EP1636465A1 - Ventilantrieb f r ein gaswechselventil - Google Patents

Ventilantrieb f r ein gaswechselventil

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Publication number
EP1636465A1
EP1636465A1 EP04724022A EP04724022A EP1636465A1 EP 1636465 A1 EP1636465 A1 EP 1636465A1 EP 04724022 A EP04724022 A EP 04724022A EP 04724022 A EP04724022 A EP 04724022A EP 1636465 A1 EP1636465 A1 EP 1636465A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
valve
gas exchange
stator
stand
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04724022A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Volz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Teves AG and Co OHG
Original Assignee
Continental Teves AG and Co OHG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10341698A external-priority patent/DE10341698A1/de
Application filed by Continental Teves AG and Co OHG filed Critical Continental Teves AG and Co OHG
Publication of EP1636465A1 publication Critical patent/EP1636465A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
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    • F01L3/10—Connecting springs to valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings

Definitions

  • the invention relates to a valve drive for a gas exchange valve according to the preamble of patent claim 1.
  • valve actuators of the specified type are known from the patent literature. For this, reference is made, for example, to DE 101 25 767 C1.
  • the air gaps in the magnetic circuit are as small as possible and suitable current coils are arranged on the stand.
  • the actuator consisting of the stator and the rotor must be in the existing, relatively small installation spaces, for. B. fit into a cylinder head of a motor vehicle internal combustion engine, which is why the current coils and the active air gap surfaces can not be built arbitrarily large.
  • the magnetic losses must be in the magnetic circuit
  • FIG. 1 shows a cross section through a cylinder head in which a valve drive with a coupling element according to the invention is arranged
  • Figure 2 is a schematic view of the in Figure 1
  • FIG. 3 shows the valve drive according to FIG. 2 in the region of the horizontal sectional plane B-B
  • FIG. 4a the valve drive according to FIG. 2 in the area of the horizontal sectional plane A-A,
  • FIG. 4b shows a spatial representation of the runner with external guide elements
  • FIG. 4c shows a spatial representation of the runner with internal guide elements
  • 5a-e show several variants for the coupling element for the detachable arrangement of the gas exchange valve on the valve drive.
  • FIG. 1 shows the arrangement of a valve drive in a cylinder head 2 of an internal combustion engine for the purpose of actuating the gas exchange valve 11 arranged on the inlet side.
  • the cylinder head 2 shown in cross section has for this purpose a first valve receiving bore 3 for guiding and sealing the gas exchange valve 11 on the inlet side and a second valve receiving bore 3 for an outlet side Gas exchange valve 4, both of which are arranged at a V angle to each other.
  • the gas exchange valves 4, 11 are designed as poppet valves, which face the valve seat rings 16 used in the inlet and outlet channels 5, 6 concentrically with their valve seat surfaces.
  • the inlet and outlet channels 5, 6 are in cross-flow technology and the gas exchange valves 4, 11 operated in a hanging arrangement according to the OHC principle (Over Head Camshaft).
  • an electromagnetic actuator as a valve drive above the inlet-side gas exchange valve 11, in the stand 1 of which an axially movable rotor 12 is arranged, which is detachably connected via a coupling element 22 to the valve stem 7 of the inlet-side gas exchange valve 11.
  • This valve drive designed as a linear motor, ensures a variable charge change, in which, depending on the activation of a current coil 23 in the stander 1, the valve opening time, the valve lift and the valve opening duration of the inlet-side gas exchange valve 11 can be set as desired.
  • the conventional valve train presented for the exhaust valve can also be replaced by the actuator described for the intake valve.
  • the invention provides that the runner 12 with the stander
  • I forms an independently manageable, preferably functionally testable assembly, which works with the gas exchange valve
  • the coupling element 22, which is arranged between the rotor 12 and the gas exchange valve 11, is necessary, which has a non-positive and / or positive locking creates bond between the rotor 12 and the gas exchange valve 11.
  • the stator 1 is coaxially aligned and fastened with the rotor 12 and the coupling element 22 attached to the rotor 12 relative to the gas exchange valve 11 in the cylinder head 2.
  • the cylinder head has a trough 24 above the inlet-side gas exchange valve 11, in which the stator 1 is fastened. Furthermore, for space-saving integration of the coupling element 22 between the valve receiving bore 3 (valve stem guide) of the inlet-side gas exchange valve 11 and the trough
  • a stepped bore 25 is provided in the cylinder head 2. Between the coupling element 22 and the bottom of the stepped bore
  • auxiliary spring 26 in order to be able to safely close the gas exchange valve 11 again in the event of a failure of the current coil 23 to avoid piston contact.
  • the stator 1 and the cam-side valve drive are covered by a cylinder head cover 27 fastened to the cylinder head 2.
  • valve drive designed as a linear motor
  • FIG. 2 shows the valve drive according to the invention presented in FIG. 1, consisting of a magnetic rotor 12, which extends with its preferably hollow-cylindrical rotor section located at a distance from the inlet-side gas exchange valve 11 within a stator 1 provided with the current coil 23, one of which extends below the stator 1 protruding end of the rotor 12
  • the stand 1 consists of a magnetic material with a radially inner region and a radially outer region.
  • the stator bore 14 and the stator core 15, which is enclosed by an internal current coil 23, are located in the inner region.
  • Both current coils 23 are radially spaced apart from one another within a stator coil chamber 28 such that an essentially hollow cylindrical rotor section is arranged axially movably between the two current coils 23.
  • This rotor section is provided with a plurality of magnetic rings 29 which are stacked concentrically one above the other and which have an alternating magnetic orientation.
  • the magnet rings 29 are arranged in a radial air gap between an internal and external tooth region 30 of the stator 1, which has two circular cylindrical teeth that are aligned with one another and face the magnet rings 29. Regardless of the number of teeth, the selected arrangement ensures that the magnetic rings 29 with the same magnetic orientation are always aligned with the assigned teeth.
  • the rotor 12 is preferably made of a plastic or a composite material, for which a combination of plastic and non-magnetic metal is particularly suitable.
  • the above-described construction of the stand 1 is provided with the current coils 23 in a duplex construction and is preferably designed in a tandem arrangement, so that two identical stands 1 facing one another with their tooth regions 30 are stacked one above the other in alignment. Between the two stands 1 there is a plate-shaped, non-magnetic spacer 10, which prevents unwanted mutual magnetic interference between the two stands 1.
  • This plane shown along the section line B-B in the lower region of the stand 1 is explained in more detail below with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 shows a plan view of the stand 1 along the section line BB outlined in FIG. 2, from which the opening is formed as segment-shaped openings in the first end region of the stand 1, which faces the gas exchange valve 11.
  • the openings mentioned above are implemented functionally as three bushings 8 through which three runner webs 19 arranged on the runner 12 extend.
  • the feedthroughs 8 and the runner webs 19 are arranged at a uniform angular distance so distributed over the circumference of the stand 1 that the feedthroughs 8 provided for the runner webs 19 are spaced apart from one another by a plurality of connecting webs 20 of the stand 1 that conduct magnetic flux.
  • each connecting web 20 is expediently much larger selected as the opening cross-section of each bushing 8 in order to achieve a gain in magnetically conductive stand material compared to the prior art, or to keep the magnetic losses caused by the required opening in the base yoke 9 as low as possible.
  • the stand 1 has an essentially oval shape, which is particularly evident from the representation of the stator 1 in the top view according to FIG. 3.
  • the two diametrically arranged current coils 23 arranged on the outer region of the stator 1 can also be clearly recognized as coil winding packages in FIG. 3, through which the vertically directed connection o 31 (already shown in FIG. 2) to the horizontally extending legs of the Stator 1 extends, which have the tooth region 30 mentioned above.
  • FIG. 4a shows the further stand 1 arranged above the previously described stand 1, which is arranged at a distance from the gas exchange valve 11 and at a distance from the first end region of the lower stand 1.
  • This further stand 1 has a plurality of guide elements 13a, 13b, 13c, which are arranged uniformly distributed over the outer or also over the inner circumference of the rotor 12 (see exemplary one of three guide elements 13d) in the stand 1 and which are at least in sections on the outer or inner circumference of the rotor 12 are attached.
  • the three guide elements 13a, 13b, 13c are shown in three grooves 32 of the stator 1, the groove depth in the grooves 32 being considerably larger.
  • ß is chosen as the immersion depth of the guide elements 13a, 13b, 13c in the grooves 32 in the non-heated state. This ensures that due to the thermal expansion of the rotor 12, a jam-free running play of the guide elements 13a-c in the grooves 32 is always maintained.
  • the three guide elements 13a, 13b, 13c are distributed at a uniform angular distance, preferably along the outer circumference (or possibly also along the inner circumference, see for example one of three guide elements 13d on the inside of the stand 33) of the runner 12, for which purpose in the wall of the stand 1 Grooves 32 are provided. In this way, a precise, jamming-free guidance of the end of the rotor 12 located away from the gas exchange valve 11 in the stander 1 is achieved.
  • FIG. 4a shows the internal current coil 23 fastened to the inside of the stand 33 within the stand 1, which is guided without play, and the stand core 15 arranged in the inside of the stand 33, which is penetrated in the middle by a stand bore 14.
  • FIG. 4b illustrates in a spatial representation the tubular structure of the rotor 12 with the three guide elements 13a, 13b, 13c formed on the outer circumference of the rotor, which either extend partially over the entire height of the rotor.
  • the runner webs 19 can also be seen, which, according to FIG. 3, extend into the passages 8 in the base yoke 9 of the stand 1.
  • FIG. 4 c illustrates in a spatial representation the tubular structure of the rotor 12 with the three guide elements 13 d molded onto the circumference of the rotor inner, which engage in the grooves 32 of the inner column region 33, which is located outside the current coil 23.
  • FIGS. 5a-5e are shown in more detail below.
  • FIG. 5a shows a first embodiment of the coupling element 22 in the form of a clamping ring 21, which in its inner region engages around the valve stem 7 of the gas exchange valve 11 in a force-fitting manner.
  • the outer area of the clamping ring 21, on the other hand, is received by the coupling element 22, for which purpose the coupling element 22 is provided with a hollow cylinder and an annular groove 34 located therein or with a tube section designed as a gripper, in which the clamping ring 21 is fixed.
  • FIG. 5b shows, as a modification of the clamping ring 21 according to FIG. 5a, the engagement of a clamping ring 21 provided with a collar in a groove of the valve stem 7.
  • FIG. 5c discloses a clamping pin 35 which is pressed into a pocket opening of the valve stem 7, the end of the clamping pin 35 being provided with a collar 36 which is encompassed by the housing of the coupling element 22.
  • FIG. 5d the use of a clamping sleeve 37 is proposed in FIG. 5d, which engages with the housing of the coupling element 22 via a collar 36.
  • the clamping sleeve 37 according to FIG. 5d is supplemented by an adjusting device 38, in that an adjusting screw projects through the clamping sleeve 37 into a threaded pocket bore of the valve stem 7, so that the
  • the adjusting screw of the valve stem 7 can be drawn more or less deep into the clamping sleeve 37.
  • connection techniques presented in FIGS. 5a-5e can of course be combined in a variety of ways with force, form and / or material connection variants if desired or required.
  • An easily jointable and separable functional group consisting of the stand 1 with the runner 12, the coupling element 22 and the gas exchange valve 11.
  • a guide of the rotor 12 which is independent of thermally induced changes in geometry, changes in diameter between the rotor 12 and the stander 1 having no influence on the guide. Due to the proposed use of guide elements 13 a-c, the rotor 12 is reliably guided even in a critical air gap area and is braced against the high transverse magnetic forces acting there and against the transverse acceleration forces.
  • the number of guide elements used for this can vary between two and a multiple.
  • the auxiliary spring 26 prevents the valve plate from touching the piston of the internal combustion engine and being destroyed in the process.
  • the proposed invention thus ensures:
  • the proposed invention is not limited to the exemplary embodiments explained, but rather offers a wide range of possible uses, regardless of whether the magnetic rotor 12 is part of a linear motor, a magnetic drive in the form of one or more serially arranged electromagnets or a piezo drive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventilantrieb für ein Gaswechselventil (11) in einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, mit einem magnetischen Läufer (12), der sich mit einem vom Gaswechselventil (11) entfernt gelegenen, vorzugsweise hohlzylindrischen Läuferabschnitt innerhalb eines mit einer Stromspule (23) versehenen Ständers (1) längsbeweglich erstreckt, so dass ein aus dem Ständer (1) hervorstehendes Ende des Läufers (12) bei Erregung der Stromspule (23) das Gaswechselventil (11) betätigt. Der Läufer (12) bildet mit dem Ständer (1) eine eigenständig handhabbare, vorzugsweise funktionsfähig vorprüfbare Baugruppe, die mit dem Gaswechselventil (11) lösbar verbunden ist.

Description

Ventilantrieb für ein Gaswechselventil
Die Erfindung betrifft ein Ventilantrieb für ein Gaswechselventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Patentliteratur sind eine ganze Reihe von Ventilantrieben der angegebenen Art bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf die DE 101 25 767 Cl verwiesen.
Grundprinzip dieses bereits aus dem Patent bekannten Ventilantriebs ist, dass ein starr mit dem Gaswechselventil verbundener Läufer sich längs der gemeinsamen Achse im Magnetfeld eines Ständers bewegt.
Um wirtschaftlich ausreichend hohe Kräfte am Läufer zu erzeugen, werden entsprechend starke Magnetfelder im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer benötigt. Hierzu müssen u.a. die Luftspalte im Magnetkreis möglichst klein sein und geeignete Stromspulen am Ständer angeordnet werden.
Darüber hinaus muss der aus dem Ständer und dem Läufer bestehende Aktuator in die vorhandenen, verhältnismäßig kleinen Bauräume, z. B. in einen Zylinderkopf eines Kfz- Verbrennungsmotors passen, weshalb die Stromspulen und die aktiven Luftspaltflächen nicht beliebig groß gebaut werden können. Die magnetischen Verluste müssen im Magnetkreis
klein gehalten werden. Überdies sind aber auch gerade im Bordnetz von Kraftfahrzeugen Strom und Spannung begrenzt.
Bei den komplexen Geometrien an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors sind ganz erhebliche geometrische Toleranzen zwischen den einzelnen Funktionselementen, insbesondere zwischen dem Laufer und Stander des Ventilantriebs einzuhalten, um ein Verklemmen oder zu große Luftspalte zu verhindern.
Überdies fuhren unsymmetrische Magnetfelder im Luftspalt am Laufer zu erheblichen Querkraften, die sich selbst verstarken und zu großen Reibkraften, Energieverlusten und gar zudem bereits erwähnten Verklemmen des Laufers fuhren können.
Da besonders bei Verbrennungsmotoren in der Aufwarm- und Ab- kuhlphase mit erheblichen Temperaturdifferenzen an samtlichen Motorbauteilen und damit thermisch induzierten Geometrieanderungen (an Bauteilen aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Warmeausdehnung und stark unterschiedlichen Temperaturen) zu rechnen ist, müssen insbesondere im Ventiltrieb die Luftspalte und Spiele aus thermischen Gründen ausreichend groß vorgehalten werden .
An den Gaswechselventilen treten Beschleunigungen bis zum 100-fachen der Erdbeschleunigung auf. Diese fuhren bei zu großen Bauteilspielen und im Luftspalt des Magnetkreises zu unerw nschter Gerauschentwicklung, asymmetrischen Kräften und Verschleiß im Ventilantrieb.
Außerdem sind in einem Verbrennungsmotor immer Verschleiß-, Abrieb- und Schmutzpartikel vorhanden, die zum Teil auch magnetisch sind. Diese Partikel können sich auch in den Mag- netspalten des Aktuators ansammeln und zum Verklemmen des Ventilantriebs fuhren.
Ein erhebliches herstelltechnisches Problem stellt sowohl in einer Arbeits- als auch Kra tmaschine die Verbindung eines Gaswechselventils mit dem Ventilantrieb dar. Infolge der ortlichen und funktionellen Gegebenheiten, muss namlich eine voneinander unabhängige Prufbarkeit, Montage als auch Demontage des Gaswechselventils und des Ventiltriebs im Zylinderkopf gewahrleistet sein.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventilantrieb der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die vorgenannten Anforderungen erfüllt und die dargestellten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß für einen Ventilantrieb der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelost.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmoglichkeiten der Erfindung gehen im folgenden aus den Unteranspruchen und der Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen hervor.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf, in dem ein Ventilantrieb mit einem Koppelelement gemäß der Erfindung angeordnet ist, Figur 2 eine schematische Ansicht des in Figur 1 im
Schnitt gezeigten erfindungsgemaßen Ventilantriebs ohne Koppelelement,
Figur 3 den Ventilantrieb nach Figur 2 im Bereich der horizontalen Schnittebene B-B,
Figur 4a den Ventilantrieb nach Figur 2 im Bereich der horizontalen Schnittebene A-A,
Figur 4b eine raumliche Darstellung des Laufers mit außenliegenden Fuhrungselementen,
Figur 4c eine raumliche Darstellung des Laufers mit innenliegenden Fuhrungselementen,
Fig. 5a-e mehrere Varianten für das Koppelelement zur losbaren Anordnung des Gaswechselventils am Ventilantrieb.
Die Figur 1 zeigt die Anordnung eines Ventilantriebs in einem Zylinderkopf 2 eines Verbrennungsmotors zwecks Betätigung des einlassseitig angeordneten Gaswechselventils 11. Der im Querschnitt dargestellte Zylinderkopf 2 weist hierzu eine erste Ventilaufnahmebohrung 3 zur Fuhrung und Abdichtung des einlassseitigen Gaswechselventils 11 und eine zweite Ventilaufnahmebohrung 3 für ein auslassseitiges Gaswechselventils 4 auf, die beide in einem V-Winkel zueinander angeordnet sind. Die Gaswechselventile 4, 11 sind als Tellerventile ausgeführt, die mit ihren Ventilsitzflachen den in den Ein- und Auslasskanalen 5, 6 eingesetzten Ventilsitzringen 16 konzentrisch zugewandt sind. In vorliegendem Beispiel sind die Ein- und Auslasskanale 5, 6 in Querstromtechnik und die Gaswechselventile 4, 11 in hangender Anordnung nach dem OHC-Prinzip (Over Head Camshaft) betätigt.
Oberhalb des auslassseitigen Gaswechselventils 4 befindet sich dementsprechend ein konventioneller Ventilantrieb in Form einer Nockenwelle 17, deren Nocken über einen Tassen- stossel 18 auf den Ventilschaft 7 des auslassseitigen Gaswechselventils 4 wirkt.
Im Gegensatz dazu befindet sich als Ventilantrieb oberhalb des einlassseitigen Gaswechselventils 11 ein elektromagnetischer Aktuator, in dessen Stander 1 ein axialbeweglicher Laufer 12 angeordnet ist, der über ein Koppelelement 22 mit dem Ventilschaft 7 des einlasseitigen Gaswechselventils 11 losbar verbunden ist. Dieser als Linearmotor konzipierte Ventilantrieb gewahrleistet einen variablen Ladungswechsel, in dem abhangig von der Ansteuerung einer Stromspule 23 im Stander 1 der VentiloffnungsZeitpunkt, der Ventilhub als auch die Ventiloffnungsdauer des einlassseitigen Gaswechselventils 11 beliebig einstellbar sind.
Selbstverständlich kann nach Wunsch oder Bedarf auch der für das Auslassventil vorgestellte konventionelle Ventiltrieb durch den für das Einlassventil beschriebenen Aktuator ersetzt werden.
Die Erfindung sieht vor, dass der Laufer 12 mit dem Stander
I eine eigenständig handhabbare, vorzugsweise funktionsfähig vorprufbare Baugruppe bildet, die mit dem Gaswechselventil
II losbar verbunden ist. Hierzu ist das zwischen dem Laufer 12 und dem Gaswechselventil 11 angeordnete Koppelelement 22 erforderlich, das eine kraft- und/oder formschlussige Ver- bindung zwischen dem Läufer 12 und dem Gaswechselventil 11 herstellt.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der Ständer 1 mit dem Läufer 12 und dem am Läufer 12 angebrachten Koppelelement 22 gegenüber dem Gaswechselventil 11 im Zylinderkopf 2 koaxial ausgerichtet und befestigt. Um den Überstand des Ventilantriebs am Zylinderkopf 2 möglichst gering zu halten, weist der Zylinderkopf oberhalb des einlassseitigen Gaswechselventils 11 eine Mulde 24 auf, in welcher der Ständer 1 befestigt ist. Ferner ist zur platzsparenden Integration des Koppelelements 22 zwischen der Ventilaufnahmebohrung 3 (Ventilschaftführung) des einlassseitigen Gaswechselventils 11 und der Mulde
24 eine Stufenbohrung 25 im Zylinderkopf 2 vorgesehen. Zwischen dem Koppelelement 22 und dem Boden der Stufenbohrung
25 befindet sich eine Hilfsfeder 26, um bei einem Ausfall der Stromspule 23 zur Vermeidung eines Kolbenkontakts das Gaswechselventil 11 sicher wieder schließen zu können. Der Ständer 1 und der nockenseitige Ventilantrieb sind von einem auf dem Zylinderkopf 2 befestigten Zylinderkopfdeckel 27 verdeckt .
Die weiteren Einzelheiten des als Linearmotor konzipierten Ventilantriebs werden nachfolgend anhand den Figuren 2-5 erläutert.
Die Figur 2 zeigt den in Figur 1 vorgestellten erfindungsgemäßen Ventilantrieb, bestehend aus einem magnetischen Läufer 12, der sich mit seinem vom einlassseitigen Gaswechselventil 11 entfernt gelegenen, vorzugsweise hohlzylindrischen Läuferabschnitt innerhalb eines mit der Stromspule 23 versehenen Ständers 1 längs beweglich erstreckt, wobei ein unten aus dem Ständer 1 hervorstehendes Ende des Läufers 12 bei
Erregung der Stromspule 23 über das nicht abgebildete Koppelelement 22 das Gaswechselventil 11 betätigt. Der Ständer 1 besteht aus einem magnetischen Werkstoff, mit einem radial innen liegenden Bereich und einem radial außen liegenden Bereich. Im innen liegenden Bereich befindet sich die Ständerbohrung 14 und der Ständerkern 15, der von einer innenliegenden Stromspule 23 umschlossen ist. Parallel dazu befindet sich eine weitere, außenliegende Stromspule 23 im äußeren Bereich des Ständers 1. Beide Stromspulen 23 sind innerhalb einer Ständerspulenkammer 28 derart voneinander radial beabstandet, dass zwischen den beiden Stromspulen 23 ein im wesentlichen hohlzylindrischer Läuferabschnitt axialbeweglich angeordnet ist. Dieser Läuferabschnitt ist mit mehreren, konzentrisch übereinander gestapelte Magnetringen 29 versehen, die eine abwechselnde Magnetorientierung aufweisen. Die Magnetringe 29 sind in einem radialen Luftspalt zwischen einem innen liegenden und außen liegenden Zahnbereich 30 des Ständers 1 angeordnet, der durch jeweils zwei miteinander fluchtende, den Magnetringen 29 zugewandte, kreiszylindrisch umlaufende Zähne aufweist. Unabhängig von der Anzahl der Zähne gewährleistet die gewählte Anordnung, dass die Magnetringe 29 mit gleicher Magnetorientierung immer mit den zugeordneten Zähnen fluchten.
Da die Magnetringe 29 nur schwerlich mit unterschiedlicher Polarität zu magnetisieren sind, empfiehlt sich anstelle der Magnetringe 29 die Verwendung von einzelnen Magnetsegmenten, die einfach herzustellen bzw. zu magnetisieren sind und die hintereinander in Ringform am Läufer 12 angebracht werden. Der Läufer 12 ist bevorzugt aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundwerkstoff hergestellt, wozu sich besonders eine Werkstoffkombination von Kunststoff mit unmagnetischem Metall eignet.
Der vorbeschriebene Aufbau des Standers 1 ist mit den Stromspulen 23 in Duplexbauweise vorhanden und bevorzugt in Tandemanordnung ausgeführt, so dass zwei baugleiche, mit ihren Zahnbereichen 30 aufeinander zugewandte Stander 1 fluchtend übereinander gestapelt sind. Zwischen den beiden Standern 1 befindet sich ein plattenformiger, unmagnetischer Abstandshalter 10, der eine ungewollte gegenseitige magnetische Beeinflussung beider Stander 1 verhindert. Der untere, der Ventilseite zugewandte erste Endbereich des einen Standers 1 unterscheidet sich daher lediglich vom darüber angeordneten Stander 1 durch seine vertikal gerichtete Öffnung (Durchfuhrungen 8) im Grundjoch 9, durch die sich der Laufer 12 mit seinen Magnetringen in die Standerspulenkammern 28 erstreckt. Diese entlang der Schnittlinie B-B im unteren Bereich des Standers 1 dargestellte Ebene wird nachfolgend anhand der Figur 3 naher erläutert.
Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf den Stander 1 entlang der in Figur 2 skizzierten Schnittlinie B-B, woraus die Ausbildung der Öffnung als segmentformige Offnungen im ersten Endbereich des Standers 1 hervorgeht, der dem Gaswechselventil 11 zugekehrt ist. In diesem ersten Endbereich des Standers 1 sind die zuvor erwähnten Offnungen funktional als drei Durchfuhrungen 8 realisiert, durch die sich drei am Laufer 12 angeordnete Lauferstege 19 erstrecken. Die Durchfuhrungen 8 und die Lauferstege 19 sind in einem gleichmaßigen Winkelabstand derart über dem Kreisumfang des Standers 1 verteilt angeordnet, dass die für die Lauferstege 19 vorgesehenen Durchfuhrungen 8 durch mehrere den Magnetfluss leitenden Verbindungsstege 20 des Standers 1 voneinander beabstandet sind. Die Querschnittsflache eines jeden Verbindungsstegs 20 ist hierbei sinnvoller Weise wesentlich großer als der Öffnungsquerschnitt eines jeden Durchführung 8 gewählt, um gegenüber dem Stand der Technik einen Zugewinn an magnetisch leitenden Ständermaterial zu erreichen, bzw. um die durch die erforderliche Öffnung im Grundjoch 9 entstehenden magnetischen Verluste möglichst gering zu halten.
Der Ständer 1 weist in vorliegendem Ausführungsbeispiel eine im wesentlichen ovale Form auf, was durch die Darstellung des Stators 1 in der Draufsicht nach Figur 3 besonders deutlich wird. Die beiden diametral angeordneten, am außen liegenden Bereich des Ständers 1 angeordnete Stromspulen 23 sind als Spulenwickelpakete in Figur 3 gleichfalls gut zu erkennen, durch die sich das (bereits aus Figur 2) gut erkennbare, vertikal gerichtete Verbindungs och 31 zu den horizontal verlaufenden Schenkeln des Ständers 1 erstreckt, welche den eingangs erwähnten Zahnbereich 30 aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Schnittlinie A-A nach Figur 2 soll nunmehr anhand der Figur 4a eine weitere Draufsicht auf einen Profilschnitt des Ständers 1 näher erläutert werden.
Die Figur 4a zeigt den oberhalb des zuvor beschriebenen Ständers 1 angeordneten weiteren Ständer 1, der entfernt vom Gaswechselventil 11 und entfernt vom ersten Endbereich des unteren Ständers 1 angeordnet ist. Dieser weitere Ständer 1 weist mehrere Führungselemente 13a, 13b, 13c auf, die gleichmäßig verteilt über den Außen- oder auch über den Innenumfang des Läufers 12 ( siehe exemplarisch eines von drei Führungselementen 13d) im Ständer 1 angeordnet sind und die zumindest abschnittsweise am Außen- bzw. Innenumfang des Läufers 12 angebracht sind. Die drei Führungselemente 13a, 13b, 13c sind abbildungsgemäß in drei Nuten 32 des Ständers 1 geführt, wobei die Nuttiefe in den Nuten 32 erheblich grö- ßer gewählt ist als die Eintauchtiefe der Fuhrungselemente 13a, 13b, 13c in die Nuten 32 im nicht erwärmten Zustand. Hierdurch ist gewahrleistet, dass infolge der Wärmedehnung des Laufers 12 immer ein klemmfreies Laufspiel der Fuhrungselemente 13a-c in den Nuten 32 eingehalten wird.
Die drei Fuhrungselemente 13a, 13b, 13c sind in einem gleichmaßigen Winkelabstand bevorzugt entlang dem Außenumfang (oder auch ggf. entlang dem Innenumfang, siehe hierzu exemplarisch eines von drei Fuhrungselementen 13d am Standerinnenbereich 33) des Laufers 12 verteilt, wozu in der Wand des Standers 1 Nuten 32 vorgesehen sind. Hierdurch wird eine präzise, klemmfreie Führung des vom Gaswechselventil 11 entfernt gelegenen Ende des Laufers 12 im Stander 1 erreicht. Ferner geht aus Figur 4a die innerhalb des spielfrei geführten Standers 1 am Standerinnenbereich 33 befestigte innenliegende Stromspule 23 hervor sowie der im Standerinnenbereich 33 angeordnete Standerkern 15, der von einer Standerbohrung 14 mittig durchdrungen ist.
Die Figur 4b verdeutlicht in raumlicher Darstellung den rohrformigen Aufbau des Laufers 12 mit den am Lauferaußenum- fang angeformten drei Fuhrungselementen 13a, 13b, 13c, die sich entweder teilweise über die gesamte Lauferhohe erstrecken. Am unteren Ende des Laufers 12 sind überdies die Lauferstege 19 zu erkennen, die sich gemäß Figur 3 in die Durchfuhrungen 8 im Grundjoch 9 des Standers 1 erstrecken.
Die Figur 4c verdeutlicht in raumlicher Darstellung den rohrformigen Aufbau des Laufers 12 mit den am Lauferinnenum- fang angeformten drei Fuhrungselementen 13d, die in die Nuten 32 des Standerinnenbereichs 33 eingreifen, der sich außerhalb der Stromspule 23 befindet.
Bezugnehmend auf das in Figur 1 dargestellte Koppelelement 22 werden in den Figuren 5a-5e mehrere Ausfuhrungsbeispiele dargestellt, die nachfolgend naher beschrieben werden.
Es zeigt die Figur 5a eine erste Ausfuhrungsform des Koppelelements 22 in Form eines Klemmrings 21, der in seinem Innenbereich kraftschlussig den Ventilschaft 7 des Gaswechselventils 11 umgreift. Der Außenbereich des Klemmrings 21 ist hingegen vom Koppelelement 22 aufgenommen, wozu das Koppelelement 22 mit einem Hohlzylinder und einer darin befindlichen Ringnut 34 oder mit einem als Greifer ausgebildeten Rohrabschnitt versehen ist, in dem der Klemmring 21 fixiert ist.
Die Figur 5b zeigt in Abwandlung des Klemmrings 21 nach Figur 5a den Eingriff eines mit einem Bund versehenen Klemmrings 21 in eine Nut des Ventilschafts 7.
Die Figur 5c offenbart einen Klemmstift 35, der in eine Sacköffnung des Ventilschafts 7 eingepresst ist, wobei das Ende des Klemmstifts 35 mit einem Bund 36 versehen ist, der vom Gehäuse des Koppelelements 22 umgriffen ist.
Anstelle eines Klemmstifts 35 wird in Figur 5d die Verwendung einer Klemmhulse 37 vorgeschlagen, die über einen Bund 36 mit dem Gehäuse des Koppelelements 22 in Eingriff steht.
Schließlich wird in der Figur 5e die Klemmhulse 37 nach Figur 5d um eine Einsteilvorrichtung 38 ergänzt, indem durch die Klemmhulse 37 eine Einstellschraube in ein Gewindesackbohrung des Ventilschafts 7 ragt, so dass durch das Verdre-
hen der Einstellschraube der Ventilschaft 7 mehr oder weniger tief in die Klemmhulse 37 eingezogen werden kann.
Die in den Fig. 5a-5e vorgestellten Verbindungstechniken können selbstverständlich bei Wunsch oder Bedarf mit kraft-, form- und/oder stoffschlussige Verbindungsvarianten vielfaltig kombiniert werden.
Der erfindungsgemaß vorgeschlagene Ventilantrieb zeichnet sich zusammenfassend durch folgende Merkmale aus:
1. Eine leicht fug- und trennbare Funktionsgruppen, bestehend aus dem Stander 1 mit Laufer 12, dem Koppelelement 22 und dem Gaswechselventil 11.
2. Anordnung von über den Umfang des Grundjochs 9 (erster Endbereich des Standers 1) verteilten Durchfuhrungen 8. Damit werden die Verluste im Magnetkreis um Potenzen reduziert, da der Magnetkreis in diesem Bereich nicht wie bisher nur über einen großen ringförmig umlaufenden Luftspalt geschlossen wird, sondern über die magnetisch gut leitenden Stege 20.
3. Einfacher Ausgleich der Fertigungstoleranzen zwischen Stander 1, Laufer 12, Zylinderkopf 2 und Gaswechselventil 11 in Richtung der Langsachse des Ventilantriebs und des Gaswechselventils 11 durch eine verbluffend einfache Ankoppe- lung und Ventileinstellung, indem unter Bezug auf die Darstellung nach Figur 1 eine Ventilschließkraft F das Gaswechselventil 11 auf dem Ventilsitzring 16 halt und ein durch die Standerbohrung 14 auf das Koppelelement 22 wirksamer Einstellstift 39 (bei im Zylinderkopf 2 montiertem Stander 1) über das am Laufer 12 ausgebildete Koppelelement 22 eine
Kraft erzeugt, die den Laufer 12 in der genauen Position zum Stander 1 positioniert.
Eine alternative Einstellung mittels einer Einstellschraube ist bereits aus Fig. 5e bekannt.
4. Einfache, toleranzausgleichende Wirkung durch die zwischen dem Ventilantrieb und dem Gaswechselventil 11 angeordneten Hilfsfeder 26.
5. Eine von thermisch induzierten Geometrieveranderungen unabhängige Fuhrung des Laufers 12, wobei Durchmesserveranderungen zwischen Laufer 12 und Stander 1 keinen Einfluß auf die Fuhrung haben. Durch die hierzu vorgeschlagene Verwendung von Fuhrungselementen 13 a-c wird der Laufer 12 auch in einem kritischen Luftspaltbereich sicher gefuhrt und gegen die dort wirkenden hohen magnetischen Querkrafte sowie gegen die Querbeschleunigungskrafte abgestutzt . Die hierzu verwendete Anzahl der Fuhrungselementen kann zwischen zwei und einem Vielfachen variieren.
6. Große zulassige Fertigungstoleranzen der Einzelteile und damit kostengünstige Fertigung des Ventilantriebs.
7. Einfache Montage aller Teile des Ventilantriebs im Zylinderkopf 2.
8. Einfacher Service im Werkstattbetrieb.
9. Die Hilfsfeder 26 verhindert, daß der Ventilteller den Kolben des Verbrennungsmotors berührt und dabei zerstört wird. Die vorgeschlagene Erfindung gewährleistet somit:
- Wirtschaftliche Fertigungstoleranzen
- Wirtschaftliche Montage und automatische Justierung des
Ventilantriebs
- Geringe Verluste im Magnetkreis
- Hohen Wirkungsgrad, da optimal einstellbar und geringe Reibkräfte
- Thermisch stabil auch in der Hochlauf- und Abkühlphase des Motors
- Einfacher Werkstattservice
- Nachstellbar bei starkem Ventilverschleiß
Schließlich ist zu beachten, dass sich die vorgeschlagene Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bietet, unabhängig davon, ob der magnetische Läufer 12 Bestandteil eines Linearmotors, eines Magnetantriebs in Form eines oder mehreren seriell angeordneter Elektromagnete oder eines Piezoantriebs ist.
Bezugszeichenliste
1 Ständer
2 Zylinderkopf
3 Ventilaufnahmebohrung
4 Gaswechselventil
5 Einlasskanal
6 Auslasskanal
7 Ventilschaft
8 Durchführung
9 Grundjoch
10 Abstandshalter
11 Gaswechselventil
12 Läufer
13a Führungselement
13b Führungselement
13c Führungselement
14 Ständerbohrung
15 Ständerkern
16 Ventilsitzring
17 Nockenwelle
18 Tassestössel
19 Läufersteg
20 Verbindungssteg
21 Klemmring
22 Koppelelement
23 Stromspule
24 Mulde
25 Stufenbohrung
26 Hilfsfeder
27 Deckel
28 Stromspulenkammer
29 Magnetring Zahnbereich
Verbindungsjoch
Nut
Ständerinnenbereich
Ringnut
Klemmstift
Bund
Klemmhülse
Einsteilvorrichtung
Einstellstift

Claims

Patentansprüche
1. Ventilantrieb für ein Gaswechselventil in einer Kraftoder Arbeitsmaschine, mit einem magnetischen Läufer, der sich mit einem vom Gaswechselventil entfernt gelegenen, vorzugsweise hohlzylindrischen Läuferabschnitt innerhalb eines mit einer Stromspule versehenen Ständers längsbeweglich erstreckt, so dass ein aus dem Ständer hervorstehendes Ende des Läufers bei Erregung der Stromspule das Gaswechselventil betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (12) mit dem Ständer (1) eine eigenständig handhabbare, vorzugsweise funktionsfähig vorprüfbare Baugruppe bildet, die mit dem Gaswechselventil (11) lösbar verbunden ist.
2. Ventilantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bereich des Ständers (1), der dem Gaswechselventil (11) zugekehrt ist, mehrere Durchführungen (8) vorgesehen sind, durch die sich mehrere am Läufer (12) angeordnete Läuferstege (19) erstrecken.
3. Ventilantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen (8) und die Läuferstege (19) in einem gleichmäßigen Winkelabstand über dem Umfang des Ständers (1) verteilt angeordnet sind.
4. Ventilantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Läuferstege (19) vorgesehenen Durchführungen (8) durch mehrere den Magnetfluss leitenden Verbindungsstege (20) des Ständers (1) voneinander beabstandet sind, wobei die Querschnittsfläche eines jeden Verbindungsstegs (20) wesentlich größer als der Öffnungsquerschnitt eines jeden Durchführung (8) ist.
5. Ventilantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich des Ständers (1), der abgekehrt zum ersten Bereich des Ständers (1) angeordnet ist, mit mehreren am Außen- oder Innenumfang des Läufers (12) angebrachten Führungselementen (13a, 13b, 13c, 13d) im Eingriff steht, wozu die Führungselemente (13a, 13b, 13c, 13d) in mehrere Nuten (32) des Ständers (1) beweglich angeordnet sind, die radial verteilt über dem Außen- oder Innenumfang des Ständers (1) angeordnet sind.
6. Ventilantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (13a, 13b, 13c, 13d) in einem gleichmäßigen Winkelabstand entlang dem Innen- oder dem Außenumfang des Ständers (1) in die Nuten (32) des Ständers (1) eintauchen, wobei zum Ausgleich von Fertigungsund Wärmedehnungstoleranzen der Bauteile die Nuttiefe größer gewählt ist als die Eintauchtiefe der Führungselemente im Betrieb des Läufers (12) .
7. Ventilantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Läufer (12) und dem Gaswechselventil (11) ein Koppelelement (22) angeordnet ist, das eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Läufer (12) und dem Gaswechselventil (11) herstellt.
8. Ventilantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (22) mit einem Rast- und/oder Klemmmechanismus versehen ist, der bevorzugt als Rasthaken oder Klemmring (21) ausgeführt ist.
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