DE19647305C1 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektro­ magnetischen Betätigung eines Gaswechselventiles für Verbrennungsmotoren nach der im Oberbegriff von An­ spruch 1 näher definierten Art.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE 43 36 287 C1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sollen Längenände­ rungen im Ventiltrieb während des Betriebes ausgegli­ chen werden. Hierzu dienen Klemmelemente. Wird bei ge­ schlossenem Ventil die Klemmung des Schaltmagneten durch die Klemmelemente gelöst, so zieht sich der Schaltmagnet über den Anker entsprechend an. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der für die Schließ­ stellung zuständige Schaltmagnet "nachgestellt" werden kann, bzw. es wird dafür gesorgt, daß der Anker stets exakt an der Auflage- bzw. Polfläche des Magnetkörpers des Schaltmagneten anliegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die eingangs erwähnte Vorrichtung weiter im Sinne ei­ nes einfachen hydraulischen Längenausgleiches im Ven­ tiltrieb während des Betriebes zu verbessern.

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

Der Aktor ist nunmehr gemäß der Erfindung schwimmend gelagert. Dies bedeutet, daß die komplette Aktorein­ heit mit den Elektromagneten, der Ankerplatte und den übrigen Teilen entlang der Ventilachse im Zylinderkopf verschiebbar eingebaut ist. Hierzu kann die Aktorein­ heit aus einem vormontierbaren Bauteil bestehen. Durch das bewußt austretende Druckmittel, im allgemeinen Öl, können als weiterer Vorteil damit auch alle bewegten Teile der Vorrichtung mittels einer entsprechenden Ka­ nalführung mit Schmieröl versorgt werden.

Durch den Spielausgleichskolben wird sowohl "positi­ ves" als auch "negatives" Ventilspiel ausgeglichen. "Negatives" Ventilspiel bedeutet, daß das Ventil nicht mehr richtig schließt. In diesem Falle wird Druckmit­ tel aus dem zweiten Druckraum solange abgeführt, bis das Ventilspiel Null ist bzw. ein Längenausgleich er­ folgt ist. Umgekehrt wird bei einem "positiven" Spiel, d. h. daß bei einem korrekt auf dem Ventilsitz liegen­ den Ventil zwischen dem Ventilschaft und der Aktorein­ heit ein Spiel vorhanden ist, solange Druckmedium in den ersten Druckraum des Spielausgleichkolbens zugege­ ben, bis das vorstehend genannte Spiel wieder ausge­ glichen ist bzw. bis der Ventilschaft spielfrei mit der Aktoreinheit zusammenwirkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beiden nachfolgend an­ hand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispie­ len.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Eine Aktoreinheit weist zwei Elektromagnete 1 und 2, eine obere Feder 3, die sich an einem Federteller 4 abstützt, einen Führungsstift 5 und eine Ankerplatte 6 auf. Die Aktoreinheit ist in einem Zylinderkopf 7 an­ geordnet und längs der Ventilachse verschiebbar bzw. schwimmend eingebaut. Die Aktoreinheit kann aus einem vormontierbaren Bauteil bestehen. Bei Rechteckaktoren kann die obere Führung über ein Gehäuse einer hydrau­ lischen Spielausgleichseinrichtung 8 oder durch ein zusätzliches Bauteil realisiert werden. Die untere Führung wird durch ein zylindrisches Teil dargestellt. Bei Topfmagneten mit zylindrischer Magnetform kann das Gehäuse des Aktors selbst als Führung verwendet wer­ den.

Ein Ventil 9, das im geschlossenen Zustand an einem Ventilsitzring 10 anliegt, ist weiter mit einer unteren Feder 11 versehen, die sich mit ihrem einen Ende am Zylinderkopf 7 und mit ihrem anderen Ende an einer Stützplatte 12 abstützt, die sich am hinteren Ende ei­ nes Ventilschaftes 13 des Ventils 9 befindet. Der Ven­ tilschaft 13 fluchtet mit dem bzw. liegt koaxial zu dem Füh­ rungsstift 5 und im Idealzustand soll stirnseitig zwi­ schen den beiden Teilen kein Spiel vorhanden sein.

Die Spielausgleichseinrichtung 8 weist als zentrales Teil einen Spielausgleichskolben 14 und einen diesen umgebenden Zylinder 15 auf. Der Spielausgleichskolben 14 weist einen ersten, oberen Druckraum 16 und einen zweiten, unteren Druckraum 17 auf. Zwischen den beiden Druckräumen 16 und 17 befindet sich ein Rückschlagven­ til 18, das durch eine Rückhaltefeder 19 in Schließ­ stellung gehalten wird. Das Rückschlagventil 18 öffnet bei Überdruck in Richtung zum zweiten Druckraum 17. Zwischen dem Spielausgleichskolben 14 und dem Zylinder 15 liegt ein gewolltes Spiel als Drosselverbindung 28 derart vor, daß in Form einer gedrosselten Druckmit­ telableitung Druckmittel aus dem zweiten Druckraum 17 nach außen entweichen kann. Wie aus der Zeichnung er­ sichtlich kann das auf diese Weise verdrängte Druck­ mittel über Spalte zwischen einem Abschlußdeckel 20 und dem oberen Elektromagneten 1 sowie zwischen der Aktoreinheit und dem Zylinderkopf 7 gezielt ent­ weichen.

Der Spielausgleichskolben 14 ist zentrisch bzw. koaxi­ al zur Ventillängsachse im oder außerhalb des oberen Elektromagneten 1 positioniert. Auf die Weise liegt der Kraftfluß der Federn 3 und 11 des Ventils 9 und der Spielausgleichseinrichtung 8 auf einer Achse.

Je nach Ausführung ist der Werkstoff der Ventilkugel des Rückschlagventiles 18 nichtmagnetisch auszuführen, um den Einfluß der Feldkräfte für die Ausgleichsfunk­ tion auszuschließen.

Durch eine entsprechende Führung des aus dem zweiten Druckraum 17 austretenden Druckmittels als Öl können über entsprechende Bohrungen und Kanäle alle bewegten Teile mit Schmieröl versorgt werden.

Die beiden Elektromagnete 1 und 2 der Aktoreinheit sind fest miteinander verbunden, jedoch längs zur Ven­ tilachse verschieblich. Über eine Druckmittelzuleitung 21 wird der Spielausgleichskolben 14 motordruckabhän­ gig mit Druckmittel versorgt.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 funktioniert auf folgende Weise:

Sobald der Elektromagnet 1 die Ankerplatte 6 in der Schließposition hält, wird das Ventilspiel über die Spielausgleichseinrichtung ausgeglichen. Die Spielaus­ gleichseinrichtung 8 stützt sich dabei an dem Ab­ schlußdeckel 20 ab, der mit dem Zylinderkopf 7 fest verbunden ist. Die Spielausgleichseinrichtung 8 kann somit nur Druckkräfte übertragen. Die Rückhaltefeder 19 ist so ausgelegt, daß das Rückschlagventil 18 nicht öffnen kann, wenn kein Spiel vorhanden ist. Das Rück­ schlagventil 18 verschließt damit die Verbindung zwi­ schen den beiden Druckräumen 16 und 17. Schließt das Ventil nicht richtig, d. h. ist ein "negatives" Ventil­ spiel vorhanden, so stellt sich eine Druckerhöhung in dem Druckraum 17 durch die nach oben gerichtete Bewe­ gung der Aktoreinheit ein. Diese Druckerhöhung be­ wirkt, daß das Druckmittel aus dem Druckraum 17 über den Ringspalt 28 als Drosselverbindung zwischen dem Spielausgleichskolben 14 und dem Zylinder 15 entweichen kann und zwar solange bis das Spiel am Ventilsitz zwi­ schen dem Ventil 9 und dem Ventilsitz 10 Null ist.

Selbstverständlich kann das Druckmittel aus dem Druck­ raum 17 auch durch anderweitige gewollte Leckagen, z. B. Aussparungen, Bohrungen oder ähnlichem, statt über den Ringspalt 28 gezielt abgeführt werden.

Liegt das Ventil 9 korrekt auf dem Ventilsitzring 10 auf und liegt ein Spiel zwischen dem Ventilschaft 13 bzw. der Abstützplatte 12 und dem unteren Ende des Führungsstiftes 5 an der mit 22 bezeichneten Stelle vor, so tritt die Spielausgleichseinrichtung 8 wieder in Funktion. In diesem Falle wirkt auf den Druckraum 17 keine Druckkraft mehr. Dies bedeutet, der Druck im ersten Druckraum 16 ist höher, so daß das Rückschlag­ ventil 18 gegen die Kraft der Feder 19 öffnet. Auf diese Weise wird Druckmedium vom oberen, ersten Druck­ raum 16 in den unteren, zweiten Druckraum 17 zugegeben und zwar solange, bis die Aktoreinheit soweit nach un­ ten gedrückt wird, daß das Spiel bei "22" wieder be­ seitigt wird. Dieser Ausgleich vollzieht sich über mehrere Zyklen bzw. Arbeitsspiele des Motors.

Zu dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist noch zu vermerken, daß darin der Ruhezustand mit einer halboffenen Stellung des Ventiles 9 dargestellt ist. Aus diesem Grunde ist zwischen der Ankerplatte 6 und dem oberen Elektromagneten 1 ein Abstand vorhan­ den. Wenn der Elektromagnet 1 zur Schließung des Ven­ tiles 9 anzieht, ist hier kein Abstand mehr vorhanden, wobei jedoch aufgrund von Verschleiß, Fertigungstole­ ranzen, Wärmeausdehnungen und ähnlichem ein uner­ wünschtes Spiel bei "22" vorhanden sein kann, bzw. entstehen könnte.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 15 in eine Bohrung des Elektromagneten 1 nur eingeschoben, wobei sich die beiden Teile für die gewünschte Funk­ tionsweise gegeneinander verschieben lassen. Aller­ dings tritt bei dieser Ausgestaltung der Effekt auf, daß sich die gesamte Aktoreinheit während der Fang­ stromzeit bewegt. Fangstromzeit bedeutet mit anderen Worten, die Zeit der Betätigung des oberen Magneten zum Schließen des Ventiles.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 soll ver­ mieden werden, daß sich der Aktor während der Fang­ stromzeit bewegt. Grundsätzlich ist das Ausführungs­ beispiel nach der Fig. 2 jedoch von gleichem Aufbau wie das nach der Fig. 1, weshalb nachfolgend für die gleichen Teile auch die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet werden.

Zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 weist die Spielausgleichseinrichtung 8 einen Ver­ spannzylinder 23 mit einer oberen Druckkammer 24 und einer unteren Druckkammer 25 auf. Der Zylinder 15 weist an seinem oberen Ende eine ringartige Erweite­ rung 26 auf, die als Trennkolben zwischen den beiden Druckkammern 24 und 25 wirkt. Der Verspannzylinder 23 ist lediglich aus Montagegründen durch einen oberen Deckel 27 zweigeteilt.

Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sind der erste, obere Druckraum 16 und der zweite un­ tere Druckraum 17 vorhanden. Gleiches gilt für das Rückschlagventil 18 und die Rückhaltefeder 19. In die­ sem Falle ist jedoch der Zylinder 15 fest mit der Ak­ toreinheit, d. h. dem oberen Elektromagneten 1 verbun­ den. Der Ringspalt zwischen dem Zylinder 15 und dem Kolben 14 mündet dabei jedoch nicht wie bei dem Aus­ führungsbeispiel nach der Fig. 1 "direkt" nach außen, sondern in die obere Druckkammer 24. Zwischen der obe­ ren Druckkammer 24 und der unteren Druckkammer 25 des Zylinders 23 ist ebenfalls eine gewollte Leckage, z. B. durch einen ringförmigen Drosselspalt 29 oder durch Drosselnuten, vorhanden. Von der unteren Druckkammer 25 aus führen wiederum gewollte Spalte, Spielpassun­ gen, Kanäle und Bohrungen zur Druckmittelableitung nach außen. Durch die untere Druckkammer 25 wird ver­ mieden, daß sich die Aktoreinheit und damit der Elek­ tromagnet 1 während der Fangstromzeit bewegen. Der un­ tere Elektromagnet 2 ist für die Öffnung des Ventiles 9 in bekannter Weise zuständig.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 funktioniert auf folgende Weise:
Wenn der Elektromagnet 1 bestromt wird, würden sich die Ankerplatte 6 und der Elektromagnet 1 aufeinander­ zubewegen, wie es bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 der Fall ist. Der Kraftverlauf geht jedoch nun­ mehr vom Zylinder 15 auf die untere Druckkammer 25 und von da aus auf das Gehäuse und den Zylinderkopf 7. Dies bedeutet, der obere Elektromagnet 1 kann sich nicht bewegen und die Ankerplatte 6 bewegt sich allei­ ne auf den Elektromagneten 1 zu. Die Fangstromzeit ist sehr kurz. Aufgrund der geringen Zeit kann kein Druck­ mittelausgleich zwischen den beiden Druckkammern 24 und 25 stattfinden. Damit verhält sich die Einheit an­ nähernd wie ein starrer Körper. Ein Spielausgleich kann jedoch über die gesamte Zeit, in der das Ventil 9 geschlossen ist, nämlich über mehr als eine Motorum­ drehung, vorgenommen werden. Dies bedeutet, zwischen der Druckkammer 24 und der Druckkammer 25 kann während dieser Zeit ein Druckausgleich stattfinden und zwar über die gewollte Leckage durch den Drosselspalt 29 bzw. das vorher aus dem zweiten Druckraum 17 verdräng­ te und über den Ringspalt 28 zwischen dem Spielaus­ gleichskolben 14 und dem Zylinder 15 verdrängte Druck­ mittel stattfinden. Das auf diese Weise in die obere Druckkammer 14 eingeschobene Druckmittel wird über die weitere gewollte Leckage des Drosselspaltes 29 dann in die untere Druckkammer 25 und von da aus nach außen abgeführt. Diese Ableitung des Druckmittels ist wäh­ rend der gesamten Schließzeit des Ventiles 9 möglich und zwar im Gegensatz zu der kurzen Zeit in der Fang­ stromphase, in der wegen der fehlenden Druckaus­ gleichsmöglichkeit zwischen den beiden Druckkammern 24 und 25 innerhalb der kurzen Zeit eine hydraulische Verspannung gegeben ist. Eine Bewegung der Aktorein­ heit ist nur dann möglich, wenn entsprechend genügend Zeit vorhanden ist und ein negatives oder ein positi­ ves Ventilspiel ausgeglichen werden müssen.

Zur Funktionsweise dieses Ausführungsbeispieles sind die Leckagen lediglich so zu wählen, daß bei einer kurzen Belastung (Fangstromzeit) der Druckmittelvolu­ menstrom annähernd keine Befüllung und bei längerer Belastung (Ventilschließzeit) jedoch eine Befüllung des zweiten Druckraumes 17 bzw. eine Verschiebung der Aktoreinheit und somit einen Austausch des Druckmit­ tels zwischen den Druckkammern 24 und 25 über den ringförmigen Drosselspalt 29 zuläßt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung ei­ nes Gaswechselventiles für Verbrennungsmotoren, mit einer mit dem Gaswechselventil zusammenwirkenden und in einem Zylinderkopf vorgesehenen Aktorein­ heit, welche einen Anker und zwei beidseitig des Ankers angeordnete Schaltmagnete aufweist, wobei die Schaltmagnete das Gaswechselventil in einer Of­ fen- und in einer Schließstellung halten, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoreinheit (1, 2, 6) schwimmend in dem Zylin­ derkopf (7) gelagert ist, wobei an der oder in der dem Gaswechselventil (9) abgewandten Seite der Ak­ toreinheit (1, 2, 6) eine Spielausgleichseinrichtung (8) mit einem Spielausgleichskolben (14) sowie mit einem ersten (16) und einem zweiten Druckraum (17) ange­ ordnet ist, wobei der erste Druckraum (16) motor­ druckabhängig gesteuert ist und der zweite Druck­ raum (17) über ein Rückschlagventil (18) mit dem ersten Druckraum (16) verbunden ist, und wobei über eine Drosselverbindung (28) zwischen dem Spielaus­ gleichskolben (14) und einem diesen umgebenden Zy­ linder (15) Druckmittel aus dem zweiten Druckraum (17) abführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (15) in der Aktoreinheit (1, 2, 6) in Längsrichtung des Gaswechselventiles (9) verschieb­ bar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spielausgleichskolben (14) mit einem Verspann­ zylinder (23) wirkverbunden ist, welcher zwei den Spielausgleichskolben (14) verspannende und mit ei­ nem Druckmedium gefüllte Druckkammern (24, 25) unter Belassung eines Drosselspaltes (29) voneinander ab­ trennt, wobei der Zylinder (15) fest mit der Aktor­ einheit (1, 2, 6) verbunden ist und der zweite Druck­ raum (17) über die Drosselleitung (28) mit einer der beiden Druckkammern (24) des Verspannzylinders (23) verbunden ist (Fig. 2).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spielausgleichskolben (14) koaxial zur Längs­ achse des Gaswechselventils (9) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselverbindung als Ringspalt (28) zwischen dem Spielausgleichskolben (14) und dem Zylinder (15) ausgebildet ist.