Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nockenwellenlosen Betätigung
eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, mit einem auf den
Ventilschaft wirkenden Antriebselement, das wenigstens einen linear arbeitenden
Aktuator enthält.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 197 06 106 A1
bekannt. In dieser ist ein Ventil beschrieben, das von zwei in entgegengesetzten
Richtungen wirkenden Druckfedern beaufschlagt wird. Als Antriebselement
werden ein Anker, der mit dem Ventil verbunden ist, und zwei Spulen verwendet.
Der Anker kann von den Spulen in zwei verschiedenen Stellungen gehalten
werden, so daß das Ventil eine vollständig geöffnete und eine vollständig
geschlossene Stellung einnehmen kann. Um das Ventil von einer Stellung in die
andere zu bringen, wird zunächst die Spule abgeschaltet, an der sich der Anker
befindet. Die in dieser Stellung stärker vorgespannte der beiden Druckfedern
beschleunigt das Ventil über eine Mittelstellung hinaus hin zur anderen Stellung.
Dort wird der Anker von der anderen Spule, die rechtzeitig erregt wird,
"eingefangen", so daß das Ventil in der anderen Stellung verharrt.
Da der Anker eine hohe Masse aufweist und sich gleichgerichtet mit dem
Ventilkörper bewegt, entstehen beim Beschleunigen und Verzögern Kräfte, die
auch außerhalb der Betätigungsvorrichtung in Form von Vibrationen und
Geräuschentwicklung bemerkbar sind.
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Betätigung eines
Gaswechselventils zu schaffen, die geringere Vibrationen und eine verminderte
Geräuschentwicklung aufweist.
Zu diesem Zweck ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorgesehen, daß das Antriebselement ein Getriebe aufweist, das die Wirkrichtung
des Aktuators umlenkt. Auf diese Weise kann ein Ausgleich der bewegten Massen
des Ventils und des Aktuators geschaffen werden, so daß die resultierende
Massenbewegung verringert oder sogar gänzlich aufgehoben ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
ausführlich beschrieben. Dabei wird Bezug genommen auf die beigefügten
Zeichnungen, in welchen zeigt:
- Figur 1eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung; und
- Figur 2eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 10 zur nockenwellenlosen Betätigung eines
Gaswechselventils 12 dargestellt. Das Ventil 12 weist einen Ventilteller 14 mit
einem Ventilschaft 16 auf, der entlang seiner Längsachse A in einem schematisch
angedeuteten Zylinderkopf 18 verschiebbar geführt ist. Am freien Ende 20 des
Ventilschafts 16 sitzt ein Federteller 22, der durch (nicht gezeigte) Klemmkeile
am Ventilschaft 16 befestigt ist und an dem sich eine Ventilfeder 24 abstützt, die
das Ventil 12 in seine Schließstellung beaufschlagt, in welcher der Ventilteller 14
einen Gaskanal 26 verschließt.
Auf das Gaswechselventil 12, genauer gesagt auf das freie Ende 20 des
Ventilschafts 16, wirkt ein Antriebselement der Vorrichtung 10, das ein Getriebe
30 und einen linear arbeitenden Aktuator 32 aufweist.
Das Getriebe 30 besteht aus vier in Form eines Parallelogramms angeordneten
Hebeln, nämlich zwei oberen Hebeln 56 und zwei unteren Hebeln 58, die an ihren
Enden mittels Gelenken verbunden sind. Dabei ist das Getriebe 30 so angeordnet,
daß sich zwei diagonal gegenüberliegende Gelenke, nämlich ein Ventilgelenk 36,
welches mit dem Ventilschaft 16 in Kontakt steht, und ein Aktuatorgelenk 38,
welches mit dem Aktuator 32 verbunden ist, im wesentlichen auf der
Verlängerung der Längsachse A des Ventilschafts 16 befinden. Dementsprechend
bestimmen die beiden anderen Gelenke, die als Druckgelenke 40 bezeichnet
werden, eine rechtwinklig zur Längsachse A verlaufende Querachse Q. Die
beiden Druckgelenke 40 befinden sich in Anlage an Druckkonusse 42, welche
sich über Druckfedern 44 ortsfest, beispielsweise an Seitenwänden 46 im
Zylinderkopf, abstützen. Die Druckgelenke 40 sind durch Längsführungen 48
entlang der Querachse Q verschiebbar geführt. Die Längsführungen könnten
natürlich auch an den anderen Gelenken des Getriebes angeordnet werden.
Der Aktuator 32 ist in Figur 1 schematisch als Elektromagnet mit einer ersten
Spule 50a, einer zweiten Spule 50b und einem Anker, bestehend aus einer
Ankerplatte 52 und einem Ankerstab 54, dargestellt. Die Spulen 50a und 50b sind
ebenso wie der Anker bezüglich der Längsachse A zentriert, wobei der Ankerstab
54 mit dem Aktuatorgelenk 38 verbunden ist.
In Figur 1 ist die Vorrichtung 10 in Ihrer Ruhestellung gezeigt, d.h. die Spulen
50a und 50 b sind stromlos. Die Federkräfte der Druckfedern 44 und der
Ventilfeder 24 sind im Gleichgewicht, so daß sich die Ankerplatte in der
Mittelstellung zwischen den beiden Spulen 50a und 50b befindet und das Ventil
12 halb geöffnet ist.
Bei einer Beaufschlagung der ersten Spule 50a mit einem Strom wird die
Ankerplatte 52 angezogen. Dadurch drückt der Ankerstab 54 auf das
Aktuatorgelenk 38, in Figur 1 nach unten. Dabei wird Druck auf die oberen Hebel
56 zwischen Aktuatorgelenk 38 und den Druckgelenken 40 ausgeübt, so daß die
Druckgelenke 40 zur Seite wandern und die Druckfedern 44 spannen; die
Ventilfeder 24 wird entspannt. Gleichzeitig ziehen die unteren Hebel 58 das
Ventilgelenk 36 in Figur 1 nach oben, wodurch das freie Ende 20 des
Ventilschafts 16 entlastet wird und die Ventilfeder 24 das Ventil in seine
Schließstellung bringen kann.
Wird die Spule 50a abgeschaltet, beginnen die gespannten Druckfedern 44,
das Ventil 12 hin zur vollständig geöffneten Stellung zu beschleunigen. Diese
Stellung würde erreicht, falls das System reibungslos wäre. Aufgrund der
unvermeidbaren Reibung wird zu einem geeigneten Zeitpunkt die Spule 50b
erregt, so daß der Anker 52 angezogen wird. Dadurch zieht der Ankerstab 54 das
Aktuatorgelenk 38 nach oben, so daß die beiden oberen Hebel 56 die
Druckgelenke 40 entlang der Querachse Q zur Längsachse A hin verschieben
können. Damit wird das Ventilgelenk 36 von den Hebeln 58 nach unten
verschoben und drückt auf das freie Ende 20 des Ventilschafts, so daß das Ventil
die vollständig geöffnete Stellung erreicht. In diesem Zustand ist die Ventilfeder
24 gespannt, und die Druckfedem 44 sind entspannt.
Zum Schließen des Ventils 12 wird die Spule 50b abgeschaltet, woraufhin sich
das Ventil unter der Wirkung der Ventilfeder 24 in Richtung der Schließstellung
in Bewegung setzt. Durch geeignetes Erregen der Spule 50a wird sichergestellt,
daß es diese Stellung auch erreicht und für die gewünschte Zeit beibehält.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird durch das Getriebe
30 die Wirkrichtung des Elektromagneten 32 um 180° umgelenkt, so daß sich
einerseits der Anker und andererseits der Ventilschaft 16 mit dem Ventilteller 14
stets gegensinnig bewegen. Der damit bewirkte Massenausgleich sorgt für eine
wirkungsvolle Verringerung der durch die Ventilbetätigung verursachten
Vibrationen.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird der Hub des Ankers eins zu eins in
einen Hub des Ventils umgesetzt. Mit dem Getriebe 30 kann aber auch ein
Übersetzungsverhältnis erhalten werden, welches größer oder kleiner als eins ist.
Dies wird dadurch erreicht, daß die oberen Hebel 56 länger oder kürzer als die
unteren Hebel 58 sind. Dadurch läßt sich beispielsweise mit einer kleinen
Ankerbewegung ein großer Ventilhub bewirken. Dies hat den Vorteil, daß am
Elektromagneten 32 nur ein kleiner Luftspalt erforderlich ist und damit ein
deutlich verbesserter magnetischer Wirkungsgrad erreicht wird.
Prinzipiell kann mit einem Getriebe ein beliebiger Zusammenhang zwischen
der Ankerbewegung und dem Ventilhub hergestellt werden. Dies kann zum einen
vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Nichtlinearität der Magnetkraft, in
Abhängigkeit vom Abstand zwischen Anker und Spule zu kompensieren. Zum
anderen kann bei unterschiedlichen Massen von Anker und Ventil ein Ausgleich
der Beschleunigungskräfte erreicht werden.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt, wobei
für bereits bekannte Bauteile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet werden.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorher beschriebenen
dadurch, daß zwei Aktuatoren 132 in Form von Elektromagneten vorgesehen sind.
Diese Aktuatoren 132 sind zwischen den Druckgelenken 140 und den
Druckkonussen 142 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform üben die
Elektromagnete bei Beaufschlagung der Spulen 150a mit einem Strom
gegensinnig Druck auf die Druckgelenke 140 aus. Das Ventilgelenk 136 wird von
den unteren Hebeln 158 nach unten verschoben und drückt auf den Ventilschaft
116, so daß das Ventil 112 ganz geöffnet wird.
Beim Beaufschlagen der Spulen 150b werden die Druckfedern 140 stärker
verspannt und die Ventilgelenke 140 entlastet. Dadurch wird über die unteren
Hebel 158 das Ventilgelenk 136 entlastet, so daß die Ventilfeder 124 das Ventil
112 schließen kann. Dabei ist es nicht notwendig, daß die Druckgelenke 140 mit
den Ankerstäben 154 verbunden sind.
Wie aus der Figur 2 hervorgeht, wird in dieser Ausführungsform die
Wirkrichtung der Aktuatoren 132 jeweils um 90° umgelenkt. Besonders
vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß die Anker der beiden
Elektromagnete stets gegensinnig arbeiten und damit ein optimaler
Massenausgleich gewährleistet ist. Die Masse des Ventilschafts 116 kann in der
Regel gegenüber den Ankermassen vernachlässigt werden. Sie kann jedoch auch
durch eine am Aktuatorgelenk 138 angebrachte Ausgleichsmasse kompensiert
werden.
Auch in dieser Ausführungsform kann ein Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 130 größer oder kleiner eins erreicht werden, und zwar durch die
Anordnung der Aktuatoren 132 und des Ventils 112. Das Übersetzungsverhältnis
ist in dieser Ausführungsform durch den Wert bestimmt, den der Öffnungswinkel
α zwischen den beiden oberen bzw. unteren Hebeln 156 bzw. 158 einnimmt,
während sich die Vorrichtung 110 zwischen ihren beiden Endstellungen - Ventil
12 offen oder Ventil 12 geschlossen - bewegt. Für ein Übersetzungsverhältnis von
eins muß der Öffnungswinkel α im Mittel 90° betragen. Bei größeren Werten für
den Öffnungswinkel α führt ein kleiner Weg der Ankerplatten 152 zu einem
großen Hub des Ventils 12, bei Werten für den Öffnungswinkel α kleiner als 90°
führt ein großer Weg der Ankerplatten 152 zu einem kleinen Ventilhub. Das
Übersetzungsverhältnis ist infolge der geometrischen Verhältnisse natürlich
genaugenommen winkelabhängig; da die Anker der Aktuatoren 132 jedoch nur
kleine Wege zurücklegen, kann diese Winkelabhängigkeit vernachlässigt werden.
Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform liegt darin, daß zwei
kleinere Elektromagnete verwendet werden können, um dieselbe Betätigungskraft
aufzubringen. Dies erlaubt den Einsatz von gesinterten runden Magnetkernen
(sogenannten Pot.-cores), beispielsweise aus PM-Material, und einfacher
herzustellenden Ankern. Diese Magnete sind mit geringeren Verlusten behaftet,
haben einen besseren Wirkungsgrad und ein besseres dynamisches Verhalten.
Die zweite Ausführungsform bietet außerdem durch die seitliche Anordnung
der Aktuatoren den weiteren Vorteil einer geringeren Bauhöhe im Vergleich zu
einer Vorrichtung mit einem oben liegendem Aktuator.
In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann das Getriebe 30 auch
mit nur zwei Hebeln versehen sein. Beispielsweise können bei der
Ausführungsform gemäß Figur 2 die beiden Hebel 156 weggelassen werden. Es
muß lediglich sichergestellt sein, daß die beiden Hebel 158 sich ausschließlich
synchron bewegen können. Zu diesem Zweck könnte an jedem der beiden Hebel
158 jeweils ein Zahnrad vorgesehen sein, die ineinander eingreifen, so daß
sichergestellt ist, daß die beiden Hebel 158 immer spiegelbildlich zur Mittelachse
des Ventils ausgerichtet sind. Es könnte auch das Ventilgelenk 136 in einer
Schiebeführung geführt sein, die sich parallel zur Mittelachse des Ventils
erstreckt.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante könnten
anstelle der Druckfedern 44, 144 andere Federn und/oder Druckfedern an anderen
Orten des Getriebes verwendet werden. Es ist grundsätzlich jede Anordnung von
entgegengesetzt wirkenden Federn geeignet, die das Ventil in eine Mittelstellung
beaufschlagt, aus der das Ventil in die eine oder andere Richtung bewegt werden
kann.