DE19805177A1 - Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator für ein Gaswechselventil und Verfahren hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator für ein Gaswechselventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches 14.

Eine derartige Betätigungsvorrichtung ist aus der DE 39 20 976 A1 bekannt. Die Betätigungsvorrichtung umfaßt einen Ak­ tuator, der ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine zwischen Öffnungs- und Schließstellung verstellt. Der Aktua­ tor besteht aus einem Öffnungs- und einem Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein verschieblicher Anker gehalten ist. Je nach Bestromung wird entweder der Öffnungs- oder der Schließmagnet aktiviert, woraufhin der Anker in Richtung des aktivierten Magneten gezogen wird. Die Bewegung des Ankers wird als Stellbewegung auf das Gaswechselventil übertragen, das dementsprechend von seiner Schließstellung in seine Öff­ nungsstellung bzw. in Gegenrichtung überführt wird.

Der Anker ist über zwei gegensinnige Ventilfedern bei strom­ losen Magneten in einer Gleichgewichtslage gehalten, die der geometrischen Mittellage zwischen den beiden Polflächen der Magnete entspricht, so daß von den Magneten lediglich dieje­ nige Energie aufzubringen ist, die erforderlich ist, das aus dem Anker und den Federn bestehende Feder-Masse-System in Schwingungen zu versetzen und um Reibungskräfte zu überwin­ den. In Schließstellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten, wobei die in Öffnungsrichtung wirkende Ven­ tilfeder gespannt wird. Soll das Gaswechselventil in Öff­ nungsstellung versetzt werden, wird der Schließmagnet strom­ los geschaltet und der Öffnungsmagnet erregt, woraufhin der Anker durch die Kraft der in Öffnungsrichtung wirkenden Ven­ tilfeder über seine Gleichgewichtslage hinaus beschleunigt und von der Polfläche des erregten Öffnungsmagneten eingefan­ gen und festgesetzt wird. Soll das Gaswechselventil geschlos­ sen werden, läuft der Vorgang entsprechend in umgekehrter Richtung ab.

Thermisch bedingte Ausdehnungen, Setzungserscheinungen infol­ ge Verschleiß oder unterschiedliche Federkennlinien können dazu führen, daß die Gleichgewichtslage des Ankers nicht mehr mit der geometrischen Mittellage zwischen den Polflächen der Magnete übereinstimmt, so daß zur Verstellung des Ankers aus seiner Gleichgewichtslage unterschiedlich hohe Kräfte vom Öffnungsmagneten und vom Schließmagneten aufgebracht werden müssen. Dies kann im ungünstigsten Fall dazu führen, daß der Anker beim Start der Brennkraftmaschine aus der verschobenen, außermittigen Lage nicht an die Polfläche des entfernteren Magneten gezogen werden kann und das Gaswechselventil nicht wie vorgesehen öffnet und schließt.

Außerdem verlaufen die Anziehungskräfte stark nicht linear in Abhängigkeit des Abstands zwischen Anker und Polfläche, mit der Folge, daß im laufenden Betrieb aufgrund der außermitti­ gen Gleichgewichtslage des Ankers zusätzlich Energie aufge­ wandt werden muß, um ausreichende Anziehungskräfte zu erzeu­ gen. Der für die Anziehungskraft erforderliche Energiebedarf der beiden Magnete hebt sich nicht auf, sondern es muß für denjenigen Magneten mit größerem Abstand zur Gleichgewichts­ lage des Ankers überproportional viel Energie aufgewandt wer­ den, die durch die Energieeinsparung des gegenüberliegenden Magneten nicht kompensiert werden kann. Verschiebt sich die Gleichgewichtslage zu weit von der optimalen Mittellage zwi­ schen den Polflächen, kann der Magnet mit größerem Abstand den Anker überhaupt nicht mehr einfangen, das System wird funktionsunfähig.

Um den Anker in seiner geometrischen Mittellage justieren zu können, ist eine Stellschraube vorgesehen, über die der Fuß­ punkt einer der beiden Ventilfedern axial verstellt werden kann, wodurch die Gleichgewichtslage mit der Mittellage in Übereinstimmung gebracht werden kann. Die Mittellage des An­ kers kann manuell nur bei der Montage der Brennkraftmaschine oder im Servicefall eingestellt werden. Neben der mühsamen Einstellung von Hand hat die Stellschraube auch den Nachteil, daß während des laufenden Betriebs sich einstellende Verände­ rungen, insbesondere thermische Ausdehnungen, nicht berück­ sichtigt werden können, so daß sich bei längerem Betrieb und starker Erwärmung der Brennkraftmaschine eine außermittige Ankerlage mit den beschriebenen Nachteilen einstellen kann.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Betätigungs­ vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um die Mittellage des Ankers auch während des Betriebs exakt justieren zu kön­ nen, wobei eine hohe Funktionssicherheit und eine lange Be­ triebsdauer gegeben sein soll.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einer Betätigungsvor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst.

Der Anker verharrt in Grundstellung bei nicht aktiviertem Ak­ tuator in einer mittigen Zwischenlage zwischen den Polflächen des Öffnungs- bzw. Schließmagneten, so daß die von den beiden Magneten aufzubringende Anziehungskraft jeweils etwa gleich groß ist und der Anker ohne Probleme sowohl beim Start als auch während des laufenden Betriebs in Richtung des Öffnungs­ magneten bzw. in Richtung des Schließmagneten ausgelenkt wer­ den kann. Die Möglichkeit, den Fußpunkt während bestimmter Betriebszustände verriegeln zu können, bietet den Vorteil, daß insbesondere bei Motorstillstand ein versehentliches, un­ beabsichtigtes Verstellen des Fußpunktes infolge der Feder­ kraft der vorgespannten Ventilfeder verhindert werden kann, was eine neue, außermittige Gleichgewichtslage des Ankers zur Folge hätte. Wird beispielsweise als Fußpunktversteller ein Hydraulikelement verwendet, so kann vermieden werden, daß nach einem längeren Motorstillstand der verstellbare Kolben des Hydraulikelements aufgrund des abgefallenen Öldrucks un­ ter der Belastung der Ventilfeder absinkt und dadurch verse­ hentlich der Fußpunkt der Ventilfeder verstellt wird. Der Fußpunkt der Ventilfeder wird durch die Verriegelung des Fuß­ punktverstellers fixiert und es wird verhindert, daß der An­ ker bei inaktiven Elektromagneten eine außermittige Gleichge­ wichtslage einnimmt, aus der ein Start der Brennkraftmaschine erschwert wäre bzw. die im laufenden Betrieb energetisch un­ günstiger wäre.

Andererseits kann zur Justierung der Mittellage, insbesondere im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine, der Fußpunktver­ steller entriegelt werden und auf diese Weise der Fußpunkt­ versteller aktiviert werden. Es wird den sich ändernden Be­ triebsbedingungen, wie beispielsweise der ansteigenden Motor­ temperatur und daraus resultierender Wärmedehnung der Bautei­ le, Rechnung getragen. Die Betriebszustände, bei denen ent­ riegelt wird, können in Abhängigkeit der Zustandsgrößen des Motors festgelegt werden. Beispielsweise kann der Fußpunkt­ versteller im laufenden Betrieb intermittierend oder auch beim Motorstillstand zu Servicezwecken entriegelt werden.

Zur Fixierung des Fußpunktverstellers ist zweckmäßig ein Stellglied vorgesehen, das auf den beweglichen Teil des Fuß­ punktverstellers einwirkt und das insbesondere in Abhängig­ keit des Motor-Betriebszustands ansteuerbar ist. Die Verrie­ gelung erfolgt vorzugsweise über einen Riegel, der von dem Stellglied beaufschlagt wird.

Das bevorzugt eingesetzte Hydraulikelement beaufschlagt vor­ teilhaft die in Schließrichtung des Ventils wirkende Ventil­ feder und ist am Zylinderkopf auf der dem Gaswechselventil zugewandten Seite in einer zylindrischen Ausnehmung angeord­ net. Bei einer Betätigung des Hydraulikelements in Richtung des Aktuators wird der Federweg der auf Druckbeanspruchung ausgelegten Ventilfeder verkürzt und die Federkraft erhöht, so daß das Ventil mit erhöhter Kraft in seinen Ventilsitz ge­ drückt wird. Wird das Hydraulikelement in entgegengesetzter Richtung verstellt, so wird entsprechend die Federkraft ver­ ringert. Über den Schaft des Gaswechselventils wird die Fe­ derkraft auf den Anker geleitet und der Anker in seiner Mit­ tenlage zwischen den Polflächen der Elektromagnete justiert.

Die dem Hydraulikelement abgewandte Seite der Ventilfeder stützt sich vorzugsweise an einem Federteller ab, der mit dem Ventilschaft des Gaswechselventils verbunden ist. Eine weite­ re Ventilfeder, die das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung beaufschlagt, stützt sich mit einem Fußpunkt an einem zweiten Federteller, der koaxial zum ersten Federteller angeordnet ist und mit dem Ankerstößel verbunden ist, und mit ihrem an­ deren Fußpunkt am Öffnungsmagneten ab. Die Einstellung der Mittellage kann über die Fußpunktverstellung nur einer Feder erfolgen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeich­ nung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Die Betätigungsvorrichtung 1 steuert den Ventilhub eines Gas­ wechselventils 9 einer Brennkraftmaschine. Die Betätigungs­ vorrichtung 1 umfaßt einen Aktuator 2, der fest mit dem Zy­ linderkopf 18 der Brennkraftmaschine verbunden ist und aus zwei Elektromagneten besteht, einem obenliegenden Schließma­ gneten 3 und einem untenliegenden, dem Gaswechselventil be­ nachbarten Öffnungsmagneten 4. Zwischen der Polfläche 23 des Schließmagneten 3 und der Polfläche 24 des Öffnungsmagneten 4 ist eine Ankerplatte 7 eines Ankers 5 gelagert, die etwa par­ allel zu den Polflächen ausgerichtet ist. Der Anker 5 besteht aus der Ankerplatte 7 und aus einem Ankerstößel 6, der mit der Ankerplatte 7 verbunden ist und durch eine Durchtritts­ öffnung 25 im Öffnungsmagneten 4 in Achsrichtung 8, die der Richtung der Längsachse 26 des Gaswechselventils 9 und des Ankers 5 entspricht, zum Ventilschaft 10 des Gaswechselven­ tils 9 geführt ist. Der Anker 5 kann in Achsrichtung 8 ver­ schoben werden. Der Ankerstößel 6 und der Ventilschaft 10 sind in einer zylindrischen Ausnehmung 19 im Zylinderkopf 18 geführt.

Der Anker 5 wird über zwei Ventilfedern 11, 12 in einer Gleichgewichtslage gehalten, die im Ruhezustand - bei strom­ losen Elektromagneten 3, 4 - der geometrischen und energeti­ schen Mittenlage zwischen den Polflächen 23, 24 der Elektro­ magnete 3, 4 entspricht.

Die erste, koaxial zur Längsachse 26 angeordnete Ventilfeder 11 ist als Druckfeder ausgebildet und greift am Ventilschaft 10 des Gaswechselventils 9 an. Die Ventilfeder 11 wirkt als Schließfeder und beaufschlagt das Gaswechselventil 9 in Rich­ tung seiner Schließstellung. Der dem Aktuator 2 zugewandte Fußpunkt der Ventilfeder 11 stützt sich an einem mit dem Ven­ tilschaft 10 verbundenen Federteller 21 ab, der gegenüberlie­ gende Fußpunkt 13 ist mit einem Fußpunktversteller 14 verbun­ den.

Oberhalb der ersten Ventilfeder 11 und koaxial zu dieser ist die zweite Ventilfeder 12 angeordnet, die ebenfalls als Druckfeder ausgebildet ist und als Öffnungsfeder in Öffnungs­ richtung des Gaswechselventils 9 wirkt. Die zweite Ventilfe­ der 12 umgreift den Ankerstößel 6, wobei ein Fußpunkt der Ventilfeder 12 an einem mit dem Ankerstößel 6 verbundenen Fe­ derteller 22 und der andere Fußpunkt am Öffnungsmagneten 4 des Aktuators 2 abgestützt ist.

Bei Betätigung eines der beiden Elektromagneten 3, 4 wird die Ankerplatte 7 in Richtung der Polfläche des momentan aktiven Elektromagneten angezogen. Diese Stellbewegung wird durch den Ankerstößel 6, dessen freie Stirnseite in Kontakt mit der freien Stirnseite des Ventilschafts 10 steht, auf das Gas­ wechselventil 9 übertragen, das bei Aktivierung des Schließ­ magneten 3 in Schließstellung, bei Aktivierung des Öffnungs­ magneten 4 in Öffnungsstellung überführt wird.

Um den Anker 5 aus einer außermittigen Lage in die energeti­ sche Mittenlage zwischen den Polflächen 23, 24 der Elektroma­ gnete 3, 4 verstellen, kann der Fußpunkt 13 der Ventilfeder 11 mit Hilfe des Fußpunktverstellers 14 axial in der zylin­ drischen Ausnehmung 19 verstellt werden. Als Fußpunktverstel­ ler kommen Stellelemente in Betracht, die mit geringem Auf­ wand verriegelt werden können, so daß eine Verstellung nicht möglich ist, und andererseits mit einfachen Mitteln entrie­ gelt werden können, um den Fußpunkt der Ventilfeder verschie­ ben zu können. Im Ausführungsbeispiel ist als Fußpunktver­ steller 14 ein in Achsrichtung wirkendes Hydraulikelement 27 vorgesehen.

Das ortsfeste Gehäuse des Hydraulikelements 27 liegt auf dem Boden 20 der zylinderförmigen Ausnehmung 19 im Zylinderkopf 18 auf, ein beweglicher Verstellkolben 15 des Hydraulikele­ ments 27 ist mit dem unteren Fußpunkt der Ventilfeder 11 ver­ bunden. Wird der Verstellkolben 15 betätigt, so wird der Fuß­ punkt 13 der Ventilfeder 11 axial verschoben und die Feder­ spannung ändert sich. Die geänderte Spannungsniveau der Ven­ tilfeder 11 führt im Ruhezustand zu einer axialen Verstellung des Ankers 5 und des Gaswechselventils 9, dahingehend, daß der Anker 5 in die energetische Mittenlage zwischen den Ma­ gneten gebracht wird.

Über ein Stellglied 16 ist die Position des Verstellkolbens 15 des Hydraulikelements 27 verriegelbar. Das Stellglied 16 beaufschlagt einen Riegel 17, der in der Wandung der Ausneh­ mung 19 im Zylinderkopf axial verschieblich gelagert ist und im Verriegelungszustand die Position des Verstellkolbens 15 festsetzt. Das Stellglied 16 wird in vorgebbaren Betriebszu­ ständen der Brennkraftmaschine aktiviert bzw. deaktiviert; zweckmäßig wird der Verstellkolben 15 bei Motorstillstand festgesetzt, um eine durch Druckverlust im Hydraulikelement 27 hervorgerufene, unbeabsichtigte Niveauverstellung zu ver­ hindern, wobei für Servicezwecke die Verriegelung gelöst wer­ den kann. Im Motorbetrieb kann die Verriegelung intermittie­ rend in regelmäßigen Zeitabständen oder in Abhängigkeit be­ stimmter Motor-Zustandsgrößen gelöst werden.

Anstelle eines Hydraulikelements können auch elektrisch be­ heizbare Wärmedehnelemente oder Bimetallelemente eingesetzt werden.

Claims (17)

1. Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Ak­ tuator für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine, mit einem Schließmagneten (3) und einem Öffnungsmagneten (4), die dem Aktuator (2) zugeordnet sind und zwischen denen ein verschiebbarer Anker (5) zur Betätigung des Gaswechselventils (9) angeordnet ist, und mit mindestens einer in Achsrichtung (8) des Gaswechselventils (9) wirkenden Ventilfeder (11), die das Gaswechselventil (9) in seine Öffnungs- bzw. seine Schließstellung beaufschlagt, wobei ein Fußpunkt (13) der Ventilfeder (11) mit einem in Achsrichtung (8) verschiebli­ chen Fußpunktversteller (14) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) zur Fixierung des Fußpunktes (13) verriegelbar und zur Verstellung des Fußpunkts (13) ent­ riegelbar ausgebildet ist.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) in vorgebbaren Betriebszu­ ständen der Brennkraftmaschine entriegelbar ist.

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstellkolben (15) zur Fixierung des Fußpunkts (13) vorgesehen ist.

4. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein ansteuerbares Stellglied (16) zur Beaufschlagung des Verstellkolbens (15) des Fußpunktverstellers (14) vorgesehen ist.

5. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) auf der dem Gaswechselventil (9) zugewandten Seite der Ventilfeder (11) angeordnet ist.

6. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) am Zylinderkopf (18) abgestützt ist.

7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) am Boden (20) einer zylindri­ schen Ausnehmung (19) im Zylinderkopf (18) gehalten ist.

8. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (11) auf der dem Fußpunktversteller (14) abgewandten Seite an einem mit dem Gaswechselventil (9) ver­ bundenen Federteller (21) abgestützt ist.

9. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (11) das Gaswechselventil (9) in Richtung der Schließstellung beaufschlagt.

10. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Ventilfeder (12) mit entgegengesetzter Wirk­ richtung zur ersten Ventilfeder (11) vorgesehen ist.

11. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventilfeder (12) an einem mit dem Anker (5) verbundenen zweiten Federteller (22) abgestützt ist.

12. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fußpunkt der zweiten Ventilfeder (12) am Öffnungsma­ gneten (4) abgestützt ist.

13. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) als Hydraulikelement (27) ausgebildet ist.

14. Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Aktua­ tors für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine, insbesondere Verfahren zum Betrieb der Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein verschiebbarer und durch eine Ventilfeder beaufschlagter Anker zur Betäti­ gung des Gaswechselventils zwischen zwei Magneten bewegt wird und ein Fußpunkt der Ventilfeder über einen Fußpunktverstel­ ler verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) verriegelt bzw. entriegelt werden kann.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorgegeben wer­ den, in denen der Fußpunktversteller (14) verriegelt bzw. entriegelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) im laufenden Betrieb inter­ mittierend entriegelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) bei Stillstand der Brenn­ kraftmaschine verriegelt wird.