DE19801396C1 - 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, der schwimmend in einer Führung im Zylinder­ kopf gelagert ist, umfaßt einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten; zwischen den Polflächen der Magneten ist ein verschieblicher Anker angeordnet, der mit dem Schaft des Gas­ wechselventils in Wirkverbindung steht. Je nach Erregung der Magnete wird der Anker an die Polfläche des Öffnungs- bzw. des Schließmagneten gezogen und entsprechend das Gaswechsel­ ventil in seine Öffnungs- bzw. Schließstellung verstellt.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen, wärmebedingter Ausdehnung und Verschleiß kann ein Ventilspiel auftreten, das dazu führt, daß das Gaswechselventil nicht mehr vollständig schließt und ein vorgegebener Ventilhub nicht mehr eingehal­ ten wird. Zum Ausgleich des Ventilspiels ist ein Spielaus­ gleichselement vorgesehen, das den schwimmend gelagerten Ak­ tuator so weit verschiebt, bis das Gaswechselventil wieder eine dicht schließende Stellung einnimmt.

Das Spielausgleichselement ist als hydraulisch zu betätigen­ des Stellmittel mit einem gehäusefesten Zylinder und einem verschieblichen Kolben ausgebildet, der mit dem Aktuator ver­ bunden ist und bei Ventilspiel den Aktuator axial verstellt. Durch die Verstellung des Aktuators wird auch die Position des Ankers relativ zum Zylinderkopf verschoben; über die Ver­ bindung des Ankers mit dem Gaswechselventil wird schließlich auch die Position des Gaswechselventils neu justiert, so daß das Ventil in Schließstellung dicht in seinem Ventilsitz an­ liegt und der Ventilhub einer vorgegebenen Kurve folgt.

Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß das Spielausgleichse­ lement im Bereich einer Stirnseite des Aktuators angeordnet ist, wodurch die axiale Bauhöhe vergrößert ist. Darüberhinaus arbeitet die Vorrichtung nur über einen begrenzten Betriebs­ zeitraum selbsttätig nachstellend, weil der Druck im hydrau­ lischen Spielausgleichselement über längere Zeiträume gesehen abfällt, so daß die erforderliche Stellkraft zum Verstellen des Aktuators nicht mehr aufgebracht werden kann.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine klein bauende Betätigungsvorrichtung für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine auszubilden, die im wesentlichen ver­ schleißfrei und über eine lange Betriebsdauer zuverlässig ar­ beitet.

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

Das Spielausgleichselement ist als Ausgleichsfeder ausgebil­ det, insbesondere als Druckfeder, und dient als Energiespei­ cher für die Spielausgleichsbewegung, so daß von außen im Prinzip keine Energie für das Spielausgleichselement zuge­ führt werden muß. Die Ausgleichsfeder ermöglicht eine stoß­ freie Übertragung von Reaktionskräften auf den Zylinderkopf; ein plötzliches Aufschlagen des Aktuators auf ein zylinder­ kopfseitiges Bauteil wird vermieden, wodurch die Verschleiß­ gefahr reduziert ist.

Der von dem Aktuator beaufschlagte Druckraum bewirkt eine Dämpfung der Aktuatorbewegung, indem das Hydraulikmedium in­ folge des erhöhten Drucks durch die Abströmöffnung abfließt. Aufgrund des Strömungswiderstandes wird eine geschwindig­ keitsproportionale Dämpfung erreicht.

Der als Dämpfer fungierende Druckraum hat außerdem den Vor­ teil, daß die Ausgleichsfeder vollständig in den Druckraum integriert werden kann, so daß kein zusätzlicher Bauraum be­ nötigt wird.

Der Druckraum ist in einer bevorzugten Ausführung am Boden einer Führung für die Betätigungsvorrichtung angeordnet, der Druckraum liegt also auf der dem Gaswechselventil zugewandten Seite des Aktuators. Vorteilhaft ist der Druckraum ringförmig ausgebildet und umschließt einen etwa zylindrischen Federtel­ ler, an dem eine Ventilfeder abgestützt ist, die das Gaswech­ selventil in Schließstellung beaufschlagt. Der Druckraum mit der Ausgleichsfeder ist in dieser Ausführung konzentrisch zur Ventilfeder angeordnet, so daß in Achsrichtung kein weiterer Bauraum für das Spielausgleichselement benötigt wird.

Der Außenmantel des zylindrischen Federtellers bildet zweck­ mäßig eine Führungsfläche für einen zwischen Druckraum und Aktuator angeordneten Verstellkolben, der eine axiale Stirn­ seite des Druckraumes begrenzt und mit dem Aktuator in Wirk­ verbindung steht, so daß jede axiale Verschiebung des schwim­ mend gelagerten Aktuators über den Verstellkolben auf den Druckraum übertragen wird und zu einer Druckänderung im Druckraum führt. Bei zunehmendem Druck kann das Hydraulikme­ dium über die Abströmöffnung abfließen. Aufgrund des Strö­ mungswiderstandes des Hydraulikmediums wird die Bewegung des Verstellkolbens und folglich auch des Aktuators gedämpft, so daß ein Überschwingen des Aktuators und daraus resultierend eine überhöhte Kraftübertragung von dem Aktuator auf den Zy­ linderkopf vermieden wird.

Vorteilhaft ist die Abströmöffnung als Leckspalt zwischen dem Verstellkolben und dem zylindrischen Außenmantel des Feder­ tellers ausgebildet. Der Querschnitt des Leckspalts, der die Dämpfungseigenschaft maßgeblich beeinflußt, kann entsprechend dem gewünschten Dämpfungsverhalten mit hoher Genauigkeit be­ stimmt und eingestellt werden. Der Leckspalt kann beispiels­ weise in Form einer Nut in den Außenmantel des Federtellers oder auch in den Innenmantel des Verstellkolbens eingearbei­ tet werden.

In der Zufuhr des Druckraumes ist vorzugsweise ein in Rich­ tung des Druckraumes öffnendes Rückschlagventil angeordnet, so daß bei einer Druckerhöhung das Rückschlagventil geschlos­ sen wird und das Hydraulikmedium ausschließlich über den Leckspalt abströmt, andererseits bei einem Druckabfall im Druckraum das Rückschlagventil geöffnet wird, so daß Hydrau­ likmedium in den Druckraum nachströmen kann und das durch den Leckspalt ausgetretene Volumen ausgeglichen wird.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Betätigungsvorrichtung für ein Gaswechselventil,

Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung aus Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Betätigungsvorrichtung 1 ist als variable Ventilsteuerung zur Betätigung eines Gaswechselven­ tils 2 ausgeführt und im Zylinderkopf 3 der Brennkraftmaschi­ ne angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Gaswechsel­ ventile 2, jeweils einem als Einlaßventil im Einlaßkanal und eines als Auslaßventil im Auslaßkanal eines Zylinders, vorge­ sehen, deren Ventilhub über jeweils eine Betätigungsvorrich­ tung 1 steuerbar ist.

Die Betätigungsvorrichtung 1 umfaßt einen Aktuator 4, der schwimmend in einer Führung 17 im Zylinderkopf 3 gelagert ist und aus zwei Elektromagneten besteht, einem untenliegenden, dem Gaswechselventil 2 benachbarten Öffnungsmagneten 5 und einem obenliegenden Schließmagneten 6. Zwischen den einander zugewandten Polflächen der beiden Magnete ist axial in Rich­ tung der Längsachse 28 verschieblich ein Anker 7 mit einer Ankerplatte 8 und einem Ankerstößel 9 gelagert. Die Anker­ platte 8 liegt etwa parallel zu den Polflächen der Magnete und wird mit Hilfe von zwei Ventilfedern 10, 11 im stromlosen Zustand der Magnete in einer Mittenlage zwischen den beiden Polflächen gehalten.

Eine erste, obenliegende Ventilfeder 10, die als Druckfeder ausgebildet ist und in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 2 wirkt, stützt sich mit einem Fußpunkt am Zylinderkopf ab und beaufschlagt mit ihrem gegenüberliegenden Fußpunkt eine Federplatte 30, die mit einem Stift 31 verbunden ist, welcher eine Öffnung im Schließmagneten 6 durchragt und auf die An­ kerplatte 8 drückt.

Die zweite Ventilfeder 11, die ebenfalls als Druckfeder aus­ gebildet ist, befindet sich in einer Ausnehmung am Boden der Führung 17 im Zylinderkopf 3. Der untere Fußpunkt der Ventil­ feder 11 stützt sich in einem Federteller 19 am Boden der Ausnehmung ab, der obere Fußpunkt beaufschlagt einen Feder­ teller 32, der am Ventilschaft 29 des Gaswechselventils 2 ge­ halten ist. Die Ventilfeder 11 beaufschlagt das Gaswechsel­ ventil 2 in seine Schließstellung.

Der Ankerstößel 9 des Ankers 7 liegt in einer Flucht mit dem Ventilschaft 29 des Gaswechselventils 2, so daß die Kraft der unteren Ventilfeder 11 auch auf den Anker 7 und die Kraft der oberen Ventilfeder 10 auch auf das Gaswechselventil 2 wirkt. Der Anker 7 wird dadurch - bei stromlosen Magneten - in einer Mittenlage zwischen den Polflächen der Magnete justiert.

Je nach Erregung wird der Anker 7 entweder an den Öffnungsma­ gneten 5 oder an den Schließmagneten 6 gezogen. Bei Erregung des Öffnungsmagneten 5 bewegt sich der Anker 7 in Richtung des Gaswechselventils 2, wobei diese Bewegung als Öffnungsbe­ wegung über den Ankerstößel 9 auf den Ventilschaft 29 des Gaswechselventils 2 übertragen wird, das entgegen der Kraft der Ventilfeder 11 in Öffnungsstellung versetzt wird. Bei Er­ regung des Schließmagneten 6 bewegt sich der Anker 7 vom Gas­ wechselventil 2 fort, das aufgrund der Schließkraft der Ven­ tilfeder 11 in Schließstellung versetzt wird.

Zum Ausgleich von Ventilspiel ist ein Spielausgleichselement 12 vorgesehen, das zwischen dem Aktuator 4 und dem Gaswech­ selventil 2 im Zylinderkopf angeordnet ist und thermisch oder durch Verschleiß bedingte Längenänderungen bzw. Fertigungsto­ leranzen ausgleicht, um ein sicheres Schließen des Ventils und die Einhaltung eines vorgegebenen Kurvenverlaufs für den Ventilhub sicherzustellen. Das Spielausgleichselement 12 be­ aufschlagt den in Richtung der Längsachse 28 schwimmend gela­ gerten Aktuator und stellt die axiale Position des Aktuators entsprechend der im Spielausgleichselement erzeugten Aus­ gleichskraft neu ein.

Gemäß der Ausschnittvergrößerung nach Fig. 2 besteht das Spielausgleichselement 12 aus einer Ausgleichsfeder 13, die sich am Boden 18 der Führung 17 abstützt und den Aktuator 4 nach oben drückt, d. h. in Wirkrichtung der Schließstellung des Gaswechselventils beaufschlagt. Die Ausgleichsfeder 13 befindet sich in einem ringförmigen Druckraum 14, der den un­ teren Abschnitt der Ventilfeder 11 konzentrisch umschließt. Radial außen ist der Druckraum 14 vom Zylinderkopf umschlos­ sen, die radial innenliegende Begrenzungswand des Druckraums 14 ist durch den Außenmantel 20 eines zylindrischen Ab­ schnitts des Federtellers 19 gebildet, in dessen Federraum 21 die Ventilfeder 11 angeordnet ist. Die obenliegende Stirnsei­ te des Druckraums 14 wird von einem umlaufenden Kragen 24 be­ grenzt, der Teil eines hülsenförmigen Verstellkolbens 22 ist, welcher zwischen dem Öffnungsmagneten 5 und dem Druckraum 14 axial verschieblich angeordnet ist. Der Kragen 24 bildet eine Stirnseite des Verstellkolbens 22, wobei der Außenmantel des Verstellkolbens 22 durchgehend ausgebildet ist und am Innen­ mantel aufgrund der radial dünneren Ausprägung des Kragens gegenüber der Wandung des Verstellkolbens 22 eine Stufe 33 geformt ist.

Der Kragen 24 ragt in den Druckraum 14 zwischen Außenmantel 20 des Federteller 19 und der Wandung der Führung ein, wobei die Stirnseite des Kragens 24 von der Ausgleichsfeder 13 be­ aufschlagt wird. Die freie Stirnseite des Federtellers 19 bildet einen Anschlag 23 für den Verstellkolben 22, indem die Stufe 33 am Verstellkolben 22 auf die Stirnseite des Feder­ tellers 19 aufsetzt.

Der Druckraum 14 ist mit einem Hydraulikmedium, insbesondere Öl, gefüllt, das über eine Zufuhr 15 zugeführt wird und durch eine Abströmöffnung 16 abfließt, sobald der Verstellkolben 22 das Hydraulikmedium im Druckraum 14 unter Druck setzt. Die Abströmöffnung 16 ist als Leckspalt zwischen der zylindri­ schen Wandung des Federtellers 19 und dem Kragen 24 ausgebil­ det. Der Strömungswiderstand beim Durchströmen des Leckspalts dämpft die Bewegung des Aktuators, die mittels des Verstell­ kolbens 22 auf den Druckraum 14 übertragen wird, in Richtung des Gaswechselventils. Der Leckspalt kann in Form einer Nut am Außenmantel 20 am zylindrischen Abschnitt des Federtellers 19 oder am Innenmantel des Kragens 24 ausgebildet sein.

Um bei einer Druckbelastung ein Entweichen des Mediums durch die Zufuhr 15 zu verhindern, ist in einem Abschnitt der Zu­ fuhr 15 ein Rückschlagventil 25 angeordnet, das in Richtung des Druckraums 14 öffnet. Sobald der Druckraum 14 unter Druck steht, schließt das Rückschlagventil 25, indem eine Kugel 34 in einen Ventilsitz 35 gepreßt wird; das Hydraulikmedium kann nur über den Leckspalt 16 abströmen.

Wird der Druckraum entlastet, indem der Aktuator 4 in entge­ gengesetzte Richtung des Gaswechselventils nach oben verscho­ ben wird, schiebt die Ausgleichsfeder 13 den Verstellkolben 22 nach oben bis zur Anlage an den Öffnungsmagneten 5. Dabei entsteht im Druckraum 14 ein Unterdruck, der bewirkt, daß das Rückschlagventil 25 öffnet und Hydraulikmedium durch die Zu­ fuhr in den Druckraum 14 nachströmt, bis der Druckraum wieder mit Medium aufgefüllt und die durch das Abströmen entstandene Leckage ausgeglichen ist. Das Hydraulikmedium befindet sich in einem vom Druckraum 14 getrennt ausgebildeten Ölvorrats­ raum 26 im Rückschlagventil 25, der über eine als Bohrung aus geführte Versorgungsleitung 27 vom Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine mit Hydraulikmedium versorgt wird.

Claims (13)

1. Betätigungsvorrichtung (1) für ein Gaswechselventil (2) in einer Brennkraftmaschine, mit einem schwimmend gelagerten, elektro­ magnetischen Aktuator (4), der einen Öffnungsmagneten (5) und einen Schließmagneten (6) umfaßt, zwischen denen ein ver­ schiebbarer Anker (7) zur Betätigung des Gaswechselventils (2) angeordnet ist, und mit einem Spielausgleichselement (12) zum Ausgleich von axialem Ventilspiel, dadurch gekennzeichnet, daß das Spielausgleichselement (12) als eine in Schließstel­ lung des Gaswechselventils (2) wirkende Ausgleichsfeder (13) ausgebildet ist, die in einem mit Hydraulikmedium gefüllten Druckraum (14) angeordnet ist, welcher von dem Aktuator (4) beaufschlagt wird, wobei der Druckraum (14) eine sperrbare Zufuhr (15) und eine Abströmöffnung (16) für das Hydraulikme­ dium aufweist.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (14) am Boden (18) einer Führung (17) für die Betätigungsvorrichtung (1) ausgebildet ist.

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (14) ringförmig ausgebildet ist.

4. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innenliegende Begrenzungswand des Druckraums (14) durch einen zylindrischen Federteller (19) gebildet ist.

5. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (19) einen Federraum (21) einschließt, in dem eine das Gaswechselventil (2) beaufschlagende Ventilfeder (11) angeordnet ist.

6. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (14) axial von einem Verstellkolben (22) begrenzt ist, der mit dem Aktuator (4) in Wirkverbindung steht.

7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellweg des Verstellkolbens (22) in Richtung des Druckraumes (14) durch einen Anschlag (23) begrenzt ist.

8. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (23) durch eine Stirnseite des Federtellers (19) gebildet ist, wobei ein stirnseitiger Kragen (24) des Verstellkolbens (22) in den Druckraum (14) einragt.

9. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmöffnung (16) als Leckspalt zwischen dem Ver­ stellkolben (22) und der zylindrischen Wandung des Federtel­ lers (19) ausgebildet ist.

10. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zufuhr (15) ein Rückschlagventil (25) angeordnet ist.

11. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (25) in Richtung des Druckraumes (14) öffnet.

12. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückschlagventil (25) ein Ölvorratsraum (26) gebildet ist, der mit einer Versorgungsleitung (27) kommuniziert.

13. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitung (27) als Bohrung zwischen dem Rückschlagventil (25) und dem Kurbelgehäuse ausgeführt ist.