DE4336287C1 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechsel­ ventils nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Ventiltriebe dieser Art müssen sehr genau eingestellt werden, damit Fertigungstoleranzen, Wärmeausdehnungen, Verschleiß und dergleichen nicht zu Funktionsstörungen oder sogar zu einem Funktionsausfall führen.

In der DE-OS 33 11 250 ist deshalb bereits vorgeschla­ gen worden, einen Spielausgleich durch ein sich selb­ ständig einstellendes hydraulisches Ausgleichselement herzustellen. Hierzu ist ein Balg vorgesehen, wobei sich jedoch herausgestellt hat, daß diese Art Spiel­ ausgleich in der Praxis in dieser Form Schwierigkeiten bereitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaf­ fen, bei der mit einfachen Mitteln Längenänderungen im Ventiltrieb während des Betriebes ausgeglichen werden können, wobei sich insbesondere die Schaltmagneten stets in der richtigen Position befinden sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird auf einfa­ che Weise und sehr zuverlässig sichergestellt, daß der für die Schließstellung zuständige Schaltmagnet "nach­ gestellt" werden kann, bzw. es wird dafür gesorgt, daß der Anker stets exakt an der Auflage- bzw. Polfläche des Magnetkörpers des Schaltmagneten anliegt. Wird nämlich bei geschlossenem Ventil die Klemmung des Schaltmagneten durch die Klemmelemente gelöst, so zieht sich der Schaltmagnet über den Anker entspre­ chend an. Dabei ist lediglich dafür zu sorgen, daß das Ventil auch bei einem gelösten Schaltmagneten in sei­ ner Schließstellung verbleibt. Dies bedeutet, man wird die Klemmung nur in dem Kurbelwellenbereich lösen, in dem die Verbrennung stattfindet, damit die hohen Zy­ linderinnendrücke das Ventil sicher zuhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung in vergrößertem Maßstab;

Fig. 2 einen Hydraulikkreislauf für die erfindungs­ gemäße Vorrichtung;

Fig. 3 ausschnittsweise eine Alternative des Hydrau­ likkreislaufes;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Hy­ draulikkreislauf in einer alternativen Ausge­ staltung im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 5;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist grund­ sätzlich von bekannter Bauart, weshalb nur die für die Erfindung wesentlichen Teile näher beschrieben werden. Sie weist einen Zylinderkopf 1 mit einem Ventilsitz­ ring 2 und einer Ventilführung 3 auf. Ein von der Ven­ tilführung 3 geführtes Ventil 4 weist einen mittels Ventilkegelstücke 5 befestigten Federteller 6A mit ei­ nem daran angeordneten Anker 6 auf. Auf dem Ventil 4 ist ein oberer Federteller 7 angeordnet. Ein Federsy­ stem greift über die Federteller 6A und 7 an. Das Fe­ dersystem weist eine untere Druckfeder 9 und eine obe­ re Druckfeder 10 auf. Die Druckfeder 9, Ventilfeder genannt, übt auf das Ventil 4 eine Kraft in Schließ­ richtung aus, während die Druckfeder 10 derart ange­ ordnet ist, daß sie auf das Ventil eine Kraft in Öff­ nungsrichtung ausübt.

In einer Bohrung des Zylinderkopfes 1 und um das Ven­ til 4 und die Ventilführung 3 ist ein unterer Schalt­ magnet 11 und ein oberer Schaltmagnet 12 vorgesehen. Der untere Schaltmagnet 11 ist für eine Offenstellung und der obere Schaltmagnet 12 für eine Schließstellung des Ventiles vorgesehen. In bekannter Weise besteht jeder Schaltmagnet aus einer inneren Spule und einem äußeren topfförmigen Magnetkörper.

Der untere Schaltmagnet 11 ist in der Bohrung im Zy­ linderkopf 1 fixiert, während der obere Schaltmagnet 12, der für die Schließstellung vorgesehen ist, über an seiner äußeren Umfangswand positionierte Klemmele­ mente 14 festgehalten ist. In der Bohrung im Zylinder­ kopf kann der Schaltmagnet in axialer Richtung ver­ schoben werden, wenn die Klemmelemente nicht unter Druck an der Umfangswand anliegen. Der obere Schalt­ magnet 12 besitzt eine Zylinderform. Im Bereich der Angriffsstellen von zwei sich gegenüberliegenden Klemmelementen 14 ist die Zylinderumfangswand ab­ geflacht. Auf diese Weise können als Klemmelemente einfache Flachteile verwendet werden, die nicht gegen ein Verdrehen gesichert werden müssen.

Zur Aufnahme der Klemmelemente 14 dienen Buchsen 13, die mit dem Zylinderkopf verbunden sind, z. B. durch eine Verschraubung. Gleichzeitig können an den Buchsen 13 auch Rohranschlüsse eines Hydraulikkreislaufes be­ festigt werden.

Die z. B. in einfacher Weise als Klemmscheiben ausge­ bildeten Klemmelemente 14 sind auf ihrer Rückseite mit einem elastischen Dichtungswerkstoff 37 verbunden und mit einem Druckmittel, z. B. Öl, beaufschlagt. Im Be­ darfsfalle können hydraulische Drücke bis zu 400 bar aufgebracht werden. Bei einer Druckentlastung führen die Klemmelemente 14 einen Rückhub von ca. 0,01 mm aus. Dieser Betrag ist ausreichend, um sie von der Klemm- bzw. Anlagefläche an dem Schaltmagneten 12 ab­ zuheben und damit die Klemmung des Schaltmagneten zu lösen.

Die Anordnung und die Anzahl der Klemmelemente an dem Schaltmagneten richten sich nach den jeweiligen Anwen­ dungsfällen und den zu erwartenden Belastungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert auf fol­ gende Weise:

Der Anker 6 mit dem daran befestigten Federteller 6A bewegt sich im Betrieb zwischen den Auflage- bzw. Pol­ flächen des oberen Schaltmagneten 12 und des unteren Schaltmagneten 11 hin und her. Tritt z. B. ein Ver­ schleiß am Ventilsitzring 2 auf, so würde bei einem festliegenden oberen Schaltmagneten 12, der für die Schließstellung maßgebend ist, am Ventilsitzring 2 unter Umständen ein Spalt zum Brennraum bzw. zur Brennkammer des Kolbens verbleiben. Dies bedeutet, daß der für die Schließstellung verantwortliche Schaltmagnet 12 entsprechend "nachgestellt" werden muß. Hierzu wird bei geschlossenem Ventil 4 die Klemmung des Schaltmagneten 12 gelöst, wozu eine entsprechende Druckentlastung der Klemmele­ mente 14 vorgenommen wird. Die Aufhebung der Klemmung darf selbstverständlich nur dann vorgenommen werden, wenn sichergestellt ist, daß das Ventil 4 geschlossen bleibt. Dies ist in einem Kurbelwellenwinkelbereich der Fall, in dem die Verbrennung in dem dazugehörigen Kolbenraum stattfindet, d. h. wenn hohe Zylinderinnen­ drücke das Ventil 4 gegen die Kraft der Druckfeder 10 sicher zuhalten. Wird in diesem Zustand die Klemmung durch die Klemmelemente 14 gelöst, so drückt der Anker 6 den Schaltmagnet 12 um das aufgetretene Spiel nach oben, und zwar in Richtung auf eine exakte An­ lage des Ventils 4 am Ventilsitzring 2.

Zur Klarstellung sei erwähnt, daß es sich dabei nicht um ein Spiel im eigentlichen Sinne handelt, sondern daß sich Längenänderungen ergeben, die sich nur in ei­ nem Hundertstel-mm-Bereich oder darunter befinden. In den Fig. 2, 4 und 5 ist jeweils eine Schaltwelle 20 dargestellt, die sich, z. B. von der Kurbelwelle ange­ trieben, synchron mit dieser dreht. Die Drehung kann dabei auch entsprechend untersetzt sein, z. B. der hal­ ben Kurbelwellendrehzahl entsprechen. Eine Bohrung 21 im Gehäuse der Schaltwelle 20 ist über eine Drucklei­ tung 38 mit den Buchsen 13 und damit mit dem jeweili­ gen Druckraum vor den Klemmelementen 14 verbunden. Die Schaltwelle 20 ist mit einer Radialbohrung 22 verse­ hen, die am Außenumfang der Schaltwelle endet. Die Winkelstellung der Radialbohrung 22 ist dabei unter Bezug auf die Kurbelwellenstellung des Verbrennungsmo­ tores so gewählt, daß - wie gefordert - während der Verbrennung in dem entsprechenden Zylinderraum nur in diesem Zeitpunkt die Radialbohrung 22 die Gehäuseboh­ rung 21 überfährt. Dies bedeutet, daß nur in der Zeit des Überfahrens ein Druckausgleich zwischen diesen beiden Bohrungen und damit auch ein Druckabbau statt­ finden kann, wenn für eine entsprechende Ableitung des Druckes aus der Bohrung 22 gesorgt wird.

In der Zeit, in der eine Verbindung zwischen den Boh­ rungen 21 und 22 vorhanden ist, wird die Druckversor­ gung der Klemmelemente über die Leitung 21a abge­ sperrt. Die Leitung 21a ist über eine Umfangsnut 41 in der Schaltwelle 20 mit einer Druckleitung 35a derart verbunden, daß - wie oben erwähnt - die Klemmelemente 14 zur Druckentlastung während der Verbindung der bei­ den Bohrungen 21 und 22 miteinander von einer Druck­ mittelzufuhr über die Druckleitung 35a abgesperrt wer­ den (siehe Fig. 2 und 4). Hierzu ist die Umfangsnut 41 entsprechend über den Umfang der Schaltwelle 20 unter­ schiedlich breit ausgebildet, so daß nur in dem ge­ wünschten Bereich eine Verbindung zu den Klemmelemen­ ten 14 über die Leitung 21a besteht.

Da eine Anpassung an auftretende Längenänderungen nicht bei jedem Verbrennungstakt notwendig ist, kann die Schaltwelle 20 auch mit niedereren Drehzahlen be­ trieben werden, damit man z. B. nur nach jedem zweiten oder vierten Verbrennungstakt eine Längenanpassung vornimmt. Selbstverständlich kann die Drehzahl der Schaltwelle 20 aber nur so weit abgesenkt werden, daß die Zeit, während der die Radialbohrung 22 die Bohrung 21 überstreicht, kleiner ist als die Zeit des hohen Zylinderinnendruckes zum Zuhalten des Ventiles 4.

Eine Ableitung des Druckmittels aus der Radialbohrung 22 erfolgt über eine zentrale Bohrung 39 in der Schaltwelle 20 und eine damit verbundene weitere in radialer Richtung verlaufende Bohrung 23. Die Bohrung 23 fluchtet während der Drehung der Schaltwelle 20 mit einer Gehäusebohrung 24, die über ein Sperrventil 25 mit einem Tank 40 verbindbar ist.

Bei einem betriebswarmen Motor kann man zur Reduzie­ rung des Energieverbrauches auch eine noch weitere Verringerung der Anzahl der Längenanpassungen pro Ver­ brennungszyklen vorsehen. Hierzu dient das Sperrventil 25, das nur bei einem entsprechenden Schaltimpuls die Ableitung zu dem Tank 40 aus der Gehäusebohrung 24 freigibt.

Alternativ zu der in der Fig. 2 dargestellten Druck­ entlastung über die Schaltwelle 20 kann gemäß Fig. 3 auch zur Druckentlastung der Klemmelemente 14 ein sehr schnell schaltendes Ventil 26 vorgesehen werden. Über das Ventil 26 erfolgt auch die Druckmittelzuleitung zu den Klemmelementen 14, wobei für eine Druckentlastung der Klemmelemente 14 und eine Druckmittelableitung das Ventil 26 entsprechend umgeschaltet wird.

Um die erforderliche hohe Klemmkraft zwischen dem Schaltmagneten 12 und den Klemmelementen 14 zu errei­ chen, müssen entsprechend hohe hydraulische Drücke er­ zeugt werden. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Klemmelemente und der Leitungen sind jedoch nur geringe Fördermengen erforderlich. Um die zu bewegen­ den Massen möglichst gering zu halten, ist in der Fig. 2 eine wirtschaftliche Möglichkeit dargestellt.

Von einem im Fahrzeug vorhandenen Hydraulikkreislauf wird ein Druckübersetzer 30 bekannter Bauart mit Flüs­ sigkeit niederen Druckes gespeist. Der Druckübersetzer 30 hebt den Druck auf das erforderliche hohe Druckni­ veau in an sich bekannter Weise an. Ist der maximale Zylinderhub in dem Druckübersetzer 30 erreicht, wird ein Ventil 31 umgeschaltet (bestromt) und der Kolben des Druckübersetzers über eine Leitung 36 wieder in seine Ursprungslage zurückgefahren. Nach Umsteuern des Ventils 31 (stromlos) kann erneut Hochdruck erzeugt werden.

Ein Rückschlagventil 32, das in der Druckzuleitung zu dem Druckübersetzer angeordnet ist, ein Rückschlagven­ til 33 in der Leitung 36 und ein Rückschlagventil 34 in der zu den Klemmelementen 14 führenden Druckleitung 35a dienen zum leckfreien Absperren der jeweiligen Leitungen in der gewünschten Strömungsrichtung. So verhindert z. B. das Rückschlagventil 34 ein Rückströ­ men aus dem Hochdruckbereich in den Druckübersetzer 30.

Ein Speicher 35 im Hochdruckbereich kann vorgesehen sein, um die Zeitspanne zu überbrücken, in der der Druck­ übersetzer 30 keinen Hochdruck liefern kann. In diesem Fall übernimmt der Speicher 35 die Versorgung der Klemmelemente 14. Aufgrund deren geringen Volumenbe­ darfes ist dieses ohne Schwierigkeiten möglich.

Selbstverständlich können zur Erzeugung des Hoch­ druckes für die Klemmelemente 14 anstelle eines Druck­ übersetzers 30 auch elektrisch angetriebene, speziell für die sehr kleinen Fördervolumen und hohen Drücke geeigneten Pumpen oder Elektrozylinder verwendet wer­ den.

Aufgrund des geringen Weges der Klemmelemente 14 bei einer Druckentlastung, der wie erwähnt nur ca. 0,01 mm betragen kann, werden für einen Klemmvorgang nur klei­ ne Volumina benötigt. Um die Fördermenge nun so gering wie möglich zu halten, kann, wie in der Fig. 3 darge­ stellt, ein Druckbegrenzungsventil 27 in die Ablauf­ leitung zum Tank 40 vorgesehen werden. Nach einem Öff­ nen des Ventiles 26 wird der hohe Druck in dem Druck­ begrenzungsventil 27 nur so weit abgesenkt, daß sich der Schaltmagnet 12 in die neue Lage bewegen kann. Selbstverständlich kann das Druckbegrenzungsventil 27 auch bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ beispiel nach dem Sperrventil 25 eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Hydraulikflüssigkeit für jeden Klemmvorgang auf eine kleinstmögliche Menge zu begrenzen, ist in den Fig. 4 und 5 prinzipmäßig darge­ stellt.

Beim überfahren der Gehäusebohrung 21 durch die Radi­ albohrung 22 in der Schaltwelle 20 kann die bei der dadurch möglichen Druckentlastung von den Klemmelemen­ ten 14 verdrängte Flüssigkeit einen Zwischenspeicher­ kolben 28, der im Inneren der Schaltwelle 20 angeord­ net ist, gegen die Kraft einer Feder 29 verschieben. Hierzu ist der Zwischenspeicherkolben 28 über eine Verbindungsbohrung 42 mit der zentralen Bohrung 39 der Schaltwelle verbunden. Der Zwischenspeicherkolben 28 kann so dimensioniert und in seinem Hub begrenzt wer­ den, daß nur das zur Rücknahme der Klemmung notwendige Volumen in seinen Kolbenraum einfließen kann. Die für den Abfluß zu dem Tank 40 vorgesehene Bohrung 23 ist während dieses Vorganges gesperrt. Sie wird erst dann geöffnet, wenn die Schaltwelle 20 einen bestimmten Winkelbetrag weitergedreht hat. Ist eine Verbindung zwischen der Bohrung 23 und der Gehäusebohrung 24 her­ gestellt, schiebt der Zwischenspeicherkolben 28 durch ein Entspannen der Feder 29 das eingeflossene Flüssig­ keitsvolumen in den Tank 40 aus.

Alternativ zu der in dem Ausführungsbeispiel darge­ stellten hydraulischen Klemmung der Klemmelemente 14 kann eine Klemmung des Schaltmagneten 12 auch durch mechanische Mittel erfolgen. Hierzu können z. B. Tel­ lerfedern, Druckfedern oder sonstige mechanische Spannelemente vorgesehen sein, die mit der notwendigen Kraft die Klemmelemente 14 an den Schaltmagneten 12 anpressen. Zur Druckentlastung und damit zur Lösung der Klemmung kann dann ein hydraulischer oder pneuma­ tischer Druck entsprechend derart aufgebracht werden, daß er gegen die mechanische Vorspannung wirkt und da­ mit die Klemmelemente 14 entsprechend von dem Schalt­ magneten 12 löst. Der Vorteil einer derartigen Ausge­ staltung liegt darin, daß in diesem Falle ein hydrau­ lischer Druck nur zum kurzzeitigen Entlasten aufge­ bracht werden muß und daß die Klemmelemente im allge­ meinen dauernd an den Schaltmagneten angedrückt sind. Dies bedeutet, daß in diesem Fall der Schaltmagnet 12 auch dann festgeklemmt ist, wenn der Motor ausgeschal­ tet ist oder wenn der Öldruck ausfällt.

Bei einer Steuerung der Klemmung der Klemmelemente 14 über schnellschaltende Ventile 27 gemäß Fig. 3 wird man die Ventile elektronisch in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung steuern.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswech­ selventils für Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen mit einem an dem Gaswechselventil befestigten Anker und mit zwei zu beiden Seiten des Ankers angeordneten Schaltmagneten, die das Gaswech­ selventil in einer Offen- und einer Schließstellung halten, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Längenausgleich zur spielfreien Betätigung des Ventiltriebes ein oder mehrere Klemmelemente (14) vorgesehen sind, die an dem für die Schließstellung zuständigen Schaltma­ gneten (12) angreifen, und zwar derart, daß der Schaltmagnet (12) bei geschlossenem Ventil (4) und bei gelöster Klemmung nach­ stellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Klemmelemente (14) an der Umfangswand des Schaltmagneten (12) angreifen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schaltmagneten (12) mit einer Zylinderform die Zy­ linderumfangswand im Bereich der Klemmelemente (14) mit Ab­ flachungen versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (14) durch hydraulischen Druck an den Schaltmagneten (12) anpreßbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckentlastung der Klemmelemente (14) eine synchron zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit gleicher oder einer untersetzten Drehzahl umlau­ fende Schaltwelle (20) mit einer zu der Umfangswand der Schalt­ welle (20) führenden Bohrung (22) vorgesehen ist, die mit einer Druckmittelableitung (Bohrung 23) und einer in einer zugeordne­ ten Winkellage im Wellengehäuse befindlichen und mit einer zu den Klemmelementen (14) führenden Druckleitung (38) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckentlastung der Klemmelemente (14) wenigstens ein Druckentlastungsventil (26) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den hydraulischen Druck erzeugende Hydraulikeinheit mit einem Druckbegrenzungsventil (27) versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikeinheit mit einem Druckübersetzer (30) versehen ist, der einen von einem fahrzeugeigenen Hydraulikkreislauf er­ zeugten Niederdruck verstärkt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikeinheit mit einem Zwischenspeicherkolben (28) versehen ist, dessen Kolbenvolumen wenigstens annähernd dem zur Entlastung der Klemmelemente (14) zu verdrängenden Druckmittel­ volumen entspricht.