DE19900953C2 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents
Vorrichtung zum Betätigen eines GaswechselventilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselventilen besitzen in der Regel
zwei Schaltmagnete, einen Öffnungsmagneten 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 Federmechanismus auf den
Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Ventilfedern, von denen eine
obere Ventilfeder das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfeder in
Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in
einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten. Die Ventilfedern können gemein
sam auf einer Seite oder jeweils getrennt voneinander auf beiden Seiten des Aktuators
angeordnet sein.
Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsma
gnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfre
quenz 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 Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschal
tet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder
beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungs
magneten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und
wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungs
magnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende
Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten.
Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagne
ten auf und wird von diesem festgehalten. Beide Ventilfedern sind soweit vorgespannt, daß sich
der Anker bei stromlosen Schaltmagneten auf eine annähernd mittlere Lage zwischen den
Polflächen der Schaltmagnete einstellt und daß gleichzeitig in bzw. kurz vor der Schließstellung
des Gaswechselventils eine Restschließkraft von der unteren Ventilfeder auf das Gaswechsel
ventil wirkt.
Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispiels
weise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materialien,
durch Fertigungstoleranzen differierende Federsteifigkeiten der oberen und der unteren
Ventilfeder sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Ventilfedern usw., können dazu führen,
daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen
Mittenlage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position
aufweist. Ferner können derartige Größen und Verschleiß an den Ventilsitzen dazu führen, daß
der Anker an der Polfläche des Schließmagneten nicht mit einer konstanten Schließkraft anliegt
oder bereits anliegt, bevor das Gaswechselventil vollständig schließt. Heiße Brenngase, die über
nicht dicht schließende Ventile abströmen, zerstören die Ventilsitze. Andererseits ist es durch
unterschiedliche Wärmedehnungen möglich, daß der Anker bei geschlossenem Gaswechselven
til nicht mehr vollständig an der Polfläche des Schließmagneten zum Anliegen kommt, so daß
der Energiebedarf des Schließmagneten stark zunimmt. Ferner ist mit diesem Vorgang in der
Regel ein reduzierter Öffnungshub des Gaswechselventils verbunden, so daß die Drosselverluste
beim Ladungswechsel zunehmen, und sich der Wirkungsgrad verschlechtert.
Bei Gaswechselventilen, die über eine Nockenwelle betätigt und dabei von einer in Schließrich
tung wirkenden Ventilfeder geschlossen werden, können Wärmedehnungen, Sitzringeinschlag,
Setzerscheinungen durch Alterung der Ventilfeder usw. ebenfalls dazu führen, daß das
Gaswechselventil nicht vollständig schließt.
In einer älteren Anmeldung, DE 196 47 305 C1, ist ein elektromagnetischer Aktuator dargestellt,
der schwimmend in einem Zylinderkopf gelagert ist. Er öffnet und schließt ein Gaswechselventil,
indem sein Anker zwischen zwei Elektromagneten bewegt wird und dabei auf einen Ventilschaft
des Gaswechselventils wirkt. Ein Federmechanismus ist zwischen dem Aktuator und dem
Ventilteller des Gaswechselventils angeordnet, wobei sich die obere Öffnungsfeder am Aktuator
und die untere Schließfeder am Zylinderkopf abstützen. Auf der dem Gaswechselventil
abgewandten Seite befindet sich zwischen einer mit dem Zylinderkopf verbundenen Deckplatte
und dem Aktuator ein Spielausgleichselement, das sowohl positives als auch negatives
Ventilspiel ausgleicht.
Das Spielausgleichselement weist einen Kolben in einem Zylinder auf. Der Kolben trennt einen
ersten, dem Gaswechselventil abgewandten, brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten von
einem zweiten, dem Gaswechselventil zugewandten Druckraum. Ein Rückschlagventil im Kolben
öffnet bei Überdruck im ersten Druckraum entgegen der Kraft einer Rückhaltefeder in Richtung
zum zweiten Druckraum. Die Rückhaltefeder ist so ausgelegt, daß das Rückschlagventil nicht
öffnet, wenn kein Spiel vorhanden ist.
Über eine Drosselverbindung, die als definiertes Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder
ausgelegt ist, kann bei Belastung Druckmittel vom zweiten in den ersten Druckraum entweichen.
Das Spielausgleichselement kann entweder nur Druckkräfte oder in einer anderen Ausführung
während des Schließvorgangs Druck- und Zugkräfte übertragen.
Wenn das Gaswechselventil nicht vollständig schließt, weil der Aktuator zu weit in Richtung des
Gaswechselventils verschoben ist, d. h. ein negatives Spiel vorliegt, stellt sich eine Druckerhö
hung in dem zweiten Druckraum durch eine in Schließrichtung wirkende Ventilfeder des
Gaswechselventils ein. Dadurch entweicht Druckmittel aus dem zweiten Druckraum über die
Drosselverbindung, bis das Gaswechselventil wieder vollständig schließt.
Wenn Spiel zwischen dem Ankerstößel und dem Gaswechselventil vorliegt, wird der zweite
Druckraum entlastet. Der Druck im zweiten Druckraum sinkt dadurch unter den des ersten
Druckraums, so daß das Rückschlagventil gegen die Rückhaltefeder öffnet und Druckmedium
vom ersten in den zweiten Druckraum strömt, bis das Spiel ausgeglichen ist. Dieser Vorgang
kann mehrere Arbeitsspiele des Ventils dauern. Weil sich beim Spielausgleich die Lage des
Aktuators verändert, ändert sich damit auch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern, so daß sie
nicht mehr mit der energetischen Mittenlage übereinstimmt. Dies verändert das Schwingungs
verhalten des Federmechanismus, den Energiebedarf der Magnete und den Öffnungs- und
Schließvorgang der Gaswechselventile. Insbesondere wird bei einem Sitzringeinschlag der
Aktuator zum Spielausgleich in Schließrichtung verschoben, wodurch die Vorspannung der in
Schließrichtung wirkenden Ventilfeder reduziert wird und damit eine auf das Gaswechselventil
wirkende Restschließkraft in geschlossener Stellung des Gaswechselventils.
Es wurde bereits in einer älteren Patentanmeldung (s. DE 197 57 505 A1)
vorgeschlagen, das Federsystem in einem Federgehäuse unterzubringen,
das mit dem Aktuator fest verbunden ist und auf der dem Gaswechsel zugewandten Seite des
Aktuators liegt. Die Bewegung des Ankers wird über einen zwischen den Ventilfedern des
Federsystems angeordneten, gemeinsamen Federteller auf den Ventilschaft in beiden
Richtungen übertragen. Der schwimmend im Zylinderkopf angeordnete Aktuator stützt sich
gegenüber dem Zylinderkopf über eine hydraulische Feder ab, die den Aktuator mit einer
gewünschten Kraft, einer Restschließkraft, in Schließrichtung drückt. Das Federverhalten der
hydraulischen Feder und damit die Bewegungen des Aktuators können durch ein Rückschlag
ventil gedämpft werden. An der gegenüberliegenden Seite wirkt ein Dämpfer in entgegengesetz
ter Richtung auf den Aktuator, um seine axialen Bewegungen gegenüber dem Zylinderkopf zu
begrenzen und dafür zu sorgen, daß Axialschwingungen des Aktuators rasch abklingen. Ferner
werden störende Geräusche des Ankers reduziert, die beim Aufsetzen entstehen, sowie die
Kräfte verringert, die bei Verzögerung des Aktuators im Umkehrpunkt auf den Aktuator wirken.
Ferner ist in der älteren Patentanmeldung (s. DE 198 01 396 C1) eine Betätigungsvorrichtung für
ein Gaswechselventil mit einem elektromagnetischen Aktuator beschrieben, der in einem
Zylinderkopf schwimmend geführt ist. Ein Anker ist mit einem Ankerstößel verbunden, der zu
beiden Seiten des Aktuators herausragt und an der oberen Seite durch eine Öffnungsfeder
belastet wird, die sich am Zylinderkopf abstützt, während sein unteres Ende auf einen Ventil
schaft wirkt, der durch eine Ventilfeder in Schließrichtung des Gaswechselventils belastet ist.
Zum Ausgleich von Ventilspiel ist ein Spielausgleichselement vorgesehen, das zwischen dem
Aktuator und dem Gaswechselventil im Zylinderkopf angeordnet ist und thermische oder durch
Verschleiß bedingte Längenänderungen und Fertigungstoleranzen ausgleicht, um ein sicheres
Schließen des Gaswechselventils und die Einhaltung eines vorgegebenen Kurvenverlaufs für den
Ventilhub sicherzustellen.
Das Spielausgleichselement besitzt eine Ausgleichsfeder, die sich am Zylinderkopf abstützt und
den Aktuator in Schließrichtung nach oben drückt. Die Ausgleichsfeder wirkt über einen
Verstellkolben auf den Aktuator. Sie dient nur zum Verstellen des Aktuators in Schließrichtung
und ist nicht in der Lage und nicht dafür vorgesehen, eine Restschließkraft auf das Gaswechsel
ventil auszuüben, da der Ankerstößel und der Ventilschaft nicht miteinander verbunden sind. Der
Verstellkolben begrenzt einen Ringraum, dem über ein Rückschlagventil ein Druckmittel
zugeführt wird. Über einen definierten Bewegungsspalt des Verstellkolbens kann unter
Belastung Druckmittel aus dem Ringraum gedrosselt entweichen.
Aus der DE 35 13 107 C2 ist bekannt, den Fußpunkt einer Ventilfeder zu verschieben, um einen
Aktuator zu starten. Der Aktuator besitzt einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten,
zwischen denen ein Anker verschiebbar angeordnet ist. Als Federmechanismus dient eine
untere in Schließrichtung wirkende und eine obere in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder.
Die obere Ventilfeder ist oberhalb des Ankers angeordnet und stützt sich auf der einen Seite am
Anker und auf der anderen Seite an einer Federauflage ab. Die Federauflage ist einstückig mit
einer Schaftführung verbunden, die in der vom Anker abgewandten Seite in einem ferromagneti
schen Deckel befestigt ist. Unterhalb des Deckels und oberhalb des Schließmagneten ist eine
Spule und ein Magnetkern eines dritten Stellmagneten angeordnet.
Bevor der Aktuator gestartet wird, ist die Gleichgewichtslage der Ventilfedern in Schließrichtung
verschoben. Beim Start wird zuerst der Schließmagnet erregt, das Gaswechselventil wird
geschlossen. Anschließend wird der dritte Stellmagnet erregt, wodurch der Deckel angezogen,
in Öffnungsrichtung verschoben und auf dem Kern des Stellmagneten fixiert wird. Mit dem
Deckel wird die Federauflage der oberen Ventilfeder in Öffnungsrichtung und damit die
Gleichgewichtslage aus einer außermittigen Stellung in die mittige Stellung zwischen dem
Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten verschoben. Im anschließenden Betrieb des
Aktuators, dem zyklischen Schließen und Öffnen des Gaswechselventils, bleibt die Federauflage
in unveränderter Lage.
Aus der DE 41 29 637 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Änderung der Federkraft einer in
Schließrichtung wirkenden Ventilfeder bekannt, um die Federkraft unterschiedlichen Drehzahlbe
reichen einer Brennkraftmaschine anzupassen. Ein Gaswechselventil bestehend aus einem
Ventilschaft und einem Ventilteller ist über einer Ventilschaftführung in einem Zylinderkopf
geführt. Der Ventilteller liegt in geschlossenem Zustand an einem Ventilsitzring an. Ein Nocken
einer Nockenwelle wirkt auf einen am Schaftende des Ventilschafts aufsitzenden Stößel und
beschleunigt das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung. Eine in Schließrichtung wirkende
Ventilfeder stützt sich an ihrer dem Ventilteller zugewandten Seite auf einem den Ventilschaft
umgebenden Ringkolben ab. Auf der anderen Seite wirkt sie über einen Federteller auf den
Stößel. Die Ventilfeder beschleunigt das Gaswechselventil in Schließrichtung und hält dieses
während der Phase des Grundkreises des Nockens geschlossen. Der Ringkolben ist längsver
schieblich in einem sich im Zylinderkopf abstützenden Ringzylinder geführt, wobei der Raum,
der von dem Ringkolben und dem Ringzylinder gebildet ist einen Druckraum darstellt. Dieser
Druckraum wird über eine Ölzuleitung aus einem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine mit
Öl beaufschlagt. Im unteren bis mittleren Drehzahlbereich ist die Ölversorgung abgeschaltet. Der
Ringkolben liegt an der Oberseite des Ringzylinders auf. Steigt die Drehzahl der Brennkraftma
schine über einen ausgelegten Schaltpunkt, wird die Ölzufuhr zugeschaltet und das Öl übt einen
Druck auf die Unterseite des Ringkolbens aus. Dieser führt somit eine aufwärts gerichtete axiale
Hubbewegung aus und wird gegen den oberen Anschlag gedrückt. Die Bewegung kann durch
eine in den Druckraum eingelegte und den Ventilschaft axial umschließende Schraubenfeder
unterstützt werden. Um die Federkraft bei niedriger bis mittlerer Drehzahl wieder zu reduzieren,
wird der Druck im Druckraum entweder über einen Ringspalt oder über eine zusätzliche
Steuerleitung abgebaut und der Ringkolben auf die Oberseite des Ringzylinders abgesenkt.
Aus der DE 197 23 792 C1 ist eine Einrichtung zur Einstellung eines elektromagnetischen
Aktuators bekannt, der sowohl einen Öffnungsmagneten als auch einen Schließmagneten
besitzt, zwischen denen ein Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist. Eine obere und eine
untere vorgespannte Ventilfeder halten bei stromlosem Zustand der Magnete den Anker in einer
Gleichgewichtslage zwischen den Magneten. Mindestens eine der Ventilfedern stützt sich über
ein elektrisch beheizbares Wärmedehnelement ab, das zur Einstellung der Mittellage bzw. der
Gleichgewichtslage des Ankers während des Betriebs der Brennkraftmaschine dient.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Betätigen von Gaswechselventi
len mit einem Ausgleichselement zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln in Schließstellung
eine auf das Gaswechselventil wirkende Restschließkraft trotz Störgrößen und/oder eines
Spielausgleichs konstant haltbar und verstellbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun
gen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt zumindest eine Ventilfeder, die in Schließrichtung
über eine erste Federauflage auf das Gaswechselventil wirkt und in Öffnungsrichtung auf einer
zweiten Federauflage abgestützt ist. Die zweite Federauflage der in Schließrichtung wirkenden
Ventilfeder ist mit einem regelbaren elektrischen Stellmotor verstellbar. Hat sich die Federvor
spannung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder durch Störgrößen, wie beispielsweise
Setzerscheinungen, Sitzringeinschlag usw., und/oder durch einen Spielausgleich verändert, kann
mit der erfindungsgemäßen Lösung die Federauflage verschoben und dadurch die Federvor
spannung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder exakt und schnell nachgeregelt und
damit konstant gehalten werden. Zweckmäßigerweise wird in der Schließstellung des Gaswech
selventils die Federvorspannung nachgeregelt, indem die Federauflage durch den Stellmotor in
Schließrichtung mit einer definierten Restschließkraft beaufschlagt wird. Die Federauflage wird
während das Gaswechselventil geöffnet ist durch den Stellmotor in seiner Lage gehalten. Das
Betätigungsverhalten der Vorrichtung wird dadurch in der übrigen Zeit nicht beeinträchtigt.
Neben der Funktion, die Restschließkraft trotz Störgrößen konstant zu halten, kann die
Restschließkraft auf verschiedene Betriebszustände, d. h. beispielsweise auf verschiedene Last-
und Drehzahlen einer Brennkraftmaschine, eingestellt werden. Die Vorrichtung kann bei einer
geringen Last- und Drehzahl der Brennkraftmaschine mit einer niedrigeren Federvorspannung
betrieben werden und bei höheren Last- und Drehzahlen der Brennkraftmaschine mit einer
höheren Federvorspannung. Der Stellmotor kann dabei durch die Steuerung der Brennkraftma
schine angesteuert werden. Dadurch, daß Störgrößen ausgeglichen werden, kann die Vorspan
nung exakt auf einen dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgerichteten Wert
eingestellt werden, ohne daß ein Sicherheitswert mit eingerechnet werden muß. Das Gaswech
selventil wird stets mit einer ausreichend hohen Restschließkraft sicher geschlossen und
Verluste, bedingt durch eine zu hohe Restschließkraft, werden vermieden.
Ferner wird vorgeschlagen, daß die Federauflage durch ein Stellelement verschoben wird, das
von dem Stellmotor angetrieben, über ein Gewinde gelagert und dadurch axial verstellbar ist. Mit
dem Gewinde kann eine Drehbewegung des Stellmotors mit einer vorteilhaften Kraft- und
Wegübersetzung in eine Längsbewegung umgesetzt werden. Mit kleinen Umfangskräften können
große Längskräfte und mit großen Umfangswegen bzw. großen Drehwegen können kleine
Längswege und dadurch eine exakte Verstellung erreicht werden. Ferner kann vorteilhaft
eine Selbsthemmung erreicht werden, während das Gaswechselventil öffnet, so daß ohne
Energieaufwand die Federauflage in diesem Zeitraum sicher fixiert ist. Durch das selbsthem
mende Gewinde wird die Federauflage vorteilhaft nach Abschalten der Brennkraftmaschine in
der zuletzt eingestellten Position gehalten. Bis dahin aufgetretene Störgrößen müssen nach
einem Start der Brennkraftmaschine nicht erneut nachgeregelt werden.
Erfindungsgemäß wird für den Stellmotor ein Elektromotor verwendet. Damit kann mit geringem
konstruktiven Aufwand eine exakte und schnelle Stelleinheit mit einem hohen Wirkungsgrad
erreicht werden. Eine Ölversorgung entfällt und wird durch eine elektrische Versorgung ersetzt,
wodurch der Fertigungsaufwand und/oder Montageaufwand reduziert werden.
Die Vorrichtung kann bei Gaswechselventilen verwendet werden, die über Nocken und eine
Nockenwelle gesteuert werden und insbesondere bei Gaswechselventilen, die mit einem
elektromagnetischen Aktuator betätigt werden. Elektromagnetische Aktuatoren besitzen in der
Regel einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein
Anker koaxial zum Gaswechselventil 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 Federmechanismus auf den Anker mit
einer oberen, vorgespannten, in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder und einer unteren,
vorgespannten, in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder. Bei nicht erregten Magneten wird der
Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten. Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei elektromagnetischen Aktuatoren neben der
Restschließkraft die Gleichgewichtslage der Ventilfedern konstant bzw. auf einer energetischen
Mittenlage gehalten und/oder auf verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine
eingestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind
Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt II aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Variante nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Variante nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Variante nach Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4 und
Fig. 7 eine Variante nach Fig. 6.
Ein elektromagnetischer Aktuator 38 ist in eine Ausnehmung eines Zylinderkopfs 45 eingelas
sen. Er betätigt ein Gaswechselventil 11, das mit seinem Ventilschaft 42 mittels einer Ventilfüh
rung 46 in dem Zylinderkopf 45 geführt ist. Der Aktuator 38 besitzt zwei Schaltmagnete, und
zwar einen oberen Schließmagneten 40 und einen unteren Öffnungsmagneten 39. Zwischen den
Polflächen der Schaltmagnete 39 und 40 bewegt sich ein Anker 41, der über einen Ankerstößel
47 auf den Ventilschaft 42 des Gaswechselventils 11 wirkt.
Zwischen dem Öffnungsmagneten 39 und dem Gaswechselventil 11 besitzt der Aktuator 38 ein
Federgehäuse 48, in dem ein Federmechanismus, bestehend aus zwei Ventilfedern 5 und 44,
untergebracht ist. Die obere Ventilfeder 44 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem Gaswech
selventil 11 bewegten Federteller 49 in Öffnungsrichtung 43 und stützt sich mit dem anderen
Ende an dem Öffnungsmagneten 39 ab. Die untere Ventilfeder 5 wirkt mit einem Ende auf einen
mit dem Gaswechselventil 11 bewegten Federteller 50 in Schließrichtung 4 und stützt sich am
anderen Ende auf einer Federauflage 1 ab.
Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über die Zeit verändernde Größen, wie beispiels
weise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, differierende Federsteifigkeiten, Setzerscheinun
gen durch Alterung der Ventilfedern usw. und ein dadurch bedingter Spielausgleich durch ein
nicht näher dargestelltes Spielausgleichselement, können dazu führen, daß die durch die
Ventilfedern 5, 44 bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage
zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position aufweist und daß
eine auf das Gaswechselventil 11 in Schließstellung wirkende Restschließkraft der unteren
Ventilfeder 5 verändert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ein Ausgleichselement,
mit dem über eine Stelleinheit die Federauflage 1 der in Schließrichtung 4 wirkenden Ventilfeder
5 verschiebbar ist. Die Stelleinheit ist erfindungsgemäß ein Stellmotor 6 (Fig. 2), mit dem die
Gleichgewichtslage der Ventilfedern 5, 44 und die auf das Gaswechselventil 11 wirkende
Restschließkraft in geschlossener Stellung des Gaswechselventils 11 einstellbar ist. Die
Gleichgewichtslage kann deckungsgleich auf einer energetischen Mittenlage und die Rest
schließkraft kann konstant gehalten werden. Ferner können die Gleichgewichtslage und die
Restschließkraft auf bestimmte Betriebspunkte einer Brennkraftmaschine eingestellt werden.
Vorteilhaft werden die Gleichgewichtslage und die Restschließkraft der Ventilfeder 5 in
geschlossener Stellung des Gaswechselventils 11 eingestellt, indem der Stellmotor 6 die
Federauflage 1 in Schließrichtung 4 mit einer vorgegebenen Restschließkraft beaufschlagt und
während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils 11 in seiner Lage hält. Das Betätigungs
verhalten des Aktuators 38 wird dadurch in der übrigen Zeit nicht beeinträchtigt. Der erforderli
che Einstellweg der Federauflage 1 wird von einer nicht näher dargestellten Regeleinheit
ermittelt. Beispielsweise wird von einem Sensor in der Schließstellung des Gaswechselventils 11
die wirkende Restschließkraft erfaßt, mit einem Sollwert verglichen und der erforderliche
Einstellweg ermittelt oder die Federauflage solange verstellt, bis der Sollwert erreicht ist.
In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Federauflage 1 über ein
Innengewinde 13 mit einem Außengewinde 12 der Ventilführung 46 verbunden. Die Federaufla
ge 1 wird von dem Stellmotor 6 über ein Getriebe 51 angetrieben. Nach dem Einstellvorgang der
Federauflage 1, ist diese durch das Gewinde 12, 13 in ihrer Bewegung gehemmt. Die Federauf
lage 1 wird ohne Energieaufwand während des Öffnens des Gaswechselventils 11 in ihrer Lage
gehalten werden.
Für den Stellmotor 6 wird ein kostengünstiger elektrischer Standardmotor verwendet. Mit
Elektromotoren kann eine exakte, schnelle Verstellung mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht
werden. In Fig. 3 ist ein Elektromotor 7 mit einem Läufer 23 und einem Stator 27 dargestellt.
Der Stator 27 wird von einer Spule 52 gebildet, die in einem u-förmigen Gehäuse 34 des
Stellmotors 7 am äußeren Schenkel 53 befestigt ist. Als Läufer 23 wird vorteilhaft ein Perma
nentmagnet verwendet, der keine Stromversorgung benötigt. Grundsätzlich kann jedoch auch
eine Spule als Läufer 23 verwendet werden. Der Läufer 23 ist mit einem Stellelement 2 drehfest
verbunden. Das Stellelement 2 ist im Ausführungsbeispiel einstückig mit der Federauflage 2 der
Ventilfeder 5 ausgeführt, wodurch ein zusätzliches Bauteil eingespart wird. Möglich ist jedoch
auch, daß die Federauflage 2 durch ein separates Stellelement verschoben wird. Die Federauf
lage 2 ist über ein Innengewinde 15 und ein Außengewinde 14 am zweiten Schenkel 54 des
Gehäuses 34 gelagert. Wird die Vorspannung der Ventilfeder 5 eingestellt, wird Strom durch die
Spule 52 geleitet. Der Läufer 23 dreht sich und treibt die Federauflage 2 an, die dadurch in
Schließrichtung 4 oder Öffnungsrichtung 43 verstellt wird. Zwischen dem Läufer 23 und dem
Gehäuse 34 ist eine Tellerfeder 57 angeordnet, die in Schließrichtung 4 auf den Läufer 23 bzw.
auf die Federauflage 2 wirkt, und zwar mit einer Teilrestschließkraft. Die vom Stellmotor 7
aufgebrachte Kraft in Schließrichtung 4 und die Kraft der Tellerfeder 57 addieren sich zu der
gesamten Restschließkraft. Die Federvorspannung, die Restschließkraft und die Gleichgewichts
lage der Ventilfedern 5, 44 können dadurch mit einem kleinen, energiesparenden Stellmotor 7
schnell und exakt eingestellt werden. Besonders vorteilhaft kann auch eine Feder verwendet
werden, die mit der gewünschten, gesamten Restschließkraft auf den Läufer 23 bzw. auf die
Federauflage 2 wirkt. Fällt die Vorspannung der Ventilfeder 5 ab, treibt der Stellmotor in der
Schließstellung des Gaswechselventils 11 die Federauflage 2 solange an, bis zwischen der
Ventilfeder 5 und der Restschließkraftfeder ein Gleichgewicht herrscht. Der Stellmotor bringt
dabei nur auftretende Reibungskräfte auf. Er kann dadurch besonders klein ausgeführt werden
und eine Regeleinheit zur Ermittlung eines erforderlichen Einstellwegs kann entfallen. Der
Stellmotor 7 stellt mit der Federauflage 2 und der Feder 57 ein in sich geschlossenes Modul dar,
das vorteilhaft separat gefertigt, montiert und überprüft werden kann.
In Fig. 4 ist ein Stellmotor 8 mit einem Läufer 24 dargestellt, der über ein erstes Gewindepaar
16, 17 mit einem Stator 28 und über ein zweites Gewindepaar 18, 19 mit einer Federauflage 3
verbunden ist. Die Gewindepaare 16, 17 und 18, 19 weisen entgegengesetzte Steigungen auf
und die Federauflage 3 ist über eine Führung 36 an einer Ventilführung 55 verdrehsicher axial
geführt (Fig. 4 und 6). Während des Verstellvorgangs wird der Läufer 24 von einer Spule 56
angetrieben und verschiebt dadurch die Federauflage 3 in Schließrichtung 4 oder in Öffnungs
richtung 43. Durch den sich zwischen dem Stator 28 und der Federauflage 3 drehenden Läufer
24 und den Gewindepaaren 16, 17 und 18, 19 mit entgegengesetzten Steigungen kann eine
günstige Übersetzungerhöhung erreicht und dadurch mit einem kleinen Stellmotor 8 eine exakte
Verstellung erreicht werden.
In Fig. 5 ist eine Variante zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem
Stellmotor 9 gezeigt. Gleichbleibende Bauteile der Ausführungsbeispiele werden grundsätzlich
mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Der Stellmotor 9 besitzt einen Läufer 25, der über ein
erstes Gewindepaar 20, 21 mit einem Stator 29 und über ein zweites Gewindepaar 22, 30 mit
der Federauflage 3 verbunden ist. Die Gewindepaare 20, 21 und 22, 30 besitzen wiederum
entgegengesetzte Steigungen. Im Unterschied zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbei
spiel ist die Federauflage 3 in einem Gehäuse 35 des Stellmotors 9 verdrehsicher axial in einer
Führung 37 geführt. Der Stellmotor 9 bildet dadurch mit der Federauflage 3 ein in sich
geschlossenes Modul, das vorteilhaft separat gefertigt, montiert und überprüft werden kann. Der
Einstellvorgang funktioniert ansonsten wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4. Darauf ist zu erkennen, daß der Läufer
24 ein ringförmiger Dauermagnet ist. Um die Reibung im Stellmotor 10 zu reduzieren, ist in dem
Ausführungsbeispiel in Fig. 7 ein Läufer 26 aus einzelnen Rollen ausgeführt. Die Rollen sind
einzelne Permanentmagnete, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 und 5 mit
einem Gewindepaar 31, 32 mit dem Stator 28 verbunden und mit einem zweiten Gewindepaar
32, 33 mit der Federauflage 3 verbunden sind, wobei die Gewindepaare 31, 32 und 32, 33
entgegengesetzte Gewindesteigungen aufweisen. Beim Verstellvorgang werden die Rollen des
Läufers 26 von der Spule 56 angetrieben, rollen auf den Gewinden 31 und 33 mit unterschiedli
chen Steigungen ab und verstellen dadurch die Federauflage 3 in axialer Richtung.
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen mit mindestens
einer Ventilfeder, die in Schließrichtung über eine erste Federauflage auf das Gaswechselventil
wirkt und in Öffnungsrichtung auf einer zweiten Federauflage abgestützt ist, und mit einem
Ausgleichselement, mit dem über eine Stelleinheit die zweite Federauflage in axialer Richtung
verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit des Ausgleichselements ein
regelbarer, elektrischer Stellmotor (6, 7, 8, 9, 10) ist, der in Schließstellung des Gaswechselven
tils (11) die Federauflage (1, 2, 3) in Schließrichtung (4) mit einer definierten Restschließkraft
beaufschlagt und während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils (11) in seiner Lage hält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restschließkraft auf
verschiedene Betriebszustände einstellbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf
die Federauflage (1, 2, 3) wirkendes Stellelement (1, 2, 3) durch den Stellmotor (6, 7, 8, 9, 10)
über ein Gewinde (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 30, 31, 32, 33) in axialer Richtung
verstellbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (2) über das
Gewinde (14, 15) mit einem Gehäuse (34) des Stellmotors (7) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) im
Gehäuse (35) des Stellmotors (9) geführt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichent, daß das Stellele
ment (1, 2, 3) und die Federauflage (1, 2, 3) einstückig ausgeführt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stellmotor (6, 7, 8, 9, 10) ein Elektromotor mit einem Läufer (23, 24, 25, 26) und einem Stator
(27, 28, 29) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (23, 24, 25, 26) ein
Permanentmagnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, soweit sich diese auf einen der Patentan
sprüche 3 bis 6 rückbeziehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (23) mit dem Stellele
ment (2) drehfest verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, soweit sich diese auf einen der Patentan
sprüche 3 bis 6 rückbeziehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (24, 25, 26) über ein
erstes Gewinde (16, 17, 20, 21, 31, 32) mit dem Stator (28, 29) und über ein zweites Gewinde
(18, 19, 22, 30, 32, 33) mit dem Stellelement (3) verbunden ist, wobei die Gewinde (16, 17, 20,
21, 31, 32, 18, 19, 22, 30, 32, 33) entgegengesetzte Steigungen aufweisen und das Stellele
ment (3) verdrehsicher axial geführt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (26) aus mehreren
über den Umfang verteilten Rollen gebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gaswechselventil (11) von einem elektromagnetischen Aktuator (38) betätigt wird, der einen
Öffnungsmagneten (39) und einen Schließmagneten (40) besitzt, zwischen deren Polflächen ein
Anker (41) koaxial zum Gaswechselventil (11) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen
Ventilschaft (42) wirkt, und neben der in Schließrichtung (4) wirkenden Ventilfeder (5) eine
zweite in Öffnungsrichtung (43) wirkende Ventilfeder (44) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Stellmotor (6, 7, 8, 9,
10) eine Gleichgewichtslage der in Öffnungsrichtung (43) wirkenden Ventilfeder (44) und der in
Schließrichtung (4) wirkenden Ventilfeder (5) für verschiedene Betriebszustände einstellbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf
die zweite Federauflage (2) eine Feder (57) in Schließrichtung (4) wirkt.
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- 1999-01-13 DE DE19900953A patent/DE19900953C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19900953A1 (de) | 2000-07-27 |
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