DE19757505A1 - Betätigungsvorrichtung für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Aus der DE 197 02 458 A1 ist eine Betätigungsvorrichtung be­ kannt, die mittels eines elektromagnetischen Aktuators im Zy­ linderkopf einer Brennkraftmaschine ein Gaswechselventil in Öffnungs- und in Schließstellung schaltet. Der elektromagne­ tische Aktuator umfaßt einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein verschiebli­ cher Anker angeordnet ist, der mit dem Schaft des Gaswechsel­ ventils in Wirkverbindung steht. Je nach Erregung der Magnete wird der Anker in Richtung des Öffnungs- bzw. des Schließma­ gneten versetzt; dementsprechend wird auch das mit dem Anker verbundene Gaswechselventil in seine Öffnungs- bzw. Schließ­ stellung verstellt.

Aufgrund thermisch bedingter Volumenänderungen und Verschleiß kann ein ein zulässiges Maß überschreitendes Ventilspiel auf­ treten, das dazu führt, daß die Schließfunktion des Gaswech­ selventils nicht mehr eingehalten werden kann. Um Nachteile zu vermeiden, ist eine Spielausgleichseinrichtung vorgesehen, die ein entstandenes Ventilspiel durch axiales Verschieben des Aktuators ausgleicht.

Die Bewegung des Aktuators führt dazu, daß der Anker und in der Folge das Gaswechselventil keine exakte, definierte Bewe­ gung mehr ausführen, so daß trotz der Spielausgleichseinrich­ tung der Öffnungshub des Gaswechselventils von einer vorgege­ benen Sollfunktion abweicht. Es ist insbesondere zu befürch­ ten, daß das Ventil nicht mehr vollständig geöffnet werden kann und der Ventilhub verringert wird.

Weitere Nachteile entstehen durch die unkontrollierten Ventil­ laufsetzgeschwindigkeiten, die durch die Überlagerung der Ventilbewegung und der Aktuatorbewegung entstehen. Neben ei­ ner unerwünschten Geräuschentwicklung durch das Aufsetzen des Ventiltellers im Ventilsitz sind auch eine erhöhte Belastung der Bauteile und vorzeitiger Verschleiß, insbesondere durch die hohe Impulsübertragung aufeinandertreffender Bauteile, die Folge.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Betätigungs­ vorrichtung der gattungsbildenden Art über eine lange Be­ triebsdauer funktionssicher auszubilden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Der Dämpfer bewirkt, daß die Bewegungen und insbesondere die Geschwindigkeit des Aktuators während des Betriebs der Brenn­ kraftmaschine klein gehalten werden, so daß auch die beim Auftreffen auf den Sitz bzw. auf Begrenzungen auftretenden Verzögerungen und daraus resultierenden Belastungen reduziert sind. Aufgrund der geringeren Kräfte ist auch der Verschleiß reduziert und die Betriebsdauer erhöht.

Je nach Dämpfereinstellung kann die Aktuatorbewegung auf aus­ legbar kleine Wege begrenzt werden. Eine Beeinflussung der Ventilbewegung durch Reaktionskräfte auf den Aktuator und da­ durch bedingter Verschiebungen entgegengesetzt zur Ventilaus­ lenkung wird minimiert, und zwar sowohl während der Öffnungs­ phase des Gaswechselventils als auch in der Schließphase. Der Ventilhub kann mit geringstmöglicher Abweichung von der vor­ gegebenen Sollfunktion ausgeführt werden.

Der Dämpfer ist zweckmäßig als hydraulisches Dämpfungselement ausgeführt und auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite des Aktuators koaxial zum Ventil angeordnet. Im Schließmagne­ ten ist vorteilhaft eine Durchtrittsöffnung vorgesehen, die die Befestigung des Dämpfers am Aktor erlaubt. In dieser Aus­ führung treten keine Kraftkomponenten vertikal zur Längsachse von Ventil und Anker auf, so daß nur Kräfte in Richtung der Längsachse übertragen werden und eine im wesentlichen rei­ bungs- und verschleißfreie Bewegung ermöglicht ist.

Der Dämpfer ist bevorzugt an einer Deckplatte angeschraubt, die am Zylinderkopf gehalten ist und den Aktuator überdeckt. Die Schraubverbindung ist von außen leicht zugänglich.

Vorzugsweise ist der Aktuator schwimmend im Zylinderkopf ge­ lagert, wobei das Gaswechselventil von zwei Ventilfedern be­ aufschlagt ist, die in Schließrichtung bzw. in Öffnungsrich­ tung wirken. Das Gaswechselventil ist dadurch im Grundzu­ stand, d. h. ohne Auslenkung durch den Anker, in einem stabi­ len Gleichgewicht gehalten, das einer mittigen Lage des An­ kers zwischen den Polflächen der beiden Magnete entspricht. Der Anker kann aus dieser Position je nach Erregung einer der beiden Magnete mit einer im wesentlichen gleich großen Kraft entweder in Richtung des Schließmagneten oder in Richtung des Öffnungsmagneten ausgelenkt werden.

Die beiden Ventilfedern sind bevorzugt in einem Federraum plaziert, der dem Aktuator zugeordnet ist. Die Ventilfedern stützen sich jeweils an einem Ende gegen das Gehäuse des Fe­ derraums und am anderen Ende zweckmäßig gegen einen Federtel­ ler ab, der das Gaswechselventil mit dem Anker verbindet. Der Federteller übernimmt in dieser Ausführung sowohl die Funkti­ on einer kraftübertragenden Verbindung zwischen dem Ankerstö­ ßel und dem Ventilschaft als auch die Funktion, die Feder­ kräfte auf die geschaffene Einheit aus Anker und Ventil zu übertragen.

Die Spielausgleichseinrichtung, die zweckmäßig als Aus­ gleichsfeder zwischen dem Zylinderkopf und dem Öffnungsmagne­ ten ausgeführt ist, positioniert den schwimmend gelagerten Aktuator in einer stabilen Lage relativ zum Zylinderkopf und sorgt für einen Ausgleich eventuell auftretenden Spiels, das insbesondere durch thermische Dehnungen auftreten kann. Es wird außerdem bei geschlossenem Ventil eine Restschließkraft aufgebracht.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeich­ nungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel im Schnitt.

Die in Fig. 1 gezeigte Betätigungsvorrichtung 1 steuert den Hub eines Gaswechselventils 2, mit dem Ein- bzw. Auslaßkanäle eines Zylinders in einer Brennkraftmaschine geöffnet bzw. ge­ schlossen werden. Zur Betätigungsvorrichtung 1 gehört ein im Zylinderkopf 3 schwimmend gelagerter elektromagnetischer Ak­ tuator 4, der zwei Elektromagnete umfaßt, einen dem Gaswech­ selventil 2 zugewandten Öffnungsmagneten 5 und einen vom Gas­ wechselventil abgewandten Schließmagneten 6. Weiterhin ist ein Anker 7 vorgesehen, der koaxial zum Gaswechselventil 2 angeordnet und in Richtung der Längsachse 14 des Ventils 2 verschieblich in der Betätigungsvorrichtung 1 gelagert ist. Eine Ankerplatte 8 des Ankers 7 ist in dem Zwischenraum zwi­ schen dem Öffnungsmagneten 5 und dem Schließmagneten 6 posi­ tioniert, wobei die Ankerplatte 8 im wesentlichen parallel zu den einander zugewandten Polflächen 15, 16 des Öffnungsmagne­ ten 5 bzw. des Schließmagneten 6 liegt.

Die Ankerplatte 8 ist mit einem Ankerstößel 9 verbunden, der durch eine Führung 17 im Öffnungsmagnet 5 geführt ist und dessen der Ankerplatte 8 abgewandtes Ende in Wirkverbindung mit dem Ventilschaft 18 des Gaswechselventils 2 steht, um Steuerbewegungen des Ankers 7 auf das Gaswechselventil 2 zu übertragen. Der Ankerstößel 9 ist über einen Federteller 19 mit dem Ventilschaft 18 des Gaswechselventils 2 verbunden. Der Federteller 19 weist in Achsrichtung zwei Ausnehmungen auf, in denen die freien Enden des Ankerstößels 9 bzw. des Ventilschafts 18 spielfrei aufgenommen sind.

Die Steuerbewegung des Ankers 7 wird durch die Elektromagnete 5, 6 erzeugt. Die Elektromagnete 5, 6 werden abwechselnd er­ regt, wobei bei Erregung des Öffnungsmagneten 5 die Anker­ platte 8 an die Polfläche 15 dieses Elektromagneten gezogen wird, bei Erregung des Schließmagneten 6 an die Polfläche 16 dieses Elektromagneten. Über den Federteller 19 wird die Be­ wegung des Ankers 7 auf das Gaswechselventil 2 übertragen, das bei Anlage der Ankerplatte 8 an der Polfläche 15 des Öff­ nungsmagneten 5 in Öffnungsstellung steht, bei Anlage der An­ kerplatte 8 an der Polfläche 16 des Schließmagneten 6 dagegen in Schließstellung steht.

Der Aktuator 4 ist im Zylinderkopf 3 in Richtung der Längs­ achse 14 schwimmend gelagert. Um axiale Verschiebungen des Aktuators 4 zu ermöglichen, ist im Zylinderkopf 3 eine Füh­ rung 20 für den Aktuator ausgebildet. Bei Erregung einer der Elektromagnete 5, 6 des Aktuators 4 wird auf die Ankerplatte 8 eine Kraft ausgeübt, die zu einer Ankerverschiebung und in der Folge zu einer Ventilbetätigung führt. Während der Ven­ tilbetätigung wirken auf den Aktuator Reaktionskräfte, die entgegen der Ventilbewegung gerichtet sind und zu einer axia­ len Verschiebung des Aktuators führen. Beispielsweise wird als Reaktion des Überführens des Gaswechselsventils von Schließstellung in Öffnungsstellung der Aktuator in entgegen­ gesetzte Richtung weg vom Ventil gedrückt.

Die Bewegung des Aktuators soll möglichst klein gehalten wer­ den, damit ein gewünschter Ventilhub präzise realisiert wer­ den kann. Zugleich soll aber die Aktuatorbewegung nicht bloc­ kiert werden, um einen Spielausgleich, der durch thermische Dehnungen, Verschleiß etc. herrührt, zu ermöglichen. Zur Be­ grenzung der Aktuatorbewegung ist eine Spielausgleichsein­ richtung 12 in Form einer auf Druck beanspruchten Ausgleichs­ feder 21 vorgesehen, die den Aktuator gegen den Zylinderkopf abstützt. Die Ausgleichsfeder 21 kann auch als hydraulische Feder ausgebildet sein. Am Zylinderkopf 3 ist in der Führung 20 eine Ringschulter 27 ausgebildet, auf der eine Stirnseite der koaxial zum Ankerstößel angeordneten Ausgleichsfeder 21 aufliegt. Die andere Stirnseite der Ausgleichsfeder 21 ist mit dem Öffnungsmagneten 5 verbunden. Die Ausgleichsfeder 21 sorgt dafür, daß der Aktuator mit einer gewünschten Kraft in Schließrichtung gedrückt wird (Restschließkraft). Der Dämpfer sorgt dafür, daß der Aktuator bei einer Auslenkung des Gas­ wechselventils 2 nur geringfügig aus seiner Position ausge­ lenkt wird. Außerdem können durch die axiale Beweglichkeit thermisch oder durch Verschleiß bedingte Längenänderungen ausgeglichen und daraus resultierendes Spiel vermieden wer­ den.

Eine Begrenzung der axialen Bewegung des Aktuators 4 wird durch einen Dämpfer 13 erreicht, der die Bewegungen des Ak­ tuators gegenüber dem Zylinderkopf 3 dämpft. Der Dämpfer 13, der zweckmäßig als hydraulisches Dämpfungselement ausgeführt ist, ist auf der dem Ventil abgewandten Seite des Schließma­ gneten 6 angeordnet. Der Dämpfer 13 ist an einer Deckplatte 22, die mit dem Zylinderkopf 3 verbunden, jedoch an diesem lösbar gehalten ist und die Betätigungsvorrichtung 1 abdeckt, mittels einer Schraubverbindung 23 befestigt und in eine zen­ trale Durchtrittsöffnung 24 im Schließmagneten 6 einge­ schraubt, wodurch eine kraftübertragende Verbindung zwischen Zylinderkopf und Aktuator hergestellt ist.

Der Dämpfer 13 sorgt für einen rasch abklingenden Schwin­ gungsverlauf der Axialschwingungen des Aktuators. Die Bewe­ gungen und auch die Axialgeschwindigkeiten des Aktuators wer­ den begrenzt. Auch die auf den Aktuator wirkenden Kräfte, die bei Verzögerung des Aktuators im Umkehrpunkt oder durch Wand­ reibung entstehen, sind reduziert, ebenso wie störende Auf­ setzgeräusche.

Der Anker 7 und das Ventil 2 sind über zwei Ventilfedern 10, 11 am Aktuator 4 abgestützt. Die Ventilfedern 10, 11 befinden sich in einem Federraum 25, der fest mit dem Aktuator 4 ver­ bunden ist und in Form eines Gehäuses zwischen dem Öffnungs­ magneten 5 und dem Gaswechselventil 2 liegt. Die als Druckfe­ dern ausgebildeten Ventilfedern 10, 11 stützen sich mit einer Stirnseite an der Decke bzw. am Boden des Federraums 25 ab, die andere Stirnseite liegt jeweils an gegenüberliegenden Seiten eines Flansches 28 des Federtellers 19 an.

Im Grundzustand, ohne Erregung durch die Elektromagnete 5, 6, ist die Ankerplatte 8 des Ankers 7 durch die Ventilfedern 10, 11 in einer mittigen Lage zwischen dem Öffnungsmagneten 5 und dem Schließmagneten 6 gehalten, so daß im wesentlichen die Kraft, die zur Auslenkung des Ankers an die Polfläche 15 des Öffnungsmagneten 5 benötigt wird, etwa gleich groß ist wie die Kraft, die zur Auslenkung des Ankers an die Polfläche 16 des Schließmagneten 6 benötigt wird.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Betäti­ gungsvorrichtung 1 dargestellt. Der Dämpfer 13 ist zwischen dem Schließmagneten 6 und der Deckplatte 22 angeordnet, liegt jedoch im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel außermit­ tig zur Längsachse 14. Der Dämpfer 13 ist als hydraulischer, drucklos versorgter Dämpfer ausgebildet. Die Spielausgleich­ seinrichtung 12 ist als hydraulische Feder ausgeführt, der ein Rückschlagventil 29 zugeordnet sein kann, das ebenfalls eine Dämpfungsfunktion übernimmt, so daß Dämpfer und hydrau­ lische Feder in ein gemeinsames Bauteil integriert sind.

Claims (16)

1. Betätigungsvorrichtung für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine, mit einem elektromagnetischen Aktuator (4), der einen Öffnungsmagneten (5) und einen Schließmagneten (6) umfaßt, zwischen denen ein verschiebbarer Anker (7) zur Betätigung des Gaswechselventils (2) angeordnet ist, mit Ven­ tilfedern (10, 11) zur Beaufschlagung des Gaswechselventils (2) und mit einer Spielausgleichseinrichtung (12) zwischen Aktuator (4) und Zylinderkopf (3), dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Zylinderkopf (3) und Aktuator (4) wirkender Dämpfer (13) vorgesehen ist.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (13) als hydraulisches Dämpfungselement aus­ gebildet ist.

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (13) koaxial zum Gaswechselventil (2) ange­ ordnet ist.

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (13) auf der dem Gaswechselventil (2) abge­ wandten Seite des Aktuators (4) angeordnet ist.

5. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schließmagneten (6) eine Durchtrittsöffnung (24) vor­ gesehen ist, in die der Dämpfer (13) eingeschraubt ist.

6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (13) an einer mit dem Zylinderkopf (3) ver­ bundenen Deckplatte (22) angeschraubt ist.

7. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (4) schwimmend im Zylinderkopf (3) gelagert ist.

8. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ventilfedern (10, 11) vorgesehen sind, die in Schließrichtung bzw. in Öffnungsrichtung des Gaswechselven­ tils (2) wirken.

9. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilfedern (10, 11) sich an einem gemeinsa­ men Federteller (19) abstützen, der das Gaswechselventil (2) mit dem Anker (7) verbindet.

10. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfedern (10, 11) sich mit ihrem dem Federteller (19) abgewandten Federende am Aktuator (4) abstützen.

11. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfedern (10, 11) in einem dem Aktuator (4) zuge­ ordneten Federraum (25) angeordnet sind, der zwischen dem Öffnungsmagneten (5) und dem Gaswechselventil (2) gebildet ist.

12. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Spielausgleichseinrichtung (12) eine Ausgleichsfeder (21) vorgesehen ist.

13. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsfeder (21) koaxial zum Gaswechselventil (2) angeordnet ist.

14. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsfeder (21) am Öffnungsmagneten (5) abge­ stützt ist.

15. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spielausgleichselement (12) als hydraulische Feder ausgebildet ist.

16. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (13) in die hydraulische Feder integriert ist.