DE19841124A1 - Elektromagnetisch betätigbares Gaswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit pneumatischen Rückstellfedern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein Gaswechselventil (2) an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen Aktuator (8), der zwei mit Abstand zueinander angeordnetet Elektromagnete (9, 10) aufweist, zwischen denen entsprechend ihrer über eine Steuereinrichtung (19) gesteuerten Bestromung ein Anker (11), der mit dem Gaswechselventil (4) in Wirkverbindung steht und der gegen die Kraft von zwei als Gasdruckfedern ausgebildete Rückstellfedern (Ö, S) hin und her bewegbar geführt ist, die in ihrer Druckbeaufschlagung steuerbar mit einer Druckgasversorgung (18) verbunden sind, und mit wenigstens einer mechanischen Positionierfeder (27), die das Gaswechselventil (4) bei drucklosen Gasdruckfedern (Ö, S) in Schließstellung hält.

Description

Neben den herkömmlichen, über Nockenwellen mechanisch betä­ tigten Gaswechselventilen an Kolbenbrennkraftmaschinen sind inzwischen Anordnung bekannt geworden, bei denen die Gaswech­ selventile jeweils mit einem elektromagnetischen Aktuator verbunden sind, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete aufweist, zwischen denen entsprechend ihrer über eine Steuereinrichtung gesteuerte Bestromung ein Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern hin- und herbewegbar ge­ führt ist, der mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus DE-A-30 24 109 bekannt.

Die Betätigung über einen elektromagnetischen Aktuator er­ laubt es in Verbindung mit einer zugehörigen elektronischen Steuereinrichtung, das Gaswechselventil im Betrieb frei va­ riabel anzusteuern, d. h. sowohl den Öffnungszeitpunkt als auch die Öffnungsdauer entsprechend den Lastanforderungen des Motorbetriebes zu verändern. Bei der Auslegung des elektroma­ gnetischen Aktuators muß aber das aus Anker und Gaswechsel­ ventil als Masse und den Rückstellfedern gebildete Feder- Masse-System hinsichtlich sein Schwingcharakteristik als fest vorgegebene Größe berücksichtigt werden.

Als Rückstellfedern wurden bisher mechanische Federn in Form von Schraubendruckfedern eingesetzt, die sich grundsätzlich auch bewährt haben.

Motoren mit derartigen elektromechanisch gesteuerten Gaswech­ selventilen benötigen jedoch Ventiltaschen in den Kolbenbö­ den, da nach dem Abstellen des Stromes an den Magneten auf­ grund des Kräftegleichgewichts der mechanischen Federn die Gaswechselventile in halbgeöffneter Stellung zur Ruhe kommen. Dieser Ventilfreigang stellt sicher, daß die Ventile nicht gegen den Kolben stoßen und dementsprechend nicht beschädigt oder zerstört werden können. Dieser Ventilfreigang wird des weiteren benötigt, um beim Starten des Motors die Gaswechsel­ ventile anschwingen zu können und zwar auch dann, wenn der zugehörige Kolben sich in der oberen Totlage befindet. Die Ventiltaschen im Kolbenboden zerklüften jedoch den Brennraum sehr stark und erschweren bei inhomogen betriebenen direk­ teinspritzenden Ottomotoren eine optimale Brennraumgestal­ tung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanord­ nung der vorstehend bezeichneten Art hinsichtlich seiner An­ passung an die Betriebsbedingungen noch zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anord­ nung für ein Gaswechselventil an einer Kolbenbrennkraftma­ schine, mit einem elektromagnetischen Aktuator, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete aufweist, zwi­ schen denen entsprechend ihrer über eine Steuereinrichtung gesteuerten Bestromung ein Anker, der mit dem Gaswechselven­ til in Wirkverbindung steht, gegen die Kraft von wenigstens zwei als Gasdruckfedern ausgebildeten Rückstellfedern hin- und herbewegbar geführt ist, die in ihrer Druckbeaufschlagung steuerbar mit einer Druckgasversorgung verbunden sind, und mit wenigstens einer mechanischen Positionsfeder, die das Gaswechselventil bei drucklosen Gasdruckfedern in Schließ­ stellung hält.

Die Verwendung von Gasdruckfedern, die bei entsprechender Druckansteuerung hinsichtlich ihrer Druckbeaufschlagung und damit auch hinsichtlich ihrer Federkonstante veränderbar sind, bietet den Vorteil, daß mit Hilfe der ohnehin vorhande­ nen Motorsteuereinrichtung eine Anpassung der Federkonstanten und damit auch der Schwingungscharakteristik des aus Anker und Gaswechselventil und den Rückstellfedern gebildeten schwingfähigen System unter Berücksichtigung des jeweiligen Lastfalles vorgenommen werden kann. So ist es möglich, ausge­ hend von einer durch einen entsprechenden Druck vorgegebenen Mindestrückstellkraft, durch entsprechende Erhöhung oder auch wieder Verminderung der Druckbeaufschlagung die Rückstell­ kraft und damit auch die Schwingungscharakteristik an den je­ weiligen Motorbetrieb anzupassen. Eine Erhöhung der Rück­ stellkraft ist beispielweise zweckmäßig bei einem Betrieb mit hohen Drehzahlen, um über eine Erhöhung der Rückstellkräfte der Rückstellfedern die für kurze Betätigungszeiten notwendi­ ge hohe Beschleunigung des Ankers und des Gaswechselventils zu bewirken.

Auch bei derartigen Gasdruckfedern stellt sich beim Stromlos­ setzen der Elektromagneten der Anker in einer Mittellage zwi­ schen den beiden Polflächen der Elektromagneten ein, so daß das Gaswechselventil sich in halb offener Stellung befindet und in den Brennraum hineinragt. Infolge von Leckverlusten oder wenn die zugehörigen Steuerventile beim Stromlossetzen voll öffnen, kann es sogar geschehen, daß im Stillstand das Gaswechselventil dann sich in die voll geöffnete Stellung be­ wegt und hierbei je nach Position des Kolbens im Zylinder auf dem Kolbenboden aufliegt. Durch die Anordnung einer mechani­ schen Positionierfeder ist es nun möglich, unabhängig von der jeweiligen Kolbenstellung bei drucklos gesetzten Gasdruckfe­ dern alle Gaswechselventile in die Schließstellung zu über­ führen. Hierbei genügt es, wenn die einzelnen Positionierfe­ dern so ausgelegt werden, daß sie die innere Reibung des Ak­ tuators und der Führung des Gaswechselventils überwinden kön­ nen. Die hierzu benötigte Federkraft der einzelnen Positio­ nierfedern ist so gering, daß sie im Verhältnis zu den im Be­ trieb von den Luftfedern aufzubringenden Federkräften ver­ nachlässigbar gering sind. Bei Bedarf ist es jedoch auch mög­ lich, die Federkraft der zur Zusatzfeder parallel arbeitenden Luftfeder um diesen Betrag zu reduzieren.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ventilanordnung mit außenliegenden Gasdruckfedern, teilweise geöffnet,

Fig. 2 die Ausführungsform gem. Fig. 1 mit Anordnung einer mechanischen Positionier­ feder.

In Fig. 1 ist für eine Kolbenbrennkraftmaschine ein Teil­ schnitt eines Zylinderkopfs 1 für den Gaskanalbereich eines Zylinders 2 dargestellt. Der in den Zylinder 2 einmündende Gaskanal 3, ein Gaseinlaßkanal oder auch ein Gasauslaßkanal, kann über ein Gaswechselventil 4 entsprechend der Ansteuerung im Arbeitstakt des Motors geöffnet und geschlossen werden. Das Gaswechselventil 4 ist am freien Ende seines Schaftes 5 mit einem Kolben 6 versehen, der in einer als Zylinder 7 aus­ gebildeten Ausnehmung im Zylinderkopf 1 geführt ist.

Dem Gaswechselventil 4 ist ein elektromagnetischer Aktuator 8 zugeordnet, der im wesentlichen aus einem Schließmagneten 9 und einem Öffnermagneten 10 gebildet ist, die mit Abstand zu­ einander angeordnet sind und zwischen denen ein Anker 11 hin- und herbewegbar geführt ist. Bei dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel befindet sich der Anker 11 bei stromlos ge­ setzten Elektromagneten 9, 10 in einer Mittelstellung zwi­ schen den Polflächen 12 der beiden Magneten.

Der Anker 11 ist mit einer Führungsstange 13 verbunden, die mit ihrem freien Ende 14 mit dem Schaft 5 des Gaswechselven­ tils 4 in Verbindung steht und die an ihrem anderen freien Ende 15 mit einem Kolben 16 versehen ist, der seinerseits in einem Zylinder 17 geführt ist. Der Zylinder 7 und der Zylin­ der 17 sind nun jeweils über eine Druckleitung 7.1 und 17.1 mit einer Druckmittelversorgung 18 verbunden. In den beiden Zuleitungen 7.1 und 17.1 sind jeweils steuerbare Ventile 7.2 und 17.2 angeordnet, die hier schematisch als Dreiwegeventile dargestellt sind, so daß je nach Stellung des Ventils der Druck in den Zylindern 7 und 17 erhöht oder aber auch vermin­ dert werden kann. Die Stellantriebe der Ventile 7.2 und 17.2 sind mit einer Steuereinrichtung 19 verbunden, die einen in­ tegralen Teil der Motorsteuerung darstellen.

Über die Steuereinrichtung 19 wird auch die Bestromung der Elektromagneten 9 und 10 entsprechend den Betriebsanforderung vorgenommen. Der Zylinder 7 mit seinem Kolben 6 und der Zy­ linder 17 mit seinem Kolben 16 stellen jeweils eine Gasdruck­ feder dar, die in der hier vorgesehenen Schaltung als Rück­ stellfedern für das elektromagnetische System dienen. Die durch die Kolben-Zylinder-Einheit 6, 7 gebildete Gasdruckfe­ der stellt hierbei die Schließfeder S für das Gaswechselven­ til 4 dar. Die Kolben-Zylinder-Einheit 16, 17 stellt dement­ sprechend die Öffnerfeder Ö dar. Werden beide Gasdruckfedern mit einem vorgegebenen, beispielsweise gleichen Druck beauf­ schlagt, dann nimmt der Anker 11 bei stromlos gesetzten Elek­ tromagneten 9, 10 die dargestellte Mittelstellung ein. Wird nun durch ein Anschwingen oder durch besondere Startmaßnahmen der Anker 11 bei Bestromung des Schließmagneten 9 an diesem zur Anlage gebracht, dann erhöht sich entsprechend der Druck in der Öffnerfeder. Wird nun der Schließmagnet 9 stromlos ge­ setzt, dann beschleunigt die Öffnerfeder den Anker 11 in Richtung auf den Öffnermagneten 10, wobei sich nach dem Über­ schwingen über die Mittellage der Gasdruck in der Schließfe­ der entsprechend der zunehmenden Annäherung des Ankers 11 an die Polfläche des Öffnermagneten 10 erhöht. Beim Überschwin­ gen über die Mittellage wird der Öffnermagnet 10 bestromt, so daß das sich aufbauende Magnetfeld den Anker 11 fängt und an der Polfläche 12 des Öffnermagneten zur Anlage bringt, und das Gaswechselventil 4 entsprechend der durch die Steuerein­ richtung 19 vorgegebenen Bestromungszeit in Öffnungsstellung gehalten wird. Soll das Gaswechselventil 4 geschlossen wer­ den, dann wird in umgekehrter Reihenfolge der Öffnermagnet 10 stromlos gesetzt und entsprechend der Schließmagnet 9 be­ stromt. Die hierdurch mögliche Hin- und Herbewegung des An­ kers und des Gaswechselventils erfolgt dann entsprechend dem der Steuereinrichtung durch die Motordrehzahl vorgegebenen Takt. Die jeweils der Elektromagnetanordnung zugekehrten Be­ reiche der Zylinder 7 weisen zweckmäßigerweise jeweils Belüf­ tungsöffnungen 20 auf, um hier Beeinträchtigungen im Bewe­ gungsverhalten des Ankers bei einem gekapselten Magnetsystem zu vermeiden.

Um nun die Stellung des Ankers 11 in bezug zu den jeweiligen Polflächen 12 der Elektromagneten 9 bzw. 10 feststellen zu können, ist in wenigstens einem der Druckräume, beispiels­ weise im Zylinder 7, ein Drucksensor 26 angeordnet, dessen Signalleitung ebenfalls ebenfalls auf die Steuereinrichtung 19 aufgeschaltet ist. Damit ist es möglich, über den Druck oder aber auch über die zeitabhängige Änderung des Druckes eine Aussage über die Stellung des Ankers bei seiner Annähe­ rung gegenüber der Polfläche 12 des jeweils fangenden Magneten zu treffen und dieses Signal bei der Steuerung der Bestromung des fangenden Magneten zu berücksichtigen. Hierbei ist es auch möglich, im Zylinder 17 ebenfalls einen entsprechenden Drucksensor anzuordnen, so daß aus der Überlagerung der bei­ den Signale (Anstieg des Drucks in einem Zylinder und ent­ sprechender Anfall des Drucks im anderen Zylinder) die Zuver­ lässigkeit der Anzeige erhöht werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung derartiger Drucksensoren besteht darin, daß der jeweils für die beiden Zylinder 7 und 17 erfaßte Druck auch für die Ansteuerung der Ventile 7.2 und 17.2 herangezogen werden kann, wenn beispielsweise bei an­ steigender Drehzahl die Druckbeaufschlagung erhöht und bei fallender Drehzahl die Druckbeaufschlagung entsprechend redu­ ziert werden muß
Wird nun der Motor stillgesetzt, dann werden auch die Stell­ antriebe der zugehörigen Ventile 7.2 und 17.2 inaktiviert, so daß günstigstenfalls beide Gasdruckfedern über den Rest­ gasdruck im System mit dem gleichen Druck beaufschlagt wer­ den, so daß die in Fig. 1 dargestellte Mittelstellung einge­ nommen wird. Ist das Steuerungssystem so getroffen, daß die Gasdruckfedern bei Stillstand der Kolbenbrennkraftmaschine drucklos gesetzt werden, dann sinkt das Gaswechselventil 4 sogar in die volle Offenstellung ab und kann hierbei, je nach Position des Ankers, auf dem Kolbenboden zur Anlage kommen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.

Sieht man jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, eine mechanische Positionierfeder 27 vor, die das Gaswechselsystem in Schließ­ richtung beaufschlagt, dann kann bei Stillstand der Kolben­ brennkraftmaschine und gleichzeitigem Drucklossetzen der bei­ den Gasdruckfedern Ö und S der Anker 11 an der Polfläche 12 des Schließmagneten 9 zur Anlage gebracht werden. Durch eine entsprechende Anfahrstrategie kann dann beim Starten der Kol­ benbrennkraftmaschine jedes Gaswechselventil in die für den zugehörigen Arbeitstakt notwendige Position aus der Schließ­ stellung herausgeführt werden, da eine Bewegung des Gaswech­ selventils in der ersten Anlaufphase unmittelbar über eine entsprechend wechselnde Druckbeaufschlagung der Gasdruckfe­ dern erfolgen kann, so daß zumindest für die ersten Umdrehun­ gen in dieser Phase das Gaswechselventil zusätzlich zur ma­ gnetischen Kraftwirkung der Öffner- und Schließmagneten des elektromagnetischen Aktuators zwangsgeführt werden kann.

Die mechanische Positionierfeder 27 ist in Fig. 2 schematisch als Schraubendruckfeder dargestellt. Es ist jedoch auch mög­ lich, Blattfedern oder sonstige entsprechend geformte Biege­ federn einzusetzen, wobei je nach Konstruktion des Aktuators und der Kopplung zwischen Aktuator und Gaswechselventil auch eine Zugfeder als mechanische Positionierfeder in Betracht kommen kann.

Claims (1)

1. Anordnung für ein Gaswechselventil (2) an einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine mit einem elektromagnetischen Aktuator (8), der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete (9, 10) aufweist, zwischen denen entsprechend ihrer über eine Steuereinrichtung (19) gesteuerten Bestromung ein Anker (11), der mit dem Gaswechselventil (4) in Wirkverbindung steht und der gegen die Kraft von zwei als Gasdruckfedern ausgebildete Rückstellfedern (Ö, S) hin und her bewegbar geführt ist, die in ihrer Druckbeaufschlagung steuerbar mit einer Druckgasver­ sorgung (18) verbunden sind, und mit wenigstens einer mecha­ nischen Positionierfeder (27), die das Gaswechselventil (4) bei drucklosen Gasdruckfedern (Ö, S) in Schließstellung hält.