DE19956136A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents
Vorrichtung zum Betätigen eines GaswechselventilsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem in dem Kraftfluß eines Betätigungselements auf das Gaswechselventil angeordneten Ausgleichselement, das einen durch einen Kolben und einen Arbeitszylinder gebildeten Druckraum aufweist, der über ein Rückschlagventil mit einem Vorratsraum verbunden ist und mit einer Drosselstelle, über die Druckmittel aus dem Druckraum während der Arbeitsspiele abfließen kann. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der Druckraum nach außen abgedichtet ist, und daß das Ausgleichselement ein Hochdruckventil aufweist, über das Druckmittel gedrosselt während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils abfließt, indem das Hochdruckventil zyklisch bei einer definierten Kraft auf das Ausgleichselement öffnet und bei einer definierten Kraft schließt, die jeweils größer als eine mittlere Kraft und jeweils geringfügig kleiner oder gleich einer maximalen Kraft auf das Ausgleichselement ist.
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 über einen Ankerstößel auf
einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach
dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Feder
mechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist
zwei vorgespannte Ventilfedern, von denen eine obere Ventilfe
der das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere
Ventilfeder in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten
Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleich
gewichtslage zwischen den Magneten gehalten. Die Ventilfedern
können gemeinsam auf einer Seite oder jeweils getrennt vonein
ander auf beiden Seiten des Aktuators angeordnet sein.
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 Öff
nungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswech
selventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und
der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wir
kende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge
wichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten ange
zogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsma
gneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechsel
ventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschal
tet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung
wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge
wichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom
Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des
Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten. Beide
Ventilfedern sind soweit vorgespannt, daß sich der Anker bei
stromlosen Schaltmagneten auf eine annähernd mittlere Lage zwi
schen den Polflächen der Schaltmagnete einstellt und daß
gleichzeitig in bzw. kurz vor der Schließstellung des Gaswech
selventils eine Restschließkraft von der unteren Ventilfeder
auf das Gaswechselventil wirkt.
Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit
verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen
einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materi
alien, durch Fertigungstoleranzen differierende Federsteifig
keiten der oberen und der unteren Ventilfeder, sowie Setzer
scheinungen durch Alterung der Ventilfedern usw., können dazu
führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichge
wichtslage nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen
den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Posi
tion aufweist. Ferner können derartige Größen und Verschleiß an
den Ventilsitzen dazu führen, daß der Anker an der Polfläche
des Schließmagneten nicht mit einer konstanten Schließkraft
anliegt oder bereits anliegt, bevor das Gaswechselventil voll
ständig schließt. Heiße Brenngase, die über nicht dicht schlie
ßende Ventile abströmen, zerstören die Ventilsitze. Anderer
seits ist es durch unterschiedliche Wärmedehnungen möglich, daß
der Anker bei geschlossenem Gaswechselventil nicht mehr voll
ständig an der Polfläche des Schließmagneten zum Anliegen
kommt, so daß der Energiebedarf des Schließmagneten stark zu
nimmt. Ferner ist mit diesem Vorgang in der Regel ein reduzier
ter Öffnungshub des Gaswechselventils verbunden, so daß die
Drosselverluste beim Ladungswechsel zunehmen und sich der Wir
kungsgrad verschlechtert.
Bei Gaswechselventilen, die über eine Nockenwelle betätigt wer
den, können Wärmedehnungen, Sitzringeinschlag, Setzerscheinun
gen durch Alterung der Ventilfeder usw., ebenfalls dazu führen,
daß das Gaswechselventil nicht vollständig schließt.
In einer älteren Anmeldung, DE 196 47 305 C1, ist ein elektro
magnetischer Aktuator dargestellt, der schwimmend in einem Zy
linderkopf gelagert ist. Er öffnet und schließt ein Gaswechsel
ventil, indem sein Anker zwischen zwei Elektromagneten bewegt
wird und dabei auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils
wirkt. Ein 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 mit dem Zylinderkopf
verbundenen Deckplatte und dem Aktuator ein Spielausgleichsele
ment, das sowohl positives als auch negatives Ventilspiel aus
gleicht.
Das Spielausgleichselement weist einen Kolben in einem Zylinder
auf. Der Kolben trennt einen ersten, dem Gaswechselventil abge
wandten, brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten von einem
zweiten, dem Gaswechselventil zugewandten Druckraum. Ein Rück
schlagventil im Kolben öffnet bei Überdruck im ersten Druckraum
entgegen der Kraft einer Rückhaltefeder in Richtung zum zweiten
Druckraum. Die Rückhaltefeder ist so ausgelegt, daß das Rück
schlagventil nicht öffnet, wenn kein Spiel vorhanden ist.
Das Gaswechselventil sollte stets sicher schließen. Um dies zu
erreichen, besitzt das Spielausgleichselement die Tendenz sich
stets langsam zu verkürzen. Dies wird mit einer Drosselstelle
erreicht, die durch ein definiertes Spiel zwischen dem Kolben
und dem Zylinder gebildet ist. Über die Drosselstelle fließt
bei Belastung Druckmittel vom zweiten in den ersten Druckraum.
Kommt der Anker nicht mehr ausreichend nahe an den Schließmag
neten bzw. entsteht ein Spiel zwischen dem Ankerstößel und dem
Gaswechselventil, weil sich das Spielausgleichselement zu weit
verkürzt hat, muß ein schneller Ausgleich in die entgegenge
setzte Richtung stattfinden, welches mit dem sich öffnenden
Rückschlagventil erreicht wird. Der Druck im zweiten Druckraum
sinkt unter den des ersten Druckraums, so daß das Rückschlag
ventil gegen die Rückhaltefeder öffnet und Druckmedium vom er
sten in den zweiten Druckraum strömt, bis das Spiel ausgegli
chen ist. Dieser Vorgang kann mehrere Arbeitsspiele des Ventils
dauern.
Der iterative Prozeß mit einem schnellen und mit einem langsa
men Ausgleich, bewirkt, daß sich das Gaswechselventil ständig
in einem Bereich einer optimalen Spieleinstellung bewegt. Wird
jedoch der Aktuator abgeschaltet, stellt sich der Anker durch
die Ventilfedern auf eine Gleichgewichtslage zwischen den Ma
gneten ein. Dabei wirkt eine mittlere Kraft der Ventilfedern
über den Aktuator auf den zweiten Druckraum. Der Druck im obe
ren brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten Druckraum fällt ab
und Druckmittel fließt über die Drosselverbindungen zwischen
dem Kolben und dem Zylinder aus dem zweiten Druckraum ab. Das
Spielausgleichselement sinkt zusammen und der Aktuator wird
nach oben, in die vom Gaswechselventil abgewandte Richtung ver
schoben, wodurch die Gleichgewichtslage der Ventilfedern ver
stellt wird. Nach einem erneuten Start des Aktuators muß der
zweite Druckraum des Spielausgleichselements befüllt, der Ak
tuator in Richtung des Gaswechselventils verschoben und die
Gleichgewichtslage der Ventilfedern auf ihren korrekten Wert
eingestellt werden. Dieser Vorgang kann mehrere Arbeitsspiele
des Gaswechselventils dauern und kann insbesondere zu Geräu
schen, einem unnötigen Verschleiß und zu einem zusätzlichen
Energieaufwand führen.
Aus der DE 41 09 666 A1 ist eine desmodromische Steuerung eines
Gaswechselventils bekannt, bei der ein Öffnungsnocken und ein
Schließnocken über einen Tassenstößel auf einen Ventilschaft
wirken. In dem Tassenstößel sind zwei Spielausgleichselemente
angeordnet, und zwar ein oberes, dem Gaswechselventil abgewand
tes und ein unteres, dem Gaswechselventil zugewandtes Spielaus
gleichselement. Das obere Spielausgleichselement hält mit einer
Kolben-Zylinder-Einheit ein Bodenteil des Tassenstößels auf dem
Öffnungsnocken und stützt sich dabei mit dem Zylinder in Öff
nungsrichtung auf dem Ventilschaft und mit dem Kolben in
Schließrichtung am Bodenteil ab. Das zweite Spielausgleichsele
ment hält mit einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit ein Mantel
teil des Tassenstößels auf einem vom Schließnocken angetriebe
nen Arm. Der Kolben ist als Ringkolben ausgeführt, stützt sich
in Schließrichtung über einen Sicherungsring am Ventilschaft ab
und ist verschiebbar in dem Mantelteil geführt, das gleichzei
tig als Zylinder des zweiten Spielausgleichselements dient. Der
Ringkolben trennt einen unteren, auf der dem Gaswechselventil
zugewandten Seite angeordneten Druckraum von einem oberen, auf
der dem Gaswechselventil abgewandten Seite angeordneten Vor
ratsraum. Ferner weist das zweite Spielausgleichselement ein
Rückschlagventil auf, über das Druckmittel vom Vorratsraum über
einen Durchbruch im Ringkolben zum Druckraum fließen kann. Das
Rückschlagventil verschließt den Durchbruch mit einer Ventilku
gel, die mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Rich
tung Vorratsraum gedrückt wird. Zwei weitere im Druckraum ange
ordnete Schraubendruckfedern spannen den Ringkolben relativ zum
Mantelteil vor.
Neben den zwei Spielausgleichselementen ist im Tassenstößel ein
Überdruckventil bzw. ein Sicherheitsventil angeordnet. Das Si
cherheitsventil ist ein Rückschlagventil, das einen zweiten
Durchbruch im Ringkolben mit einer Ventilkugel verschließt, die
mit einer vorgespannten Schraubendruckfeder in Richtung Druck
raum gedrückt wird. Die Schraubendruckfeder ist hinsichtlich
ihrer Vorspannkraft so ausgeführt, daß das Sicherheitsventil
bei Kräften geschlossen bleibt, die bei einer regulären Ventil
betätigung auftreten. Sollte jedoch im Ventilbetrieb aufgrund
von Resonanzschwingungen oder eines zu hohen Schmieröldrucks
etc. ein Aufpumpen, d. h. ein ständiges Ausdehnen des zweiten
Spielausgleichselements erfolgen, würden aufgrund der Zwangs
steuerung über den Schließnocken unzulässig hohe Ventilkräfte
bzw. -drücke auftreten, die bei der vorgeschlagenen Ausführung
durch Öffnen des Überdruckventils abgebaut werden können. Glei
ches gilt dann, wenn bei einem längeren Stillstand der Brenn
kraftmaschine sich das erste Spielausgleichselement entleert
hat, und sich beim Start das zweite Spielausgleichselement vor
dem ersten Spielausgleichselement ausdehnt und dadurch unzuläs
sig hohe Ventilkräfte entstehen würden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum
Betätigen von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit
einem Ausgleichselement zu schaffen, das durch einen iterativen
Prozeß mit einem schnellen und einem langsamen Ausgleich stän
dig in einem Bereich einer optimalen Einstellung ist, und diese
beim Start der Brennkraftmaschine möglichst schnell erreicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei
terbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden
können.
Nach der Erfindung behält das Ausgleichselement beim Stillstand
der Brennkraftmaschine seine Einstellung bei. Dies kann dadurch
geschehen, daß beim Stillsetzen der Brennkraftmaschine das Aus
gleichselement mechanisch, elektrisch oder hydraulisch blockiert
wird. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, daß der
Abfluß über die Drosselstelle mittels eines Ventils steuerbar
ist. Das Ventil kann zweckmäßigerweise ein Magnetventil sein,
das im stromlosen Zustand den Durchfluß durch die Drosselstelle
schließt. Es kann abhängig von geeigneten Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine angesteuert werden, so daß ein Abfluß
aus dem Druckraum nur zu bestimmten Zeitabschnitten des Betäti
gungszyklus des Gaswechselventils möglich ist. Im übrigen wird
dadurch erreicht, daß das Ausgleichselement beim Stillstand der
Brennkraftmaschine hydraulisch blockiert ist und somit seine
Einstellung beibehält.
Das Ventil kann in Strömungsrichtung vor oder hinter der Dros
selstelle angeordnet werden. Wird die Drosselstelle durch einen
Drosselspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildet,
wird das Ventil zweckmäßigerweise in einer Abfluß- bzw. Rück
flußleitung angeordnet, die zwischen dem Drosselspalt und einem
den Kolben umgebenden Dichtring in den Arbeitszylinder mündet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung geht von der Erkenntnis aus,
daß bei Vorrichtungen zum Betätigen von Gaswechselventilen, die
wirkende Kraft auf ein Ausgleichselement während der Arbeits
spiele zyklisch zwischen einem maximalen und einem minimalen
Wert schwankt, und zwar bedingt durch Massenträgheitskräfte,
Druckschwankungen im Zylinderkopf und insbesondere bei Vorrich
tungen, die zumindest eine auf das Gaswechselventil wirkende
Ventilfeder aufweisen, sowie durch die Veränderung der Spann
kraft über einen Arbeitszyklus. Diese Schwankungen, die nur
während der Arbeitsspiele auftreten, werden von der Erfindung
genutzt, während der Arbeitsspiele eine definierte Leckage zu
erreichen und damit die Tendenz, daß sich das Ausgleichselement
stets langsam verkürzt oder in besonderen Anordnungen verlän
gert und daß das Ausgleichselement bei Stillstand der Brenn
kraftmaschine seine Einstellung vollständig oder zumindest na
hezu unverändert beibehält.
Ein langsamer Ausgleich eines gewünschten iterativen Prozesses
in eine Richtung wird zweckmäßigerweise mit einem Hochdruckven
til erreicht. Über das Hochdruckventil fließt während der Ar
beitsspiele eine bestimmte Menge an Druckmittel gedrosselt ab,
indem dieses zyklisch bei einer definierten Kraft auf das Aus
gleichselement öffnet und bei einer definierten Kraft schließt,
wobei die Kräfte jeweils größer als eine mittlere Kraft und
kleiner oder gleich einer maximalen Kraft auf das Ausgleich
selement sind.
Ein schneller Ausgleich des iterativen Prozesses in die entge
gengesetzte Richtung wird mit einem Rückschlagventil erreicht.
Wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, treten keine zykli
schen Schwankungen der Kraft auf das Ausgleichselement auf. Die
definierte Öffnungskraft des Hochdruckventils im Bereich einer
maximalen Kraft wird nicht erreicht bzw. bei bestimmten Vor
richtungen nur kurz beibehalten, beispielsweise bei einer Vor
richtung mit einer in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder,
bei der das Gaswechselventil in Öffnungsstellung stehenbleibt.
Ist die auf das Ausgleichselement wirkende Kraft bei Stillstand
der Brennkraftmaschine kleiner als die Öffnungskraft bleibt das
Hochdruckventil geschlossen. Druckmittel kann aus dem nach au
ßen dicht verschlossenen Druckraum nicht abfließen, wodurch das
Ausgleichselement seine Einstellung beibehält. Ist die wirkende
Kraft größer als die Öffnungskraft, fließt nur eine geringe
Menge an Druckmittel ab, bis die Schließkraft erreicht und das
Hochdruckventil geschlossen wird. Die Einstellung des Aus
gleichselements wird nur geringfügig verändert.
Die erfindungsgemäße Lösung kann bei verschiedenen Arten von
Vorrichtungen zum Betätigen eines Gaswechselventils eingesetzt
werden, wie bei Vorrichtungen mit einem Öffnungsnocken und mit
einem Schließnocken, die keine Ventilfeder aufweisen, bei Vor
richtungen mit einem Öffnungsnocken und mit einer in Schließ
richtung wirkenden Ventilfeder usw. Besonders vorteilhaft wird
die erfindungsgemäße Lösung jedoch bei elektromagnetischen Gas
wechselventilsteuerungen eingesetzt. Elektromagnetische Gas
wechselventilsteuerungen weisen einen Aktuator auf, der einen
Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten besitzt, zwischen
deren Polflächen ein Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist
und auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils wirkt. Ferner
wirkt auf das Gaswechselventil ein Federmechanismus mit zumin
dest einer in Öffnungsrichtung wirkenden und zumindest einer in
Schließrichtung wirkenden vorgespannten Ventilfeder. Wird der
Aktuator mit der Brennkraftmaschine abgeschaltet, stellt sich
der Anker auf eine Gleichgewichtslage der Ventilfedern zwischen
den Polflächen der Magnete ein. In dieser Stellung wirkt eine
Kraft auf das Ausgleichselement, die kleiner ist als die Öff
nungskraft des Hochdruckventils und größer ist als die Öff
nungskraft des Rückschlagventils, so daß aus dem dicht ver
schlossenen Druckraum kein Druckmittel abfließt und die Ein
stellung des Ausgleichselements bei Stillstand der Brennkraft
maschine beibehalten wird. Eine gleiche Wirkung kann durch das
elektrisch ansteuerbare Magnetventil erzielt werden.
Das Ausgleichselement kann ein Spielausgleichselement, ein Aus
gleichselement, mit dem eine Ventilfedervorspannung einstellbar
ist oder ein sonstiges Ausgleichselement sein, das im Kraftfluß
eines Betätigungselements auf ein Gaswechselventil angeordnet
ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe
schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthal
ten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die
Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn
vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch eine erfindungs
gemäße Vorrichtung,
Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Ausgleichselements,
Fig. 3 eine Variante zu einem Ausgleichselement nach Fig. 2,
Fig. 4 einen Druckverlauf in einem Druckraum eines Ausgleichs
elements und
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts IV in Fig. 1.
Ein elektromagnetischer Aktuator 20 ist in eine Ausnehmung 75
eines Zylinderkopfs 25 eingelassen, die mit einem nicht näher
dargestellten Zylinderkopfdeckel 26 verschlossen ist. Der Ak
tuator 20 betätigt ein Gaswechselventil 7, das mit seinem Ven
tilschaft 24 mittels einer Ventilführung 27 in dem Zylinderkopf
25 geführt ist. Der Aktuator 20 besitzt zwei Schaltmagnete, und
zwar einen oberen Schließmagneten 22 und einen unteren Öff
nungsmagneten 21. Zwischen den Polflächen der Schaltmagnete 21
und 22 bewegt sich ein Anker 23, der über einen Ankerstößel 28
auf den Ventilschaft 24 des Gaswechselventils 7 wirkt.
Zwischen dem Öffnungsmagneten 21 und dem Gaswechselventil 7 ist
ein Federgehäuse 29 vorgesehen, in dem ein Federmechanismus,
bestehend aus zwei Ventilfedern 10 und 11, untergebracht ist.
Die obere Ventilfeder 10 wirkt mit einem Ende auf einen mit dem
Gaswechselventil 7 bewegten Federteller 30 in Öffnungsrichtung
18 und stützt sich mit dem anderen Ende an dem Öffnungsmagneten
21 ab. Die untere Ventilfeder 11 wirkt mit einem Ende auf einen
mit dem Gaswechselventil 7 bewegten Federteller 31 in Schließ
richtung 17 und stützt sich am anderen Ende auf einer Federauf
lage 19 ab.
Die Darstellungen zeigen den Aktuator 20 in der Schließstel
lung, in der der Schließmagnet 22 bestromt ist und der Anker 23
an der Polfläche des Schließmagneten 22 anliegt. Gleichzeitig
ist das Gaswechselventil 7 geschlossen, indem sein Ventilteller
32 auf einen Ventilsitzring 33 aufsitzt, der im Zylinderkopf 25
eingelassen ist und die Öffnung eines Gaswechselkanals 34 bil
det. Wird der Schließmagnet 22 stromlos geschaltet und der Öff
nungsmagnet 21 bestromt, öffnet das Gaswechselventil 7, bis der
Anker 23 an der Polfläche des Öffnungsmagneten 21 anliegt. Da
mit ist der maximale Öffnungshub erreicht.
Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über die Zeit
verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen
einzelner Bauteile, Verschleiß an dem Ventilsitzring 33 usw.,
können dazu führen, daß der Anker 23 an der Polfläche des
Schließmagneten 22 anliegt bevor der Ventilteller 32 am Ventil
sitzring 33 zum anliegen kommt, wodurch das Gaswechselventil 7
nicht vollständig schließt, daß zwar das Gaswechselventil 7
vollständig schließt, jedoch der Anker 23 nicht an der Polflä
che des Schließmagneten 22 zum anliegen kommt, oder daß Spiel
zwischen dem Ankerstößel 28 und dem Ventilschaft 24 auftritt.
Um dies zu vermeiden, ist zwischen dem Ankerstößel 28 und dem
Ventilschaft 24 ein Ausgleichselement 3 angeordnet, das als
Spielausgleichselement dient. Das Ausgleichselement 3 wird über
eine Tasse 35 mit Drucköl versorgt, die zwischen dem Aus
gleichselement 3 und dem Ankerstößel 28 angeordnet ist, mit
seinen Seitenwangen 36 das Ausgleichselement 3 teilweise umgibt
und nach außen in einer öldruckgespeisten, zylinderkopffesten
Führung 37 über Gleitreibung geführt ist.
Die Führung 37 ist von einem separaten Bauteil 38 gebildet. Das
Bauteil 38 ist im Zylinderkopf 25 eingesetzt und stützt sich
über einen Bund 39 in Schließrichtung 17 am Öffnungsmagneten 21
und in Öffnungsrichtung 18 an einer Stufe 40 im Zylinderkopf 25
ab. Das Bauteil 38 besitzt an seinem äußeren Umfang einen
Druckraum 41, über den es über einen Kanal 42 mit einem Druck
anschluß 43 verbunden ist. Vom Druckraum 41 führt ein Kanal 44
zur Führung 37 und mündet in einer Ringnut 45. Kurz vor und in
der Schließstellung des Gaswechselventils 7 ist ein sich bil
dender Innenraum 46 zwischen der Tasse 35 und dem Aus
gleichselement 3 über einen Kanal 47 in der Tasse 35 mit der
Ringnut 45 verbunden. Der Innenraum 46 ist nach außen über eine
Dichtung 48 zwischen dem Ausgleichselement 3 und der Tasse 35
abgedichtet. Der Anker 23 mit seinem Ankerstößel 28, das Aus
gleichselement 3 und das Gaswechselventil 7 können rotations
symmetrisch eingebaut werden. Durch die Ringnut 45 ist sicher
gestellt, daß die Tasse 35 unabhängig von der Ausrichtung bei
der Montage mit Öl versorgt wird. Das Drucköl wird dann, wenn
erforderlich, über eine Ausnehmung 49 an einer inneren Decksei
te 67 der Tasse 35 dem Ausgleichselement 3 zugeführt. Die Zu
führung von Drucköl über Tassen 35 ist eine ausgereifte und
damit mit wenigen Problemen behaftete Technik. Möglich ist je
doch auch, das Drucköl mit oder ohne Tasse 35 direkt seitlich
einem entsprechend ausgeführten Ausgleichselement oder über den
Ankerstößel 28 zuzuführen.
Durch eine Längenänderung des Ausgleichselements 3 kann die
Gesamtlänge von dem Ankerstößel 28, dem Ausgleichselement 3 und
dem Ventilschaft 24 entsprechend nachgeregelt werden. Bei einem
schwimmend gelagerten Aktuator 20 kann das Spielausgleichsele
ment grundsätzlich auch auf der dem Gaswechselventil 7 abge
wandten Seite des Schließmagneten 22 und/oder auf der dem Gas
wechselventil 7 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 21 ange
ordnet sein.
Die auftretenden Störgrößen und ein dadurch bedingter Spielaus
gleich durch das Ausgleichselement 3, können dazu führen, daß
die durch die Ventilfedern 10, 11 bestimmte Gleichgewichtslage
nicht mit einer energetischen Mittenlage zwischen den Polflä
chen übereinstimmt bzw. nicht eine vorbestimmte Position auf
weist und daß eine auf das Gaswechselventil 7 in Schließstel
lung wirkende Restschließkraft der unteren Ventilfeder 11 ver
ändert wird. Um dies zu vermeiden, besitzt die Vorrichtung ein
Ausgleichselement 4, mit dem die Federauflage 19 der in
Schließrichtung 17 wirkenden Ventilfeder 11 verschiebbar ist
und die in der Schließstellung des Gaswechselventils 7 wirkende
Restschließkraft konstant und auch auf einzelne Betriebszustän
de einstellbar ist.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze des Ausgleichselements 3. Das
Ausgleichselement 3 besitzt einen durch einen Kolben 12 und
einen Arbeitszylinder 50 gebildeten Druckraum 1, der mit einer
Dichtung 14 zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinder 50 nach
außen abgedichtet ist. Auf den Kolben 12 wirkt der Ankerstößel
28 mit einer Kraft 68 in Öffnungsrichtung 18 und auf den Zylin
der 50 wirkt der Ventilschaft 24 mit einer Kraft 69 in Schließ
richtung 17.
Um das Gaswechselventil 7 zu öffnen, wird der Schließmagnet 22
stromlos geschaltet und der Öffnungsmagnet 21 bestromt, der
Anker 23 wirkt auf den Ventilschaft 24 in Öffnungsrichtung 18
und spannt dabei die in Schließrichtung 17 wirkende Ventilfeder
11 weiter vor. Die auf das Ausgleichselement 3 wirkende Kraft
steigt auf einen maximalen Wert 54 an. In Fig. 4 ist über ein
Arbeitsspiel 62 ein Druck 61 im Druckraum 1 aufgetragen. Ein
als Hochdruckventil 5 ausgebildetes Ventil des Ausgleichsele
ments 3 öffnet bei einem definierten Druck im Druckraum 1 bzw.
bei einer definierten Kraft 8, die um einen Sicherheitswert 55
größer ist als eine mittlere Kraft 53 und kleiner ist als eine
maximale Kraft 54. Das Hochdruckventil 5, das vorzugsweise als
konventionelles Rückschlagventil ausgeführt ist, steuert den
Durchfluß durch eine Drossel 52, die in Strömungsrichtung vor
oder hinter dem Hochdruckventil 5 angeordnet sein kann. So kann
bei geöffnetem Ventil 5 eine geringe Menge an Druckmittel ge
drosselt abfließen, ohne daß ein Druckverlauf 51 in dem Druck
raum 1 wesentlich beeinflußt wird.
Um das Gaswechselventil 7 zu schließen, wird der Öffnungsmagnet
21 stromlos geschaltet und der Schließmagnet 22 bestromt. Die
in Öffnungsrichtung 18 wirkende Ventilfeder 10 wird weiter vor
gespannt und die in Schließrichtung 17 wirkende Ventilfeder 11
wird entspannt. Die auf das Ausgleichselement 3 wirkende Kraft
sinkt auf einen minimalen Wert 56 ab, auf die sogenannte Rest
schließkräft. Das Hochdruckventil 5 schließt bei einer defi
nierten Kraft 9, die kleiner als die maximale Kraft 54 und um
den Sicherheitswert 55 größer als die mittlere Kraft 53 ist.
Kurz bevor die Restschließkraft 56 erreicht ist, öffnet ein
Rückschlagventil 57 bei einer definierten Kraft 58, die kleiner
ist als die mittlere Kraft 53. Druckmittel kann vom Druckan
schluß 43 in den Druckraum 1 nachfließen, wodurch sich das Aus
gleichselement 3 ausdehnen und positives Spiel ausgeglichen
werden kann. Wird das Gaswechselventil 7 wieder geöffnet,
schließt das Rückschlagventil 57 bei einer definierten Kraft
59, die größer als die Restschließkraft 56 und kleiner als die
mittlere Kraft 53 ist. Über einen weiten Bereich des Öffnungs
hubs und des Schließhubs des Gaswechselventils 7 ist das Hoch
druckventil 5 und das Rückschlagventil 57 dicht verschlossen,
in dem die Bewegung des Gaswechselventils 7 nicht beeinträch
tigt wird. Während der Arbeitsspiele des Gaswechselventils 7
wird eine definierte Leckage und damit die Möglichkeit einer
optimalen Einstellung erreicht. Vorteilhaft sind die Öffnungs
kraft 58 und die Schließkraft 59 des Rückschlagventils 57 und
die Öffnungskraft 8 und die Schließkraft 9 des Hochdruckventils
5 gleich groß. Grundsätzlich können jedoch die Öffnungskräfte
von den Schließkräften unterschiedlich groß ausgeführt werden.
Bei abgeschaltetem Aktuator 20 bzw. bei abgeschalteter Brenn
kraftmaschine stellt sich der Anker 23 auf eine Gleichgewichts
lage der Ventilfedern 10, 11 zwischen den Polflächen der Magne
te 21 und 22 ein. Auf das Ausgleichselement 3 wirkt die mittle
re Kraft 53, bei der das Hochdruckventil 5 und das Rückschlag
ventil 57 geschlossen sind. Aus dem Druckraum 1 fließt kein
Druckmittel und die Einstellung des Ausgleichselements 3 wird
beibehalten.
Anstelle des Hochdruckventils 5 kann ein als Magnetventil 70
ausgebildetes Ventil verwendet werden. Fig. 3 zeigt eine Vari
ante mit einem solchen Magnetventil 70. Dabei bildet ein Kolben
73 mit seinem Bund 72 an seinem Umfang zum Arbeitszylinder 50
hin einen Drosselspalt 71, der nach außen durch die Dichtung 14
abgedichtet ist. Zwischen dem Drosselspalt 71 und der Dichtung
14 mündet ein Rückflußkanal 74 in den Arbeitszylinder 50. Über
den Drosselspalt 71 kann daher nur Druckmittel abfließen, wenn
das Magnetventil 70 geöffnet ist. Das Druckmittel wird in einen
Druckmittelsumpf, z. B. einen Schmierölsumpf, oder in eine Vor
ratskammer geleitet, aus der der Druckraum 1 gespeist wird.
Das Magnetventil 70 ist in Abhängigkeit von geeigneten Be
triebsparametern beliebig ansteuerbar, so daß der Abfluß über
den Drosselspalt 71 zeitlich auf bestimmte Phasen des Arbeits
zyklus begrenzt werden kann. Bei stromlosem Magnetventil 70 ist
der Abfluß aus dem Druckraum 1 gesperrt, so daß das Ausgleichs
element 3 hydraulisch blockiert ist und somit während des
Stillstands der Brennkraftmaschine seine Einstellung beibehält.
Das Magnetventil 70 kann in entsprechender Weise auch bei einer
Ausgleichsvorrichtung 4 anstelle eines Hochdruckventils 6 ver
wendet werden.
Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Ausgleichsele
ments 4 aus Fig. 1. Das Ausgleichselement 4 besitzt einen durch
einen Kolben 13 und einen Arbeitszylinder 60 gebildeten Druck
raum 2, der mit vier Dichtungen 15, 16, 65, 66 zwischen dem
Kolben 13 und dem Zylinder 60 abgedichtet ist. Ferner besitzt
das Ausgleichselement 4 ein Hochdruckventil 6 und ein Rück
schlagventil 64. Die Federauflage 19 und der Kolben 13 sind
einstückig ausgeführt, wodurch zusätzliche Bauteile eingespart
werden können. Die Federauflage 19 bzw. der Kolben 13 ist
U-förmig ausgebildet und ist dadurch leicht und gut geführt.
Die auf das Ausgleichselement 4 wirkende Kraft von der Ventil
feder 11 schwankt während der Arbeitsspiele des Gaswechselven
tils 7 zwischen einer maximalen Kraft und einer minimalen Kraft
wie auf das Ausgleichselement 3. Wird das Gaswechselventil 7
geöffnet, steigt die Kraft auf einen maximalen Wert an. Das
Hochdruckventil öffnet bei einer definierten Kraft, die kleiner
ist als die maximale Kraft und um einen Sicherheitswert größer
ist als eine mittlere auf das Ausgleichselement 4 wirkende
Kraft. Druckmittel kann dadurch über das Hochdruckventil 6 und
über eine dem Hochdruckventil 6 nachgeschaltete Drossel 63 ge
drosselt abfließen. Wird das Gaswechselventil 7 geschlossen,
sinkt die Kraft auf das Ausgleichselement auf einen minimalen
Wert ab. Das Hochdruckventil 6 schließt bei einer definierten
Kraft, die um einen Sicherheitswert größer ist als die mittlere
Kraft. Wird ein definierter Wert, und zwar eine vorgegebene
Restschließkraft unterschritten, öffnet das Rückschlagventil
64. Druckmittel fließt aus einem nicht näher dargestellten
Druckanschluß in den Druckraum 2 nach, bis sich die vorgegebene
Restschließkraft einstellt und das Rückschlagventil 64 wieder
schließt. Wie beim Ausgleichselement 3, wird während der Ar
beitsspiele des Gaswechselventils 7 eine definierte Leckage und
damit die Möglichkeit einer optimalen Einstellung der Ventilfe
dervorspannung, der Gleichgewichtslage und der Restschließkraft
erreicht. Bei abgeschaltetem Aktuator 20 ist das Hochdruckven
til 6 und das Rückschlagventil 64 dicht verschlossen. Aus dem
Druckraum 2 fließt kein Druckmittel ab, die Einstellung des
Ausgleichselements 4 wird beibehalten und die Brennkraftmaschi
ne kann mit der Einstellung wieder gestartet werden, die beim
Stillsetzen vorlag.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils für eine
Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Ausgleichselement, das
einen durch einen Kolben und einen Arbeitszylinder gebildeten
Druckraum aufweist, der über ein Rückschlagventil mit einem
Vorratsraum verbunden ist und mit einer Drosselstelle, über die
Druckmittel aus dem Druckraum während der Arbeitsspiele abflie
ßen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3,
4) bei Stillstand der Brennkraftmaschine seine Einstellung im
wesentlichen beibehält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abfluß über die Drosselstelle (52, 63, 71) mittels eines Ven
tils (5, 6, 70) steuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Ventil (70) ein Magnetventil vorgesehen ist, das im stromlosen
Zustand den Durchfluß durch die Drosselstelle (52, 63, 71)
schließt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ausgleichselement (3, 4) in dem Kraftfluß eines Betätigungsele
ments (20) auf das Gaswechselventil (7) angeordnet und der
Druckraum (1, 2) nach außen abgedichtet ist, und daß das Aus
gleichselement (3, 4) als Ventil ein Hochdruckventil (5, 6)
aufweist, über das Druckmittel gedrosselt während der normalen
Arbeitsspiele des Gaswechselventils (7) abfließt, indem das
Hochdruckventil (5, 6) zyklisch bei einer definierten Kraft (8)
auf das Ausgleichselement (3, 4) öffnet und bei einer definier
ten Kraft (9) schließt, die jeweils größer als eine mittlere
Kraft (53) und jeweils geringfügig kleiner oder gleich einer
maximalen Kraft (54) auf das Ausgleichselement (3, 4) ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine Ventilfeder (10, 11) auf das
Gaswechselventil (7) wirkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Druckraum (1, 2) zur Seite des Kolbens
(12, 13) mit Dichtungen (14, 15, 16, 65, 66) zwischen dem Kol
ben (12, 13) und dem Zylinder (50, 60) abgedichtet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (5, 6) ein als Rück
schlagventil wirkendes Kugelventil ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (3) ein Spielaus
gleichselement ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest eine Ventilfeder
(11) aufweist, die in Schließrichtung (17) auf das Gaswechsel
ventil (7) wirkt und sich in Öffnungsrichtung (18) auf einer
Federauflage (19) abstützt, wobei die Federauflage (19) mit dem
Ausgleichselement (4) verschiebbar und damit die Vorspannung
der Ventilfeder (11) einstellbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Federauflage (19) einstückig mit einem Kolben (13) des Aus
gleichselements (4) ausgeführt sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (7) mit einem
elektromagnetischen Aktuator (20) betätigt wird, der einen Öff
nungsmagneten (21) und einen Schließmagneten (22) besitzt, zwi
schen deren Polflächen ein Anker (23) koaxial zum Gaswechsel
ventil (7) verschiebbar angeordnet ist, der auf einen Ventil
schaft (24) wirkt, und mit einem Federmechanismus, der eine in
Öffnungsrichtung (18) wirkende vorgespannte Ventilfeder (10)
und eine in Schließrichtung (17) wirkende vorgespannten Ventil
feder (11) aufweist.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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