[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.
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.