DE19837837C1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Spielausgleichselement und mit einem elektromagnetischen Aktuator, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten aufweist, zwischen denen ein Anker axial verschiebbar angeordnet ist und mit einer Öffnungsfeder auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils entgegen der Kraft einer Schließfeder wirkt. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Öffnungsfeder (15) eine steilere Kennlinie (27) und geringere Vorspannung hat als die Schließfeder (14), wobei die Gleichgewichtslage (19) bei stromlosen Magneten (2, 3) ungefähr einer energetischen Mittenlage entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventlis 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.

Aus der DE 195 29 152 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, dessen Elektromagnet den Anker aus seiner Ruhelage entgegen der Kraft einer Rückstellfeder selbsttätig anziehen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die Ventilfedern mit einer progressiv ansteigenden Kennlinie ausgelegt sind, und zwar derart, daß die Magnetkraft mindestens eines Magneten die Federkraft im Bereich zwischen der Gleichgewichtslage und der zugeordneten Endlage stets übersteigt. Dabei können die Ventil­ federn gleich ausgelegt sein oder eine unterschiedliche Charak­ teristik aufweisen, wodurch sich die Gleichgewichtslage des Ankers zu einem Magneten hin verschiebt.

In geschlossener 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 eingeschal­ tet. Die Öffnungsfeder beschleunigt den Anker über die Gleich­ gewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öff­ nungsmagneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die Schließ­ feder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezo­ gen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten.

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 am Ventilsitz dazu führen, daß der Anker an der Polfläche des Schließmagneten anliegt, bevor das Gas­ wechselventil 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 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 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 eines oder mehrerer Federfußpunkte anzupassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Betätigung von Gaswechselventilen mit einem Spielausgleichsele­ ment in der Art auszuführen, daß sich die energetische Mittenlage in Abhän­ gigkeit des Verschleißes des Ventilsitzes nur wenig verändert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst, während eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung dem Unteranspruch entnommen werden können.

Nach der Erfindung besitzt die Öffnungsfeder eine steilere Kennlinie und eine geringere Vorspannung als die Schließfeder, wobei die Gleichgewichtslage bei stromlosen Magneten ungefähr einer energetischen Mittenlage entspricht.

Die Öffnungsfeder wird zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß sie sich über den Ventilhub von der zur Einleitung der Öffnungsbe­ wegung des Ventils erforderlichen Kraft bis auf Null entspannt. Gegebenenfalls ist eine geringe verbleibende Restvorspannung aus Sicherheitsaründen vorteilhaft. Durch die vollständige Entspannung erhält die Öffnungsfeder gemäß der Erfindung eine steilere Kennlinie als eine nach dem Stand der Technik ausge­ legte Feder. Um auf die erforderliche Summensteifigkeit der beiden Ventilfedern zu gelangen, wird die Schließfeder mit | einer flacheren Kennlinie ausgelegt. Durch die ungleiche Auslegung der Kennlinien beider Ventilfedern wird die Gleichge­ wichtslage des Ankers relativ zur energetischen Mittenlage verändert. Diese Veränderung wird dadurch ausgeglichen, daß die beiden Ventilfedern eine entgegengesetzt zu ihren Kennlinien auf die Gleichgewichtslage wirkende Vorspannung erhalten, so daß die. Gleichgewichtslage des Ankers im wesentlichen wieder mit der energetischen Mittenlage übereinstimmt.

Bei einer neuen Brennkraftmaschine muß die Ventilfeder zur Aufrechterhaltung einer Restschließkraft mit einer höheren Vorspannung eingebaut werden als zum Zuhalten des Ventils erforderlich ist, da sich durch den Verschleiß am Ventilsitz die Schließfeder über die Lebens­ dauer entspannt. Dieser Vorhalt kann durch die flachere Kennli­ nie kleiner ausfallen, weil durch sie bei gleichem Verschleiß­ weg ein geringerer Vorspannungsverlust eintritt. Ferner treten in allen Bereichen bis auf den Zustand, daß das Gaswechselven­ til geschlossen ist, niedrigere Kräfte auf.

Die Mittenlage des Ankers verändert sich mit dem Verschleißweg in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Schließfedersteifigkeit zur Suinmensteifigkeit der beiden Ventilfedern. Dieses Verhält­ nis ist bei der erfindungsgemäßen Auslegung immer kleiner als 0,5. Dadurch wird der zulässige Mittenlagenbereich des Systems erst nach höherer Laufzeit verlassen, so daß eine längere Lebensdauer des Systems erreicht wird. Da sich die Mittenlage unter dem Einfluß des Verschleißes des Ventilsitzes stets in die gleiche Richtung verlagert, ist es zweckmäßig, die Gleich­ gewichtslage im Ausgangszustand etwas zur entgegengesetzten Seite hin einzustellen, um einen gewissen Verschleiß während der Einlaufphase und der ersten Betriebszeit zu berücksichti­ gen.

Da in den Ventilfedern keine überflüssige Energie gespeichert wird, können die Federn geringfügig kleiner als üblich ausge­ legt werden, wodurch sich ein geringerer Bauraum ergibt.

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.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator und ein Gaswechsel­ ventil mit einem Spielausgleichselement während des Betriebs in einer Gleichgewichtslage und

Fig. 2 ein Diagramm über den Kräfteverlauf der Ventilfedern während eines Hubs eines Gaswechselventils.

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 hydraulisches Spielausgleichselement 16 auf einen Ventilschaft 8 des Gaswech­ selventils 6 wirkt. Am freien Ende des Ventilschafts 8 befindet sich ein Ventilteller 7, der mit einem im Zylinderkopf einge­ lassenen Ventilsitzring 9 zusammenwirkt. Eine Ventilführung 10 führt den Ventilschaft 8 im Zylinderkopf.

Ein Federsystem, bestehend aus einer Schließfeder 14 und einer Öffnungsfeder 15, hält den Anker 4 bei unbestromten Magneten 2 und 3 in einer Gleichgewichtslage 19, die zweckmäßigerweise einer energetischen Mittenlage entspricht. Die Schließfeder 14 stützt sich einerseits über eine Federauflage 11 am Zylinder­ kopf 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 19. Das Spielausgleichselement 16 ist aktiv und sorgt dafür, daß das Gaswechselventil 6 spielfrei schließt und der Anker 4 in der Endlage 18, die dem geschlossenen Gaswech­ selventil 6 entspricht, am Schließmagneten 2 anliegt, wobei die Schließfeder 14 eine Restschließkraft auf das Gaswechselventil 6 ausübt.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist über eine Abszisse 20, die die Hubbewegung des Gaswechselventils 6 zwischen der Endlage 17 für das offene Gaswechselventil 6 und der Endlage 18 für das geschlossene Gaswechselventil darstellt, auf einer Koordinate 21 die Federkraft der Schließfeder 14 bzw. Öffnungsfeder 15 dargestellt. Eine Kennlinie 24 stellt den Verlauf einer übli­ chen Schließfeder 14 dar, während eine Kennlinie 26 eine erfindungsgemäße Auslegung kennzeichnet. Entsprechend ist für die Öffnungsfeder 15 eine übliche Kennlinie 25 und eine erfin­ dungsgemäße Kennlinie 27 angegeben. Eine Summenkennlinie 28 der beiden Ventilfodern 14, 15 kreuzt die Abszisse 20, wobei der Bereich oberhalb der Abszisse 20 ausgehend von der Gleichge­ wichtslage 19, die Schließbewegung und der unterhalb der Abszis­ se 20 liegende Teil die Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 6 darstellt. Die Summenkennlinie 28, die für das Schwingungs­ verhalten des Aktuators 1 maßgeblich ist, ist für die übliche Federauslegung und die erfindungsgemäße Federauslegung gleich.

Die erfindungsgemäße Federauslegung unterscheidet sich von der üblichen Federauslegung dadurch, daß die Kennlinie 27 für die Öffnungsfeder 15 sich bis zur Endlage 17 in der Öffnungsstel­ lung auf Null entspannt, während die übliche Kennlinie 25 in dieser Endlage 17 eine Vorspannung 23 aufweist. Dadurch ver­ läuft die Kennlinie 27 steiler als die Kennlinie 25 und eben­ falls steiler als die Kennlinie 26 der Schließfeder 14. Die Schließfeder 14, die in der Endlage 18, die der geschlossenen Ventilstellung entspricht, eine Vorspannung 22 aufweist, verläuft ebenfalls flacher als die übliche Kennlinie 24 der Schließfeder 14. Die Neigungen der Kennlinien 26, 27 sind auf die Vorspannung 22 und die Vorspannung der Öffnungsfeder 15, die im Ausführungsbeispiel gleich Null ist, so abgestimmt, daß die Summenkennlinie 28 und die Mittenlage 19 erhalten bleiben. Durch die flachere Kennlinie 26 der Schließfeder 14 ist der Einfluß des Verschleißes an Ventilsitzring 9 und Ventilteller 7 auf die Verlagerung der Gleichgewichtslage 19 relativ zur energetischen Mittenlage geringer als bei einer üblichen Federauslegung.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils (6) einer Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Spielausgleichsele­ ment (16) und mit einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen Öffnungsmagneten (3) und einen Schließmagneten (2) aufweist, zwischen denen ein Anker (4) axial verschiebbar angeordnet ist und mit einer Öffnungsfeder (15) auf einen Ventilschaft (8) des Gaswechselventils (6) entgegen der Kraft einer Schließfeder (14) wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfeder (15) eine steilere Kennlinie (27) und geringere Vorspannung hat als die Schließfeder (14), wobei die Gleichge­ wichtslage (19) bei stromlosen Magneten (2, 3) ungefähr einer energetischen Mittenlage entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtslage (19) im Ausgangszustand etwas zur Öffnungs­ feder (15) hin verlagert ist.