DE102004022447A1

DE102004022447A1 - Hydraulischer Steller und Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Stellers

Info

Publication number: DE102004022447A1
Application number: DE102004022447A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schiemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-12-01
Also published as: FR2869946A1; ITMI20050795A1; FR2869946B1

Abstract

Es wird eine elektrohydraulische Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen mit verbessertem Betriebsverhalten und verbessertem hydraulischen Wirkungsgrad und ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Stellers vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Stellers nach den nebengeordneten Ansprüchen 25 und 26.

Bei elektrohydraulischen nockenwellenlosen Ventilsteuerungen, wie sie z. B. aus der DE 101 27 205 bekannt sind, können Hub und Steuerzeiten der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine prinzipiell frei programmiert werden. Dadurch können das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sowie deren spezifischer Kraftstoffverbrauch und deren Emissionsverhalten verbessert werden.

Allerdings weisen elektrohydraulische nockenwellenlose Ventilsteuerungen noch ein Optimierungspotential in Bezug auf Lebensdauer, Stellgenauigkeit des Hubes sowie den hydraulischen Energiebedarf auf.

So findet zu Beginn des Hubs eines Gaswechselventils ein hochdynamischer Zufluss des Hydrauliköls in den hydraulischen Steller statt, was zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Ventilspalt eines dazu benötigten Steuerventils führt. In Folge dessen kann dort Kavitation auftreten.

Darüber hinaus werden durch diesen hochdynamischen Vorgang starke Elastizitätsschwingungen im Steller ausgelöst. Da diese Elastizitätsschwingungen in ihrer Ausprägung und Wirkung schwankende Anteile aufweisen, sind sie problematisch in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Steuerung des Ventilhubes.

Schließlich ist der hydraulische Wirkungsgrad der elektrohydraulischen Ventilsteuerung noch nicht befriedigend, da das Öl im Steller vor jedem Öffnungsvorgang drucklos oder auf sehr niedrigem Standdruckniveau ist und zu Beginn des Öffnungsvorgangs auf den Arbeitsdruck gebracht werden muss. Dazu ist eine erhebliche hydraulische Energie erforderlich. Der Bedarf an hydraulischer Energie steigt noch weiter an, wenn in dem Öl Gasblasen vorhanden sind, die bei Umgebungsdruck frei werden. Selbst ein zu Beginn der Öffnungsbewegung des Stellers prozentual geringer Volumenanteil der Gasblasen im Steller kann eine erhebliche Zunahme des hydraulischen Energiebedarfs verursachen. Zugleich verschlechtern die Gasblasen die Stellgenauigkeit des Ventilhubes.

Die geschilderten Probleme können grundsätzlich bereits dadurch behoben bzw. verringert werden, dass ein erhöhter Standdruck im Rücklauf des hydraulischen Stellers hergestellt wird. Ein wesentlicher Nachteil einer solchen Anordnung liegt jedoch darin, dass dadurch die Zuhaltekraft des Gaswechselventils im geschlossenem Zustand verringert wird. Dies muss bei der Auslegung der Kolbengeometrie und bei der betriebspunktabhängigen Einstellung des Systemdrucks berücksichtigt werden. So entstehen Einschränkungen für die konstruktive Auslegung und den Wirkungsgrad des Systems.

Vorteile der Erfindung

Bei einem erfindungsgemäßen hydraulischen Steller eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, mit einem das Gaswechselventil betätigenden hydraulischen Arbeitszylinder, wobei der Arbeitszylinder einen ersten Arbeitsraum aufweist, mit einer Hochdruck führenden Speiseleitung, mit mindestens einem den Durchfluss der Speiseleitung steuernden Steuerventil und mit einer drucklosen oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagten Rücklaufleitung, wobei Speiseleitung und Rücklaufleitung mit dem Arbeitszylinder hydraulisch verbunden sind, ist der Arbeitsraum mit Niederdruck beaufschlagbar. Dadurch, dass vor Beginn der Stellbewegung des hydraulischen Stellers der Arbeitsraum mit Niederdruck beaufschlagt wird, werden eventuell in dem Hydrauliköl im Arbeitsraum vorhandene Gasblasen komprimiert und das Hydrauliköl vorgespannt. Bei vielen Anwendungen beträgt der Niederdruck, mit dem der erste Arbeitsraum vorgespannt werden kann, in vorteilhafter Weise mindestens etwa 5 bar bis 15 bar und maximal etwa 25% bis 50% des Arbeitsdrucks des hydraulischen Stellers. Die konkrete Festlegung des Niederdruckniveaus, gegebenenfalls auch dessen vom Betriebspunkt abhängige Steuerung, hängt unter anderem von der geometrischen Auslegung des hydraulischen Stellers ab.

Durch das Vorspannen des Hydrauliköls im Arbeitsraum vor der eigentlichen Stellbewegung werden die hydraulischen Verluste deutlich verringert, da die Kompression der eventuell vorhandenen Gasblasen und das Vorspannen des Hydrauliköls mit einem deutlich niedrigeren Druck als dem Arbeitsdruck des hydraulischen Stellers erfolgt. Infolgedessen muss auch das Volumen des ersten Arbeitsraums nicht minimiert werden, sondern kann so groß gewählt werden, wie es z.B. aus konstruktiven Gründen günstig erscheint.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Kavitation am ersten Steuerventil verringert wird, da zum Zeitpunkt des Öffnens des ersten Steuerventils auf der Sekundärseite des ersten Steuerventils bereits ein deutlich über dem Umgebungsdruck liegender Druck – nämlich der Niederdruck – herrscht. Weil die Druckschwingungen beim Öffnen des ersten Steuerventils verringert werden, verringern sich auch die Schwankungen des Hubs des Gaswechselventils und somit wird die Steuerung des Ventilhubs vereinfacht und außerdem genauer.

Da die eventuell vorhandenen Gasblasen bereits vor dem Beginn der Stellbewegung des hydraulischen Stellers durch den Niederdruck komprimiert wurden, verursachen die komprimierten bzw. in Lösung befindlichen Gasanteile keine oder nur noch vernachlässigbar geringe Hubfehler oder Hubschwankungen.

Wenn der erste Arbeitsraum bis zum Ende einer Hubbewegung mit einer Niederdruckquelle, insbesondere einem Niederdruckspeicher, hydraulisch in Verbindung bleibt, kann nach dem Schließen des ersten Steuerventils, das heißt wenn aus dem Hochdruckspeicher kein Hydraulikfluid mehr in den Arbeitsraum strömen kann, noch Hydraulikfluid aus dem Niederdruckspeicher in den ersten Arbeitsraum strömen. Dadurch wird ermöglicht, dass der Kolben des hydraulischen Stellers und damit auch das mit ihm gekoppelte Gaswechselventil sanft und – bei geeigneter Auslegung – praktisch ohne Überschwingen abgebremst wird, da das am Ende der Hubbewegung aus dem Niederdruckspeicher in den ersten Arbeitsraum nachfließende Hydrauliköl ein Zurückschwingen des Kolbens verhindert oder zumindest deutlich verringert: Bei geeigneter Abstimmung aller Komponenten findet auch bei hohen Stellgeschwindigkeiten am Ende der Hubbewegung ein im wesentlichen asymptotischer Übergang des Kolbens und damit auch des Gaswechselventils in den gewünschten Endhub statt.

Außerdem kann durch diesen von einer Niederdruckquelle unterstützten Abbremsvorgang ein gewünschter Hub des Gaswechselventils energetisch günstiger eingestellt werden, da die für den Hubgewinn beim Abbremsen eingesetzte Hilfsenergie der Niederdruckquelle sehr viel geringer ist als die für den gleichen Hubzuwachs anderenfalls benötigte Hilfsenergie der Hochdruckquelle.

Durch die hydraulische Verbindung zu einem Niederdruckspeicher sinkt am Ende der Stellbewegung des hydraulischen Stellers der Druck im ersten Arbeitsraum nicht mehr bis auf den Dampfdruck des Öls ab, wie es während starker Überschwinger ansonsten der Fall wäre. Es entsteht somit keine makroskopische Blasen- oder Scheibenkavitation. Außerdem werden dadurch Druckspitzen im ersten Arbeitsraum vermieden, die beim Zurückschwingen aus einem starken Überschwinger am Ende der Stellbewegung verursacht werden. Infolgedessen wird auch das Material des erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers weniger stark belastet.

Mit dem erfindungsgemäßen hydraulischen Steller kann sowohl das Hydrauliköl vor Beginn der eigentlichen Stellbewegung vorgespannt werden als auch die Bewegung des Kolbens am Ende der Stellbewegung verbessert werden. Beide Vorteile können mit dem gleichen hydraulischen Steller realisiert werden, wenn dieser in geeigneter Weise angesteuert wird. Es ist jedoch auch möglich, nur die Vorspannung des Hydrauliköls im ersten Arbeitsraum vor Beginn der Stellbewegung zu realisieren oder nur das Ende der Stellbewegung zu optimieren, indem eine hydraulische Verbindung zu einem Niederdruckspeicher hergestellt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers ist der hydraulische Arbeitszylinder als doppelt wirkender Arbeitszylinder ausgebildet, wobei der hydraulische Arbeitszylinder einen ersten Arbeitsraum, einen zweiten Arbeitsraum und ein zweites Steuerventil aufweist, wobei der zweite Arbeitsraum mit Hochdruck beaufschlagt wird, wobei das erste Steuerventil die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum und der Hochdruckquelle steuert, und wobei das zweite Steuerventil die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum und Rückleitung steuert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers kann der erste Arbeitsraum dadurch mit Niederdruck beaufschlagt werden, dass der erste Arbeitsraum mit einer Niederdruckquelle, insbesondere einem Niederdruckspeicher, hydraulisch verbindbar ist, und dass ein drittes Steuerventil die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum und Niederdruckquelle steuert.

Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es ohne Weiteres möglich, vor Beginn der eigentlichen Stellbewegung den ersten Arbeitsraum mit der Niederdruckquelle, insbesondere mit dem Niederdruckspeicher, hydraulisch zu verbinden, so dass infolge des Druckausgleichs der Druck im ersten Arbeitsraum dem Druck im Niederdruckspeicher entspricht. Infolgedessen werden eventuell vorhandene Gasblasen komprimiert und in Lösung gebracht und das im ersten Arbeitsraum befindliche Hydrauliköl vorgespannt. Wenn nun, zu Beginn der Stellbewegung, das erste Steuerventil öffnet und eine hydraulische Verbindung zwischen einer Hochdruckquelle, wie beispielsweise einem Hochdruckspeicher, und dem ersten Arbeitsraum herstellt, ist die Druckdifferenz zu beiden Seiten des ersten Steuerventils deutlich verringert und außerdem ist die Menge an Hydrauliköl, welche in den ersten Arbeitsraum einströmt, solange der Druck im ersten Arbeitsraum noch deutlich niedriger ist als der Druck des Hochdruckspeichers, sehr gering. Infolgedessen kommt es nicht mehr oder nur noch in sehr geringem Umfang zu Kavitationserscheinungen am ersten Steuerventil. Dadurch wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers deutlich erhöht und die Materialbelastung verringert.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers wird weiter verbessert, wenn in der Speiseleitung ein erstes Rückschlagventil und/oder zwischen der Niederdruckquelle und erstem Arbeitsraum ein zweites Rückschlagventil vorhanden ist. Das letztgenannte Rückschlagventil kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn, wie weiter vorne beschrieben, der erste Arbeitsraum noch mindestens bis zum Ende einer Hubbewegung mit der Niederdruckquelle hydraulisch in Verbindung bleibt. In diesem Falle verhindert das Rückschlagventil, dass Öl von der Hochdruckquelle durch den ersten Arbeitsraum hindurch zur Niederdruckquelle strömt.

Um die Lebensdauer des Gaswechselventils (1), sowie des hydraulischen Stellers (3) zu erhöhen und außerdem die Geräuschbildung beim Auftreffen des Gaswechselventils (1) auf dem Ventilsitz zu verringern, kann eine hydraulische Bremseinrichtung vorgesehen sein. Diese hydraulische Bremseinrichtung ist vorteilhafter Weise in einem Bypass eines Teils der Rücklaufleitung vorgesehen, wobei dieser Teil der Rücklaufleitung kurz vor dem Auftreffen des Gaswechselventils durch den Kolben des Arbeitszylinders, bzw. Stellers (3) verschlossen wird. Dadurch wird die hydraulische Bremseinrichtung ohne zusätzlichen Aufwand durch den Kolben (5) aktiviert. Durch das hydraulische Abbremsen der Bewegung des Gaswechselventils (1) vor dessen Auftreffen auf den Ventilsitz (2) werden die Beanspruchungen des Gaswechselventils (1), des Ventilsitzes (2), sowie des Arbeitszylinders (3) erheblich reduziert, was deren Lebensdauer verlängert. Außerdem verringert sich die Geräuschentwicklung während des Auftreffens des Gaswechselventils (1) auf den Ventilsitz (2), was der Laufkultur der Brennkraftmaschine zugute kommt.

Die Funktionen des dritten Steuerventils können auch in das zweite Steuerventil integriert werden, beispielsweise dadurch, dass das zweite Steuerventil als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist. Dadurch wird die Herstellung des erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers vereinfacht und das Steuergerät, welches zur Steuerung der Steuerventile benötigt wird, wird entlastet, da mit einem Steuersignal sowohl die hydraulische Verbindung von erstem Arbeitsraum zur Rücklaufleitung als auch von erstem Arbeitsraum zum Niederdruckspeicher gesteuert werden kann.

Um die Befüllung des ersten Arbeitsraums (7) mit Hydraulikfluid aus dem Niederdruckspeicher (13) rasch und mit geringem Energieaufwand bewerkstelligen zu können, ist in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung ein parallel zu der hydraulischen Bremseinrichtung angeordneter zusätzlicher Bypass mit drittem Rückschlagventil vorgesehen. Durch dieses dritte Rückschlagventil kann an der hydraulischen Bremseinrichtung und dem in dieser Position des Kolbens verschlossenen Teil der Rücklaufleitung vorbei die notwendige Menge an Hydraulikfluid in den ersten Arbeitsraum 7 fließen.

In weiterer Ergänzung des erfindungsgemäßen Stellers ist vorgesehen, dass das zweite Steuerventil als 4/2-Wegeventil ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf ein drittes Rückschlagventil verzichtet werden, so dass die Herstellungskosten minimiert werden und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des erfindungsgemäßen Stellers maximiert wird.

Bei einem erfindungsgemäßen hydraulischen Steller kann das erste Steuerventil, das zweite Steuerventil und/oder das dritte Steuerventil als Magnetventil, als Piezoventil oder in anderer Weise ausgeführt werden. Der erfindungsgemäße hydraulische Steller ist nicht auf eine bestimmte Bauart von Steuerventilen beschränkt.

So ist es denkbar und möglich, das erste Steuerventil, das zweite Steuerventil und/oder das dritte Steuerventil als Sitzventil oder als Schieberventil auszubilden.

Die erfindungsgemäßen Vorteile können auch realisiert werden mit einem Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Stellers, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, bei welchem das Hydrauliköl in einem ersten Arbeitsraum des hydraulischen Stellers durch Beaufschlagen mit Niederdruck vorgespannt wird, anschließend die eigentliche Stellbewegung ausgeführt wird, indem der erste Arbeitsraum mit Hochdruck beaufschlagt wird und schließlich die Ausgangsposition des hydraulischen Stellers dadurch wieder erreicht wird, dass eine Druckentlastung des ersten Arbeitsraums stattfindet. Dabei muss keine vollständige Druckentlastung des ersten Arbeitsraums stattfinden. Es kann vielmehr in einem ersten Schritt die Druckentlastung des ersten Arbeitsraums nur bis zu dem Druckniveau stattfinden, mit welchem das im ersten Arbeitsraum befindliche Hydrauliköl vorgespannt wurde. Erst wenn dann anschließend der hydraulische Steller seine Ausgangsposition erreicht hat, empfiehlt es sich, den ersten Arbeitsraum 7 vollständig Druck zu entlasten, um die Schließkraft des hydraulischen Stellers zu maximieren.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnungen

Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers;

2 und 3 das erste Ausführungsbeispiel in zwei verschiedenen Schaltstellungen;

4 bis 6 Hub-Zeit-Diagramme;

7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers;

8 und 9 das zweite Ausführungsbeispiel in verschiedenen Schaltstellungen;

10 ein weiteres Hub-Zeit-Diagramm

11 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers; und

12 und 13 das dritte Ausführungsbeispiel in verschiedenen Schaltstellungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Gaswechselventils 1 als Blockschaltbild dargestellt. Das Gaswechselventil 1 kann sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil ausgeführt sein. Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt es auf einem Ventilsitz 2 einer Brennkraftmaschine auf.

Betätigt wird das Gaswechselventil 1 durch einen hydraulischen Steller 3. Der Steller 3 ist als Differentialzylinder mit einem Kolben 5 mit einseitiger Kolbenstange ausgebildet. Der Steller 3 kann jedoch auch mit beidseitiger Kolbenstange (nicht dargestellt) ausgeführt werden.

Der Kolben 5 hat eine größere obere Wirkfläche A_ob und eine kleinere untere Wirkfläche A_unt. Die obere Wirkfläche A_ob begrenzt einen ersten Arbeitsraum 7 des Stellers 3. Die untere Wirkfläche A_unt begrenzt einen zweiten Arbeitsraum 9. Beide Arbeitsräume 7 und 9 werden von einer Speiseleitung 11, welche sich aus den Abschnitten 11a, 11b und 11c zusammensetzt, mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid, wie zum Beispiel Hydrauliköl, versorgt. Zu diesem Zweck ist der Steller 3 hochdruckseitig über die Speiseleitung 11 mit einem Hochdruckspeicher 13 hydraulisch verbunden, der die hydraulische Energie für den Stellvorgang bereitstellt.

Wenn der erste Arbeitsraum 7 über die Speiseleitung 11b mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid beaufschlagt wird, bewegt sich das Gaswechselventil 1 in Richtung eines Pfeils 15 und hebt somit vom Ventilsitz 2 ab, weil die obere Wirkfläche A_ob größer als die untere Wirkfläche A_unt ist. In dem Abschnitt 11b der Speiseleitung 11, welcher den zweiten Steuerraum 9 und den ersten Steuerraum 7 verbindet, ist ein erstes Steuerventil MV1 angeordnet.

Das Hydraulikfluid im ersten Arbeitsraum 7 kann über eine vorzugsweise drucklose oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagte Rücklaufleitung 19, welche sich aus den Abschnitten 19a, 19b und 19c zusammensetzt, abgeführt werden. In der Rücklaufleitung 19 ist ein zweites Steuerventil MV2 angeordnet, welches in 1 geöffnet dargestellt ist.

Im zweiten Arbeitsraum 9 kann eine Schließfeder 27 vorgesehen sein, die das Gaswechselventil 1 bei drucklosem Arbeitszylinder 3 in die Schließstellung bringt bzw. in dieser Stellung hält.

In einer ebenfalls vorteilhaften alternativen Ausführung des hydraulischen Stellers kann der Arbeitszylinder 3 auch als einfach wirkender Arbeitszylinder ausgebildet sein. In diesem Fall bleibt der Arbeitsraum 9 im wesentlichen drucklos, wobei die Verbindungsleitung 11c entfällt und die Schließfeder 27 so ausgelegt wird, daß sie die beim Betrieb des hydraulischen Stellers für den Schließvorgang benötigte Kraft aufbringt. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung wird die Feder progressiv ausgelegt, das heißt mit einer über dem Stellweg des Kolbens 5 anwachsenden Federkraft.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, die Möglichkeiten der hydraulischen und mechanischen Krafterzeugung, wie vorangehend beschrieben, zu kombinieren, um die schließende Kraft des hydraulischen Stellers bereitzustellen.

Es ist des weiteren möglich und vorteilhaft, den Kolben 5 zweiteilig gestuft auszuführen (nicht gezeigt), wobei eine erste Stufe, die sich nur auf einem ersten Wegabschnitt beim Öffnen des Gaswechselventils 1 mitbewegt, eine zusätzliche Wirkfläche für den Druck im ersten Arbeitsraum 7 bereitstellt. In dieser Ausführung des hydraulischen Stellers ist also die obere Wirkfläche A_ob und damit die Öffnungskraft des Stellers während eines ersten Wegabschnitts beim Öffnen des Gaswechselventils 1 vergrößert, mit dem Vorteil, dass das Gaswechselventil 1 gegen höhere Gaskräfte und auch schneller geöffnet werden kann.

Der Hochdruckspeicher 13 wird über eine Hochdruckpumpe 17 mit unter hohem Druck stehendem Hydrauliköl (nicht dargestellt) versorgt. In dem Abschnitt 11a der Speiseleitung, welche den Hochdruckspeicher 13 mit dem Steller 3 verbindet, ist ein erstes Rückschlagventil RV1 vorgesehen, so dass ein Rückströmen von Hydraulikfluid aus dem zweiten Arbeitsraum 9 in den Hochdruckspeicher 13 verhindert wird. In dem in 1 dargestellten Schaltzustand ist das erste Steuerventil geschlossen und stromlos.

Der erste Arbeitsraum 7 ist über eine Verbindungsleitung 21 mit einem Niederdruckspeicher 23 verbunden. Der Niederdruckspeicher 23 wird von einer Niederdruckpumpe 25 mit Hydrauliköl versorgt. Der Druck p_nd im Niederdruckspeicher 23 liegt in einer typischen Systemauslegung beispielsweise zwischen 5 und 20 bar, mindestens jedoch oberhalb des Drucks p_rl in der Rücklaufleitung und unterhalb eines Druckniveaus p_odr im Arbeitsraum 7, bei dem der Steller gegen den im Arbeitsraum 9 anliegenden Druck öffnet. Der Druck p_nd im Niederdruckspeicher ist bei einem typischen Flächenverhältnis A_ob zu A_unt von 2:1 also maximal halb so groß wie der Druck im Hochdruckspeicher 13.

In der Verbindungsleitung 21 sind ein zweites Rückschlagventil RV2 und ein drittes Steuerventil MV3 angeordnet. Über das dritte Steuerventil MV3 kann die hydraulische Verbindung zwischen Niederdruckspeicher 23 und erstem Arbeitsraum 7 unterbrochen oder hergestellt werden. Das zweite Rückschlagventil verhindert das Rückströmen von Hydrauliköl aus dem ersten Arbeitsraum 7 in den Niederdruckspeicher 23.

Zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Steuerventil MV2 ist eine hydraulische Bremseinrichtung 29 vorgesehen. Diese hydraulische Bremseinrichtung 29 arbeitet wie folgt: Wenn sich der Kolben 5 nach oben bewegt und infolgedessen das Volumen des ersten Arbeitsraums 7 verkleinert wird, strömt das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 durch den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 ab, so lange bis die Oberkante des Kolbens 5 den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 verschließt. Danach kann das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 nur noch über die hydraulische Bremseinrichtung 29, welche im Wesentlichen aus einer Drossel besteht, abfließen, da der Abgang der hydraulischen Bremseinrichtung 29 am oberen Ende des Arbeitsraums 7 angeordnet ist. Durch den im Vergleich zu dem Strömungswiderstand des Abschnitts 19a der Rücklaufleitung erhöhten Strömungswiderstand der hydraulischen Bremseinrichtung 29 wird der Kolben 5 abgebremst, bevor das Gaswechselventil 1 auf dem Ventilsitz 2 aufliegt.

Im Hochdruckspeicher 13 sind Temperatursensoren T_Rail und Drucksensoren p_Rail angeordnet, welche über Signalleitungen mit einem Steuergerät 31 verbunden sind. Die Hochdruckpumpe 17, das erste Steuerventil MV1, das zweite Steuerventil MV2 sowie das dritte Steuerventil MV3 sind ebenfalls über Signalleitungen mit dem Steuergerät 31 verbunden und werden von diesem angesteuert. Die Signalleitungen sind in 1 als gestrichelte Linien dargestellt.

Selbstverständlich ist es möglich, auch die Niederdruckpumpe 25 über eine nicht dargestellte Signalleitung vom Steuergerät 31 aus anzusteuern. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Druck im Niederdruckspeicher 23 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder sonstiger Parameter variabel verändert werden soll. Auch der Druck P_rail des Hochdruckspeichers 13 kann in Abhängigkeit der gewünschten Stellbewegung des Gaswechselventils 1 geregelt werden.

Des weiteren ist es auch möglich und vorteilhaft, den Druck p_nd im Niederdruckspeicher 23 durch einen nicht dargestellten Sensor zu erfassen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druck p_nd in Abhängigkeit vom Betriebszustand verändert wird. Durch die Rückmeldung des aktuellen Drucks p_nd ist das Steuergerät 31 in der Lage, die Veränderung des Drucks p_nd bzw. die Einstellung eines gewünschten Drucks p_nd präzise zu steuern bzw. zu regeln. Darüber hinaus kann die Steuerung des Hubs eines Gaswechselventils 1 durch das Steuergerät 31 bei Kenntnis des aktuellen Drucks einfacher und zugleich genauer bewerkstelligt werden.

Die Steuerung eines Gaswechselventils 1, das durch den erfindungsgemäßen hydraulischen Steller 3 verstellt wird, kann weiter dadurch verbessert werden, dass auch die Temperatur und/oder die Viskosität des Hydraulikfluids im Niederdruckspeicher 23 mittels Sensoren bestimmt wird (nicht dargestellt). So kann durch Messung der Viskosität unter anderem festgestellt werden, ob sich die Fließeigenschaften des Hydraulikfluids im Laufe der Zeit verändern, beispielsweise durch Alterung oder Verschmutzung. Eine solche Messung kann alternativ auch an anderer Stelle im hydraulischen Kreislauf erfolgen, beispielsweise am Hochdruckspeicher 13. In vorteilhaften Ausführungen können mehrere der genannten Sensorfunktionen, beispielsweise die Messung von Druck und Temperatur und/oder die Messung von Temperatur und Viskosität, in einem einzigen Sensor integriert sein.

Wenn, wie in 1 dargestellt, das erste Steuerventil MV1 geschlossen und das zweite Steuerventil MV2 geöffnet ist, bewirkt der Druck p_udr im zweiten Arbeitsraum 9, dass sich das Gaswechselventil 1 entgegen der Richtung des Pfeils 15 bewegt und somit geschlossen wird.

Die dazu erforderliche Kraft wird dadurch bereitgestellt, dass der zweite Arbeitsraum 9 mit unter hohem Druck stehendem Hydraulikfluid von der Speiseleitung 11 versorgt wird, während der Druck p_odr im ersten Arbeitsraum 7 aufgrund der hydraulischen Verbindung zur Rücklaufleitung 19c schnell abfällt und sich letztlich dem sehr niedrigen Druck p_rl in der Rücklaufleitung 19c angleicht.

Zum Öffnen des Gaswechselventils 1 werden das zweite Steuerventil MV2 geschlossen und das erste Steuerventil MV1 geöffnet. In dieser Schaltstellung öffnet das Gaswechselventil 1, weil die vom ersten Arbeitsraum 7 mit Druck beaufschlagte Stirnfläche A_ob des Kolbens 5 größer ist als die vom zweiten Arbeitsraum mit Druck beaufschlagte Ringfläche A_unt des Kolbens 5.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen hydraulischen Vorspannung des ersten Arbeitsraums 7 wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert. In diesen Figuren ist der hydraulische Steller aus Gründen der Vereinfachung nicht vollständig dargestellt. Der hydraulische Steller 3 ist jedoch gleich aufgebaut wie bei dem Ausführungsbeispiel 1, auf das hiermit Bezug genommen wird. Auch die Bezugszeichen aus der 1 werden bei den 2 und 3, sowie bei den später erläuterten 7, 8, 9 und 11 bis 13 übernommen und es gilt das betreffend 1 Gesagte entsprechend.

In dem in 2 gezeigten Schaltzustand sind die Steuerventile MV2 und MV3 stromlos. Dies bedeutet, dass das dritte Steuerventil MV3 geschlossen ist und das zweite MV2 Steuerventil geöffnet ist. In diesem Zustand, der bei geschlossenem Gaswechselventil 1 und auch während des Schließvorgangs vorliegt, fließt kein Hydrauliköl vom Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7. Über die Rücklaufleitung 19 wird der erste Arbeitsraum 7 auf einen Druck P_rl, der im typischen Fall bei 1 bar oder wenig darüber liegt, entlastet. Dadurch kann das Gaswechselventil 1 mit großer Kraft gegen den Ventilsitz 2 (siehe 1) gepresst werden. Die dazu erforderliche Kraft wird von dem unter hohem Druck stehenden Hydrauliköl im zweiten Arbeitsraum 9, der auf die Fläche A_unt des Kolbens 5 wirkt, aufgebracht.

Bevor nun das Gaswechselventil 1 geöffnet werden soll, wird erst das zweite Steuerventil MV2 geschlossen und dann das dritte Steuerventil MV3 geöffnet. Der so erreichte Schaltzustand ist in 3 dargestellt. Dadurch kann Hydraulikfluid vom Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7 einströmen, solange der Druck P_nd im Niederdruckspeicher 23 größer ist als der Druck P_odr im ersten Arbeitsraum 7. Mit dem Anstieg des Drucks im Arbeitsraum 7 werden eventuell dort vorhandene Gasblasen komprimiert oder in Lösung gebracht und das im ersten Arbeitsraum 7 befindliche Hydrauliköl (nicht dargestellt) vorgespannt.

Wenn der erste Arbeitsraum 7 gespült werden soll, zum Beispiel um große Gasblasen oder überhitztes Hydraulikfluid zu entfernen, kann auch das zweite Steuerventil 2 geöffnet werden, während das dritte Steuerventil 3 geöffnet ist.

Die Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 1 wird nun dadurch eingeleitet, dass das erste Steuerventil MV1 geöffnet wird, während das zweite Steuerventil MV2 geschlossen bleibt. Dadurch findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und der Zulaufleitung 11 statt, die wie in 1 dargestellt vom Hochdruckspeicher 13 gespeist wird. Das zweite Rückschlagventil RV2 verhindert ein Rückströmen des Hydrauliköls aus dem ersten Arbeitsraum 7 in den Niederdruckspeicher 23.

Da die obere Wirkfläche A_ob des Kolbens 5 größer ist als die untere Wirkfläche A_unt des Kolbens 5, bewegt sich der Kolben 5 in den 1 bis 3 nach unten, sobald durch den Zufluß von Öl genügend Druck im oberen Arbeitsraum 7 aufgebaut ist.

Indem das erste Steuerventil 1 zum richtigen Zeitpunkt wieder geschlossen wird, stellt sich der gewünschte. Ventilhub des Gaswechselventils ein.

Anhand der 4 und 5 sind die erfindungsgemäße Ansteuerung der Steuerventile MV1, MV2 und MV3 über der Zeit t zusammen mit dem daraus resultierenden Ventilhub h aufgetragen. In den 4 und 5 sind zwei Ventilhubkurven dargestellt. Die Kurve 33 zeigt den Ventilhub h über der Zeit, wenn das Hydrauliköl im ersten Arbeitsraum 7 nicht durch den Niederdruckspeicher 23 vorgespannt wird. Dieses Verhalten kann dadurch erreicht werden, dass das dritte Steuerventil MV3 immer geschlossen bleibt.

Die Linie 35 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ventilhubs h, wenn in erfindungsgemäßer Weise eine Vorspannung des im ersten Arbeitsraum 7 befindlichen Hydraulikfluids vor dem Beginn der Öffnungsbewegung, das heißt bevor das erste Steuerventil MV1 geöffnet wird, erfolgt. Aus dem Vergleich der Linien 33 und 35 ist zu erkennen, dass durch das Vorspannen des Hydraulikfluids im ersten Arbeitsraum 7 ein schnelleres Öffnen des Gaswechselventils 1 erreicht wird, und ein größerer Ventilhub h in der gleichen Zeit erreicht wird.

Außerdem sind in den 4 und 5 Bandbreiten 37 und 39 eingetragen, innerhalb derer der Ventilhub bei gleicher Ansteuerung des hydraulischen Stellers streut. Die Bandbreite 37. zeigt die Streuung des Ventilhubs, wenn keine Vorspannung des Hydrauliköls im ersten Arbeitsraum 7 erfolgt, während die Bandbreite 39 die Streuung des Ventilhubs mit Vorspannung des Hydraulikfluids im ersten Arbeitsraum 7 zeigt. Durch den Vergleich der Bandbreiten 37 und 39 wird deutlich, dass die Präzision und die Wiederholgenauigkeit des Ventilhubs durch die Vorspannung des Hydraulikfluids im ersten Arbeitsraum 7 deutlich verbessert wird.

Bei der Ansteuerung gemäß 4 wird das zweite Steuerventil MV2 zuerst geschlossen. Unmittelbar darauf wird das dritte Steuerventil MV3 geöffnet, so dass das im ersten Arbeitsraum 7 befindliche Hydrauliköl vorgespannt wird. Als letztes wird nun das erste Steuerventil MV1 geöffnet und somit die Stellbewegung des hydraulischen Stellers beziehungsweise das Öffnen des Gaswechselventils 1 ausgelöst. Wie aus 4 ersichtlich, muss das dritte Steuerventil MV3 nicht geschlossen werden, bevor das erste Steuerventil MV1 geöffnet wird. Dies ist deswegen möglich, weil ein Rückströmen von Hydraulikfluid aus dem oberen Arbeitsraum 7 in den Niederdruckspeicher 23 durch das zweite Rückschlagventil RV2 verhindert wird.

Wenn auf das zweite Rückschlagventil RV2 verzichtet werden soll, dann müsste das dritte Steuerventil geschlossen werden, bevor das erste Steuerventil geöffnet wird. Aus der 4 ist auch ersichtlich, dass das zweite Steuerventil MV2 so lange geschlossen ist, wie die Öffnungsbewegung des Gaswechselventils und die Offenstellung des Gaswechselventils 1 andauern. Mit dem Ende der Bestromung und dadurch bewirkten Öffnen des Steuerventils MV2 wird der Schließvorgang des Stellers eingeleitet (nicht gezeigt).

Aus der 4 ist des weiteren ersichtlich, dass das Steuerventil MV3 noch vor dem Ende der Öffnungsbewegung geschlossen wird, das heißt bevor der Steller in seine Endlage einschwingt, die dem Ventilhub h entspricht.

Bei der Ansteuerung, die der 5 zugrunde liegt, bleibt dem gegenüber das dritte Steuerventil MV3 mindestens so lange geöffnet, bis das Gaswechselventil 1 seinen Öffnungshub erreicht hat. Dadurch wird folgender vorteilhafte Effekt erzielt:
Wenn das erste Steuerventil MV1 wieder geschlossen wird, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 bei ca. t = 5 ms geschieht, dann ist das dritte Steuerventil MV3 noch geöffnet, während sich der Kolben 5, der zunächst noch eine erhebliche Geschwindigkeit und damit auch kinetische Energie hat, vermöge seiner Trägheit weiterbewegt. Sobald das erste Steuerventil MV1 geschlossen ist, saugt daher der Kolben 5, wegen seiner Trägheitskräfte, noch Hydraulikfluid aus dem Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7. Infolgedessen vergrößert sich der Ventilhub h des Gaswechselventils 1 noch, nachdem das erste Steuerventil MV1 bereits geschlossen wurde, und nähert sich quasi asymptotisch einem Endwert, in 5 etwa 10,5 mm, an. Im Ergebnis wird somit die kinetische Energie des Kolbens 5 und des Gaswechselventils 1 mindestens zum Teil in einen Ventilhub h umgesetzt, so dass die erforderliche hydraulische Antriebsleistung verringert wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 wird dabei angenommen, daß der Druck p_nd im Niederdruckspeicher genügend hoch und der Strömungswiderstand der Leitung 21 (siehe 1) einschließlich Rückschlagventil RV2 und Steuerventil MV3 genügend klein ist.

Wenn also, wie im Beispiel der 5 gezeigt, das Steuerventil MV3 auch nach dem Schließen des Steuerventils MV1 noch geöffnet ist, dann wird unter den genannten Voraussetzungen ein quasi asymptotisches Annähern des Gaswechselventils 1 an den gewünschten Ventilhub (hier 10,5 mm) erreicht, ohne dass es zu nennenswerten Überschwingern und sonstigen unerwünschten dynamischen Vorgängen kommt. Bei der Ansteuerung gemäß 4 und der Linie 33 in 5, bei der das dritte Steuerventil MV3 immer geschlossen bleibt, ist ein solches Überschwingen deutlich sichtbar. Dieses Überschwingen ist unerwünscht, da es die Präzision der Ventilsteuerung beeinträchtigt und zu hohen dynamischen Belastungen des hydraulischen Stellers führt. Außerdem ist, wie aus 5 ersichtlich, die Schwankungsbreite 39 des Ventilhubs mit der oben beschriebenen Steuerung des dritten Steuerventils MV3 deutlich kleiner als die Schwankungsbreite 37, die sich einstellt, wenn das Gaswechselventil 1 ohne die Ansteuerung des dritten Steuerventils MV3 geöffnet und geschlossen wird.

Das anhand der Linie 35 aus 5 erläuterte Ansaugen von Hydrauliköl aus dem Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7 bei geschlossenem ersten Steuerventil MV1, kann als hydraulischer Freilauf aufgefasst werden. Dieser sogenannte hydraulische Freilauf kann auch genutzt werden, wenn das dritte Steuerventil MV3 erst nach dem ersten Steuerventil MV1 öffnet. Allerdings ist dann das hydraulische Vorspannen des Hydrauliköls im ersten Arbeitsraum 7 nicht möglich (siehe 6). Wie aus 6 ersichtlich, ist die Schwankungsbreite 39 des Ventilhubs durch die Nutzung des hydraulischen Freilaufs auch ohne das Vorspannen des ersten Arbeitsraums 7 bereits deutlich kleiner als die Schwankungsbreite 37, die sich einstellt, wenn das Gaswechselventil 1 ohne die Ansteuerung des dritten Steuerventils MV3 geöffnet und geschlossen wird (Kurve 33).

Aus dem Gesagten ergibt sich, dass das hydraulische Vorspannen und der hydraulische Freilauf unabhängig voneinander durch eine geeignete Steuerung, insbesondere des dritten Steuerventils MV3, erreicht werden können. Selbstverständlich ist es, wie anhand der 5 erläutert, auch möglich, sowohl das hydraulische Vorspannen als auch den hydraulischen Freilauf bei einer Öffnungsbewegung eines Gaswechselventils zu realisieren.

Es ist im allgemeinen vorteilhaft, die Wahl des einen oder des anderen Verfahrens beim Verstellen eines Gaswechselventils in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors und/oder von Betriebsgrößen des hydraulischen Stellers, wie beispielsweise Druck und Temperatur des Hydraulikfluids im Hochdruckspeicher 13, zu treffen. Auch der einzustellende Hub des Gaswechselventils 1 kann ein Entscheidungskriterium sein. So ist es beispielsweise denkbar, dass der hydraulische Steller zum besseren Einstellen sehr kleiner Hübe des Gaswechselventils 1 ohne den hydraulischen Freilauf betrieben wird, jedoch bei mittleren und große Hüben mit dem hydraulischem Freilauf arbeitet, um die mit diesem Verfahren verbundenen Vorteile zu nutzen. Die analoge Betrachtung gilt für die Verwendung des hydraulischen Vorspannens und/oder einer Kombination der beiden Verfahren.

Dabei kann in einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Systems nach 1 auch vorgesehen sein, dass die beiden Verfahren hydraulisches Vorspannen und hydraulischer Freilauf generell nur in Kombination verwendet werden. In diesem Fall kann die Ansteuerung der Steuerventile MV1 und MV3 mittels einer gemeinsamen Ansteuerleitung erfolgen. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß die benötigte Zahl von Steuerleitungen und der Aufwand für die Generierung der Ansteuersignale reduziert wird. Verzichtet wird in diesem Fall auf die Möglichkeit, das hydraulischen Vorspannen und den hydraulischen Freilauf auch einzeln nutzen zu können.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind die Funktionen des dritten Steuerventils MV3 in das zweite Steuerventil MV2 integriert worden. Um diese Eigenschaft darzustellen, ist das zweite Steuerventil MV2 beispielhaft als sogenanntes 3/2-Wegeventil ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Abschnitte 19b und 19c der Rücklaufleitung sowie die Verbindungsleitung 21 an das zweite Steuerventil MV2 angeschlossen sind.

In der in 8 dargestellten Schaltstellung ist das zweite Steuerventil MV2 stromlos geschaltet und stellt eine Verbindung zwischen den Abschnitten 19b (siehe 7) und 19c der Rücklaufleitung 19 her, während die hydraulische Verbindung zwischen dem oberen, ersten Arbeitsraum 7 und dem Niederdruckspeicher 23 unterbrochen ist. Da gleichzeitig das erste Steuerventil MV1 (nicht dargestellt) geschlossen ist, bewegt sich der Kolben 5 in dieser Schaltstellung der Steuerventile MV1 und MV2 in 7 nach oben, bis das Gaswechselventil 1 an seinen Ventilsitz 2 in Anlage gekommen ist. Kurz bevor das Gaswechselventil 1 in Anlage an den Dichtsitz gelangt, verschließt der Kolben 5 den Abschnitt 19a der Rückaufleitung, so dass die hydraulische Bremseinrichtung 29 in gleicher Weise, wie anhand der 1 erläutert, zum Einsatz kommt.

Wenn nun, wie in 9 dargestellt, das zweite Steuerventil MV2 bestromt wird, nimmt es seine zweite Schaltstellung ein und stellt somit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Niederdruckspeicher 23 und dem ersten Arbeitsraum 7 her. Dadurch können sowohl das hydraulische Vorspannen als auch der hydraulische Freilauf, wie er bereits oben anhand der 4 und 5 erläutert wurde, ermöglicht werden. Vorzugsweise ist das zweite Steuerventil konstruktiv, beispielsweise mittels einer Gestaltung als Schieber- oder Sitz-Schieberventil, so ausgelegt, dass beim Schaltvorgang kein Öl vom Niederdruckspeicher 23 in die Rücklaufleitung 19c fließen kann.

Optional ist parallel zu dem Abschnitt 19a der Rücklaufleitung und der Drossel 29 der hydraulischen Bremseinrichtung eine weitere Leitungsverbindung mit einem drittem Rückschlagventil RV3 (siehe 7) vorgesehen, welche einen Bypass zu der hydraulischen Bremseinrichtung 29 darstellt. Diese Ergänzung wird beispielsweise dann genutzt, wenn das Zufließen des Öls vom Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7 vor dem Öffnen des ersten Steuerventils MV1 (Vorspannen) nicht schnell genug über die hydraulische Bremseinrichtung 29, die ja im wesentlichen eine Drosselstelle darstellt, erfolgen kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in dieser Situation das Gaswechselventil 1 auf dem Dichtsitz aufliegt und der Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 durch den Kolben 5 verschlossen ist.

In der 10 ist der Ventilhub über der Zeit des Ausführungsbeispiels gemäß 7 dargestellt. Dabei wird durch die Ansteuerung des zweiten Steuerventils MV2, welches ja gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist und welches sowohl die hydraulische Verbindung zum Niederdruckspeicher 23 als auch die Rücklaufleitung 19 schaltet, sowohl ein hydraulisches Vorspannen als auch ein hydraulischer Freilauf realisiert.

Wie aus 10 ersichtlich, wird das zweite Steuerventil MV2 früher als das erste Steuerventil MV1 angesteuert. Sobald das zweite Steuerventil MV2 angesteuert ist, besteht eine hydraulische Verbindung zwischen Niederdruckspeicher 23 und erstem Arbeitsraum 7, so dass das Hydrauliköl im ersten Arbeitsraum 7 vorgespannt werden kann. Nach etwa 2 ms wird das erste Steuerventil geöffnet und die Stellbewegung des Kolbens 5 und damit auch der Ventilhub des Gaswechselventils 1 beginnt.

Zur Zeit t = 4,8 ms wird das erste Steuerventil wieder geschlossen und der sogenannte hydraulische Freilauf beginnt zu wirken, weil das zweite Steuerventil MV2 noch in seiner zweiten, bestromten Schaltstellung ist. Wenn das Gaswechselventil geschlossen werden soll, wird das zweite Steuerventil MV2 geschlossen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 ist dies nach etwa 11,8 ms der Fall. Wenn das zweite Steuerventil stromlos ist, wird der Druck im ersten Arbeitsraum 7 abgebaut und die auf die untere Fläche A_unt des Kolbens 5 von dem im zweiten Arbeitsraum 9 befindlichen, unter hohem Druck stehenden Hydraulikfluid ausgeübte Kraft schließt das Gaswechselventil 1 wieder.

In den 11 bis 13 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers dargestellt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel stellt eine alternative Ausführung zu der Lösung des zweiten Ausführungsbeispiels dar, bei der die Funktionen des dritten Steuerventils MV3 in das Steuerventil MV2 integriert sind. Es weist daher Parallelen zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen auf, so dass, um Wiederholungen zu vermeiden, hier nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist das zweite Steuerventil MV2 als 4/2-Wegeventil ausgebildet. In 11 ist das zweite Steuerventil MV2 so geschaltet, dass der erste Arbeitsraum 7 hydraulisch mit der Rücklaufleitung 19c verbunden ist. In der gleichen Schaltstellung ist die hydraulische Verbindung zwischen dem Niederdruckspeicher 23 und dem ersten Arbeitsraum 7 durch das zweite Steuerventil MV2 unterbrochen.

Wie aus 11 ersichtlich, ist parallel zu den Abschnitten 19a und 19b der Rücklaufleitung sowie der hydraulischen Bremseinrichtung eine weitere Verbindungsleitung 41 vorgesehen, die den ersten Arbeitsraum 7 mit dem zusätzlichen – gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel neu hinzu kommenden – Anschluß des 4/2-Wegeventils MV2 verbindet. Diese Verbindung ermöglicht das Befüllen des ersten Arbeitsraums 7 mit Hydraulikfluid aus dem Niederdruckspeicher 23 auf einem direkten Weg, das heißt unter Umgehung der hydraulischen Bremseinrichtung 29. Im Vergleich zu dem anhand der 7 bis 9 erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass bei diesem dritten Ausführungsbeispiel keine Bypassleitung zur hydraulischen Ventilbremseinrichtung 29 und zum Abschnitt 19a der Rücklaufleitung benötigt wird und somit auch das dritte Rückschlagventil RV3 entfällt. Dadurch ist das dritte Ausführungsbeispiel bei sehr guter Funktionalität trotzdem kostengünstig herstellbar. Außerdem sind, da die Zahl der Bauteile relativ gering ist, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieses Ausführungsbeispiels als sehr gut anzusehen.

In 12 ist die gleiche Schaltstellung wie in 11 nochmals dargestellt. In dieser Schaltstellung des zweiten Steuerventils MV2 herrscht im ersten Arbeitsraum 7 nahezu Umgebungsdruck, da der erste Arbeitsraum 7 mit den beispielhaft als drucklos angenommenen Rücklaufleitungen 19 hydraulisch verbunden ist. Weil im zweiten Arbeitsraum 9 der gleiche Druck wie im Hochdruckspeicher 13 herrscht, bewegt sich der Kolben 5 in 11 und 12 nach oben, d.h. das Gaswechselventil 1 führt eine Schließbewegung aus. Sobald der Kolben 5 den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 verschließt, kann kein Hydraulikfluid mehr durch diesen Abschnitt 19a aus dem ersten Arbeitsraum 7 abgeführt werden. Es muss vielmehr das gesamte abzuführende Hydraulikfluid über die hydraulische Bremseinrichtung 29 strömen, was zu einer Verzögerung des Gaswechselventils 1 führt. In Folge dessen trifft das Gaswechselventil 1 mit einer sehr geringen Geschwindigkeit auf den Ventilsitz 2 auf, so dass erstens die Geräuschentwicklung bei diesem Auftreffen sehr gering ist und außerdem die mechanischen Beanspruchungen des Gaswechselventils 1, des Ventilsitzes 2 und des Arbeitszylinders 3 verringert werden.

In 13 ist der Kolben 5 in einer Position dargestellt, in der er den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 verschließt und in Folge dessen das Gaswechselventil 1 auf den Ventilsitz 1 aufliegt. In diesem Zustand wird erfindungsgemäß vor dem erneuten Öffnen des Gaswechselventils 1 der Druck im ersten Arbeitsraum 7 auf das im Niederdruckspeicher 23 herrschenden Druckniveau erhöht. Dies geschieht dadurch, dass das zweite Steuerventil MV2 in seine zweite Schaltstellung gebracht wird. In dieser zweiten Schaltstellung ist die hydraulische Verbindung zwischen der hydraulischen Bremseinrichtung 29 und dem Abschnitt 19a mit dem Abschnitt 19c der Rücklaufleitung 19 unterbrochen. Dies bedeutet, dass aus dem ersten Arbeitsraum 7 kein Hydraulikfluid in die Rücklaufleitung 19c strömen kann. In dieser zweiten Schaltstellung wird eine hydraulische Verbindung des Niederdruckspeichers 23 mit erstem Arbeitsraum 7 hergestellt, die über die Zuleitung 21 mit Rückschlagventil RV2 und die weitere Verbindungsleitung 41 führt. Dadurch fließt Hydraulikfluid aus dem Niederdruckspeicher 23 in den ersten Arbeitsraum 7, bis ein Druckausgleich zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem Niederdruckspeicher 23 stattgefunden hat. In Folge dessen sind evtl. im ersten Arbeitsraum 7 vorhandene Gasblasen komprimiert worden und die Druckdifferenz zwischen erstem Arbeitsraum 7 und zweiten Arbeitsraum 9 ist deutlich verringert worden. Sobald dieser Zustand erreicht wurde, kann durch Schalten des ersten Steuerventils MV1 das Gaswechselventil 1 vom Ventilsitz 2 abgehoben werden. Der erforderliche hydraulische Energiebedarf ist wegen des bereits im ersten Arbeitsraum 7 herrschenden Drucks verringert. Außerdem ist die Belastung des ersten Steuerventils MV1 wegen der geringeren Druckdifferenz zwischen erstem Arbeitsraum 7 und zweitem Arbeitsraum 9 reduziert. Neben diesen Vorteilen, die das erfindungsgemäße Verfahren des hydraulischen Vorspannens eröffnet, kommen bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso die bei den ersten beiden Ausführungen bereits beschriebenen Vorteile des hydraulischen Freilaufs zur Geltung, da die hydraulische Verbindung des ersten Arbeitsraums 7 mit der Niederdruckquelle 23 noch besteht, wenn das Steuerventil MV1 geschlossen wird, um einen Öffnungsvorgang des Stellers zu beenden.

Alle in den Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen enthaltenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Hydraulischer Steller eines Gaswechselventils (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem das Gaswechselventil (1) betätigenden hydraulischen Arbeitszylinder (3), wobei der Arbeitszylinder (3) einen ersten Arbeitsraum (7) aufweist, mit einer Hochdruck führenden Speiseleitung (11), mit mindestens einem den Durchfluss der Speiseleitung (11) steuernden Steuerventil (MV1) und mit einer drucklosen oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagten Rücklaufleitung (19), wobei Speiseleitung (11) und Rücklaufleitung (19) mit dem Arbeitszylinder (3) hydraulisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arbeitsraum (7) mit Niederdruck beaufschlagbar ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in erstem Arbeitsraum (7) auf eine Wirkfläche A_ob eines verschiebbaren Kolbens wirkt, der mit dem Gaswechselventil (1) kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Wirkfläche A_ob über dem Weg des Kolbens konstant bleibt.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in erstem Arbeitsraum (7) auf eine Wirkfläche A_ob eines verschiebbaren Kolbens wirkt, der mit dem Gaswechselventil (1) kraftschlüssig verbunden ist, wobei sich die Wirkfläche A_ob über dem Weg des Kolbens mit mindestens einer Abstufung verändert, insbesondere kleiner wird.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitszylinder (3) als doppelt wirkender Arbeitszylinder ausgebildet ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitszylinder (3) einen ersten Arbeitsraum (7), einen zweiten Arbeitsraum (9) und ein zweites Steuerventil (MV2) aufweist, dass der zweite Arbeitsraum (9) mit Hochdruck beaufschlagt wird, dass das erste Steuerventil (MV1) die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und einer Hochdruckquelle, insbesondere einem Hochdruckspeicher (13), steuert, und dass das zweite Steuerventil (MV2) die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und Rücklaufleitung (19) steuert.
Hydraulischer Steller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitszylinder (3) als einfach wirkender Arbeitszylinder ausgebildet ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitszylinder (3) einen ersten Arbeitsraum (7), eine in Schließrichtung wirkende Feder (27) und ein zweites Steuerventil (MV2) aufweist, dass das erste Steuerventil (MV1) die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und einer Hochdruckquelle, insbesondere einem Hochdruckspeicher (13), steuert und dass das zweite Steuerventil (MV2) die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und Rücklaufleitung (19) steuert.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arbeitsraum (7) mit einer Niederdruckquelle, insbesondere einem Niederdruckspeicher (23), insbesondere über eine Speiseleitung (21) hydraulisch verbindbar ist, und dass ein Steuermittel vorhanden ist, das diese hydraulische Verbindung steuert.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und Niederdruckquelle durch ein drittes Steuerventil (MV3) gesteuert wird.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speiseleitung (11) ein erstes Rückschlagventil (RV1) vorhanden ist.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Niederdruckquelle und erstem Arbeitsraum (7), insbesondere in der Verbindungsleitung (21), ein zweites Rückschlagventil (RV2) vorhanden ist.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Bremseinrichtung (29) vorgesehen ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Bremseinrichtung (29) in einem Bypass eines Teils (19a) der Rücklaufleitung (19) vorgesehen ist, und dass dieser Teil (19a) der Rücklaufleitung (19) kurz vor dem Auftreffen des Gaswechselventils (1) auf dem Ventilsitz (2) durch den Kolben (5) verschlossen wird.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion eines Steuermittels der hydraulischen Verbindung zwischen erstem Arbeitsraum (7) und Niederdruckquelle in das zweite Steuerventil (MV2) integriert ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuerventil (MV2) als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der hydraulischen Bremseinrichtung (29) ein drittes Rückschlagventil (RV3) vorgesehen ist.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuerventil (MV2) als 4/2-Wegeventil ausgebildet ist.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (MV1), das zweite Steuerventil (MV2) und/oder das dritte Steuerventil (MV3) als Magnetventil ausgebildet sind.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (MV1), das zweite Steuerventil (MV2) und/oder das dritte Steuerventil (MV3) als Piezoventil ausgebildet sind.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (MV1), das zweite Steuerventil (MV2) und/oder das dritte Steuerventil (MV3) als Sitzventil oder als Schieberventil ausgebildet sind.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Hochdruckspeicher (13) Sensormittel angeordnet sind, mit denen Druck, Temperatur und/oder Viskosität des Hydraulikfluids im Hochdruckspeicher erfaßt werden.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Niederdruckspeicher (23) Sensormittel angeordnet sind, mit denen Druck, Temperatur und/oder Viskosität des Hydraulikfluids im Niederdruckspeicher erfaßt werden.
Hydraulischer Steller nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Sensorfunktionen zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Viskosität des Hydraulikfluids in einem Gehäuse integriert sind.
Hydraulischer Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1) ein Einlassventil ist.
Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Stellers insbesondere für ein Gaswechselventil, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Vorspannen des Hydrauliköls in einem ersten Arbeitsraum (7) eines hydraulischen Stellers durch Beaufschlagung mit Niederdruck, – Ausführen einer Stellbewegung durch Beaufschlagen des ersten Arbeitsraums (7) mit Hochdruck und – Anfahren der Ausgangsposition des Stellers durch Druckentlastung des ersten Arbeitsraums (7).
Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Stellers insbesondere für ein Gaswechselventil, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ausführen einer Stellbewegung durch Beaufschlagen des ersten Arbeitsraums (7) mit Hochdruck, – Zuschalten einer hydraulischen Verbindung des ersten Arbeitsraums mit einer Niederdruckquelle, insbesondere einem Niederdruckspeicher (23), während der Stellbewegung, und – Anfahren der Ausgangsposition des Stellers durch Druckentlastung des ersten Arbeitsraums (7).
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im ersten Arbeitsraum (7) in einer ersten Stufe der Druckentlastung bis auf einen Niederdruck abgesenkt wird, wobei der Niederdruck deutlich höher als der Umgebungsdruck ist, und dass der Druck im ersten Arbeitsraum (7) in einer zweiten Stufe der Druckentlastung bis auf den Druck in einer Rücklaufleitung (19) abgesenkt wird, nachdem der Kolben (5) des Stellers seine Anfangsposition erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Steuerventile (MV1, MV2 und/oder MV3) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, beispielsweise Druck, Temperatur und/oder Viskosität des Hydraulikfluids im Hochdruckspeicher (13) oder im Niederdruckspeicher (23), bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau p_nd im Niederdruckspeicher (23) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, beispielsweise Druck, Temperatur und/oder Viskosität des Hydraulikfluids im Hochdruckspeicher (13), und/oder in Abhängigkeit von Steuergrößen, beispielsweise dem Ventilhub eines Gaswechselventils, eingestellt wird.
Steuergerät zur Steuerung eines hydraulischen Stellers, dadurch gekennzeichnet, dass es nach den Verfahren gemäß der Ansprüche 25 bis 29 arbeitet.