Gaswechselventil (GV) entgegengesetzten Seite eine Nut (N₂, N₃) aufweist, die einseitig konisch ausgebildet ist, und daß in die Nut (N₂, N₃) zwei Halbschalen (HS) eingesetzt sind, über die der Schrumpfver­ band angeordnet ist.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrumpfverband ein Metallring (MR) ist.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ kerplatte (AP₁-AP₃) und der Stößel (S₁-S₃) durch einen direkten Schrumpfverband miteinander verbunden sind, wobei die Ankerplatte (AP₁-AP₃) eine Bohrung zur Aufnahme des Stößels (S₁-S₃) aufweist, die eine mit einem geringeren Durchmesser hat als der Stößel (S₁-S₃).

5. Ventilsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Stößel (S₁-S₃) ein Anschlag und eine Nut (N₂, N₃) ausgeformt ist, wobei die Ankerplatte (AP₁-AP₃) auf dem Anschlag (A₂, A₃) des Stößels (S₁-S₃) auf­ sitzt und wobei die Nut (N₂, N₃) mit durch ein Preßwerkzeug verschobenes Material der Ankerplatte (AP₁-AP₃) angefüllt ist.

6. Ventilsteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (AP₁-AP₃) und der Stößel (S₁-S₃) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

7. Ventilsteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (S₁-S₃) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

8. Ventilsteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (S₁-S₃) aus Siliziumnitrid besteht.