EP1144811B1

EP1144811B1 - Vorrichtung zum betätigen eines gaswechselventils

Info

Publication number: EP1144811B1
Application number: EP00901531A
Authority: EP
Inventors: Fritz Kreitmann; Hagen MÜLLER; Alexander Von Gaisberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: US6481395B2; WO2000042298A1; ES2197067T3; US20020017254A1; EP1144811A1; JP2002535530A

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 gemeinsam 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 Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz 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 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet 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 Schließmagneten 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 Gaswechselventil wirkt.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise 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 Gaswechselventil 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 werden, können Wärmedehnungen, Sitzringeinschlag, Setzerscheinungen durch Alterung der Ventilfeder usw., ebenfalls dazu führen, daß das Gaswechselventil nicht vollständig schließt.

In einer älteren Anmeldung, DE 19 647 305 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.

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 Schließmagneten bzw. entsteht ein Spiel zwischen dem Ankerstößel und dem Gaswechselventil, weil sich das Spielausgleichselement zu weit verkürzt hat, muß ein schneller Ausgleich in die entgegengesetzte Richtung stattfinden, welches mit dem sich öffnenden Rückschlagventil erreicht wird. Der Druck im zweiten Druckraum sinkt 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.

Der iterative Prozeß mit einem schnellen und mit einem langsamen 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 Magneten ein. Dabei wirkt eine mittlere Kraft der Ventilfedern über den Aktuator auf den zweiten Druckraum. Der Druck im oberen 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 verschoben, wodurch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern verstellt wird. Nach einem erneuten Start des Aktuators muß der zweite Druckraum des Spielausgleichselements befüllt, der Aktuator 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 Geräuschen, 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 abgewandtes und ein unteres, dem Gaswechselventil zugewandtes Spielausgleichselement. Das obere Spielausgleichselement hält mit einer Kolben-Zylinder-Einheit ein Bodenteil des Tassenstößels auf dem Öffnungsnocken und stützt sich dabei mit dem Zylinder in Öffnungsrichtung auf dem Ventilschaft und mit dem Kolben in Schließrichtung am Bodenteil ab. Das zweite Spielausgleichselement hält mit einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit ein Mantelteil des Tassenstößels auf einem vom Schließnocken angetriebenen 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 gleichzeitig 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 Vorratsraum. 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 Ventilkugel, die mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Richtung Vorratsraum gedrückt wird. Zwei weitere im Druckraum angeordnete Schraubendruckfedern spannen den Ringkolben relativ zum Mantelteil vor.

Neben den zwei Spielausgleichselementen ist im Tassenstößel ein Überdruckventil bzw. ein Sicherheitsventil angeordnet. Das Sicherheitsventil ist ein Rückschlagventil, das einen zweiten Durchbruch im Ringkolben mit einer Ventilkugel verschließt, die mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Richtung Druckraum gedrückt wird. Die Schraubendruckfeder ist hinsichtlich ihrer Vorspannkraft so ausgeführt, daß das Sicherheitsventil bei Kräften geschlossen bleibt, die bei einer regulären Ventilbetätigung 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 Zwangssteuerung über den Schließnocken unzulässig hohe Ventilkräfte bzw. -drücke auftreten, die bei der vorgeschlagenen Ausführung durch Öffnen des Überdruckventils abgebaut werden können. Gleiches gilt dann, wenn bei einem längeren Stillstand der Brennkraftmaschine sich das erste Spielausgleichselement entleert hat, und sich beim Start das zweite Spielausgleichselement vor dem ersten Spielausgleichselement ausdehnt und dadurch unzulässig 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 ständig in einem Bereich einer optimalen Einstellung ist, und diese beim Start der Brennkraftmaschine möglichst schnell erreicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen 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 Ausgleichselement mechanisch, elektrisch oder hydraulisch blokkiert 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 Betätigungszyklus 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 Drosselstelle angeordnet werden. Wird die Drosselstelle durch einen Drosselspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildet, wird das Ventil zweckmäßigerweise in einer Abfluß- bzw. Rückflußleitung 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 Arbeitsspiele zyklisch zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert schwankt, und zwar bedingt durch Massenträgheitskräfte, Druckschwankungen im Zylinderkopf und insbesondere bei Vorrichtungen, die zumindest eine auf das Gaswechselventil wirkende Ventilfeder aufweisen, sowie durch die Veränderung der Spannkraft 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 verlängert und daß das Ausgleichselement bei Stillstand der Brennkraftmaschine seine Einstellung vollständig oder zumindest nahezu unverändert beibehält.

Ein langsamer Ausgleich eines gewünschten iterativen Prozesses in eine Richtung wird zweckmäßigerweise mit einem Hochdruckventil erreicht. Über das Hochdruckventil fließt während der Arbeitsspiele eine bestimmte Menge an Druckmittel gedrosselt ab, indem dieses zyklisch bei einer definierten Kraft auf das Ausgleichselement 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 Ausgleichselement sind.
Ein schneller Ausgleich des iterativen Prozesses in die entgegengesetzte Richtung wird mit einem Rückschlagventil erreicht. Wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, treten keine zyklischen Schwankungen der Kraft auf das Ausgleichselement auf. Die definierte Öffnungskraft des Hochdruckventils im Bereich einer maximalen Kraft wird nicht erreicht bzw. bei bestimmten Vorrichtungen nur kurz beibehalten, beispielsweise bei einer Vorrichtung 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 außen 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 Ausgleichselements 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 Vorrichtungen mit einem Öffnungsnocken und mit einer in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder usw. Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Lösung jedoch bei elektromagnetischen Gaswechselventilsteuerungen eingesetzt. Elektromagnetische Gaswechselventilsteuerungen 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 zumindest 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 Öffnungskraft des Hochdruckventils und größer ist als die Öffnungskraft des Rückschlagventils, so daß aus dem dicht verschlossenen Druckraum kein Druckmittel abfließt und die Einstellung des Ausgleichselements bei Stillstand der Brennkraftmaschine beibehalten wird. Eine gleiche Wirkung kann durch das elektrisch ansteuerbare Magnetventil erzielt werden.

Das Ausgleichselement kann ein Spielausgleichselement, ein Ausgleichselement, 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 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: eine Prinzipskizze eines Ausgleichselements,
Fig. 3: eine Variante zu einem Ausgleichselement nach Fig. 2,
Fig. 4: einen Druckverlauf in einem Druckraum eines Ausgleichselements 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 Aktuator 20 betätigt ein Gaswechselventil 7, das mit seinem Ventilschaft 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 Öffnungsmagneten 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 Schließrichtung 17 und stützt sich am anderen Ende auf einer Federauflage 19 ab.

Die Darstellungen zeigen den Aktuator 20 in der Schließstellung, 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 bildet. Wird der Schließmagnet 22 stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 21 bestromt, öffnet das Gaswechselventil 7, bis der Anker 23 an der Polfläche des Öffnungsmagneten 21 anliegt. Damit 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 Ventilsitzring 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 Polfläche 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 Ausgleichselement 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 Druckanschluß 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 bildender Innenraum 46 zwischen der Tasse 35 und dem Ausgleichselement 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 Ausgleichselement 3 und das Gaswechselventil 7 können rotationssymmetrisch 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 Deckseite 67 der Tasse 35 dem Ausgleichselement 3 zugeführt. Die Zuführung von Drucköl über Tassen 35 ist eine ausgereifte und damit mit wenigen Problemen behaftete Technik. Möglich ist jedoch 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 Spielausgleichselement grundsätzlich auch auf der dem Gaswechselventil 7 abgewandten Seite des Schließmagneten 22 und/oder auf der dem Gaswechselventil 7 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 21 angeordnet sein.

Die auftretenden Störgrößen und ein dadurch bedingter Spielausgleich durch das Ausgleichselement 3, können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern 10, 11 bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position aufweist und daß eine auf das Gaswechselventil 7 in Schließstellung wirkende Restschließkraft der unteren Ventilfeder 11 verändert 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 Betriebszustände 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 Zylinder 50 wirkt der Ventilschaft 24 mit einer Kraft 69 in Schließrichtung 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 Ausgleichselements 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 gedrosselt abfließen, ohne daß ein Druckverlauf 51 in dem Druckraum 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 vorgespannt 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 Restschließkraft. Das Hochdruckventil 5 schließt bei einer definierten 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 Druckanschluß 43 in den Druckraum 1 nachfließen, wodurch sich das Ausgleichselement 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 Öffnungshubs und des Schließhubs des Gaswechselventils 7 ist das Hochdruckventil 5 und das Rückschlagventil 57 dicht verschlossen, in dem die Bewegung des Gaswechselventils 7 nicht beeinträchtigt wird. Während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 7 wird eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung erreicht. Vorteilhaft sind die Öffnungskraft 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 Brennkraftmaschine stellt sich der Anker 23 auf eine Gleichgewichtslage der Ventilfedern 10, 11 zwischen den Polflächen der Magnete 21 und 22 ein. Auf das Ausgleichselement 3 wirkt die mittlere Kraft 53, bei der das Hochdruckventil 5 und das Rückschlagventil 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 Variante 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 Vorratskammer geleitet, aus der der Druckraum 1 gespeist wird.

Das Magnetventil 70 ist in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern beliebig ansteuerbar, so daß der Abfluß über den Drosselspalt 71 zeitlich auf bestimmte Phasen des Arbeitszyklus begrenzt werden kann. Bei stromlosem Magnetventil 70 ist der Abfluß aus dem Druckraum 1 gesperrt, so daß das Ausgleichselement 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 verwendet werden.

Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Ausgleichselements 4 aus Fig. 1. Das Ausgleichselement 4 besitzt einen durch einen Kolben 13 und einen Arbeitszylinder 60 gebildeten Druckraum 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 Rückschlagventil 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 Ventilfeder 11 schwankt während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 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 gedrosselt 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 Arbeitsspiele des Gaswechselventils 7 eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung der Ventilfedervorspannung, der Gleichgewichtslage und der Restschließkraft erreicht. Bei abgeschaltetem Aktuator 20 ist das Hochdruckventil 6 und das Rückschlagventil 64 dicht verschlossen. Aus dem Druckraum 2 fließt kein Druckmittel ab, die Einstellung des Ausgleichselements 4 wird beibehalten und die Brennkraftmaschine kann mit der Einstellung wieder gestartet werden, die beim Stillsetzen vorlag.

Claims

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 abfließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3, 4) bei Stillstand der Brennkraftmaschine seine Einstellung im wesentlichen beibehält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß über die Drosselstelle (52, 63, 71) mittels eines Ventils (5, 6, 70) steuerbar ist.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3, 4) in dem Kraftfluß eines Betätigungselements (20) auf das Gaswechselventil (7) angeordnet und der Druckraum (1, 2) nach außen abgedichtet ist, und daß das Ausgleichselement (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 definierten 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.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Ventilfeder (10, 11) auf das Gaswechselventil (7) wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (1, 2) zur Seite des Kolbens (12, 13) mit Dichtungen (14, 15, 16, 65, 66) zwischen dem Kolben (12, 13) und dem Zylinder (50, 60) abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (5, 6) ein als Rückschlagventil wirkendes Kugelventil ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3) ein Spielausgleichselement ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest eine Ventilfeder (11) aufweist, die in Schließrichtung (17) auf das Gaswechselventil (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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (19) einstückig mit einem Kolben (13) des Ausgleichselements (4) ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (7) mit einem elektromagnetischen Aktuator (20) betätigt wird, der einen Öffnungsmagneten (21) und einen Schließmagneten (22) besitzt:, zwischen deren Polflächen ein Anker (23) koaxial zum Gaswechselventil (7) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen Ventilschaft (24) wirkt, und mit einem Federmechanismus, der eine in Öffnungsrichtung (18) wirkende vorgespannte Ventilfeder (10) und eine in Schließrichtung (17) wirkende vorgespannten Ventilfeder (11) aufweist.