-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem
hydraulischen Ventilsteller zum Betätigen eines Gaswechselventils
in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bei einem bekannten hydraulischen
Ventilsteller dieser Art (
DE
198 26 047 A1 ), auch Aktor oder Aktuator genannt, ist die
untere Druckkammer, über
welche eine Verschiebung des Stellkolbens in Richtung Ventilschließen bewirkt
wird, ständig
mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt und die mit einem Zu-
und Rücklauf
versehene obere Druckkammer, über
welche eine Kolbenverschiebung in Richtung Ventilöffnen bewirkt
wird, mit Hilfe von Steuerventilen, vorzugsweise 2/2-Wegemagnetventilen,
gezielt über
den Zulauf mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt oder über den
Rücklauf
wieder auf annähernd
Umgebungsdruck entlastet. Das unter Druck stehende Fluid wird von
einer geregelten Druckversorgungseinrichtung geliefert. Von den Steuerventilen
verbindet ein erstes Steuerventil die obere Druckkammer mit einer
in einem Fluidreservoir mündenden
Entlastungsleitung und ein zweites Steuerventil die obere Druckkammer
mit der Druckversorgungseinrichtung. Im Schließzustand des Gaswechselventils
ist die obere Druckkammer durch das geschlossene zweite Steuerventil
von der Druckversorgungseinrichtung getrennt und durch das geöffnete erste
Steuerventil mit der Entlastungsleitung verbunden, so daß der Stellkolben
durch den in der unteren Druckkammer herrschenden Fluiddruck in
seiner Schließstellung
gehalten ist. Zum Öffnen
des Gaswechselventils werden die Steuerventile umgeschaltet, wodurch
die obere Druckkammer von der Entlastungsleitung abgesperrt und
an die Druckversorgungseinrichtung angeschlossen wird. Das Gaswechselventil öffnet, da
die die obere Druckkammer begrenzende Wirkfläche des Stellkolbens größer ist als
die die untere Druckkammer begrenzende Wirkfläche des Stellkolbens, wobei
die Größe des Öffnungshubs
von der Ausbildung des an das zweite Steuerventil angelegten elektrischen
Steuersignals und die Öffnungsgeschwindigkeit
von dem von der Druckversorgungseinrichtung eingesteuerten Fluiddruck
abhängt.
Zum Schließen
des Gaswechselventils werden die Steuerventile wieder umgeschaltet. Dadurch
liegt die gegenüber
der Druckversorgungseinrichtung abgesperrte obere Druckkammer an
der Entlastungsleitung, und der in der unteren Druckkammer herrschende
Fluiddruck führt
den Stellkolben in dessen obere Endlage zurück, so daß von dem Stellkolben das Gaswechselventil
geschlossen wird.
-
Bei einem solchen Ventilsteller besteht
die Forderung nach einem schnellen Schließen des Gaswechselventils und gleichzeitig
nach einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ventielglieds des
Gaswechselventils auf den im Zylinderkopf des Verbrennungszylinders
ausgebildeten Ventilsitz, die aus Geräusch- und Verschleißgründen bestimmte
Grenzwerte nicht überschreiten
darf.
-
Es ist hierzu bereits vorgeschlagen
worden (
DE 102 01 167.2 ),
eine Ventilbremse einzusetzen, die mit dem Ventilglied des Gaswechselventils
oder mit dem Ventilsteller verbunden ist. Die Ventilbremse, die
während
eines Restschließhubs
des Ventilglieds wirksam wird, weist ein hydraulisches Dämpfungsglied
mit einem über
eine Drosselöffnung
abströmenden,
fluiden Verdrängungsvolumen
auf. In einer in den Ventilsteller integrierten Version des Dämpfungsglieds
ist der Rücklauf
der oberen Druckkammer auf zwei miteinander verbundene, im Gehäuse axial
beabstandet angeordnete Ablauföffnungen
aufgeteilt, von denen der oberen Ablauföffnung eine Drosselstelle zugeordnet
ist und die untere Ablauföffnung
so im Verschiebeweg des Stellkolbens liegt, daß sie von diesem vor Erreichen
der oberen Endlage verschließbar
ist. Die Drosselöffnung
wird mit einer druckgesteuerten Drossel realisiert, deren Steuerdruck
mittels eines elektrisch gesteuerten, hydraulischen Druckventils
und einem dieses ansteuernden elektronischen Steuergeräts in Abhängigkeit
von der Viskosität
des Verdrängungsvolumens
eingestellt wird. Dies hat den Vorteil, daß das Ventilglied beim Schließhub vor
Erreichen seiner Schließstellung
abgebremst wird, wobei die Bremswirkung unabhängig von der Temperatur und
der damit einhergehenden Viskosität des über die Drosselöffnung verdrängten Fluidvolumens
ist. Da der Öffnungsquerschnitt
der Drosselöffnung
mit zunehmender Temperatur und damit sinkender Viskosität verkleinert
wird, nimmt im gleichen Maße
die Strömungsgeschwindigkeit
des verdrängten
Fluidvolumens durch die Drosselöffnung ab,
so daß die
Größe der Abbremsung
des Stellkolbens durch das Dämpfungsglied
annähernd
konstant bleibt.
-
Der erfindungsgemäße Ventilsteller zum Betätigen eines
Gaswechselventils in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine
hat den Vorteil, daß beim
Schließhub
des Stellkolbens, also bei in seine obere Endlage sich bewegendem
Stellkolben, nach Zurücklegen
eines bestimmten Verschiebewegs die untere Ablauföffnung vom
Stellkolben geschlossen wird und somit das Fluid aus der oberen Druckkammer
nur über
die Drosselstelle ausgeschoben werden kann. Dadurch reduziert sich
die Verschiebegeschwindigkeit des Stellkolbens, so daß das mit
dem Stellkolben verbundene Gaswechselventil seine Schließgeschwindigkeit
verringert und schließlich
das Ventilglied mit deutlich reduzierter Austreffgeschwindigkeit
auf den Ventilsitz aufsetzt. Da die untere Ablauföffnung im
Abstand von der oberen Endlage des Stellkolbens angeordnet ist,
beginnt der Bremsvorgang immer dann, wenn sich das Ventilglied des
Gaswechselventils in einem bestimmten Abstand vom Ventilsitz befindet.
Durch die Einstellung des Öffnungsquerschnitts
der Drosselstelle kann die Größe der Geschwindigkeitsreduzierung beeinflußt werden.
Kommt es jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen im Gaswechselventil
oder aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Ventilteile
zu einer geringen Veränderung
des Hubs des Ventilglieds des Gaswechselventils bis zum Aufsetzen
auf den Ventilsitz des Gaswechselventils, so wird durch die verschiebbare
Ausbildung der unteren Ablauföffnung
ein selbsttätiger
Toleranzausgleich ermöglicht.
Durch eine entsprechend kleine Verlagerung der unteren Ablauföffnung setzt
der Bremsbeginn, der mit Schließen
der unteren Ablauföffnung
durch den Stellkolben ausgelöst
wird, bei einem dem veränderten
Ventilgliedhub angepaßten Schließhub des
Stellkolbens so ein, daß in
allen Schließvorgängen des
Gaswechselventils die Abbremsung des Ventilglieds immer an der gleichen Stelle,
bezogen auf den Abstand vom Ventilsitz, einsetzt, das Ventilglied
also über
einen torleranzunabhängigen,
konstanten Bremsweg hinweg bis zum Aufsetzen auf den Ventilsitz
abgebremst wird.
-
Durch die in den weiteren Ansprüche aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Ventilstellers möglich.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die verschiebliche Ausbildung der unteren Ablauföffnung dadurch
realisiert, daß die
untere Ablauföffnung
aus einer das Gehäuse
durchdringenden Radialbohrung und einer mit dieser kommunizierenden
Radialbohrung in einem den Stellkolben umschließenden, relativ zu diesem verschiebbaren Ausgleichskolben
zusammengesetzt ist. Der Ausgleichskolben, der so ausgebildet ist,
daß er
von dem in die obere Endlage sich bewegenden Stellkolben mitgenommen
wird, begrenzt einerseits zusammen mit dem Stellkolben axial die
obere Druckkammer und begrenzt andererseits mit seiner von der oberen Druckkammer
abgekehrten, ringförmigen
Stirnseite axial eine absperrbare Ausgleichskammer.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist die Ausgleichskammer über den Verschiebeweg des Stellkolbens
abgesperrt und wiederum mit Beginn der Mitnahme des Ausgleichskolbens
durch den in seine obere Endlage sich bewegenden Stellkolben zum
Fluidaustausch freigegeben. Dadurch kann der Ausgleichskolben sich
bei geschlossener unterer Ablauföffnung
noch in Grenzen verschieben und justiert die Lage der den Einsatz
des Bremsvorgangs bestimmenden unteren Ablauföffnung bezüglich der Schließstellung
des Gaswechselventils, so daß die
Abbremsung unabhängig
von im Gaswechselventil auftretenden Toleranzen oder Wärmeausdehnungen
immer im exakt gleichen Abstand des Ventilglieds vor dem Ventilsitz
einsetzt.
-
Gemäß einer hierzu alternativen
Ausführungsform
der Erfindung ist zur Sicherstellung einer axialen Verschiebemöglichkeit
des Ausgleichskolbens nach Schließen der unteren Ablauföffnung durch
den Stellkolben die Ausgleichskammer zumindest mit Einsetzen der
Mitnahme des Ausgleichskolbens durch den in seine obere Endlage
sich bewegenden Stellkolben mit einem Fluidspeicher verbunden. Dabei
kann die Verbindung von Ausgleichskammer und Fluidspeicher auch
permanent sein, doch hat die Beschränkung auf die Herstellung der
Verbindung erst beim Einsetzen der Mitnahme des Ausgleichskolbens
den Vorteil zu verhindern, daß der Ausgleichskolben
infolge Reibung zwischen dem Ausgleichskolben und dem Stellkolben
frühzeitig
mitgenommen wird.
-
Das Vorsehen des Fluidspeichers hat
den zusätzlichen
Vorteil, daß das
Herausbewegen des Stellkolbens aus seiner oberen Endlage, womit
das Öffnen
des Gaswechselventils verbunden ist, mit einer recht großen Verschiebekraft
erfolgt, die nach einem durch den Fluidspeicher bestimmten Verschiebeweg,
nämlich
dann, wenn aus der Ausgleichskammer kein Fluidvolumen mehr in den
Speicher ausgeschoben werden kann, reduziert wird. Durch die Reduzierung
der Verschiebekraft im weiteren Verschiebeweg des Stellkolbens wird
Energie eingespart; denn die nach anfänglichem Öffnen des Gaswechselventils
zum weiteren Öffnen
des Gaswechselventils benötigte
Stellkraft ist sehr viel kleiner als die Stellkraft, die beim anfänglichen Öffnen des
Gaswechselventils gegen den hohen Innendruck im Verbrennungszylinder
aufgebracht werden muß.
-
Die Erfindung ist anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
-
1 einen
Längsschnitt
eines mit einem Gaswechselventil verbundenen Ventilstellers bei
maximal geöffnetem
Gaswechselventil,
-
2 eine
gleiche Darstellung wie in 1 bei
Bremsbeginn des Gaswechselventils,
-
3 eine
gleiche Darstellung wie in 1 bei
vollständig
geschlossenem Gaswechselventil,
-
4 eine
gleiche Darstellung wie in 1 des
modifizierten Ventilstellers,
-
5 einen
Längsschnitt
eines mit einem Gaswechselventil verbundenen Ventilstellers bei
geöffnetem
Gaswechselventil,
-
6 eine
gleiche Darstellung wie in 5 bei
vollständig
geschlossenem Gaswechselventil.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Der in 1 schematisch
im Längsschnitt dargestellte
hydraulische Ventilsteller dient zur Betätigung eines Gaswechselventils 10 in
einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine. Das Gaswechselventil 10 weist
einen Ventilschaft 11 und ein am ventilstellerfernen Ende
des Ventilschafts 11 sitzendes Ventilglied 12 auf,
das mit einem im Zylinderkopf des Verbrennungszylinders ausgebildeten
Ventilsitz 13 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 13 umschließt eine
Ventilöffnung 14,
die bei auf dem Ventilsitz 13 aufsitzendem Ventilglied 12 gasdicht
geschlossen ist. Das Gaswechselventil 10 kann ein Ein- oder
ein Auslaßventil
des Verbrennungszylinders sein.
-
Der Ventilsteller, auch Aktuator
oder Aktor genannt, zur Betätigung
des Gaswechselventils 10, der einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder
darstellt, weist ein hohlzylindrisches Gehäuse 15 sowie einen im
Gehäuse 15 axial
verschieblich geführten
Stellkolben 16 auf, der fest mit dem Ventilschaft 11 verbunden
ist und in einer in 3 dargestellten
Verschiebe-Endlage, im folgenden obere Endlage bezeichnet, das Gaswechselventil 10 geschlossen
hält und
in einer in 1 dargestellten
Verschiebe-Endlage, im folgenden untere Endlage genannt, das Gaswechselventil 10 maximal öffnet. Der
Stellkolben 16 begrenzt im Gehäuse 15 axial mit unterschiedlich
großen
Wirkflächen
zwei volumenvariable Druckkammern 17, 18, wobei
die Wirkfläche,
die die in 1 rechte
Druckkammer, im folgenden obere Druckkammer 17 genannt,
begrenzt, größer ist
als die Wirkfläche,
die die in 1 linke Druckkammer,
im folgenden untere Druckkammer 18 genannt, begrenzt. Die
untere Druckkammer 18 ist mit einer Druckversorgungseinrichtung 20 permanent
verbunden, die unter Hochdruck stehendes Fluid, z.B. Hydrauliköl, liefert.
Die Druckversorgungseinrichtung 20 ist vereinfacht durch
eine Hochdruckpumpe 19 dargestellt, die aus einem Fluidreservoir 21 Fluid
ansaugt und das auf Hochdruck gespannte Fluid am Ausgang 201 der Druckversorgungseinrichtung 20 zur
Verfügung
stellt. Üblicherweise
enthält
die Druckversorgungseinrichtung 20 noch einen Speicher
und ein Rückschlagventil.
Die obere Druckkammer 17 besitzt einen Zulauf 22 und
einen Rücklauf 23,
wobei der Rücklauf 23 mittels
einer Rücklaufleitung 24 an
einem ersten Steuerventil 25 und der Zulauf 22 über eine
Zulaufleitung 26 an einem zweiten Steuerventil 27 angeschlossen
ist. Das erste Steuerventil 25 ist ausgangsseitig mit einer zum
Fluidreservoir 21 führenden
Rückführ- oder
Entlastungsleitung 28 verbunden, während das zweite Steuerventil 27 eingangsseitig
an dem Ausgang 201 der Druckversorgungseinrichtung 20 angeschlossen ist.
Beide Steuerventile 25, 27 sind vorzugsweise als 2/2-Wegemagnetventil
mit Federrückstellung
ausgeführt.
Der Rücklauf 23 ist
auf zwei miteinander verbundene, im Gehäuse 15 axial beabstandet
angeordnete Ablauföffnungen 231, 232 aufgeteilt.
Der oberen Ablauföffnung 231 ist
eine Drosselstelle 29 zugeordnet, und die untere Ablauföffnung 232 ist
so im Verschiebeweg des Stellkolbens 16 angeordnet, daß sie von
diesem in einem definierten Abstand vor Erreichen der oberen Endlage
verschließbar
ist. Im Ausführungsbeispiel
der 1 wird die obere
Ablauföffnung 231 zugleich
als Zulauf 22 verwendet, so daß die Zulaufleitung 26 an
der oberen Ablauföffnung 231 angeschlossen
ist. Die Rücklaufleitung 24 ist
an der unteren Ablauföffnung 232 angeschlossen,
und die Zu- und Rücklaufleitung 26, 24 sind über eine
Verbindungsleitung 30 miteinander verbunden, in der die Drosselstelle 29 angeordnet
ist.
-
Im Ausführungsbeispiel der 4 ist der Zulauf 22 durch
eine separate Zulauföffnung 31 im
Gehäuse 15 realisiert.
Die an dem ersten Steuerventil 25 angeschlossene Rücklaufleitung 24 weist
zwei Leitungszweige 241, 242 auf, von denen der
eine Leitungszweig 241 zu der oberen Ablauföffnung 231 und der
andere Leitungszweig 242 zu der unteren Ablauföffnung 232 führt. Die
symbolisch in dem Leitungszweig 241 eingezeichnete Drosselstelle 29 wird
vorteilhaft durch die Ausbildung der oberen Ablauföffnung 231 als
Drosselbohrung realisiert.
-
Der Stellkolben 15 ist ven
einem Ausgleichskolben 32 umschlossen, der relativ zum
Stellkolben 1b verschiebbar ist. Stellkolben 16 und
Ausgleichskolben 32 sind axial verschiebbar in einer Führungshülse 33 geführt, die
unverschieblich im Gehäuse 15 festgelegt
ist. Der Ausgleichskolben 32 begrenzt zusammen mit der
Wirkfläche
des Stellkolbens 16 axial die obere Druckkammer 17 und
mit seiner von der oberen Druckkammer 17 abgekehrten, ringförmigen Stirnfläche eine
Ausgleichskammer 34 in der Führungshülse 33. Der Ausgleichskolben 32 trägt nahe seinem
der oberen Druckkammer 17 zugekehrten Ende einen Anschlag 321,
und der Stellkolben 16 trägt an seinem die Wirkfläche bildenden
Ende einen Gegenanschlag 161, der mit dem Anschlag 321 zur Mitnahme
des Ausgleichskolbens 32 durch den sich in die obere Endlage bewegenden Stellkolben 16 zusammenwirkt.
-
Aufgrund des Ausgleichskolbens 32 und
der Führungshülse 33 setzt
sich die untere Ablauföffnung 232 aus
einer ersten Radialbohrung 35 im Gehäuse 15, einer zweiten
Radialbohrung 36 in der Führungshülse 33 und einer dritten
Radialbohrung 37 im Ausgleichskolben 32 zusammen.
Die Ausgleichskammer 34 ist über den Verschiebeweg des Stellkolbens 16 abgesperrt
und wird nur mit Beginn der Mitnahme des Ausgleichskolbens 32 durch
den in seine obere Endlage sich bewegenden Stellkolben 16 zum
Fluidab- bzw. zufluß freigegeben.
Hierzu ist in der Führungshülse 33 ein
Ausgleichskanal 39 eingearbeitet, der die zweite Radialbohrung 36 mit
einer davon beabstandeten, zum Stellkolben 16 hin mündenden
Radialbohrung 40 in der Führungshülse 33 verbindet. Der
Stellkolben 16 trägt
eine Ringnut 41, die eine solche axiale Nutbreite aufweist,
daß sie
in einer bestimmten Relativlage von Stellkolben 16 und
Ausgleichskolben 32 eine Verbindung zwischen der Mündung der
Radialbohrung 40 und der Ausgleichskammer 34 herstellt.
Dabei ist die Ringnut 4i so am Stellkolben 16 plaziert,
daß die
Verbindung mit Beginn der Mitnahme des Ausgleichskolbens 32 durch
den Stellkolben 16, also mit Anschlag des Gegenanschlags 161 an
dem Anschlag 321, hergestellt ist und erst wieder aufgehoben
wird, wenn der Stellkolben 16 sich etwas aus seiner oberen
Endlage herausbewegt hat. In der oberen Endlage des Stellkolbens 16 bleibt die
Verbindung zwischen der Ausgleichskammer 34 und der Radialbohrung 40 über die
Ringnut 41 erhalten, wie dies in 3 zu sehen ist.
-
Innerhalb der oberen Druckkammer 17 ist
in das Gehäuse 15 eine
Distanzhülse 42 eingesetzt,
die einen Anschlag für
den Ausgleichskolben 32 bildet. Der Ausgleichskolben 32 kann
sich somit zwischen dem durch die Führungshülse 33 gebildeten
Boden der Ausgleichskammer 34 und der Distanzhülse 42 bewegen.
Da die Distanzhülse 42 sich
im Bereich der oberen Ablauföffnung 231 und
der Zulauföffnung 31 befindet,
ist in der Distanzhülse 42 – wie 1 zeigt – eine Radialbohrung 43 vorgesehen,
die mit der oberen Zulauföffnung 231 bzw.
mit der mit dieser identischen Ablauföffnung 31 korrespondiert.
Bei der getrennten Ausbildung von oberer Ablauföffnung 231 und Zulauföffnung 31 gemäß 4 sind zwei Radialbohrungen 43 vorgesehen,
von denen jeweils eine mit der oberen Ablauföffnung 231 und eine
mit der Zulauföffnung 31 fluchtet.
-
Die Funktionsweise des hydraulischen
Ventilstellers ist wie folgt:
In 1 ist
der Ventilsteller mit in seiner unteren Endlage sich befindlichen
Stellkolben 16 dargestellt, in der das Gaswechselventil 10 maximal
geöffnet
ist. Zum Schließen
des Gaswechselventils 10 werden die Steuerventile 25, 27 in
ihre in 1 gezeigte Stellung
umgeschaltet. Das erste Steuerventil 25 ist geöffnet und
damit die obere Druckkammer 17 über den Rücklauf 23 (obere und
untere Ablauföffnung 231, 232),
die Rücklaufleitung 24 und
die Entlastungsleitung 28 mit dem Fluidreservoir 21 verbunden.
Das zweite Steuerventil 27 ist geschlossen. Da die untere Druckkammer 18 ständig unter
dem von der Druckversorgungseinrichtung 20 erzeugten Fluiddruck steht,
wird der Stellkolben 16 in 1 nach
rechts verschoben und das Gaswechselventil 10 bewegt sich
in Schließrichtung.
Dabei wird Fluid aus der oberen Druckkammer
17 ausgeschoben,
das einerseits über
die untere Ablauföffnung 232 und
andererseits über
die obere Ablauföffnung 231 und
der Drosselstelle 29 in die Rücklaufleitung 24 abfließt und über die
Entlastungsleitung 28 in das Fluidreservoir 21 gelangt.
-
Im weiteren Verlauf der Schließbewegung des
Gaswechselventils 10 überfährt der
Stellkolben 16 die Radialbohrung 37 im Ausgleichskolben 32 und verschließt damit
die untere Ablauföffnung 232.
Das Fluid kann jetzt nur noch über
die obere Ablauföffnung 231 und über die
Drosselstelle 29 in die Rücklaufleitung 24 abfließen. Durch
die Drosselstelle 29 kann eine nur geringere Fluidmenge
pro Zeiteinheit abfließen,
so daß der
Stellkolben 16 und das Gaswechselventil 10 abgebremst werden.
Der Stellkolben 16 führt
weiterhin, jetzt mit reduzierter Geschwindigkeit, eine Verschiebebewegung
in seine obere Endlage durch, bis das Gaswechselventil 10 geschlossen
ist, das Ventilglied 12 also auf dem Ventilsitz 13 auftrifft.
-
Bei welchem Verschiebehub das Abbremsen des
Stellkolbens 16 beginnt, hängt von der Relativposition
des Stellkolbens 16 zum Ausgleichskolben 32 ab.
Der Ausgleichskolben 32 kann sich zwischen dem Boden der
Ausgleichskammer 34 und der Distanzhülse 42 bewegen. Bei
der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, bzw. bei einem Startvorgang nach
Stillstand der Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum, nimmt der
Ausgleichskolben 32 eine beliebige Position zwischen Kammerboden
und Distanzhülse 42 ein.
Befindet sich der Ausgleichskolben 32 in der Darstellung
in 1 zu weit links,
so trifft beim Ventilschließen
der Stellkolben 16 mit seinem Gegenanschlag 161 auf
den Anschlag 321 des Ausgleichskolbens 32. In
diesem Moment stellt die Ringnut 41 im Stellkolben 16 eine
Verbindung zwischen der ebenfalls mit Fluid gefüllten Ausgleichskammer 34 und
der Radialbohrung 40 in der Führungshülse 33 her, die ihrerseits über den
Ausgleichskanal 39 mit der unteren Ablauföffnung 232 verbunden
ist. Der Ausgleichskolben 32 vermag sich jetzt zu verschieben.
Der Stellkolben 16 bewegt sich unter Mitnahme des Ausgleichskolbens 32 weiter,
bis das Ventilglied 12 des Gaswechselventils 10 am
Ventilsitz 13 dicht anliegt. Da der Ausgleichskolben 32 mitgenommen
wird, bleibt die Verbindung zwischen Ausgleichskammer 34 und
untere Ablauföffnung 232 über die
Ringnut 41 bestehen (3).
-
Zum Öffnen des Gaswechselventils 10 wird das
erste Steuerventil 25 geschlossen und das zweite Steuerventil 27 geöffnet. Nun
steht die obere Druckkammer 17 unter dem von der Druckversorgungseinrichtung 20 gelieferten
Fluiddruck. Da die die obere Druckkammer 17 begrenzende
Wirkfläche des
Stellkolbens 16 größer ist
als die die untere Druckkammer 18 begrenzende Wirkfläche des
Stellkolbens 16 bewegt sich der Stellkolben 16 in
der zeichnerischen Darstellung nach links und das Gaswechselventil 10 wird
geöffnet.
Die Ausgleichskammer 34 ist über die Ringnut 41 mit
der unteren Ablauföffnung 232 und
diese über
die Drosselstelle 29 mit der oberen Druckkammer 17 verbunden,
so daß in der
Ausgleichskammer 34 der gleiche Druck herrscht wie in der
oberen Druckkammer 17. Da die beiden die Ausgleichskammer 34 und
die obere Druckkammer 17 begrenzenden Wirkflächen des
Ausgleichskolbens 32 gleich sind ist der Ausgleichskolben 32 druckausgeglichen,
so daß keine
resultierende Verschiebekraft an dem Ausgleichskolben 32 entsteht. Der
Druckaufbau in der Ausgleichskammer 34 erfolgt jedoch aufgrund
der Drosselstelle 29 etwas später, so daß der Ausgleichskolben 32 eine
leichte Bewegung nach links durchführt. Sobald sich der Stellkolben
16 soweit
bewegt hat, daß die
Ringnut 41 die Verbindung zu der Ausgleichskammer 34 aufhebt, wird
die Ausgleichskammer 34 abgesperrt, so daß der Ausgleichskolben 32 in
der erreichten Stellung verharrt. Damit ist der Ausgleichskolben 32 justiert, und
die zur unteren Ablauföffnung 232 gehörende Radialbohrung 37 im
Ausgleichskolben 32 hat eine feste Lage zu dem Schließzustand
des Gaswechselventils 10, so daß der Stellkolben 16 immer
in einem festen Abstand vor Erreichen seiner Endlage die Radialbohrung 37 verschließt und somit
am Gaswechselventil 10 der Bremsvorgang immer bei einem
festen Abstand des Ventilglieds 12 vom Ventilsitz 13 einsetzt.
-
Hat der Ausgleichskolben 32 beim
Schließvorgang
in der Darstellung der 1 – 3 zu weit rechts gestanden,
so wird dadurch, daß der
Ausgleichskolben 32 beim Öffnen des Gaswechselventils 10 wie
beschrieben eine leichte Bewegung nach links durchführt der
Ausgleichskolben 32 bei dem folgenden Schließ- und Öffnungsvorgang
des Gaswechselventils 10 wie beschrieben justiert.
-
Der in 5 und 6 dargestellte Ventilsteller für ein Gaswechselventil 10 stimmt
in Aufbau und Funktionsweise mit dem vorstehend beschriebenen Ventilsteller überein,
so daß insoweit
gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Durch eine
konstruktive Maßnahme
hat dieser Ventilsteller noch den zusätzlichen Vorteil, daß er das
Gaswechselventil 10 mit hoher Stellkraft öffnet, so
daß das Ventilglied 12 gegen
den hohen Innendruck im Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine
schnell und sicher vom Ventilsitz 13 abhebt, und daß er nach Abheben
des Ventilglieds 12 vom Ventilsitz 13 und des
damit zusammenbrechenden Innendrucks im Verbrennungszylinder das
Ventilglied 12 mit geringer Stellkraft weiterbewegt. Hierzu ist
die vom Ausgleichskolben 32 in der Führungshülse 33 begrenzte Ausgleichskammer 34 nicht – wie in 1 – 3 dargestellt – über die
Ringnut 41 im Stellkolben 16 mit dem Rücklauf 23 verbindbar,
sondern mit einem Fluidspeicher 44, der ein Fluidvolumen
sowohl aus der Ausgleichskammer 34 aufnimmt als auch in
die Ausgleichskammer 34 einfüllt. Hierzu sind in dem Gehäuse 15 und
in der Führungshülse 33 zwei
miteinander fluchtende Radialbohrungen 45, 46 vorhanden,
die mit einer zum Fluidspeicher 44 führenden Verbindungsleitung 47 verbunden
sind. Der Fluidspeicher 44 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als separates Bauteil ausgeführt,
kann aber auch im Gehäuse 15 des
Ventilstellers integriert sein. Die Verbindung zwischen Ausgleichskammer 34 und
Fluidspeicher 44 erfolgt wiederum über die Ringnut 41 im
Moment der Mitnahme des Ausgleichskolbens 32 durch den
sich in seine obere Endlage bewegenden Stellkolben 16,
also wenn der Gegenanschlag 161 am Stellkolben 16 auf
den Anschlag 321 am Ausgleichskolben 32 auftrifft.
-
Der Fluidspeicher 44 weist
eine Steuerkammer 48 mit zwei axial einander gegenüberliegenden Kammeröffnungen 481, 482 sowie
ein in der Steuerkammer 48 axial verschiebliches Steuerglied 49 zum wechselweisen
Verschließen
der beiden Kammeröffnungen 481, 482 auf.
An der einen Kammeröffnung 481 ist
die Verbindungsleitung 47 zur Radialbohrung 45 im
Gehäuse 15 angeschlossen,
während
die andere Kammeröffnung 482 über eine
Verbindungsleitung an der Entlastungsleitung 28 angeschlossen
ist. Der Anschluß an
der Entlastungsleitung 28 ist in einem Leitungsabschnitt
zwischen dem Ausgang des ersten Steuerventils 25 und einem
in der Entlastungsleitung 28 angeordneten Druckregelventil 51 vorgenommen.
Das Druckregelventil 51 stellt sicher, daß an der
Kammeröffnung
481 immer
ein geringer Fluiddruck von ca. 0,1 MPa ansteht. In dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel des Fluidspeichers 44 ist
das Steuerglied 49 als Kugel ausgebildet, die sich wechselweise
auf einen den Kammeröffnungen 481 und 482 jeweils
vorgelagerten kegelstumpfförmigen
Ventilsitz aufzusetzen und damit die Kammeröffnungen 481, 482 zu
verschließen
vermag. In der Steuerkammer 48 ist noch eine Radialbohrung 52 eingebracht,
die über
eine Drossel 53 an der Verbindungsleitung 47 angeschlossen
ist. Die Radialbohrung 52 ist in der Stuerkammer 48 so
plaziert, daß sie
nahe der Kammeröffnung 481 liegt,
aber bei durch das Steuerglied 49 verschlossener Kammeröffnung 481 nicht
von dem Steuerglied 49 abgedeckt wird.
-
Die Wirkungsweise dieses Ventilstellers
ist wie folgt:
Beim Schließen
des Gaswechselventils nehmen die Steuerventile 25, 27 die
in 5 dargestellte Stellung
ein und die Schließbewegung
des Gaswechselventils 10 erfolgt wie zu
-
1 – 3 beschrieben, wobei von
dem die obere Druckkammer 17 begrenzenden Stellkolben 16 Fluid über die
untere Ablauföffnung 232 und über die
obere Ablauföffnung 231 mit
nachgeordneter Drosselstelle 29 aus der oberen Druckkammer 17 ausgeschoben
wird. Sobald die untere Ablauföffnung 232,
genauer gesagt die zu dieser gehörende
Radialbohrung 37 im Ausgleichskolben 32, von dem
Steuerkolben 16 überfahren
wird, setzt der Bremsvorgang beim Ventilschließen infolge des nur noch über die Drosselstelle 29 abfließenden Fluids
ein. Mit Schließen
der unteren Ablauföffnung 232 schlägt der Gegenanschlag 161 am
Stellkolben 16 an dem Anschlag 321 am Ausgleichskolben 32 an,
und der Stellkolben 16 nimmt den Ausgleichskolben 32 bei seiner
weiteren Verschiebebewegung in die obere Endlage mit. Aufgrund der
nunmehr die obere Druckkammer 17 begrenzenden, vergrößerten Kolbenfläche (Stellkolben 16 und
Ausgleichskolben 32) wird die Bremswirkung verstärkt, da
nun zusätzlich
auch mehr Fluid durch die Drosselstelle 29 fließen muß. Durch
die Verschiebung des Ausgleichskolbens 32 wird die Ausgleichskammer 34 vergrößert, und
da die Ringnut 41 im Stellkolben 16 die Verbindung
zwischen Steuerkammer 48 und der Ausgleichskammer 34 hergestellt
hat, strömt
Fluid aus der Steuerkammer 48 in die Ausgleichskammer 34. Über die
Kammeröffnung 482 strömt Fluid
aus der Entlastungsleitung 28 in die Steuerkammer 48,
und das kugelförmige
Steuerglied 49 bewegt sich in der Darstellung nach links,
bis es auf dem der Kammeröffnung 481 zugeordneten
Ventilsitz aufliegt und die Kammeröffnung 481 verschließt. Muß der Ausgleichskolben 32 noch
eine Weiterbewegung in der Darstellung nach rechts ausführen, bis
das Gaswechselventil 10 vollständig geschlossen ist, so kann
Fluid über
die Radialbohrung 52 und die Drossel 53 in die
Ausgleichskammer 34 gelangen. Ist das Gaswechselventil 10 vollständig geschlossen,
so nimmt der Stellkolben 16 seine obere Endlage ein (6), in der die Verbindung
von Ausgleichskammer 34 und Steuerkammer 48 über die
Ringnut 41 erhalten bleibt.
-
Zum Öffnen des Gaswechselventils 10 werden
die beiden Steuerventile 25, 27 umgeschaltet,
so daß das
erste Steuerventil 25 schließt und das zweite Steuerventil 27 öffnet. In
der oberen Druckkammer 17 baut sich ein Fluiddruck auf,
der auf die Wirkfläche des
Stellkolbens 16 und auf die Stirnfläche des Ausgleichskolbens 32 wirkt.
Durch die Summe der Wirkflächen
von Stellkolben 16 und Ausgleichskolben 32 ergibt
sich eine hohe Verschiebekraft in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 10.
Durch die Verschiebebewegung des Ausgleichskolbens 32 wird die
Ausgleichskammer 34 verkleinert. Das Fluid wird in die
Steuerkammer 48 ausgeschoben, wodurch das kugelförmige Steuerglied 49 sich
in der Steuerkammer 48 nach rechts bewegt. Das in der Steuerkammer 48 befindliche
Fluid wird über
die Kammeröffnung 482 in
die Entlastungsleitung 28 ausgeschoben. Kurzzeitig kann
auch Fluid über
die Radialbohrung 52 aus der Ausgleichskammer 32 direkt
in die Entlastungsleitung 28 gelangen, jedoch sorgt die Drossel 53 dafür, daß dies nur
eine sehr geringe Fluidmenge ist. Mit Hilfe eines der Drossel 53 zugeordneten
Rückschlagventils
kann dieser geringe Fluidfluß gänzlich unterbunden
werden. Sobald das Steuerglied 49 die andere Kammeröffnung 482 verschließt, kann
kein Fluid mehr aus der Ausgleichskammer 34 ausgeschoben
werden, und der Ausgleichskolben 32 kann keine Verschiebebewegung mehr
ausführen. Über das
Volumen in der Steuerkammer 48 kann somit der Verschiebeweg
des Ausgleichskolbens 32 eingestellt werden.
-
Sobald der Ausgleichskolben 32 festgesetzt ist,
hebt der sich weiterbewegende Stellkolben 16 vom Ausgleichskolben 32 ab.
Die auf den Stellkolben 16 wirkende Verschiebekraft ist
wesentlich reduziert, da zur Erzeugung der Verschiebekraft nur noch
die die obere Druckkammer 17 begrenzende Wirkfläche des
Stellkolbens 16 maßgeblich
ist.
-
Da der Ausgleichskolben 32 beim
Schließen des
Gaswechselventils 10 bis zur Anlage des Ventilglieds 12 an
dem Ventilsitz 13 von dem Stellkolben 16 mitgenommen
wird und beim Öffnen
mit Hilfe der Steuerkammer 48 nur einen bestimmten Verschiebeweg
zurücklegen
kann, ist sichergestellt, daß die
untere Ablauföffnung 232,
welche den Bremsbeginn beim Schließen des Gaswechselventils 10 steuert, sich
immer an der gleichen Stelle befindet, und zwar unabhängig von
Wärmeausdehnungen
oder Fertigungstoleranzen. Damit ist der Bremsbeginn immer gleich.
-
Die in 5 und 6 noch zu sehende Schulter 322 am
Ausgleichskolben 32, die über eine Verbindungsleitung 54 und
eine radiale Durchgangsbohrung 55 durch Gehäuse 15 und
Führungshülse 33 mit Fluiddruck
aus der Zulaufleitung 26 beaufschlagbar ist, dient lediglich
dazu, die Wandstärke
des Ausgleichskolbens 32 über einen großen Bereich
des Ausgleichskolbens 32 zu erhöhen, um eine bessere Fertigbarkeit
zu erreichen. Prinzipiell kann der Außendurchmesser des Ausgleichskolbens 32 auch ohne
diese Schulter 322 hergestellt werden, wenn das gewünschte Kräfteverhältnis beim
anfänglichen Öffnen des
Gaswechselventils 10 und dem danach stattfindenden weiteren Öffnen des
Gaswechselventils 10 eine ausreichend große Wandstärke des
Ausgleichskolbens 32 zuläßt.
-
Die konstruktive Gestaltung des in 5 und 6 dargestellten
Ventilstellers kann dahingehend modifiziert werden, daß die Ringnut 41 im
Stellkolben 16 entfällt
und die Ausgleichskammer 34 permanent an der Steuerkammer 48 angeschlossen
ist. Die Wirkungsweise des Ventilstellers ändert sich dadurch nicht. Jedoch
besteht die Möglichkeit,
daß der
Ausgleichskolben 32 aufgrund von Reibung zwischen Ausgleichskolben 32 und
Stellkolben 16 zu frühzeitig mitgenommen
wird. Durch Einhalten von Fertigungstoleranzen läßt sich dieses jedoch vermeiden.