DE19544473A1 - Mechanisch-hydraulisch arbeitende Steuerung für Gaswechselventile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanisch-hydrau­ lisch arbeitende Steuerung für Gaswechselventile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Steuerung von Gaswechselventilen wurden bisher im wesentlichen Nockenwellen verwendet. Diese lassen je­ doch keine variablen Steuerzeiten zu. Frei ansteuer­ bare Ventilsteuerungen haben meist einen großen Ener­ giebedarf oder aber prinzipbedingte Nachteile. Den ge­ ringsten Energiebedarf haben Systeme nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers. Hier sind prinzipiell gleichwirkend vor allem elektromagnetische (DE 30 24 109 A1) aber auch hydraulische (DE 38 36 725 C1) Steuerungen bekannt.

Ein Gaswechselventil ist auch in der deutschen Patent­ schrift Nr. 1 258 184 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Ventil für eine Steuerung nach dem Feder- Masse-Prinzip für Brennkraftmaschinen, bei dem in der Nähe einer die Befestigungselemente für den Federtel­ ler aufnehmenden Ringnut des Ventilschaftes zwischen dieser Ringnut und dem Ventilkopf ein Schaftteil mit gegenüber dem normalen Durchmesser des Schaftes ver­ ringertem Durchmesser und einer axialen Länge vorgese­ hen ist, die größer als die axiale Länge der Ringnut ist, wobei der Übergang vom kleinsten Querschnitt des Schaftes durch eine Hohlkehle ausgerundet ist und der Radius der Hohlkehle wesentlich größer ist als die halbe Differenz zwischen dem normalen Durchmesser und dem verringerten Durchmesser.

Zweck dieser Ausgestaltung ist lediglich, daß die Ge­ fahr von Brüchen durch die Befestigungselemente für die den Federteller aufnehmende Ringnut verringert wird. Die Kombination einer hydraulisch-mechanischen Steuerung, insbesondere eine variable Steuerung, für dieses Ventil ist in dieser Schrift nicht offenbart.

Weiterhin ist aus der DE 39 11 495 C1 eine hydrauli­ sche-mechanische Ventilbetätigungseinheit für Kolben­ maschinen bekannt, bei der sowohl der Schließvorgang als auch der Öffnungsvorgang hydraulisch gesteuert wird, wobei das Ventil in Verbindung mit Federn in beide Betätigungsrichtungen vorgespannt ist.

Bei elektromagnetisch gesteuerten Schwingern liegt die unbetätigte Ruhelage bei halbem Ventilhub, so daß das Hochschwingen aus der Ruhelage großbauende Magnete be­ dingt. Ein weiterer ursächlich dadurch bedingter Nach­ teil ist die den Ablauf der Verbrennung beeinträchti­ gende Notwendigkeit von tiefen Ventiltaschen im Kol­ ben, die auch wegen einer nicht auszuschließenden Fehlfunktion vorhanden sein müssen.

Wegen des erhöhten Energiebedarfs beim öffnen der Aus­ laßventile verursacht durch die zusätzlich notwendige Aufstoßkraft gegen den noch im Brennraum vorhandenen Druck, wurden bisher nur Einlaßventile elektromagne­ tisch betätigt. Bei direkt betätigten Ventilen stößt der Elektromagnet bei dem begrenzt vorhandenen Bauraum hier an seine Grenzen. Um die hohen Endlagenauftreff­ geschwindigkeiten, die sich durch die physikalisch be­ dingte Kraft-Weg-Kennlinie der Magnete ergeben, zu be­ grenzen, sind weitere Maßnahmen notwendig. Eine prak­ tisch verwendbare Lösung, die im Ventiltrieb auftre­ tenden Längenänderungen auszugleichen, wurde bisher nicht angegeben, bzw. die angegebenen Lösungen sind sehr aufwendig, nachteilig oder nicht darstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stell­ einrichtung der eingangs erwähnten Art weiterzubilden und zwar insbesondere derart, daß kein Ventilspielaus­ gleich erforderlich wird. Außerdem soll eine hydrauli­ sche Koppelung gegeben sein, d. h., daß das Ventil stets in die Ausgangsstellung zurückkehrt und daß es bei Fehlfunktionen noch funktioniert und in diesem Falle in die Ausgangsstellung zurückkehrt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung liegt der Vorteil darin, daß die Gaswechselventile in unbetätigter Ruhe­ lage geschlossen und damit tiefe Ventiltaschen im Kol­ ben nicht notwendig sind. Ferner laufen alle Fang- und Haltevorgänge der Ventile selbststeuernd ab.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der, vor allem in vertikaler Richtung, geringe notwendige Bauraum und die Verwendbarkeit für belie­ bige Laststeuerverfahren. So können Phase und Öff­ nungsdauer der Gaswechselventile verändert bzw. be­ liebig festgelegt werden. Möglich sind auch z. B. eine Ventil- und Zylinderabschaltung, wobei Zeitpunkt und Folge frei wählbar sind.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal­ tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Steu­ erungsvorrichtung in vergrößertem Maßstab;

Fig. 2 einen Hydraulikkreislauf mit Steuerkolben, Schaltventil und Steuerwelle der erfindungs­ gemäßen Steuerung mit einem Teilschnitt durch die Steuerwelle mit Gehäuse nach der Linie II-II der Fig. 3;

Fig. 3 einen Schnitt III-III nach der Fig. 2 durch die Steuerwelle mit Gehäuse;

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV nach der Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Steuerung ist in einigen Details von bekannter Bauart, weshalb nur die für die Erfindung wesentlichen Teile beschrieben werden.

Die Steuerung weist einen Zylinderkopf 1 mit einem Ventilsitzring 2 und einer Ventilführung 3 auf. Ein Gaswechselventil 4 ist in geschlossenem Zustand dar­ gestellt und weist einen mit Ventilkegelstücken 6 be­ festigten Federteller 7 auf, sowie Kurvenbahnen 32 mit schrägen Rampen 33, die im oberen Schaftteil eingear­ beitet sind. Auf dem Gaswechselventil 4 ist ein oberer Federteller mit einem Steuerkolben 8 angeordnet, der wiederum in einem Steuerkolbengehäuse 9 geführt wird und in denen sich, wie nachfolgend noch näher erläu­ tert, die notwendigen Steuerkanäle und Verbindungslei­ tungen befinden. Ein Federsystem greift über die Fe­ derteller 7 und 8 an und weist eine untere Druckfeder 10 und eine obere Druckfeder 11 auf. Die Druckfeder 10, Ventilfeder genannt, übt auf das Gaswechselventil 4 eine Kraft in Schließrichtung aus, während die Druckfeder 11 derart angeordnet ist, daß sie auf das Gaswechselventil 4 eine Kraft in Öffnungsrichtung aus­ übt.

Auf einer Fläche des Zylinderkopfes 1, die senkrecht zur Achse des Gaswechselventils 4 verläuft, sind sich gegenüberliegend Zylinder 12 und 13 befestigt. Der Zylinder 12 ist für die Schließstellung, der Zylinder 13 für die Offenstellung des Gaswechselventils 4 vor­ gesehen.

In Fig. 2 ist eine Steuerwelle 16 in einem Gehäuse 15 zusammen mit dem oberen Bereich der in der Fig. 1 dar­ gestellten Vorrichtung in Wirkverbindung dargestellt. Die Steuerwelle 16 dreht sich von der Kurbelwelle an­ getrieben, synchron zu dieser, z. B. 1 : 2 untersetzt. In der Steuerwelle 16 befindet sich ein Ölraum 19 und eine radiale Bohrung 20, deren Winkellage einer Stel­ lung des Motorkolbens z. B. in Zylinder 1 zugeordnet ist. Am Umfang der Steuerwelle 16 sind über einen be­ nötigten Winkelbereich Nuten 21 im Gehäuse 15 einge­ bracht, wobei eine Bohrung 20a die Nut mit dem jeweils zugeordneten Motorzylinder bzw. Gaswechselventil 4 verbindet. Des weiteren ist ein elektromagnetisch be­ tätigtes Schaltventil 17 dargestellt, das über eine Hydraulikleitung 18 eine Verbindung zu einer nicht dargestellten Druckquelle und zwischen der Leitung 18 und einem Tank T herstellt.

In einer weiteren Ebene sind, wie im Schnitt in Fig. 4 dargestellt, in anderer Winkellage weitere Segmente 31 angeordnet. Die von den Segmenten 31 abgehenden Boh­ rungen stellen eine Verbindung mit dem Tank T eines z. B. schon im Fahrzeug vorhandenen Hydraulikkreislaufs her.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden anhand eines Arbeitsspieles erläutert.

In Ruhelage des Feder-Masse-Systems, das durch die Druckfedern 10 und 11, den Federtellern 7 und 8, den Ventilkegelstücken 6 und dem Gaswechselventil 4 ge­ bildet wird, ist das Gaswechselventil 4 geschlossen und das elektromagnetisch betätigte Schaltventil 17 ist entregt, d. h. der Zufluß aus der nicht dargestell­ ten Druckquelle ist gesperrt, sowie die Verbindungs­ leitung 18 mit dem Tank T verbunden und damit druck­ los. Eine Druckfeder im Zylinder 12 drückt über den Kolben ein Wälzlager 14, das an der Kolbenstange be­ festigt ist, gegen eine der Rampen 33 im Gaswechsel­ ventil 4 und eine dadurch erzeugte Kraft in Schließ­ richtung hält das Gaswechselventil 4 gegen die Kraft der Feder 11 geschlossen. Längenänderungen zwischen Zylinderkopf 1 und Gaswechselventil 4 werden dadurch ausgeglichen, daß das an der Kolbenstange des Zylinder 12 befestigte Wälzlager 14 immer so tief in die Rampe 33 der Kurvenbahn 32 einfährt, daß das Gaswechselven­ til 4 am Ventilsitzring 2 zur Anlage kommt.

Weiter preßt eine Druckfeder im Zylinder 13 den da zu­ gehörenden Kolben an seinen inneren Anschlag, während gleichzeitig das an der dazugehörigen Kolbenstange befestigte Wälzlager 14 am Schaft vom Gaswechselventil 4 anliegt.

Der Öffnungsvorgang für das Gaswechselventil 4, das sich z. B. im Motorzylinder 1 befindet, kann nur einge­ leitet werden, wenn die Bohrung 20 in der Schaltwelle 16 das Segment 21, das eine Verbindung mit dem Motor­ zylinder 1 herstellt, überfährt, d. h. daß das Schalt­ ventil 17, während die Bohrung 20 das Segment 21 über­ fährt, zu beliebiger Zeit geschaltet werden kann und damit die Öffnung des Gaswechselventils 4 einleitet.

Dazu wird das Schaltventil 17 erregt, so daß das Druckmedium von der Druckquelle durch das Schaltventil 17 und die Leitung 18 in den Druckraum 19 gelangt und von der Bohrung 20, das Segment 21 und den Leitungen 20a und 22 weiter über die Ringkanäle 24 und 25 und eine Leitung 26 in den Druckraum des Zylinder 12. Die Verbindung zwischen den Ringkanälen 24 und 25 und der Leitung 26 ist aus übersichtlichkeitsgründen nur ge­ strichelt dargestellt. Gleiches gilt für die Verbin­ dung zwischen der Leitung 22 und den Ringkanälen 24 und 25. Der Kolben von Zylinder 12 wird dadurch an seinen inneren Anschlag gefahren (in der Zeichnung nach rechts) und das Wälzlager 14 gibt die Rampe 33 am Gaswechselventil 4 frei und dieses setzt sich durch die höhere Federkraft von der Feder 11 gegenüber der Feder 10 in Öffnungsrichtung in Bewegung. Die Leitung 23 ist zu dieser Zeit gesperrt. Sie wird erst geöff­ net, wenn Steuerkanten am Gaswechselventil 4 bzw. dem als Steuerkolben 8 ausgebildeten Federteller und dem diesen umgebenden Steuerkolbengehäuse 9 - in Abhängig­ keit von der Stellung des Gaswechselventils 4 - zusam­ menwirken.

Hat die obere Steuerkante von Ringraum 25 die untere Steuerkante von Ringraum 24 erreicht, wird die Ver­ bindung zwischen den Leitungen 22 und 26 unterbrochen und damit der Druckraum im Zylinder 12 abgesperrt, d. h. der Kolben von Zylinder 12 wird an seinem inneren Anschlag festgehalten.

Nach einem weiteren Hubweg öffnet die untere Steuer­ kante eines Ringraums 29 einen Durchgang zu einem Ringraum 28 und damit eine Verbindung von Druckraum 19 über die Leitungen 20a, 23 und 27 bis zum Druckraum von Zylinder 13. Über das immer noch erregte Schalt­ ventil 17 wird der Kolben von Zylinder 13 druckbeauf­ schlagt und das Wälzlager 14 an den Schaft von Gas­ wechselventil 4 gepreßt. Nach Erreichen der Offenstel­ lung kann nun das Wälzlager 14 soweit in die Rampe 33 am Gaswechselventil 4 einfahren, daß einerseits das Gaswechselventil 4 sicher gehalten wird und anderer­ seits der Kolben an seinem äußeren Anschlag anliegt.

Der Beginn des gewünschten Schließhubes des Gaswech­ selventils 4 wird durch Entregen von Schaltventil 17 eingeleitet, das die Verbindung vom Druckraum des Zylinders 13 über die Leitung 27, den Ringräumen 28 und 29 und weiter über die Leitungen 23 und 20a, das Segment 21, die Bohrung 20, den Druckraum 19 und die Verbindungsleitung 18 in den Tank T herstellt. Dadurch kann die Druckfeder in dem Zylinder 13 den Kolben an seinen inneren Anschlag (in der Zeichnung nach links) schieben, wodurch gleichzeitig das Wälzlager 14 aus dem Rampe 33 aus fährt und sich damit das Gaswechsel­ ventil 4 in Schließrichtung in Bewegung setzt.

Erreicht die obere Steuerkante von Ringraum 25 die obere Steuerkante von Ringraum 24 wird der eingesperr­ te Druck von dem Zylinder 12 über die Leitungen 26 und 22 und weiter wie bekannt in den Tank T entlastet. Da­ durch kann die Feder in Zylinder 12 den Kolben und damit das Wälzlager 14 nach Erreichen des notwendigen Hubes in die Rampe drücken. Das Gaswechselventil 4 schließt und die Ausgangslage ist wieder erreicht.

Hat sich die Schaltwelle 16 bis zum spätestmöglichen Zeitpunkt für den Beginn des Schließhubes von Gas­ wechselventil 4 weitergedreht, ohne daß das Schalt­ ventil 17, z. B. wegen eines Fehlers in der Steuerung, die Verbindung zum Tank T freigegeben hat, wird über die Bohrung 30 bei der entsprechenden Winkelstellung der Schaltwelle 16 (s. Fig. 4) eine Verbindung zum Segment 31 und weiter zum Tank T frei. Damit ist über die Leitung 20a ein Abfluß zum Tank geschaffen, der durch Umgehung des Schaltventils 17 das Schließen des Gaswechselventils 4 mit Sicherheit gewährleistet.

Durch die Ausbildung der Kurvenbahnen 32 jeweils mit Rampen 33 an ihren Enden, über die die Wälzlager 14 eintauchen, können auftretende Längenänderungen, z. B. durch Wärmedehnung oder Verschleiß, ausgeglichen werden.

Durch die Ausgestaltung des Schaltventiles 17 und der Steuerwelle 16 wird erreicht, daß das Schaltventil für mehrere Hyraulikzylinder bzw. Gaswechselventile mit gleicher Funktion und sich nicht überschneidenden Winkelbereichen die Schaltfunktion übernehmen kann.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des oberen Federtellers 8 des Gaswechselventiles 4 als Steuer­ kolben wird eine hydraulische Koppelung des Systems ermöglicht und eine Einsparung von weiteren Schalt­ ventilen, die sonst diese Aufgabe übernehmen müßten.

Liegt an Leitung 18 ständig Druck an werden durch entsprechend ausgelegte Winkelsegmente 21 der Steuer­ welle 16 die für die Geschlossenstellung der Gaswech­ selventile 4 vorgesehenen Hydraulikzylinder 12 bei im­ mer der selben Kurbelwellenstellung mit Druck beauf­ schlagt, womit auch das jeweilige Gaswechselventil 4 bei immer gleichem Kurbelwellenwinkel geöffnet wird. Bei der selben Vorgehensweise erfolgt auch der Schließbeginn der Gaswechselventile 4 bei immer glei­ chem Kurbelwellenwinkel; d. h. daß damit bei Ausfall der Steuerelektronik oder des Schaltventiles 17 er­ satzweise mit festen Steuerzeiten gefahren werden kann. Bei Ausfall der Elektronik wirkt diese Einrich­ tung in etwa vergleichbar wie eine Nockenwelle mit der Wirkung, daß ein Notlauf möglich wird.

Die Vorspannung der Druckfeder 11, die die Gaswechsel­ ventilöffnung bewirkt, kann veränderbar sein. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß die Federauflage me­ chanisch, hydraulisch oder durch sonstige Maßnahmen verändert wird (z. B. zyklisch). Auf diese Weise ist eine Hubänderung des Ventils möglich, sowie eine An­ passung an motorische Belange. So kann z. B. durch eine Erhöhung der Federvorspannung ein Kraftüberschuß er­ zielt werden, der die für die Auslapventile notwendige höhere Öffnungskraft ausgleicht. Wird die Vorspannung erniedrigt, dann wird das Ventil nicht mehr so weit geöffnet, da sich damit die Nullage ändert. Diese Ausgestaltung ist dann sinnvoll, wenn man bei Offen­ stellung des Ventiles direkt - ohne Halt - wieder zurückfahren möchte.

Der für Betätigung der Hydraulikzylinder 12 und 13 notwendige Druck kann mit einem Piezoaktor, magneto­ striktiven oder sonstigem Aktor (Zylinder) erzeugt werden, der gleichzeitig die Funktion des Schaltven­ tiles 17 übernehmen kann, wobei das Druckmedium dem Motor-ölkreislauf, einem Fahrzeug-ölkreislauf (z . B. der Servolenkung) oder einem separaten ölkreislauf entnommen wird.

Die Kurvenbahn 32 kann direkt in das Ventil eingear­ beitet sein oder - zur Fertigungsvereinfachung - als gesonderte Kurvenbahn, die z. B. in eine Hülse einge­ arbeitet ist, welche über den Schaft des Gaswechsel­ ventiles 4 geschoben ist.

Claims (9)

1. Mechanisch-hydraulisch arbeitende Steuerung für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen, beste­ hend aus zwei gegeneinander wirkenden Druckfedern, die mit dem Gaswechselventil verbunden sind, von denen die eine das Ventil in Öffnungsrichtung und die andere in Schließrichtung betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4) in den beiden Endstellungen über ei­ ne in das Ventil (4) eingearbeitete oder an diesem befestigte Kurvenbahn (32) von jeweils einem auf die Kurvenbahn (32) wirkenden Hydraulikzylinder (12, 13) gefangen und festgehalten ist.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kolbenstangen der Hydraulikzylinder (12, 13) Wälzlager (14) befestigt sind, die direkt oder in­ direkt an die Kurvenbahn (32) anpreßbar sind, oder drucklos an dieser anliegen, wenn der jeweilige Kolben sich an seinem inneren Anschlag befindet.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Geschlossenstellung des Ventils (4) vorgesehene Hydraulikzylinder (12) mit Federkraft das Wälzlager (14) an die Kurvenbahn (32) preßt und hydraulisch zurückziehbar ist, und daß der für die Offenstellung des Ventils (4) vorgesehene Hydrau­ likzylinder (13) das Wälzlager (14) hydraulisch ge­ gen die Kurvenbahn (32) drückt und mit Federkraft zurückziehbar ist.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenbahn (32) so ausgestaltet ist, daß das Gaswechselventil (4) durch das Wälzlager (14), das am Hydraulikzylinder (12) für Geschlossenstellung befestigt ist, in seinen Sitz gepreßt ist, und durch unterschiedlich tiefes Eintauchen in eine Rampe (33) der Kurvenbahn (32) auftretende Längen­ änderungen ausgleichbar sind und daß das Wälzlager (14), das am Hydraulikzylinder (13) für Offenstel­ lung befestigt ist, das Ventil (4) mit Hilfe der Kurvenbahn (32) in der geöffneten Lage in immer der gleichen Position festhält, wobei der Kolben des Hydraulikzylinders (13) an seinen äußeren Anschlag gefahren ist.

5. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltventil (17) für die Druckbeaufschlagung eines Hydraulikzylinders (12 bzw. 13) für die Betä­ tigung von mehreren Motorzylindern vorgesehen ist.

6. Ventilsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit halber Kurbelwellendrehzahl sich drehende Steuerwelle (16) im für die Ansteuerung des jewei­ ligen Hydraulikzylinders (12 bzw. 13) notwendigen Winkelbereich die Verbindung zwischen einem Schalt­ ventil (17) und dem Hydraulikzylinder (12 bzw. 13) herstellt oder unterbricht.

7. Ventilsteuerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Federteller (8) des Ventils (4) als Steu­ erkolben ausgebildet ist, wobei in Abhängigkeit von der Hubhöhe des Gaswechselventils (4) eine Verbin­ dungsleitung (22, 23) zwischen dem jeweiligen Hy­ draulikzylinder (12 bzw. 13) und dem Schaltventil (17) öffenbar oder schließbar ist.

8. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Winkelsegmente (21) der Steuerwelle (16) die für die Geschlossenstellung der Gaswechselventile (4) vorgesehenen Hydraulikzylinder (12) bei immer der selben Kurbelwellenstellung mit Druck beauf­ schlagbar sind und damit auch das jeweilige Gas­ wechselventil (4) bei immer gleichem Kurbelwellen­ winkel öffenbar ist.

9. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Druckfeder (11), die die Gas­ wechselventilöffnung bewirkt, veränderbar ist.