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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Betätigungsmodul zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der hydraulische Ventilsteller aufweist, die jeweils einen auf das Gaswechselventil wirkenden Stellkolben besitzen, der in einem Stellzylinder bewegbar geführt ist und einen von dem Stellkolben begrenzten hydraulische Arbeitsraum aufweist, wobei der Arbeitsraum über Steuerventile mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagbar oder druckentlastbar ist, wodurch von dem Stellkolben ein Ventilglied eines der Gaswechselventile bewegbar beaufschlagbar ist und wobei die Steuerventile von einer elektronischen Steuereinheit ansteuerbar sind.
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Bei derartigen Betätigungsmodulen ist es bekannt von einer separat angeordneten gemeinsamen elektronischen Motorsteuerung aus die Hubhöhe und das Timing aller Gaswechselventile der Brennkraftmaschine anzusteuern.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein hydraulischen Betätigungsmodul der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine variable Ansteuerung der Gaswechselventile ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedem Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine ein eine separate Baueinheit bildendes Zylinderkopfmodul zugeordnet ist, das aus der elektronischen Steuereinheit und den hydraulischen Ventilstellern sowie den Steuerventilen besteht und das eine Anschlußfläche aufweist, an der das Zylinderkopfmodul mit dem jeweiligen Zylinderkopf verbindbar ist. Durch diese Ausbildung sind die einzelnen Gaswechselventile variabel sowohl in ihrer Hubhöhe als auch in ihrem Timing ansteuerbar.
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Damit ist eine Reduzierung der Emissionswerte und Verbräuche der Brennkraftmaschine sowie eine Anpassung der Ventilsteuerzeiten bei unterschiedlichen Lasten und Treibstoffarten und -qualitäten erreichbar. Bei Großmotoren ist der Entfall der Nockenwelle bei gleichzeitiger Erhöhung der Variabilität der Gaswechselventile möglich, wodurch sich zum Einen der mechanische Aufbau des Motors vereinfacht und zum anderen unterschiedliche Zylinderzahlen (Reihen- und V-Motore) modular bestücken lassen.
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Das erfindungsgemäße Zylinderkopfmodul ist ein leicht montierbares eigenständig funktionierendes und im Servicefall austauschbares Modul, in dem die Mechanik, die Hydraulik und die Elektronik zu einem busfähigen Aktuator gebündelt sind.
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Das Zylinderkopfmodul kann ein gemeinsames Gehäuse zur Aufnahme der elektronischen Steuereinheit, der Wegmessung des Stellkolbens und der hydraulischen Ventilsteller sowie der Steuerventile aufweisen.
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Es ist aber auch möglich, daß das Zylinderkopfmodul aus mehreren miteinander verbindbaren Teilmodulen besteht, von denen ein erstes Teilmodul ein die elektronische Steuereinheit aufweisendes Elektronikmodul ist.
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Dabei kann ein zweites Teilmodul des Zylinderkopfmoduls ein die hydraulischen Ventilsteller und/oder die Steuerventile aufweisendes Hydraulikmodul sein.
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Die elektronische Steuereinheit kann einen elektrischen Verstärker zur Verstärkung der die Steuerventile ansteuernden Signale aufweisen.
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Weist die elektronische Steuereinheit einen mit einer Gleichstromquelle verbindbaren DC-DC Hochsetzsteller auf, durch den der elektrische Verstärker mit Gleichstrom versorgbar ist, so wird eine erhöhte Spannung für eine schnelle Schaltbewegung der Schaltvorgänge der Steuerventile bereitgestellt.
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Zur Regelung in einem geschlossenen Regelkreis führt es, wenn der elektronischen Steuereinheit Temperatursignale und/oder Drucksignale und/oder Winkelstellungssignale einer Kurbelwelle und/oder Hubsignale der Stellkolben zuleitbar sind.
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Die elektronische Steuereinheit kann eine Reglereinheit aufweisen, durch die der Ventilzustand erfaßbar und/oder die Bewegung des Ventilstellers regelbar und/oder die als Magnetventile ausgebildeten Steuerventile ansteuerbar sind. Das Ventilglied des Gaswechselventils kann von einer mit dem Stellkolben verbundenen, aus dem Stellzylinder des Ventilstellers herausgeführten Kolbenstange in Ventilöffnungsrichtung beaufschlagbar sein.
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Um eine einfache Schmierölversorgung für die Gaswechselmechanik zu erreichen, kann von dem in Ausfahrrichtung druckbeaufschlagbaren Arbeitsraum des Ventilstellers eine eine Drossel aufweisende Schmierölbohrung durch den Stellkolben und die Kolbenstange zu dem nach außen ragenden freien Ende der Kolbenstange geführt sein.
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In einer Ausbildungsmöglichkeit ist der hydraulische Ventilsteller ein einfach wirkender Plungerzylinder und in einer anderen Ausbildungsmöglichkeit ein Differentialzylinder.
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Weist das Hydraulikmodul an seiner den Gaswechselventilen zugewandten Seite Ausnehmungen auf, in die die dem Verbrennungszylinder abgewandten Bereiche der Gaswechselventile hineinragen, so ist eine geringe Baugröße erreichbar.
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Zu einer permanenten spielfreien Anlage der Kolbenstange des Ventilstellers an der Gaswechselmechanik führt es, wenn der oder die hydraulischen Arbeitsräume des hydraulischen Ventilstellers über ein Vorspannventil mit Niederdruck verbindbar sind.
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Um durch Robustheit und Zuverlässigkeit eine hohe Funktionssicherheit zu gewährleisten, können die Steuerventile zum Entlasten der Arbeitsräume von dem unter Druck stehenden Fluid redundant angeordnet sein.
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Zur Reduzierung des Verschleißes der Gaswechselventile insbesondere des Ventilsitzes im Zylinderkopf kann die Auftreffgeschwindigkeit mittels hydraulischer Endlagendämpfung und/oder mittels eines Wegeventils oder elektronischer Maßnahmen in der Ansteuerung der Steuerventile reduziert oder begrenzt werden.
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Damit wird ein Blockieren der ausgefahrenen Kolbenstange des Ventilstellers und somit eine Kollision der Kolben der Brennkraftmaschine mit den Schließgliedern der Gaswechselventile vermieden.
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Dazu dient auch, wenn die Steuerventile im stromlosen Zustand im Rücklauf offen und im Vorlauf geschlossen sind.
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Eine exakte quasi analoge oder pulsweitenmodulierte Ansteuerung wird erreicht, wenn die Steuerventile getaktete Schaltventile sind.
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Der oder die Arbeitsräume des hydraulischen Ventilstellers können parallel und hubabhängig über eine eine Drossel aufweisende Entlastungsleitung mit einer Versorgungsleitung verbindbar sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung eines hydraulischen Betätigungsmoduls eines Zylinderkopfes zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine.
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Das dargestellte Zylinderkopfmodul 35 besteht aus einem Elektronikmodul mit einer elektronischen Steuereinheit 1 und einem mit der elektronischen Steuereinheit 1 verbunden Hydraulikmodul 2.
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Jedem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine ist ein eigenes Zylinderkopfmodul 35 zugeordnet.
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Die elektronische Steuereinheit 1 weist einen DC-DC-Hochsetzsteller 3 auf, dem von einer nicht dargestellten äußeren Gleichstromquelle Gleichstrom zugeleitet wird.
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Weiterhin ist in der elektronischen Steuereinheit 1 ein Regler 4 angeordnet, dem von außerhalb des Zylinderkopfmoduls 35 über einen Bus Informationen einer Motorsteuerungselektronik sowie von externen Sensorsignalen über den Systemdruck, den Niederdruck und die Öltemperatur zugeführt werden.
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Weiterhin erhält der Regler 4 von einer Sensoreinheit 5 Informationen über interne Sensorsignale wie den von Hubsensoren 6 erfaßten Hubsignalen.
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Aufgrund der zugeführten Informationen werden von dem Rechner Ansteuersignale zum Ansteuern von Steuerventilen des Hydraulikmoduls 2 ermittelt und über einen Verstärker 7 den Steuerventilen zugeführt.
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Die Steuerventile sind als elektrisch betätigbare 2/2-Wegeventile ausgebildet.
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Von extern ist eine Systemdruckleitung 8 des Hydraulikmoduls 2 mit einem Systemdruck beaufschlagbar. Dazu saugt eine Vorförderpumpe 9 Öl aus einem Behälter 10 an und fördert es über einen Kühler 15 und einen Filter 16 zu einer Hauptpumpe 11, die den Vorförderdruck auf einen Systemdruck erhöht, mit dem ein Druckspeicher 14 und die Systemdruckleitung 8 beaufschlagt wird.
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Eine Niederdruckleitung 12 des Hydraulikmoduls 2 führt zu einem externen Speicher 13, der wiederum mit der Druckseite der Vorförderpumpe 9 verbunden ist.
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Die Systemdruckleitung 8 führt zu zwei Steuerventilschaltungen, die eingangsseitig ein elektronisch betätigbares erstes 2/2-Wegeventil 17, 17' aufweisen, das im stromlosen Zustand geschlossen ist.
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Die Ausgänge der ersten 2/2-Wegeventile 17, 17' sind jeweils über ein elektrisch betätigbares zweites 2/2-Wegeventil 18, 18' und ein elektrisch betätigbares drittes 2/2-Wegeventil 19, 19', die stromlos offen sind, mit der Niederdruckleitung 12 verbindbar.
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Weiterhin ist der Ausgang jedes 2/2-Wegeventils 17, 17' über eine Leitung 24, 24' mit einem in Ausfahrrichtung druckbeaufschlagbaren Arbeitsraum 20, 20' jeweils eines Ventilstellers 21, 21' verbunden, der als einfach wirkender Plungerzylinder ausgebildet ist.
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Vom Boden des Arbeitsraums 20, 20' führt eine Entlastungsleitung 22, 22' über eine Drossel 23, 23' zur Leitung 24, 24'.
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Von Hubsensoren 6, 6' am Boden des Arbeitsraumes 20, 20' wird die Position der Stellkolben 26, 26' des Ventilstellers 21, 21' erfaßt und entsprechende Signale der Sensoreinheit 5 zugeleitet. Die einseitig aus dem Ventilsteller 21, 21' herausgeführte Kolbenstange 27, 27' liegt an einem Teller 28, 28' an, durch den jeweils ein Paar Ventilglieder 29, 29' entgegen Federkräften in Öffnungsrichtung bewegbar beaufschlagbar sind.
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Die Ventilglieder 29 sind Einlaßventile und die Ventilglieder 29' sind Auslaßventile von Gaswechselventilen 33, 33' der Brennkraftmaschine.
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Von jedem Arbeitsraum 20, 20' führt eine eine Drossel 30, 30' aufweisende Schmierölbohrung 31, 31' durch den Stellkolben 26, 26' und die Kolbenstange 27, 27' zu dem nach außen ragenden freien Ende der Kolbenstange 27, 27', um die Reibung zwischen diesem freien Ende und dem Teller 28 durch Öl des Arbeitsraums 20, 20' zu reduzieren.
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Das Hydraulikmodul 2 weist an seiner den Gaswechselventilen 33, 33' zugewandten Anschlußfläche 36 Ausnehmungen 32, 32' auf, in die die dem jeweiligen Verbrennungszylinder abgewandten Bereiche der Gaswechselventile 33, 33' hineinragen.
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Im Betrieb steht an den ersten 2/2-Wegeventilen 17, 17' der Systemdruck in der Systemdruckleitung 8 an.
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Entsprechend der Ansteuerung durch die elektronische Steuereinheit werden alternierend das erste 2/2-Wegeventil 17 und das erste 2/2-Wegeventil 17' geöffnet, so daß entsprechend alternierend eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes 20 und des Arbeitraumes 20' erfolgt, wodurch die Gaswechselventile 33 und 33' alternierend geöffnet und geschlossen werden.
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Zur Öffnung der Einlaßventile sind bei geöffnetem ersten 2/2-Wegeventil 17 die zweiten 2/2-Wegeventile 18, 18' geschlossen. Zur gleichen Zeit ist zum Schließen der Auslaßventile das erste 2/2-Wegeventil 17' geschlossen und die dritten 2/2-Wegeventile 19, 19' geöffnet.
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Zum Schließen der Einlaßventile und Öffnen der Auslaßventile ist die Ansteuerung der 2/2-Wegeventile entgegengesetzt.
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Die exakten Schaltzeiten der Wegeventile 17, 17', 18, 18', 19, 19', die auch überlappend sein können, werden durch die elektrische Steuereinheit 1 bestimmt.
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Damit bei nicht vom Systemdruck beaufschlagten Arbeitsräume 20, 20' die Kolbenstangen 27, 27' mit ihren freien Enden immer in Anlage an den Tellern 28, 28' sind, ist in der Niederdruckleitung 12 ein Vorspannventil 34 angeordnet, wodurch die Niederdruckleitung 12 und die Arbeitsräume 20, 20' nie drucklos sind und die Anlage der Kolbenstange 27, 27' an den Tellern 28, 28' permanent sichergestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Steuereinheit
- 2
- Hydraulikmodul
- 3
- DC-DC-Hochsetzsteller
- 4
- Regler
- 5
- Sensoreinheit
- 6
- Hubsensor
- 6'
- Hubsensor
- 7
- Verstärker
- 8
- Systemdruckleitung
- 9
- Vorförderpumpe
- 10
- Behälter
- 11
- Hauptpumpe
- 12
- Niederdruckleitung
- 13
- Speicher
- 14
- Druckspeicher
- 15
- Kühler
- 16
- Filter
- 17
- erstes 2/2-Wegeventil
- 17'
- erstes 2/2-Wegeventil
- 18
- zweites 2/2-Wegeventil
- 18'
- zweites 2/2-Wegeventil
- 19
- drittes 2/2-Wegeventil
- 19'
- drittes 2/2-Wegeventil
- 20
- Arbeitsraum
- 20'
- Arbeitsraum
- 21
- Ventilsteller
- 21'
- Ventilsteller
- 22
- Entlastungsleitung
- 22'
- Entlastungsleitung
- 23
- Drossel
- 23'
- Drossel
- 24
- Leitung
- 24'
- Leitung
- 26
- Stellkolben
- 26'
- Stellkolben
- 27
- Kolbenstange
- 27'
- Kolbenstange
- 28
- Teller
- 28'
- Teller
- 29
- Ventilglieder
- 29'
- Ventilglieder
- 30
- Drossel
- 30'
- Drossel
- 31
- Schmierölbohrung
- 31'
- Schmierölbohrung
- 32
- Ausnehmung
- 32'
- Ausnehmung
- 33
- Gaswechselventil
- 33'
- Gaswechselventil
- 34
- Vorspannventil
- 34'
- Vorspannventil
- 35
- Zylinderkopfmodul
- 36
- Anschlußfläche
