DE19818587C1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Ventilfeder das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfeder in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanz­ frequenz angeregt, um aus der Gleichgewichtslage angezogen zu werden. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschal­ tet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrich­ tung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagne­ ten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet, ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festge­ halten.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materiali­ en, differierende Federsteifigkeiten der oberen und der unteren Ventilfeder, sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Ventil­ federn usw., können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine bestimmte Position aufweist. Ferner können derartige Größen und Verschleiß an den Ventilsitzen dazu führen, daß der Anker an der Polfläche des Schließmagneten anliegt, bevor das Gaswechselventil vollständig schließt. Heiße Brenngase, die über nicht dicht schließende Ventile abströmen, zerstören die Ventilsitze. Andererseits ist es durch unterschiedliche Wärme­ dehnungen möglich, daß der Anker bei geschlossenem Gaswechsel­ ventil nicht mehr vollständig an der Polfläche des Schließmag­ neten zum Anliegen kommt, so daß der Energiebedarf des Schließ­ magneten stark zunimmt. Ferner ist mit diesem Vorgang in der Regel ein reduzierter Öffnungshub des Gaswechselventils verbun­ den, so daß die Drosselverluste beim Ladungswechsel zunehmen und sich der Wirkungsgrad verschlechtert.

In der DE 196 47 305 C1 ist ein Spielaus­ gleichselement dargestellt, bei dem ein Aktuator schwimmend in einem Zylinderkopf gelagert ist. Der Aktuator öffnet und schließt über einen Anker und zwei beidseitig in Bewegungsrich­ tung des Ankers angeordnete Elektromagnete ein Gaswechselven­ til. Der Federmechanismus ist zwischen dem Aktuator und dem Ventilteller des Gaswechselventils angeordnet, wobei sich die obere Öffnungsfeder am Aktuator und die untere Schließfeder am Zylinderkopf abstützen. Auf der dem Gaswechselventil abgewand­ ten Seite befindet sich zwischen einer Deckplatte und dem Aktuator ein Spielausgleichselement, das sowohl positives als auch negatives Ventilspiel ausgleicht.

Das Spielausgleichselement weist ein erstes hydraulisches Element mit einem Spielausgleichskolben in einem Zylinder auf. Der Spielausgleichskolben liegt zwischen einem ersten, dem Gaswechselventil abgewandten, brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten und einem zweiten, dem Gaswechselventil zugewandten Druckraum. Im Kolben befindet sich ein Rückschlagventil, das durch eine Rückhaltefeder in Schließstellung gehalten wird. Das Rückschlagventil öffnet bei Überdruck im ersten Druckraum in Richtung zum zweiten Druckraum. Die Rückhaltefeder ist so ausgelegt, daß das Rückschlagventil nicht öffnet, wenn kein Spiel vorhanden ist, und unterbricht damit die Verbindung zwischen den beiden Druckräumen.

Zwischen dem Spielausgleichskolben und dem Zylinder liegt ein definiertes Spiel als Drosselverbindung, durch die Druckmittel aus dem zweiten Druckraum nach außen entweichen kann. Das Spielausgleichselement stützt sich an der oberen Deckplatte ab, die mit dem Zylinderkopf fest verbunden ist. Das Spielaus­ gleichselement kann entweder nur Druckkräfte oder in einer anderen Ausführung während des Schließvorgangs Druck- und Zugkräfte übertragen.

Schließt das Gaswechselventil nicht vollständig, weil der Aktuator zu weit in Richtung des Gaswechselventils verschoben ist, d. h. ein negatives Spiel vorliegt, stellt sich eine Druckerhöhung in dem zweiten Druckraum durch eine in Schließ­ richtung wirkende Ventilfeder des Gaswechselventils ein. Das Druckmittel entweicht durch die Druckerhöhung aus dem zweiten Druckraum über die Drosselverbindung, und zwar solange bis das Gaswechselventil wieder vollständig schließt.

Wenn das Gaswechselventil korrekt schließt, aber Spiel zwischen dem Ankerstößel und dem Gaswechselventil vorliegt, wirkt die Ventilfeder des Gaswechselventils nicht mehr auf den zweiten Druckraum. Der Druck im zweiten Druckraum sinkt dadurch unter den des ersten Druckraums, so daß das Rückschlagventil gegen die Rückhaltefeder öffnet. Das Druckmedium strömt solange vom ersten in den zweiten Druckraum, bis das Spiel ausgeglichen ist. Dieser Vorgang kann mehrere Arbeitsspiele des Ventils dauern. Weil sich beim Spielausgleich die Lage des Aktuators verändert, ändert sich damit auch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern, so daß sie nicht mehr mit der energetischen Mittenlage übereinstimmt. Dies verändert das Schwingungsverhal­ ten des Federmechanismus, den Energiebedarf der Magnete und den Öffnungs- und Schließvorgang der Gaswechselventile.

Aus der DE 196 31 909 A1 ist ein Verfahren zum Justieren der Ruhelage des Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator bekannt, wie er beispielsweise an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt wird, um Gaswechselventile zu betätigen. Die Ruhela­ ge entspricht einer Gleichgewichtslage, die sich bei stromlosen Magneten aus der Vorspannung der Ventilfedern ergibt. Bei dem Verfahren wird die Induktivität der beiden Elektromagneten jeweils gemessen und aus dem Vergleich der beiden gemessenen Induktivitätswerte die Stellung des Ankers in der Gleichge­ wichtslage in bezug auf die Polflächen der Elektromagnete abgeleitet. Bei der Messung befindet sich der Anker in der Gleichgewichtslage; es ist aber auch möglich, die Induktivität des jeweiligen Elektromagneten bei anliegendem Anker zu messen und den Meßwert und/oder die Differenz beider Meßwerte mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen und dadurch einen Korrekturwert für ein Stellsignal abzuleiten. Der Anker kann während der Messung über mechanische Mittel und/oder über einen Haltestrom an dem betreffenden Elektromagneten anliegend gehalten werden. Mithin ist das Verfahren nicht geeignet, die Mittellage bzw. die Gleichgewichtslage des Ankers während des Betriebs zu korrigieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Betätigen von Gaswechselventilen mit einem Spielausgleichsele­ ment zu schaffen, bei der die Gleichgewichtslage des Federme­ chanismus von einer Verlagerung des Federmechanismus und damit von dem Spielausgleichselement unabhängig ist und der Spielaus­ gleich eine kurze Ansprechzeit hat.

Die Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Nach der Erfindung stützt sich die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder mit ihrem freien Ende mittelbar oder unmittelbar am Aktuator ab, und zwar zweckmäßigerweise, indem der Aktuator zwischen dem Öffnungsmagneten und dem Gaswechselventil einen Federraum bildet, in dem die Ventilfedern untergebracht sind und durch den der Ventilschaft bzw. der Ankerstößel reicht. Somit ist der Federmechanismus mit dem Aktuator zu einer Baueinheit verbunden, wobei die Gleichgewichtslage der Ventil­ federn unabhängig von der Lage dieser Baueinheit relativ zum Zylinderkopf ist. Der Aktuator kann außerhalb des Zylinderkopfs montiert, eingestellt und geprüft werden.

Stellt sich ein Ventilspiel ein, wird dies über Sensoren erfaßt und eine regelbare Stelleinheit verstellt den Aktuator in Bewegungsrichtung des Gaswechselventils in Abhängigkeit der Regelgröße. Als Regelgröße kann zweckmäßigerweise das Signal eines Wegsensors verwendet werden, der eine Position und/oder Bewegung des Gaswechselventils erfaßt. In vielen Fällen genügt es, als Regelgröße den Verlauf eines Parameters der Schaltmag­ nete zu verwenden, z. B. eine Stromverlaufskurve des Schließmag­ neten und/oder des Öffnungsmagneten, der in einer elektroni­ schen Auswerteeinrichtung mit Hilfe einer Referenzkurve ausge­ wertet werden kann.

Die Stelleinheit wirkt in einer Richtung auf den Aktuator gegen die Kraft einer auf den Aktuator wirkenden Rückstellfeder, die den Aktuator bei nachlassender Stellkraft der Stelleinheit zurückstellt. Zweckmäßigerweise besitzt die Rückstellfeder eine sehr hohe Federsteifigkeit und ist entsprechend vorgespannt, so daß das System als quasi statisch betrachtet werden kann. Mit Hilfe der regelbaren Stelleinrichtung kann negatives und positives Ventilspiel sehr präzise und schnell ausgeglichen werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Die einzige Figur zeigt einen schematischen Teilschnitt durch ein Gaswech­ selventil.

Ein elektromagnetischer Aktuator 2 betätigt ein Gaswechselven­ til 1, das mit seinem Ventilschaft 11 mittels einer Ventilfüh­ rung 15 im Zylinderkopf 5 geführt ist. Der Aktuator 2 besitzt zwei Schaltmagnete, und zwar oben einen Schließmagneten 8 und unten einen Öffnungsmagneten 7, die durch ein Verbindungsteil 22 miteinander verbunden sind. Zwischen den Polflächen der Magnete 7 und 8 bewegt sich ein Anker 9, der über einen mit dem Ventilschaft 11 einstückig ausgebildeten Ankerstößel 10 auf das Gaswechselventil 1 wirkt. Der Ankerstößel 10 kann aus ferti­ gungstechnischen Gründen getrennt vom Ventilschaft 11 ausge­ führt sein.

Zwischen dem Öffnungsmagneten 7 und dem Gaswechselventil 1 weist der Aktuator 2 einen durch ein Gehäuse 20 gebildeten Federraum 19 auf, in dem ein Federmechanismus, bestehend aus zwei Ventilfedern 16 und 17, untergebracht ist. Die Ventilfe­ dern 16, 17 stützen sich mit einem Ende an einem gemeinsamen Federteller 18 ab, der am Ankerstößel 10 befestigt ist. Dabei wirkt die obere, vorgespannte Ventilfeder 16 in Öffnungsrich­ tung 24, indem sie sich mit ihrem freien Ende am Öffnungsmagne­ ten 7 abstützt, während die untere, vorgespannte Ventilfeder 17 in Schließrichtung 25 wirkt, indem sie sich an einer Stirnwand des Federraums 19 abstützt, die dem Gaswechselventil 1 zuge­ wandt ist. Durch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern 16, 17 wird die Lage des Ankers 9 bestimmt, wenn die Magnete 7, 8 stromlos geschaltet sind. Diese Lage soll zweckmäßigerweise einer energetischen Mittenlage entsprechen.

Die Figur zeigt den Aktuator 2 im stromlosen Zustand, so daß sich der Anker 9 in einer Mittenlage befindet. Wird der Schließmagnet 8 bestromt, bewegt sich das Gaswechselventil 1 in Schließrichtung 25, bis der Anker 9 an der Polfläche des Schließmagneten 8 anliegt. Gleichzeitig schließt das Gaswech­ selventil 1, indem sein Ventilteller 12 auf einen Ventilsitz­ ring 13 aufsetzt, der im Zylinderkopf 5 eingelassen ist und die Öffnung eines nicht näher dargestellten Gaswechselkanals bildet. Wird der Schließmagnet 8 stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 7 bestromt, öffnet das Gaswechselventil 1 in Öffungsrichtung 24, bis der Anker 9 an der Polfläche des Öff­ nungsmagneten 7 anliegt. Damit ist der maximale Öffnungshub erreicht.

Der maximale Öffnungshub verkleinert sich, wenn der Aktuator 2 sich in Schließrichtung 25 verlagert, wodurch zwar das Gaswech­ selventil 1 sicher schließt, jedoch der Anker 9 in geschlosse­ nem Zustand nicht mehr an der Polfläche des Schließmagneten 8 anliegt, so daß der Schließmagnet 8 einen höheren Energiebedarf hat, um den Anker 9 in Schließstellung zu halten. Um die Nachteile zu vermeiden, muß ein negatives oder positives Spiel des Gaswechselventils 1 ausgeglichen werden.

Auf den Aktuator 2 wirkt daher als Spielausgleichselement eine Stelleinheit 6, die sich an einem Zylinderkopfdeckel 4 abstützt und den schwimmend im Zylinderkopf 5 gelagerten Aktuator 2 axial entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 3 nachstellt, sobald im geschlossenen Zustand des Gaswechselventils 1 ein negatives oder positives Spiel auftritt. Da sich die Ventilfe­ dern 16 und 17 in einem Federraum 19 des Aktuators 2 befinden und somit das Federsystem mit diesem eine Baueinheit bildet, wird die Gleichgewichtslage und die Mittenlage von der Verstel­ lung des Aktuators 2 durch die Stelleinheit 6 nicht beeinflußt.

Die Rückstellfeder 3 besitzt eine hohe Federsteifigkeit und ist vorgespannt. Sie ist zwischen dem Zylinderkopf 5 und einer Stirnseite 14 des Öffnungsmagneten 7 angeordnet, die dem Gaswechselventil 1 zugewandt ist. Grundsätzlich kann die Anordnung der Stelleinheit 6 mit der der Rückstellfeder 3 vertauscht werden. Die Stelleinheit 6 ist über Signalleitungen 21 mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 23 verbunden. Die elektronische Auswerteeinrichtung 23 wird in der Regel in Mikroprozessortechnik ausgeführt und kann in der Motorelektro­ nik integriert sein. Sie erhält über Signalleitungen 21 Signale von Sensoren, die für die Lage des Ventiltellers 12 zum Ventil­ sitzring 13 und des Ankers 9 zu den Polflächen der Magnete 7 und 8 repräsentativ sind. Zweckmäßigerweise wird hierfür ein nicht näher dargestellter Wegsensor verwendet oder es werden geeignete Parameter der Magnete 7 und 8 benutzt, um eine geeignete Regelgröße für die Stelleinheit 6 zu erzeugen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen, mit einem elektromagnetischen Aktuator (2), der schwimmend in einem Zylinderkopf (5) gelagert ist und sich auf der dem Gaswechselventil (1) abgewandten Seite über ein Spielausgleichselement (6) am Zylinderkopf abstützt und der einen Öffnungsmagneten (7) und einen Schließmagneten (8) besitzt, zwischen deren Polflächen ein Anker (9) koaxial zum Gaswechselventil verschiebbar angeordnet ist, der unmittelbar oder über einen Ankerstößel (10) auf einen Ventilschaft (11) wirkt, wobei zwei vorgespannte Ventilfedern (16, 17), von denen jeweils eine in Öffnungsrichtung und eine in Schließrichtung auf das Gaswechselventil wirkt, zwischen dem Aktuator und dem Gaswechselventil angeordnet sind und sich mit jeweils einem Ende über einen Federteller (18) am Ventilschaft (11) oder Ankerstößel (10) abstützen und sich die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder (16) mit ihrem freien Ende am Aktuator (2) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schließrichtung (25) wirkende Ventilfeder (17) mit ihrem freien Ende sich ebenfalls mittelbar oder unmittelbar am Aktuator (2) abstützt und das Spielausgleichselement (6) eine regelbare (21, 23) Stelleinheit (6) ist, die gegen eine auf den Aktuator (2) wirkende Rückstellfeder (3) den Aktuator (2) in Bewegungsrich­ tung des Gaswechselventils (1) verstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (3) eine sehr hohe Federsteifigkeit besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (3) vorgespannt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (3) zwischen dem Zylin­ derkopf (5) und derjenigen Stirnseite (14) des Aktuators (2) angeordnet ist, die dem Gaswechselventil (1) zugewandt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (2) zwischen dem Öffnungsma­ gneten (7) und dem Gaswechselventil (1) einen Federraum (19) bildet, in dem die Ventilfedern (16, 17) untergebracht sind, und durch den (19) der Ventilschaft (11) bzw. der Ankerstößel (10) reicht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (6) in Abhängigkeit eines Signals (21) eines Wegsensors geregelt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln der Stelleinheit (6) eine Stromverlaufskurve des Schließmagneten (8) und/oder des Öff­ nungsmagneten (7) in einer elektronischen Auswerteeinrichtung (23) ausgewertet wird.