DE19745522A1 - Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus einer älteren Anmeldung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles bekannt, wobei das Gas­ wechselventil durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigt wird. Der Aktuator weist zwei Schaltmagnete auf, die das Gas­ wechselventil in einer Offen- und einer Schließstellung halten. Zwischen den beiden Schaltmagneten ist ein Anker axial ver­ schiebbar angeordnet, der über einen in einer Führung angeord­ neten Ankerschaft gemeinsam mit einem Federsystem auf einen Ventilschaft des Gaswechselventiles wirkt. Bei nicht bestromten Schaltmagneten wird der Anker durch das Federsystem in einer Gleichgewichtslage gehalten, die vorzugsweise mit der energeti­ schen Mitte zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile oder Wärmedehnungen unterschiedlicher Mate­ rialien, können dazu führen, daß die Gleichgewichtslage des An­ kers nicht mit der energetischen Mittenlage zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt. Was bewirken kann, daß der Anker nicht mehr vollständig an den Auflage- bzw. Polflächen der Ma­ gnete zur Anlage kommt, daß Spiel zwischen dem Ankerschaft und dem Ventilschaft entsteht und/oder daß das Gaswechselventil nicht mehr vollständig schließt. Um diese sich verändernden Größen auszugleichen, weist die Vorrichtung ein zwischen Anker­ schaft und Ventilschaft angeordnetes Spielausgleichselement auf, das zur Druckmediumversorgung über den Ankerschaft mit ei­ nem Druckanschluß verbunden ist. Dazu weist der Ankerschaft ei­ nen in Längsrichtung eingebrachten Kanal auf, der eine Verbin­ dung mit dem Druckanschluß ermöglicht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Betäti­ gung eines Gaswechselventiles zu schaffen, welche bei ausrei­ chender Belastbarkeit ein geringeres Gewicht hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt im extremen Leichtbau der Vorrichtung. Der Ankerschaft ist durch ein Rohr gebildet, was zu einer erhöhten Materialersparnis und einer dementsprechenden Gewichtsersparnis führt. Somit kann die Masse der bewegten Teile der Vorrichtung geringer gehalten werden. Bei gleicher Federsteifigkeit der beiden Druckfedern führt dies zu einer kürzeren Flugzeit des Ankers (Schwingzeit), was vor­ teilhafterweise eine längere Öffnungszeit des Ventiles bedeu­ tet. Hierdurch werden vorteilhafterweise bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine ausreichende Füllung und somit hohe Leistungswerte erzielt. Bei geringerer Federsteifigkeit der Druckfedern und gleichbleibender Flugzeit des Ankers werden kleinere Haltekräfte der Schaltmagnete benötigt, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Im übrigen weist ein durch Ziehen oder Fließpressen hergestelltes Rohr eine hohe Steifig­ keit und eine hohe Festigkeit auf, wodurch eine ausreichende Belastbarkeit des hohlen Ankerschaftes ermöglicht ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der rohrförmige An­ kerschaft Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken auf, die der jeweiligen auf die Bereiche einwirkenden Belastung angepaßt sind. Dadurch kann der Ankerschaft so leicht wie möglich ausge­ bildet sein, ohne unter Belastung zu versagen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Spielausgleichselement auf, das zwi­ schen Ankerschaft und Ventilschaft angeordnet ist, wobei der hohle Ankerschaft zusätzlich zur Versorgung des Spielaus­ gleichselementes mit Druckmedium dienen kann. Ein zusätzlicher Fertigungsaufwand durch Einbringen eines separaten Druckmedium­ kanals in den Ankerschaft entfällt. Der durch Ziehen oder Fließpressen hergestellte, rohrförmige Ankerschaft weist eine höhere Steifigkeit und eine höhere Festigkeit auf als ein mas­ siver, mit nachträglich eingebrachtem Druckmediumkanal versehe­ ner Ankerschaft. Vorzugsweise ist der rohrförmige Ankerschaft zur Bildung eines Vorratsvolumens für das Druckmedium durch ei­ nen eingepreßten Stopfen verschlossen, wodurch der gesamte In­ nenraum des Rohres als Vorratsraum eingesetzt und die letztend­ liche Größe des Vorratsvolumens je nach rage des Stopfens vari­ iert werden kann. Es sind auch weitere Verschlußmöglichkeiten, wie beispielsweise verschweißen, denkbar.

Der in einer Führung angeordnete Ankerschaft ist über eine Boh­ rung mit dem Druckanschluß verbunden. In einer weiteren Ausge­ staltung der Erfindung ist im Bereich der Bohrung am Anker­ schaft eine Einschnürung vorgesehen, die mit der Führung des Ankerschaftes eine Ringnut bildet, über die die Bohrung mit dem Druckanschluß verbunden ist. Die Ausbildung der Ringnut zur Druckmediumleitung erfolgt mit Ausnahme der Bohrung ohne Unter­ brechung des Faserverlaufes des Rohres, so daß ein weitgehend ungehinderter Kraftfluß im Verlauf des Ankerschaftes möglich ist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In der einzigen Figur ist im folgenden ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Sie zeigt eine ins­ gesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Betätigung eines Gas­ wechselventiles 2 einer nicht näher gezeigten Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine. Das Gaswechselventil 2 weist einen Ventilschaft 3 und einen Ventilteller 4 auf, wobei der Ventilteller 4 mit einem in einem hier nicht gezeigten Gaswechselkanal vorgesehe­ nen Ventilsitz 5 zusammenwirkt und zum Verschließen des Gas­ wechselkanals dient. Die Vorrichtung 1 dient zur Betätigung des Gaswechselventils 2, wobei das Gaswechselventil 2 zwischen ei­ ner in der Figur dargestellten Schließstellung und einer Offen­ stellung hin- und herbewegbar ist.

Die Vorrichtung 1 weist einen das Gaswechselventil 2 betätigen­ den elektromagnetischen Aktuator 6 auf, der in einer Ausnehmung 7 eines Bauteiles 8 der Brennkraftmaschine gelagert ist. Der Aktuator 6 besitzt einen oberen Schließmagneten 9 und einen un­ teren Öffnungsmagneten 10, zwischen deren Polflächen 11, 12 ein Anker 13 in Richtung einer Längsachse 14 des Gaswechselventils 2 verschiebbar angeordnet ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschi­ ne legt sich der Anker 13 wechselweise mit seinen Anlaufflächen 15, 16 an die Polflächen 11, 12 der Schaltmagnete 9, 10 an und wird von den Magneten 9, 10 in zwei getrennten Schaltpositionen gehalten.

Der Anker 13 ist auf einem Ankerschaft 17 befestigt, beispiels­ weise aufgepreßt. Erfindungsgemäß ist der Ankerschaft 17 zur Gewichtsersparnis durch ein Rohr gebildet, wobei das Rohr 17 in einer in den Öffnungsmagneten 10 eingesetzten Führung 18 ge­ führt ist. Der rohrförmige Ankerschaft 17 weist im Bereich 19 der Führung 18 eine Einschnürung 20 und an einem den Magneten 9, 10 abgewandten Ende ein Gewinde 21 auf. Über diesen Anker­ schaft 17 wirkt der Anker 13 auf den Ventilschaft 3 und somit auf den den Gaswechselkanal verschließenden Ventilteller 4 des Gaswechselventiles 2. Der Ventilschaft 3 ist ebenfalls in Rich­ tung der Längsachse 14, d. h. in Öffnungsrichtung 14a und in Schließrichtung 14b des Gaswechselventiles 2 verschiebbar gela­ gert.

Der Öffnungsmagnet 10 stützt sich in der Ausnehmung 7 in Rich­ tung des Gaswechselventiles 2 an einer Scheibe 22 und einem daran anschließenden gehäusefesten Ring 23 ab. Zwischen Aktua­ tor 6 und Ventilteller 4 besitzt die Vorrichtung 1 ein Federsy­ stem 24, das aus einer oberen, in Öffnungsrichtung 14a wirken­ den Ventilfeder 25 und einer unteren, in Schließrichtung 14b wirkenden Ventilfeder 26 besteht. Sowohl die Öffnungsfeder 25 als auch die Schließfeder 26 sind in dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als Schraubenfedern ausgebildet. Die obere Ven­ tilfeder 25 stützt sich in Richtung Gaswechselventil 2 an einem auf das Gewinde 21 des Ankerschaftes 17 aufgeschraubten Feder­ teller 27 und in die vom Gaswechselventil 2 abgewandte Richtung an der am Öffnungsmagneten 10 anliegenden Scheibe 22 ab. Die untere Ventilfeder 26 stützt sich in Richtung Gaswechselventil 2 an dem Bauteil 8 und in die vom Gaswechselventil 2 abgewandte Richtung an einem auf dem Ventilschaft 3 befestigten Federtel­ ler 28 ab. Die Ventilfedern 25, 26 sind so vorgespannt, daß bei unbestromten Schaltmagneten 9, 10 der Anker 13 in einer Gleich­ gewichtslage gehalten wird, die vorzugsweise mit der energeti­ schen Mitte zwischen den Schaltmagneten 9, 10 übereinstimmt.

Beim Start des Aktuators 6 wird entweder einer der beiden Ma­ gnete 9, 10 kurzzeitig übererregt, um den Anker 13 aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder der Anker 13 durch eine An­ schwingungsroutine in seiner Resonanzfrequenz ins Schwingen versetzt, um ihn zu einer der Polflächen 11, 12 der Schaltma­ gnete 9, 10 zu bewegen und dort zu halten. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 2, wie in der Figur dargestellt, liegt der Anker 13 mit seiner ersten Anlauffläche 15 an der Polfläche 11 des bestromten Schließmagneten 9 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 9 spannt die in Öffnungs­ richtung 14a wirkende obere Ventilfeder 25 vor. Um das Gaswech­ selventil 2 zu öffnen, wird der Schließmagnet 9 ausgeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 14a wirkende Ventilfeder 25 beschleu­ nigt den Anker 13 über die Gleichgewichtslage hinaus in Rich­ tung Offenstellung des Gaswechselventils 2. Vor Erreichen der Offenstellung wird nun der Öffnungsmagnet 10 eingeschaltet, so daß der Anker 13 sich mit seiner zweiten Anlauffläche 16 an die Polfläche 12 des Öffnungsmagneten 10 anlegt und von diesem festgehalten wird. Um das Gaswechselventil 2 wieder zu schlie­ ßen, wobei sein Ventilteller 4 am Ventilsitz 5 anliegt und den Gaswechselkanal verschließt, wird der Öffnungsmagnet 10 ausge­ schaltet. Die in Schließrichtung 14b wirkende Ventilfeder 26 beschleunigt den Anker 13 über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten 9. Der Anker 13 wird vom mittlerweile ein­ geschalteten Schließmagneten 9 angezogen, legt sich mit seiner Anlauffläche 15 an die Polfläche 11 des Schließmagneten 9 an und wird von diesem festgehalten.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine kann sowohl "positives" als auch "negatives" Ventilspiel auftreten, wobei "negatives" Ven­ tilspiel bedeutet, daß das Ventil nicht mehr richtig schließt. Daher ist für einen Ausgleich des Ventilspiels zur spiel freien Betätigung des Ventiltriebes ein hydraulisches Spielausgleichs­ element 29 vorgesehen, das durch die Vorspannung der Ventilfe­ dern 25, 26 zwischen Ankerschaft 17 und Ventilschaft 3 einge­ spannt ist, wobei das Spielausgleichselement 29 im Federteller 28 der unteren Ventilfeder 26 oder wie dargestellt im Federtel­ ler 27 der oberen Ventilfeder 25 integriert sein kann. Tritt nun Spiel zwischen dem Ankerschaft 17 und dem Ventilschaft 3 auf, kommt die Anlauffläche 15 des Ankers 13 nicht mehr voll­ ständig mit der Polfläche 11 des Schaltmagneten 9 in Kontakt oder schließt beispielsweise das Gaswechselventil 2 nicht mehr vollständig, wird das Spielausgleichselement 29 durch die Kraft der Feder 26 solange zusammengedrückt, bis das Gaswechselventil 2 mit seinem Ventilteller 4 am Ventilsitz 5 anliegt.

Vorteilhafterweise kann der rohrförmige Ankerschaft 17 zusätz­ lich zur Versorgung des hydraulischen Spielausgleichselementes 29 mit Druckmedium dienen, wobei das Spielausgleichselement 29 über den hohlen Ankerschaft 17 mit einem Druckanschluß 30 ver­ bunden ist. Dadurch, daß der Ankerschaft 17 durch ein Rohr ge­ bildet ist, kann ein separater Kanal zur Druckmediumversorgung entfallen. Das Rohr 17 weist belastungsorientierte Bereiche 31 bis 33 mit unterschiedlichen Wandstärken auf, welche beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel in etwa den Bereich 31 des Gewin­ des 21, den Bereich 32 der Einschnürung 20 und den restlichen Ankerschaft 17 umfassen. Zur Bildung eines Vorratsraumes 34 für das Druckmedium ist der rohrförmige Ankerschaft 17 durch einen im Bereich 32 der Einschnürung 20 eingepreßten Stopfen 35 ver­ schlossen, wobei der Stopfen 35 je nach gewünschter Größe des Vorratsraumes 34 positioniert werden kann.

Das Druckmedium wird von dem Druckanschluß 30 unterhalb des Öffnungsmagneten 10 in dem Ring 23 verlaufenden Ringnuten 36 zugeführt. Innerhalb des Ringes 23 wird es über die Ringnuten 36 einem Kanal 37 in der Scheibe 22 zugeführt, über den das Druckmedium in eine im Öffnungsmagneten 10 vorgesehene Ausneh­ mung 38 gelangt. Die Ausnehmung 38 schließt an einen in der Führung 18 des Ankerschaftes 17 angeordneten Kanal 39 an, der in eine weitere Ringnut 40 mündet, welche durch die Ein­ schnürung 20 des Ankerschaftes 17 und die Führung 18 gebildet ist. Im Bereich der Ringnut 40 besitzt der Ankerschaft 17 eine Bohrung 41, über die das Druckmedium in das Innere bzw. den Vorratsraum 34 des rohrförmigen Ankerschaftes 17 und damit in das Spielausgleichselement 29 gelangt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem dieses betätigenden elek­ tromagnetischen Aktuator, der einen Schließmagneten und einen Öffnungsmagneten aufweist, zwischen denen ein Anker axial ver­ schiebbar angeordnet ist, welcher über einen in einer Führung angeordneten Ankerschaft gemeinsam mit einem Federsystem auf einen Ventilschaft wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (17) durch ein Rohr gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Ankerschaft (17) belastungsorientierte Bereiche (31 bis 33) mit unterschiedlichen Wandstärken auf­ weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (17) an einem den beiden Magneten (9, 10) abgewandten Ende ein Gewinde (21) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) ein Spielausgleichselement (29) aufweist, das zur Versorgung mit Druckmedium über den Anker­ schaft (17) mit einem Druckanschluß (30) verbunden ist, wobei der rohrförmige Ankerschaft (17) zur Bildung eines Vorratsrau­ mes (34) für das Druckmedium verschlossen und über eine Bohrung (41) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ankerschaft (17) im Bereich der Bohrung (41) eine Einschnürung (20) vorgesehen ist, welche mit der Führung (18) des Ankerschaftes (17) eine Ringnut (40) bildet, über die die Bohrung (41) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (40) über einen in der Führung (18) des An­ kerschafts (17) angeordneten Kanal (39) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (39) der Führung (18) über eine mit einer Scheibe (22) abgedeckte Ausnehmung (38) im Öffnungsmagneten (10) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (38) im Öffnungsmagneten (10) über einen in einer unterhalb des Öffnungsmagneten (10) angeordneten Scheibe (22) verlaufenden Kanal (37) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (37) der Scheibe (22) über in einem unterhalb der Scheibe (22) angeordneten Ring (23) verlaufende Ringnuten (36) mit dem Druckanschluß (30) verbunden ist.