DE10248330A1

DE10248330A1 - Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung mit einstellbarer Neutralstellung

Info

Publication number: DE10248330A1
Application number: DE10248330A
Authority: DE
Inventors: Johannes Meyer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-04-29
Also published as: EP1552117A1; DE50309591D1; US20050178990A1; US7188823B2; JP2006503211A; JP4324556B2; EP1552117B1; WO2004035999A1

Abstract

Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem axial verschieblichen Stellglied zum Öffnen bzw. Schließen eines Ventils, wobei das Stellglied eine Ankerplatte aufweist. Ferner sind zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordnete und voneinander beabstandete Elektromagneten vorgesehen, wobei der eine Elektromagnet auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte und der andere Elektromagnet auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte angeordnet ist. Weiter sind zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordnete Federn vorgesehen, wobei eine der Federn auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte und die andere auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte angeordnet ist und das Stellglied in einer Neutralstellung halten, wenn die Elektromagneten stromlos sind und das Stellglied durch Bestromen der Elektromagneten aus seiner Neutralstellung auslenkbar ist. Ein Verstellelement liegt an dem ankerplattenfernen Ende der einen der beiden Federn an. Durch Verstellen des Verstellelements ist die Vorspannung der Federn und die Lage der Neutralstellung des Stellglieds veränderbar. Das Verstellelement ist in Verschieberichtung verschieblich angeordnet und es ist eine Betätigungseinrichtung vorgesehen, die ein Verschieben des Verstellelements während des Betriebs der Ventiltriebvorrichtung und somit ein Verstellen der Neutralstellung ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 694 09 485 T2 bekannt, auf deren Inhalt in der vorliegenden Anmeldung in vollem Umfang Bezug genommen wird. Die dort beschriebene Ventiltriebvorrichtung weist ein Stellglied bzw. einen „Anker" mit einer „Ankerplatte" auf. Das Stellglied mit der Ankerplatte ist verschieblich angeordnet und zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors, d.h. eines Einlassventils oder eines Auslassventils vorgesehen. Die Ankerplatte ist zwischen zwei in Verschieberichtung voneinander beabstandeten Elektromagneten angeordnet. Der eine Elektromagnet ist auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte und der andere auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte angeordnet. Ferner sind zwei Druckfedern vorgesehen, wobei die eine Druckfeder ebenfalls auf der ventilnahen Seite und die andere Druckfeder auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte angeordnet ist. Die Druckfedern drücken das Stellglied bzw. die Ankerplatte in eine Neutralstellung. In der Neutralstellung heben sich die Federkräfte gerade gegeneinander auf. Durch Bestromen eines bzw. beider Elektromagneten kann das Stellglied bzw. die Ankerplatte entgegen den Federkräften ausgelenkt werden. Durch Auslenken des Stellglieds kann das mit dem Stellglied verbundene Ventil geöffnet bzw. geschlossen werden. In der Neutralstellung des Stellglieds befindet sich das Ventil in einer "Mittelstellung", in der es teilweise geöffnet ist. Zur Feinjustierung der Neutralstellung ist eine Innensechskantschraube vorgesehen, die gegen das ventilferne Ende der ventilfernen Druckfeder drückt. Durch Verdrehen der Einstellschraube kann die Vorspannung der beiden Federn und somit die Lage Neutralstellung des Stellglieds in Bezug auf die Elektromagneten verändert werden.

Eine Verstellung der Neutralstellung des Stellglieds ist mit erheblichem Arbeitsaufwand verbunden und nur in der Werkstatt möglich. Eine fest eingestellte Neutralstellung des Stellglieds ist jedoch für manche Betriebszustände des Motors stets ein energetischer "Kompromiss". Zum Öffnen bzw. Schließen des Ventils muss wahlweise der eine oder andere Elektromagnet bestromt werden. Zur Minimierung des Bedarfs an elektrischer Energie wäre es wünschenswert, wenn die Neutralstellung des Stellglieds während des Betriebs des Verbrennungsmotors veränderbar wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung zu schaffen, die hinsichtlich des Energiebedarfs optimiert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von einer elektromagnetischen Ventiltriebvorrichtung mit einem axial verschieblichen Stellglied zum Öffnen bzw. Schließen eines Ventils aus. Das Stellglied weist eine Ankerplatte auf. Ferner sind zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordnete und voneinander beabstandete Elektromagneten vorgesehen, wobei der eine Elektromagnet auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte und der andere Elektromagnet auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte angeordnet ist. Zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordnete Federn, die eine auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte und die andere auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte drücken das Stellglied bzw. die Ankerplatte in eine Neutralstellung, wenn die Elektromagneten stromlos sind. Durch Bestromen der Elektromagneten kann das Stellglied bzw. die Ankerplatte aus der Neutralstellung ausgelenkt werden. An einem Ende einer der beiden Federn ist ein Anschlagelement vorgesehen. Durch Verstellen des Anschlagelements kann die Vorspannung der Federn und somit die Lage der Neutralstellung des Stellglieds in Bezug auf die Elektromagneten verändert werden.

Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Anschlagelement in Verschieberichtung des Stellglieds verschieblich angeordnet ist und dass eine Betätigungseinrichtung vorgesehen ist, die ein Verschieben des Anschlagelements während des Betriebs der Ventiltriebvorrichtung ermöglicht. Während des Betriebs des Motors ist also eine Verstellung der Neutralstellung des Stellglieds möglich.

In Abhängigkeit vom Lastzustand kann somit die Neutralstellung des Stellglieds bzw. der Ankerplatte verändert werden. D.h., die Neutralstellung, in der sich die Kräfte der beiden Federn gerade aufheben, kann in Richtung des ventilnahen Elektromagneten oder in Richtung des ventilfernen Elektromagneten verschoben werden. Je nachdem, ob es sich bei dem Ventil um ein Einlassventil oder um ein Auslassventil handelt, ist es in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors aus energetischen Gründen sinnvoll, die Neutralstellung des Stellglieds während des Betriebs zu verändern.

Beim Auslassventil ist es sinnvoll, beim Start des Motors bzw. im Niedriglastbetrieb das Stellglied bzw. die Ankerplatte in eine Neutralstellung zu bringen, die der Mittelstellung zwischen den beiden Elektromagneten entspricht. In dieser Neutralstellung ist die Ankerplatte gleich weit von beiden Elektromagneten entfernt, sofern diese nicht bestromt sind. Im Lastbetrieb hingegen ist es energetisch vorteilhaft, wenn die Neutralstellung des Stellglieds zum ventilnahen Elektromagneten hin verschoben wird. Dies ist durch Betätigen des Betätigungselementes möglich. Durch Betätigen des Betätigungselementes kann das an einem Federende anliegende Anschlagelement in Verschieberichtung des Stellglieds verschoben werden. Durch Verschieben des Anschlagelements kann die Vorspannung der beiden Federn und somit die Lage der Neutralstellung verändert werden.

Bei einem Einlassventil hingegen ist es vorteilhaft, wenn das Stellglied bzw. die Ankerplatte nach dem Motorstart bzw. im Leerlauf und im Teillastbetrieb sich nicht in der Mittelstellung zwischen den beiden Elektromagneten befindet, sondern zum ventilfernen Elektromagneten hin verschoben ist. Durch Betätigen der Betätigungseinrichtung kann im Lastbetrieb kann das Stellglied so verschoben werden, dass seine Neutralstellung der Mittelstellung zwischen den beiden Elektromagneten entspricht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine hydraulische Betätigungseinrichtung vorgesehen. Vorzugsweise weist die Betätigungseinrichtung einen Schwenkhebel mit einem kurzen und einem langen Hebelarm auf. Der kurze Hebelarm wirkt mit dem Anschlagelement der Betätigungseinrichtung zusammen. Der lange Hebelarm hingegen wird durch einen Hydraulikzylinder mit einer Verstellkraft beaufschlagt. Der Hydraulikzylinder kann über ein absperrbares Magnetventil mit dem Motorölkreislauf verbunden sein. Im Lastbetrieb des Verbrennungsmotors ist der Motoröldruck hinreichend groß, so dass bei geöffnetem Magnetventil der Schwenkarm zur Verstellung der Neutralstellung betätigbar ist.

Da der erforderliche Verstellweg des Stellglieds von der einen zur anderen Neutralstellung nur wenige Zehntel Millimeter beträgt und die Verstellkräfte relativ groß sind, ist es zweckmäßig, einen Schwenkhebel mit einem Übersetzungsverhältnis von 10 bis 15 vom langen auf den kurzen Hebelarm zu verwenden. Durch die Wahl eines Übersetzungsverhältnisses von 10 bis 15 kann die hohe Kraft der Ventilfeder auf ein niedrigeres Kraftniveau verringert werden, welches dann durch den Motoröldruck und einen Kolben mit relativ kleiner Kolbenfläche aufgebracht werden kann. Durch ein derart großes Übersetzungsverhältnis werden auch die Auswirkungen der Toleranzen im Kolbenweg verringert, die im umgekehrten Verhältnis zum Übersetzungsverhältnis sich auf die Neutrallage auswirken und somit die Fertigung der Hydraulikeinheit vereinfachen.

Bei einer Betätigung der Betätigungsvorrichtung wird das eine Ende der oberen bzw. ventilfernen Feder mittels des Schwenkhebels um den doppelten Betrag der gewünschten Neutrallagenverstellung in Verschieberichtung verschoben.

Zur Feinjustierung der Neutralstellung kann am kurzen Hebelarm des Schwenkhebels eine Einstellschraube vorgesehen sein. Die Einstellschraube kann unmittelbar in den kurzen Hebelarm eingeschraubt sein und gegen das Anschlagelement der ventilfernen Feder drücken. Vorzugsweise ist die Einstellschraube durch eine Schraubensicherung gegen Verdrehen gesichert, beispielsweise durch eine Kontermutter. Eine solche Betätigungseinrichtung kann einem einzigen Ventil zugeordnet sein. Vorzugsweise ist eine solche Betätigungseinrichtung aber zur Verstellung der Stellglieder zweier oder mehrerer Ventile vorgesehen sein.

Bei Verwendung einer hydraulischen Betätigungseinrichtung können die den Einlassventilen bzw. den Auslassventilen zugeordneten Hydraulikkolben jeweils durch eine gemeinsame Ölleitung miteinander verbunden sein und über ein einfaches Magnetventil an den Motorölkreislauf angeschlossen sein.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ermöglicht die Betätigungseinrichtung eine "Zweipunktverstellung". D.h., das Stellglied ist zwischen genau zwei Neutralstellungen umschaltbar. In diesem Fall ist keine Sensorik zur Detektierung der Neutrallagenstellung erforderlich.

Alternativ dazu kann durch entsprechende Steuerung des Hydraulikdrucks auch eine kontinuierliche Neutrallagenverstellung vorgesehen sein. D.h., es können nicht nur eine obere und eine untere Neutrallage eingestellt werden, sondern auch beliebige dazwischen liegende Neutralstellungen.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Neutrallagenverstelleinrichtung;
2 die Neutrallagenverstelleinrichtung im Querschnitt in einer unbetätigten Stellung;
3 die Neutrallagenverstelleinrichtung in einer betätigten Stellung;
4 einen Schnitt durch die Ventiltriebvorrichtung bei geschlossenem Ventil; und
5 eine Draufsicht auf die Neutrallagenverstelleinrichtung.
1 zeigt einen Aktuator 1 einer elektromagnetischen Ventiltriebvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Der Aktuator 1 ist zur Betätigung von zwei Ventilen, z.B. von zwei Auslassventilen oder zwei Einlassventilen vorgesehen. Die Ventile sind in der gezeigten Darstellung nicht dargestellt. Für die Ventilbetätigung ist jedem Ventil ein Stellglied zugeordnet, das durch eine Ankerstange 2 (vgl. 2, 3) und eine Ankerplatte 3 (4) gebildet ist. Auf beiden Seiten der Ankerplatte ist jeweils eine Ventilfeder vorgesehen, wobei in den 1 bis 3 jeweils nur eine obere Ventilfeder dargestellt ist, die auch als ventilferne Ventilfeder 4, 5 bezeichnet werden kann. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Stellglieds mit zwei entgegengesetzt wirkenden Ventilfedern ist beispielsweise aus der DE 694 09 485 T2 bekannt, auf die, wie bereits erwähnt, in vollem Umfang Bezug genommen wird. Die beiden Ventilfedern, von denen hier jeweils nur die obere Ventilfeder 4, 5 dargestellt ist, drücken die Ankerstange 2 mit ihrer Ankerplatte 3 in eine Neutralstellung. In der Neutralstellung heben sich die Kräfte der einander entgegenwirkenden oberen bzw. unteren Ventilfedern gerade auf. In der Neutralstellung der Ankerstange bzw. der Ankerplatte ist das mit der Ankerstange zusammenwirkende Ventil teilweise geöffnet, z.B. halb geöffnet. Zum vollständigen Öffnen bzw. Schließen der Ventile ist pro Ventil jeweils ein ventilnaher und ein ventilferner Elektromagnet vorgesehen.
In den 2 und 3 ist jeweils nur der oberhalb der Ankerplatte angeordnete ventilferne Elektromagnet 6 dargestellt.
In 4 ist zusätzlich der ventilnahe Elektromagnet 7 dargestellt. Die beiden Elektromagneten 6, 7 sind in Verschieberichtung der Ankerstange 2 bzw. der Ankerplatte 3 voneinander beabstandet. Im Schaltzustand der 4 ist der ventilferne Elektromagnet 6 bestromt. D.h., die Ankerplatte 3 wird vom ventilfernen Elektromagneten angezogen und das mit der Ankerstange 2 verbundene Ventil ist geschlossen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist am ventilfernen Ende der Ankerstange 2 ein Anschlagelement 8 angebracht, das zur Abstützung der oberen Ventilfeder 4, 5 vorgesehen ist. Ferner ist ein weiteres Anschlagelement 9 vorgesehen. Die ventil ferne Ventilfeder 4 ist somit zwischen den beiden Anschlagelementen 8, 9 eingespannt. Das obere Anschlagelement 9 wird durch einen Schwenkhebel 10 bzw. 10' beaufschlagt. Der Schwenkhebel 10 bzw. 10' weist einen kurzen Hebelarm 11 bzw. 11' und einen langen Hebelarm 12 bzw. 12' auf. In den kurzen Hebelarm 11 bzw. 11' ist jeweils eine Justierschraube 13 bzw. 13' eingeschraubt, die unmittelbar gegen das obere Anschlagelement 9 bzw. 9' drückt. Durch Verdrehen der Einstellschraube 13 bzw. 13' kann die Neutralstellung der Ankerstange 2 bzw. der Ankerplatte 3 feinjustiert werden.
Wie am besten aus 5 ersichtlich ist, sind die Schwenkhebel 10 jeweils um eine gestrichelt eingezeichnete Schwenkachse 14, 14' schwenkbar, die den Schwenkhebel 10, 10' in den kurzen Hebelarm 11, 11' und in den langen Hebelarm 12, 12' unterteilt.
Wie am besten aus den 2, 3 und 5 ersichtlich ist, werden die beiden langen Hebelarme 12, 12' durch einen gemeinsamen hydraulisch beaufschlagten Kolben 15 beaufschlagt. Der Kolben 15 kann über ein absperrbares Magnetventil an den Motorölkreislauf angeschlossen werden.
2 zeigt den deaktivierten Zustand. In diesem Zustand ist der Kolben 15 nicht mit Motoröldruck beaufschlagt. 3 hingegen zeigt einen Zustand, in dem der Hydraulikkolben 15 durch Motoröldruck nach oben verschoben ist. Dementsprechend ist der Schwenkhebel 10 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Über den kurzen Hebelarm 11 des Schwenkhebels 10 wird das obere Anschlagelement 9 nach unten gedrückt. Dadurch wird die ventilferne Feder 4 und die zugeordnete ventilnahe Feder 5 zusammengedrückt. D.h., die beiden Federn werden weiter vorgespannt. Zusätzlich wird dadurch die Ankerstange 2 bzw. die Ankerplatte 3 in Richtung des ventilnahen Elektromagneten (vgl. 4) verschoben. Durch Betätigen des Kolbens 15 kann also die Neutralstellung der Ankerstange 2 bzw. der Ankerplatte 3 innerhalb des Zwischenraums 16 (vgl. 4), der zwischen dem ventilfernen Elektromagneten 6 und dem ventilnahen Elektromagneten 7 vorgesehen ist, verändert werden.
Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch jedem Ventil oder genauer gesagt jeder Ventilstange bzw. jeder Ankerplatte eine separate Betätigungseinrichtung, d.h. ein separater Kolben 15 zugeordnet sein.
Vollständigkeitshalber wird noch auf einen Ölzulauf 17 (vgl. 1, 4) hingewiesen, über den der Ventiltrieb mit Motoröl versorgt wird.

Claims

Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem axial verschieblichen Stellglied (2, 3) zum Öffnen bzw. Schließen eines Ventils, wobei das Stellglied (2, 3) eine Ankerplatte (3) aufweist, zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordneten und voneinander beabstandeten Elektromagneten (6, 7), wobei der eine Elektromagnet (7) auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte (3) und der andere Elektromagnet (6) auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte (3) angeordnet ist, zwei in Verschieberichtung hintereinander angeordneten Federn (4), wobei eine der Federn auf der ventilnahen Seite der Ankerplatte (3) und die andere auf der ventilfernen Seite der Ankerplatte (3) angeordnet ist und das Stellglied (2, 3) in einer Neutralstellung halten, wenn die Elektromagneten (6, 7) stromlos sind und das Stellglied (2, 3) durch Bestromen der Elektromagneten (6, 7) aus seiner Neutralstellung auslenkbar ist, einem Verstellelement (9), an dem das ankerplattenferne Ende der einen der beiden Federn (4) anliegt, wobei durch Verstellen des Verstellelements (9, 10) die Vorspannung der Federn und die Lage der Neutralstellung des Stellglieds (2, 3) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (9) in Verschieberichtung verschieblich angeordnet ist und eine Betätigungseinrichtung (10, 15) vorgesehen ist, die ein Verschieben des Verstellelements (9) während des Betriebs der Ventiltriebvorrichtung und somit ein Verstellen der Neutralstellung ermöglicht.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ventil durch das Stellglied (2, 3) aus seiner Neutralstellung in eine Öffnungsstellung und in eine Schließstellung verschiebbar ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ankerplatte (3) in einer Neutralstellung des Stellglieds (2, 3) von den beiden Elektromagneten (6, 7) jeweils gleich weit beabstandet ist, wenn die Betätigungseinrichtung (10, 15) unbetätigt ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Ventil ein Auslassventil ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei durch Betätigen der Betätigungseinrichtung (10, 15) das Stellglied (2, 3) in eine andere Neutralstellung verschiebbar ist, in der der Abstand der Ankerplatte (3) vom ventilnahen Elektromagnet (7) kleiner ist als der Abstand der Ankerplatte (3) vom ventilfernen Elektromagnet (6).
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ankerplatte (3) in einer Neutralstellung des Stellglieds (2, 3) von den beiden Elektromagneten (6, 7) unterschiedlich weit beabstandet ist, wenn die Betätigungseinrichtung (10, 15) unbetätigt ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Stellglied (2, 3) durch Betätigen der Betätigungseinrichtung (10, 15) in eine andere Neutralstellung verschiebbar ist, in der die Ankerplatte (3) von den beiden Elektromagneten jeweils gleich weit beabstandet ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 6, wobei in der Neutralstellung des Stellglieds (2, 3) der Abstand zwischen der Ankerplatte und dem ventilnahen Elektromagnet (7) größer ist als der Abstand zwischen der Ankerplatte (3) und dem ventilfernen Elektromagnet (6).
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ventil ein Einlassventil ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Betätigungseinrichtung einen Schwenkhebel (10) mit einem kurzen Hebelarm (11) und einem langen Hebelarm (12) aufweist, wobei der kurze Hebelarm (11) mit dem Verstellelement (9) zusammenwirkt und der lange Hebelarm (12) durch einen Hydraulikkolben mit einer Verstellkraft beaufschlagbar ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Hydraulikkolben (15) in einem Hydraulikzylinder angeordnet ist, der an den Motorölkreislauf angeschlossen ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Hydraulikzylinder über ein absperrbares Magnetventil an dem Motorölkeislauf angeschlossen ist.
Elektromagnetische Ventiltriebvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei am kurzen Hebelarm (11) eine Einstellschraube (13) vorgesehen ist, welche eine Feinjustierung der Neutralstellung ermöglicht.