DE10135377A1

DE10135377A1 - Hydraulischer Antrieb und Steuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10135377A1
Application number: DE10135377A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nestler; Matthias Wangemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-13

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb zur Steuerung der Gaswechselventile von Vier- und Zweitaktverbrennungsmotoren und anderen Hub- und Drehkolbenmaschinen, bei denen periodisches Öffnen von Gaswechselventilen erforderlich ist, der ohne mechanische Nockenwelle arbeitet. Stand der Technik bekannt sind Ventilantriebe mit starren, axial oder/und radial verstellbaren Nocken. Diesen Antrieben haften folgende Nachteile an:
Aufwendige und störanfällige Mechanik wie Nockenwellenzahnriemen, Nockenwelle, Tassenstößel, ggf. Nockenwellenverstellmechanik.
Nur sehr aufwendig oder gar nicht ist bei diesem Prinzip das kompressionslose Anlassen oder Durchdrehen des Motors möglich.
Ebensowenig ist die freie Wahl der Steuerzeiten möglich.
Vorgeschlagen wurden Verstelleinrichtungen an Nockenwellenantrieben:

- Winkelverstellung der Nocken durch einen hydraulischen Winkelsteller bei VW,
- mechanische gemeinsame Hubverstellung aller Einlassventile bei BMW (Valvetronic), um Hub und damit die Luftmenge variieren zu können,
- Hydraulische Hubvariation einzelner Ventile durch Änderung des Füllvolumens zwischengeschalteter Hubanpasser.

Diesen beschriebenen Lösungen haften folgende Mängel an:

- Nockenwelle noch vorhanden,
- Winkel und Hub einzelner Ventile können nicht beliebig gesteuert werden.

Vorgeschlagen wurde eine rein elektrische Ventilsteuerung von Siemens (EVT). Nachteilig ist der hohe mechanische Aufwand. Die Lösung baut sehr hoch. Sehr nachteilig ist ferner der hohe Energieverbrauch, der ein gesondertes Bordnetz (42 Volt) erfordert.
Vorgeschlagen wurde ferner bei Daimler-Benz ein Freischwingprinzip, bei dem die Energie eines zwischen den Endlagen frei schwingenden Ventils durch geringe Hydrauliksteuerenergie gesteuert wird.
Diesem Prinzip haften folgende Nachteile an:

- begrenzte Steuerbarkeit, da die Schwingfrequenz Priorität hat,
- Ventilfedern sind unabdingbar notwendig.

Zweck der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile der Nockenwellensteuerung wie aufwendige und störanfällige Mechanik zu vermeiden, die zudem nur eine beschränkte Verstellmöglichkeit gewährleistet, sowie die gepulste, z. T. erhebliche Steuerleistung exakt mit hoher Taktfrequenz den Stellgliedern zuzuführen. Letztlich soll das Problem der impulsförmigen, hohen Energiebedarfsteuerung gelöst werden, welches aufgrund der hohen Beschleunigungskräfte bei hohen Drehzahlen auftritt.

Aufgabe der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle für einen optimalen Motorbetrieb erforderlichen Öffnungs- und Schließwinkel sämtlicher Gaswechselventile, im folgenden kurz Ventil(e) genannt, zu ermöglichen.

Damit lassen sich viele vorteilhafte Betriebsweisen realisieren:

1. Wegfall der Drosselklappe, das Zylinderfüllvolumen wird nicht durch das energiezehrende Drosseln bewerkstelligt, sondern durch entsprechende Steuerzeiten der Einlassventile,
2. Zylinderabschaltung, besonders im unteren Teillastbereich,
3. wirksame Motorbremsung, besonders bei Nutzkraftfahrzeugen,
4. niedrige Motorbauhöhe,
5. Senkung des Schadstoffausstoßes,
6. Geräuschminderung,
7. Verschleißminderung,
8. Senkung des Brennstoffverbrauches

Zudem soll ein kompressionsloses Durchdrehen und Anlassen des Motors möglich sein.

Erfindungsgemäße Lösung

1. Hydraulischer Antrieb und Steuerung der Ventile (sog. Gaswechselventile) eines Verbrennungsmotors oder anderer Hub- und Drehkolbenmaschinen ohne Nockenwelle wird erfindungsgemäß, wie in Fig. 1 dargestellt, so gelöst, daß die Ventilschäfte als Differenzkolben ausgeführt sind, die in entsprechenden Bohrungen der Ventilschafthülsen gleiten und in den Zwischenraum zwischen einem größeren, dem Ventilteller zugewandten Durchmesser D und einem kleinerem, der Ventilfeder zugewandten Durchmesser d Hydraulik- oder Motoröl so zugeführt wird, dass das Ventil zum gewünschten Zeitpunkt öffnet.
- - Weiterhin erfindungsgemäß sind, wie in Fig. 2 dargestellt, die Ventilschäfte als Kolben ausgeführt, auf deren Durchmesser d das Hydraulik- oder Motoröl so zugeführt wird, daß das Ventil zum gewünschten Zeitpunkt öffnet oder daß dafür gesonderte Plunger vorgesehen sind.
- - Weiterhin sind die Ventilfedern am Ventilschaftdurchmesser in üblicher Weise durch Federteller und Klemmstücke befestigt, wobei erfindungsgemäß sich die unteren Federteller 1.8 axial auf die Ventilschaftführungen 1.3 abstützten und so verhindern, daß die Hydraulikkräfte diese Führungen herausziehen,
2. Weiterhin erfindungsgemäß sind axial beidseitig um den Druckraum der Differenzbohrungen Leckräume angeordnet, um austretendes Lecköl abführen zu können,
3. Weiterhin (5) erfindungsgemäß steuert ein Magnetumschaltventil welches von einem zentralen Steuergerät die notwendigen Schaltimpulse erhält, den Ölstrom, wobei der Steuerstrom nach Durchschalten des Ankers gepulst wird, um Leitungsaufnahme und Erwärmung zu Minimieren,
- - Weiterhin erfindungsgemäß liegt der Druck p einer zentralen Hydraulikpumpe Pu ständig ungeregelt auf den Differenzflächen aller Ventilschäfte und drückt die Ventilteller in Schließrichtung, wenn die oberen Kolbenflächen nicht beaufschlagt werden, wobei erfindungsgemäß der Druck p durch einen Druckspeicher DrSp gepuffert wird, wobei dieser Druck von einem Druckschalter DrSch beobachtet wird, und die Druckpumpe mit einer elektrisch schaltbaren Kupplung mit dem Verbrennungsmotor gekuppelt ist und daß eine elektrisch betriebene Hilfspumpe HiPu das Druckniveau vor dem Start aufbaut, wenn es nach längerem Stillstand notwendig sein sollte, wobei die Ventile bei dieser vollhydraulischen Variante mit Hilfsfedern ausgestattet sind, die bei Störungen an der Steuerelektronik und/oder des hydraulischen Systems die Geschlossenstellung der Ventile gewährleisten, wobei die Bemessung der Federn so erfolgt, daß bei der veranschlagten Motorhöchstdrehzahl, die Federn der Ventilbewegung noch folgen können.
- - Weiterhin erfindungsgemäß steuern den Ölstrom je 2 solenoidgesteuerte Servoventile, um Massen und Magnetkräfte klein zu halten.
4. Weiterhin erfindungsgemäß wird die Ventilbewegung in den Endlagen gedämpft, indem entsprechende Steuerschlitze- oder bohrungen verdeckt werden.
5. Weiterhin erfindungsgemäß sind am Ventilschaft magnetisierte Zonen oder Magnete angebracht, mit denen über Hallsensoren, Magnetdioden oder Magnettransistoren oder Induktionsspulen die Ventilgeschwindigkeit gemessen und so auf die Steuerung einwirkt, daß die Aufschlaggeschwindigkeit des Ventiltellers begrenzt bleibt und der Druckimpuls so geregelt wird, daß Viskositäts- und Reibeinflüsse dabei herausgeregelt werden,
6. Weiterhin (10) erfindungsgemäß wird alternativ zur Bewegungserfassung der Ventilgeschwindigkeit die Fließgeschwindigkeit des Hydrauliköls erfaßt.
7. Weiterhin erfindungsgemäß wird der Hydraulikdruck durch ein Druckbegrenzungsventil so begrenzt, dass im Havariefall der auf das geöffnete Ventil prallende Kolben des Hubkolbenmotors unbeschädigt bleibt, indem es zurückweichen kann.
8. Weiterhin erfindungsgemäß werden als Werkstoffe für den weichmagnetischen Eisenkreis des Magnetventils silizium- und aluminiumlegierte Stähle beispielsweise vom Typ X10CrAl18 oder FeAl11 genutzt, um den Wirbelstromeinfluß infolge der hohen Schaltfolge zu minimieren.
9. Weiterhin erfindungsgemäß wird die Ankerlänge des Magnetventils extrem kurz gehalten oder alternativ ein Plattenanker verwendet, um den Trägheitseinfluß infolge der hohen Schaltfolge zu minimieren,
10. Weiterhin erfindungsgemäß wird eine Mediumbohrung zwecks kompakter Bauweise innerhalb der Ankerführung angeordnet und Wicklung und Magnetmantel entsprechend eiförmig gestaltet, um Material zu sparen und um die Energieaufnahme niedrig zu halten,
11. Weiterhin (15) erfindungsgemäß werden anstelle der Magnetventile solche mit hartmagnetisch aufmagnetisiertem Magnetanker verwendet, die unter Verzicht auf eine Rückstellfeder in Abhängigkeit von der Polarität der Speisespannung schieben oder ziehen und so die gewünschte Steuerbohrung öffnen bzw. schließen.
12. Weiterhin erfindungsgemäß werden anstelle der Magnetventile Ventile mit magnetostriktivem Antrieb verwendet.
13. Weiterhin erfindungsgemäß werden anstelle der Magnetventile Piezosteuerventile verwendet.
- - Weiterhin erfindungsgemäß wird das Ablauföl durch ein Überströmventil (BPR) auf ein mittleres Niveau angestaut und ist damit zur Motorschmierung verfügbar, ohne dass eine gesonderte Schmierölpumpe notwendig ist.
- - Weiterhin erfindungsgemäß werden ein oder mehrere exakt in Drehzahl und in der Phasenlage steuerbare Elektromotore oder Drehmagnete genutzt, die mit Drehschiebern gekoppelt sind, welche den Ölstrom zu den Ventilen steuern ("Elektronisch-hydraulische Nockenwelle"), wobei die Umlaufgeschwindigkeit gewollt um eine Mittlere so pendelt, daß die gewünschten Steuerzeiten erreicht werden, dabei ordnet ein winkel- und phasengesteuerter Schrittmotor den Drehwinkel eines in einer Hülse laufenden Drehschiebers so zu, dass der Ventilplunger zunächst die pulsierenden Drücke so erhält, dass das Ventil im üblichen Normalzyklus öffnet und schließt, wobei der Winkelgeschwindigkeit ω eine positive oder negative Phasenverschiebung φ so überlagert wird, dass das entsprechende Ventil entsprechend früher oder später öffnet, wobei weiterhin eine zusätzlich überlagerte Drehschwingung mit der Amplitude Δω die Verweilzeit τ des Drehschiebers zwischen den Bohrungen Bo-zu und Bo-ab so verkürzt bzw. verlängert und damit die Öffnungszeit des entsprechenden Ventils dynamisch variiert wird, ohne dass das Steuersystem statisch anhält.
14. Weiterhin (20) erfindungsgemäß wird der Drehschieber als Hülse oder sternförmig ausgebildet.
15. Weiterhin erfindungsgemäß sind die Steuersysteme, die die Gaswechselventile betätigen, getrennt oder gekoppelt.
- - Weiterhin erfindungsgemäß lassen die Drehschieber je Umdrehung eine oder mehrere Schließ-/Öffnungsstellungen zu.
16. Weiterhin erfindungsgemäß sind die Schrittschaltwerke (Motore) mindest zwei-, vorzugsweise aber vielpolig.
17. Weiterhin erfindungsgemäß treibt ein Schrittschaltwerk (Motor) einen oder mehrere gekoppelte Drehschieber an.
- - Weiterhin erfindungsgemäß ist Steuersschaltwerk (Motor) mit einem Positionssensor bzw. Drehwinkelgeber ausgerüstet, so daß die Position der Schaltwerk- bzw. Drehschieberwelle an das Steuergerät übermittelt wird.
18. Weiterhin erfindungsgemäß wird alternativ ein mechanisch von der Kurbelwelle gesteuerter, zentraler Steuerventilblock angeordnet, der die Plunger Gaswechselventile über Bohrungen im Motor oder Rohrleitungen speist.
19. Weiterhin erfindungsgemäß werden alternativ ein oder mehrere mit der Kurbelwelle synchronisierte Elektromotore, vorzugsweise Schrittmotore, direkt mit einer oder mehreren Steuerwelten verbunden, die ihrerseits die Ventilbewegung in herkömmlicher Weise auslösen.

Beispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einigen Beispielen erläutert werden.

Auf dem Bild ist der zeitliche Verlauf des Kolbenhubes und des Ventilhubes für ein Beispiel dargestellt (hier vereinfacht für ein Ventil mit 180° KW Öffnungswinkel und 540° KW Schließwinkel

1. Beispiel

In Fig. 1 ist der Motorkopf eines Verbrennungsmotors mit der hydraulischen Ventilsteuerung dargestellt. Positionen 1.1 Motorkopf
1.2 Ventil mit den Schaftdurchmessern d, D
1.3 Ventilschaftführung mit Differenzialbohrungen d, D
1.4 Ventilfedersatz, Kraft FV
1.5 3-Wege Magnetventil
1.6 Befestigungsring oder -klemmstück
1.7 Ventilfederteller, oben
1.8 Ventilfederteller unten (Auflage)
Der Motorkopf 1.1 hat die Bohrungen 1.1.1 für Lecköl, führt zur Ansaugseite der Ölpumpe,
1.1.2 für den pulsierenden Ölstrom, der beim Druck den Ventilschaft durch die Plungerwirkung der unterschiedlichen Bohrungen d, D herabdrückt,
1.1.3 für Drucköl, führt zur Druckseite der Ölpumpe,
1.1.4 für rücklaufendes Öl,
1.1.5 Verbindungskanal, wenn auf eine gesonderte Ölpumpe für die Motorschmierung nicht verzichtet werden soll.
Das Steuermagnetventile hat folgende Baugruppen 1.5.1 Magnetmantel, äußerer Eisenkreis
1.5.2 Obere Sitzplatte, Magnetkopf
1.5.3 Wicklung mit 2-poliger Zuleitung
1.5.4 Schließfeder
1.5.5 Abdrückstifte
1.5.6 Kegelstift-Ablaufsitz
1.5.7 Kegelstiftfeder
1.5.8 Boden- und Deckring
1.5.9 Ankerführung
1.5.10 Kegelstift-Zulaufsitz
1.5.11 untere Sitzplatte

2. Beispiel

In Fig. 2 ist der Motorkopf eines Verbrennungsmotors mit einer weiteren Variante der hydraulischen Ventilsteuerung dargestellt. Positionen, soweit sie von Fig. 1 abweichen 2.1 Motorkopf
2.2 Ventil
2.3 Ventilführung
2.4 Ventilfeder
2.5 Magnetventil
2.6 Klemmstück oder Ring
2.7 Ventilteller
2.1.2 pulsierender Hydraulikölstrom und Kolbenraum
2.1.3 Zulauf des Hydraulikölstromes, von der Pumpe
2.1.4 Rücklauf, zur Pumpe

3. Beispiel

In Fig. 3 ist das Prinzip einer hydraulischen Ventilsteuerung ohne Ventilfedern und ohne Nockenwelle dargestellt. Positionen VT Ventilteller
dd1 Ventilschaftdurchmesser
dd2 Ventilkolbendurchmesser
Pu Hydraulikpumpe
HiPu elektrisch betriebene Hilfspumpe
DrSp Druckspeicher
DrSch Druckschalter
MVab Ablaufmagnetventil, pilotgesteuert
MVzu Zulaufmagnetventil, pilotgesteuert
Zo magnetisierte Zone am Ventilschaft
Spu Induktionsspule

4. Beispiel

In Fig. 4 ist das solenoidgesteuerte Servoventil dargestellt, welche zur Steuerung der Plunger in den Beispielen 1-3 verwendet wird. F2 Feder des Kolbenkegels
d1 Sitzdurchmesser
d2 Kolbenkeldurchmesser
d3 Pilotdurchmesser
d4 Drosselbohrung
s Kolbenspiel
HKolben Kolbenkegelhub
VKoben zu verdrängendes Volumen
Beispiel

VKolben := A2 HKolben

Für Flüssigkeiten, allgemein, max. Drosselbohrung d4:

Der Schließvorgang des Kolbenkegels vollzieht sich bei Flüssigkeiten - abgesehen von der Anfangsphase - i. a. mit geschlossenem Hilfskegel.
Dabei strömt das Volumen VKolben = A2.Hub durch die Führungsfläche As.
Der Schließvorgang verläuft aufgrund der niedrigen Durchflußzahl des Spaltes so langsam, daß sogenannte Drosselbohrungen (d4) zum Führungsspalt parallel angeordnet werden.
Diese Drosselbohrungen liefern zwar einen unerwünschten notwendigen Anteil des Hilfssitzquerschnittes für den Öffnungsfall, doch ist der Unterschied ihrer Durchflußzahlen öffnen/schließen bei weitem nicht so groß, wie dies beim Spalt der Fall ist.
Dies ist auch der Grund, warum sich der Drosselquerschnitt A4 nicht durch größere Spaltweite des Führungsspaltes gleichwertig ersetzen läßt.
Die Feder F2 erzeugt das Schließdruckgefälle, welches die Strömungsgeschwindigkeit in der Bohrung d4 hervorruft (Hier unberücksichtigt Spaltanteil):

Die Federkraft F2 erzwingt einen zusätzlichen Druckverlust über den Sitz:

5. Beispiel Elektronische Steuerung des Solenoidventils Beispiel 4, Zusammenspiel

In Fig. 5 ist Schaltprinzip und Impulsplan des Steuerventils dargestellt. D Nulldiode
V Varistor
MV Magnetventil
UN Speisespannung, nicht getaktet, getaktet
IA Speisestrom im Anzugs- und im Haltebereich

Zur Steuerung des Beispiels 1 erhält die Magnetwicklung 1.5.3 des Magnetventils 1.5 entsprechend des von einem zentralen Steuergerät[es] festgelegten Öffnungspunktes einen elektrischen Impuls, der kurz nach dem Durchziehen des Magnetankers 1.5.12 auf die Halteleistung durch Pulsen herabgeregelt wird, um den Energieverbrauch zu minimieren.
Die Kombination einer Nulldiode mit einem Varistor hält während der Pulspausen den Haltestrom soweit aufrecht, daß einerseits der Magnetanker während der Pulspausen nicht ungewollt abfällt und andererseits der Stromabfall nach Abschalten so schnell erfolgt, daß es zu keiner unerträglichen Zeitverzögerung kommt. Alternativ läßt sich die Nulldiode gemeinsam mit dem Ausschalten des Magnetventils abschalten.

Der vorher vom Kegelstift 1.5.10 abgesperrte Ölstrom einer zentralen Hydraulikpumpe fließt über die Druckbohrung 1.1.3 des Motorkopfes 1.1 über das nun geöffnete Magnetventil über die Bohrung 1.1.2 des Motorkopfes in den Differenzkolbenraum der Ventilführung 1.3 und drückt den Ventilschaft durch die Plungerwirkung der unterschiedlichen Bohrungen d, D gegen die Ventilfeder 1.4 auf
Der in dieser Zeit anfallende Leckstrom wird über die Bohrung 1.1.1 des Zylinderkopfes in den Ansaugraum der Hydraulikpumpe abgeführt.

Nachdem das zentrale Steuergerät die Halteimpulse für das Magnetventil abschaltet, drücken die Abdrückstifte 1.5.5 den Magnetanker 1.5.12 in die auf Fig. 1 dargestellte Ruhelage. Damit schließt der Kegelstift 1.5.10 die Zulaufbohrung und verbindet über den nun geöffneten Kegel 1.5.6 den Differenzkolbenraum über die Zylinderkopfbohrung 1.1.4 und 1.1.5 mit dem drucklosen Ablauf. Der von der Ventilfeder 1.4 erzeugte Druck schiebt das Öl über diese Kanäle weg und das Ventil 1.2 schließt.

Wird die Steuerung mit Motoröl betrieben, so kann auf eine gesonderte Schmierölpumpe verzichtet werden.
Dazu werden die Bohrungen 1.1.4 und 1.1.1 nicht wie auf Fig. 1 dargestellt, verbunden, hier mit der Bohrungen 1.1.5, sondern über ein Überstromventil (BPR), daß das rücklaufende Öl auf ein mittleres Druckniveau anstaut. Damit lässt sich dann ein Teil dieses Öles zur Motorschmierung weiter verwenden und eine separate Schmierölpumpe ist nicht mehr erforderlich.

Das Beispiel 2 unterscheidet sich vom 1. Beispiel nur dadurch, daß der pulsierende Ölstrom direkt auf den Schaft des Ventils 2.2 im Ventilkolbenraum 2.1.2 wirkt.

Fig. 3 zeigt das Prinzip einer Ventilsteuerung ohne Nockenwelle und ohne Federn.
Bei diesem Prinzip liegt der Druck p einer zentralen Hydraulikpumpe Pu ungeregelt ständig auf den Differenzflächen aller Ventilschäfte und drückt die Ventilteller in Schließrichtung, solange die obere Kolbenfläche nicht beaufschlagt wird.
Der Druck wird durch einen Druckspeicher DrSp gepuffert und von einem Druckschalter DrSch beobachtet.
Damit ist eine 2-Punkt-Regelung möglich. Die Druckpumpe braucht nur eingeschaltet werden, wenn das Druckniveau absinkt. Dazu ist sie mit einer elektrisch schaltbaren Kupplung mit dem Verbrennungsmotor gekuppelt.
Sinkt das Druckniveau nach längerem Stillstand völlig ab, so wird durch die elektrisch betriebene Hilfspumpe HiPu das Druckniveau vor dem Start aufgebaut.
Zur Steuerung des Ölstromes werden je 2 pilotgesteuerte Magnetventile benutzt. Damit lassen sich Massen und Magnetkräfte klein halten.

Die jeweilige Ventilgeschwindigkeit wird im Beispiel 3 durch eine magnetisierte Zone am Ventilschaft und einer Induktionsspule Spu erfasst.
Alternativ können die Ventilschäfte oder Plunger zwei aufeinander folgende aufmagnetisierte Zonen aufweisen denen koresspondierend ein oder auch zwei Hallgeber zugeordnet sind.
Mittels der bei der Bewegung des Ventilschaftes ausgelösten Impulse kann von der Steuereinheit die Zeitdifferenz ermittelt werden, die aufgrund des bekannten Sensorabstandes ein Maß für Ventilbewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung ist. Aufgrund der Kenntnis von Ventilbeschleunigung, Geschwindigkeit und Position kann die Steuereinheit über die Beeinflussung der Steuerimpulslänge für die Steuermagneten/Schrittmotoren u. s. w. die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Ventile im Sinne kurzer Stellzeiten bei niedrigen Aufschlagsgeschwindigkeiten beeinflussen.

6. Beispiel Drehschiebersteuerung der Plunger in den Beispielen 1-3

Eine weiteres vorgeschlagenes Prinzip einer hydraulischen Ventilsteuerung ohne Ventilfedern und ohne Nockenwelle erfolgt auf der Basis eines Drehschiebers, der seinerseits über einen Schrittmotor, Rotationsmagnet oder Schwingankermagnet angetrieben und gesteuert wird.
Die Stellmagnete dieser Motoren können sowohl permanentmagnetisch als auch elektromagnetisch ausgeführt sein. Die Feldspulen können sowohl unipolar als auch bipolar betrieben werden.
Wird der Läufer elektromagnetisch ausgeführt, so ist eine periodische Umpolung der über Schleifringe gespeisten Spulen sinnvoll. Positionen Fig. 6 und 7 VT Ventilteller
dd1 Ventilschaftdurchmesser
dd2 Ventilkolbendurchmesser
Pu Hydraulikpumpe
HiPu elektrisch betriebene Hilfspumpe
DrSp Druckspeicher
DrSch Druckschalter
Zo magnetisierte Zone am Ventilschaft
Spu Induktionsspule
DrehSch Drehschieber
Hülse Hülse
Bo V Bohrung für die Ventilsteuerung
Bo zu Zulaufbohrung
Bo ab Ablaufbohrung
Motor winkel- und phasengesteuerter Schrittmotor
Positionen nur Fig. 7 DrehSch Zulauf Drehschieber Zulauf
DrehSch Ablauf Drehschieber Ablauf
Motor Zulauf Motor Zulaufsteuerung
Motor Ablauf Motor Ablaufsteuerung

6.1. Ein Drehschieber nach Fig. 6, in einer Hülse mit 2 Bohrungen laufend ohne aufgeschaltete[r] Drehschwingung

Ein winkel- und phasengesteuerter Schrittmotor ordnet den Drehwinkel eines in einer Hülse laufenden Drehschiebers so zu, das der Ventilplunger zunächst die pulsierenden Drücke so erhält, daß das Ventil im üblichen Normalzyklus öffnet und schließt. Wird der Winkelgeschwindigkeit ω eine positive oder negative Phasenverschieung φ überlagert, so öffnet das entsprechende Gaswechselventil entsprechend früher oder später.

6.2. Ein Drehschieber nach Fig. 6, in einer Hülse mit 2 Bohrungen laufend mit aufgeschalteter Drehschwingung

Ein winkel- und phasengesteuerter Schrittmotor ordnet wie im Beispiel 6.1 den Drehwinkel eines in einer Hülse laufenden Drehschiebers so zu, daß der Ventilplunger zunächst die pulsierenden Drücke so erhält, daß das Ventil im üblichen Normalzyklus öffnet und schließt.
Wird der Winkelgeschwindigkeit ω eine positive oder negative Phasenverschieung φ Überlagert, so öffnet wie im Beispiel 6.1 das entsprechende Ventil entsprechend früher oder später.
Durch eine zusätzlich überlagerte Drehschwingung mit der Amplitute Δω läßt sich die Verweilzeit τ des Drehschiebers zwischen den Bohrungen Bo-zu und Bo-ab verkürzen bzw. verlängern und damit die Öffnungszeit des entsprechenden Ventils dynamisch variieren, ohne daß das Steuersystem statisch anhält.

6.3 Zwei Drehschieber nach Fig. 7, in zwei Hülsen mit je einer Bohrungen laufend

Zwei winkel- und phasengesteuerter Schrittmotoren ordnen die Drehwinkel der in der Hülse laufenden Drehschieber so zu, daß der Ventilplungerraum durch den einen rotierenden Drehschieber zunächst mit der Druckseite verbunden wird. Dabei öffnet das Ventil des Verbrennungsmotors.
Danach verbindet der andere Drehschieber den Ventilplungerraum mit der Ablaufseite. Dabei schließt das Ventil des Verbrennungsmotors.
Die Motoren werden durch Impulse einer zentralen elektronischen Steuereinheit synchronisiert und laufen quasi als elektronische Nockenwelle.

Die Phasenlage der beiden Motoren bestimmt Öfthungs- und Schließwinkel. Diese Winkel können somit elektronisch beliebig gesteuert werden, da die Drehspulen nach Fig. 8 entsprechen angesteuert werden.

Da das Drehschieber-Motorsystem gleichförmig rotiert und nicht statisch anhält ergeben sich weitere Vorteile:

- kein Abreißen des Schmierfilmes, daher leichtgängig
- keine Beschleunigungs- bzw. Bremsenergie notwendig

Die unter 6 beschriebene Systeme können auch mit wesentlich kleineren Querschnitten ausgeführt und zur Steuerung der in Beispiel 4 (Fig. 4) beschriebenen Servoventile genutzt werden, die dann ihrerseits die Ventilplunger der Ventile steuern.

Fig. 9.1 und Fig. 9.2 zeigen ein Konstruktionsbeispiel für die beide Drehschiebersätze für die Einlassventile eines 4 - Zylindermotors.
Ein Drehschiebersatz besteht im Wesentlichen aus den 4 Drehschieberscheiben Pos. 8, die gemeinsam mit der Grundscheibe 1 und der Deckscheibe 4 an das Pumpen- oder Motorgehäuse mittels der Schrauben 2 angeflanscht ist.

Der Drehschiebersatz Fig. 9.1 wird von dort mit Hydraulikdruck versorgt, der Drehschiebersatz Fig. 9.2 ist mit seiner zentralen Bohrung mit der Zulaufseite der Hydraulikpumpe verbunden.

Die radialen, entsprechend der Zündfolge winkelzugeordneten Bohrungen 7.1 bis 7.4 der Hohlwelle 7 der Drehschiebersätze nach Fig. 9.1 und Fig. 9.2 sind untereinander verbunden und versorgen die Plunger der entsprechenden Einlassventile zum Öffnungszeitpunkt mit Druck, wenn die jeweilige Querbohrung der Hohlwelle 7 des Drehschiebersatzes Fig. 9.1 den Winkelbereich der Querbohrung der zugeordneten Drehschieberscheibe 8 überstreicht.
Das zugeordnete Ventil des Motors öffnet und bleibt solange offen, bis die radiale, ebenfalls entsprechend der Zündfolge winkelzugeordneten Bohrung 7.1 bis 7.4 der Hohlwelle 7 der Drehschiebersätze nach Fig. 9.2 die Plunger der entsprechenden Einlassventile drucklos macht, wenn die jeweilige Querbohrung der Hohlwelle 7 den Winkelbereich der Querbohrung der zugeordneten Drehschieberscheibe 8 überstreicht.

Ein Hallsensor 6 erfasst den Winkel einer Magnetzone 5 und greift in die Steuerung des Motors 3 so ein, daß dieser synchron mit der halben Kurbelwellendrehzahl läuft und die gewünschte Phasenlage hat.

Alternativ können die Motoren im reinen Schrittbetrieb arbeiten.

Synchronmotoren sind neben Schrittmotoren gleichfalls verwendbar. Sie haben den Vorteil des weicheren Laufverhaltens.

Das vorgestellte Prinzip ist sehr kompakt in Blockbauweise realisierbar, dadurch platzsparend und servicefreundlich.

Claims

1. Hydraulischer Antrieb und Steuerung der Ventile (sog. Gaswechselventile) eines Verbrennungsmotors oder anderer Hub- und Drehkolbenmaschinen ohne Nockenwelle dadurch gekennzeichnet, daß wie in Fig. 1 dargestellt, die Ventilschäfte als Differenzkolben ausgeführt sind, die in entsprechenden Bohrungen der Ventilschafthülsen gleiten und in den Zwischenraum zwischen einem größeren, dem Ventilteller zugewanden Durchmesser D und einem kleinerem, der Ventilfeder zugewanden Durchmesser d Hydraulik- oder Motoröl so zugeführt wird, dass das Ventil zum gewünschten Zeitpunkt öffnet.

2. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wie in Fig. 2 dargestellt, die Ventilschäfte als Kolben ausgeführt sind, auf deren Durchmesser d das Hydraulik- oder Motoröl so zugeführt wird, daß das Ventil zum gewünschten Zeitpunkt öffnet oder daß dafür gesonderte Plunger vorgesehen sind.

3. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-2, wobei die Ventilfedern am kleinen Durchmesser in üblicher Weise durch Federteller und Klemmstücke o. ä. befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unteren Federteller 1.8 axial auf die Ventilschaftführungen 1.3 abstützt und damit verhindert, daß die Hydraulikkräfte diese Führungen herausziehen.

4. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß axial beidseitig um den Druckraum der Differenzbohrungen Leckräume angeordnet sind, um austretendes Lecköl abführen zu können.

5. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetumschaltventil, welches von einem zentralen Steuergerät die notwendigen Schaltimpulse erhält, den Ölstrom steuert, wobei der Steuerstrom nach Durchschalten des Ankers gepulst wird, um Leitungsaufnahme und Erwärmung zu Minimieren.

6. Hydraulischer Antrieb und Steuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors ohne Nockenwelle und ohne Ventilfedern dadurch gekennzeichnet, daß, wie in Fig. 3 dargestellt, der Druck p einer zentralen Hydraulikpumpe Pu ständig ungeregelt auf den Differenzflächen aller Ventilschäfte liegt und die Ventilteller in Schließrichtung drückt, wenn die oberen Kolbenflächen nicht beaufschlagt werden und dass der Druck p durch einen Druckspeicher DrSp gepuffert und von einem Druckschalter DrSch beobachtet wird, und daß die Druckpumpe mit einer elektrisch schaltbaren Kupplung mit dem Verbrennungsmotor gekuppelt ist und daß eine durch elektrisch betriebene Hilfspumpe HiPu das Druckniveau vor dem Start aufgebaut, wenn es nach längerem Stillstand notwendig sein sollte, wobei die Ventile bei dieser vollhydraulischen Variante mit Hilfsfedern ausgestattet sind, die bei Störungen an der Steuerelektronik und/oder des hydraulischen Systems die Geschlossenstellung der Ventile gewährleisten, wobei die Bemessung der Federn so erfolgt, daß bei der veranschlagten Motorhöchstdrehzahl, die Federn der Ventilbewegung noch folgen können.

7. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Ölstromes je 2 solenoidgesteuerte Servoventile benutzt werden, um Massen und Magnetkräfte klein zu halten

8. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbewegung in den Endlagen gedämpft wird, indem entsprechende Steuerschlitze- oder bohrungen verdeckt werden.

9. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilschaft magnetisierte Zonen oder Magnete angebracht sind, mit denen über Hallsensoren, Magnetdioden oder Magnettransistoren oder Induktionsspulen die Ventilgeschwindigkeit gemessen und in die Steuerung so einfließen, daß die Aufschlaggeschwindigkeit des Ventiltellers begrenzt bleibt und der Druckimpuls so geregelt wird, daß Viskositäts- und Reibeinflüsse dabei herausgeregelt werden.

10. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zur Bewegungserfassung der Ventilgeschwindigkeit die Fließgeschwindigkeit des Hydrauliköls erfaßt wird.

11. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikdruck durch ein Druckbegrenzungsventil so begrenzt wird, daß im Havariefall der auf das geöffnete Ventil prallende Kolben unbeschädigt bleibt, indem es zurückweichen kann.

12. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoffe für den weichmagnetischen Eisenkreis des Magnetventils silizium- und aluminium-legierte Stähle beispielsweise vorn Typ X10CrAl18 oder FeAl11 genutzt werden, um den Wirbelstromeinfluß infolge der hohen Schaltfolge zu minimieren.

13. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerlänge des Magnetventils extrem kurz gehalten wird oder daß alternativ ein Plattenanker verwendet wird, um den Trägheitseinfluß infolge der hohen Schaltfolge zu minimieren.

14. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mediumbohrung zwecks kompakter Bauweise innerhalb der Ankerführung angeordnet ist und daß Wicklung und Magnetmantel entsprechend eiförmig gestaltet werden, um Material zu sparen und um die Energieaufnahme niedrig zu halten.

15. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Magnetventile solche mit hartmagnetisch aufmagnetisiertem Magnetanker verwendet werden, die unter Verzicht auf eine Rückstellfeder in Abhängigkeit von der Polarität der Speisespannung schieben oder ziehen und so die gewünschte Steuerbohrung öffnen bzw. schließen.

16. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Magnetventile Ventile mit magnetostriktiven Antrieb verwendet werden.

17. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Magnetventile Piezosteuerventile verwendet werden.

18. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablauföl durch ein Überströmventil (BPR) auf ein mittleres Niveau angestaut wird und damit zur Motorschmierung verfügbar ist, ohne daß eine gesonderte Schmierölpumpe notwendig ist.

19. Hydraulischer Antrieb dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere exakt in Drehzahl und in der Phasenlage steuerbare Elektromotore oder Drehmagnete genutzt werden, die mit Drehschiebern gekoppelt sind, die den Ölstrom zu den Ventilen steuern ("Elektronisch-hydraulische Nockenwelle"), wobei die Umlaufgeschwindigkeit gewollt um eine Mittlere so pendelt, daß die gewünschten Steuerzeiten erreicht werden, dabei ordnet ein winkel- und phasengesteuerter Schrittmotor den Drehwinkel eines in einer Hülse laufenden Drehschiebers so zu, daß der Plunger zunächst die pulsierenden Drücke so erhält, daß das Ventil im üblichen Normalzyklus öffnet und schließt, wobei der Winkelgeschwindigkeit ω eine positive oder negative Phasenverschiebung φ so überlagert wird, daß das entsprechende Ventil entsprechend früher oder später öffnet, wobei weiterhin eine zusätzlich überlagerte Drehschwingung mit der Amplitude Δω die Verweilzeit τ des Drehschiebers zwischen den Bohrungen Bo-zu und Bo- ab so verkürzt bzw. verlängert und damit die Öffnungszeit des entsprechenden Ventils dynamisch variiert wird, ohne daß das Steuersystem statisch anhält.

20. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber als Hülse oder sternförmig ausgebildet ist.

21. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersysteme, die die Ventile betätigen, getrennt oder gekoppelt sind.

22. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-21, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber je Umdrehung eine oder mehrere Schließ-/Öffnungsstellungen zuläßt.

23. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-22, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrittschaltwerk (Motor) mindest zwei-, vorzugsweise aber vielpolig ist.

24. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schrittschaltwerk (Motor) einen oder mehrere gekoppelte Drehschieber antreibt.

25. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-24, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersschaltwerk (Motor) mit einem Positionssensor bzw. Drehwinkelgeber ausgerüstet ist, so daß die Position der Schaltwerk- bzw. Drehschieberwelle an das Steuergerät übermittelt wird

26. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 19-24, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisch von der Kurbelwelle gesteuerter, zentraler Steuerventilblock angeordnet ist, der die Plunger der Ventile über Bohrungen im Motor oder separate Rohrleitungen speist.

27. Ventilantrieb für einen Verbrennungsmotor oder andere Hub- oder Drehkolbenmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere mit der Kurbelwelle/Motorwelle synchronisierte Elektromotore, vorzugsweise Schrittmotore, direkt mit einer oder mehreren Steuerwellen gekuppelt sind, die ihrerseits die Ventilbewegung in herkömmlicher Weise über Steuerkurven mechanisch auslösen.