DE19825412C2 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils 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 indirekt über einen Ankerstö­ ßel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuato­ ren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespann­ ter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Ven­ tilfeder, die Öffnungsfeder, das Gaswechselventil in Öffnungs­ richtung und eine untere Ventilfeder, die Schließfeder, in Schließrichtung belasten. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwi­ schen den Magneten gehalten. Die DE 35 13 107 C2 zeigt ein Gaswechselventil mit einem Aktuator, bei dem der Anker gemein­ sam mit einer Öffnungsfeder entgegen der Kraft einer Schließfe­ der über einen Ankerstößel auf den Ventilschaft wirkt, während die Schließfeder am Ventilschaft des Gaswechselventils an­ greift.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder, wie aus der DE 33 07 070 C2 hervorgeht, der Anker mit einer Anschwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, um aus der Gleichgewichtslage angezogen zu werden. In geschlosse­ ner Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die Öffnungsfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die Öff­ nungsfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 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 Schließfeder 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 unterer 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 auf einer älteren Anmeldung beruhenden 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 Öffnungsfeder oben am Aktuator und die Schließfeder unten 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 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 Schließfeder des Gaswechselventils ein. Das Druckmittel entweicht durch die Druckerhöhung aus dem zweiten Druckraum über die Drosselverbin­ dung, und zwar solange bis das Gaswechselventil wieder voll­ ständig 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 jeweils die Induktivität der beiden Elektroma­ gnete 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.

Aus der DE 39 20 976 A1 ist bekannt, bei einem elektromagneti­ schen Aktuator nach dem Prinzip eines Feder-Masse-Schwingers den Arbeitshub durch Ändern der Lage der Polflächen eines Arbeitsmagneten zu variieren und den Schwingungsmittelpunkt an die neue Lage der Polflächen durch Ändern der Lage mindestens eines Federfußpunktes anzupassen.

Die Gaswechselventile müssen stets sicher schließen. Um dies zu erreichen, besitzen die hydraulischen Spielausgleichselemente, an denen sich die Gaswechselventile direkt oder indirekt abstützen, die Tendenz sich stets langsam zu verkürzen. Dies wird mit einer entsprechenden Drosselstelle erreicht. Kommt der Anker nicht mehr ausreichend nahe an den Schließmagneten, weil sich die Spielausgleichseinrichtung zu weit verkürzt hat, muß ein schneller Ausgleich in die entgegengesetzte Richtung stattfinden, welches mit einem sich öffnenden Rückschlagventil erreicht wird. Ein derartiger iterativer Prozeß mit einem schnellen und mit einem langsamen Ausgleich bewirkt, daß sich das Gaswechselventil ständig in einem Bereich einer optimalen Spieleinstellung bewegt.

Aus der DE 196 24 296 A1 ist bekannt, das Spielausgleichsele­ ment zwischen dem Ankerstößel und dem Ventilschaft und zwischen einer oben angeordneten Öffnungsfeder und einer unten angeordneten Schließfeder einzuspannen. Beide Ventilfedern sind soweit vorgespannt, daß sich bei unbestromten Schaltmagneten der Anker auf eine annä­ hernd mittlere Lage zwischen den Polflächen der Schaltmagnete einstellt und in bzw. kurz vor der Schließstellung des Gaswech­ selventils eine Restschließkraft von der Schließfeder auf das Ventil wirkt. Wird der Anker von dem Schließmagneten kurz vor dessen Polfläche angezogen und wird die kinetische Energie des Ankers vernachlässigt, so muß der Schließmagnet die Federkraft der Öffnungsfeder abzüglich der Restschließkraft der Schließfeder aufbringen. Die gleiche Kraft, die der Schließmagnet aufzubringen hat, wirkt als Reaktionskraft entgegengesetzt am Aktuator. Bei der Anordnung des Spielaus­ gleichselements zwischen dem Ankerstößel und dem Ventilschaft besteht ständig eine Druckspannung mindestens in Höhe der Restschließkraft, wodurch ein Aufpumpen während des Betriebs weitgehend vermieden wird. Das Spielausgleichselement steht in der Stellung "Ventil geschlossen" nicht unter Vorspannung und kann sich dadurch zur Überbrückung eventuell vorhandenen Spiels ausdehnen.

Bei längerem Stillstand der Brennkraftmaschine wird das Spielausgleichselement durch die Kraft der Ventilfedern in seine Ausgangsstellung zurückgestellt. Dadurch verstellt sich der Anker aus seiner idealen Mittenlage, wodurch ein erneuter Start der Brennkraftmaschine erschwert, wenn nicht sogar unmöglich gemacht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Betätigung von Gaswechselventilen mit einem Spielausgleichsele­ ment in der Art auszuführen, daß der Aufpumpeffekt weitgehend vermieden und eine schnelle Rückstellung in die Mittenlage gesichert wird und gleichzeitig ein sicherer Start der Brenn­ kraftmaschine gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsge­ mäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung und das Betätigen eines Stellglieds beim erneuten Start der Brennkraftmaschine wird die ideale Mittenlage des Ankers wieder hergestellt, so daß ein sicherer Start mittels einer Anschwingroutine gewährleistet ist. Nach dem Start wird die Stelleinrichtung zurückgestellt und das Spielausgleichselement übernimmt seine normale Be­ triebsfunktion. Das Stellglied kann den Anker auch bis zur Anlage an den Schließmagneten verstellen. In diesem Fall wird das System durch Einschalten des Schließmagneten betriebsbe­ reit.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang darge­ stellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmä­ ßigerweise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator und ein Gaswechsel­ ventil mit einem Spielausgleichselement während des Be­ triebs in der Gleichgewichtslage,

Fig. 2 einen Aktuator nach Fig. 1 während einer Betriebsunter­ brechung der Brennkraftmaschine,

Fig. 3 einen Aktuator nach Fig. 1 beim Neustart der Brennkraft­ maschine und

Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung entsprechend der Linie IV in Fig. 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator 1 betätigt ein Gaswechselven­ til 6 eines nicht näher dargestellten Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine. Der Aktuator 1 hat oben einen Schließma­ gneten 2 und unten einen Öffnungsmagneten 3 sowie einen zwischen den Magneten 2 und 3 axial beweglich angeordneten Anker 4, der über einen Ankerstößel 5 und ein Spielausgleichse­ lement 16 auf einen Ventilschaft 8 des Gaswechselventils 6 wirkt. Am freien Ende des Ventilschafts 8 befindet sich ein Ventilteller 7, der mit einem im Zylinderkopf eingelassenen Ventilsitzring 9 zusammenwirkt. Eine Ventilführung 10 führt den Ventilschaft 8 im Zylinderkopf.

Ein Federsystem, bestehend aus einer Schließfeder 14 und einer Öffnungsfeder 15 halten den Anker 4 bei unbestromten Magneten 2 und 3 in einer Gleichgewichtslage, die zweckmäßigerweise einer energetischen Mittenlage 26 entspricht. Die Schließfeder 14 stützt sich einerseits über ein Stellglied 11 am Zylinderkopf und andererseits über einen Federteller 12 am Ventilschaft 8 ab, während sich die Öffnungsfeder 15 mit ihrem einen Ende am. Aktuator 1 und mit ihrem anderen Ende über einen Federteller 13 am Ankerstößel 5 abstützt.

Die Fig. 1 zeigt den Anker 4 bei einer Betriebsphase in der Mittenlage 26. Das Spielausgleichselement 16 ist aktiv und sorgt dafür, daß das Gaswechselventil 6 spielfrei schließt und der Anker 4 im geschlossenen Zustand des Gaswechselventils 6 am Schließmagneten 2 anliegt, wobei die Schließfeder 14 eine Restschließkraft auf das Gaswechselventil 6 ausübt.

Das Spielausgleichselement 16 besitzt einen Zylinder 18, der am Ventilschaft 8 festsitzt und in dem ein Kolben 19 axial beweg­ lich angeordnet ist, der mit dem Zylinder 18 einen Druckraum 28 bildet. In diesem befindet sich eine Feder 33, die den Kolben 19 mit seiner anderen Stirnseite gegen einen Zwischenboden 35 einer im Zylinderkopf geführten Führungshülse 17 drückt. Im Kolben 19 befindet sich eine Vorratskammer 31, die über eine Ringnut 29 und mindestens eine Querbohrung 30 in der Führungs­ hülse 17 sowie einen Kanal 34 im Kolben 19 mit einer Ölversor­ gung verbunden ist. Zwischen der Vorratskammer 31 und dem Druckraum 28 ist eine Verbindungsbohrung 20 vorgesehen. Ein Rückschlagventil 21, das durch eine Feder 32 belastet ist und zum Druckraum 28 öffnet, steuert die Verbindungsbohrung 20. Herrscht im Druckraum 28 ein geringerer Druck als in der Vorratskammer 31, weil z. B. der Ventilteller 7 bereits am Ventilsitzring 9 anliegt bevor der Anker 4 den Schließmagneten 2 erreicht, öffnet das Rückschlagventil 21 und es strömt Öl von der Vorratskammer 31 in die Druckkammer 28, wobei sich der Kolben 19 um einen Verstellweg 27 verstellt, bis der Anker 4 bei geschlossenem Gaswechselventil 6 am Schließmagneten 2 anliegt.

Bei einem Stillstand der Brennkraftmaschine belasten die Schließfeder 14 und die Öffnungsfeder 15 das Spielausgleichse­ lement 16, so daß über die vorgesehenen Drosselspalte aus dem Druckraum 28 das Öl entweicht und das Spielausgleichselement 16 bis zu einer Ausgangslage zusammengeschoben wird. Entspre­ chend verlagert sich die Gleichgewichtslage des Ankers 4 aus der Mittenlage 26 (Fig. 2). Dies kann dazu führen, daß bei einem Neustart der Brennkraftmaschine eine ordnungsgemäße Funktion des Gaswechselventils 6 erschwert bzw. gänzlich in Frage gestellt wird. Gemäß der Erfindung wird deshalb durch das Stellglied 11 der Anker 4 zu Beginn des Neustarts in die Mittenlage 26 verschoben, damit die Anschwingroutine ordnungs­ gemäß ablaufen kann. Es ist allerdings auch möglich, daß das Stellglied 11 den Anker 4 bis zur Anlage an den Schließmagneten 2 verstellt. Durch Einschalten des Schließmagneten 2 wird dann das System betriebsbereit. Nach dem Start der Brenn­ kraftmaschine geht das Stellglied 11 in seine Ausgangsposition zurück und das Spielausgleichselement 16 übernimmt seine normale Funktion.

Das Stellglied 11 kann elektrisch oder durch den Öldruck der Brennkraftmaschine automatisch hydraulisch betätigt werden. Eine Steuereinrichtung 25 erfaßt über Signalleitungen 22 und 23 Meßgrößen, die für die Lage des Ankers 4 relevant sind, und steuert entsprechend den Meßdaten über eine Steuerleitung 24 das Stellglied 11. Zur Verarbeitung der Meßgrößen und Stellgrö­ ßen enthält die Steuereinrichtung zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor. Aus Meß- und Steuergröße für die Lage des Ankers 4 eignen sich z. B. die Induktivitätswerte der beiden Magnete 2, 3.

Die Steuereinrichtung 25 kann ferner eine elektrisch angetrie­ bene Pumpe enthalten, durch die bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine ein ausreichender hydraulischer Druck für das Stellglied 11 erzeugt werden kann.

Schließlich kann das Spielausgleichselement 16 als Stellglied dienen, indem die elektrisch betriebene Pumpe der Steuerein­ richtung 25 die Vorratskammer 31 vor dem Start der Brennkraft­ maschine mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils (6) einer Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen Öffnungsmagneten (3) und einen Schließmagneten (2) aufweist, zwischen denen ein Anker (4) axial verschiebbar angeordnet ist, dessen Ankerstößel (5) gemeinsam mit einer Öffnungsfeder (15) auf einen Ventilschaft (8) entgegen der Kraft einer Schließfeder (14) wirkt, und mit einem hydraulischen Spielausgleichselement (16), das zwischen dem Ankerstößel (5) und dem Ventilschaft (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Schließfeder (14) über ein Stellglied (11) am Zylinderkopf abstützt.

2. Verfahren zum Start einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (11) beim Start der Brennkraftmaschine den Anker (4) in eine Mittenlage (26) bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße für die Lage des Ankers (4) die Induktivitätswerte der beiden Magnete (2, 3) verwendet werden.

4. Verfahren zum Start einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start der Brennkraftmaschine der Anker (4) über die Mittenlage (26) hinaus verstellt wird.

5. Verfahren zum Start einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start der Brennkraftmaschine der Anker (4) bis (fast) an den Schließmagneten (2) verschoben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellglied (11) hydraulisch betätigt und während des Starts der Brennkraftmaschine von einer elektrisch angetriebenen Pumpe beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellglied (11) elektrisch gesteuert wird.