DE19809517C1 - Elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrich­ tung zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 39 20 976 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei das Gaswechselventil durch, einen elektromagneti­ schen Aktuator betätigt wird. Der Aktuator weist ein Federsy­ stem und zwei elektrisch arbeitende Schaltmagnete auf, durch die ein das Gaswechselventil betätigender Anker in zwei gegen­ überliegende Schaltpositionen bewegbar ist. Das Federsystem be­ steht aus zwei vorgespannten Druckfedern, und zwar aus einer oberen und einer unteren Ventilfeder. Die obere Ventilfeder be­ lastet das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung. Bei nicht bestromten Schaltma­ gneten wird der Anker durch das Federsystem in einer Gleichge­ wichtslage gehalten, die vorzugsweise mit der energetischen Mitte zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungs- oder Einbau­ toleranzen einzelner Bauteile, unterschiedliche Federkennlini­ en, thermisch bedingte Ausdehnungen unterschiedlicher Materia­ lien oder Setzungserscheinungen infolge von Verschleiß, können dazu führen, daß die Gleichgewichtslage des Ankers nicht mit der energetischen Mittenlage zwischen den Schaltmagneten über­ einstimmt. Dies kann bewirken, daß der Anker nicht mehr voll­ ständig an den Auflage- bzw. Polflächen der Magnete zur Anlage kommt, daß Spiel zwischen dem Ankerschaft und dem Ventilschaft entsteht und/oder daß das Gaswechselventil nicht mehr vollstän­ dig schließt. Um diese sich verändernden Größen auszugleichen, weist die Vorrichtung ein Einstellmittel in Form einer Stell­ schraube auf, über die die Gleichgewichtslage des Ankers so eingestellt werden kann, daß der Anker im stromlosen Zustand in der Mitte zwischen den Schaltmagneten ruht.

Wenn die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichgewichtslage des Ankers nicht mit der energetischen Mittenlage des Ankers zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt, verändert sich der Energiebedarf der Schaltmagneten. Die von dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten benötigte Energie, auch Fangenergie genannt, um den Anker von einem bestimmten Abstand aus anzuzie­ hen, nimmt mit dem Abstand exponentiell zu. Dies führt dazu, daß bei einem Anker, der in Ruhelage beispielsweise in Richtung des Öffnungsmagneten verschoben ist, zwar der Energiebedarf des Öffnungsmagneten aufgrund des geringeren Abstandes kleiner wird, jedoch ner Energiebedarf des Schließmagneten aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs mit dem Abstand wesentlich stärker zunimmt als sich der des Öffnungsmagneten verringert. Der Ge­ samtenergiebedarf steigt an. Die durch die Ventilfedern be­ stimmte, energetisch optimale Gleichgewichtslage des Ankers be­ findet sich daher in der Mittelposition zwischen den Polflä­ chen. Ferner werden durch den exponentiellen Zusammenhang schnell Abstände erreicht, bei denen der Energiebedarf unzuläs­ sig hoch ist, so daß der Öffnungsmagnet bzw.. der Schließmagnet den Anker nicht mehr anziehen kann. Der Aktuator verliert seine Funktionsfähigkeit.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Betäti­ gung eines Gaswechselventiles zu schaffen, bei der bei gleich zeitiger Gewichtseinsparung der bewegten Teile die Gleichge­ wichtslage des Ankers auch während des Betriebs einfach einzu­ stellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Einsparung von Einstellmitteln direkt am Aktuator und der, dadurch erreich­ ten großen Gewichtseinsparung der bewegten Teile der Vorrich­ tung. Die Einstellung der Gleichgewichtslage des Ankers erfolgt durch Änderung der Federeigenschaften, genauer gesagt durch Än­ derung der Federsteifigkeit c = F/s (F = Federkraft, s = Federweg) mindestens einer der Ventilfedern mittels Einsatz von Einstell­ mitteln, wobei die Federsteifigkeit auch von der Federgestalt abhängig ist. Die Einstellmittel sind außerhalb des Aktuators im Zylinderkopf angeordnet und erhöhen dadurch nicht das Ge­ wicht der bewegten Teile der Vorrichtung.

Die gezielte Änderung der Federsteifigkeit c und die dadurch bewirkte Änderung der Federvorspannungskraft F wird durch eine Erwärmung der jeweiligen Ventilfeder bewirkt. Die Erwärmung der Feder führt zu einem kontrolliert irreversiblen Abbau der Fe­ dervorspannung und gibt dadurch die Möglichkeit die Gleichge­ wichtslage des Ankers genau einzustellen. Die thermisch erzeug­ te Änderung der Federvorspannung gewährleistet, daß das Gas­ wechselventil stets spielfrei schließt und mögliche Veränderun­ gen infolge Verschleiß oder Setzerscheinungen ausgeglichen wer­ den. Selbst der Einsatz von toleranzbehafteten Federn ist da­ durch möglich, da zum Toleranzausgleich die Vorspannungskraft der Federn bereits vorab gezielt eingestellt werden kann.

Vorteilhafterweise umfaßt jedes Einstellmittel eine Stromver­ sorgung mit Regeleinheit, welche direkt oder indirekt an die jeweilige Ventilfeder angeschlossen ist. Die Erwärmung der Nen­ tilfeder erfolgt durch Beaufschlagen der Feder mit Strom. Die schraubenförmige Ventilfeder wird durch den durch sie hindurch­ fließenden Strom direkt beheizt. Durch diese Direktheizung kann eine aufwendige Heizeinrichtung, die von außen auf die Ventil­ feder einwirkt, entfallen. Die interne Direktbeheizung ermög­ licht eine gleichmäßige Erwärmung des Federdrahtes und damit auch eine gleichmäßige Änderung der Federvorspannung.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Windungen der schraubenförmigen Ventilfedern gegeneinander elektrisch iso­ liert, wodurch ungewollte Berührungen der Windungen untereinan­ der ohne Einfluß auf die gleichmäßige Erwärmung des Federdrah­ tes bleiben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Windun­ gen der Schraubenfeder einzeln elektrisch ansteuerbar, wodurch ein schrittweises (Windung für Windung) oder auch nur teilwei­ ses Erhitzen der Feder ermöglicht ist. Die Änderung der Vor­ spannung kann dadurch ganz gezielt und in kleinsten Schritten (Stufen) über die Anzahl der wirksamen Windungen erfolgen.

Die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der die Ven­ tilfeder zwischen einem Federteller und zwei aneinanderliegen­ den Unterlegscheiben angeordnet ist, bietet sowohl eine weitere Gewichtsersparnis als auch eine von der Bauform der Ventilfeder unabhängige Strombeaufschlagung. Der ohnehin benötigte Feder­ teller bildet den notwendigen Masseanschluß, wodurch ein zu­ sätzliches Bauteil entfallen kann. Die Ventilfeder benötigt keine direkte Anschlußmöglichkeit an die Stromversorgung, da sie indirekt über die an ihr anliegende Unterlegscheibe mit Strom beaufschlagbar ist, wobei die zweite Unterlegscheibe die Isolierung zum Aktuator bildet.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In der einzigen Figur ist im folgenden ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Sie zeigt eine ins­ gesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Betätigung eines Gas­ wechselventiles 2 einer nicht näher gezeigten Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine. Das Gaswechselventil 2 steuert einen Gaswech­ selkanal 3 in einem Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine, wo­ bei der Gaswechselkanal 3 brennraumseitig einen Ventilsitzring 5 aufweist, an welchem das Gaswechselventil 2 in geschlossenem Zustand mit seinem Ventilteller 6 anliegt. Die Vorrichtung 1 dient zur Betätigung des Gaswechselventils 2, wobei das Gas­ wechselventil 2 zwischen einer in der Figur dargestellten Schließstellung und einer Offenstellung hin- und herbewegbar ist.

Die Vorrichtung 1 weist einen das Gaswechselventil 2 betätigen­ den elektromagnetischen Aktuator 7 auf, der im Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine gelagert und von einer Haube 4a abge­ deckt ist. Der Aktuator 7 besitzt oben einen Schließmagneten 8 und unten einen Öffnungsmagneten 9, zwischen deren Polflä­ chen 10, 11 ein Anker 12 in Richtung einer Längsachse 13 des Gaswechselventils 2 verschiebbar angeordnet ist, wobei der An­ ker 12 über einen Ankerstößel 14 auf einen Ventilschaft 15 des Gaswechselventils 2 wirkt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine legt sich der Anker 12 wechselweise mit seinen Anlaufflächen 16, 17 an die Polflächen 10, 11 der Schaltmagnete 8, 9 und wird von den Magneten 8, 9 in zwei getrennten Schaltpositionen ge­ halten.

Zwischen dem Öffnungsmagnet 9 und dem Gaswechselventil 2 bildet der Aktuator 7 einen Federraum 18 aus, in dem ein Federsystem, das aus einer oberen, in Öffnungsrichtung 19 wirkenden Ventil­ feder 21 und einer unteren, in Schließrichtung 20 wirkenden Ventilfeder 22 besteht, untergebracht ist. Sowohl die Öffnungs­ feder 21 als auch die Schließfeder 22 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zylindrische Schraubendruckfedern aus­ gebildet. Die obere Ventilfeder 21 stützt sich in Richtung Gas­ wechselventil 2 an einem auf dem Ankerstößel 14 befestigten Fe­ derteller 23 und in die vom Gaswechselventil 2 abgewandte Rich­ tung am Öffnungsmagneten 9 ab, wobei zwischen Ventilfeder 21 und Öffnungsmagneten 9 zwei Unterlegscheiben 24, 25 angeordnet sind. Die untere Ventilfeder 22 stützt sich in Richtung Gas­ wechselventil 2 an dem den Federraum 18 bildenden Aktuator 7 und in die vom Gaswechselventil 2 abgewandte Richtung an einem auf dem Ventilschaft 15 befestigten Federteller 26 ab, wobei zwischen Ventilfeder 22 und Aktuator 7 ebenfalls zwei Unterleg­ scheiben 27, 28 angeordnet sind. Die Ventilfedern sind so vor­ gespannt, daß bei unbestromten Schaltmagneten 8, 9 der Anker 12 in einer Gleichgewichtslage gehalten wird, die vorzugsweise mit der energetischen und der geometrischen Mitte zwischen den Schaltmagneten 8, 9 übereinstimmt.

Beim Start des Aktuators 7 wird entweder einer der beiden Ma­ gneten 8, 9 kurzzeitig übererregt, um den Anker 12 aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder der Anker 12 wird durch eine An­ schwingungsroutine in seiner Resonanzfrequenz ins Schwingen versetzt, um ihn zu einer der Polflächen 10, 11 der Schaltma­ gnete 8, 9 zu bewegen und dort zu halten. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 2, wie in der Figur dargestellt, liegt der Anker 12 mit seiner ersten Anlauffläche 16 an der Polfläche 10 des bestromten Schließmagneten 8 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 8 spannt die in Öffnungs­ richtung 19 wirkende obere Ventilfeder 21 vor. Um das Gaswech­ selventil 2 zu öffnen, wird der Schließmagnet 8 ausgeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 19 wirkende Ventilfeder 21 beschleunigt den Anker 12 über die Gleichgewichtslage hinaus in Richtung Of­ fenstellung des Gaswechselventils 2. Vor Erreichen der Offen­ stellung wird nun der Öffnungsmagnet 9 eingeschaltet, so daß der Anker 12 sich mit seiner zweiten Anlauffläche 17 an die Polfläche 11 des Öffnungsmagneten 9 anlegt und von diesem fest­ gehalten wird. Um das Gaswechselventil 2 wieder zu schließen, wobei sein Ventilteller 6 am Ventilsitzring 5 anliegt und den Gaswechselkanal 3 verschließt wird der Öffnungsmagnet 9 ausge­ schaltet. Die in Schließrichtung 20 wirkende Ventilfeder 22 be­ schleunigt den Anker 12 über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten 8. Der Anker 12 wird vom mittlerweile einge­ schalteten Schließmagneten 8 angezogen legt sich mit seiner, Anlauffläche 16 an die. Polfläche 10 des Schließmagneten 8 an - und wird von diesem festgehalten.

Um nun die energetische Mittenlage des Ankers 12 vor oder im Betrieb der Brennkraftmaschine einzustellen, wird erfindungsge­ mäß die Federsteifigkeit c = F/s (F = Federkraft bzw. Federvorspan­ nung, s = Federweg) und dadurch die Federvorspannung F mindestens einer der beiden Ventilfedern 21, 22 mittels Einsatz von Ein­ stellmitteln so verändert, daß sich der Anker 12 wieder in sei­ ner Gleichgewichtslage befindet. Bevorzugt ist eine gezielte, thermisch erzeugte Änderung der Federvorspannung durch Erwärmen der jeweiligen Ventilfeder 21 oder 22 vorgesehen. Die Vorspan­ nung der Ventilfedern 21, 22 wird so hoch gewählt, daß über die gesamte Laufzeit des Ventiltriebs ein Nachstellen bzw. eine ge­ zielte Verringerung der Federvorspannung möglich ist, wobei der Vorspannungsverlust der Federn in Abhängigkeit der Temperatur und der Einwirkungsdauer der Temperatur anfangs einen linearen und später einen logharithmischen Verlauf nimmt.

Wie bereits oben erwähnt, stehen die Ventilfedern 21, 22 unter einer Vorspannung, die zur Einstellung der Mittenlage bzw. Gleichgewichtslage des Ankers 12 nun kontrolliert irreversibel abgebaut werden kann, indem die jeweilige Feder 21 oder 22 er­ wärmt wird und dadurch über eine Gefügeänderung des Federwerk­ stoffs eine Änderung der Federeigenschaften erreicht wird. Die Federn bestehen vorzugsweise aus einem warmgewalzten Stahl (z. B. einer SiCr-Legierung), der sich für vergütbare Federn eignet. Der Federstahl besteht vor der Erwärmung aus einer fer­ ritischen Matrix mit feinsten, in der Matrix eingebetteten Car­ biden (feinkörniges Gefüge), welche bei entsprechenden steigen­ den Temperaturen wachsen und zu einem grobkörnigen Gefüge füh­ ren. Dadurch werden die Versetzungsbewegungen innerhalb des Ge­ füges behindert und die Elastitzität bzw. die Vorspannungskraft des Federstahls herabgesetzt. Die Feder verliert über die Zeit gezielt ihre Vorspannungskraft F und zieht sich dadurch in Richtung der Längsachse 13 zusammen.

Die Erwärmung der Feder 21 oder 22 und die daraus resultierende Änderung der Federvorspannung läßt sich vorteilhafterweise durch Joule'sche Erwärmung bewirken, indem durch die Schrauben­ feder 21, 22 mittels Einstellmittel ein elektrischer Strom ge­ leitet wird, wobei auch andere Erwärmungsmöglichkeiten der Fe­ dern in Frage kommen können. Die Ventilfeder 21, 22 dient als elektrischer Leiter, der von einem durch ihn hindurchfließenden Strom aufgrund des in dem elektrischen Leiter wirkenden elek­ trischen Widerstandes intern beheizt wird.

Die erste, direkt an der jeweiligen Ventilfeder 21, 22 anlie­ gende Unterlegscheibe 24, 27 weist einen Anschluß 29, 30 auf, der nach außen geführt ist. An diesen Anschluß 29, 30 ist das hier nicht dargestellte Einstellmittel, eine Stromversorgung mit Regeleinheit, angeschlossen. Über diese Unterlegscheibe 24, 27 wird an ein Ende 31, 32 der Feder 21, 22 der elektrische Strom angelegt, wobei auch eine direkte Beaufschlagung der Ven­ tilfeder 21, 22 mit Strom denkbar ist. Die zweite, zwischen er­ ster Unterlegscheibe 24, 27 und Aktuator 7 angeordnete Unter­ legscheibe 25, 28 dient zur Isolierung der Feder 21, 22 gegen­ über dem Schaltmagneten 8, 9 und dem Zylinderkopf 4. Der Feder­ teller 23, 26, an dem das andere Federende 33, 34 anliegt, dient hierbei als Masseanschluß. Die Windungen der Schraubenfeder 21, 22 sind unmittelbar elektrisch gegeneinander isoliert, entweder durch Ummantelung des Federstahls oder durch Abstandhalter zwi­ schen den einzelnen Windungen. Ferner kann die Isolierung auch mittelbar erfolgen, indem die Strombeaufschlagung der Feder bzw der einzelnen Windungen nur dann erfolgt, wenn die Windun­ gen sich nicht gegenseitig berühren.

Ferner ist auch ein schrittweises bzw. teilweises Erhitzender Federn möglich, indem ausgewählte Windungen der Schraubenfedern gezielt mit Strom beaufschlagt werden.

Claims (6)

1. Elektromagnetische Vorrichtung (1) zur Betätigung eines Gas­ wechselventiles (2) einer Brennkraftmaschine mit einem Aktuator (7), der einen Öffnungsmagneten (9) und einen Schließmagneten (8) aufweist, zwischen denen ein Anker (12) zur Betätigung des Gaswechselventiles (2) entgegen dem Druck einer Öffnungsfeder (21) und einer Schließfeder (22) in eine Öffnungsstellung oder eine Schließstellung angeordnet ist, wobei der Anker (12) durch die vorgespannte Öffnungsfeder (21) sowie die vorgespannte Schließfeder (22) bei stromlosem Zustand der Magnete (8, 9) in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten (8, 9) gehalten wird und wobei die Gleichgewichtslage des Ankers (12) über Ein­ stellmittel (29, 30, 24, 27) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Gleichgewichtslage des Ankers (12) durch Änderung der Federsteifigkeit (c) mindestens einer der Ventilfedern (21, 22) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (29, 30, 24, 27) eine Erwärmung der Ventilfeder (21, 22) bewirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Ventilfeder (21, 22) durch Anlegen eines elektrischen Stromes (29, 30, 24, 27) an die Ventilfeder (21, 22) erfolgt, wobei die Ventilfeder (21, 22) eine Schrau­ benfeder mit Windungen ist, die von dem Strom durchflossen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der schraubenförmigen Ventilfeder (21, 22) gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei als Isolie­ rung Abstandhalter zwischen den Windungen oder eine Ummantelung der Windungen vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Schraubenfeder (21, 22) einzeln elek­ trisch ansteuerbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (21, 22) zwischen einem Federteller (23, 26) und zwei aneinanderliegenden Unterlegscheiben (24, 25, 27, 28) angeordnet ist, wobei der Federteller (23, 26) den Mas­ seanschluß, die unmittelbar an der Feder (21, 22) anliegende erste Unterlegscheibe (24, 27) den Stromanschluß der Ventilfe­ der (21, 22) und die zweite Unterlegscheibe (25, 28) eine Iso­ lierung bildet.