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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem hydraulisch gesteuertem Aktor zur Betätigung
mindestens eines Gaswechselventils in einem Verbrennungszylinder
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Aktor dieser Art (
DE 101 43 959 A1 ,
2) dient
der Ringkolben dazu, die für den Öffnungsvorgang
wirksame, mit Fluidhochdruck beaufschlagte Kolbenfläche
des Aktors über den Öffnungshub zu reduzieren,
indem der Ringkolben nach einem gemeinsamen Verschiebeweg mit dem
Stellkolben gegen einen Anschlag fährt und für die
weitere Betätigung des Gaswechselventils damit allein die
erste Kolbenfläche des Stellkolbens wirksam ist. Beim Öffnungsvorgang
des Gaswechselventils wirkt auf diese Weise zunächst eine
hohe Stellkraft auf das Gaswechselventil, die dann ab einem bestimmten
Stellweg reduziert wird. Somit kann z. B. ein Auslassventil im Verbrennungszylinder
einer Brennkraftmaschine mit großer Kraft gegen den Restgasdruck
im Verbrennungszylinder geöffnet werden, die dann nach Öffnen
des Auslassventils nicht mehr gebraucht wird. Wird die Stellkraft
des Aktors auf das nunmehr noch benötigte verkleinerte
Maß reduziert, so wird die erforderliche Energie zum Öffnen des
Gaswechselventils deutlich gesenkt. Der auf der Rückseite
des Ringkolbens vorhandene Fluidraum mit variablen Raumvolumen dient
als Leckagesammelraum und ist über einen in die Zylinderwand
des Arbeitszylinders eingebrachten Leckagekanal an eine zu einem
Fluidreservoir führende Rücklaufleitung angeschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße hydraulisch gesteuerte Aktor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass einem Überschießen
des Gaswechselventils über den eigentlichen Stellweg hinaus,
einem sog. Overshoot, vorteilhaft entgegengewirkt und das Einpendeln
des Gaswechselventils auf das gewünschte Hubniveau deutlich
reduziert wird. Dieses Überschießen des Gaswechselventils
tritt am Ende des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils
auf, wenn zum Halten des Gaswechselventils in der gewünschten
und erreichten Offenstellung die erste Druckkammer durch Schließen
von Steuerventilen von jeglichem Fluidaustausch abgeschlossen wird. Infolge
der Trägheit von Aktor und Gaswechselventil schießt
das Gaswechselventil über den eigentlich Stellweg hinaus,
wodurch in der ersten Druckkammer ein Unterdruck erzeugt wird. Das
dadurch nach Überschießen erfolgende, anschließende
Rückschwingen des Gaswechselventils führt dann
letztlich zu einem Einpendeln des Gaswechselventils auf das gewünschte
Hubniveau. Durch das erfindungsgemäße Umfunktionieren
des Fluidraums auf der Rückseite des Ringkolbens zu einer
dritten Druckkammer, die an einem Fluidniederdruck angeschlossen
ist, wird bei Auftreten eines solchen Unterdrucks in der ersten Druckkammer,
der kleiner ist als der in der dritten Druckkammer eingespeiste
Fluidniederdruck, der Ringkolben, losgelöst vom Stellkolben,
zurückgeschoben, bis die erfindungsgemäß vorgesehene
Fluidzulauföffnung und der erfindungsgemäß vorgesehene
Fluiddurchlaufkanal miteinander in Verbindung kommen und Fluid aus
der Fluidhochdruckleitung in die erste Druckkammer nachströmen
kann. Dies vermindert zum einen das Rückschwingen des Gaswechselventils
und dämpft dessen Schwingungen und verhindert zum Anderen
einen zu niedrigen Druck in der ersten Druckkammer, der zu einer
Luftausgasung und Kavitation führt. Durch die Abstimmung
der Positionen von Fluidzulauföffnung und Fluiddurchlaufkanal
kann konstruktiv beeinflusst werden, ab welchem Hub des Gaswechselventils
die Wirkung gegen das Überschießen des Gaswechselventils
wirksam wird. Der Zusatzaufwand zur Ausstattung des bekannten Aktors
mit der vorstehend beschriebenen NOS-Funktion (No-Overshoot-Funktion)
ist minimal und beschränkt sich auf das bohrtechnische
Einbringen von Fluidzulauföffnung und -durchlaufkanal und
auf ein Druckminderventil zum Ableiten des an die dritte Druckkammer
angelegten Fluidniederdrucks von dem zur Steuerung des Aktors vorhandenen
Fluidhochdruck.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Aktors möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Fluidzulauföffnung
in der Zylinderwand des Arbeitszylinders und Fluiddurchlasskanal in
der Ringwand des Ringkolbens durch Radialbohrungen realisiert. Solche
Radialbohrungen lassen sich in bereits in Serie befindliche Aktoren
ohne nennenswerten Fertigungsaufwand einbringen, sodass die Mehrkosten
für die Herstellung des erfindungsgemäßen
Aktors gegenüber einem serienmäßigen
Aktor ohne NOS-Funktion nicht merkbar sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die vom
Ringkolben bei entlasteter erster Druckkammer eingenomme Endlage
von einem an der Zylinderwand des Arbeitszylinders ausgebildeten
ersten Anschlag festgelegt. In dieser Endlage des Ringkolbens besteht
auch die Verbindung zwischen Fluidzulauföffnung und Fluiddurchlaufkanal,
sodass sichergestellt ist, dass der Fluidzulaufkanal nicht über
die Fluidzulauföffnung hinaus verschoben werden kann und
dadurch die Verbindung zwischen Fluidzulauföffnung und
Fluiddurchlaufkanal wieder ungewollt unterbrochen wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der maximale
Verschiebeweg des Ringkolbens aus seiner bei entlasteter erster
Druckkammer eingenommenen Endlage heraus durch einen am Arbeitszylinder
vorgesehenen zweiten Anschlag begrenzt, der so angeordnet ist, dass
die dritte Druckkammer ein minimales Kammervolumen aufweist. Durch
diesen Anschlag wird verhindert, dass der Ringkolben sich mit seiner
zweiten Kolbenfläche an die dieser gegenüberliegende
Begrenzungswand der dritten Druckkammer plan anlegt und damit den Anschluss
der dritten Druckkammer an den Fluidniederdruck absperrt. Als Anschlag
kann die zylinderseitige Begrenzungswand der dritten Druckkammer selbst
verwendet werden, wenn z. B. an der zweiten Kolbenfläche
des Ringkolbens ein über diese Kolbenfläche vorstehener
Distanzsteg ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen
Längsschnitt eines hydraulisch gesteuertem Aktors zur Betätigung
eines Gaswechselventils mit hydraulischer Steuervorrichtung bei vom
Gaswechselventil eingenommener Schließstellung,
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2 bis 4 jeweils
einen Längsschnitt des Aktors zu drei verschiedenen Zeitpunkten
während des Öffnens des Gaswechselventils.
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In 1 ist
ausschnittweise im Längsschnitt ein Zylinderkopf 11 eines
Verbrennungszylinders angedeutet, der zusammen mit einen im Verbrennungszylinder
geführten Hubkolben, einen Brennraum 12 einschließt.
Im Zylinderkopf 11 ist ein im Brennraum 12 mündender
Gaskanal 13 ausgebildet, dessen Mündungsöffnung
von einem Gaswechselventil 14 gesteuert wird. Das Gaswechselventil 14 kann
ein Einlass- oder ein Auslassventil sein. Das Gaswechselventil 14 umfasst
einen im Zylinderkopf 11 angeordneten Ventilsitzkörper 15,
in dem eine Ventilöffnung 16 und ein die Ventilöffnung 16 umgebender Ventilsitz 17 ausgebildet
sind, sowie ein Ventilglied 18 mit einem Ventilschaft 19 und
einem am Ende des Ventilschafts 19 angeordneten Ventilteller 20,
der mit dem Ventilsitz 17 zum Freigeben und Verschließen der
Ventilöffnung 16 zusammenwirkt.
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Das
Gaswechselventil 14 wird mittels eines hydraulisch gesteuerten
Ventilstellers oder Aktors 21 betätigt. Der Aktor 21 weist
einen Arbeitszylinder 22, einen im Arbeitszylinder 22 axial
verschieblich geführten Stellkolben 23, der mit
dem Ventilschaft 19 fest verbunden ist, und einen auf dem
Stellkolben 23 axial verschieblichen Ringkolben 24 auf.
Der Stellkolben 23 besitzt eine querschnittsgrößere
erste Kolbenfläche 231 und eine von dieser abgekehrte
querschnittskleinere Kolbenfläche 232. Der Ringkolben 24 besitzt
eine erste Kolbenfläche 241 und eine davon abgekehrte
zweite Kolbenfläche 242. Im Arbeitszylinder 22 sind
von Stellkolben 23 und Ringkolben 24 begrenzte
Druckkammern mit variablem Kammervolumen ausgebildet. Eine erste
Druckkammer 25 wird zusammen von der ersten Kolbenfläche 231 des Stellkolbens 23 und
der ersten Kolbenfläche 241 des Ringkolbens 24,
eine zweite Druckkammer 26 von der zweiten Kolbenfläche 232 des
Stellkolben 23 und eine dritte Druckkammer 27 von
der zweiten Kolbenfläche 242 des Ringkolbens 24 begrenzt.
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Zur
Realisierung der verschiedenen Druckkammern 25, 26, 27 ist
der Arbeitszylinder 22 mit einer Stufenbohrung 28 versehen,
die einen durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt 281 und
einen durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 282 aufweist.
Der Stellkolben 23 ist als Stufenkolben konzipiert, der
einen durchmessergrößeren Kolbenabschnitt 23a und
einen durchmesserkleineren Kolbenabschnitt 23b aufweist,
wobei die zweite Kolbenfläche 232 des Stellkolbens 23 von
der Stellkolbenschulter am Übergang vom durchmessergrößeren Kolbenabschnitt
zum durchmesserkleineren Kolbenabschnitt 292 gebildet ist.
Auf dem durchmessergrößeren Kolbenabschnitt 23a,
der teilweise im durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 282 der
Zylinderbohrung 28 geführt ist, sitzt der Ringkolben 24, der
seinerseits in dem durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt 281 der
Zylinderbohrung 28 und auf dem durchmessergrößeren
Kolbenabschnitt 291 des Stellkolbens 23 geführt
ist. Die axiale Länge des Ringkolbens 24 ist kleiner
als die axiale Länge des durchmessergrößeren
Bohrungsabschnitts 281. Die arbeitszylinderseitige Begrenzungswand
der von der zweiten Kolbenfläche 242 des Ringkolbens 24 begrenzten
dritten Druckkammer 27 wird durch die Wandschulter 283 am Übergang
vom durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt 281 zum
durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 282 gebildet. Jede
der drei Druckkammern 25, 26 und 27 hat
einen Fluideinlass 29 bzw. 30 bzw. 31,
und die ersten Druckkammer 25 hat zusätzlich noch
einen Fluidauslass 32.
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Die
Druckkammern 25 bis 27 sind an einer hydraulischen
Steuervorrichtung 33, die einen Fluidhochdruck und einen
Fluidniederdruck generiert, so angeschlossen, dass die zweite Druckkammer 26 permanent
mit Fluidhochdruck und die dritte Druckkammer 27 permanent
mit Fluidniederdruck beaufschlagt ist, während die erste
Druckkammer 25 wahlweise mit Fluidhochdruck beaufschlagbar
und entlastbar ist. Die hydraulische Steuervorrichtung 23 weist
eine Fluid, vorzugsweise Hydrauliköl, aus einem Fluidreservoir 34 fördernde
Hochdruckpumpe 35, ein Druckminderventil 36 sowie
zwei elektrohydraulische Steuerventile 37, 38 auf,
die im Ausführungsbeispiel der 1 als 2/2-Wege-Magentventile ausgebildet
sind. Das erste Steuerventil 37 ist zwischen dem Ausgang 351 der
Hochdruckpumpe 35 und dem Fluideinlass 29 zur
ersten Druckkammer 25 angeschlossen. Das zweite Steuerventil 28 ist
einerseits an dem Fluidauslass 32 der ersten Druckkammer 25 und
andererseits an einer Entlastungsleitung 39 angeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die
Entlastungsleitung 39 mit dem Ausgang 361 des
Druckminderventils 36 verbunden. Alternativ kann die Entlastungsleitung 39 auch
zum Fluidreservoir 34 zurückgeführt sein,
wie dies in 1 strichliniert angedeutet ist.
Der Fluideinlass 30 der zweiten Druckkammer 26 ist
unmittelbar an dem Ausgang 351 der Hochdruckpumpe 35 und
der Fluideinlass 31 der dritten Druckkammer 27 unmittelbar
an dem Ausgang 361 des Druckminderventils 36 angeschlossen. Während
am Ausgang 351 der Hochdruckpumpe 35 ein Fluidhochdruck
von z. B. 100 bar anliegt, beträgt der Fluidniederdruck
am Ausgang 361 des Druckminderventils 36 z. B.
5 bar.
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In
die Zylinderwand des Arbeitszylinders 22 ist im Bereich
des durchmessergrößeren Bohrungsabschnitts 281 der
Zylinderbohrung 28 eine Fluidzulauföffnung 40 und
in die Ringwand des Ringkolbens 24 ist ein Fluiddurchlaufkanal 41 eingebracht.
Die Fluidzulauföffnung 40 ist permanent an den
Ausgang 351 der Hochdruckpumpe 35 angeschlossen,
so dass sie permanent vom Fluidhochdruck beaufschlagt ist. Fluidzulauföffnung 40 und
Fluiddurchlaufkanal 41 sind als Radialbohrungen mit gleichem
oder unterschiedlichem Bohrungsdurchmesser ausgeführt.
Die räumliche Zuordnung von Fluidzulauföffnung 40 und
Fluiddurchlaufkanal 41 ist dabei so getroffen, dass die
Fluidzulauföffnung 40 vom Ringkolben 24 verschlossen
ist und bei einer bestimmten Kolbenlage des Ringkolbens 24 in
Verbindung mit dem Fluiddurchlaufkanal 41 gelangt. Diese
Kolbenlage ist dann gegeben, wenn der in der ersten Druckkammer 25 herrschende
Fluiddruck unter den in der dritten Druckkammer 27 herrschenden
Fluidniederdruck absinkt. In der in 1 gezeigten
Schließstellung des Gaswechselventils 14 ist das
erste Steuerventil 37 geschlossen und das zweite Steuerventil 38 geöffnet,
so dass der erste Druckraum 25 von der Hochdruckpumpe 35 abgesperrt
und mit der Entlastungsleitung 39 verbunden ist. Durch
den in der zweiten Druckkammer 26 herrschenden Fluidhochdruck ist
die zweite Kolbenfläche 232 des Stellkolbens 23 druckbeaufschlagt,
und der Stellkolben 23 nimmt seine obere Endlage ein, in
welcher er das Gaswechselventil 14 geschlossen hält.
Am Ringkolben 24 ist ein Mitnehmer 42 vorhanden,
der den Steuerkolben 13 übergreift, sodass beim
Verschieben des Stellkolbens 23 in seine obere Endlage
der Ringkolben 24 über den Mitnehmer 42 mitgenommen
wird und an einen an der Zylinderwand des Arbeitszylinders 22 ausgebildete
ersten Anschlag 43 angelegt wird. Bei Anlage des Ringkolbens 42 an
den ersten Anschlag 43 treten Fluidzulauföffnung 40 und
Fluiddurchlaufkanal 41 in Verbindung und der Fluiddurchlaufkanal 41 ist
von dem in seiner oberen Endlage sich befindlichen Stellkolben 23 abgeschlossen.
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Zum Öffnen
des Gaswechselventils 14 wird das zweite Steuerventil 38 geschlossen
und das erste Steuerventil 37 geöffnet, so dass
unter Hochdruck stehendes Fluid in die erste Druckkammer 25 einströmt
und die erste Kolbenfläche 231 des Stellkolbens 23 und
die erste Kolbenfläche 241 des Ringkolbens 24 mit
Fluidhochdruck beaufschlagt sind. Wie in 2 dargestellt
ist, bewegen sich Steuerkolben 23 und Ringkolben 24 gegen
eine in Schließrichtung wirkende geringere Stellkraft,
erzeugt durch den auf die zweite Kolbenfläche 232 des
Stellkolbens 23 wirkenden Fluidhochdruck, nach unten, bis
der Ringkolben 24 sich mit seinem ringförmigen
Distanzsteg 24a an die einen zweiten Anschlag 44 zur
Hubbegrenzung des Ringkolbens 24 bildende Wandschulter 283 in der
dritten Druckkammer 27 anlegt. Diese Position von Stellkolben 23 und
Ringkolben 24 ist in 2 dargestellt.
Die in der oberen Endlage von Stellkolben 23 und Ringkolben 24 bestehende
Verbindung zwischen Fluidzulauföffnung 40 im Arbeitszylinder 22 und
Fluiddurchlaufkanal 41 im Ringkolben 24 (1) ist
aufgehoben (2). Bei durch den zweiten Anschlag 44 feststehendem
Ringkolben 24 bewegt sich der Stellkolben 23 mit
verringerter Stellkraft weiter nach unten, wobei das Gaswechselventil 14 zunehmend
geöffnet wird. Ist die gewünschte Hubstellung des
Gaswechselventils 14 erreicht (3), so wird das
erste Steuerventils 37 umgeschaltet, so dass es ebenso
wie das zweite Steuerventil 38 geschlossen ist. Die erste
Druckkammer 25 ist damit sowohl von der Hochdruckpumpe 35 als
auch von der Entlastungsleitung 39 abgesperrt. Dadurch
wird das Gaswechselventil 14 in der gewünschten
Offenstellung gehalten. Infolge der Trägheit von Stellkolben 23 und Gaswechselventil 14 schießt
das Ventilglied 18 des Gaswechselventils 14 über
den gewünschten Stellweg hinaus. Dadurch entsteht in der
ersten Druckkammer 25 ein Unterdruck, der kleiner ist als
der in die dritte Druckkammer 27 eingesteuerte Fluidniederdruck.
Durch diesen die zweite Kolbenfläche 242 des Ringkolben 24 beaufschlagenden
Niederdruck wird nunmehr der Ringkolben 24 maximal soweit nach
oben zurückgeschoben, dass er an den ersten Anschlag 43 gelangt.
Dadurch hebt der Fluiddurchlaufkanal 41 einerseits von
dem in seiner Verschiebestellung verbleibenden Stellkolben 23 ab
und gelangt andererseits in Verbindung mit der Fluidzulauföffnung 40.
Unter Hochdruck stehendes Fluid strömt nunmehr aus der
Fluidzulauföffnung 40 über den Fluiddurchlaufkanal 41 in
die erste Druckkammer 25 ein und führt in der
Druckkammer 25 zu einer Druckerhöhung, wodurch
das Rückschwingen des Ventilglieds 18 nach dessen Überschießen
erheblich vermindert wird. Durch den in der ersten Druckkammer wieder ansteigenden
Fluiddruck wird zudem verhindert, dass es in der ersten Druckkammer 25 zu
einer Luftausgasung oder Kavitation des Fluids kommt. Steigt der
Fluiddruck in der ersten Druckkammer 25 wieder über
den in der dritten Druckkammer 27 herrschenden Fluidniederdruck
an, so verschiebt sich der Ringkolben 24 wieder so weit,
dass die Fluidzulauföffnung 40 wieder vom Ringkolben 24 verschlossen
wird.
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Zum
Einleiten des Schließvorgangs des Gaswechselventils 14 wird
in bekannter Weise das zweite Steuerventil 38 geöffnet,
so dass die erste Druckkammer mit der Entlastungsleitung 39 verbunden
wird und der Fluiddruck in der ersten Druckkammer 25 bis
auf Fluidniederdruck oder – im Falle der strichliniert
angedeuteten Rückführung der Entlastungsleitung 39 zum
Fluidreservoir 34 – auf Null absinkt. Unter der
Wirkung des in der zweiten Druckkammer 26 herrschenden
Fluidhochdrucks wird der Stellkolben 23 in seine obere
Endlage zurückgeschoben und nimmt dabei den Ringkolben 24 über
dessen Mitnehmer 42 in die obere Endlage mit, bis der Ringkolben 24 an
dem ersten Anschlag 43 anliegt (1).
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Wird
im Aktor 21 noch eine an sich bekannte Bremsvorrichtung
vorgesehen, die beim Schließvorgang des Gaswechselventils 14 ein
zu hartes Auftreten des Ventiltellers 20 auf den Ventilsitz 17 durch Abbremsen
des Stellkolbens 23 dämpft, so kann der in eine
hydraulisch gesteuerte Drossel der Bremsvorrichtung eingesteuerte
Bremssteuerdruck anstelle des mit dem Druckminderventil 26 erzeugten
Fluidniederdrucks an die dritte Druckkammer 27 angelegt werden,
wodurch das Druckminderventil 36 eingespart werden kann.
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Selbstverständlich
können mit dem Aktor 21 auch mehrere, synchron
arbeitende Ventile, z. B. zwei Auslassventile in einem Verbrennungszylinder, beteiligt
werden. In diesem Fall wird der Aktor 21 auf eine Traverse
wirken, die die Verschiebebewegung des Stellkolbens 23 über
die Ventilschäfte 19 in eine entsprechende Öffnung
der Gaswechselventile 14 umsetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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