DE19832388C1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen, mit einem elektromagnetischen Aktuator, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten besitzt, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zum Gaswechselventil verschiebbar angeordnet ist, der auf das Gaswechselventil wirkt, und mit mindestens einer Ventilfeder je Betätigungsrichtung, die sich jeweils mit einem Ende an einer Federauflage abstützt, die über eine mit dem Gaswechselventil bewegte Federauflage auf das Gaswechselventil in Betätigungsrichtung wirkt und sich mit dem anderen Ende an einem ruhenden Bauteil abstützt, wobei mindestens für eine Betätigungsrichtung zwei koaxial zueinander angeordnete, als Schraubenfedern ausgeführte Ventilfedern vorgesehen sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Enden gleich wirkender Ventilfedern über dieselbe Federauflage verdrehsicher zueinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Feder­ mechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Ventilfeder das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfeder in Schließrichtung über jeweils eine Federauflage belastet. Die Federauflage der oberen Ventilfeder ist mit dem Ankerstößel und der Federauflage der unteren Ventilfeder ist mit dem Ventilschaft fest verbunden. Bei nicht erregten Magne­ ten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichge­ wichtslage zwischen den Magneten gehalten.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanz­ frequenz angeregt, um aus der Gleichgewichtslage angezogen zu werden. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gas­ wechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge­ wichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten an­ gezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungs­ magneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswech­ selventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausge­ schaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließ­ richtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten.

Verschiedene Einflußgrößen führen dazu, daß die Ventilfedern nicht eine resultierende Druckkraft in koaxialer Richtung zum Gas­ wechselventil erzeugen, sondern auch Kräfte quer zur Bewegungs­ richtung und Kippmomente an der Federauflage. Die Querkräfte und Kippmomente wirken über die Federauflage auf das Ende des Ventilschafts bzw. des Stößels. Der Abstand zwischen dem Ende des Ventilschafts bzw. des Stößels und der Führung wirkt als Hebelarm, über den die Querkräfte in den Führungen abgestützt werden. Die dadurch entstehenden Kippmomente in der Führung bewirken eine erhöhte Reibung, eine erhöhte Wärmeentwicklung und einen erhöhten Verschleiß.

Damit der Anker von den Magneten sicher gefangen wird, sollte dieser stets mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf den Pol­ flächen der Magnete auftreffen, so daß er nicht bei einer zu geringen Geschwindigkeit vor den Polflächen umkehrt oder bei einer zu hohen Geschwindigkeit von diesen wieder abspringt. Die Querkräfte variieren in ihrer Höhe und Richtung während des Betriebs. Um eine möglichst gleichbleibende Auftreffgeschwin­ digkeit des Ankers zu erreichen, müssen die durch die Reibung verursachten größeren Hubverluste durch eine Steuerung ausge­ glichen werden.

Um einen Alterungsprozeß bzw. eine Materialermüdung der Ventil­ federn über einen längeren Betrieb zu vermeiden, wird in der EP 0356 713 A1 ein Dreifedersystem vorge­ schlagen. Eine obere Ventilfeder ist oberhalb und eine untere Ventilfeder ist unterhalb des Ankers angeordnet, die unmittel­ bar auf den Anker in Schließrichtung bzw. Öffnungsrichtung wirken. Die dritte Feder befindet sich innerhalb der unteren Ventilfeder und wirkt in Schließrichtung auf den Ventilschaft, der getrennt vom Anker ausgeführt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Reibung im Aktua­ tor zu reduzieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausge­ staltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprü­ chen entnommen werden können.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Querkräfte durch Fertigungstoleranzen entstehen, wie ungleichmäßige Feder­ steifigkeiten und nicht exakt parallele Anlaufflächen, und insbe­ sondere durch dynamische Kräfte, wie Trägheitskräfte, die dazu führen, daß sich die Ventilfeder, die in der Regel als Schrau­ benfeder ausgeführt ist, nicht in ihrer Gesamtheit verformt, sondern sich die Verformung von den Federenden ausgehend über einzelne Windungen ausbreitet. Es entstehen über den Umfang un­ terschiedlich hohe Druckkräfte, die zu Kippmomenten und Kräften quer zur Bewegungsrichtung führen. Ferner verdreht sich die Ventilfeder beim Zusammendrücken und Entspannen, was ebenfalls zu Querkräften führt. Dynamische Querkräfte sind um ein Vielfa­ ches (bis zu zehnmal) höher als statische Querkräfte der Ventil­ federn und verändern über den Betrieb zyklisch ihre Höhe und Richtung.

Nach der Erfindung ist eine obere, in Öffnungsrichtung wirkende und/oder eine untere, in Schließrichtung wirkende Ventilfeder von einer weiteren Ventilfeder umgeben. Die innere und die äußere Ventilfeder sind Schraubenfedern, die jeweils in Öff­ nungsrichtung oder in Schließrichtung auf dieselbe bewegte Federauflage wirken. Es kommen dadurch zwei Federenden auf der bewegten Federauflage zum Liegen, wodurch mit einer entspre­ chenden Anordnung der Federenden eine symmetrische Krafteinlei­ tung über die Federauflage und damit ein Ausgleich von Quer­ kräften und Kippmomenten ermöglicht wird. Die Kippmomente in den Führungen werden reduziert und damit die Reibung, der Ver­ schleiß und die Wärmeentwicklung. Bei einer insgesamt geringe­ ren Reibung treten auch geringere Schwankungen auf, so daß eine Steuerung zum Ausgleich von Hubverlusten vermieden werden kann.

Wie die Federenden zueinander angeordnet sein müssen, hängt von verschiedenen Größen ab, wie Durchmesser und Auflagefläche der Ventilfedern, Federsteifigkeit und insbesondere von der Höhe und Richtung der wirkenden Querkräfte und Kippmomente. Grund­ sätzlich wird eine günstige Krafteinleitung erreicht, wenn die Federenden auf der bewegten Federauflage ca. 180° zueinander versetzt angeordnet sind.

Um während des Betriebs eine vorteilhafte Anordnung der Feder­ enden beizubehalten, sind zwei Federenden zueinander verdrehsi­ cher befestigt, und zwar ein Federende der inneren Ventilfeder und ein Federende der äußeren Ventilfeder. Werden die Federen­ den auf der Seite der relativ zum Aktuator fest angeordneten Federauf­ lage fest zueinander angeordnet, bewegen sich die Federenden auf der bewegten Federauflage abhängig von der Verdrehung der Ventilfedern über den Federhub über einen definierten gleich­ bleibenden Bereich, der so gewählt werden kann, daß eine günstige Krafteinleitung möglich ist. Die Befestigung der Fe­ derenden befindet sich dadurch vorteilhaft auf der ruhenden, massenneutralen Seite der Ventilfedern. Sind die Federenden auf der Seite der bewegten Federauflage fest zueinander angeordnet, ist zwar die Befestigung auf der bewegten Seite, jedoch können die Federenden in der bestmöglichen Lage fest zueinander an­ geordnet werden.

Die Ventilfedern bzw. die Federenden der Ventilfedern können miteinander auf einer Seite befestigt sein. Um möglichst die Funktion der Ventilfedern durch die Befestigung nicht zu beein­ flussen, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschla­ gen, die Federenden an der Federauflage durch Stoffschluß, Kraftschluß oder vorteilhaft durch Formschluß zu befestigen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, die innere Ventilfeder mit einer der äußeren Ventilfeder entgegengesetzten Steigung auszuführen. Die innere Ventilfeder verdreht sich beim Entspannen und Zusammendrücken dadurch in die der äußeren Ventilfeder entgegengesetzte Richtung. Die aus der Verdrehung resultierenden Querkräfte der inneren und der äußeren Ventilfeder gleichen sich gegenseitig aus. Ferner breiten sich die Verformungen der Ventilfedern über entgegenge­ setzte Steigungen aus, wodurch ebenfalls ein Ausgleich der Querkräfte erreicht werden kann, insbesondere, wenn die Ventil­ federn aufeinander gestimmt sind, so daß sich trotz unter­ schiedlicher Durchmesser der Ventilfedern die Verformungen zueinander symmetrisch ausbreiten.

Die erfindungsgemäße Anordnung von einer inneren und einer äußeren Ventilfeder kann bei Ventilfedern angewendet werden, die beide unterhalb oder oberhalb des Ankers angeord­ net sind, oder bei Ventilfedern, bei denen die obere Ventilfeder oberhalb des Ankers und die untere Ventilfeder unterhalb des Ankers angeordnet ist. Es kann sowohl die obere als auch die untere Ventilfeder von einer weiteren Ventilfeder umgeben sein. Grundsätzlich ist auch denkbar, daß die innere und die äußere Ventilfeder von weiteren Ventilfedern umgeben werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischer Schnitt durch einen Aktuator und ein Gaswechselventil und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator 9 betätigt ein Gaswechselven­ til 10, das mit seinem Ventilschaft 11 mittels einer Ventil­ schaftführung 12 im Zylinderkopf 13 geführt ist. Der Aktuator 9 besitzt zwei Schaltmagnete, und zwar oben einen Schließmagne­ ten 14 und unten einen Öffnungsmagneten 15, die durch ein Verbindungsteil 16 miteinander verbunden sind. Zwischen den Polflächen der Magnete 14 und 15 bewegt sich ein Anker 17, der über einen Ankerstößel 18 auf das Gaswechselventil 10 wirkt. Der Ankerstößel 18 ist in einer Führung 22 im Öffnungsmagneten 15 geführt und kann auch einstückig mit dem Ventilschaft ausgebildet sein.

Zwischen dem Öffnungsmagneten 15 und dem Gaswechselventil 10 hat der Aktuator 9 einen Federraum 19, in dem ein Federmecha­ nismus untergebracht ist. Der Federmechanismus hat zwei obere, in Öffnungsrichtung 20 wirkende Ventilfedern 1, 3 und zwei untere, in Schließrichtung 21 wirkende Ventilfedern 2, 4, wobei jeweils eine innere Ventilfeder 1, 2 von einer äußeren Ventil­ feder 3, 4 umgeben ist. Die Ventilfedern 1, 2, 3, 4 sind als Schraubenfedern ausgeführt. Die oberen Ventilfedern 1, 3 stützen sich in Schließrichtung 21 am Öffnungsmagneten 15 ab und wirken in Öffnungsrichtung 20 auf eine Federauflage 6, die mit dem Ankerstößel 18 fest verbunden ist. Die unteren Ventil­ federn 2, 4 stützen sich in Öffnungsrichtung 20 an einer Federauflage 26 ab, die im Zylinderkopf 13 befestigt ist, und wirken in Schließrichtung 21 auf eine Federauflage 5, die mit dem Ventilschaft 11 fest verbunden ist.

Die Fig. 1 zeigt den Aktuator 9 im stromlosen Zustand, so daß sich der Anker 17 in einer Mittenlage befindet. Wird der Schließmagnet 14 bestromt, bewegt sich das Gaswechselventil 10 in Schließrichtung 21, bis der Anker 17 an der Polfläche des Schließmagneten 14 anliegt. Gleichzeitig schließt das Gaswech­ selventil 10, indem sein Ventilteller 23 auf einen Ventilsitz­ ring 24 aufsetzt, der im Zylinderkopf 13 eingelassen ist und die Öffnung eines Gaswechselkanals 25 bildet. Wird der Schließ­ magnet 14 stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 15 be­ stromt, öffnet das Gaswechselventil 10 in Öffnungsrichtung 20, bis der Anker 17 an der Polfläche des Öffnungsmagneten 15 anliegt. Damit ist der maximale Öffnungshub erreicht.

Die Federenden 7, 8 der oberen Ventilfedern 1, 3 (Fig. 2) sind mit der Federauflage 6 fest verbunden und zueinander um 180° versetzt angeordnet. Jeweils ein nicht näher dargestelltes Federende der unteren Ventilfedern 2, 4 ist mit der Federaufla­ ge 5 fest verbunden. Die Federenden 7, 8 besitzen dadurch zueinander eine fest Lage. Die Kräfte der Ventilfedern 1, 3 und 2, 4 werden symmetrisch bzw. nahezu symmetrisch in die Feder­ auflagen 5, 6 eingeleitet, so daß wirkende Querkräfte bzw. Kippmomente der inneren Ventilfedern 1, 2 durch wirkende Quer­ kräfte bzw. Kippmomente der äußeren Ventilfedern 3, 4 gegensei­ tig ausgeglichen werden. Ferner haben die inneren Ventilfedern 1, 2 eine der äußeren Ventilfedern 3, 4 entgegengesetzte Steigung. Beim Spannen bzw. beim Entspannen der inneren Ventilfedern 1, 2 und der äußeren Ventilfedern 3, 4, verdrehen sich diese in entgegengesetzte Richtung, wodurch sich die daraus resultieren­ den Querkräfte und Kippmomente ausgleichen.

Möglich ist auch, daß die oberen Ventilfedern 1, 3 mit jeweils einem Federende am Öffnungsmagneten 15 und/oder die unteren Ventilfedern 2, 4 mit jeweils eine Federende an der Federauf­ lage 26 befestigt sind, wodurch sich sowohl die Federenden 7, 8 der oberen Ventilfedern 1, 3 als auch die Federenden der unteren Ventilfedern 2, 4 auf den Federauflagen 5, 6 zueinander in einem definierten und gleichbleibenden Bereich bewegen, der so gewählt werden kann, daß sich die Querkräfte und Kippmomente gegenseitig ausgleichen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem elektromagnetischen Aktuator (9), der einen Öffnungsmagneten (15) und einen Schließmagneten (14) besitzt, zwischen deren Polflächen ein auf das Gaswechselventil (10) wirkender Anker (17) koaxial zum Gaswechselventil (10) ver­ schiebbar angeordnet ist, und mit Ventilfedern (1, 2, 3, 4), die sich jeweils mit einem Ende an einer mit dem Gaswechselventil (10) bewegten Federauflage (5, 6) abstützen, die auf das Gaswechselven­ til (10) in Betätigungsrichtung wirken und die sich mit ihren anderen Enden an einem ruhenden Bauteil (22, 26) abstützen, wobei mindestens für eine Betätigungsrichtung zwei koaxial zueinander angeordnete, als Schraubenfedern ausgeführte Ventilfedern (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden gleich wirkender Ventilfedern (1, 3 bzw. 2, 4) über ihre gemeinsa­ me Federauflage (5, 6) verdrehsicher zueinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich wirkenden Ventilfedern (1, 3 bzw. 2, 4) mit ihren Federenden (7, 8) an der bewegten Federauflage (5, 6) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich wirkenden Ventilfedern (1, 3 bzw. 2, 4) mit ihren Federenden an der ruhenden Feder­ auflage befestigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federenden (7, 8) an der bewegten Federauflage (5, 6) ca. 180° zueinander versetzt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich wirkenden Ventilfedern (1, 3 bzw. 2, 4) entgegengesetzte Steigungen aufweisen.