DE19805177C2 - 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 11.

Eine derartige Betätigungsvorrichtung ist aus der DE 39 20 976 A1 bekannt. Die Betätigungsvorrichtung umfaßt einen Aktuator, der ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine zwischen Öff­ nungs- und Schließstellung verstellt. Der Aktuator besteht aus einem Öffnungs- und einem Schließmagneten, zwischen deren Pol­ flächen ein verschieblicher Anker gehalten ist. Je nach Be­ stromung wird entweder der Öffnungs- oder der Schließmagnet ak­ tiviert, woraufhin der Anker in Richtung des aktivierten Magne­ ten gezogen wird. Die Bewegung des Ankers wird als Stellbewe­ gung auf das Gaswechselventil übertragen, das dementsprechend von seiner Schließstellung in seine Öffnungsstellung bzw. in Gegenrichtung überführt wird.

Der Anker ist über zwei gegensinnige Ventilfedern bei stromlo­ sen Magneten in einer Gleichgewichtslage gehalten, die der geo­ metrischen Mittellage zwischen den beiden Polflächen der Magne­ te entspricht, so daß von den Magneten lediglich diejenige Energie aufzubringen ist, die erforderlich ist, das aus dem An­ ker und den Federn bestehende Feder-Masse-System in Schwingun­ gen zu versetzen und um Reibungskräfte zu überwinden. In Schließstellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten, wobei die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder gespannt wird. Soll das Gaswechselventil in Öffnungsstellung versetzt werden, wird der Schließmagnet stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet erregt, woraufhin der Anker durch die Kraft der in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder über seine Gleichgewichtslage hinaus beschleunigt und von der Polfläche des erregten Öffnungsmagneten eingefangen und festgesetzt wird. Soll das Gaswechselventil geschlossen werden, läuft der Vorgang entsprechend in umgekehrter Richtung ab.

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

Außerdem verlaufen die Anziehungskräfte stark nichtlinear in Abhängigkeit des Abstands zwischen Anker und Polfläche, mit der Folge, daß im laufenden Betrieb aufgrund der außermittigen Gleichgewichtslage des Ankers zusätzlich Energie aufgewandt werden muß, um ausreichende Anziehungskräfte zu erzeugen. Der für die Anziehungskraft erforderliche Energiebedarf der beiden Magnete hebt sich nicht auf, sondern es muß für denjenigen Ma­ gneten mit größerem Abstand zur Gleichgewichtslage des Ankers überproportional viel Energie aufgewandt werden, die durch die Energieeinsparung des gegenüberliegenden Magneten nicht kompen­ siert werden kann. Verschiebt sich die Gleichgewichtslage zu weit von der optimalen Mittellage zwischen 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 Ankers kann manuell nur bei der Montage der Brennkraftmaschine oder im Servicefall eingestellt werden. Neben mühsamen Einstellung von Hand hat die Stellschraube auch den Nachteil, daß während des laufenden Betriebs sich einstellende Veränderungen, insbe­ sondere thermische Ausdehnungen, nicht berücksichtigt werden können, so daß sich bei längerem Betrieb und starker Erwärmung der Brennkraftmaschine eine außermittige Ankerlage mit den be­ schriebenen Nachteilen einstellen kann.

Vergleichbare Vorrichtungen zur DE 39 20 976 A1 finden sich auch in den Druckschriften DE 39 11 496 A1 und EP 471 614 A1. Die DE 39 11 496 A1 zeigt eine rein mechanische Fußpunktver­ stellung der Ventilfeder mit Hilfe einer drehbaren Exzenterwel­ le, über die eine den Fußpunkt der Ventilfeder tragende Platte in Achsrichtung auf und abbewegt werden kann. Gemäß der EP 471 614 A1 besteht der Fußpunktversteller aus einer Stellschraube, die in ein Außengewinde eines höhenverstellbaren Flansches, welcher die Ventilfeder aufnimmt, eingreift. Die Vorrichtungen der DE 39 11 496 A1 und der EP 471 614 A1 entsprechen einer be­ kannten konventionellen Anordnung einer mechanischen Fußpunkt­ verstellung.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Betätigungsvor­ richtung und ein Verfahren anzugeben, um die Mittellage des An­ kers auch während des Betriebs exakt justieren zu können, wobei eine hohe Funktionssicherheit und eine lange Betriebsdauer ge­ geben sein sollen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einer Betätigungsvor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Ver­ fahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 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 Öffnungsmagneten bzw. in Richtung des Schließmagneten ausgelenkt werden kann. Die Möglichkeit, den Fußpunkt während bestimmter Betriebszu­ stände verriegeln zu können, bietet den Vorteil, daß insbeson­ dere bei Motorstillstand ein versehentliches, unbeabsichtigtes Verstellen des Fußpunktes infolge der Federkraft der vorge­ spannten Ventilfeder verhindert werden kann, was eine neue, au­ ßermittige Gleichgewichtslage des Ankers zur Folge hätte. Als Fußpunktversteller wird ein Hydraulikelement verwendet, wodurch vermieden wird, daß nach einem längeren Motorstillstand der verstellbare Kolben des Hydraulikelements aufgrund des abgefal­ lenen Öldrucks unter der Belastung der Ventilfeder absinkt und dadurch versehentlich der Fußpunkt der Ventilfeder verstellt wird. Der Fußpunkt der Ventilfeder wird durch die Verriegelung des Fußpunktverstellers fixiert und es wird verhindert, daß der Anker bei inaktiven Elektromagneten eine außermittige Gleichge­ wichtslage einnimmt, aus der ein Start der Brennkraftmaschine erschwert wäre bzw. die im laufenden Betrieb energetisch ungün­ stiger wäre.

Andererseits kann zur Justierung der Mittellage, insbesondere im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine, der Fußpunktver­ steller entriegelt werden und auf diese Weise der Fußpunktver­ steller aktiviert werden. Es wird den sich ändernden Betriebs­ bedingungen, wie beispielsweise der ansteigenden Motortempera­ tur und daraus resultierender Wärmedehnung der Bauteile, Rech­ nung getragen. Die Betriebszustände, bei denen entriegelt wird, können in Abhängigkeit der Zustandsgrößen des Motors festgelegt werden. Beispielsweise kann der Fußpunktversteller im laufenden Betrieb intermittierend oder auch beim Motorstillstand zu Ser­ vicezwecken entriegelt werden.

Zur Fixierung des Fußpunktverstellers ist ein Stellglied vorge­ sehen, das auf den beweglichen Teil des Fußpunktverstellers einwirkt und das in Abhängigkeit des Motor-Betriebszustands an­ steuerbar ist. Die Verriegelung erfolgt vorzugsweise über einen Riegel, der von dem Stellglied beaufschlagt wird.

Das Hydraulikelement beaufschlagt vorteilhaft die in Schließ­ richtung des Ventils wirkende Ventilfeder und ist am Zylinder­ kopf auf der dem Gaswechselventil zugewandten Seite in einer zylindrischen Ausnehmung angeordnet. 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 gedrückt wird. Wird das Hydraulikelement in entgegengesetzter Richtung verstellt, so wird entsprechend die Federkraft verringert. Über den Schaft des Gaswechselventils wird die Federkraft auf den Anker geleitet und der Anker in seiner Mittenlage 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 weitere Ventilfeder, die das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung be­ aufschlagt, stützt sich mit einem Fußpunkt an einem zweiten Fe­ derteller, der koaxial zum ersten Federteller angeordnet ist und mit dem Ankerstößel verbunden ist, und mit ihrem anderen 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 Zeichnung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Die Betätigungsvorrichtung 1 steuert den Ventilhub, eines Gas­ wechselventils 9 einer Brennkraftmaschine. Die, Betätigungsvor­ richtung 1 umfaßt einen Aktuator 2, der fest mit dem Zylinder­ kopf 18 der Brennkraftmaschine verbunden ist und aus zwei Elek­ tromagneten besteht, nämlich einem obenliegenden Schließmagneten 3 und einem untenliegenden, dem Gaswechselventil benachbarten Öff­ nungsmagneten 4. Zwischen der Polfläche 23 des Schließmagneten 3 und der Polfläche 24 des Öffnungsmagneten 4 ist eine Anker­ platte 7 eines Ankers 5 gelagert, die etwa parallel zu den Pol­ flächen ausgerichtet ist. Der Anker 5 besteht aus der Anker­ platte 7 und aus einem Ankerstößel 6, der mit der Ankerplatte 7 verbunden ist und durch eine Durchtrittsöffnung 25 im Öffnungs­ magneten 4 in Achsrichtung 8, die der Richtung der Längsachse 26 des Gaswechselventils 9 und des Ankers 5 entspricht, zum Ventilschaft 10 des Gaswechselventils 9 geführt ist. Der Anker 5 kann in Achsrichtung 8 verschoben 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 Gleich­ gewichtslage gehalten, die im Ruhezustand - bei stromlosen Elektromagneten 3, 4 - der geometrischen und energetischen Mit­ tenlage zwischen den Polflächen 23, 24 der Elektromagnete 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 Fuß­ punkt der Ventilfeder 11 stützt sich an einem mit dem Ventil­ schaft 10 verbundenen Federteller 21 ab, der gegenüberliegende Fußpunkt 13 ist mit einem Fußpunktversteller 14 verbunden.

Oberhalb der ersten Ventilfeder 11 und koaxial zu dieser ist die zweite Ventilfeder 12 angeordnet, die ebenfalls als Druck­ feder ausgebildet ist und als Öffnungsfeder in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 9 wirkt. Die zweite Ventilfeder 12 um­ greift den Ankerstößel 6, wobei ein Fußpunkt der Ventilfeder 12 an einem mit dem Ankerstößel 6 verbundenen Federteller 22 und der andere Fußpunkt am Öffnungsmagneten 4 des Aktuators 2 abge­ stützt 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 frei­ en Stirnseite des Ventilschafts 10 steht, auf das Gaswechsel­ ventil 9 übertragen, das bei Aktivierung des Schließmagneten 3 in Schließstellung, bei Aktivierung des Öffnungsmagneten 4 in Öffnungsstellung überführt wird.

Um den Anker 5 aus einer außermittigen Lage in die energetische Mittenlage zwischen den Polflächen 23, 24 der Elektromagnete 3, 4 zu verstellen, kann der Fußpunkt 13 der Ventilfeder 11 mit Hilfe des Fußpunktverstellers 14 axial in der zylindrischen Ausnehmung 19 verstellt werden. Als Fußpunktversteller kommen Stellelemente in Betracht, die mit geringem Aufwand verriegelt werden können, so daß eine Verstellung nicht möglich ist, und andererseits mit einfachen Mitteln entriegelt werden können, um den Fußpunkt der Ventilfeder verschieben zu können. Im Ausfüh­ rungsbeispiel ist als Fußpunktversteller 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 Hydraulikelements 27 ist mit dem unteren Fußpunkt der Ventilfeder 11 verbunden. Wird der Verstellkolben 15 betätigt, so wird der Fußpunkt 13 der Ventilfeder 11 axial verschoben und die Federspannung ändert sich. Das geänderte Spannungsniveau der Ventilfeder 11 führt im Ruhezustand zu einer axialen Verstellung des Ankers 5 und des Gaswechselventils 9, dahingehend, daß der Anker 5 in die ener­ getische Mittenlage zwischen den Magneten gebracht wird.

Über ein Stellglied 16 ist die Position des Verstellkolbens 15 des Hydraulikelements 27 verriegelbar. Das Stellglied 16 beauf­ schlagt einen Riegel 17, der in der Wandung der Ausnehmung 19 im Zylinderkopf axial verschieblich gelagert ist und im Verrie­ gelungszustand die Position des Verstellkolbens 15 festsetzt. Das Stellglied 16 wird in vorgebbaren Betriebszuständen der Brennkraftmaschine aktiviert bzw. deaktiviert; zweckmäßig wird der Verstellkolben 15 bei Motorstillstand festgesetzt, um eine durch Druckverlust im Hydraulikelement 27 hervorgerufene, unbe­ absichtigte Niveauverstellung zu verhindern, wobei für Service­ zwecke die Verriegelung gelöst werden kann. Im Motorbetrieb kann die Verriegelung intermittierend in regelmäßigen Zeitab­ ständen oder in Abhängigkeit bestimmter Motor-Zustandsgrößen gelöst werden.

Claims (14)

1. Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Aktua­ tor (2) für ein Gaswechselventil (9) in einer Brennkraftmaschine, mit einem Schließmagneten (3) und einem Öffnungsmagneten (4), die dem Aktuator (2) zugeordnet sind und zwischen denen ein ver­ schiebbarer 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 Schließstel­ lung beaufschlagt, wobei ein Fußpunkt (13) der Ventilfeder (11) mit einem in Achsrichtung (8) verschieblichen Fußpunktverstel­ ler (14) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fußpunktversteller (14) als Hydraulikelement (27) aus­ gebildet ist,
daß das Hydraulikelement (27) zur Fixierung des Fußpunktes (13) verriegelbar (16, 17) und zur Verstellung des Fußpunkts (13) entriegel­ bar (16, 17) ausgebildet ist
und daß zur Fixierung des Fußpunkts (13) ein Stellglied (16) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit des Motor-Betriebszustandes ansteuerbar ist.

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

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) auf der dem Gaswechselventil (9) zugewandten Seite der Ventilfeder (11) angeordnet ist.

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) am Zylinderkopf (18) abgestützt ist.

5. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) am Boden (20) einer zylindri­ schen Ausnehmung (19) im Zylinderkopf (18) gehalten ist.

6. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (11) auf der dem Fußpunktversteller (14) abgewandten Seite an einem mit dem Gaswechselventil (9) verbun­ denen Federteller (21) abgestützt ist.

7. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (11) das Gaswechselventil (9) in Richtung der Schließstellung beaufschlagt.

8. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Ventilfeder (12) mit entgegengesetzter Wirk­ richtung zur ersten Ventilfeder (11) vorgesehen ist.

9. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventilfeder (12) an einem mit dem Anker (5) ver­ bundenen zweigen Federteller (22) abgestützt ist.

10. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fußpunkt der zweiten Ventilfeder (12) am Öffnungsmagne­ ten (4) abgestützt ist.

11. Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Aktua­ tors für ein Gaswechselventil (9) in einer Brennkraftmaschine, ins­ besondere Verfahren, zum Betrieb der Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein verschiebbarer und durch eine Ventilfeder (11) beaufschlagter Anker (5) zur Betätigung des Gaswechselventils (9) zwischen zwei Magneten (3, 4) bewegt wird und ein Fußpunkt (13) der Ventilfeder (11) über einen Fußpunktversteller (14) ver­ stellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß als Fußpunktversteller (14) ein Hydraulikelement (27) ver­ wendet wird, daß das Hydraulikelement (27) zur Fixierung des Fußpunktes (13) verriegelt bzw. entriegelt werden kann und daß der Fußpunkt (13) über ein Stellglied (16) fixiert werden kann, das in Abhängigkeit des Motor-Betriebszustandes angesteuert werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorgegeben werden, in denen der Fußpunktversteller (14) verriegelt bzw. entriegelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) im laufenden Betrieb intermit­ tierend entriegelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktversteller (14) bei Stillstand der Brennkraft­ maschine verriegelt wird.