DE19900954A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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 eine Federauflage in axialer Richtung verschiebbar ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die zweite Federauflage der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder mit der Stelleinheit verstellbar ist und die Stelleinheit in Schließstellung des Gaswechselventils die Federauflage in Schließrichtung mit einer definierten Restschließkraft beaufschlagt.

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 des Gaswechselventils. Insbesondere wird bei einem Sitzringeinschlag der Aktuator zum Spielausgleich in Schließrichtung verschoben, wodurch die Vorspannung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder reduziert wird und damit auch eine auf das Gaswechsel­ ventil wirkende Restschließkraft in geschlossener Stellung des Gaswechselventils.

Aus der DE 197 02 458 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator für ein Gaswechselventil mit einem Ventilspielausgleich bekannt. Auf den Aktuator, der in einem im Zylinderkopf axial verschiebbaren Gehäuse untergebracht ist, wirkt zu beiden Seiten jeweils eine Ventilfeder, von denen sich eine unmittelbar am Zylinderkopf abstützt und über einen Ventilschaft Druckkräfte auf einen Ankerstößel überträgt, während die andere am anderen Ende des Ankerstößels angeordnet ist und sich über das Gehäuse und eine Stelleinrichtung am Zylinderkopf abstützt, die als Ventilspielausgleich dient. Die Stelleinrichtung ist an der Druckölversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossen und wird mit einem Öldruck von etwa 0,5 bis 1 bar beaufschlagt. Sie verstellt das Gehäuse des Aktuators während der Schließstellung in Richtung des Gaswechselventils, bis der Ankerstößel spielfrei am Ventilschaft anliegt. Dabei wirkt die Stellkraft der Stelleinrichtung der Restschließkraft der unteren Ventilfeder entgegen, so daß diese entsprechend stärker dimensioniert werden muß.

Beim Öffnungshub des Gaswechselventils wird der Zufluß zur Stelleinheit durch ein Rückschlag­ ventil blockiert. Das Aktuatorgehäuse kann sich dann über die Stelleinheit am Zylinderkopf abstützen. Die Bewegung des Aktuators führt ferner dazu, daß der Anker und als Folge das Gaswechselventil keine exakte, definierte Bewegung mehr ausführen, so daß trotz des Spielausgleichs der Öffnungshub des Gaswechselventils von einer vorgegebenen Sollfunktion abweicht. Es ist insbesondere zu befürchten, daß das Gaswechselventil nicht mehr vollständig geöffnet werden kann und der Ventilhub verringert wird. Da sich die Bewegung des Gaswechsel­ ventils und die Aktuatorbewegung überlagern, setzt das Gaswechselventil mit unkontrollierten Geschwindigkeiten auf den Ventilsitz auf. Dadurch entstehen unerwünschte Geräusche und eine höhere Belastung der Bauteile. Diese hat einen vorzeitigen Verschleiß zur Folge, insbesondere durch die hohe Impulsübertragung der aufeinandertreffenden Bauteile.

Es wurde bereits in einer älteren Patentanmeldung DE 197 57 505.6-13 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 einer älteren Patentanmeldung DE 198 01 396.5-13 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 41 29 637 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Änderung der Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder bekannt, um die Federkraft unterschiedlichen Drehzahl­ bereichen anzupassen. Ein Gaswechselventil bestehend aus einem Ventilschaft und einem Ventilteller ist über einer Ventilführung in einem Zylinderkopf geführt. Der Ventilteller liegt in geschlossenem Zustand an einem Ventilsitzring an. Ein Nocken einer Nockenwelle wirkt auf einen am Ende 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 längsverschieblich 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 Brennkraftmaschine über einen ausgelegten Schaltpunkt, wird die Ölzufuhr zugeschaltet und das Öl übt einen Druck auf die Unterseite des Ringkolbens aus. Dieser führt eine aufwärts gerichtete axiale Hubbewegung aus und wird gegen einen 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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Betätigen von Gaswechselventi­ len mit einem Ausgleichselement zu schaffen, bei der in Schließstellung eine auf das Gaswech­ selventil 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 Weiterbildungen 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 ist mit einem Ausgleichselement über eine Stelleinheit verstellbar. Hat sich die Federvorspannung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder durch Störgrößen, wie beispielsweise Setzerscheinungen, Sitzringein­ schlag usw. und/oder durch einen Spielausgleich verändert, kann mit der erfindungsgemäßen Lösung die Federauflage verschoben und dadurch die Federvorspannung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder exakt und schnell nachgeregelt und damit konstant gehalten werden. Vorzugsweise wird in der Schließstellung des Gaswechselventils die Federvorspannung nachgeregelt, indem die Federauflage in Schließrichtung durch die Stelleinheit mit einer definierten Restschließkraft beaufschlagt wird.

Die Federauflage wird während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils durch die Stelleinheit in seiner Lage gehalten. Das Betätigungsverhalten der Vorrichtung wird dadurch in dieser Zeit nicht beeinträchtigt. Mit der Stelleinheit kann jedoch grundsätzlich die Federvor­ spannung in jeder Stellung des Gaswechselventils korrigiert, d. h. auf einen Sollwert eingestellt werden. 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. Die Stelleinheit kann dabei durch die Steuerung der Brennkraftma­ schine angesteuert werden.

Dadurch, daß Störgrößen ausgeglichen werden, kann die Vorspannung exakt auf einen dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgerichteten Wert eingestellt werden, ohne daß ein Sicherheitswert mit eingerechnet werden muß. Das Gaswechselventil wird stets mit einer ausreichend hohen Restschließkraft sicher geschlossen und Verluste, bedingt durch eine zu hohe Restschließkraft, werden vermieden.

In einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Lösung bei elektromagneti­ schen Gaswechselventilsteuerungen einzusetzen. Elektromagnetische Gaswechselventilsteue­ rungen weisen einen Aktuator auf, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten besitzt, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist und auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils wirkt. Ferner wirkt auf das Gaswechselventil ein Federme­ chanismus mit zumindest einer in Öffnungsrichtung wirkenden und zumindest einer in Schließrichtung wirkenden vorgespannten Ventilfeder. Wird der Aktuator mit der Brennkraftma­ schine abgeschaltet, stellt sich der Anker auf eine Gleichgewichtslage der Ventilfedern zwischen den Polflächen der Magnete ein. Neben der Restschließkraft kann mit der Stelleinheit die Gleichgewichtslage nachgeregelt werden, beispielsweise auf einer energetischen Mittenlage gehalten oder auf bestimmte Betriebszustände 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 und

Fig. 3 eine Variante nach Fig. 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator 32 ist in eine Ausnehmung eines Zylinderkopfs 38 eingelas­ sen. Er betätigt ein Gaswechselventil 10, das mit seinem Ventilschaft 36 mittels einer Ventilfüh­ rung 39 in dem Zylinderkopf 38 geführt ist. Der Aktuator 32 besitzt zwei Schaltmagnete, und zwar einen oberen Schließmagneten 34 und einen unteren Öffnungsmagneten 33. Zwischen den Polflächen der Schaltmagnete 33 und 34 bewegt sich ein Anker 35, der über einen Ankerstößel 40 auf den Ventilschaft 36 des Gaswechselventils 10 wirkt.

Zwischen dem Öffnungsmagneten 33 und dem Gaswechselventil 10 besitzt der Aktuator 32 ein Federgehäuse 41, in dem ein Federmechanismus, bestehend aus zwei Ventilfedern 6 und 37, untergebracht ist. Die obere Ventilfeder 37 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem Gaswech­ selventil 10 bewegten Federteller 42 in Öffnungsrichtung 5 und stützt sich mit dem anderen Ende an dem Öffnungsmagneten 33 ab. Die untere Ventilfeder 6 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem Gaswechselventil 10 bewegten Federteller 43 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 6, 37 bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position aufweist und daß eine auf das Gaswechselventil 10 in Schließstellung wirkende Restschließkraft der unteren Ventilfeder 6 verändert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ein Ausgleichselement, mit dem über eine Stelleinheit 7 die Federauflage 1 der in Schließrichtung 4 wirkenden Ventilfeder 6 verschiebbar ist. Die Gleichgewichtslage kann deckungsgleich auf einer energeti­ schen Mittenlage und die Restschließkraft kann konstant gehalten werden. Ferner kann die Gleichgewichtslage und die Restschließkraft auf bestimmte Betriebspunkte einer Brennkraftma­ schine eingestellt werden. Die Gleichgewichtslage und die Restschließkraft werden vorteilhaft in geschlossener Stellung des Gaswechselventils 10 eingestellt, indem die Stelleinheit 7 die Federauflage 1 in Schließrichtung 4 mit einer vorgegebenen Restschließkraft beaufschlagt und während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 in seiner Lage hält.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt II der Stelleinheit 7 aus Fig. 1. Die Stelleinheit 7 besitzt einen durch einen Kolben 11 und einen Arbeitszylinder 13 gebildeten Arbeitsraum 20, der mit vier Dichtungen 15, 16, 17, 18 zwischen dem Kolben 11 und dem Arbeitszylinder 13 abgedichtet ist. Die Federauflage 1 und der Kolben 11 sind einstückig ausgeführt, wodurch zusätzliche Bauteile eingespart werden können. Ferner können weitere Bauteile und Montage­ aufwand eingespart werden, indem der Arbeitszylinder 14 einstückig mit der Ventilschaftführung oder mit dem Zylinderkopf 19 ausgeführt wird (Fig. 3).

Um das Gaswechselventil 10 zu öffnen, wird der Schließmagnet 34 stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 33 bestromt. Der Anker 35 wirkt über den Ankerstößel 40 auf den Ventilschaft 36 in Öffnungsrichtung 5 und spannt dabei die in Schließrichtung 4 wirkende Ventilfeder 6 weiter vor. Die auf die Stelleinheit 7 wirkende Kraft steigt auf einen maximalen Wert an. Ein Hochdruckventil 23 der Stelleinheit 7 öffnet jeweils bei einem definierten Druck im Arbeitsraum 20 bzw. bei einer definierten Kraft, die um einen Sicherheitswert größer ist als eine mittlere auf die Stelleinheit 7 wirkende Kraft und kleiner ist als eine maximale Kraft. Nach dem Hochdruck­ ventil 23, das vorzugsweise als konventionelles Rückschlagventil ausgeführt ist, ist eine Drossel 44 angeordnet, so daß eine geringe Menge an Druckmittel gedrosselt abfließen kann, ohne daß ein Druckverlauf in dem Arbeitsraum 20 wesentlich beeinflußt wird.

Um das Gaswechselventil 10 zu schließen, wird der Öffnungsmagnet 33 stromlos geschaltet und der Schließmagnet 34 bestromt. Die in Öffnungsrichtung 5 wirkende Ventilfeder 37 wird weiter vorgespannt und die in Schließrichtung 4 wirkende Ventilfeder 6 wird entspannt. Die auf die Stelleinheit 7 wirkende Kraft sinkt auf einen minimalen Wert ab, auf die sogenannte Rest­ schließkraft. Das Hochdruckventil 23 schließt bei einer definierten Kraft, die kleiner als die maximale Kraft und um einen Sicherheitswert größer als die mittlere Kraft ist.

Wird ein definierter Wert unterschritten, und zwar eine vorgegebene Restschließkraft, öffnet ein Rückschlagventil 24. Druckmittel fließt aus einem nicht näher dargestellten Druckanschluß 45 in den Arbeitsraum 20, bis sich die vorgegebene Restschließkraft einstellt und das Rückschlagven­ til 24 wieder schließt. In dem Arbeitsraum 20 ist eine Tellerfeder 30 angeordnet, die in Schließrichtung 4 auf die Federauflage 1 bzw. auf den Kolben 11 wirkt, und zwar mit einer Teilrestschließkraft. Der Druck des Druckmittels im Arbeitsraum 20 und die Kraft der Tellerfeder 30 addieren sich zu der gesamten Restschließkraft. Die Stelleinheit 7 kann dadurch die Vorspannung der Ventilfeder 6 mit einem geringen Druck im Druckanschluß 45 schnell und exakt auf eine konstante Restschließkraft einstellen. Besonders vorteilhaft kann jedoch auch eine Feder verwendet werden, die mit der gewünschten, gesamten Restschließkraft auf die Federauflage 1 wirkt. Druckmittel kann vom Druckanschluß 45 über ein Rückschlagventil in den Arbeitsraum 20 nachfließen, ohne daß dieses einen Druck auf den Kolben 11 bzw. auf die Federauflage 1 ausüben muß. Das Druckmittel kann aus einem drucklosen Vorratsraum nachgefüllt bzw. angesaugt und eine Druckregeleinheit kann eingespart werden. Die Stelleinheit 7 bildet mit dem Zylinder 13, der Feder 30 und dem Kolben 11 bzw. der Federauflage 1 eine in sich geschlossene Einheit, die vorteilhaft separat gefertigt und überprüft werden kann.

Über einen weiten Bereich des Öffnungshubs und des Schließhubs des Gaswechselventils 10 sind das Hochdruckventil 23 und das Rückschlagventil 24 geschlossen. Die Federauflage 1 ist in ihrer Lage hydraulisch blockiert, wodurch die Gaswechselventilbewegung in diesen Bereichen nicht beeinträchtigt wird. Während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 10 wird eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung der Ventilfedervor­ spannung, der Gleichgewichtslage und der Restschließkraft auf einen konstanten Wert erreicht, beispielsweise auf 150 N.

Bei abgeschaltetem Aktuator 32 bzw. bei abgeschalteter Brennkraftmaschine stellt sich der Anker 35 auf eine Gleichgewichtslage der Ventilfedern 6, 37 zwischen den Polflächen der Magnete 33 und 34 ein. Auf die Stelleinheit 7 wirkt die mittlere Kraft, bei der das Hochdruck­ ventil 23 und das Rückschlagventil 24 geschlossen sind. Aus dem abgedichteten Arbeitsraum 20 fließt kein Druckmittel und die Einstellung der Stelleinheit 7 bzw. der Federauflage 1 wird beibehalten.

In Fig. 3 ist eine Stelleinheit 8 dargestellt, die durch die Bewegung des Gaswechselventils 10 gesteuert wird. Gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Ventilfeder 6 stützt sich in Öffnungsrichtung 5 auf einer Federauflage 2 ab, die einstückig mit einem Kolben 12 der Stelleinheit 8 ausgeführt ist. Der Kolben 12 bildet mit einem Arbeitszylinder 14, der einstückig mit einem Zylinderkopf 19 ausgeführt ist, einen Arbeitsraum 21, der mit zwei Dichtungen 31, 46 zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinder 14 abgedichtet ist.

Kurz vor und in der Schließstellung des Gaswechselventils 10 wird der Arbeitsraum 21 im Bereich einer Ventilführung 27 über einen ersten Zuflußabschnitt 29, über eine Ringnut 26 in einem Ventilschaft 25 und über einen zweiten Zuflußabschnitt 28 mit einem nicht näher dargestellten Druckanschluß verbunden. Die Vorspannung der Ventilfeder 6, die Restschließ­ kraft und die Gleichgewichtslage der Ventilfedern 6, 37 können auf einen konstanten Wert geregelt und auf bestimmte Betriebszustände eingestellt werden, beispielsweise durch Änderung des Drucks im Druckanschluß. Kurz vor und in der Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 wird der Arbeitsraum 21 über einen ersten Kanal 9, über die Ringnut 26 und über eine Drossel 3 mit einem zweiten Kanal 22 verbunden, über den Druckmittel aus dem Arbeitsraum 21 gedrosselt abfließen kann. Während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 10 wird eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung erreicht. Bei abgeschaltetem Aktuator 32 bzw. bei abgeschalteter Brennkraftmaschine stellt sich der Anker 35 auf die Gleichgewichtslage der Ventilfedern 6, 37 zwischen den Polflächen der Magnete 33, 34 ein. Die Ringnut 26 ist dabei unterhalb der Zuflußabschnitt 28, 29 und oberhalb der Kanäle 9, 22 angeordnet und wird von der Ventilführung 27 dicht verschlossen. Aus dem Arbeitsraum 21 fließt kein Druckmittel und die Einstellung der Stelleinheit 8 bzw. der Federauflage 2 wird beibehalten. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 können zwei Rückschlagventile und damit. Kosten und Montageaufwand eingespart werden.

Claims (16)

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 eine Federauflage in axialer Richtung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federauflage (1, 2) der in Schließrich­ tung (4) wirkenden Ventilfeder (6) mit der Stelleinheit (7, 8) verstellbar ist und die Stelleinheit (7, 8) in Schließstellung des Gaswechselventils (10) die Federauflage (1, 2) in Schließrichtung (4) mit einer definierten Restschließkraft beaufschlagt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restschließkraft auf verschiedene Betriebszustände einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (7, 8) die Federauflage (1, 2) während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils (10) in seiner Lage hält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (1, 2) durch einen von einem Kolben (1 l, 12) und einem Arbeitszylinder (13, 14) gebildeten Arbeitsraum (20, 21) der Stelleinheit (7, 8) während einer Öffnungsstellung des Gaswechselventils (10) hydrau­ lisch blockiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (1, 2) einstückig mit dem Kolben (11, 12) ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (14) einstückig mit einem Zylinderkopf (19) oder einem Aktuatorenträger ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder einstückig mit einer Ventilschaftführung ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (20) nach außen abgedichtet ist und die Stelleinheit (7) ein Hochdruckventil (23) und ein Rückschlagventil (24) aufweist, wobei über das Hochdruckventil (23) Druckmittel aus dem Arbeitsraum (20) gedrosselt während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils (10) abfließt, indem das Hochdruckventil (23) zyklisch bei einer definierten Kraft auf die Stelleinheit (7) öffnet und bei einer definierten Kraft schließt, die jeweils größer als eine mittlere Kraft und jeweils geringfügig kleiner oder gleich einer maximalen Kraft auf die Stelleinheit (7) ist, und über das Rückschlagventil (24) Druckmittel in den Arbeitsraum (20) fließt, indem dieses bei einer definierten Kraft öffnet, die kleiner als die mittlere auf die Stelleinheit (7) wirkende Kraft ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Gaswechselventils (10) den Zufluß einer Druckflüssigkeit zum Arbeitsraum (21) steuert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (21) nach außen abgedichtet ist und die Bewegung des Gaswechselventils (10) den Abfluß einer Druckflüssigkeit aus dem Arbeitsraum (21) steuert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (25) des Gaswechselventils (10) eine Ringnut (26) im Bereich einer Ventilführung (27) aufweist, die im Bereich der Schließstellung des Gaswechselventils (10) zwei Zuflußabschnitte (28, 29) miteinander verbindet und im Bereich der Öffnungsstellung zwei Kanäle (9, 22) miteinander verbindet, über die Druckflüssigkeit gedrosselt abfließt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (7) eine in Schließrichtung (4) wirkende Feder (30) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (30) in geschlosse­ ner Stellung des Gaswechselventils (10) mit einer Restschließkraft auf die Federauflage (1) wirkt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (30) eine Tellerfeder ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (30) in einem Arbeitsraum (20) der Stelleinheit (7) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (10) mit einem elektromagnetischen Aktuator (32) betätigt wird, der einen Öffnungsmagneten (33) und einen Schließmagneten (34) besitzt, zwischen deren Polflächen ein Anker (35) koaxial zum Gaswechselventil (10) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen Ventilschaft (36) wirkt, und neben der in Schließrichtung (4) wirkenden Ventilfeder (6) eine zweite in Öffnungsrichtung (5) wirkende Ventilfeder (37) aufweist.