DE19723785A1 - Vorrichtung zum Spielausgleich eines elektromagnetischen Ventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE 43 36 287 C1 be­ kannt. Bei dieser Vorrichtung werden Längenänderungen im Ventiltrieb während des Betriebs mit Klemmelementen ausgegli­ chen, die einen Schaltmagneten fixieren. Werden die Klemmele­ mente bei einem geschlossenen Ventil gelöst, zieht sich der Schaltmagnet über einen Anker entsprechend an. Der Schaltmagnet stellt sich damit nach, wodurch der Anker stets exakt an der Auflagefläche bzw. Polfläche des Schaltmagneten anliegt.

Aus einer älteren Anmeldung, DE 196 47 305.5, ist eine weitere Vorrichtung bekannt, bei der ein Aktuator schwimmend in einem Zylinderkopf gelagert ist. Der Aktuator öffnet und schließt über einen Anker und zwei beidseitig in Bewegungsrichtung des Ankers angeordnete Elektromagnete ein Gaswechselventil. Auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite befindet sich zwischen einer Deckplatte und dem Aktuator eine Spielausgleichseinrich­ tung, die sowohl positives als auch negatives Ventilspiel ausgleicht.

Die Spielausgleichseinrichtung weist als zentrales Teil einen Spielausgleichskolben und einen diesen umgebenden Zylinder auf. Der Spielausgleichskolben hat einen ersten dem Gaswechselventil abgewandten, brennkraftmaschinenabhängig gesteuerten und einen zweiten dem Gaswechselventil zugewandten Druckraum. Zwischen den beiden Druckräumen 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 öffnen kann, wenn kein Spiel vorhanden ist. Das Rückschlagventil verschließt damit die Verbindung zwischen den beiden Druckräumen.

Zwischen dem Spielausgleichskolben und dem Zylinder liegt ein gewolltes Spiel als Drosselverbindung vor, durch die Druckmit­ tel aus dem zweiten Druckraum nach außen entweichen kann.

Die Spielausgleichseinrichtung stützt sich an der oberen Deckplatte ab, die mit dem Zylinderkopf fest verbunden ist. Die Spielausgleichseinrichtung kann somit nur Druckkräfte übertra­ gen.

Schließt das Gaswechselventil nicht richtig, der Aktuator ist zu weit in Richtung des Gaswechselventil verschoben, d. h. es liegt ein negatives Spiel vor, so stellt sich eine Druckerhö­ hung in dem zweiten Druckraum durch eine Feder des Gaswechsel­ ventils ein, die in Richtung Schließstellung wirkt. Diese Druckerhöhung bewirkt, daß das Druckmittel aus dem zweiten Druckraum über die Drosselverbindung entweichen kann, und zwar solange bis das Gaswechselventil wieder vollständig schließt.

Schließt das Gaswechselventil korrekt, jedoch liegt Spiel zwischen dem Anker und dem Gaswechselventil vor, wirkt die Feder des Gaswechselventils nicht mehr auf den zweiten Druck­ raum. Der Druck im zweiten Druckraum sinkt dadurch unter den des ersten Druckraums, so daß das Rückschlagventil gegen die Rückhaltefeder öffnet. Druckmedium strömt solange vom ersten in den zweiten Druckraum, bis das Spiel ausgeglichen ist. Dieser Ausgleich vollzieht sich über mehrere Zyklen bzw. Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine.

Die Spielausgleichseinrichtung ist nur in eine Bohrung des Aktuators eingeschoben, so daß sich beide Teile gegeneinander verschieben lassen und damit leicht zu montieren sind. Dadurch tritt jedoch der Effekt auf, daß sich der gesamte Aktuator während der Zeit, in der der obere Magnet betätigt wird, um das Gaswechselventil zu schließen, durch eine Reaktionskraft in Richtung Gaswechselventil verschiebt. In dieser Zeit dehnt sich die Spielausgleichseinrichtung aus. Wird durch den Aktuator das Ventil wieder geöffnet, entsteht eine entgegengesetzte Reakti­ onskraft, gegen die die Spielausgleichseinrichtung sperrt und nur langsam nachgeben kann. Dies hat zur Folge, daß sich die Spielausgleichseinrichtung immer mehr ausdehnt und das Gaswech­ selventil nicht mehr vollständig schließt. Es entsteht eine Art Aufpumpeffekt.

Dieses Problem wird durch eine weitere Variante aus dem Stand der Technik gelöst, bei der die Spielausgleichseinrichtung fest mit dem Aktuator verbunden ist und damit Zug- und Druckkräfte aufnehmen kann. Die Spielausgleichseinrichtung dieser zweiten Variante besitzt zusätzlich zu der ersten einen zweiten Zylin­ der, in dem der erste Zylinder mit einer ringartigen Erweite­ rung geführt ist. Die ringartige Erweiterung dient gleichzeitig als Trennkolben zwischen einer oberen und einer unteren Druck­ kammer, die über einen ringförmigen Drosselspalt verbunden sind. Ansonsten ist die Spielausgleichseinrichtung aufgebaut wie die zuvor beschriebene Variante.

Wird über den Aktuator das Gaswechselventil geschlossen-, wird die Reaktionskraft über den ersten Zylinder auf die untere Druckkammer übertragen. Da die Reaktionskraft nur eine kurze Zeit andauert, findet kein wesentlicher Druckmittelausgleich zwischen der oberen und der unteren Druckkammer statt. Der Aktuator bewegt sich nicht. Positives und negatives Spiel können jedoch über mehrere Brennkraftmaschinenumdrehungen ausgeglichen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die eingangs erwähnten Vorrichtungen weiter zu vereinfachen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs l gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Ventilquer­ schnitte möglichst groß pro Zylinder gewählt werden und daher nahezu den gesamten Zylinderquerschnitt abdecken. Ferner sind die Aktuatoren im Querschnitt senkrecht zu einer Ventilachse größer als die Ventilquerschnitte selbst. Daher müssen aus Platzgründen sämtliche Gaswechselventile und Aktuatoren eines Zylinder in der Art angeordnet werden, daß ihre Mittellinien zueinander windschief stehen, d. h. die Mittellinien besitzen von den Gaswechselventilen zu den Aktuatoren hin einen größer werdenden Abstand. Bei Spielausgleichseinrichtungen, die auf Zug und Druck beansprucht werden, und damit quasi an einer Deckplatte hängen, müssen Aktuatoren, Spielausgleichseinrich­ tungen und Deckplatte gemeinsam vormontiert werden. Da die Mittellinien aller Aktuatoren pro Zylinder aus Platzgründen windschief sind, können jedoch nicht mehrere vormontierte Spielausgleichseinrichtungen und Aktuatoren gemeinsam mit einer Deckplatte montiert werden. Es muß pro Gaswechselventil und Aktuator eine Deckplatte mit Dichtungen und Schraubensatz vorgesehen werden.

Erfindungsgemäß wird mit zwei gegenläufig wirkenden, den Aktuator einspannenden, nur auf Druck beanspruchten, hydrauli­ schen Spielausgleichseinrichtungen, eine Längenausgleichsein­ richtung erreicht, die über der Zeit positives und negatives Spiel ausgleicht, ohne daß sich der Aktuator durch dynamische Kräfte bewegt und es zu einem Aufpumpeffekt kommt. Zusätzlich wird eine besonders einfache Montage ermöglicht, indem kein Kraftschluß erforderlich ist. Für die rein auf Druck bean­ spruchten Spielausgleichseinrichtungen genügt zur Übertragung der Kräfte Formschluß. Die Bauteile, die Aktuatoren und die Spielausgleichseinrichtungen, können einzeln nacheinander eingelegt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammen­ fassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf mit zwei durch Aktuatoren verstellbaren Gaswechselventilen,

Fig. 2 einen Aktuator mit einer Spielausgleichseinrichtung mit einem Drosselspalt,

Fig. 3 einen Aktuator mit einer Spielausgleichseinrichtung mit einer Drosselbohrung,

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Aktuators im Bereich eines Druckraums mit einem V-Dichtring und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt zwei über Aktuatoren 3, 4 betätigte Gaswechselven­ tile 1, 2 einer Brennkraftmaschine in einem Zylinderkopf 43, ein Gasauslaßventil 2 und ein Gaseinlaßventil 1. Die elektroma­ gnetischen Aktuatoren 3, 4 sind in dem Zylinderkopf 43 schwim­ mend gelagert und weisen jeweils einen Anker 5, 6, bestehend aus einer Ankerplatte 44, 45 und einem Ankerschaft 46, 47, und zwei beidseitig in Bewegungsrichtung des Ankers 5, 6 angeordne­ te Schaltmagnete 7, 8, 9, 10 auf. Möglich ist auch, daß die Aktuatoren 3, 4 in einem vom Zylinderkopf 43 getrennten, separatem Bauteil gelagert sind, beispielsweise in einem Aktuatorenträger. Die Schaltmagnete 7, 8, 9, 10 sind über einen nicht näher dargestellten Flußring miteinander verbunden, der den Magnetfluß leitet und den Abstand zwischen den Schaltmagne­ ten 7, 8, 9, 10 und damit den Ventilhub bestimmt.

Der Anker 5, 6 wird durch eine Feder 52, 53 und einem hierzu auf dem Ankerschaft 46, 47 angeordneten Federteller 50, 51 in Richtung Gaswechselventil 1, 2 belastet.

Die Gaswechselventile 1, 2 sind im geschlossenen Zustand anliegend an einem Ventilsitzring 48, 49 dargestellt und werden jeweils durch eine Feder 54, 55 und einen hierzu auf einem Ventilschaft 56, 57 angeordneten Federteller 58, 59 in Richtung Aktuator 3, 4 belastet. Der Ventilschaft 56, 57 wird über eine Schaftführung 60, 61 geführt und von einem Schaftabstreifer 62, 63 abgestreift und fluchtet bzw. liegt koaxial zu dem Anker­ schaft 46, 47. Im Idealzustand befinden sich die Stirnseiten des Ventilschaftes 56, 57 und des Ankerschaftes 46, 47 ohne Spiel in Anlage.

Der Aktuator 3, 4 ist erfindungsgemäß zwischen zwei nur auf Druck beanspruchten Spielausgleichseinrichtungen 12, 13, 14, 15 eingespannt. Indem die Spielausgleichseinrichtungen 12, 13, 14, 15 formschlüssig und damit die Aktuatoren 3, 4 getrennt von den Spielausgleichseinrichtungen 12, 13, 14, 15 montiert werden können, wird trotz windschiefer Mittellinien ermöglicht, eine Deckplatte 11 für mehrere Aktuatoren 3, 4, vorzugsweise für den gesamten Zylinderkopf 43, zu verwenden. Hierzu wird der Zylin­ derkopf 43 und die Deckplatte 11 so gestaltet, daß ihre Trenn­ flächen in einer Ebene 41 liegen. Auf diese Weise werden viele einzelne Bauteile eingespart, die zu höheren Kosten und länge­ ren Montagezeiten führen und Fehlerquellen beinhalten könnten. Sind die Aktuatoren 3, 4 in einem Aktuatorenträger gelagert, wird vorgeschlagen, den Aktuatorenträger und den Zylinderkopf ebenfalls mit einer planen Trennfläche zusammenzufügen und die Deckplatte 11, den Aktuatorenträger und den Zylinderkopf mit einem gemeinsamen Schraubensatz durchgängig zu verschrauben.

Für die sich zwischen der Deckplatte 11 und dem Aktuator 3, 4 befindliche Spielausgleichseinrichtung 12, 13 wird ein für den Fachmann geläufiges Ausgleichselement verwendet, beispielsweise die zuvor beschriebene nur auf Druck beanspruchte Spielaus­ gleichseinrichtung aus dem Stand der Technik oder geläufige Spielausgleichseinrichtungen, die zwischen einem Nocken und einem Tassenstößel angeordnet sind.

Die Spielausgleichseinrichtungen 12, 13 zwischen der Deckplatte 11 und den Aktuatoren 3, 4 sind vorzugsweise hydraulische Elemente, die über eine Druckölversorgung 65, 66 versorgt werden. Erfindungsgemäß wird austretendes Lecköl 37, 38 der Spielausgleichseinrichtung 12, 13 zwischen dem Zylinderkopf 43 und dem Aktuator 3, 4, durch Kanäle 39, 40 in einen Federraum 33, 34 und von dort über weitere Kanäle 35, 36 in ein Brenn­ kraftmaschinengehäuse, beispielsweise Kurbelgehäuse, gleitet. Indem das Lecköl 37, 38 zwischen dem Zylinderkopf 43 und dem Aktuator 3, 4 durchgeführt wird, werden isolierende Luftspalte verhindert und der Wärmeübergang an einen Kühlwasserstrom verbessert.

In Fig. 2, 3, 4 und 5 ist der Aktuator 4 des Gasauslaßventils 2 vergrößert dargestellt, wobei die nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen der zweiten in Richtung des Gaswechselventil 2 weisenden Spielausgleichseinrichtungen 14, 15 unabhängig von der Ankerform und Gegenform der Schaltmagnete 7, 8, 9, 10 eingesetzt werden können.

Die zweite Spielausgleichseinrichtung 14, 15 besteht erfin­ dungsgemäß aus einem Ölvolumen 16, 17, das in einem durch den Schaltmagneten 8, 10 und dem Zylinderkopf gebildeten Druckraum 19, 20 eingeschlossen ist. Der Druckraum 19, 20 ist über ein Rückschlagventil 21 mit einer Druckölversorgung 22, 23 verbun­ den. Das Rückschlagventil 21 verhindert, daß das Öl 16, 17 bei Druckbelastungen in die Druckölversorgung 22, 23 zurückströmen kann. Ferner weist der Druckraum 19, 20 zu einer Seite eine Dichtung 27, vorzugsweise einen bewährten Vierkanntgummiring 27, und zu der anderen Seite eine Drosselstelle 24, 25, 26 auf. Die Dichtung 27 verhindert, daß das Öl 16, 17 in einen Spalt zwischen dem Aktuator 3, 4 und dem Zylinderkopf 43 verdrängt wird. In der in Fig. 2 dargestellten Variante wird die Drossel­ stelle 24 durch einen Drosselspalt 24 zwischen dem Aktuator 3, 4 und dem Zylinderkopf 43 gebildet. Der Druckraum 19, 20 wird durch eine zur Mittellinie weisenden Stufe 69 des Zylinderkopfes 43 und dem Schaltmagneten 8, 10 gebildet, der die Stufe 69 mit einer Ausstülpung 70 in Richtung Gaswechselventil 1, 2 überschneidet. Am inneren Querschnitt der Stufe 69 bilden der Schaltmagnet 8, 10 und der Zylinderkopf 43 den Drosselspalt 24. Die Spaltbreite 71 ist so ausgelegt, daß bei pulsierenden dynamischen Belastungen, wie diese beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventils 1, 2 auftreten, und damit verbundenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Drosselspalt 24, eine so große Scherspannung in den Grenzschichten zwischen dem Öl 16, 17, dem Aktuator 3, 4 und dem Zylinderkopf 43 auftritt, daß keine bzw. eine unwesentliche Menge Öl 16, 17 austritt. Bei quasistatischer Druckbeanspruchung, wie diese beispielsweise bei Wärmedehnungen auftritt, und damit verbundenen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Drosselspalt 24, ist die Scher­ spannung in den Grenzschichten so klein, daß geringe Mengen an Öl 16, 17 austreten können und damit ein Spielausgleich ermög­ licht wird. Durch die Drosselstelle 24, 25, 26 ausfließendes Lecköl 31, 32 tritt in den Federraum 33, 34 und fließt von dort über Kanäle 35, 36 in das Kurbelgehäuse, vorzugsweise gemeinsam mit dem Lecköl 37, 38 der ersten Spielausgleichseinrichtung 12, 13.

Eine weitere in Fig. 3 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung unterscheidet sich gegenüber der ersten Variante aus Fig. 2 dadurch, daß der Drosselspalt 24 entfällt. Dieser wird durch eine zweite Dichtung 28, vorzugsweise einen Vierkantgummiring, abgedichtet. Anstelle des Drosselspalts 24 befindet sich nunmehr eine Drosselbohrung 25 in der Ausstülpung 70 des Schaltmagneten 8, 10. Der Durchmesser 74 der Drosselbohrung 25 dient wie auch die Spaltbreite 71 dazu, bestimmte Spannungszu­ stände in den Grenzschichten der Strömung zu erzeugen.

In einer dritten Variante in Fig. 4 wird die zweite Dichtung 28 durch einen V-Dichtring 30 ersetzt, der zwischen einer in Richtung Gaswechselventil 1, 2 weisenden Stirnseite 29 des Schaltmagneten 8, 10 und einer in Richtung Aktuator 3, 4 weisenden Stirnseite 72 der Stufe 69 des Zylinderkopfes 43 angeordnet ist. Die Ausstülpung 70 des Schaltmagneten 8, 10 kann bei dieser Variante entfallen. Durch den Innendruck im Druckraum 19, 20 werden die Schenkel des V-Dichtrings 30 an den Schaltmagneten 8, 10 und an den Zylinderkopf 43 angepreßt und dichten somit den Druckraum 19, 20 ab. Der V-Dichtring 30 kann auch eine definierte statische Kraft gewährleisten. Eine Drosselstelle 26 mit den zuvor beschriebenen Funktionen wird vorzugsweise im Bereich des V-Dichtrings 30 angeordnet, so daß zwischen einem Schenkel des V-Dichtrings 30 und dem Aktuator 3, 4 oder dem Zylinderkopf 43 Öl 16, 17 bei statischen Belastungen austreten kann.

Die zweite und dritte Variante besitzen gegenüber der ersten Variante den Vorzug, daß die Schaltmagnete 8, 10 und der Zylinderkopf 43 im Bereich des Druckraums 19, 20 mit größeren Toleranzen gefertigt werden können. Insgesamt wird mit den Varianten eine sehr kompakte Anordnung der Bauteile erreicht. Im wesentlichen werden die ohnehin verbauten Bauteile durch geringfügige Umgestaltungen verwendet, die entsprechenden Funktionen zu erfüllen. Ferner wird eine verschleiß- und nahezu temperaturunabhängige Spielausgleichseinrichtung 14, 15 er­ reicht.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils (1, 2) für Brennkraftmaschinen, mit einem schwimmend gelagerten, elektromagnetischen Aktuator (3, 4), der über einen Anker (5, 6) und zwei beidseitig in Bewegungsrichtung des Ankers (5, 6) angeordnete, miteinander verbundene Schaltmagnete (7, 8, 9, 10) das Gaswechselventil (1, 2) öffnet und schließt, wobei an der dem Gaswechselventil (1, 2) abgewandten Seite zwischen einer Deckplatte (11) und dem Aktuator (3, 4) eine erste nur auf Druck beanspruchte Spielausgleichseinrichtung (12, 13) angeord­ net ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Gaswechselven­ til (1, 2) zugewandten Seite des Aktuators (3, 4) eine zweite, der ersten entgegenwirkende, nur auf Druck beanspruchte Spiel­ ausgleichseinrichtung (14, 15) angeordnet ist, die bei dynami­ schen Druckbelastungen sperrt und bei quasistatischer Belastung nachgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spielausgleichseinrichtung (14, 15) aus einem Ölvolumen (16, 17) besteht, das in einem durch den Aktuator (3, 4) und einem angrenzenden Bauteil (43) gebildeten Druckraum (19, 20) eingeschlossen ist, der über ein Rückschlagventil (21) mit einer Druckölversorgung (22, 23) verbunden ist und eine Dros­ selstelle (24, 25, 26) aufweist, bei der ein Ölaustritt bei dynamischen Druckbelastungen vernachlässigbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (24) durch einen Drosselspalt (24) zwischen dem Aktuator (3, 4) und dem angrenzenden Bauteil (43) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (25) durch eine Drosselbohrung (25) im Aktuator (3, 4) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (19, 20) zwischen einer dem Gaswechselventil (1, 2) zugewandten Stirnseite (29) des Aktua­ tors (3, 4) und dem angrenzenden Bauteil (43) mit einem V- Dichtring (30) abgedichtet ist

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (26) durch eine oder mehrere Nuten (26) im Bereich des V-Dichtrings (30) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lecköl (31, 32) der zweiten Spielausgleich­ seinrichtung (14, 15) über einen Federraum (33, 34) des Gas­ wechselventils (1, 2) und über einen Kanal (35, 36) in ein Brennkraftmaschinengehäuse geleitet wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lecköl (37, 38) der ersten Spielausgleich­ seinrichtung (12, 13) zwischen dem Aktuator (3, 4) und dem angrenzenden Bauteil (43), über einen Kanal (39, 40) in den Federraum (33, 34) und von dort über den Kanal (35, 36) in das Brennkraftmaschinengehäuse geleitet wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aktuatoren (3, 4) sich an einer gemeinsamen Deckplatte (11) abstützen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Trennflächen zwischen der Deckplatte (11) und dem die Aktuato­ ren (3, 4) tragenden Bauteil (43) in einer Ebene liegen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (3, 4) in einem Bauteil (43) schwimmend gelagert sind und dieses gemeinsam mit der Deckplatte (11) über einen Schraubensatz mit einem Zylin­ derkopf (43) verschraubt ist.