DE19756095C2 - Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die als separate Baugruppe ausgeführten Aktoren bestehen im Wesentlichen aus einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die durch mindestens ein Gehäuseteil mitein­ ander verbunden sind. Der Öffnermagnet und der Schließermagnet sind Elektromagneten, die jeweils aus einer Spule und einem Joch bestehen. Zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befindet sich eine Ankerplatte aus einem ferromagnetischen Werk­ stoff. Die Ankerplatte wird durch Bestromen der Spule des Öffnermagneten oder der Spule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt. Der Öffnermagnet weist eine Durchführung für einen Stößel auf, der die Ankerplatte mit einem Aktorfederteller verbindet. Zwischen dem Aktorfederteller und dem Gehäuseteil bzw. der Außenseite des Öffnermagneten ist eine Aktorfeder angeordnet.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswech­ selventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nockenwellen, mittels ei­ ner Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brenn­ kraftmaschine montiert, werden der Aktorfederteller und der Ventilfederteller gegeneinan­ der gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte exakt in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet. Das Gaswechselven­ til befindet sich dabei in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Ventil geschlossen ist, und der Position, in der das Ventil maximal geöffnet ist.

Da die Leistungsaufnahme eines Aktors im Bereich von einigen hundert Watt liegen kann, müssen Vorkehrungen zum Kühlen der Aktoren bzw. zum Abführen der unvermeidlich an­ fallenden Wärme vorgesehen werden.

Die Ansteuerung der Aktoren erfolgt über ein Aktorsteuergerät, welches durch den Beginn und die Dauer des Bestromens der Öffnermagneten und der Schließermagneten das Ven­ tilspiel der Brennkraftmaschine steuert. Dazu werden von Sensoren bereitgestellte Daten benötigt, aus denen das Aktorsteuergerät beispielsweise die Kurbelwellendrehzahl und den Kurbelwellendrehwinkel bestimmt.

Für eine Brennkraftmaschine in Zwei-Ventil-Technik mit einem Zylinder sind mindestens zwei Aktoren notwendig. Bei einer in Vier-Ventil-Technik ausgeführten Brennkraftma­ schine mit sechs Zylindern werden bis zu 24 Aktoren in einem Zylinderkopf integriert.

Eine dem entsprechende elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für Brennkraftma­ schinen-Hubventile ist in der Druckschrift DE 196 11 547 A1 beschrieben. Dabei weist der Zylinderkopf eine wesentlich größere Bauhöhe auf, wobei zur Aufnahme der Aktoren Schächte in dem Zylinderkopf ausgebildet sind.

Der Nachteil dieser Betätigungsvorrichtung besteht in dem hohen Montageaufwand, wenn beispielsweise Reparatur- oder Wartungsarbeiten am Zylinderkopf oder an den Ventilen durchgeführt werden müssen. Dabei muß zumindest ein Teil der Aktoren demontiert wer­ den, wonach beispielsweise ein Ventilfederteller weiterhin nur schwer zugänglich bleibt. Zudem muß bei der anschließenden Montage eine Justage jedes Aktors durchgeführt wer­ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anzugeben, bei der die Ak­ toren wartungsfreundlich angeordnet sind, die Kühlung gewährleistet ist und die Anbin­ dung an das Aktorsteuergerät erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung als diskrete Baugruppe aus­ geführt und in einem separaten Aktorträger angeordnet sind, der kraft- und formschlüssig auf dem Zylinderkopf befestigt wird.

Der separate Aktorträger wird von einer gekühlten Zwischenebene abgedeckt, die bei­ spielsweise aus Aluminium gefertigt ist, und die an den Kühlwasserkreislauf der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen ist. Die gekühlte Zwischenebene weist Durchführungen für Stanzgitteranschlüsse eines Stanzgitters auf.

Das Stanzgitter ist in einem multifunktionalen Kunststoffteil eingespritzt und auf der ge­ kühlten Zwischenebene angeordnet. Auf dem multifunktionalen Kunststoffteil ist ein Ak­ torsteuergerät angeordnet, das mit dem Stanzgitter verbunden ist.

Das Aktorsteuergerät ist mit weiteren Steuergeräten der Brennkraftmaschine verbunden. Zudem ist das Aktorsteuergerät mit Motorsensoren verbunden und an die Stromversor­ gung angeschlossen.

Die Aktoren, die einen Stecker mit mehreren Kontakten aufweisen, sind mechanisch mit der gekühlten Zwischenebene verbunden, wobei die Kontakte des Steckers elektrisch mit den Stanzgitteranschlüssen des Stanzgitters kontaktiert sind.

Die Zwischenebene mit dem Aktorsteuergerät wird von einer Abdeckung abgedeckt, die zusätzlich als Designträger des Herstellers der Brennkraftmaschine dienen kann. Die Ab­ deckung weist eine Steckvorrichtung auf, durch die das Aktorsteuergerät mit externen elektronischen Komponenten verbunden ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abdeckung für die Zwische­ nebene mit dem Aktorsteuergerät aus Kunststoff gefertigt ist.

In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die weiteren Steuergeräte ebenfalls unter der Abdeckung angeordnet, oder sogar in dem Aktorsteuergerät integriert sind.

Durch den kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb von Akto­ ren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen ist das Aktorsteu­ ergerät sehr nahe an den Aktoren angeordnet, wobei die Kühlung der Aktoren gewährlei­ stet ist. Durch den schichtweisen Aufbau sind die Aktoren bei Wartungsarbeiten einfach zu erreichen.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren zur elek­ tromagnetischen Ventilsteuerung anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Kolben­ brennkraftmaschine mit vier, in Reihe angeordneten Zylindern im Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Schnittbildes durch einen als separate Bau­ gruppe ausgeführten Aktor,

Fig. 2 die schematische Darstellung des schichtweisen Aufbaus der Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung eines Vierzylinder- Reihenmotors,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Kolbenbrennkraftma­ schine, insbesondere des separaten Aktorträgers mit den Aktoren, der gekühlten Zwischenebe­ ne, dem multifunktionalen Kunststoffteil sowie der Abdeckung.

In der Fig. 1 ist ein als vormontierte Baugruppe ausgeführter Aktor A dargestellt. Der Ak­ tor A besteht im Wesentlichen aus einem Öffnermagnet ÖM mit einer Durchführung und einem Schließermagnet SM, die durch ein Gehäuseteil GT miteinander verbunden sind. Der Öffnermagnet ÖM und der Schließermagnet SM sind Elektromagneten, die jeweils aus einem Joch und einer Spule bestehen. Zwischen dem Öffnermagnet ÖM und dem Schlie­ ßermagnet SM ist eine kreisrunde Ankerplatte AP aus einem ferromagnetischen Werkstoff angeordnet. Die Ankerplatte AP ist über einen Stößel S mit einem Aktorfederteller AT ver­ bunden. Der Stößel S wird dabei durch die Durchführung des Öffnermagneten ÖM geführt. Zwischen dem Aktorfederteller AT und dem Öffnermagnet ÖM ist eine Aktorfeder AF an­ geordnet, die die Rückstellung der Ankerplatte AP bewirkt, nachdem diese von dem Schließermagneten SM angezogen wurde. Die Kontaktierung der Spulen des Öffnerma­ gneten ÖM und des Schließermagneten SM erfolgt über einen Kontakte K aufweisenden Stecker SR.

4n der Fig. 2 ist der schichtweise Aufbau der Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren A zur elektromagnetischen Ventilsteuerung für eine vierzylindrige Kolbenbrennkraftmaschine ei­ nes Kraftfahrzeuges dargestellt. Die Zylinder der Kolbenbrennkraftmaschine sind in Vier- Ventil-Technik ausgeführt, wobei für jedes Gaswechselventil GV ein Aktor A vorgesehen ist. Dabei sind in den Aktorschächten AS des separaten Aktorträgers AR 16 Aktoren A an­ geordnet. Der als separates Bauteil ausgeführte Aktorträger AR wird auf dem Zylinderkopf ZK der Kolbenbrennkraftmaschine kraft- und formschlüssig verschraubt.

Ein Aktor A bildet mit einem Gaswechselventil GV eine funktionelle Einheit. Die Gaswech­ selventile GV sind im Zylinderkopf ZK der Kolbenbrennkraftmaschine montiert. Dabei wer­ den die Gaswechselventile GV von jeweils einer Ventilfeder VF (Fig. 3) über einen am Ventilschaft VS des Gaswechselventils GV befestigten Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkop­ fes ZK gezogen. In der Ruhelage einer funktionellen Einheit aus einem Gaswechselventil GV und einem Aktor A werden der Aktorfederteller AT und der Ventilfederteller gegenein­ ander gepreßt, wobei sich die Ankerplatte exakt in einer Mittellage zwischen dem Öffner­ magneten ÖM und dem Schließermagneten SM befindet. Die Ventilfeder bewirkt die Rückstellung der Ankerplatte in diese Mittellage, nachdem die Ankerplatte AP von dem Öffnermagneten ÖM zum Öffnen des Gaswechselventil GV angezogen wurde.

Die Aktorschächte AS, die zur Aufnahme der Aktoren A dienen, sind jeweils schräg zur Bodenfläche des separaten Aktorträgers AR ausgefräst, so daß der Stößel S eines Ak­ tors A mit dem Ventilschaft des zugehörigen Gaswechselventils GV eine Gerade bildet. Jeder Aktor­ schacht AS des Aktorträgers AR weist eine Vorrichtung zum Fixieren der Aktoren A auf. Diese Vorrichtung kann beispielsweise als Bajonettverschluß ausgeführt sein.

Nach der Montage des Aktorträgers AR auf dem Zylinderkopf ZK der Kolbenbrennkraftma­ schine werden die Aktorschächte AS mit den Aktoren A bestückt. Dabei stehen die Stec­ ker SR der Aktoren A mit den Kontakten K aus dem Aktorträger AR hervor. Die Kontakte K sind mit der Spule des Öffnermagneten ÖM und der Spule des Schließermagneten SM verbunden. Neben den Aktorschächten AS weist der Aktorträger AR Kühlwasserkanäle WK auf, die jeden Aktor A umgeben, und die mit den Kühlwasserkanälen des Zylinderkop­ fes ZK verbunden sind. Das in den Kühlwasserkanälen WK befindliche Kühlwasser bildet einen Wassermantel, der erheblich zur Dämpfung der beim Betrieb der Aktoren A entste­ henden Schallwellen beiträgt.

Auf dem Aktorträger AR mit den Aktoren A wird eine gekühlte Zwischenebene angebracht, die als Aluminiumplatte AE ausgeführt ist. Die Aluminiumplatte AE weist ebenfalls Kühl­ wasserkanäle WK auf, die horizontal in die Aluminiumplatte AE eingearbeitet sind, und die mit den Kühlwasserkanälen WK des separaten Aktorträgers AR verbunden sind. Gegebe­ nenfalls sind die Kühlwasserkanäle des Zylinderkopfes ZK, des Aktorträgers AR und der Aluminiumplatte AE seitlich durch Kühlwasserschläuche miteinander verbunden.

Die Aluminiumplatte AE weist Durchführungen für Stanzgitteranschlüsse SA eines Stanz­ gitters SG auf. Das Stanzgitter SG ist in einem multifunktionalen Kunststoffteil KT einge­ spritzt, das auf der Aluminiumplatte AE befestigt wird. Das Kunststoffteil KT übernimmt dabei die Isolierung des Stanzgitter SG, beispielsweise gegenüber der Aluminiumplatte AE. Die Durchführungen der Aluminiumplatte AE, in die das multifunktionale Kunststoffteil KT mit den Stanzgitteranschlüssen SA eingesetzt wird, sind als solide mechanische Steck­ plätze ausgebildet. Durch diese Steckplätze werden die Stecker SR der Aktoren A mit den Kontakten K fixiert, und die Stanzgitteranschlüsse SA des Stanzgitters SG werden mit den Kontakten K der Stecker SR der Aktoren A zuverlässig elektrisch verbunden.

Auf dem multifunktionalen Kunststoffteil KT ist ein Aktorsteuergerät AG angebracht, daß alle für die Steuerung der Aktoren A notwendigen Funktionen übernimmt. Das Aktorsteu­ ergerät AG ist mit der Stromversorgung des Kraftfahrzeuges sowie mit Motorsensoren verbunden.

Die Motorsensoren ermöglichen dem Aktorsteuergerät AG die Bestimmung des Kurbel­ wellendrehwinkels und der Kurbelwellendrehzahl. Zudem kann das Aktorsteuergerät AG mit weiteren Sensoren verbunden sein, die beispielsweise den Lastzustand der Kolben­ brennkraftmaschine erkennen.

Das Aktorsteuergerät AG ist durch die Kühlung der Aluminiumplatte AE vor einer übermä­ ßigen Erwärmung aufgrund der hohen Wärmeentwicklung beim Betrieb der Aktoren A ge­ schützt.

Die Aluminiumplatte AE mit dem multifunktionalen Kunststoffteil KT und dem Aktorsteuer­ gerät AG ist von einer Abdeckung AD abgedeckt. Die Abdeckung AD ist aus Kunststoff gefertigt und dient zugleich als Designträger des Herstellers der Kolbenbrennkraftmaschi­ ne oder des Kraftfahrzeuges. Die Abdeckung AD verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit in den Innenraum der Abdeckung. Seitlich an der Abdeckung AD ist eine Steckvorrichtung SV vorgesehen, durch die das Aktorsteuergerät AG mit der Stromversorgung, weiteren Steuergeräten und weiteren Sensoren der Kolbenbrennkraftmaschine verbunden ist.

In der Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren A zur elektro­ magnetischen Ventilsteuerung im montierten Zustand dargestellt. Die Figur zeigt primär den kompakten Aufbau der Vorrichtung.

Im Fall eines Defektes wird zur Reparatur die Steckvorrichtung SV der Abdeckung AD ab­ gezogen. Danach kann die Abdeckung AD selbst demontiert werden. Das Aktorsteuerge­ rät AG, das multifunktionale Kunststoffteil KT mit dem Stanzgitter SG und die Aluminium­ platte AE werden zusammen abmontiert. Von den nun freiliegenden Aktoren A kann der defekte Aktor aus dem Aktorschacht AS des separaten Aktorträgers AR gehoben werden. Dies geschieht beispielsweise mit einem Spezialwerkzeug, mit dem durch eine Vierteldre­ hung der Bajonettverschluß gelöst wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Betrieb von Aktoren (A) zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen, wobei die Aktoren (A) jeweils als diskrete Baugruppen ausgeführt sind und jeweils einen Stecker (SR) mit mehreren Kontakten (K) aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
die Aktoren (A) in einem separaten Aktorträger (AR) in Aktorschächten (AS) angeord­ net sind,
der separate Aktorträger (AR) von einer gekühlten Zwischenebene (AE) abgedeckt wird, die Durchführungen für Stanzgitteranschlüsse (SA) eines Stanzgitters (SG) auf­ weist,
die Stanzgitteranschlüsse (SA) des Stanzgitters (SG) mit den Kontakten (K) der Stec­ ker (SR) der Aktoren (A) kontaktiert sind,
auf der gekühlten Zwischenebene (AE) ein multifunktionales Kunststoffteil (KT) ange­ ordnet ist, in welches das Stanzgitter (SG) eingespritzt ist,
auf dem multifunktionalen Kunststoffteil (KT) ein Aktorsteuergerät (AG) angeordnet ist, das mit dem Stanzgitter (SG) verbunden ist,
das Aktorsteuergerät (AG) mit weiteren Steuergeräten, mit Motorsensoren sowie mit der Stromversorgung verbunden ist,
die Zwischenebene (AE) mit dem multifunktionalen Kunststoffteil (KT) und dem Aktor­ steuergerät (AG) eine Abdeckung (AD) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorschächte (AS) im separaten Aktorträger (AR) von Kühlmittelkanälen (WK) umgeben sind, die mit Kühlmittelkanälen (WK) des Zylinderkopfes (ZK) bzw. mit einem Kühlmittelkreislauf der Brenn­ kraftmaschine verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Zwischenebene eine Aluminiumplatte (AE) ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Zwischenebene (AE) mit den Kühlmittelkanälen (WK) des Zylinderkopfes (ZK) bzw. mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (AD) als De­ signträger dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (AD) aus Kunststoff gefertigt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Steuergeräte in dem Aktorsteuergerät (AG) integriert sind.