DE19607019A1 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventiles für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechsel­ ventiles für Verbrennungsmotoren nach der im Oberbe­ griff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Bei Ventiltrieben dieser Art ist eine präzise Einstel­ lung besonders wichtig, um Funktionsstörungen oder einen eventuellen Funktionsausfall infolge von Ferti­ gungstoleranzen, Wärmedehnungen und Verschleiß zu ver­ meiden.

Aus der DE 43 36 287 ist bereits eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventi­ les für Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen bekannt. Diese Vorrichtung ist mit einem an dem Gaswechselven­ til befestigten Anker und mit zwei zu beiden Seiten des Ankers angeordneten Schaltmagneten, die das Gas­ wechselventil in einer Offen- und einer Schließstel­ lung halten, ausgeführt. Dabei sind für einen Längen­ ausgleich zur spielfreien Betätigung des Ventiltriebes ein oder mehrere Klemmelemente vorgesehen, die an dem für die Schließstellung zuständigen Schaltmagneten an­ greifen und zwar derart, daß der Schaltmagnet bei ge­ schlossenem Ventil und bei gelöster Klemmung nach­ stellbar ist.

Durch diese bekannte Vorrichtung kann sichergestellt werden, daß der für die Schließstellung zuständige Schaltmagnet "nachgestellt" werden kann bzw. daß der Anker stets an der Auflage- bzw. Polfläche des Magnet­ körpers des Schaltmagneten anliegt.

Diese bekannte Lösung ist jedoch dahingehend verbesse­ rungsfähig, daß eine Hydraulik mit aufwendiger Steue­ rung notwendig ist, um sicherzustellen, daß eine Lö­ sung der Klemmung des Schaltmagneten stets zum richti­ gen Zeitpunkt beim Verbrennungstakt stattfindet.

Die aus der DE 43 36 287 bekannte Vorrichtung weist des weiteren den Nachteil auf, daß bei einem Leerlauf die Verbrennungsdrücke teilweise nicht ausreichen, das Ventil bei Lösung der Klemmung in Schließstellung zu halten, so daß bei diesen Betriebspunkten auf eine "Nachstellung" des Schaltmagneten verzichtet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit einfachen Mitteln Längenänderungen im Ventiltrieb während des Betriebes ausgeglichen werden können.

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

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß auf einfache Weise und sehr zuverlässig sicherge­ stellt wird, daß die Schließstellung des Gaswechsel­ ventiles durch eine Relativbewegung des Ankers gegen­ über dem Führungsglied stets erreicht wird.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung durch das Zusam­ menwirken des Führungsgliedes des Ankers in Verbindung mit der Federeinrichtung, die zwischen dem Führungs­ glied und dem Anker angeordnet ist und den Spielaus­ gleich gewährleistet, "selbststeuernd" ist, kann vor­ teilhafterweise auf zusätzliche Steuermaßnahmen ver­ zichtet werden.

Daraus ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß die Kon­ struktion einfacher gestaltet werden kann und die Fer­ tigungskosten entsprechend gesenkt werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbei­ spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit topfförmigen Schaltmagneten in vergrößertem Maßstab und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung mit rechteckigen Schaltmagneten in ver­ größertem Maßstab.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur elek­ tromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventiles für Verbrennungsmotoren dargestellt, die grundsätzlich von bekannter Bauart ist, weshalb nachfolgend nur die wesentlichen Teile näher beschrieben sind.

Fig. 1 zeigt einen Zylinderkopf 1 mit einem Ventil­ sitzring 2 und einer Ventilführung 3 zur Führung eines Ventiles 4. An dem Ventil 4 ist mittels - nicht näher dargestellte - Ventilkegelstücke ein Ventilfederteller 5 befestigt.

In einer Führungsbuchse 6, die in einem oberen Feder­ halter 7 montiert ist, ist koaxial zu dem Ventil 4 ein als Aktorstange ausgebildetes Führungsglied 8 für ei­ nen als Ankerplatte ausgeführten Anker 10 verschiebbar gelagert. Die Aktorstange 8 weist an ihrem dem Ventil 4 zugewandten Ende einen einstellbaren bzw. demontier­ baren Anschlag 9 auf, gegen den die Ankerplatte 10, welche gegenüber der Aktorstange 8 verschieblich gela­ gert ist, mit Hilfe einer zwischen der Ankerplatte 10 und der Aktorstange 8 angeordneten Federeinrichtung 11 mit einer definierten Vorspannkraft gedrückt wird. Die axiale Beweglichkeit der Ankerplatte 10 ist somit durch die Federeinrichtung 11 und den Anschlag 9 be­ grenzt.

Als Federeinrichtung 11 sind, wie Fig. 1 zeigt, eine oder mehrerer Tellerfedern 11 geeignet, welche sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gegenüber Spi­ ralfedern besonders aufgrund ihres geringen Platzbe­ darfes eignen. So können die Tellerfedern 11 auch bei sehr geringem vorhandenen Federweg einen Längenaus­ gleich zur spielfreien Betätigung des Ventiltriebes sicherstellen.

Zur Führung bzw. Auflage der zwischen der Ankerplatte 10 und der Aktorstange 8 vorgespannt angeordneten Tel­ lerfedern 11 weist die Ankerplatte 10 eine mit ihr verbundene Distanzhülse 12 auf, welche zudem als Füh­ rung der Ankerplatte 10 dient, damit diese nicht auf­ grund der von den Tellerfedern 11 ausgehenden Kraft kippen kann, und an der Aktorstange 8 ist als Gegen­ halter ein weiterer Anschlag 13 ausgebildet.

Ein Federsystem, das eine auf der dem Ventil 4 zuge­ wandten Seite der Ankerplatte 10 angeordnete untere Druckfeder 14 und eine auf der dem Ventil 4 abgewand­ ten Seite der Ankerplatte 10 befindliche obere Druck­ feder 15 aufweist, greift über den Ventilfederteller 5 und den Anschlag 13, welcher auch zur Aufnahme der oberen Druckfeder 15 dient, an.

Aus Gründen der Anschaulichkeit werden in Fig. 1 Schraubenfedern verwendet. Die untere Druckfeder 14, nachfolgend Schließfeder genannt, übt auf das Ventil 4 eine Kraft in Schließrichtung aus, während die obere Druckfeder 15 derart angeordnet ist, daß sie auf das Ventil 4 eine Kraft in Öffnungsrichtung ausübt und so­ mit als Öffnungsfeder 15 fungiert.

In einer Bohrung des Zylinderkopfes 1 ist um das Ven­ til 4 ein unterer Schaltmagnet 16 und über diesem in Betätigungsrichtung des Ventiles 4 ein oberer Schalt­ magnet 17, der um die Aktorstange 8 angeordnet ist, vorgesehen.

Der untere Schaltmagnet 16 ist für eine Offenstellung und der obere Schaltmagnet 17 für eine Schließstellung des Ventils 4 vorgesehen. In bekannter Weise besteht jeder Schaltmagnet 16, 17 aus einer inneren Spule und einem äußeren topfförmigen Magnetkörper.

Beide Schaltmagnete 16, 17 sind in der Bohrung im Zy­ linderkopf 1 fixiert. Die Einbaulage der Schaltmagnete ist so definiert, daß im unbestromten Zustand der Schaltmagnete 16 und 17, d. h. in Mittellage des Ankers 10, das Federsystem, bestehend aus Öffnungsfeder 15 und Schließfeder 14, beim Einbau vorgespannt wird.

Die Vorspannung der Tellerfeder 11 wird so gewählt, daß die daraus resultierende Kraft, die die Ankerplat­ te 10 gegen den Anschlag 9 an der Aktorstange 8 drückt, kleiner ist als die maximale Kraft der Öff­ nungsfeder 15. Dies hat zur Folge, daß die Aktorstange 8 bei nach oben angezogener Ankerplatte 10 stets spiel frei und kraftschlüssig mit dem Schaft des Venti­ les 4 verbunden ist, da die Maximalkraft der Öffnungs­ feder 15 die Tellerfeder 11 so weit zusammendrückt, bis die dadurch nach unten wandernde Aktorstange 8 das Ventil 4 berührt.

Andererseits ist die Vorspannung der Tellerfeder 11 größer als die maximal resultierende Federkraft des Systems, bestehend aus Öffnungsfeder 15 und Schließfe­ der 14, was bedeutet, daß die Ankerplatte 10 nahezu während des gesamten Hubes kraftschlüssig mit dem An­ schlag 9 der Aktorstange 8 verbunden ist. Folglich findet eine Relativbewegung zwischen der Ankerplatte 10 und der Aktorstange 8 in Form einer Trennung der Ankerplatte 10 von dem Anschlag 9 nur bei Bestromung des oberen Magneten 17 bzw. bei nach oben angezogener Ankerplatte 10 statt. Diese Trennung zwischen Anker­ platte 10 und Anschlag 9 ist in den Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, können in einer anderen Ausführungsform die Schaltmagnete 16 und 17 auch nicht topfförmig ausgebildet sein, und die Schließfeder 14 und die Öffnungsfeder 15 können statt innerhalb auch außerhalb der Schaltmagnete eingesetzt werden. Die in Fig. 2 dargestellten Schaltmagnete sind rechteckig ausgebildet und weisen nur eine kleine zentrale Boh­ rung auf, welche jedoch zu klein ist, als daß die Öffnungsfeder 15 und die Schließfeder 16 darin Platz hätten.

Wenn eine hohe Magnetkraft erforderlich ist, sind rechteckige Schaltmagnete vorteilhafter als topfförmi­ ge Schaltmagnete, da der Herstellungsaufwand und damit auch die Herstellungskosten geringer sind. Derartige Schaltmagnete eignen sich besonders dann, wenn das zu betätigende Ventil 4 ein Auslaßventil darstellt, da hier gegen den in einem Verbrennungsraum herrschenden Druck geöffnet werden muß. Dagegen sind topfförmige Schaltmagnete vor allem bei Einlaßventilen ausrei­ chend, da diese mit einem wesentlich geringeren Druck beaufschlagt werden.

Die konstruktiven Merkmale der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung sind im wesentlichen die gleichen wie die der Vorrichtung nach Fig. 1. Auch hier weist eine Ak­ torstange 8 einen Anschlag 9 auf, und eine Distanzhül­ se 12 dient zur Führung von Aktorstange 8 und Anker­ platte 10 sowie zur Auflage von Tellerfedern 11. Zu­ sätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine obere Lagerbüchse 18 und eine untere Lagerbüchse 19 zur Führung der Distanzhülse 12 vorgesehen, wobei die Lagerbüchsen 18 und 19 die Funktion der Führungs­ buchse 6 bei der Konstruktion nach Fig. 1 übernehmen. Die Führung durch die zwei Lagerbüchsen 18, 19 erweist sich dabei jedoch vorteilhafter, da hier im Unter­ schied zu Fig. 1 die Distanzhülse 12 selbst noch au­ ßenseitig geführt ist.

Zur näheren Erläuterung der Funktionsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen wird nun angenommen, daß der obere Schaltmagnet 17 bestromt wird. Dabei wird die Ankerplatte 10 zusammen mit der Aktorstange 8 nach oben gezogen und kraftschlüssig mit dem oberen Schaltmagnet 17 verbunden, wodurch eine Ventilschließstellung erreicht wird.

Das Ventil 4 folgt der Aktorstange 8 aufgrund der Kraft der Schließfeder 14 soweit, bis es zu einem Auf­ setzen des Ventils 4 im Ventilsitzring 2 kommt. Das Aufsetzten des Ventils 4 im Ventilsitzring 2 erfolgt dabei vor dem Aufsetzen der Ankerplatte 10 auf dem Schaltmagneten 17. Das bedeutet, daß sich nach dem Aufsetzen des Ventils 4 im Ventilsitzring 2 die Aktor­ stange 8 von dem Ventilschaft 4 abheben würde und die Schließfeder 14 nun von dem Gesamtfedersystem entkop­ pelt wäre. Da die Vorspannkraft der Tellerfeder 11 aber geringer ist als die Maximalkraft der Öffnungsfe­ der 15, wird diese, beim Anziehen der Ankerplatte 10 durch den oberen Schaltmagneten 17, zusammengedrückt, so daß ab dem Zeitpunkt des Aufsetzens des Ventils 4 im Ventilsitzring 2 eine Relativbewegung der Anker­ platte 10 gegenüber der Aktorstange 8, die sich ab diesem Zeitpunkt nicht weiter nach oben bewegt, statt­ findet.

Die sich einstellenden Federkräfte zwischen der Anker­ platte 10, der Aktorstange 8 und dem Schaft des Venti­ les 4 ergeben sich aus dem Einbauspiel, d. h. aus dem Spiel zwischen der Aktorstange 8 und dem Ventil 4 bei angezogener Ankerplatte 10 und Montage ohne der Öffnungsfeder 15.

Somit errechnet sich beispielsweise die Ventilzuhalte­ kraft F _{Ventilzuhaltekraft} aus der Summe von Tellerfe­ derkraft F _Tellerfeder und Vorspannkraft der Schließ­ feder F _{Vorspannkraft Schließfeder} abzüglich der Kraft der Öffnungsfeder F _{Öffnungsfeder}.

Durch das Spiel zwischen Ankerplatte 10 und Anschlag 9 kommt es beim Öffnen des Ventils 4 zu einem Hubverlust in Höhe dieses Spiels.

Da die Kraft der Tellerfeder 11 der beschriebenen Vor­ richtung stets größer ist als die maximal resultieren­ de Federkraft des Gesamtsystems, wird die Ankerplatte 10 nahezu während des gesamten Hubes mit dem Anschlag 9 kraftschlüssig verbunden. Ein Spiel zwischen Anker­ platte 10 und Anschlag 9 entsteht erst nach Aufsetzen des Ventils 4 im Ventilsitzring 2, wenn die Aktorstan­ ge 8 zum Stillstand kommt und die Ankerplatte 10 sich aufgrund der Anziehungskraft des oberen Schaltmagneten 17 weiter nach oben bewegt.

Daher soll im folgenden für thermische Längenänderun­ gen und Setzerscheinungen im Ventilsitzring 2 nur die Ventilschließstellung bei nach oben angezogener Anker­ platte 10 betrachtet werden. Des weiteren ist sowohl für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems als auch für den Längenausgleich zwischen Aktorstange 8 und Ventil 4 allein die Ventilschließstellung von Interes­ se, da nur in dieser Stellung der Ankerplatte 10 ein Spiel vorhanden ist.

Wie oben bereits beschrieben, weist die Vorrichtung bei nach oben angezogener Ankerplatte 10 einen Spalt zwischen Ankerplatte 10 und Anschlag 9 auf, der vor­ zugsweise kleiner als 1 mm ist. Wandert nun das Ventil 4 aufgrund von Setzerscheinungen im Ventilsitzring 2 oder aufgrund thermischer Längungen des Ventilschaftes nach oben, so wird die Aktorstange 8 aufgrund der an­ liegenden Vorspannkraft der Schließfeder 14 und der Kraft der Tellerfeder 11 auch nach oben gedrückt, wo­ bei die Tellerfeder geringfügig entspannt und die Öff­ nungsfeder 15 um denselben Betrag mit Druck beauf­ schlagt bzw. zusammengedrückt wird. Dies führt zu ei­ ner Verkleinerung des Spaltes zwischen der Ankerplatte 10 und dem Anschlag 9.

Kommt es andererseits zu einer Ausdehnung des Zylin­ derkopfes 1 bei gleichbleibender Länge des Ventiles 4 bzw. des Ventilschaftes, so sinkt die vom Ventilschaft 4 auf die Aktorstange 8 übertragene Kraft, da das Ven­ til 4 der Aktorstange 8 nicht nach oben folgen kann. Die maximale Kraft der Öffnungsfeder 15 drückt die Tellerfeder 11 daraufhin soweit zusammen, bis die Aktorstange 8 nach unten wandert und kraftschlüssig mit dem Ventilschaft 4 verbunden wird. Die nun am Ven­ tilschaft 4 anliegende Vorspannkraft der Schließfeder 14 reicht aus, um die Aktorstange 8 in der entspre­ chenden Position zu halten. Damit ist ein Kräfte­ gleichgewicht zwischen den drei Federn 11, 14 und 15 erreicht.

Wird nun der obere Schaltmagnet 17 abgeschaltet, so bewegt sich das gesamte System aufgrund der Kraft der Öffnungsfeder einschließlich des Ventiles nach unten, wobei die Ankerplatte 10 bezüglich der Aktorstange 8 aufgrund der Kraft der Tellerfedern 11 zusätzlich eine Relativbewegung in Richtung des Anschlages 9 durch­ führt.

Sobald die Ankerplatte 10 den Anschlag 9 erreicht hat, bewegt sich das gesamte System geschlossen nach unten, da die Vorspannung der Tellerfeder 11 wesentlich grö­ ßer ist als die maximal resultierende Federkraft des mit Öffnungsfeder 15 und Schließfeder 14 ausgebildeten Systems.

Die Ankerplatte 10 wird in der unteren Stellung von dem Schaltmagneten 16 gehalten. Nach dem Abschalten des unteren Schaltmagneten 16 bewegt sich das gesamte System nach oben bis das Ventil 4 im Ventilsitzring 2 aufsitzt. Von diesem Zeitpunkt an wird nur noch die Ankerplatte 10 entgegen der Kraft der Tellerfedern 11 aufgrund der Magnetkraft des oberen Schaltmagneten 17 nach oben gezogen. Dies bedeutet, daß die Aktorstange 8 weiterhin kraftschlüssig mit dem Ventil 4 verbunden bleibt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung ei­ nes Gaswechselventiles für Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen mit einem mit dem Gaswechselventil zu­ sammenwirkenden Anker, mit jeweils zwei zu beiden Seiten des Ankers angeordneten Schaltmagneten, die das Gaswechselventil in einer Offen- und in einer Schließstellung halten, und mit Druckfedern, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Längenausgleich zur spielfreien Betäti­ gung des Ventiltriebes koaxial zu dem Gaswechsel­ ventil (4) ein Führungsglied (8) für den Anker (10) angeordnet ist, gegenüber dem der Anker (10) ver­ schieblich gelagert ist, und daß zwischen dem Füh­ rungsglied (8) und dem Anker (10) eine Federein­ richtung (11) vorgesehen ist, wobei über die Feder­ einrichtung (11) und die beidseitig des Ankers (10) angeordneten Druckfedern (14,15) eine spielfreie Verbindung zwischen dem Führungsglied (8) und dem Ventil (4) herstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsglied (8) als Aktorstange ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung mit wenigstens einer Teller­ feder (11) versehen ist, welche zwischen dem als Ankerplatte (10) ausgebildeten Anker und einem An­ schlag (13) auf der Aktorstange (8) vorgespannt an­ geordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine spielfreie und kraftschlüssige Verbindung zwi­ schen dem dem Ventil (4) zugewandten Ende der Aktorstange (8) und dem der Aktorstange zugewandten Ende des Ventiles (4) bei nach oben angezogener An­ kerplatte (10) hergestellt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (10) in ihrer axialen Verschiebbar­ keit durch einen verstellbaren, auf der Aktorstange (8) befestigbaren Anschlag (9) begrenzt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anker (10) und den Tellerfedern (11) eine Distanzhülse (12) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der dem Ventil (4) zugewandten Seite des Ankers (10) angeordnete Druckfeder als Schließfeder (14) und die auf der dem Ventil (4) abgewandten Seite des Ankers (10) angeordnete Druckfeder als Öffnungsfeder (15) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließfeder (14) und die Öffnungsfeder (15) innerhalb oder außerhalb der Schaltmagnete (16, 17) angeordnet sind.