Vorrichtung zur nockenwellenlosen Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Eine Vorrichtung (10; 110) zur nockenwellenlosen Betätigung eines Gaswechselventils (12; 112) einer Brennkraftmaschine, mit einem auf den Ventilschaft (16; 116) wirkenden Antriebselement, das wenigstens einen linear arbeitenden Aktuator (32; 132) enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement ein Getriebe (30; 130) aufweist, das die Wirkrichtung des Aktuators umlenkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nockenwellenlosen Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, mit einem auf den Ventilschaft wirkenden Antriebselement, das wenigstens einen linear arbeitenden Aktuator enthält.

[0002] Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 197 06 106 A1 bekannt. In dieser ist ein Ventil beschrieben, das von zwei in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Druckfedern beaufschlagt wird. Als Antriebselement werden ein Anker, der mit dem Ventil verbunden ist, und zwei Spulen verwendet. Der Anker kann von den Spulen in zwei verschiedenen Stellungen gehalten werden, so daß das Ventil eine vollständig geöffnete und eine vollständig geschlossene Stellung einnehmen kann. Um das Ventil von einer Stellung in die andere zu bringen, wird zunächst die Spule abgeschaltet, an der sich der Anker befindet. Die in dieser Stellung stärker vorgespannte der beiden Druckfedern beschleunigt das Ventil über eine Mittelstellung hinaus hin zur anderen Stellung. Dort wird der Anker von der anderen Spule, die rechtzeitig erregt wird, "eingefangen", so daß das Ventil in der anderen Stellung verharrt.

[0003] Da der Anker eine hohe Masse aufweist und sich gleichgerichtet mit dem Ventilkörper bewegt, entstehen beim Beschleunigen und Verzögern Kräfte, die auch außerhalb der Betätigungsvorrichtung in Form von Vibrationen und Geräuschentwicklung bemerkbar sind.

[0004] Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils zu schaffen, die geringere Vibrationen und eine verminderte Geräuschentwicklung aufweist.

[0005] Zu diesem Zweck ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß das Antriebselement ein Getriebe aufweist, das die Wirkrichtung des Aktuators umlenkt. Auf diese Weise kann ein Ausgleich der bewegten Massen des Ventils und des Aktuators geschaffen werden, so daß die resultierende Massenbewegung verringert oder sogar gänzlich aufgehoben ist.

[0006] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Dabei wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigt:

• Figur 1eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
• Figur 2eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

[0008] In Figur 1 ist eine Vorrichtung 10 zur nockenwellenlosen Betätigung eines Gaswechselventils 12 dargestellt. Das Ventil 12 weist einen Ventilteller 14 mit einem Ventilschaft 16 auf, der entlang seiner Längsachse A in einem schematisch angedeuteten Zylinderkopf 18 verschiebbar geführt ist. Am freien Ende 20 des Ventilschafts 16 sitzt ein Federteller 22, der durch (nicht gezeigte) Klemmkeile am Ventilschaft 16 befestigt ist und an dem sich eine Ventilfeder 24 abstützt, die das Ventil 12 in seine Schließstellung beaufschlagt, in welcher der Ventilteller 14 einen Gaskanal 26 verschließt.

[0009] Auf das Gaswechselventil 12, genauer gesagt auf das freie Ende 20 des Ventilschafts 16, wirkt ein Antriebselement der Vorrichtung 10, das ein Getriebe 30 und einen linear arbeitenden Aktuator 32 aufweist.

[0010] Das Getriebe 30 besteht aus vier in Form eines Parallelogramms angeordneten Hebeln, nämlich zwei oberen Hebeln 56 und zwei unteren Hebeln 58, die an ihren Enden mittels Gelenken verbunden sind. Dabei ist das Getriebe 30 so angeordnet, daß sich zwei diagonal gegenüberliegende Gelenke, nämlich ein Ventilgelenk 36, welches mit dem Ventilschaft 16 in Kontakt steht, und ein Aktuatorgelenk 38, welches mit dem Aktuator 32 verbunden ist, im wesentlichen auf der Verlängerung der Längsachse A des Ventilschafts 16 befinden. Dementsprechend bestimmen die beiden anderen Gelenke, die als Druckgelenke 40 bezeichnet werden, eine rechtwinklig zur Längsachse A verlaufende Querachse Q. Die beiden Druckgelenke 40 befinden sich in Anlage an Druckkonusse 42, welche sich über Druckfedern 44 ortsfest, beispielsweise an Seitenwänden 46 im Zylinderkopf, abstützen. Die Druckgelenke 40 sind durch Längsführungen 48 entlang der Querachse Q verschiebbar geführt. Die Längsführungen könnten natürlich auch an den anderen Gelenken des Getriebes angeordnet werden.

[0011] Der Aktuator 32 ist in Figur 1 schematisch als Elektromagnet mit einer ersten Spule 50a, einer zweiten Spule 50b und einem Anker, bestehend aus einer Ankerplatte 52 und einem Ankerstab 54, dargestellt. Die Spulen 50a und 50b sind ebenso wie der Anker bezüglich der Längsachse A zentriert, wobei der Ankerstab 54 mit dem Aktuatorgelenk 38 verbunden ist.

[0012] In Figur 1 ist die Vorrichtung 10 in Ihrer Ruhestellung gezeigt, d.h. die Spulen 50a und 50 b sind stromlos. Die Federkräfte der Druckfedern 44 und der Ventilfeder 24 sind im Gleichgewicht, so daß sich die Ankerplatte in der Mittelstellung zwischen den beiden Spulen 50a und 50b befindet und das Ventil 12 halb geöffnet ist.

[0013] Bei einer Beaufschlagung der ersten Spule 50a mit einem Strom wird die Ankerplatte 52 angezogen. Dadurch drückt der Ankerstab 54 auf das Aktuatorgelenk 38, in Figur 1 nach unten. Dabei wird Druck auf die oberen Hebel 56 zwischen Aktuatorgelenk 38 und den Druckgelenken 40 ausgeübt, so daß die Druckgelenke 40 zur Seite wandern und die Druckfedern 44 spannen; die Ventilfeder 24 wird entspannt. Gleichzeitig ziehen die unteren Hebel 58 das Ventilgelenk 36 in Figur 1 nach oben, wodurch das freie Ende 20 des Ventilschafts 16 entlastet wird und die Ventilfeder 24 das Ventil in seine Schließstellung bringen kann.

[0014] Wird die Spule 50a abgeschaltet, beginnen die gespannten Druckfedern 44, das Ventil 12 hin zur vollständig geöffneten Stellung zu beschleunigen. Diese Stellung würde erreicht, falls das System reibungslos wäre. Aufgrund der unvermeidbaren Reibung wird zu einem geeigneten Zeitpunkt die Spule 50b erregt, so daß der Anker 52 angezogen wird. Dadurch zieht der Ankerstab 54 das Aktuatorgelenk 38 nach oben, so daß die beiden oberen Hebel 56 die Druckgelenke 40 entlang der Querachse Q zur Längsachse A hin verschieben können. Damit wird das Ventilgelenk 36 von den Hebeln 58 nach unten verschoben und drückt auf das freie Ende 20 des Ventilschafts, so daß das Ventil die vollständig geöffnete Stellung erreicht. In diesem Zustand ist die Ventilfeder 24 gespannt, und die Druckfedem 44 sind entspannt.

[0015] Zum Schließen des Ventils 12 wird die Spule 50b abgeschaltet, woraufhin sich das Ventil unter der Wirkung der Ventilfeder 24 in Richtung der Schließstellung in Bewegung setzt. Durch geeignetes Erregen der Spule 50a wird sichergestellt, daß es diese Stellung auch erreicht und für die gewünschte Zeit beibehält.

[0016] Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird durch das Getriebe 30 die Wirkrichtung des Elektromagneten 32 um 180° umgelenkt, so daß sich einerseits der Anker und andererseits der Ventilschaft 16 mit dem Ventilteller 14 stets gegensinnig bewegen. Der damit bewirkte Massenausgleich sorgt für eine wirkungsvolle Verringerung der durch die Ventilbetätigung verursachten Vibrationen.

[0017] Bei der gezeigten Ausführungsform wird der Hub des Ankers eins zu eins in einen Hub des Ventils umgesetzt. Mit dem Getriebe 30 kann aber auch ein Übersetzungsverhältnis erhalten werden, welches größer oder kleiner als eins ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die oberen Hebel 56 länger oder kürzer als die unteren Hebel 58 sind. Dadurch läßt sich beispielsweise mit einer kleinen Ankerbewegung ein großer Ventilhub bewirken. Dies hat den Vorteil, daß am Elektromagneten 32 nur ein kleiner Luftspalt erforderlich ist und damit ein deutlich verbesserter magnetischer Wirkungsgrad erreicht wird.

[0018] Prinzipiell kann mit einem Getriebe ein beliebiger Zusammenhang zwischen der Ankerbewegung und dem Ventilhub hergestellt werden. Dies kann zum einen vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Nichtlinearität der Magnetkraft, in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Anker und Spule zu kompensieren. Zum anderen kann bei unterschiedlichen Massen von Anker und Ventil ein Ausgleich der Beschleunigungskräfte erreicht werden.

[0019] Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt, wobei für bereits bekannte Bauteile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet werden.

[0020] Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorher beschriebenen dadurch, daß zwei Aktuatoren 132 in Form von Elektromagneten vorgesehen sind. Diese Aktuatoren 132 sind zwischen den Druckgelenken 140 und den Druckkonussen 142 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform üben die Elektromagnete bei Beaufschlagung der Spulen 150a mit einem Strom gegensinnig Druck auf die Druckgelenke 140 aus. Das Ventilgelenk 136 wird von den unteren Hebeln 158 nach unten verschoben und drückt auf den Ventilschaft 116, so daß das Ventil 112 ganz geöffnet wird.

[0021] Beim Beaufschlagen der Spulen 150b werden die Druckfedern 140 stärker verspannt und die Ventilgelenke 140 entlastet. Dadurch wird über die unteren Hebel 158 das Ventilgelenk 136 entlastet, so daß die Ventilfeder 124 das Ventil 112 schließen kann. Dabei ist es nicht notwendig, daß die Druckgelenke 140 mit den Ankerstäben 154 verbunden sind.

[0022] Wie aus der Figur 2 hervorgeht, wird in dieser Ausführungsform die Wirkrichtung der Aktuatoren 132 jeweils um 90° umgelenkt. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß die Anker der beiden Elektromagnete stets gegensinnig arbeiten und damit ein optimaler Massenausgleich gewährleistet ist. Die Masse des Ventilschafts 116 kann in der Regel gegenüber den Ankermassen vernachlässigt werden. Sie kann jedoch auch durch eine am Aktuatorgelenk 138 angebrachte Ausgleichsmasse kompensiert werden.

[0023] Auch in dieser Ausführungsform kann ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 130 größer oder kleiner eins erreicht werden, und zwar durch die Anordnung der Aktuatoren 132 und des Ventils 112. Das Übersetzungsverhältnis ist in dieser Ausführungsform durch den Wert bestimmt, den der Öffnungswinkel α zwischen den beiden oberen bzw. unteren Hebeln 156 bzw. 158 einnimmt, während sich die Vorrichtung 110 zwischen ihren beiden Endstellungen - Ventil 12 offen oder Ventil 12 geschlossen - bewegt. Für ein Übersetzungsverhältnis von eins muß der Öffnungswinkel α im Mittel 90° betragen. Bei größeren Werten für den Öffnungswinkel α führt ein kleiner Weg der Ankerplatten 152 zu einem großen Hub des Ventils 12, bei Werten für den Öffnungswinkel α kleiner als 90° führt ein großer Weg der Ankerplatten 152 zu einem kleinen Ventilhub. Das Übersetzungsverhältnis ist infolge der geometrischen Verhältnisse natürlich genaugenommen winkelabhängig; da die Anker der Aktuatoren 132 jedoch nur kleine Wege zurücklegen, kann diese Winkelabhängigkeit vernachlässigt werden.

[0024] Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform liegt darin, daß zwei kleinere Elektromagnete verwendet werden können, um dieselbe Betätigungskraft aufzubringen. Dies erlaubt den Einsatz von gesinterten runden Magnetkernen (sogenannten Pot.-cores), beispielsweise aus PM-Material, und einfacher herzustellenden Ankern. Diese Magnete sind mit geringeren Verlusten behaftet, haben einen besseren Wirkungsgrad und ein besseres dynamisches Verhalten.

[0025] Die zweite Ausführungsform bietet außerdem durch die seitliche Anordnung der Aktuatoren den weiteren Vorteil einer geringeren Bauhöhe im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einem oben liegendem Aktuator.

[0026] In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann das Getriebe 30 auch mit nur zwei Hebeln versehen sein. Beispielsweise können bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 die beiden Hebel 156 weggelassen werden. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß die beiden Hebel 158 sich ausschließlich synchron bewegen können. Zu diesem Zweck könnte an jedem der beiden Hebel 158 jeweils ein Zahnrad vorgesehen sein, die ineinander eingreifen, so daß sichergestellt ist, daß die beiden Hebel 158 immer spiegelbildlich zur Mittelachse des Ventils ausgerichtet sind. Es könnte auch das Ventilgelenk 136 in einer Schiebeführung geführt sein, die sich parallel zur Mittelachse des Ventils erstreckt.

[0027] Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante könnten anstelle der Druckfedern 44, 144 andere Federn und/oder Druckfedern an anderen Orten des Getriebes verwendet werden. Es ist grundsätzlich jede Anordnung von entgegengesetzt wirkenden Federn geeignet, die das Ventil in eine Mittelstellung beaufschlagt, aus der das Ventil in die eine oder andere Richtung bewegt werden kann.

Ansprüche

1. Vorrichtung (10; 110) zur nockenwellenlosen Betätigung eines Gaswechselventils (12; 112) einer Brennkraftmaschine, mit einem auf den Ventilschaft (16; 116) wirkenden Antriebselement, das wenigstens einen linear arbeitenden Aktuator (32; 132) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement ein Getriebe (30; 130) aufweist, das die Wirkrichtung des Aktuators umlenkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (32; 132) ein Elektromagnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (30) so ausgebildet ist, daß es die Wirkrichtung des Aktuators (32) um 180° umlenkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegensinnig wirkende Aktuatoren (132) vorgesehen sind und das Getriebe (130) so ausgebildet ist, daß es die Wirkrichtung der Aktuatoren um 90° umlenkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis größer oder kleiner eins aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (30; 130) vier in Form eines Vierecks angeordnete Hebel aufweist, die an ihren Enden mittels Gelenken (36, 38, 40; 136, 138, 140) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe aus zwei Hebeln besteht, die sich synchron spiegelbildlich zu einer Mittelachse des Ventils bewegen können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwangskopplung zwischen den beiden Hebeln vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hebel durch ein Gelenk verbunden sind und daß das Gelenk in einer Schiebeführung geführt ist, die sich parallel zur Mittelachse des Ventils erstreckt.

Zeichnung