Elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung eines Gas- wechselventils einer Kolbenbrennkraftmaschine sind hin- länglich bekannt. Diese weisen in der Regel zwei mit Ab- stand zueinander angeordnete Elektromagnete auf, zwischen deren Polflächen ein Anker gegen die Kraft von Rückstell- federn hin-und herbewegbar geführt ist. Der oben liegen- de Elektromagnet dient hierbei als Schließmagnet und der untenliegende Elektromagnet dient als Öffnungsmagnet, so daß durch abwechselnde Bestromung der Magnete das Gas- wechselventil geschlossen und geöffnet werden kann. Da sich aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Ver- schleiß die Öffnungs-insbesondere jedoch auch die Schließbedingungen verändern und sich somit auch das vor- gegebene Ventilspiel verändert, müssen Ventilspielaus- gleichselemente vorgesehen werden. Diese arbeiten meist auf hydraulischer Basis. Bei den bekannten Ventil- spielausgleichselementen ist i. d. R. ein Leckfluß notwen- dig, so daß während der Hubbewegung genügend fluides Me- dium, insbesondere Motoröl aus dem Kolbenraum des Spielausgleichselements abfließen kann, damit sich der Aktuator auf die Längenänderung des Ventils während des Arbeitstakts einstellt.

Um sicherzustellen, daß auch bei tiefen Temperaturen ein Spielausgleich von ca. 0,2 um pro Arbeitstakt gewährlei- stet ist, sehen die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik einen Leckspalt vor, durch den 01 während der Öffnung des Ventils austreten kann. Der Leckspalt ist da- bei für sämtliche Betriebszustände auszulegen, damit ein Ventilspielausgleich stets gewährleistet ist. Da gerade bei tiefen Temperaturen ein Ventilspielausgleich erfor- derlich ist, muß der Leckspalt für diesen Betriebszustand ausgelegt werden. Bedingt durch die Temperaturänderung ändert sich die Viskosität des Öls um den Faktor 1000.

Berücksichtigt man die Drehzahldifferenz zwischen Leer- lauf und maximaler Drehzahl, so ergibt sich ein Faktor von 10. Beide Faktoren gehen in die Größe des Leckflusses ein. Der Leckspalt ist daher für einen warmgelaufenen Mo- tor zu groß bemessen. Der Leckfluß ist somit im normalen d. h. warmen Betriebszustand, in dem der Motor in der Re- gel betrieben wird, unnötig groß. Damit entsteht auf den Kolben bezogen eine stark unterschiedliche Rücksetzung- man spricht hier vom Wegverlust. Bei heutigen Motoren muß daher ca. 20 bis 30 % der Pumpleistung der Olpumpe für den Ventilspielausgleich aufgewendet werden.

Bei kleinen Drehzahlen ist die Öffnungszeit erheblich größer. Dadurch entsteht eine stark unterschiedliche Rücksetzung (Wegverlust), was zur Folge hat, daß das Ven- til beim Schließen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aufsetzt. Dies ist bei Nockenwellenantrieb erträglich, da bei niedrigen Drehzahlen ohnehin die Ventilgeschwindig- keit kleiner ist. Dies ist jedoch bei elektromagnetischen Ventiltrieben nicht der Fall und somit ein großes Pro- blem.

Es sind Ventilspielausgleichselemente bekannt, die zwi- schen dem freien Ende des Ankers und dem Ende des Ventil- schafts angeordnet sind. Diese weisen jedoch eine relativ hohe Masse auf und benötigen einen relativ großen Einbau- raum. Bedingt durch ihre Größe und die relativ hohe Mas- se, ist der Ankerantrieb nachteilig groß auszulegen. Auch sind diese Spielausgleichselemente bedingt durch ihren Aufbau mit relativ großem Ölvolumen nicht sehr steif.

Ein weiteres Problem entsteht im Stillstand des Motors, in dem sich infolge des Leckflusses das Spielausgleich- selement entleert und bei elektromagnetischen Ventiltrie- ben einen starken Mittenversatz des Ankers zur Folge hat.

Aus der DE 198 18 993 ist ein Ventilspielausgleichsele- ment bekannt, bei dem jedoch nicht alle vorbeschriebenen Nachteile behoben sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektro- magnetischen Aktuator mit Spielausgleichselement bereit- zustellen, mittels dem eine hohe Steifigkeit mit geringen Schwankungen zwischen Anker und Ventil gegeben ist, damit die Auftreffgeschwindigkeit von Ventil und Anker gering- fügig unterschiedlich sind. Das hydraulische Spielaus- gleichselement muß somit einen verschwindend kleinen und konstanten Leckfluß aufweisen und das eingeschlossene 01- volumen möglichst klein und damit unabhängig von der Tem- peratur und Drehzahl, d. h. in allen Betriebszuständen steif sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektroma- gnetischem Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge- löst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektroma- gnetischen Aktuators ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Spielausgleichselement des elektro- magnetischen Aktuators hat vorteilhaft einen nahezu dreh- zahlunabhängigen Leckfluß bzw. Wegverlust. Bei einem Mo- torstillstand entsteht kein Leckfluß, so daß sich der Kolbenraum des Spielausgleichselements nicht leert. Von Vorteil ist ferner, daß das Spielausgleichselement ein nur kleines schädliches Volumen hat, wodurch sich eine kleine Elastizität der Vorrichtung ergibt. Der Leckfluß ist sehr klein und ist so bemessen, daß gerade die Ven- tilausdehnung während eines Ventilhubs ausgeglichen wird.

Dieser Wert beträgt bei kleinen Drehzahlen ca. 0,5 um.

Aufgrund der kleinen Elastizität und des kleinen Leck- flusses ist der Unterschied zwischen der Ventil-und An- keraufsetzgeschwindigkeit vorteilhaft gering. Der Füll- druck schwankt bei einem konventionellen Motor unter Be- rücksichtigung des Öffnungsdrucks des Rückschlagventils zwischen 0,3 und ca. 5,5 bar. Diese Schwankung beeinflußt sehr stark die Steifheit, da das Motoröl Luftanteile zwi- schen 2 und 10% besitzt. Daher sollte der Druck in einem kleinen Bereich z. B. 4-6 bar schwanken. Dies kann auf verschiedene Weise gelöst werden.

Die Druckversorgung kann von einer druckgesteuerten elek- trisch angetriebenen Pumpe erfolgen, die von der Motoröl- pumpe unterstützt werden kann. Es ist auch denkbar, daß die Motorölpumpe durch eine druckgesteuerte elektrisch angetriebene Pumpe ersetzt wird.

Da die Ventilfunktionen unter Einwirkung von Schmutz lei- den, ist vorteilhaft in den Zuführleitungen zum Spielaus- gleichselement ein Filter vorgesehen. Dieser ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einem Kanal des Ankers angeordnet.

Der Kolben des Spielausgleichselements wird vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt und weist gegenüber dem Zylin- der, welcher den Kolbenraum bildet, eine Dichtung, beste- hend aus Gleit-Dichtungsring und Elastomer-Dichtung, auf.

Alternativ kann auch eine Dichtlippe vorgesehen werden.

Um eine gute Verbindung zwischen Kolben und Ventilstößel zu erzielen, weist der Kolben vorteilhaft eine insbeson- dere runde annähernd halbkugelartige Aussparung auf, in der das Ende des Ventilstößels einliegt und verdrehbar gelagert ist. Das Ende des Ventilstößels ist mittels ei- nes flexiblen Halteelements am Kolben gehalten, welches den Stößel axial fixiert und zentriert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Kanal vorge- sehen, welcher das aus dem Überdruckventil ausgetretene Lecköl zur Aussparung des Kolbens führt und somit eine stetige Schmierung der Verbindung Kolben-Ventilstößel ga- rantiert.

Das Überdruck-Schließventil ist vorteilhaft mittels zwei- er Ventilsitze gebildet, zwischen denen ein Ventilstell- glied, insbesondere eine Kugel, hin-und her beweglich gelagert ist. Dabei drückt eine Feder das Ventilstell- glied gegen einen Ventilsitz und bildet zusammen mit die- sem das Überdruckventil, über das bei Erreichen eines ge- wissen Drucks im Kolbenraum eine definierte Menge Lecköl aus dem Kolbenraum entweichen kann.

Bei einer möglichen Ausführungsform des Überdruck- Schließventils weist die Kugel einen Durchmesser von 1,5 mm auf. Der Ringspalt zwischen der Kugel und dem dem Ven- tilsitz des Überdruckventils bildenden Ventilsitzteils beträgt dabei vorteilhaft ca. 15 um. Die Wegstrecke, wel- che die Kugel zwischen den beiden Ventilsitzen zurück- legt, ist so zu wählen, daß sie sich im Bereich von 0,02- 0,05 mm bewegt. Bei dieser Dimensionierung des Überdruck- Schließventils ergibt sich ein Leckfluß von ca. 0,04mm3 pro Hub, was einem nahezu konstantem Wegverlust von ca. 2 um entspricht. Der Wegverlust ist somit im Vergleich zu den bekannten Lösungen, wo der Wegverlust bis zu 200 mal größer sein kann, vorteilhaft klein..

Nachfolgend wird der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 : eine Querschnittsdarstellung durch das freie Ende eines Ankers, in dem das Spielausgleichselement angeordnet ist ; Fig. 2 : eine Ringblattfeder zum Schließen des Rückschlagventils ; Fig.. 3 : einen bekannten Druckverlauf beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventils und die Leckflußmenge, welche durch das Über- druck-Schließventil aus dem Kolbenraum ab- geführt wird ; Fig. 4 : verschiedene Positionen des Überdruck- Schließventils.

Die Fig. 1 zeigt das freie Ende eines Ankers 1 eines elektromagnetischen Aktuators. In dem freien Ende des An- kers 1 ist ein Spielausgleichselement angeordnet, welches mit dem Ventilstößel 2 über den Kolben 4 des Spielaus- gleichselements in Verbindung ist. Der Anker 1 weist ei- nen Kanal la auf, der über eine Zuleitung 21 mit einer elektrisch angetriebenen Pumpe 20 in Verbindung ist. Die- se kann als Freikolbenpumpe entsprechend der in der DE 10000045.2 beschriebenen Pumpe gestaltet werden, deren Betrieb sich automatisch ausschaltet, wenn die Motoröl- pumpe einen Druck von z. B. über 4 bar liefert. Der Kanal la erweitert sich an seinem Ende lb auf einen größeren Durchmesser. In diesem Bereich ist ein Filter F zur Fil- terung des geförderten fluiden Mediums, insbesondere Mo- toröl, angeordnet. Das freie Ende des Ankers 1 weist eine Bohrung auf, in der das Spielausgleichselement angeordnet ist. Das Spielausgleichselement besteht aus einem zylin- drischen Teil 3. In dem Teil 3 sind sowohl das Rück- schlagventil sowie das Überdruck-Schließventil angeord- net. Dabei bildet das Teil 3 den Ventilsitz 16 für das Rückschlagventil sowie den Ventilsitz 17 für das Schließ- ventil. Das Teil 3 weist an seiner zylindrischen Außen- fläche eine umlaufende Nut 13 auf. Diese Nut 13 ist mit einer weitere Aussparung 12 in Verbindung, welche bis in den Bereich des Endes des Kanals la, lb reicht, so daß im montierten Zustand das fluide Medium vom Kanal la, lb in die ringförmige Nut 13 gelangen kann. Im montierten Zu- stand ist das Teil 3 insbesondere mittels einer Schweiß- verbindung mit dem freien Ende lc des Ankers 1 verbunden.

Über zusätzliche Bohrungen 15,10 gelangt das fluide Me- dium von der Nut 13 zum Rückschlagventil 14,15,7 sowie zum Überdruck-Schließventil 18,18a, 17,9,8,8a. Das Ventilstellglied 14 ist eine Kugel, welche mittels einer Ringblattfeder 7 gegen den Ventilsitz 16 druckbeauf- schlagt ist. Die Ringblattfeder 7 ist mittels einer ins- besondere Punktschweißverbindung am Teil 3 befestigt. Das Uberdruck-Schließventil hat als Ventilstellglied eine Ku- gel 9, welche mittels einer Feder 18, die sich mit ihrem einen Ende gegen das Ende einer Sackbohrung 18a des Teils 3 abstützt, gegen den mittels des Teils 8 gebildeten Ven- tilsitzes druckbeaufschlagt wird. Das Teil 8 weist einen Durchlass 8a auf, über den das fluide Medium vom Kolben- raum 19 um die Kugel 9 herum zum Kanal 10 gelangen kann.

Das Teil 8 wird samt Kugel 9 und Feder 18 eingesetzt und vor dem Verbinden (Schweißverbindung) derart in der Boh- rung des Teils 3 positioniert, daß sich ein definierter Weg einstellt, welchen die Kugel 9 zwischen den Ventil- sitzen des Überdruck-Schließventils zurücklegen muß. Die Schweißverbindung wird insbesondere mittels eines Lasers realisiert. Dieser Vorgang kann automatisch mittels einer Abgleich-Laserschweißvorrichtung erfolgen.

Der Kolben 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kunststoff gefertigt und liegt mit seiner Außenseite an der Innenwand des hülsenförmigen Abschnitts 3a des Teils 3 an. Zur Abdichtung zwischen dem Kolben 4 und dem Teil 3 dient entweder, wie auf der rechten Seite des Kolbens dargestellt, eine Dichtung, bestehend aus einem O-Ring 5 und einer Hülse 6. Es kann jedoch eine Dichtungslippe 25 vorgesehen sein, wie auf der linken Seite des Kolbens 4 dargestellt. Welche Art von Kunststoffmaterial vorgesehen wird, hängt von den gestellten Anforderungen ab. Bedingt durch die geringen Auslenkungen des Kolbens 4 bewegt sich die Elastomerhülse 6 nicht mit dem Kolben 4. Hierdurch entstehen keine Reibungskräfte zwischen der Hülse 6 und der Kolbenrauminnenwandung. Der Gleit-Dichtungsring 5 ist insbesondere aus Elastomer gefertigt und wird bei der Auf-und Abwärtsbewegung des Kolbens 4 gewalkt.

Der hülsenförmige Abschnitt 3a weist einen Durchlass 3b auf, der einen Kanal 4c des Kolbens 4 mit einem Kanal 11 verbindet, wobei der Kanal 11 durch die Innenwandung der Bohrung des freien Endes lc des Ankers 1 und einer Aus- sparung an dem Teil 3 gebildet ist. Der Kanal 4c endet in einer runden Aussparung 4b des Kolbens 4, in dem form- schlüssig das runde Ende 2a des Ventilstößels 2b beweg- lich einliegt. Über den Kanal 11, den Durchlass 3b und den Kanal 4b des Kolbens 4 gelangt das Öl zwischen der Kolbenwandung und dem Bereich 2a des Ventilstößels 2, wo- durch eine Schmierung dieser Verbindung erfolgt. Der Ven- tilstößel 2 wird mittels eines flexiblen Teils 26, wel- ches formschlüssig in dem Kolben 4 mittels eines Kragens 26b einliegt, gehalten.

Aufgrund der Tatsache, daß der Kolben 4 und das Teil 3 sehr flach gestaltet werden kann, ist der Kolbenraum 19 sehr klein gehalten, damit sich eine kleine Elastizität des Spielausgleichselements ergibt. Dies ist insbesondere bei der Inbetriebnahme d. h. Ölfüllung wichtig, bei der der Kolben auf dem Boden von Teil 3 aufliegt.

Das Halteelement leitet das für die Schmierung von Kolben 4 und Ventilstößel 2 verwendete Öl mittels seiner Halte- arme 26a in Richtung der Verlängerung zur Ventilführung.

Wie auf der linken Seite der Fig. 1 dargestellt, kann als druckerzeugendes Mittel eine elektrisch angetriebene Pum- pe 20 eingesetzt werden, die insbesondere durch die Mo- torölpumpe 24 unterstützt werden kann. Bei dieser Ausfüh- rungsform ist die Motorölpumpe 24 über ein Rückschlagven- til 22 abgesichert.

Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Ringblattfeder 7, wie sie zum Schließen des Rückschlag- ventils Verwendung finden kann. Dabei wird die Ringblatt- feder 7 aus einem dünnen biegsamen Material hergestellt, in das eine fensterartige Aussparung 7b eingearbeitet wird, insbesondere gestanzt wird, so daß eine biegsame Zunge 7a entsteht, welche mittels ihres freien Endes 7c das Ventilstellglied 14 des Rückschlagventils druckbeauf- schlagen kann. Die Ringblattfeder 7 wird z. B. mittels dreier Schweißpunkte ST an dem Teil 3 fest verschweißt.

Die Fig. 3 zeigt den bekannten Druckverlauf beim Öffnen des Gaswechselventils. Nach Überschreiten der Ventil- kraft, bzw. des Druckes PR im Kolbenraum 19 öffnet das Überdruckventil, das heißt das Ventilstellglied 9 wird entgegen der Federkraft der Feder 18 vom Ventilsitz weg bewegt, so daß durch den Kanal 8a und dem Ventilstell- glied 9 fluides Medium aus dem Kolbenraum 19 austreten kann. Für eine kurze Zeit fließt das fluide Medium aus dem Kolbenraum 19 ab. Nach dem Erreichen des Ventilsitzes 17, verschließt das Ventilstellglied 9 den Kanal 18a, so daß kein weiteres fluides Medium mehr aus dem Kolbenraum 19 austreten kann. Die gesamte Menge an fluidem Medium Q, welche während der Öffnungs-und Schließphase des Über- druck-Schließventils aus dem Kolbenraum 19 austritt, setzt sich aus den beiden Volumina Q1 und Q2 zusammen.

Das Volumen Q1 ergibt sich durch das Produkt der Quer- schnittsfläche A des Ventilstellglieds 9 und dem Weg, welches das Ventilstellglied 9 zwischen den beiden Ven- tilsitzen des Überdruck-Schließventils zurücklegt.

Während das Überdruckventil und das Schließventil geöff- net ist, strömt durch den definierten Spalt s (siehe Fig.

4) fluides Medium an dem Ventilstellglied 9 in Richtung Kanal 18a vorbei. Dieses vorbeiströmende Medium besitzt in Abhängigkeit der Viskosität und des Drucks im Raum 19 ein bestimmtes Volumen Q2.

Die Fig. 4 zeigt die vier Betriebszustände a bis d des Überdruck-Schließventils. Teilbild a zeigt das Überdruck- ventil in der geschlossenen Stellung. Vom Kanal 8a, wel- cher mit dem Kolbenraum 19 in Verbindung ist, gelangt in dieser Stellung kein fluides Medium hin zum Kanal 18a.

Sobald der Druck im Kolbenraum 19 den Wert PR (siehe Fig.

3) erreicht, wird die Kugel 9 (Ventilstellglied) entgegen der Federkraft der Feder 18 hin zum Ventilsitz 17 bewegt (Teilbild b). Beim Verstellen der Kugel 9 verdrängt die Kugel selbst ein Volumen Ql. Zusätzlich umströmt das fluide Medium bedingt durch den Spalt s die Kugel 9 in Richtung Kanal 18a. Diese Menge des fluiden Mediums wird mit Q2 dargestellt. Die Summe von Q1 und Q2 ergibt den gesamten Leckstrom, welcher beim Überschreiten des Drucks PR aus dem Kolbenraum 19 austritt. Diese Umströmung un- terstützt den Schatl-und Schließvorgang der Kugel.

Liegt die Kugel 9 am Ventilsitz 17 an, gelangt kein wei- teres fluides Medium mehr vom Kanal 8a in den Kanal 18a (Teilbild c). Sobald der kritische Druck PR im Kolbenraum 19 unterschritten wird (Teilbild d), wird aufgrund der Federkraft der Feder 18 die Kugel 9 vom Ventilsitz des Schließventils weg in Richtung des Ventilsitz des Über- druckventils bewegt. Bis die Kugel 9 den Ventilsitz des Überdruckventils erreicht hat, strömt erneut eine gewisse Menge fluiden Mediums um die Kugel 9 herum vom Kanal 8a hin zum Kanal 18a. Gleichzeitig verdrängt jedoch die Ku- gel 9 aufgrund ihrer Querschnittsfläche und dem zuruckge- legten Weg zwischen den beiden Ventilsitzen ein Volumen Q1. Damit in diesem Betriebszustand möglichst kein flui- des Medium aus dem Kolbenraum 19 abgeleitet wird, sollte Q1 gleich Q2 sein. Hierbei wirkt wie beschrieben das Ver- drängungsvolumen entgegen der Umströmung. Die entspre- chende Dimensionierung erfolgt über den Kugeldurchmesser, die Spaltbreite s sowie über den Weg, welchen die Kugel 9 zwischen den beiden Ventilsitzen des Überdruck- Schließventils zurücklegen muß. Der Weg der Kugel 9 ist dabei sehr klein zu wählen. Es sind zudem nur sehr kleine Toleranzen bei der Fertigung zulåssig. Zur Einstellung dieses Weges dient die Hülse 8, welche mittels eines hier nicht weiter erläuterten Einstellgeräts bei der Montage entsprechend eingesetzt und positioniert wird, wodurch die erforderliche Wegstrecke eingestellt werden kann. An- schließend wird die Hülse 8 mit dem Teil 3 verschweißt.

Infolge des kleinen Weges der Kugel 9, welcher zum Bei- spiel kleiner 0,04 mm beträgt, sowie der kleinen zu bewe- genden Massen, erfolgt die Kugelbewegung in sehr kurzer Zeit (z. B. 0,2ms). Der Bewegungsvorgang wird dabei ge- stützt durch die an der Kugel wirksame Druckdifferenz.

Die Position gemäß Teilbild c wird bereits während der Ventilöffnung erreicht und wird im geöffneten Zustand beibehalten.