DE19956136A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem in dem Kraftfluß eines Betätigungselements auf das Gaswechselventil angeordneten Ausgleichselement, das einen durch einen Kolben und einen Arbeitszylinder gebildeten Druckraum aufweist, der über ein Rückschlagventil mit einem Vorratsraum verbunden ist und mit einer Drosselstelle, über die Druckmittel aus dem Druckraum während der Arbeitsspiele abfließen kann. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der Druckraum nach außen abgedichtet ist, und daß das Ausgleichselement ein Hochdruckventil aufweist, über das Druckmittel gedrosselt während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils abfließt, indem das Hochdruckventil zyklisch bei einer definierten Kraft auf das Ausgleichselement öffnet und bei einer definierten Kraft schließt, die jeweils größer als eine mittlere Kraft und jeweils geringfügig kleiner oder gleich einer maximalen Kraft auf das Ausgleichselement ist.

Description

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

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Feder­ mechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Ventilfedern, von denen eine obere Ventilfe­ der das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfeder in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleich­ gewichtslage zwischen den Magneten gehalten. Die Ventilfedern können gemeinsam auf einer Seite oder jeweils getrennt vonein­ ander auf beiden Seiten des Aktuators angeordnet sein.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanz­ frequenz angeregt, um aus der Gleichgewichtslage angezogen zu werden. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öff­ nungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswech­ selventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wir­ kende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge­ wichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten ange­ zogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsma­ gneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechsel­ ventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschal­ tet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge­ wichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten. Beide Ventilfedern sind soweit vorgespannt, daß sich der Anker bei stromlosen Schaltmagneten auf eine annähernd mittlere Lage zwi­ schen den Polflächen der Schaltmagnete einstellt und daß gleichzeitig in bzw. kurz vor der Schließstellung des Gaswech­ selventils eine Restschließkraft von der unteren Ventilfeder auf das Gaswechselventil wirkt.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materi­ alien, durch Fertigungstoleranzen differierende Federsteifig­ keiten der oberen und der unteren Ventilfeder, sowie Setzer­ scheinungen durch Alterung der Ventilfedern usw., können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichge­ wichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Posi­ tion 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 voll­ ständig schließt. Heiße Brenngase, die über nicht dicht schlie­ ßende Ventile abströmen, zerstören die Ventilsitze. Anderer­ seits ist es durch unterschiedliche Wärmedehnungen möglich, daß der Anker bei geschlossenem Gaswechselventil nicht mehr voll­ ständig an der Polfläche des Schließmagneten zum Anliegen kommt, so daß der Energiebedarf des Schließmagneten stark zu­ nimmt. Ferner ist mit diesem Vorgang in der Regel ein reduzier­ ter Öffnungshub des Gaswechselventils verbunden, so daß die Drosselverluste beim Ladungswechsel zunehmen und sich der Wir­ kungsgrad verschlechtert.

Bei Gaswechselventilen, die über eine Nockenwelle betätigt wer­ den, können Wärmedehnungen, Sitzringeinschlag, Setzerscheinun­ gen 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 elektro­ magnetischer Aktuator dargestellt, der schwimmend in einem Zy­ linderkopf gelagert ist. Er öffnet und schließt ein Gaswechsel­ ventil, 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 abgewand­ ten Seite befindet sich zwischen einer mit dem Zylinderkopf verbundenen Deckplatte und dem Aktuator ein Spielausgleichsele­ ment, das sowohl positives als auch negatives Ventilspiel aus­ gleicht.

Das Spielausgleichselement weist einen Kolben in einem Zylinder auf. Der Kolben trennt einen ersten, dem Gaswechselventil abge­ wandten, brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten von einem zweiten, dem Gaswechselventil zugewandten Druckraum. Ein Rück­ schlagventil 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 Rück­ schlagventil nicht öffnet, wenn kein Spiel vorhanden ist.

Das Gaswechselventil sollte stets sicher schließen. Um dies zu erreichen, besitzt das Spielausgleichselement die Tendenz sich stets langsam zu verkürzen. Dies wird mit einer Drosselstelle erreicht, die durch ein definiertes Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildet ist. Über die Drosselstelle fließt bei Belastung Druckmittel vom zweiten in den ersten Druckraum. Kommt der Anker nicht mehr ausreichend nahe an den Schließmag­ neten bzw. entsteht ein Spiel zwischen dem Ankerstößel und dem Gaswechselventil, weil sich das Spielausgleichselement zu weit verkürzt hat, muß ein schneller Ausgleich in die entgegenge­ setzte Richtung stattfinden, welches mit dem sich öffnenden Rückschlagventil erreicht wird. Der Druck im zweiten Druckraum sinkt unter den des ersten Druckraums, so daß das Rückschlag­ ventil gegen die Rückhaltefeder öffnet und Druckmedium vom er­ sten in den zweiten Druckraum strömt, bis das Spiel ausgegli­ chen ist. Dieser Vorgang kann mehrere Arbeitsspiele des Ventils dauern.

Der iterative Prozeß mit einem schnellen und mit einem langsa­ men Ausgleich, bewirkt, daß sich das Gaswechselventil ständig in einem Bereich einer optimalen Spieleinstellung bewegt. Wird jedoch der Aktuator abgeschaltet, stellt sich der Anker durch die Ventilfedern auf eine Gleichgewichtslage zwischen den Ma­ gneten ein. Dabei wirkt eine mittlere Kraft der Ventilfedern über den Aktuator auf den zweiten Druckraum. Der Druck im obe­ ren brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten Druckraum fällt ab und Druckmittel fließt über die Drosselverbindungen zwischen dem Kolben und dem Zylinder aus dem zweiten Druckraum ab. Das Spielausgleichselement sinkt zusammen und der Aktuator wird nach oben, in die vom Gaswechselventil abgewandte Richtung ver­ schoben, wodurch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern ver­ stellt wird. Nach einem erneuten Start des Aktuators muß der zweite Druckraum des Spielausgleichselements befüllt, der Ak­ tuator in Richtung des Gaswechselventils verschoben und die Gleichgewichtslage der Ventilfedern auf ihren korrekten Wert eingestellt werden. Dieser Vorgang kann mehrere Arbeitsspiele des Gaswechselventils dauern und kann insbesondere zu Geräu­ schen, einem unnötigen Verschleiß und zu einem zusätzlichen Energieaufwand führen.

Aus der DE 41 09 666 A1 ist eine desmodromische Steuerung eines Gaswechselventils bekannt, bei der ein Öffnungsnocken und ein Schließnocken über einen Tassenstößel auf einen Ventilschaft wirken. In dem Tassenstößel sind zwei Spielausgleichselemente angeordnet, und zwar ein oberes, dem Gaswechselventil abgewand­ tes und ein unteres, dem Gaswechselventil zugewandtes Spielaus­ gleichselement. Das obere Spielausgleichselement hält mit einer Kolben-Zylinder-Einheit ein Bodenteil des Tassenstößels auf dem Öffnungsnocken und stützt sich dabei mit dem Zylinder in Öff­ nungsrichtung auf dem Ventilschaft und mit dem Kolben in Schließrichtung am Bodenteil ab. Das zweite Spielausgleichsele­ ment hält mit einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit ein Mantel­ teil des Tassenstößels auf einem vom Schließnocken angetriebe­ nen Arm. Der Kolben ist als Ringkolben ausgeführt, stützt sich in Schließrichtung über einen Sicherungsring am Ventilschaft ab und ist verschiebbar in dem Mantelteil geführt, das gleichzei­ tig als Zylinder des zweiten Spielausgleichselements dient. Der Ringkolben trennt einen unteren, auf der dem Gaswechselventil zugewandten Seite angeordneten Druckraum von einem oberen, auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite angeordneten Vor­ ratsraum. Ferner weist das zweite Spielausgleichselement ein Rückschlagventil auf, über das Druckmittel vom Vorratsraum über einen Durchbruch im Ringkolben zum Druckraum fließen kann. Das Rückschlagventil verschließt den Durchbruch mit einer Ventilku­ gel, die mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Rich­ tung Vorratsraum gedrückt wird. Zwei weitere im Druckraum ange­ ordnete Schraubendruckfedern spannen den Ringkolben relativ zum Mantelteil vor.

Neben den zwei Spielausgleichselementen ist im Tassenstößel ein Überdruckventil bzw. ein Sicherheitsventil angeordnet. Das Si­ cherheitsventil ist ein Rückschlagventil, das einen zweiten Durchbruch im Ringkolben mit einer Ventilkugel verschließt, die mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Richtung Druck­ raum gedrückt wird. Die Schraubendruckfeder ist hinsichtlich ihrer Vorspannkraft so ausgeführt, daß das Sicherheitsventil bei Kräften geschlossen bleibt, die bei einer regulären Ventil­ betätigung auftreten. Sollte jedoch im Ventilbetrieb aufgrund von Resonanzschwingungen oder eines zu hohen Schmieröldrucks etc. ein Aufpumpen, d. h. ein ständiges Ausdehnen des zweiten Spielausgleichselements erfolgen, würden aufgrund der Zwangs­ steuerung über den Schließnocken unzulässig hohe Ventilkräfte bzw. -drücke auftreten, die bei der vorgeschlagenen Ausführung durch Öffnen des Überdruckventils abgebaut werden können. Glei­ ches gilt dann, wenn bei einem längeren Stillstand der Brenn­ kraftmaschine sich das erste Spielausgleichselement entleert hat, und sich beim Start das zweite Spielausgleichselement vor dem ersten Spielausgleichselement ausdehnt und dadurch unzuläs­ sig hohe Ventilkräfte entstehen würden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Betätigen von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Ausgleichselement zu schaffen, das durch einen iterativen Prozeß mit einem schnellen und einem langsamen Ausgleich stän­ dig in einem Bereich einer optimalen Einstellung ist, und diese beim Start der Brennkraftmaschine möglichst schnell erreicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei­ terbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Nach der Erfindung behält das Ausgleichselement beim Stillstand der Brennkraftmaschine seine Einstellung bei. Dies kann dadurch geschehen, daß beim Stillsetzen der Brennkraftmaschine das Aus­ gleichselement mechanisch, elektrisch oder hydraulisch blockiert wird. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, daß der Abfluß über die Drosselstelle mittels eines Ventils steuerbar ist. Das Ventil kann zweckmäßigerweise ein Magnetventil sein, das im stromlosen Zustand den Durchfluß durch die Drosselstelle schließt. Es kann abhängig von geeigneten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine angesteuert werden, so daß ein Abfluß aus dem Druckraum nur zu bestimmten Zeitabschnitten des Betäti­ gungszyklus des Gaswechselventils möglich ist. Im übrigen wird dadurch erreicht, daß das Ausgleichselement beim Stillstand der Brennkraftmaschine hydraulisch blockiert ist und somit seine Einstellung beibehält.

Das Ventil kann in Strömungsrichtung vor oder hinter der Dros­ selstelle angeordnet werden. Wird die Drosselstelle durch einen Drosselspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildet, wird das Ventil zweckmäßigerweise in einer Abfluß- bzw. Rück­ flußleitung angeordnet, die zwischen dem Drosselspalt und einem den Kolben umgebenden Dichtring in den Arbeitszylinder mündet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Vorrichtungen zum Betätigen von Gaswechselventilen, die wirkende Kraft auf ein Ausgleichselement während der Arbeits­ spiele zyklisch zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert schwankt, und zwar bedingt durch Massenträgheitskräfte, Druckschwankungen im Zylinderkopf und insbesondere bei Vorrich­ tungen, die zumindest eine auf das Gaswechselventil wirkende Ventilfeder aufweisen, sowie durch die Veränderung der Spann­ kraft über einen Arbeitszyklus. Diese Schwankungen, die nur während der Arbeitsspiele auftreten, werden von der Erfindung genutzt, während der Arbeitsspiele eine definierte Leckage zu erreichen und damit die Tendenz, daß sich das Ausgleichselement stets langsam verkürzt oder in besonderen Anordnungen verlän­ gert und daß das Ausgleichselement bei Stillstand der Brenn­ kraftmaschine seine Einstellung vollständig oder zumindest na­ hezu unverändert beibehält.

Ein langsamer Ausgleich eines gewünschten iterativen Prozesses in eine Richtung wird zweckmäßigerweise mit einem Hochdruckven­ til erreicht. Über das Hochdruckventil fließt während der Ar­ beitsspiele eine bestimmte Menge an Druckmittel gedrosselt ab, indem dieses zyklisch bei einer definierten Kraft auf das Aus­ gleichselement öffnet und bei einer definierten Kraft schließt, wobei die Kräfte jeweils größer als eine mittlere Kraft und kleiner oder gleich einer maximalen Kraft auf das Ausgleich­ selement sind.

Ein schneller Ausgleich des iterativen Prozesses in die entge­ gengesetzte Richtung wird mit einem Rückschlagventil erreicht. Wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, treten keine zykli­ schen Schwankungen der Kraft auf das Ausgleichselement auf. Die definierte Öffnungskraft des Hochdruckventils im Bereich einer maximalen Kraft wird nicht erreicht bzw. bei bestimmten Vor­ richtungen nur kurz beibehalten, beispielsweise bei einer Vor­ richtung mit einer in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder, bei der das Gaswechselventil in Öffnungsstellung stehenbleibt. Ist die auf das Ausgleichselement wirkende Kraft bei Stillstand der Brennkraftmaschine kleiner als die Öffnungskraft bleibt das Hochdruckventil geschlossen. Druckmittel kann aus dem nach au­ ßen dicht verschlossenen Druckraum nicht abfließen, wodurch das Ausgleichselement seine Einstellung beibehält. Ist die wirkende Kraft größer als die Öffnungskraft, fließt nur eine geringe Menge an Druckmittel ab, bis die Schließkraft erreicht und das Hochdruckventil geschlossen wird. Die Einstellung des Aus­ gleichselements wird nur geringfügig verändert.

Die erfindungsgemäße Lösung kann bei verschiedenen Arten von Vorrichtungen zum Betätigen eines Gaswechselventils eingesetzt werden, wie bei Vorrichtungen mit einem Öffnungsnocken und mit einem Schließnocken, die keine Ventilfeder aufweisen, bei Vor­ richtungen mit einem Öffnungsnocken und mit einer in Schließ­ richtung wirkenden Ventilfeder usw. Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Lösung jedoch bei elektromagnetischen Gas­ wechselventilsteuerungen eingesetzt. Elektromagnetische Gas­ wechselventilsteuerungen 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 Federmechanismus mit zumin­ dest einer in Öffnungsrichtung wirkenden und zumindest einer in Schließrichtung wirkenden vorgespannten Ventilfeder. Wird der Aktuator mit der Brennkraftmaschine abgeschaltet, stellt sich der Anker auf eine Gleichgewichtslage der Ventilfedern zwischen den Polflächen der Magnete ein. In dieser Stellung wirkt eine Kraft auf das Ausgleichselement, die kleiner ist als die Öff­ nungskraft des Hochdruckventils und größer ist als die Öff­ nungskraft des Rückschlagventils, so daß aus dem dicht ver­ schlossenen Druckraum kein Druckmittel abfließt und die Ein­ stellung des Ausgleichselements bei Stillstand der Brennkraft­ maschine beibehalten wird. Eine gleiche Wirkung kann durch das elektrisch ansteuerbare Magnetventil erzielt werden.

Das Ausgleichselement kann ein Spielausgleichselement, ein Aus­ gleichselement, mit dem eine Ventilfedervorspannung einstellbar ist oder ein sonstiges Ausgleichselement sein, das im Kraftfluß eines Betätigungselements auf ein Gaswechselventil angeordnet ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthal­ ten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn­ vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Ausgleichselements,

Fig. 3 eine Variante zu einem Ausgleichselement nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Druckverlauf in einem Druckraum eines Ausgleichs­ elements und

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts IV in Fig. 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator 20 ist in eine Ausnehmung 75 eines Zylinderkopfs 25 eingelassen, die mit einem nicht näher dargestellten Zylinderkopfdeckel 26 verschlossen ist. Der Ak­ tuator 20 betätigt ein Gaswechselventil 7, das mit seinem Ven­ tilschaft 24 mittels einer Ventilführung 27 in dem Zylinderkopf 25 geführt ist. Der Aktuator 20 besitzt zwei Schaltmagnete, und zwar einen oberen Schließmagneten 22 und einen unteren Öff­ nungsmagneten 21. Zwischen den Polflächen der Schaltmagnete 21 und 22 bewegt sich ein Anker 23, der über einen Ankerstößel 28 auf den Ventilschaft 24 des Gaswechselventils 7 wirkt.

Zwischen dem Öffnungsmagneten 21 und dem Gaswechselventil 7 ist ein Federgehäuse 29 vorgesehen, in dem ein Federmechanismus, bestehend aus zwei Ventilfedern 10 und 11, untergebracht ist.

Die obere Ventilfeder 10 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem Gaswechselventil 7 bewegten Federteller 30 in Öffnungsrichtung 18 und stützt sich mit dem anderen Ende an dem Öffnungsmagneten 21 ab. Die untere Ventilfeder 11 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem Gaswechselventil 7 bewegten Federteller 31 in Schließ­ richtung 17 und stützt sich am anderen Ende auf einer Federauf­ lage 19 ab.

Die Darstellungen zeigen den Aktuator 20 in der Schließstel­ lung, in der der Schließmagnet 22 bestromt ist und der Anker 23 an der Polfläche des Schließmagneten 22 anliegt. Gleichzeitig ist das Gaswechselventil 7 geschlossen, indem sein Ventilteller 32 auf einen Ventilsitzring 33 aufsitzt, der im Zylinderkopf 25 eingelassen ist und die Öffnung eines Gaswechselkanals 34 bil­ det. Wird der Schließmagnet 22 stromlos geschaltet und der Öff­ nungsmagnet 21 bestromt, öffnet das Gaswechselventil 7, bis der Anker 23 an der Polfläche des Öffnungsmagneten 21 anliegt. Da­ mit ist der maximale Öffnungshub erreicht.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über die Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Verschleiß an dem Ventilsitzring 33 usw., können dazu führen, daß der Anker 23 an der Polfläche des Schließmagneten 22 anliegt bevor der Ventilteller 32 am Ventil­ sitzring 33 zum anliegen kommt, wodurch das Gaswechselventil 7 nicht vollständig schließt, daß zwar das Gaswechselventil 7 vollständig schließt, jedoch der Anker 23 nicht an der Polflä­ che des Schließmagneten 22 zum anliegen kommt, oder daß Spiel zwischen dem Ankerstößel 28 und dem Ventilschaft 24 auftritt. Um dies zu vermeiden, ist zwischen dem Ankerstößel 28 und dem Ventilschaft 24 ein Ausgleichselement 3 angeordnet, das als Spielausgleichselement dient. Das Ausgleichselement 3 wird über eine Tasse 35 mit Drucköl versorgt, die zwischen dem Aus­ gleichselement 3 und dem Ankerstößel 28 angeordnet ist, mit seinen Seitenwangen 36 das Ausgleichselement 3 teilweise umgibt und nach außen in einer öldruckgespeisten, zylinderkopffesten Führung 37 über Gleitreibung geführt ist.

Die Führung 37 ist von einem separaten Bauteil 38 gebildet. Das Bauteil 38 ist im Zylinderkopf 25 eingesetzt und stützt sich über einen Bund 39 in Schließrichtung 17 am Öffnungsmagneten 21 und in Öffnungsrichtung 18 an einer Stufe 40 im Zylinderkopf 25 ab. Das Bauteil 38 besitzt an seinem äußeren Umfang einen Druckraum 41, über den es über einen Kanal 42 mit einem Druck­ anschluß 43 verbunden ist. Vom Druckraum 41 führt ein Kanal 44 zur Führung 37 und mündet in einer Ringnut 45. Kurz vor und in der Schließstellung des Gaswechselventils 7 ist ein sich bil­ dender Innenraum 46 zwischen der Tasse 35 und dem Aus­ gleichselement 3 über einen Kanal 47 in der Tasse 35 mit der Ringnut 45 verbunden. Der Innenraum 46 ist nach außen über eine Dichtung 48 zwischen dem Ausgleichselement 3 und der Tasse 35 abgedichtet. Der Anker 23 mit seinem Ankerstößel 28, das Aus­ gleichselement 3 und das Gaswechselventil 7 können rotations­ symmetrisch eingebaut werden. Durch die Ringnut 45 ist sicher gestellt, daß die Tasse 35 unabhängig von der Ausrichtung bei der Montage mit Öl versorgt wird. Das Drucköl wird dann, wenn erforderlich, über eine Ausnehmung 49 an einer inneren Decksei­ te 67 der Tasse 35 dem Ausgleichselement 3 zugeführt. Die Zu­ führung von Drucköl über Tassen 35 ist eine ausgereifte und damit mit wenigen Problemen behaftete Technik. Möglich ist je­ doch auch, das Drucköl mit oder ohne Tasse 35 direkt seitlich einem entsprechend ausgeführten Ausgleichselement oder über den Ankerstößel 28 zuzuführen.

Durch eine Längenänderung des Ausgleichselements 3 kann die Gesamtlänge von dem Ankerstößel 28, dem Ausgleichselement 3 und dem Ventilschaft 24 entsprechend nachgeregelt werden. Bei einem schwimmend gelagerten Aktuator 20 kann das Spielausgleichsele­ ment grundsätzlich auch auf der dem Gaswechselventil 7 abge­ wandten Seite des Schließmagneten 22 und/oder auf der dem Gas­ wechselventil 7 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 21 ange­ ordnet sein.

Die auftretenden Störgrößen und ein dadurch bedingter Spielaus­ gleich durch das Ausgleichselement 3, können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern 10, 11 bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflä­ chen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position auf­ weist und daß eine auf das Gaswechselventil 7 in Schließstel­ lung wirkende Restschließkraft der unteren Ventilfeder 11 ver­ ändert wird. Um dies zu vermeiden, besitzt die Vorrichtung ein Ausgleichselement 4, mit dem die Federauflage 19 der in Schließrichtung 17 wirkenden Ventilfeder 11 verschiebbar ist und die in der Schließstellung des Gaswechselventils 7 wirkende Restschließkraft konstant und auch auf einzelne Betriebszustän­ de einstellbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze des Ausgleichselements 3. Das Ausgleichselement 3 besitzt einen durch einen Kolben 12 und einen Arbeitszylinder 50 gebildeten Druckraum 1, der mit einer Dichtung 14 zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinder 50 nach außen abgedichtet ist. Auf den Kolben 12 wirkt der Ankerstößel 28 mit einer Kraft 68 in Öffnungsrichtung 18 und auf den Zylin­ der 50 wirkt der Ventilschaft 24 mit einer Kraft 69 in Schließ­ richtung 17.

Um das Gaswechselventil 7 zu öffnen, wird der Schließmagnet 22 stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 21 bestromt, der Anker 23 wirkt auf den Ventilschaft 24 in Öffnungsrichtung 18 und spannt dabei die in Schließrichtung 17 wirkende Ventilfeder 11 weiter vor. Die auf das Ausgleichselement 3 wirkende Kraft steigt auf einen maximalen Wert 54 an. In Fig. 4 ist über ein Arbeitsspiel 62 ein Druck 61 im Druckraum 1 aufgetragen. Ein als Hochdruckventil 5 ausgebildetes Ventil des Ausgleichsele­ ments 3 öffnet bei einem definierten Druck im Druckraum 1 bzw. bei einer definierten Kraft 8, die um einen Sicherheitswert 55 größer ist als eine mittlere Kraft 53 und kleiner ist als eine maximale Kraft 54. Das Hochdruckventil 5, das vorzugsweise als konventionelles Rückschlagventil ausgeführt ist, steuert den Durchfluß durch eine Drossel 52, die in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Hochdruckventil 5 angeordnet sein kann. So kann bei geöffnetem Ventil 5 eine geringe Menge an Druckmittel ge­ drosselt abfließen, ohne daß ein Druckverlauf 51 in dem Druck­ raum 1 wesentlich beeinflußt wird.

Um das Gaswechselventil 7 zu schließen, wird der Öffnungsmagnet 21 stromlos geschaltet und der Schließmagnet 22 bestromt. Die in Öffnungsrichtung 18 wirkende Ventilfeder 10 wird weiter vor­ gespannt und die in Schließrichtung 17 wirkende Ventilfeder 11 wird entspannt. Die auf das Ausgleichselement 3 wirkende Kraft sinkt auf einen minimalen Wert 56 ab, auf die sogenannte Rest­ schließkräft. Das Hochdruckventil 5 schließt bei einer defi­ nierten Kraft 9, die kleiner als die maximale Kraft 54 und um den Sicherheitswert 55 größer als die mittlere Kraft 53 ist. Kurz bevor die Restschließkraft 56 erreicht ist, öffnet ein Rückschlagventil 57 bei einer definierten Kraft 58, die kleiner ist als die mittlere Kraft 53. Druckmittel kann vom Druckan­ schluß 43 in den Druckraum 1 nachfließen, wodurch sich das Aus­ gleichselement 3 ausdehnen und positives Spiel ausgeglichen werden kann. Wird das Gaswechselventil 7 wieder geöffnet, schließt das Rückschlagventil 57 bei einer definierten Kraft 59, die größer als die Restschließkraft 56 und kleiner als die mittlere Kraft 53 ist. Über einen weiten Bereich des Öffnungs­ hubs und des Schließhubs des Gaswechselventils 7 ist das Hoch­ druckventil 5 und das Rückschlagventil 57 dicht verschlossen, in dem die Bewegung des Gaswechselventils 7 nicht beeinträch­ tigt wird. Während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 7 wird eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung erreicht. Vorteilhaft sind die Öffnungs­ kraft 58 und die Schließkraft 59 des Rückschlagventils 57 und die Öffnungskraft 8 und die Schließkraft 9 des Hochdruckventils 5 gleich groß. Grundsätzlich können jedoch die Öffnungskräfte von den Schließkräften unterschiedlich groß ausgeführt werden.

Bei abgeschaltetem Aktuator 20 bzw. bei abgeschalteter Brenn­ kraftmaschine stellt sich der Anker 23 auf eine Gleichgewichts­ lage der Ventilfedern 10, 11 zwischen den Polflächen der Magne­ te 21 und 22 ein. Auf das Ausgleichselement 3 wirkt die mittle­ re Kraft 53, bei der das Hochdruckventil 5 und das Rückschlag­ ventil 57 geschlossen sind. Aus dem Druckraum 1 fließt kein Druckmittel und die Einstellung des Ausgleichselements 3 wird beibehalten.

Anstelle des Hochdruckventils 5 kann ein als Magnetventil 70 ausgebildetes Ventil verwendet werden. Fig. 3 zeigt eine Vari­ ante mit einem solchen Magnetventil 70. Dabei bildet ein Kolben 73 mit seinem Bund 72 an seinem Umfang zum Arbeitszylinder 50 hin einen Drosselspalt 71, der nach außen durch die Dichtung 14 abgedichtet ist. Zwischen dem Drosselspalt 71 und der Dichtung 14 mündet ein Rückflußkanal 74 in den Arbeitszylinder 50. Über den Drosselspalt 71 kann daher nur Druckmittel abfließen, wenn das Magnetventil 70 geöffnet ist. Das Druckmittel wird in einen Druckmittelsumpf, z. B. einen Schmierölsumpf, oder in eine Vor­ ratskammer geleitet, aus der der Druckraum 1 gespeist wird.

Das Magnetventil 70 ist in Abhängigkeit von geeigneten Be­ triebsparametern beliebig ansteuerbar, so daß der Abfluß über den Drosselspalt 71 zeitlich auf bestimmte Phasen des Arbeits­ zyklus begrenzt werden kann. Bei stromlosem Magnetventil 70 ist der Abfluß aus dem Druckraum 1 gesperrt, so daß das Ausgleichs­ element 3 hydraulisch blockiert ist und somit während des Stillstands der Brennkraftmaschine seine Einstellung beibehält. Das Magnetventil 70 kann in entsprechender Weise auch bei einer Ausgleichsvorrichtung 4 anstelle eines Hochdruckventils 6 ver­ wendet werden.

Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Ausgleichsele­ ments 4 aus Fig. 1. Das Ausgleichselement 4 besitzt einen durch einen Kolben 13 und einen Arbeitszylinder 60 gebildeten Druck­ raum 2, der mit vier Dichtungen 15, 16, 65, 66 zwischen dem Kolben 13 und dem Zylinder 60 abgedichtet ist. Ferner besitzt das Ausgleichselement 4 ein Hochdruckventil 6 und ein Rück­ schlagventil 64. Die Federauflage 19 und der Kolben 13 sind einstückig ausgeführt, wodurch zusätzliche Bauteile eingespart werden können. Die Federauflage 19 bzw. der Kolben 13 ist U-förmig ausgebildet und ist dadurch leicht und gut geführt.

Die auf das Ausgleichselement 4 wirkende Kraft von der Ventil­ feder 11 schwankt während der Arbeitsspiele des Gaswechselven­ tils 7 zwischen einer maximalen Kraft und einer minimalen Kraft wie auf das Ausgleichselement 3. Wird das Gaswechselventil 7 geöffnet, steigt die Kraft auf einen maximalen Wert an. Das Hochdruckventil öffnet bei einer definierten Kraft, die kleiner ist als die maximale Kraft und um einen Sicherheitswert größer ist als eine mittlere auf das Ausgleichselement 4 wirkende Kraft. Druckmittel kann dadurch über das Hochdruckventil 6 und über eine dem Hochdruckventil 6 nachgeschaltete Drossel 63 ge­ drosselt abfließen. Wird das Gaswechselventil 7 geschlossen, sinkt die Kraft auf das Ausgleichselement auf einen minimalen Wert ab. Das Hochdruckventil 6 schließt bei einer definierten Kraft, die um einen Sicherheitswert größer ist als die mittlere Kraft. Wird ein definierter Wert, und zwar eine vorgegebene Restschließkraft unterschritten, öffnet das Rückschlagventil 64. Druckmittel fließt aus einem nicht näher dargestellten Druckanschluß in den Druckraum 2 nach, bis sich die vorgegebene Restschließkraft einstellt und das Rückschlagventil 64 wieder schließt. Wie beim Ausgleichselement 3, wird während der Ar­ beitsspiele des Gaswechselventils 7 eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung der Ventilfe­ dervorspannung, der Gleichgewichtslage und der Restschließkraft erreicht. Bei abgeschaltetem Aktuator 20 ist das Hochdruckven­ til 6 und das Rückschlagventil 64 dicht verschlossen. Aus dem Druckraum 2 fließt kein Druckmittel ab, die Einstellung des Ausgleichselements 4 wird beibehalten und die Brennkraftmaschi­ ne kann mit der Einstellung wieder gestartet werden, die beim Stillsetzen vorlag.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Ausgleichselement, das einen durch einen Kolben und einen Arbeitszylinder gebildeten Druckraum aufweist, der über ein Rückschlagventil mit einem Vorratsraum verbunden ist und mit einer Drosselstelle, über die Druckmittel aus dem Druckraum während der Arbeitsspiele abflie­ ßen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3, 4) bei Stillstand der Brennkraftmaschine seine Einstellung im wesentlichen beibehält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß über die Drosselstelle (52, 63, 71) mittels eines Ven­ tils (5, 6, 70) steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventil (70) ein Magnetventil vorgesehen ist, das im stromlosen Zustand den Durchfluß durch die Drosselstelle (52, 63, 71) schließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3, 4) in dem Kraftfluß eines Betätigungsele­ ments (20) auf das Gaswechselventil (7) angeordnet und der Druckraum (1, 2) nach außen abgedichtet ist, und daß das Aus­ gleichselement (3, 4) als Ventil ein Hochdruckventil (5, 6) aufweist, über das Druckmittel gedrosselt während der normalen Arbeitsspiele des Gaswechselventils (7) abfließt, indem das Hochdruckventil (5, 6) zyklisch bei einer definierten Kraft (8) auf das Ausgleichselement (3, 4) öffnet und bei einer definier­ ten Kraft (9) schließt, die jeweils größer als eine mittlere Kraft (53) und jeweils geringfügig kleiner oder gleich einer maximalen Kraft (54) auf das Ausgleichselement (3, 4) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Ventilfeder (10, 11) auf das Gaswechselventil (7) wirkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckraum (1, 2) zur Seite des Kolbens (12, 13) mit Dichtungen (14, 15, 16, 65, 66) zwischen dem Kol­ ben (12, 13) und dem Zylinder (50, 60) abgedichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (5, 6) ein als Rück­ schlagventil wirkendes Kugelventil ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3) ein Spielaus­ gleichselement ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest eine Ventilfeder (11) aufweist, die in Schließrichtung (17) auf das Gaswechsel­ ventil (7) wirkt und sich in Öffnungsrichtung (18) auf einer Federauflage (19) abstützt, wobei die Federauflage (19) mit dem Ausgleichselement (4) verschiebbar und damit die Vorspannung der Ventilfeder (11) einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (19) einstückig mit einem Kolben (13) des Aus­ gleichselements (4) ausgeführt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (7) mit einem elektromagnetischen Aktuator (20) betätigt wird, der einen Öff­ nungsmagneten (21) und einen Schließmagneten (22) besitzt, zwi­ schen deren Polflächen ein Anker (23) koaxial zum Gaswechsel­ ventil (7) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen Ventil­ schaft (24) wirkt, und mit einem Federmechanismus, der eine in Öffnungsrichtung (18) wirkende vorgespannte Ventilfeder (10) und eine in Schließrichtung (17) wirkende vorgespannten Ventil­ feder (11) aufweist.