-
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine. Die Ventilsteuerung umfasst einen hydraulisch beaufschlagten Nehmerkolben, der einerseits einen Nehmerkolbenraum begrenzt und andererseits ein in Schließrichtung federkraftbeaufschlagtes Gaswechselventil antreibt, und einen Kolbendruckspeicher, dessen Speicherkolbenraum über einen ersten Druckspeicherkanal an den Nehmerkolbenraum angeschlossen ist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Ventilsteuerungen mit elektrohydraulisch variabler Betätigung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen sind nicht nur aus der Literatur bekannt, sondern befinden sich auch beim Automobilhersteller FIAT unter der Bezeichnung 'Multiair' in Großserie. Die Variabilität solcher Ventilsteuerungen wird bekanntlich dadurch erzeugt, dass ein geberseitiger Nockenhub über ein sogenanntes hydraulisches Gestänge in einen nehmerseitigen Ventilhub umgewandelt wird, der durch Absteuern von Hydraulikmittel vom nockenbedingten Vollhub auf Nullhub reduzierbar ist. Prinzipbedingt steht jedoch bei vorzeitigem Ventilschließen ein Teil der in der Gaswechselventilfeder gespeicherten Federarbeit nicht mehr als rückstellendes Nockenwellenmoment zur Verfügung, sondern wird in einer sogenannten hydraulischen Ventilbremse in Form einer hydraulischen Drossel nutzlos in Wärme umgewandelt. Die mit dieser Verlustarbeit einhergehende Erhöhung des Reibmitteldrucks der Brennkraftmaschine erfolgt auch dann, wenn die Druckentlastung des Hydraulikmittels in einen Druckspeicher erfolgt, wie es im Falle der
EP 0 931 912 B1 , der
JP H02-221609 A , der
EP 0 441 100 A1 und der
DE 10 2011 051 982 A1 als Beispiele für die hier umfangreiche Patentliteratur vorgesehen ist. Denn derartige Druckspeicher dienen hauptsächlich der schnellen und gasblasenfreien Wiederbefüllung des zuvor entlasteten Druckraums mit Hydraulikmittel und arbeiten auf einem geringen Druckniveau.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilsteuerung der vorgenannten Art mit reduzierten hydraulischen Verlusten anzugeben.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass der Kolbendruckspeicher einen als Differentialkolben ausgebildeten Speicherkolben mit einer Speicherkolbenstange aufweist, die im ersten Druckspeicherkanal geführt ist und den Nehmerkolbenraum vom Speicherkolbenraum separiert, und dass der Speicherkolbenraum über einen zweiten Druckspeicherkanal an den Nehmerkolbenraum angeschlossen ist. Dabei sind die Mündungen der Druckspeicherkanäle im Nehmerkolbenraum so positioniert, dass zumindest der zweite Druckspeicherkanal nur temporär geöffnet und bei geschlossenem Gaswechselventil von der Mantelfläche des Nehmerkolbens verschlossen ist.
-
Der erfindungsgemäße Kolbendruckspeicher ermöglicht es, dass ein signifikanter Anteil der in der Ventilfeder des schließenden Gaswechselventils gespeicherten Arbeit in Federarbeit des Kolbendruckspeichers umgewandelt, d. h. rekuperiert wird. Diese rekuperierte Federarbeit steht dann bei der nachfolgenden Öffnung des Gaswechselventils zur Verfügung. Dabei sind die Flächenverhältnisse am Differentialkolben und die Federkennung des Kolbendruckspeichers zweckmäßigerweise so auszulegen, dass einerseits die Rekuperation durch den Kolbendruckspeicher möglichst groß ist und dass andererseits der Nehmerkolben dem geberseitig vorgegebenen Öffnungsverlauf des erneut öffnenden Gaswechselventils kinematisch folgt.
-
Die Mündung des ersten Druckspeicherkanals kann im Nehmerkolbenraum entweder so positioniert sein, dass bei geschlossenem Gaswechselventil beide Druckspeicherkanäle von der Mantelfläche des Nehmerkolbens verschlossen sind, oder so, dass der erste Druckspeicherkanal permanent offen ist.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen fünf Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ventilsteuerungen mit Hilfe von deren hydraulischen Schaltplänen dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Im Falle einer dreistelligen Bezugszahl ist die erste Ziffer mit der Nummer der zugehörigen Figur identisch. Es zeigen:
-
1 das erste Ausführungsbeispiel während des Schließvorgangs des Gaswechselventils;
-
2 das erste Ausführungsbeispiel bei fast beendetem Schließvorgang des Gaswechselventils;
-
3 das erste Ausführungsbeispiel bei vollständig geschlossenen Gaswechselventil;
-
4 das erste Ausführungsbeispiel während des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils;
-
6 das zweite Ausführungsbeispiel während des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils;
-
7 das dritte Ausführungsbeispiel während des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils;
-
8 das vierte Ausführungsbeispiel bei fast beendetem Schließvorgang des Gaswechselventils;
-
9 das fünfte Ausführungsbeispiel bei fast beendetem Schließvorgang des Gaswechselventils.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Die elektrohydraulische Ventilsteuerung gemäß 1 dient der vollvariablen Betätigung eines Gaswechselventils 1 einer Brennkraftmaschine und ist hydraulisch wie folgt verschaltet:
Ein hydraulisch beaufschlagter Nehmerkolben 2 begrenzt einerseits einen Nehmerkolbenraum mit einem ersten Nehmerkolbenraumteil 3 und einem zweiten Nehmerkolbenraumteil 4 und treibt andererseits unter Zwischenschaltung eines mechanischen oder hydraulischen Ventilspielausgleichselements 5 das Gaswechselventil 1 in dessen Öffnungsrichtung an, das durch die Kraft einer Gaswechselventilfeder 6 in Schließrichtung beaufschlagt ist. Ein federbelasteter Kolbendruckspeicher 7 hat einen Speicherkolbenraum 8, der über einen ersten Druckspeicherkanal 9 an den ersten Nehmerkolbenraumteil 3 angeschlossen ist, und einen als Differentialkolben ausgebildeten Speicherkolben 10 mit einer Speicherkolbenstange 11, die in dem ersten Druckspeicherkanal 9 geführt ist und dabei den ersten Nehmerkolbenraumteil 3 vom Speicherkolbenraum 8 separiert. Dieser ist weiterhin über einen zweiten Druckspeicherkanal 12 an den ersten Nehmerkolbenraumteil 3 angeschlossen. Die Mündungen der beiden Druckspeicherkanäle 9, 12 im ersten Nehmerkolbenraumteil 3 sind so positioniert, dass lediglich der erste Druckspeicherkanal 9 permanent zum ersten Nehmerkolbenraumteil 3 hin offen ist. Der zweite Druckspeicherkanal 12 ist hingegen nur temporär zum ersten Nehmerkolbenraumteil 3 hin geöffnet und dann verschlossen, wenn die Mantelfläche des Nehmerkolbens 2 den in der Zylinderwand des ersten Nehmerkolbenraumteils 3 mündenden zweiten Druckspeicherkanal 12 verschließt. Dieser Zustand liegt bei geschlossenem Gaswechselventil 1 vor – siehe 3. Der zweite Druckspeicherkanal 12 ist mit einem in Richtung des Speicherkolbenraums 8 schließenden Rückschlagventil 13 versehen.
-
Der Nehmerkolben 2 ist mit einer im Durchmesser abgesetzten Nehmerkolbenstange 14 als Differentialkolben ausgebildet, wobei die Nehmerkolbenstange 14 in der dazu korrespondierend gestuften Nehmerkolbenbohrung 15 geführt ist und den Nehmerkolbenraum in zwei Teile, nämlich in die beiden Nehmerkolbenraumteile 3 und 4 separiert. Dabei wird der erste Nehmerkolbenraumteil 3 von der Stirnseite der Nehmerkolbenstange 14 begrenzt. Der im Querschnitt kreisringförmige zweite Nehmerkolbenraumteil 4 wird von den Mantelflächen der Nehmerkolbenstange 14 und der Nehmerkolbenbohrung 15 begrenzt und ist an einen Geberkolbenraum 16 angeschlossen. Ein Geberkolben 17 begrenzt einerseits den Geberkolbenraum 16 und wird andererseits mittels eines Schlepphebels 18 von einer Nockenwelle 19 angetrieben, die im Uhrzeigersinn rotiert.
-
Der Geberkolbenraum 16 ist über einen ersten Druckentlastungskanal 20 an einen Druckentlastungsraum 21 angeschlossen, wobei ein elektrisch betätigtes 2/2-Wege Hydraulikventil 22 den ersten Druckentlastungskanal 20 wahlweise öffnet oder verschließt. Der Druckentlastungsraum 21 ist an den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen.
-
Der Speicherkolbenraum 8 ist über einen Verbindungskanal 23 an den Druckentlastungsraum 21 angeschlossen, an den seinerseits ein weiterer Kolbendruckspeicher 24 angeschlossen ist. Dessen Druckniveau ist wesentlich kleiner als das Druckniveau des Kolbendruckspeichers 7.
-
Im Verbindungskanal 23 ist ein weiteres Rückschlagventil 25 angeordnet, das in Richtung des Druckentlastungsraums 21 schließt. Der erste Nehmerkolbenraumteil 3 ist über einen zweiten Druckentlastungskanal 26 und über einen dritten Druckentlastungskanal 27 an den Druckentlastungsraum 21 angeschlossen, wobei der Anschluss stromaufwärts des weiteren Rückschlagventils 25 angeordnet ist. Im dritten Druckentlastungskanal 27 befindet sich eine hydraulische Ventilbremse, die durch hydraulische Drossel 28 gebildet ist.
-
Im zweiten Druckentlastungskanal 26 verläuft ein als Schieberventil ausgebildetes Sperrventil 29 mit einem Sperrventilkolben 30, der einerseits vom Druck im Speicherkolbenraum 8 und andererseits vom Umgebungsdruck und von der Kraft einer Sperrventilfeder 31 beaufschlagt ist und der bei hohem Druck im Speicherkolbenraum 8 den zweiten Druckentlastungskanal 26 verschließt. In diesem geschlossenen Zustand verhindert das Sperrventil 29, dass sich bei öffnendem Gaswechselventil 1 der Hochdruck im Kolbendruckspeicher 7 ohne nennenswerte Rekuperation in den Druckentlastungsraum 21 entlastet.
-
Die rekuperierende Funktionsweise des Kolbendruckspeichers 7 wird nachfolgend anhand verschiedener Öffnungs- und Bewegungszustände des Gaswechselventils 1 gemäß den 1 bis 5 für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Dabei ist die Bewegungsrichtung jeweils durch den eingezeichneten Pfeil gekennzeichnet.
-
1: das Hydraulikventil 22 ist bei maximaler Nockenerhebung der Nockenwelle 19 geöffnet, und das schließende Gaswechselventil 1 ist nur noch zu einem Teil geöffnet. Dabei entlastet sich das im Nehmerkolbenraum befindliche Hydraulikmittel über den Geberkolbenraum 16 und – bei geöffnetem Sperrventil 29 – über den zweiten Druckentlastungskanal 26 in den Druckentlastungsraum 21 und von dort aus in den sich füllenden weiteren Kolbendruckspeicher 24. Das Rückschlagventil 13 ist geschlossen.
-
Das Gaswechselventil 1 ist hier bereits soweit geschlossen, dass der zweite Druckentlastungskanal 26 von der Mantelfläche der Nehmerkolbenstange 14 verschlossen ist. Das im ersten Nehmerkolbenraumteil 3 befindliche Hydraulikmittel befindet sich nun unter Hochdruck, wobei sich ein Teilvolumen über den gedrosselten dritten Druckentlastungskanal 27 in den Druckentlastungsraum 21 entlastet und das Gaswechselventil 1 abbremst und wobei ein weiteres Teilvolumen die Speicherkolbenstange 11 stirnseitig druckbeaufschlagt. Bei geöffnetem weiteren Rückschlagventil 25 ist gleichzeitig die den Speicherkalbenraum 8 begrenzende Ringstirnfläche des Speicherkolbens 10 durch den Hydraulikmitteldruck im Druckentlastungsraum 21 beaufschlagt, so dass der Speicherkolben 10 beginnt, in den Kolbendruckspeicher 7 einzufahren und die Kolbenspeicherfeder 32 zu spannen.
-
2: das weiter schließende Gaswechselventil 1 befindet sich kurz vor dem Gaswechselventilsitz 33. Der dritte Druckentlastungskanal 27 ist nun ebenfalls von der Mantelfläche der Nehmerkolbenstange 14 verschlossen, und das im ersten Nehmerkolbenraumteil 3 befindliche Hydraulikmittel kann – abgesehen von Leckagen – nur noch in den ersten Druckspeicherkanal 9 ausweichen, wobei der Kolbendruckspeicher 7 weiter beladen wird. Dabei wird der Hub des Speicherkolbens 10 entsprechend dem Flächenverhältnis von Nehmerkolbenstange 14 zu Speicherkolbenstange 11 hydraulisch übersetzt. Die Befüllung des Speicherkolbenraums 8 erfolgt weiterhin aus dem Druckentlastungsraum 21 und dem weiteren Kolbendruckspeicher 24.
-
3: das Gaswechselventil 1 ist vollständig geschlossen, und die Nockenwelle 19 befindet sich in (hubfreier) Grundkreisstellung. Der Hydraulikmitteldruck im Geberkolbenraum 16 und im zweiten Nehmerkolbenraumteil 4 befindet sich bei nach wie vor geöffnetem Hydraulikventil 22 auf dem vergleichsweise niedrigen Niveau des weiteren Kolbendruckspeichers 24. Der Speicherkolben 10 des weitgehend voll beladenen Kolbendruckspeichers 7 ist hydraulisch dadurch verriegelt, dass sich das unter Hochdruck befindliche Hydraulikmittel weder bei geschlossenem weiteren Rückschlagventil 25 durch den Verbindungskanal 23 noch durch den zweiten Druckspeicherkanal 12 entweichen kann, dessen Mündung im ersten Nehmerkolbenraumteil 3 nun durch die Mantelfläche der Nehmerkolbenstange 14 verschlossen ist. Somit stützt sich die gespannte Kolbenspeicherfeder 32 über die Ringstirnfläche des Speicherkolbens 10 vollständig auf dem Speicherkolbenraum 8 ab, ohne den ersten Nehmerkolbenraumteil 3 über die Speicherkolbenstange 11 mit Druck zu beaufschlagen. Der Sperrventilkolben 30 des an den Verbindungskanal 23 angeschlossenen Sperrventils 29 wird entgegen der Sperrventilfeder 31 und dem dort anliegenden Umgebungsdruck betätigt, so dass der zweite Druckentlastungskanal 26 und auch der dritte Druckentlastungskanal 27, der bei schließendem Gaswechselventil 1 stromaufwärts des Sperrventils 29 an den zweiten Druckentlastungskanal 26 angeschlossen ist, vom Sperrventilkolben 30 verschlossen werden.
-
4: die auflaufende Nockenerhebung der Nockenwelle 19 betätigt den Geberkolben 17, der bei geschlossenem Hydraulikventil 22 Hydraulikmittel aus dem Geberkolbenraum 16 in den zweiten Nehmerkolbenraumteil 4 drückt und den Nehmerkolben 2 in Richtung des nun öffnenden Gaswechselventils 1 verdrängt. Wenn die Mantelfläche der Nehmerkolbenstange 14 die Mündung des zweiten Druckspeicherkanals 12 im ersten Nehmerkolbenraumteil 3 freigibt, kann sich der Kolbendruckspeicher 7 bei geöffnetem Rückschlagventil 13 über beide Druckspeicherkanäle 9, 12 in den ersten Nehmerkolbenraumteil 3 entlasten, wobei die in der Kolbenspeicherfeder 32 gespeicherte Federarbeit über die zusätzliche Druckbeaufschlagung des ausfahrenden Nehmerkolbens 2 in Federarbeit der sich spannenden Gaswechselventilfeder 6 umgespeichert wird und diese Energie nicht von der Nockenwelle 19 aufzubringen ist.
-
5: das Gaswechselventil 1 erreicht bei nach wie vor geschlossenem Hydraulikventil 22 und maximaler Nockenerhebung der Nockenwelle 19 seinen maximalen Ventilhub. Der Kolbendruckspeicher 7 ist bis auf einen das Sperrventil 29 schließenden Restdruck entladen.
-
Das in 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Entfall des weiteren Kolbendruckspeichers 24 und des Rückschlagventils 13 im zweiten Druckspeicherkanal 612. Letzteres bewirkt, dass der Speicherkolbenraum 608 bei schließendem Gaswechselventil 1 zunächst über beide Druckspeicherkanäle 609, 612 befüllt wird, bevor die Mündung des zweiten Druckspeicherkanals 612 von der Mantelfläche der Nehmerkolbenstange 614 verschlossen wird. Ein weiterer Unterschied besteht in der hydraulischen Ansteuerung des Sperrventils 629, dessen Sperrventilkolben 630 in diesem Fall vom Hydraulikmitteldruck im Geberkolbenraum 616 betätigt wird.
-
Das in 7 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass hier der dritte Druckentlastungskanal 727 bei schließendem Gaswechselventil 1 stromabwärts des Sperrventils 729 an den zweiten Druckentlastungskanal 726 angeschlossen ist.
-
Das in 8 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von den ersten drei Ausführungsbeispielen dadurch, dass hier in vertauschter Anordnung der Geberkolbenraum 816 an den ersten Nehmerkolbenraumteil 803 und der Kolbendruckspeicher 807 an den zweiten Nehmerkolbenraumteil 804 angeschlossen sind. Dementsprechend mündet der erste Druckspeicherkanal 809 gegenüberliegend der Ringstirnseite des Nehmerkolbens 802, und der zweite Druckspeicherkanal 812 mündet in der im Durchmesser erweiterten Zylinderwand der Nehmerkolbenbohrung 815, so dass bei vollständig geschlossenem Gaswechselventil 1 der große Durchmesserabschnitt des Nehmerkolbens 802 den zweiten Druckspeicherkanal 812 verschließt. Zudem wird – anders als in 4 – die Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 1 dadurch initiiert, dass der Geberkolbenraum 816 den Nehmerkolbenraumteil 803 druckbeaufschlagt, um den Nehmerkolben 802 über dessen Nehmerkolbenstange 814 zu verdrängen.
-
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel ist weiterhin ein zusätzliches Rückschlagventil 834 in einem weiteren Verbindungskanal 835 angeordnet, der den ersten Druckentlastungskanal 820 mit dem ersten Druckspeicherkanal 809 verbindet. Das zusätzliche Rückschlagventil 834 schließt in Richtung des ersten Druckentlastungskanals 820.
-
Das in 9 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 8 dadurch, dass nicht nur die Mündung des zweiten Druckspeicherkanals 912, sondern auch die Mündung des ersten Druckspeicherkanals 909 so im zweiten Nehmerkolbenraumteil 904 positioniert ist, dass bei schließendem Gaswechselventil 1 beide Druckspeicherkanäle 909 und 912 von der Mantelfläche des Nehmerkolbens 902 im Bereich von dessen großem Durchmesserabschnitt verschlossen werden. Diese Anordnung der Kanalmündungen ist auch bei den ersten drei Ausführungsbeispielen möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gaswechselventil
- 2
- Nehmerkolben
- 3
- erster Nehmerkolbenraumteil
- 4
- zweiter Nehmerkolbenraumteil
- 5
- Ventilspielausgleichselement
- 6
- Gaswechselventilfeder
- 7
- Kolbendruckspeicher
- 8
- Speicherkolbenraum
- 9
- erster Druckspeicherkanal
- 10
- Speicherkolben
- 11
- Speicherkolbenstange
- 12
- zweiter Druckspeicherkanal
- 13
- Rückschlagventil im zweiten Druckspeicherkanal
- 14
- Nehmerkolbenstange
- 15
- Nehmerkolbenbohrung
- 16
- Geberkolbenraum
- 17
- Geberkolben
- 18
- Schlepphebel
- 19
- Nockenwelle
- 20
- erster Druckentlastungskanal
- 21
- Druckentlastungsraum
- 22
- Hydraulikventil
- 23
- Verbindungskanal
- 24
- weiterer Kolbendruckspeicher
- 25
- weiteres Rückschlagventil
- 26
- zweiter Druckentlastungskanal
- 27
- dritter Druckentlastungskanal
- 28
- Drossel
- 29
- Sperrventil
- 30
- Sperrventilkolben
- 31
- Sperrventilfeder
- 32
- Kolbenspeicherfeder
- 33
- Gaswechselventilsitz
- 34
- zusätzliches Rückschlagventil
- 35
- weiterer Verbindungskanal
