DE19820829C1 - Elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrich­ tung zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der älteren Anmeldung DE 197 57 505.6 ist eine gattungs­ gemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles be­ kannt, wobei das Gaswechselventil durch einen elektromagneti­ schen Aktuator betätigt wird, der als Modul ausgebildet ist, welches verschiebbar in einem Zylinderkopf gelagert ist. Das Aktuatormodul weist ein Federsystem und zwei elektrisch arbei­ tende Schaltmagnete auf, durch die ein das Gaswechselventil be­ tätigender Anker in zwei gegenüberliegende Schaltpositionen be­ wegbar ist. Das Federsystem besteht aus zwei vorgespannten Druckfedern, und zwar aus einer oberen und einer unteren Ven­ tilfeder. Die obere Ventilfeder belastet das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrich­ tung.

Aufgrund thermisch bedingter Volumenänderungen und Verschleiß kann ein ein zulässiges Maß überschreitendes Ventilspiel auftreten, welches dazu führt, daß die Schließfunktion des Gaswechselven­ tils nicht mehr eingehalten werden kann. Um diese Nachteile zu vermeiden, sind Spielausgleichselemente vorgesehen, die ein entstandenes Ventilspiel durch axiales Verschieben des Aktua­ tormoduls ausgleichen.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 197 02 458 A1 verwiesen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische Vor­ richtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln Längenänderungen im Ventiltrieb während des Betriebes ausgeglichen werden können.

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

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß auf sehr einfache Weise und sehr zuverlässig sichergestellt wird, daß die Schließstellung des Gaswechselventiles trotz pulsieren­ der dynamischer Belastungen, wie diese beim Öffnen und Schlie­ ßen des Gaswechselventils auftreten, thermischer Längenänderun­ gen des Ventiltriebs sowie Verschleißerscheinungen am Ventil­ sitzring und/oder Ventilteller stets erreicht wird. Die Verein­ fachung wird dadurch erreicht, daß das Spielausgleichselement als einfaches, mechanisches Federmittel aus Kunststoff ausge­ bildet ist, wodurch eine hydraulische oder pneumatische Ein­ richtung mit aufwendiger Steuerung entfallen kann. Die Kon­ struktion kann wesentlich einfacher gestaltet und die Ferti­ gungskosten können entsprechend gesenkt werden. Im übrigen ist auch eine Gewichtsersparnis des Federmittels bzw. der gesamten Vor­ richtung erreichbar. Das Federmittel ist im Gegensatz zu gängi­ gen hydraulischen oder pneumatischen Spielausgleichselementen nicht nur ohne Vorbereitung, wie beispielsweise vorheriger Be­ aufschlagung mit Druckmedium, zu jeder Zeit einsetzbar, sondern über die Lebensdauer des Ventiltriebes auch weitestgehend ver­ schleißunabhängig und reparaturunanfällig.

Vorteilhafterweise weist der Kunststoff des Federmittels bei kurzzeitigen Belastungen elastische Eigenschaften und bei lang­ zeitigen Belastungen Kriecheigenschaften auf. Das bedeutet, daß kurzzeitige Belastungen des Ventiltriebs, d. h. pulsierende dy­ namische Belastungen, wie sie beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventils auftreten, oder thermische Längenänderungen des Ventiltriebs durch die elastischen Eigenschaften des Kun­ stoffes und die langzeitigen Belastungen, d. h. Verschleißer­ scheinungen am Ventilsitzring bzw. Ventilteller, durch die Kriecheigenschaften des Kunststoffes dauerhaft ausgeglichen werden können.

Durch die konstruktive Anordnung des Federmittels auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite des Aktuators ist vorteil­ hafterweise das Federmittel so weit vom Brennraum entfernt, daß dessen Erwärmung durch den Motor unerheblich ist. Da das Feder­ mittel koaxial zur Ventillängsachse angeordnet ist, liegt so­ wohl der Kraftfluß der Ventilfedern als auch der Kraftfluß des Federmittels und der Ausgleichsfeder auf einer Achse.

Das Federmittel ist kraftschlüssig mit dem Aktuator und einem Deckel verbunden, welcher wiederum kraftschlüssig mit dem Zy­ linderkopf verbunden ist. Das Federmittel kann somit nicht nur Druckkräfte sondern auch Zugkräfte übertragen.

Dadurch, daß das Federmittel wenigstens teilweise in einer Durchtrittsöffnung des Schaltmagneten angeordnet ist, wird so­ wohl die Bauhöhe der Vorrichtung geringer gehalten als auch ei­ ne gute Befestigungsmöglichkeit des Federmittels mittels Ein­ schrauben, Einpressen oder Einkleben des Federmittels in die Durchtrittsöffnung ermöglicht.

Für das rein auf Druck beanspruchte weitere Spielausgleichsele­ ment genügt zur Übertragung der Kräfte Formschluß. Indem kein Kraftschluß erforderlich ist, wird eine besonders einfache Mon­ tage ermöglicht. Im übrigen wird das Spielausgleichselement be­ nötigt, um die nötige Belastung zur Formänderung des Federmit­ tels zu erzeugen.

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 steuert einen Gaswech­ selkanal 3 in einem Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine, wo­ bei der Gaswechselkanal 3 brennraumseitig einen Ventilsitzring 5 aufweist, an welchem das Gaswechselventil 2 in geschlossenem Zustand mit seinem Ventilteller 6 anliegt. Die Vorrichtung 1 dient zur Betätigung des Gaswechselventils 2, wobei das Gas­ wechselventil 2 zwischen einer in der Figur dargestellten Schließstellung und einer Offenstellung hin- und herbewegbar ist.

Die Vorrichtung 1 weist einen das Gaswechselventil 2 betätigen­ den elektromagnetischen Aktuator 7 auf, der als Modul ausgebil­ det ist, welches in Richtung einer Längsachse 8 des Gaswechsel­ ventils 2 verschiebbar im Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine gelagert ist. Das Aktuatormodul 7 weist oben einen Schließma­ gneten 9 und unten einen Öffnungsmagneten 10 auf, zwischen deren Polflächen 11, 12 ein Anker 13 ebenfalls in Richtung der Längsachse 8 des Gaswechselventils 2 verschiebbar angeordnet ist, wobei der Anker 13 über einen Ankerstößel 14 auf einen Ventilschaft 15 des Gaswechselventils 2 wirkt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine legt sich der Anker 13 wechselweise mit sei­ nen Anlaufflächen 16, 17 an die Polflächen 11, 12 der Schaltma­ gnete 9, 10 und wird von den Magneten 9, 10 in zwei getrennten Schaltpositionen gehalten.

Zwischen dem Öffnungsmagnet 10 und dem Gaswechselventil 2 bil­ det das Aktuatormodul 7 einen Federraum 18 aus, in dem ein Fe­ dersystem, das aus einer oberen, in Öffnungsrichtung 19 wirken­ den Ventilfeder 20 und einer unteren, in Schließrichtung 21 wirkenden Ventilfeder 22 besteht, untergebracht ist. Die Ven­ tilfedern 20, 22 stützen sich mit einem ersten Ende an einem gemeinsamen Federteller 23 ab, der am Ankerstößel 14 befestigt ist. Dabei wirkt die obere, vorgespannte Ventilfeder 20 in Öff­ nungsrichtung 19 des Gaswechselventils 2, indem sie sich mit ihrem zweiten Ende am Öffnungsmagneten 10 abstützt, während die untere, vorgespannte Ventilfeder 22 in Schließrichtung 21 des Gaswechselventils 2 wirkt, indem sie sich mit ihrem zweiten En­ de an einer Stirnwand 7a des Federraumes 18 abstützt, die dem Gaswechselventil 2 zugewandt ist. Die Ventilfedern 20, 22 sind so vorgespannt, daß bei unbestromtem Schaltmagneten 9, 10 der Anker 13 in einer Gleichgewichtslage gehalten wird, die vor­ zugsweise mit der energetischen und der geometrischen Mitte zwischen den Schaltmagneten 9, 10 übereinstimmt.

Beim Start des Aktuators 7 wird entweder einer der beiden Ma­ gneten 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 16 an der Polfläche 11 des bestromten Schaltmagneten 9 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 9 spannt die in Öffnungs­ richtung 19 wirkende obere Ventilfeder 20 vor. Um das Gaswech­ selventil 2 zu öffnen, wird der Schließmagnet 9 ausgeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 19 wirkende Ventilfeder 20 beschleunigt den Anker 13 über die Gleichgewichtslage hinaus in Richtung Of­ fenstellung des Gaswechselventils 2. Vor Erreichen der Offen­ stellung wird nun der Öffnungsmagnet 10 eingeschaltet, so daß der Anker 13 sich mit seiner zweiten Anlauffläche 17 an die Polfläche 12 des Öffnungsmagneten 10 anlegt und von diesem festgehalten wird. Um das Gaswechselventil 2 wieder zu schlie­ ßen, wobei sein Ventilteller 6 am Ventilsitzring 5 anliegt und den Gaswechselkanal 3 verschließt, wird der Öffnungsmagnet 10 ausgeschaltet. Die in Schließrichtung 21 wirkende Ventilfeder 22 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 16 an die Polfläche 11 des Schließmagneten 9 an und wird von diesem festgehalten.

Der schwimmend im Zylinderkopf 4 gelagerte Aktuator 7 wird durch zwei zwischen Aktuator 7 und Zylinderkopf 4 gegenläufig wirkende Spielausgleichselemente 24, 25 im Zylinderkopf 4 ge­ halten. Das erste Spielausgleichselement 24 ist zwischen einer dem Gaswechselventil 2 abgewandten Seite des Aktuators 7 und einem mit dem Zylinderkopf 4 fest verbundenen Deckel 26 sowie koaxial zum Gaswechselventil 2 angeordnet. Das zweite Spielaus­ gleichselement 25 ist zwischen einer dem Gaswechselventil 2 zu­ gewandten Seite des Aktuators 7 und dem Zylinderkopf 4 angeord­ net.

Tritt nun im geschlossenen Zustand des Gaswechselventiles 2 aufgrund von kurzzeitigen Belastungen der Vorrichtung 1 bzw. des Aktuators 7, wie z. B. thermisch bedingten Volumenänderun­ gen, oder langzeitigen Belastungen der Vorrichtung 1 bzw. des Aktuators 7, wie z. B. Verschleiß, Ventilspiel auf, d. h. das Gaswechselventil 2 schließt nicht mehr vollständig, stellen die Spielausgleichselemente 24, 25 den schwimmend im Zylinderkopf 4 gelagerten Aktuator 7 axial nach. Eine Bewegung des Aktuatormo­ duls ist nur dann möglich, wenn ein Ventilspiel ausgeglichen werden muß. Da sich die Ventilfedern 20, 22 im Federraum 18 des Aktuatormoduls 7 befinden und somit eine Baueinheit bilden, wird die Gleichgewichtslage und die Mittenlage des Ankers 13 von der Verstellung des Aktuators 7 durch die Spielausgleichse­ lemente 24, 25 nicht beeinflußt.

Um sowohl das durch kurzzeitige Belastungen entstehende Ventil­ spiel als auch das durch langzeitige Belastungen entstehende Ventilspiel optimal auszugleichen, umfaßt das erste Spielaus­ gleichselement 24 erfindungsgemäß ein Federmittel, das aus Kunststoff besteht, wobei man sich die Zeitabhängigkeit der me­ chanischen Eigenschaften des Kunststoffes zu Nutzen macht. Der Kunststoff, vorzugsweise ein teilkristalliner Thermoelast (wie beispielsweise Polytetrafluorethylen PTFE), weist bei kurzzeiti­ gen Belastungen elastische Eigenschaften und bei langzeitigen Belastungen Kriecheigenschaften auf, wobei auch andere Kunst­ stoffe mit den vorgenannten Eigenschaften denkbar wären. Kurz­ zeitige Belastungen führen zu elastischen Verformungen des Kunststoffes z. B. zu Dehnungen oder Stauchungen, die sich nach Aufhebung der Belastung wieder vollständig zurückbilden. Das Langzeitverhalten des Kunststoffes unter Druck ist durch ein stetiges Kriechen des Kunststoffes, d. h. eine bleibende und im vorliegenden Fall gewollte Formveränderung, gekennzeichnet.

Das aus Kunststoff bestehende Federmittel 24 ist in einer im Schließmagneten 9 eingebrachten Durchtrittsöffnung 27 befe­ stigt, wobei die Befestigung lösbar oder unlösbar durch Ein­ schrauben, Einkleben oder Einpressen erfolgen kann. Das weitere entgegenwirkende Spielausgleichselement 25, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als mechanische Ausgleichsfeder ausgebil­ det, die koaxial zum Gaswechselventil 2 angeordnet ist, wobei auch hydraulische, pneumatische oder weitere mechanische Spielausgleichselemente 25 denkbar wären. Der Aktuator 7 bzw. das Aktuatormodul ist über das Federmittel 24 fest, d. h. zug- und druckfest, und über die Ausgleichsfeder 25 lose, d. h. druckfest, mit dem Zylinderkopf 4 verbunden, wobei das Feder­ mittel 24 im Rahmen seiner Elastizität größere Bewegungen des Aktuators 7 im Zylinderkopf 4 verhindert und die Ausgleichsfe­ der 25 das gesamte Aktuatormodul 7 in Schließposition des Gas­ wechselventiles 2 mit einer in Schließrichtung 21 des Gaswech­ selventiles 2 wirkenden Kraft nach oben drückt. Der Aktuator 7 soll im Betrieb möglichst keine oder nur geringe Bewegungen ausführen. Dies wird durch das Zusammenspiel der beiden Spielausgleichselemente 24, 25 sichergestellt.

Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ist das Aktuatormodul 7 ständig kurzzeitigen Belastungen ausgesetzt. Zum einen kommt es im Betrieb der Brennkraftmaschine beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventiles 2 zu pulsierenden dynamischen Belastungen, bei denen auf den Aktuator 7 jeweils Impulse entgegen der Gas­ wechselventilbewegung wirken. Wird über den Aktuator 7 das Gas­ wechselventil 2 geschlossen, d. h. der Schließmagnet 9 wird be­ tätigt, erzeugt das Gaswechselventil 2 eine Aktionskraft und der Aktuator 7 ist bestrebt sich durch eine Reaktionskraft in Richtung Gaswechselventil 2, d. h. in Öffnungsrichtung 19 zu verschieben. Diese Reaktionskraft wird durch das elastische Fe­ dermittel 24 und die Ausgleichsfeder 25 aufgenommen. In dieser Zeit längt sich das Federmittel 24 kurzzeitig aufgrund seiner elastischen Eigenschaften und die Ausgleichsfeder 25 wird ge­ staucht. Wird durch den Aktuator 7 das Gaswechselventil 2 wie­ der geöffnet, erzeugt das Ventil 2 eine in Öffnungsrichtung 19 wirkende Aktionskraft und es entsteht eine entgegen der Öff­ nungsrichtung 19 auf den Aktuator 7 wirkende Reaktionskraft, die durch das Federmittel 24, welches nachgebend zusammenge­ preßt wird, und die Ausgleichsfeder 25, die sich dehnt, aufge­ nommen wird. Da die Reaktionskraft nur jeweils eine kurze Zeit andauert, bewältigt das Federmittel 24 den Spielausgleich mit seinen elastischen Eigenschaften.

Zum anderen kann es kurzzeitig aufgrund jeweiliger thermischer Belastungen zu einer Ausdehnung des Zylinderkopfes 4 bei gleichbleibender Länge des Ventiles 2 bzw. des Ventilschaftes 15 oder im Gegensatz dazu zu einer Ausdehnung des Ventilschaf­ tes 15 bei gleichbleibender Länge des Zylinderkopfes 4 kommen, was im geschlossenen Zustand des Gaswechselventiles 2 wiederum zu Ventilspiel führt. Diese kurzzeitigen Belastungen können im Zusammenspiel mit der Ausgleichsfeder 25 über die Elastizität des Federmittels 24 ausgeglichen werden.

Bei langzeitigen Belastungen des Ventiltriebs im Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt der Spielausgleich über die Kriecheigenschaften des Federmittels 24. Kommt es über die Le­ bensdauer des Ventiltriebes zu Verschleiß am Ventilteller 6 und/oder am Ventilsitzring 5, kann der Aktuator 7 über die Zeit durch die Ausgleichsfeder 25 gegen das Federmittel 24 nach oben verschoben werden, indem sich das Federmittel 24 zum Ausgleich der durch die Ausgleichsfeder 25 erzeugten Belastung aufgrund seiner Kriecheigenschaften bis zu einem spannungsfreien Zustand bei geschlossenem Gaswechselventil 2 um einen jeweiligen Betrag verkürzt, wodurch der Verschleiß am Ventilsitzring 5 bzw. Ven­ tilteller 6 dauerhaft kompensiert wird.

Claims (9)

1. Elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswech­ selventiles einer Brennkraftmaschine mit einem verschiebbar in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gelagerten Aktuator, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten aufweist, zwischen denen ein Anker zur Betätigung des Gaswechselventiles angeordnet ist, das durch eine in Öffnungsrichtung des Gaswech­ selventiles wirkende Öffnungsfeder und eine in Schließrichtung wirkende Schließfeder beaufschlagbar ist, und mit mindestens einem zwischen Aktuator und Zylinderkopf wirkenden Spielaus­ gleichselement, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Spielausgleichselement (24) ein Fe­ dermittel umfaßt, das aus Kunststoff besteht.

2. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff des Federmittels (24) bei kurzzeitigen Belastungen elastische Eigenschaften und bei langzeitigen Bela­ stungen Kriecheigenschaften aufweist.

3. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (24) auf der dem Gaswechselventil (2) abgewandten Seite des Aktuators (7) und koaxial zum Gaswechsel­ ventil (2) angeordnet ist.

4. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (24) mit dem Aktuator (7) und einem mit dem Zylinderkopf (4) in Verbindung stehenden Deckel (26) ver­ bunden ist.

5. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schließmagneten (9) eine Durchtrittsöffnung (27) vorgesehen ist, in der das Federmittel (24) befestigt ist.

6. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Spielausgleichselement (25) auf der dem Gaswechselventil (2) zugewandten Seite des Aktuators (7) ange­ ordnet ist.

7. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Spielausgleichselement (25) als hydrauli­ sches, mechanisches oder pneumatisches Element ausgebildet ist.

8. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Spielausgleichselement (25) eine Aus­ gleichsfeder vorgesehen ist, die koaxial zum Gaswechselventil (2) angeordnet ist.

9. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Spielausgleichselement (25) sich an dem Zy­ linderkopf (4) abstützt und den Aktuator (7) in Schließposition des Gaswechselventiles (2) mit einer in Schließrichtung (21) des Gaswechselventils (2) wirkenden Kraft belastet.