DE19702458A1 - Elektromagnetischer Aktuator für ein Gaswechselventil mit Ventilspielausgleich - Google Patents

Description

Aus der US-A-4 777 915 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine bekannt, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagneten aufweist, zwischen deren Pol­ flächen ein Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern hin- und herbewegbar geführt ist, der mit dem Schaft des Gaswech­ selventils fest verbunden ist. Der obenliegende Elektromagnet dient hierbei als Schließmagnet und der untenliegende Elek­ tromagnet dient hierbei als Öffnermagnet, so daß durch abwechselnde Bestromung des Schließmagneten und des Öffner­ magneten das Gaswechselventil geschlossen und geöffnet werden kann. Da aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Verschleiß die Öffnungs-, insbesondere jedoch die Schließ­ bedingungen sich verändern und somit auch das vorgegebene Ventilspiel sich verändert, wird bei diesem System über eine Kolben-Zylinder-Einheit der Schließmagnet entsprechend den betrieblichen Anforderungen verschoben und so das Spiel eingestellt. Dieser Vorschlag hat jedoch den Nachteil, daß über die Ventilspieleinstellung der Hub der Stelleinheit, d. h. der Bewegungsweg des Ankers zwischen den beiden Pol­ flächen der Elektromagneten ebenfalls verändert wird, was bei drosselfreier Laststeuerung der Kolbenbrennkraftmaschine nicht zulässig ist, da sich dadurch die Ladungsmenge im Zylinder in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einem elektro­ magnetischen Aktuator dieser Art einen Ventilspielausgleich vorzusehen, der ohne Einfluß auf die Bewegungsgeometrie des Ankers ist.

Dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel­ ventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der in einem Gehäuse zwei mit in festem Abstand zueinander angeordneten, über eine Steuereinrichtung ansteuerbare Elektromagneten aufweist, zwischen deren Polflächen ein Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern hin- und herbewegbar geführt ist und der mit dem Schaft des Gaswechselventils in Wirkverbin­ dung steht und wobei wenigstens ein Stellmittel vorgesehen ist, durch das das Gehäuse relativ zum Gaswechselventil verschiebbar ist. Hierdurch ist es möglich, einen Ausgleich des Ventilspiels zu bewirken, ohne daß die Bewegungsgeome­ trie des Ankers und damit der Hub der Stelleinheit verändert wird.

Während es grundsätzlich möglich ist, das Stellmittel auch mechanisch auszubilden, wird gemäß einer bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung vorgeschlagen, daß als Stellmittel wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit vorgesehen ist, die mit einer Druckmittelversorgung in Verbindung steht. Hierdurch ist es möglich, das Gehäuse entsprechend den temperatur- oder verschleißbedingten Änderungen "nachzufüh­ ren", so daß hier beispielsweise ein Klappern vermieden wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das Gehäuse in einer Führung in Achsrich­ tung der Ventilbewegung verschiebbar gelagert ist. Diese Anordnung erlaubt es, die wesentlichen Teile des Aktuators, nämlich die beiden Elektromagneten, den mit einer eigenen Führungsstange versehenen Anker und mindestens eine Rück­ stellfeder über das Gehäuse zu einer kompakten Baueinheit zusammenzufassen, die von der Führung zuverlässig gehalten wird und nur im Rahmen des Ventilspielausgleichs bewegbar ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die Führung auf der dem Gaswechselventil zugekehrten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist. Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, daß die Führung einen mit dem Gehäuse verbundenen Druckteil und einen mit dem Zylinderkopf verbundenen Halteteil auf­ weist und daß zwischen Druckteil und Halteteil wenigstens eine Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehen ist. Neben der hierdurch möglichen kompakten Bauweise ergibt sich durch die unmittelbare Anordnung am Zylinderkopf eine Vereinfa­ chung der Druckmittelzufuhr.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung in einer Aufnahme­ bohrung des Halteteils gelagert ist. Die Anordnung kann hierbei so getroffen werden, daß der Kolbenteil fest mit dem Halteteil verbunden ist, während der Zylinder in der Aufnahmebohrung verschiebbar geführt ist und auf den Druck­ teil einwirkt. Diese Anordnung hat ferner den Vorteil, daß im Fahrzeugbau für andere Zwecke zur Verfügung stehende Serienteile als Kolben-Zylinder-Anordnung eingesetzt werden können.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung an eine Druck­ mittelversorgung der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist. Dies hat den Vorteil, daß beim Inbetriebsetzen der Kolbenbrennkraftmaschine sofort ein entsprechender Öldruck an den Stellmitteln anliegt und so innerhalb kürzester Zeit der Ventilspielausgleich wirksam ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils ist im Zylinderkopf 1 einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine ein Gaswechselventil mit einem Schaft 2 in üblicher Weise verschiebbar gelagert. Der Schaft 2 des Gaswechselventils ist an seinem freien Ende mit einem Feder­ teller 3 versehen, an dem eine in Schließrichtung wirkende Rückstellfeder 4 anliegt.

Der elektromagnetische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 5, in dem ein als Schließmagnet wirkender Elektromagnet 6 und ein als Öffnermagnet wirkender Elektro­ magnet 7 in festem Abstand zueinander angeordnet sind. Ein mit einer Führungsstange 8 fest verbundener Anker 9 ist zwischen den beiden Polflächen 10 der Elektromagneten 6 und 7 hin- und herbwegbar geführt, wobei der Abstand der beiden Polflächen 10 zueinander den maximalen Öffnungshub vorgibt. Das obere Ende 8.1 der Führungsstange 8 ist mit einem Federteller 11 versehen, auf dem sich eine zweite Rückstellfeder 12 abstützt. Mit ihrem anderen Ende 8.2 stützt sich die Führungsstange 8 auf dem Schaft 2 des Gas­ wechselventils ab. Die beiden in ihrer Kraftrichtung gegen­ einander wirkende Rückstellfedern 4 und 12 sind hierbei so ausgelegt, daß bei stromlos gesetzten Elektromagneten 6 und 7 der Anker 9 sich in der Mittellage zwischen den beiden Polflächen 10 befindet. Werden über eine hier nicht näher dargestellte Steuereinrichtung die beiden Elektro­ magneten 6 und 7 abwechselnd bestromt, das System ist hier in Schließstellung dargestellt, dann bewegt sich der Anker 9 entsprechend der Bestromung zwischen den beiden Elektro­ magneten 6 und 7 hin und her, so daß entsprechend das Gas­ wechselventil geöffnet und geschlossen wird.

Das Gehäuse 5 mit den beiden Elektromagneten 6 und 7, dem Anker 9 und der Rückstellfeder 12 stellt hierbei eine kom­ pakte, gesonderte Baueinheit dar. Das Gehäuse 5 ist in einer mit dem Zylinderkopf 1 verbundenen Führung 13 in Richtung der Ventilbewegung (Pfeil 14) verschiebbar gehalten. Das Gehäuse 5 ist hierbei in der Führung 13 so eingestellt, daß in der hier dargestellten Schließstellung die Spitze 8.3 der Führungsstange 8 spielfrei auf dem freien Ende 2.1 des Schaftes 2 des Gaswechselventils aufsitzt.

Die Führung 13 ist ferner mit einer Stellmittel 15 versehen, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist, wobei der Zylinder 16 fest mit der Führung 13 verbunden ist, während der Koben 17 auf das obere Ende 18 des Gehäuses 5 einwirkt. Diese als Kolben- Zylinder-Anordnung ausgebildete Stellmittel 15 ist an die Druckölversorgung der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen, über die das Stellmittel 15 mit einem Öldruck von etwa 0,5 bis 1 Bar beaufschlagt wird. Da die Rückstell­ kraft der Rückstellfeder 4 sehr viel größer ist als die über die Stellmittel 15 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft der Stellmittel 15, wird bewirkt, daß das Gehäuse 5 in seiner Führung 13 in Richtung auf das Gaswechselventil bewegt werden kann, ohne das Gaswechselventil zu öffnen.

In der Öffnungsbewegung des Gaswechselventils stützt sich infolge der Reaktionskräfte das Gehäuse 5 über das hydrauli­ sche Stellmittel 15 und die Führung 13 am Zylinderkopf 1 ab. Dabei wird der Kolben 17 des Stellmittels 15 überlicher­ weise etwas nach oben verschoben. Diese minimale Verschiebung wird nach der Schließbewegung des Ventils genutzt, um Längenänderungen im Ventiltrieb insgesamt auszugleichen.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, die in ihrem Aufbau im wesentlichen dem Aufbau der Anordnung gem. Fig. 1 entspricht, so daß hier gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und dementsprechend auch auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 ist die Führung 13 zweiteilig aufgebaut und weist einen mit der Stirnseite des Gehäuses 5 verbundenen Druckteil 19 auf, der beispiels­ weise rohrförmig ausgebildet ist und an seinem freien Ende mit einem Flansch 20 versehen ist. Mit dem Zylinderkopf 1 ist ein Halteteil 21 verbunden, der beispielsweise ringför­ mig ausgebildet ist und dessen zylindrische Innenfläche 22 als Führungsfläche für den Druckteil 19 dient. Auf seiner dem Zylinderkopf 1 zugekehrten Seite weist der Halteteil 21 eine Ausdrehung auf, in die der Flansch 20 des Druck­ teils 19 eingreift.

Im Halteteil 21 sind beispielsweise diametral gegenüberliegend zwei Aufnahmebohrungen 23 angeordnet, in die als Stellmittel 15.1 je eine Kolben-Zylinder-Einheit eingesetzt ist. Der Kolben 17.1 stützt sich hierbei auf dem Boden der Aufnahmeboh­ rung 23 ab, während der Zylinder 16.1 verschiebbar in der Aufnahmebohrung geführt ist. Der Kolben 17.1 ist hierbei hohl gebohrt und mündet im Zylinderinnenraum. Der Freiraum 24 zwischen Zylinder 16.1 und Kolben 17.1 steht über eine Zulaufbohrung 25 mit der Druckmittelversorgung der Kolbenbrenn­ kraftmaschine in Verbindung. Der Freiraum 24 wird über die Zulaufbohrung 25 mit Drucköl beaufschlagt, das über die axiale Bohrung im Kolben 17.1 in den Zylinderinnenraum eintritt und den Zylinder 16.1 verschiebt, bis das untere Ende von Schaft 8 auf dem oberen Ende des Ventilschafts 2 aufliegt oder der Sicherungsring 26 an dem den Freiraum 24 begrenzenden Rand der Aufnahmebohrung 23 zur Anlage kommt. Der Sicherungsring 26 dient hierbei als Hubbegrenzung.

Beim Öffnen des Gaswechselventils wird durch die Kraftwirkun­ gen das Gehäuse 5 "angehoben". Um dem entgegenzuwirken, ist in dem als hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit ausgebil­ deten Stellmittel 15 bei beiden Ausführungsbeispielen ein nicht näher dargestelltes Rückschlagventil vorgesehen, das zu Beginn des Ventilöffnungshubes schließt und einen Abfluß der Hydraulikflüssigkeit verhindert. Durch definierte Toleranzen ist jedoch während der Öffnungsbewegung ein gezielter Abfluß gewährleistet, so daß das System sich von selbst jeweils um ein geringes Maß zurückstellt. Mit Beginn des Schließhubes kann sich das System immer wieder neu einstellen, so daß sich im Betrieb ergebende geometrische Veränderungen des Ventilschaftes in bezug auf den Aktuator, beispielsweise durch thermische Einflüsse oder durch Ver­ schleiß, ausgeglichen werden und eine Anlage der Führungs­ stange 8 am Ventilschaft gewährleistet ist.

Die anhand von Fig. 2 beschriebene Ausbildung der Führung 13 kann anstelle der hier beschriebenen Ringform auch als Querjoch ausgeführt werden, wobei e nach Ausgestaltung und Größe des Systems eine einzige Kolben-Zylinder-Einheit ausreicht. Bei größeren Systemen können zwei, drei oder auch mehr Kolben-Zylinder-Einheiten als Stellmittel 15.1 eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gas­ wechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der in einem Gehäuse (5) zwei in festem Abstand zueinander ange­ ordnete, über eine Steuereinrichtung ansteuerbare Elektro­ magneten (6, 7) aufweist, zwischen deren Polflächen (10) ein Anker (9) gegen die Kraft von Rückstellfedern (4, 12) hin- und herbewegbar geführt ist und der mit dem Schaft (2) des Gaswechselventils in Wirkverbindung steht und wobei wenigstens ein Stellmittel (15) vorgesehen ist, durch das das Gehäuse (5) relativ zum Gaswechselventil verschiebbar ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellmittel (15) wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit vorgesehen ist, die mit einer Druckmittelversorgung in Verbindung steht.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) in einer Führung (13) in Achsrichtung der Ventilbewegung verschiebbar gelagert ist.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Führung (13) auf der dem Gaswechsel­ ventil zugekehrten Stirnseite des Gehäuses (5) angeordnet ist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Führung (13) einen mit dem Gehäuse (5) verbundenen Druckteil (19) und einen mit dem Zylinder­ kopf (1) verbundenen Halteteil (21) aufweist und daß zwischen Druckteil (19) und Halteteil (21) wenigstens eine Kolben- Zylinder-Einheit (15.1) vorgesehen ist.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit (15.1) in einer Aufnahmebohrung (23) des Halteteils (21) gelagert ist.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit an die Druck­ ölversorgung der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist.