DE19900953C2 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

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.