Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung
von Gaswechselventilen in Verbrennungszylindern einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 198 26 047 A1)
ist jeder Ventilsteller, dessen Stellkolben einstückig mit
dem Ventilstößel des zugeordneten Gaswechselventils verbunden
ist, mit seinem ersten Arbeitsraum ständig mit einer
Hochdruckquelle verbunden und mit seinem zweiten Arbeitsraum
einerseits an einem eine Zuführleitung zu der Hochdruckquelle
wechselweise schließenden oder freigebenden ersten
elektrischen Steuerventil und andererseits an einem eine
Entlastungsleitung wechselweise freigebenden oder
schließenden zweiten Steuerventil angeschlossen. Die
elektrischen Steuerventile sind als 2/2-Wegemagnetventile mit
Federrückstellung ausgebildet. Bei stromlosen Steuerventilen
steht der erste Arbeitsraum nach wie vor unter Hochdruck,
während der zweite Arbeitsraum von der Hochdruckquelle
getrennt und mit der Entlastungsleitung verbunden ist. Das
Gaswechselventil ist geschlossen. Zum Öffnen des
Gaswechselventils werden beide Steuerventile bestromt. Durch
die umschaltenden Steuerventile wird der zweite Arbeitsraum
des Ventilstellers einerseits durch das zweite Steuerventil
gegenüber der Entlastungsleitung gesperrt und andererseits
durch das erste Steuerventil mit der Zuführleitung zur
Hochdruckquelle verbunden. Das Gaswechselventil öffnet, wobei
die Größe des Öffnungshubs von der Ausbildung des an das
erste elektrische Steuerventil angelegten elektrischen
Steuersignals und die Öffnungsgeschwindigkeit von dem von der
Hochdruckquelle eingesteuerten Druck abhängt. Um das
Gaswechselventil in einer bestimmten Offenstellung zu halten,
wird das erste Steuerventil anschließend stromlos geschaltet,
so daß es die Zuführleitung zum zweiten Arbeitsraum des
Ventilstellers absperrt. Auf diese Weise lassen sich mittels
eines elektrischen Steuergeräts zur Steuersignalerzeugung
sämtliche Ventilöffnungspositionen des Gaswechselventils
einstellen. Zur Steuerung eines Gaswechselventils sind
jeweils zwei elektrische Steuerventile nötig, die den
zugeordneten Ventilsteller entsprechend mit Hydraulikdruck
beaufschlagen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den
Vorteil, daß durch die direkte hydraulische Kopplung der
zweiten Arbeitsräume von zwei Ventilstellern eines
Ventilstellerpaars für die Umsetzung der hydraulischen
Energie in eine lineare Bewegung der Gaswechselventile die
Zahl der für die Steuerung von zwei Ventilstellern
erforderlichen Steuerventile von bisher vier auf nur zwei
reduziert wird. Da damit auch die Zahl der zur Ansteuerung
der Steuerventile erforderlichen Endstufen im elektronischen
Steuergerät halbiert wird und damit zusätzlich auch der
Verkabelungsaufwand sinkt, können die Fertigungskosten für
die Steuervorrichtung insgesamt deutlich reduziert werden.
Zusätzlich wird der erforderliche Einbauraum durch den
Wegfall von Bauelementen und Verkabelung reduziert, durch die
geringe Ventilzahl die Ausfallwahrscheinlichkeit der
Steuerventile verringert und sowohl der hydraulische als auch
der elektrische Energiebedarf verkleinert.
-
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen möglich.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die beiden von dem ersten und zweiten Ventilsteller
betätigten Gaswechselventile in demselben
Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine angeordnet. Dies
hat den Vorteil, daß der Kraftüberschuß des zweiten
Ventilstellers zum Öffnen des zugeordneten Gaswechselventils
nicht in der gleichen Höhe ausgelegt werden muß, wie der des
ersten Ventilstellers, der das zugeordnete Gaswechselventil
gegen den maximal auftretenden Gegendruck im
Verbrennungszylinder öffnen muß, sondern niedriger ausgelegt
werden kann, da sich die Gegenkraft zum Öffnen des zweiten
Gaswechselventils des gleichen Verbrennungszylinders zum Teil
bereits über das geöffnete erste Gaswechselventil abbauen
konnte.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
zumindest der erste Ventilsteller eine mechanische
Hubbegrenzung auf, die so ausgelegt ist, daß sie nach
Freigeben des mit dem zweiten Arbeitsraum des zweiten
Ventilstellers verbundenen Auslasses am ersten Ventilsteller
durch den Stellkolben die weitere Hubbewegung des
Stellkolbens in Ventilöffnungsrichtung blockiert. Eine solche
Hubbegrenzung im ersten Ventilsteller ist energetisch
vorteilhaft, wenn der maximale Öffnungsquerschnitt beider
Gaswechselventile noch für den Vollastbereich ausreicht; denn
mit Blockieren des Stellkolbens im ersten Ventilsteller kann
der gesamte Kraftüberschuß zur Verdrängung des Stellkolbens
im zweiten Ventilsteller und zum Öffnen des zweiten
Gaswechselventils eingesetzt werden. Die Hubgeschwindigkeit
beider Gaswechselventile ist druckabhängig und wird durch die
Überschneidung der Hübe in Verbindung mit der Freigabe des
Auslasses im zweiten Arbeitsraum des ersten Ventilstellers
zum zweiten Arbeitsraum des zweiten Ventilstellers
beeinflußt. Damit ergibt sich ein druck- und hubabhängiger
Geschwindigkeitsverlauf der Gaswechselventile.
Zeichnung
-
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei
zeigt die Zeichnung ein Schaltbild einer Vorrichtung zur
Steuerung von zwei Gaswechselventilen in einem
Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Mit der in Fig. 1 im Schaltbild dargestellten Vorrichtung zur
Steuerung von Gaswechselventilen wird ein Paar
Gaswechselventile 12, 13, die in einem nur ausschnittweise
dargestellten Verbrennungszylinder 10 einer
Brennkraftmaschine angeordnet sind, in Abhängigkeit eines
Betriebskennfeldes der Brennkraftmaschine energieoptimal
gesteuert. Bei den Gaswechselventilen 12, 13 kann es sich um
Einlaßventile oder um Auslaßventile handeln, die einen im
Verbrennungszylinder 10 ausgebildeten Brennraum 11 gasdicht
abschließen. Jedes Gaswechselventil 12, 13 weist in bekannter
Weise einen einen Öffnungsquerschnitt 14 im
Verbrennungszylinder umschließenden Ventilsitz 15 und ein
Ventilglied 16 mit einem auf einem axial verschieblich
geführten Ventilschaft 161 sitzenden Ventilschließkörper 162
auf, der mit dem Ventilsitz 15 zum Schließen und Freigeben
des Öffnungsquerschnitts 14 zusammenwirkt. Durch Verschieben
des Ventilschafts 161 in die eine oder andere Axialrichtung
hebt der Ventilschließkörper 162 vom Ventilsitz 15 ab oder
legt sich auf den Ventilsitz 15 auf.
-
Die in der Zeichnung im Blockschaltbild dargestellte
Vorrichtung zur Steuerung der beiden Gaswechselventile 12, 13
weist einen das Gaswechselventil 12 betätigenden ersten
Ventilsteller 17 und einen das Gaswechselventil 13
betätigenden zweiten Ventilsteller 18 auf. Die beiden
hydraulischen Ventilsteller 17, 18, auch Aktuatoren oder
Aktoren genannt, greifen jeweils am Ventilschaft 161 der
beiden Gaswechselventile 12, 13 an. Zur
Ventilsteuervorrichtung gehören ferner eine
Druckversorgungseinrichtung 19, die eine vorzugsweise
regelbare Hochdruckpumpe 20, die Fluid, beispielsweise
Hydrauliköl, aus einem Fluidreservoir 21 fördert, ein
Rückschlagventil 22 und einen Druckspeicher 23 umfaßt. An dem
zwischen Rückschlagventil 22 und Druckspeicher 23
abgegriffenen Ausgang 191 der Druckversorgungseinrichtung 19,
dem noch ein zweites Rückschlagventil 24 mit zum Ausgang 191
weisender Durchlaßrichtung vorgeschaltet sein kann, steht ein
permanenter, regelbarer Hochdruck an.
-
Die beiden hydraulischen Ventilsteller 17, 18 sind identisch
ausgebildet und jeweils als doppeltwirkender Arbeitszylinder
mit einem Zylindergehäuse 25 und einem darin axial
verschieblich geführten Stellkolben 26 ausgebildet, der den
Innenraum des Zylindergehäuses 25 in einen ersten Arbeitsraum
27 und einen zweiten Arbeitsraum 28 unterteilt. Die beiden
ersten Arbeitsräume 27 der beiden Ventilsteller 17, 18 sind
permanent mit dem Ausgang 191 der Druckversorgungseinrichtung
19 verbunden. Der zweite Arbeitsraum 28 des ersten
Ventilstellers 17 weist einen Einlaß 29 und zwei Auslässe 30,
31 auf, wobei der zweite Auslaß 31 in einem solchen
Hubabstand vom ersten Auslaß 30 angeordnet ist, das in der in
Fig. 1 dargestellten Schließstellung des Stellkolbens 26, in
welchem er eine Schließung des Gaswechselventils 12
herbeigeführt hat, der zweite Auslaß 31 von dem Stellkolben
26 verschlossen ist und erst nach einem vorgegeben
Öffnungshub des Stellkolbens 26 zum Öffnen des
Gaswechselventils 12 zum zweiten Arbeitsraum 28 hin
freigegeben wird. Der zweite Arbeitsraum 28 des zweiten
Ventilstellers 18 hat einen Einlaß 32 und einen Auslaß 33.
Der Einlaß 29 am ersten Ventilsteller 17 ist über ein erstes
Steuerventil 34 mit dem Ausgang 191 der
Druckversorgungseinrichtung 19 verbunden. Der erste Auslaß 30
des ersten Ventilstellers 17 ist an dem Ventileingang eines
zweiten Steuerventils 35 angeschlossen, dessen Ventilausgang
mit einem Rücklauf 36 zum Fluidreservoir 21 verbunden ist.
Der Einlaß 32 am zweiten Ventilsteller 18 ist mit dem zweiten
Auslaß 31 am ersten Ventilsteller 17 und der Auslaß 33 am
zweiten Ventilsteller 18 über ein Rückschlagventil 37 mit dem
Ventileinlaß des zweiten Steuerventils 35 verbunden. Die
Durchlaßrichtung des Rückschlagventils 37 weist vom Auslaß 33
zum zweiten Steuerventil 35. Die beiden Steuerventile 34, 35
sind als 2/2-Wegemagnetventile mit Federrückstellung
ausgebildet.
-
Die Wirkungsweise der Ventilsteuervorrichtung ist wie folgt:
Ist, wie in der Zeichnung dargestellt, das erste Steuerventil
34 geschlossen und das zweite Steuerventil 35 geöffnet, so
sind die beiden zweiten Arbeitsräume 28 der Ventilsteller 17,
18 drucklos, und der in den ersten Arbeitsräumen 27 der
Ventilsteller 17, 18 anstehende Hochdruck der
Druckversorgungseinrichtung 19 sorgt dafür, daß die
Stellkolben 26 sich in ihren oberen Hubendstellung befinden
und dadurch die Gaswechselventile 12, 13 in ihrer
Schließstellung halten. In dieser oberen Hubendstellung oder
Schließstellung verschließt der Stellkolben 26 im ersten
Ventilsteller 17 den mit den Einlaß 32 am zweiten
Ventilsteller 18 verbundenen zweiten Auslaß 31.
-
Werden die Steuerventile 34, 35 umgeschaltet, so werden die
zweiten Arbeitsräume 28 der beiden Ventilsteller 17, 18 von
dem Rücklauf 36 abgesperrt und der zweite Arbeitsraum 28 des
ersten Ventilstellers 17 mit dem Ausgang 191 der
Druckversorgungseinrichtung 19 verbunden. Da die den zweiten
Arbeitsraum 28 begrenzende Fläche des Stellkolbens 26 größer
ist als die Wirkfläche des Stellkolbens 26 im ersten
Arbeitsraum 27, bewirkt der im zweiten Arbeitsraum 28
anstehende Hochdruck, daß sich der Stellkolben 26 nach unten
bewegt und über den Ventilschaft 161 den Ventilschließkörper
162 vom Ventilsitz 15 abhebt, so daß das Gaswechselventil 12
öffnet.
-
Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine müssen
unterschiedliche Öffnungsquerschnitte 14 im
Verbrennungszylinder 10 bereitgestellte werden, d. h. es muß
nur ein Gaswechselventil 12 oder es müssen beide
Gaswechselventile 12, 13 mit kleinerem oder größerem Hub
angesteuert werden. Wird nun ein größerer Öffnungsquerschnitt
gefordert, so wird nach einem definierten Hub des
Stellkolbens 26 im ersten Ventilsteller 17 der Auslaß 31 vom
Stellkolben 28 freigegeben so daß nunmehr sich auch Hochdruck
im zweiten Arbeitsraum 28 des zweiten Ventilsteller 18
aufbaut. Der dadurch auf den Stellkolben 26 im zweiten
Ventilsteller 18 wirkende Kraftüberschuß im zweiten
Arbeitsraum 28 verschiebt nunmehr den Stellkolben 26, so daß
auch das Ventilglied 13 öffnet.
-
Die Auslegung des Abstands der beiden Auslässe 30, 31 am
ersten Ventilsteller 17 erfolgt energieoptimal in
Abhängigkeit von dem Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine.
Es ist auch möglich, den Hubabstand der beiden Auslässe 30,
31 steuerbar zu machen, indem beispielsweise der zweite
Auslaß 31 in einen am Zylindergehäuse 25 verschiebbaren
Stellring verlegt wird, der mit dem zweiten Arbeitsraum 28
flüssigkeitsdicht in Verbindung steht. Am Stellring greift
ein Hubantrieb an, der von einem elektronischen Steuergerät
gesteuert wird, das auch die beiden Steuerventile 34 und 35
steuert. Die axiale Verschieblichkeit des zweiten Auslasses
31 relativ zum ersten Auslaß 30 ist in der Zeichnung durch
einen dem zweiten Auslaß 31 zugeordneten Doppelpfeil 39
symbolisiert. Alternativ können mehrere zweite Auslässe 31 in
Hubrichtung des Stellkolbens 26 hintereinander angeordnet
werden, die von dem Stellring nacheinander verschließbar
sind.
-
Die Hubhöhe des jeweiligen Gaswechselventils 12 bzw. 13 beim
Öffnen hängt in erster Linie von der Ansteuerdauer des ersten
Steuerventils 34 ab. Bei längerer Ansteuerung greift dann
eine zumindest im ersten Ventilsteller 17 vorgesehene
mechanische Hubbegrenzung. Die in der Zeichnung nur als
Anschlag 38 schematisch angedeutete Hubbegrenzung ist
beispielsweise so ausgelegt, daß der Stellkolben 26 im ersten
Ventilsteller 17 kurz nach Freigeben des Auslasses 31 zum
zweiten Arbeitsraum 28 des zweiten Ventilstellers 18 an einer
weiteren Hubbewegung in Ventilöffnungsrichtung gehindert
wird. Eine solche Hubbegrenzung ist energetisch sinnvoll, da
dann nur noch hydraulische Energie zur Verstellung des
Stellkolbens 26 im zweiten Ventilsteller 18 benötigt wird.
Voraussetzung für eine solche Hubbegrenzung ist, daß die
durch die Hubbegrenzung noch erreichbare Summe der
Öffnungsquerschnitte 14 in beiden Gaswechselventilen 12, 13
für den Vollastbereich der Brennkraftmaschine ausreichend
ist.
-
Die Hubgeschwindigkeit der beiden Gaswechselventile 12, 13
ist in erster Linie druckabhängig und wird durch die
Überschneidung der Hübe und die Freigabe der Verbindung
zwischen den zweiten Arbeitsräumen 28 der beiden
Ventilstellern 17, 18 beeinflußt.