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Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung für ein variables Ventiltriebsystem, aufweisend die folgenden Komponenten:
- - einen Bremszylinder zum Bilden einer Druckkammer;
- - ein Kurzschlussventil, welches beim Bremsvorgang verschlossen ist und sonst offen ist;
- - einen Bremskolben, welcher in einer Position minimal beabstandet von dem Kurzschlussventil in einer Schließposition und maximal beabstandet von dem Kurzschlussventil in einer Offenposition befindet;
- - einen mechanischen Anschluss für ein Gasventil eines Zündzylinders einer Verbrennungskraftmaschine zum Übertragen von Kräften auf das Gasventil,
wobei das Gasventil bei der Schließposition des Bremskolbens schließbar oder geschlossen ist und wobei das Gasventil bei der Offenposition des Bremskolbens geöffnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind variable Ventiltriebsysteme bekannt, mit welchen bei Verbrennungskraftmaschinen die Emission von Kohlendioxid und Abgasschadstoffen reduziert werden soll. Hierzu soll eine hohe Variabilität hinsichtlich der Nockenwellenphasenverstellung und eines variablen Öffnungsverlaufs erreicht werden. Es ist ein Ventiltriebsystem bekannt, bei welchem eine konventionell betriebene Nockenwelle indirekt über ein hydraulisches System auf ein Gasventil einwirkt, beispielsweise ein Einlassventil eines Zündzylinders einer Verbrennungskraftmaschine und/oder eines entsprechenden Auslassventils. Hierbei ist die zeitlich getaktete Anregung durch die Nockenwelle mittels des hydraulischen Systems, welches hier als das variable Ventiltriebsystem bezeichnet wird, mit veränderlichem Zeitverlauf und veränderlicher Hubhöhe auf das betreffende Gasventil übertragbar. Ein solches variables Ventiltriebsystem ist beispielsweise unter dem Markennamen UniAir™ oder MultiAir™ bekannt.
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Aufgrund der enorm hohen Geschwindigkeiten und zugleich enorm häufigen Wiederholungen über eine angestrebte Lebensdauer wird es als erforderlich angesehen, eine Bremsvorrichtung für das Gasventil zwischenzuschalten, so dass die Einschlaggeschwindigkeit des Ventildeckels des Gasventils auf dem korrespondierenden Ventildeckelsitz auf eine maximale Geschwindigkeit begrenzt wird. Diese Bremsvorrichtung soll jedoch beim Öffnen des Gasventils kurzgeschlossen werden, so dass eine erforderliche hohe Öffnungsgeschwindigkeit des Gasventils erreichbar bleibt.
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Eine solche Bremsvorrichtung weist hierzu eine Druckkammer in einem Bremszylinder und einen Bremskolben auf, wobei der Bremszylinder eine Strömungsöffnung aufweist, durch welche die hydraulische Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit austreten kann. Weiterhin weist die Bremsvorrichtung ein Kurzschlussventil zu der Druckkammer auf. Bei einer solchen (hier als positiv bezeichneten) Druckdifferenz, dass die hydraulische Flüssigkeit von einem Zulass in die Druckkammer eindringen will, wird das Kurzschlussventil geöffnet. Durch dieses hindurch tritt beispielsweise zusätzlich zu der mindestens einen Strömungsöffnung, hydraulische Flüssigkeit in die Druckkammer ein. Beim umgekehrten Fall (also negative Druckdifferenz: Druck in der Druckkammer ist höher als in dem Zulass) wird das Kurzschlussventil verschlossen. Dann ist einzig die mindestens eine Strömungsöffnung durchströmbar. Dadurch entsteht die Bremswirkung beim Schließen des Gasventils.
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Für verschiedene Anwendungen, beispielsweise einer Einzelansteuerung für ein Gasventil bei einem einzigen Ventiltriebsystem für zwei oder mehr Gasventile, ist es erforderlich, eine zusätzliche Schaltvorrichtung zu schaffen, um eben das einzige Gasventil der Mehrzahl der betriebenen Gasventile einzeln ansteuern zu können. Hierzu ist die Möglichkeit erkannt worden, an der Bremsvorrichtung eine zusätzliche Kolbenfläche zu schaffen, welches separat ansteuerbar ist (SVA, engl.: Single Valve Actuation). In einer weiteren Anwendung ist angestrebt, die Effizienz des Ventiltriebsystems zu steigern, indem ein Teil des eingespeisten Drucks zum Antreiben des Gasventils beim Schließen des Gasventils nicht einfach abzubauen (in der Regel in Wärme), sondern die hydraulische Flüssigkeit in einem Hochdruck Speicher aufzunehmen. Auch hierfür bietet es sich an, eine zusätzliche Kolbenfläche zu schaffen, über welche die Einspeicherung stattfindet beziehungsweise auf welche die unter hohem Druck gespeicherte hydraulische Flüssigkeit wieder aufgegeben werden kann (BER, engl.: Brake Energy Recovery).
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung für ein variables Ventiltriebsystem, aufweisend die folgenden Komponenten:
- - einen Bremszylinder zum Bilden einer Druckkammer, aufweisend eine Bewegungsachse und eine Strömungsöffnung;
- - ein Kurzschlussventil, welches einen Ventilkörper, einen Schließventilsitz und einen Offenventilsitz aufweist, wobei beim Bremsvorgang der Ventilkörper gegen den Schließventilsitz geführt ist, so dass das Kurzschlussventil beim Bremsvorgang verschlossen ist und sonst offen ist;
- - einen Bremskolben, welcher infolge einer Druckänderung in der Druckkammer des Bremszylinders entlang der Bewegungsachse bewegbar ist, wobei sich der Bremskolben in einer Position minimal beabstandet von dem Kurzschlussventil in einer Schließposition und maximal beabstandet von dem Kurzschlussventil in einer Offenposition befindet;
- - einen mechanischen Anschluss für ein Gasventil eines Zündzylinders einer Verbrennungskraftmaschine zum Übertragen von Kräften auf das Gasventil,
wobei das Gasventil bei der Schließposition des Bremskolbens schließbar oder geschlossen ist, und wobei das Gasventil bei der Offenposition des Bremskolbens geöffnet ist.
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Die Bremsvorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Bremszylinder und der Bremskolben eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufweisen und somit zueinander korrespondierend zweistufig ausgebildet sind.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Bewegungsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden.
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Die hier vorgeschlagene Bremsvorrichtung umfasst einen Bremskolben, bei welchem eine erste und eine zweite Stufe gebildet sind, so dass über diese Stufen der Bremskolben separat ansteuerbar ist. Über diese Stufen ist somit eine Möglichkeit geschaffen, eine größere Kraft auf den Bremskolben aufzugeben und/oder bei gleicher Kraft aber geringerem Druck mit einer größeren Fläche auf den Bremskolben einzuwirken. Alternativ sind die beiden Stufen jeweils separat mit dem Druck einer hydraulischen Flüssigkeit beaufschlagbar, also separat ansteuerbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform für eine Einzelventilsteuerung (SVA) ist eine (beispielsweise die zweite) Stufe lediglich als Zusatzvolumen gebildet, welches genauso groß wie das (Einstufen-) Volumen einer weiteren Bremsvorrichtung ausgebildet ist. Die beiden Bremsvorrichtungen sind dann über eine hydraulische Brücke von einer gemeinsamen Pumpe angetrieben. Die weitere Bremsvorrichtung ist dann in der gemeinsamen hydraulischen Brücke der zweistufigen Bremsvorrichtung nachgeschaltet. Wird über ein Schaltventil das Zusatzvolumen freigegeben, so entweicht die hydraulische Flüssigkeit in dieses Zusatzvolumen, so dass der Druck nicht mehr ausreicht, um die weitere Bremsvorrichtung zu öffnen. Die hydraulische Flüssigkeit ist somit der weiteren Bremsvorrichtung sozusagen weggenommen. Die zweistufige Bremsvorrichtung ist jedoch, zumindest ideal betrachtet, weiterhin einzig, in der Realität hauptsächlich, über die dauerhaft zu der hydraulischen Brücke geöffnete (beispielsweise die erste) Stufe mit einem derart hohen Druck beaufschlagt, dass der (zweistufige) Bremskolben in Richtung der Bewegungsachse ausgetrieben wird. Für eine Bremsenergierückgewinnung ist beispielsweise eine der beiden (beispielsweise die erste) Stufen mit einem Hochdruckspeicher verbunden, so dass in einem separaten hydraulischen Hochdruckkreislauf die von der Nockenwelle zugeführte Betätigungsenergie zumindest teilweise einspeicherbar ist und zu einem hohen Wirkungsgrad als mechanische Energie wieder an die Bremseinrichtung abgebbar ist. Die andere Stufe (beispielsweise die zweite) ist annähernd konventionell betrieben.
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Die Bremsvorrichtung ist für ein variables Ventiltriebsystem eingerichtet, beispielsweise wie es eingangs beschrieben ist. Hierzu weist die Bremsvorrichtung einen Bremszylinder auf, in welchem eine Druckkammer gebildet ist, in welcher die erforderlichen (hohen) Drücke erzeugbar sind, um den Bremskolben derart entlang der Bewegungsachse auszutreiben, dass dadurch das zugehörige Gasventil offenbar beziehungsweise dessen Ventildeckel vom Ventilsitz abhebbar ist. Bei diesem Öffnungsvorgang wird ein Kurzschlussventil geöffnet, indem eine (positive) Druckdifferenz von außerhalb der Druckkammer (von einem pumpenseitigen Zulass) anliegt, so dass der Ventilkörper hin zu dem Offenventilsitz verlagert wird. Infolge der beim Bremsvorgang gegenüber dem Öffnungsvorgang umgekehrten (also negativen) Druckdifferenz über dem Kurzschlussventil, also von der Druckkammer zum pumpenseitigen Zulass, wird der Ventilkörper gegen den Schließventilsitz geführt, so dass das Kurzschlussschlussventil geschlossen ist und ein Ausströmen der hydraulischen Flüssigkeit allein über die Strömungsöffnung ermöglicht ist.
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Damit ist bei positiver Druckdifferenz eine weitere Strömungsöffnung geschaffen, so dass die Einströmgeschwindigkeit höher ist, als wenn die hydraulische Flüssigkeit einzig über die dauerhaft geöffnete Strömungsöffnung einströmt. In einigen Ausführungsformen ist das Kurzschlussventil in einer minimalen Stellung des Bremskolbens die einzige durchströmbare Öffnung, weil die anderen Strömungsöffnungen von dem Bremskolben selbst verschlossen sind. Dann ist das Kurzschlussventil nicht einzig zum Kurzschließen vorgesehen.
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Eine solche Strömungsöffnung ist beispielsweise bezogen auf die Bewegungsachse eine seitliche Öffnung zu der Druckkammer, wobei ein Bremsvorgang über eine dadurch definierte maximale Ausströmgeschwindigkeit bestimmt ist. Alternativ oder ergänzend ist infolge der relativen Lage des Bremskolbens beim Bremsvorgang, also bei einer Volumenabnahme der Druckkammer, mittels Verdecken einer von mehreren Strömungsöffnungen und/oder Verändern des Strömungsquerschnitts der einen oder mehreren Strömungsöffnungen eine Verlangsamung der Rückkehrbewegung des Ventildeckels auf den Ventildeckelsitz des Gastventils bewirkt.
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Befindet sich der Bremskolben nahe bei dem Kurzschlussventil ist die Druckkammer verkleinert und das Gasventil wenig geöffnet oder geschlossen und befindet sich der Bremskolben weit beabstandet von dem Kurzschlussventil ist die Druckkammer größer und das Gasventil geöffnet beziehungsweise weiter offen. Der minimale Abstand zu dem Kurzschlussventil des Bremskolbens stellt somit eine Schließposition für das Gasventil da und der maximale Abstand von dem Kurzschlussventil eine Offenposition, weil bei der Offenposition des Ventildeckels des Gasventils (maximal) von seinem Ventildeckelsitz abgehoben ist.
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Der mechanische Anschluss von dem Bremskolben zu dem Gasventil ist in der Regel über ein in Ventilausgleichelement, beispielsweise ein HVA (vergleiche oben), geschaffen, welches beispielsweise thermische (axiale) Ausdehnungen (beispielsweise des Schafts) des Gasventils ausgleicht. Das Gasventil unterliegt hohen Temperaturen und Temperaturwechseln sowie hohen mechanischen Beschleunigungen. Grundsätzlich kann ein solcher mechanischer Anschluss aber auch über einen (direkten) Anschlag zu dem Gasventil geschaffen sein, wenn die Randbedingungen des Betriebs dies erlauben.
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Indem der Bremskolben und entsprechend der Bremszylinder zweistufig gebildet sind, sind zwei Druckkammern geschaffen über welche der Bremskolben separat oder ergänzend hydraulisch betätigbar ist. Hierbei ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher die Bremsvorrichtung in einen üblicherweise verfügbaren Bauraum integrierbar ist. Bevorzugt sind in einem solchen konventionellen Bauraum Ventiltriebsysteme einrichtbar, mittels welchen alle beziehungsweise die gewünschten Gasventile eines Zündzylinders mittels einer gemeinsamen hydraulischen Brücke betätigbar sind und zugleich eine Einzelansteuerung von einem oder einer Untergruppe von Gasventilen ermöglicht ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung der Bremsvorrichtung als zweistufig nicht ausschließt, dass eine weitere Stufe vorgesehen ist, beispielsweise zum Integrieren einer weiteren Funktion. Es ist damit also gemeint, dass die Bremsvorrichtung zumindest zweistufig ist, aber auch eine mehrstufige Ausführungsform ist umfasst. Für viele Anwendungen ist eine Ausführungsform mit nicht mehr als zwei Stufen ausreichend und beispielsweise hinsichtlich der Komplexität die bevorzugte Ausführungsform der Bremsvorrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Bremsvorrichtung ist der Bremskolben zweiteilig ausgeführt, so dass die erste Stufe von einem ersten Teilkolben und die zweite Stufe von einem zweiten Teilkolben gebildet sind.
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Aufgrund der hohen Anforderungen an die Koaxialität der beiden Stufen ist es vorteilhaft zu den Bremskolben zweiteilig auszuführen, so dass ein erster Teilkolben und ein zweiter Teilkolben separat voneinander fertigbar sind. Dies ermöglicht es unter verringerten Toleranzanforderungen, also mit größeren Toleranzmaßen, zueinander passende Paare von ersten und zweiten Teilkolben miteinander zu fügen beziehungsweise einzusetzen. Dies reduziert die Fertigungskosten insbesondere kann auf einen teuren zentrierten Schleifschritt verzichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Bremsvorrichtung sind der erste Teilkolben und der zweite Teilkolben bezogen auf deren Koaxialität zu der Bewegungsachse schwimmend zueinander gelagert.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Teilkolben bezogen auf die Bewegungsachse derart zueinander gelagert, dass Fertigungsungenauigkeiten (bezogen auf die Bewegungsachse) radial ausgleichbar sind. Hierdurch ist beispielsweise auch die Fertigung der zwei Stufen des Bremszylinders mit reduzierter Toleranzanforderung, also mit größeren Toleranzmaßen, ausführbar. Zudem ist vermeidbar, dass über ein Verbinden oder Fügen der beiden Teilkolben zueinander eine weitere Fertigungstoleranz beziehungsweise Montagetoleranz zu berücksichtigen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Bremsvorrichtung sind der erste Teilkolben und der zweite Teilkolben mittels eines Federmittels radial gegeneinander verspannt, wobei bevorzugt das Federmittel ein Polygonring ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die schwimmende Lagerung über ein Federmittel geschaffen, so dass die genaue Ausrichtung der Teilkolben zueinander entgegen einer Federkraft radialen Federkraft ausgerichtet ist. Beispielsweise ist ein solches Federmittels von einem O-Ring gebildet, welcher zwischen entsprechenden Fügeflächen beziehungsweise Anschlagflächen elastisch eingespannt ist. Besonders vorteilhaft ist das Federmittel von einem Polygonring gebildet, welcher zur Herstellung der erforderlichen Koaxialität eine Kraftübertragung auf die entsprechenden Flächen zur Ausrichtung der Teilkolben zueinander über den gesamten Umfang ermöglicht, dabei einfach zu montieren ist und wenig Bauraum erfordert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Bremsvorrichtung sind der erste Teilkolben und der zweite Teilkolben mittels eines Federmittels, bevorzugt nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, axial gegeneinander verspannt, wobei bevorzugt das Federmittel ein Polygonring ist.
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Bei einigen Anwendungen einer solchen Bremsvorrichtung können aufgrund von abweichender Masse, Reibungseffekten und/oder Trägheit sowie Toleranzen im hydraulischen System Betriebspunkte auftreten, bei welchen Teilkolben, welche axial bloß aufeinander gestellt sind und sich voneinander trennen können. Infolge eines Einströmens in den Spalt zwischen erstem und zweitem Teilkolben würde einer der Teilkolben zwischen den beiden Druckkammern angeordnet und die Druckdifferenz an diesem Teilkolben aufgehoben. Bei einem axialen Abheben von dem anderen Teilkolben würde somit die Funktion des Teilkolbens beziehungsweise der gesamten Bremsvorrichtung aufgehoben. Um ein solches Abheben bei solchen Betriebspunkten zu vermeiden, wird hier vorgeschlagen, den ersten Teilkolben und den zweiten Teilkolben mittels eines Federmittels gegeneinander zu verspannen, also aufeinanderzupressen.
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Besonders bevorzugt ist hierfür das Federmittel vorgesehen, welches zudem die Koaxialität des ersten und zweiten Teilkolbens zueinander sicherstellt. Das Federmittel ist beispielsweise ein O-Ring.
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Ganz besonders bevorzugt ist das Federmittel von einem Polygonring gebildet, besonders bevorzugt mit radialem und axialem Federanteil, so dass mit geringem Bauraum, wenigen Montageschritten und einfacher Montage der erste und zweite Teilkolben miteinander fügbar sind. Die beiden Teilkolben sind hierbei mit einer sehr geringen Toleranzanforderung, also großen zulässigen Toleranzmaßen, fertigbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein variables Ventiltriebsystem für einen Zündzylinder einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend die folgenden Komponenten:
- - eine zweistufige Bremsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
- - eine Pumpe, welche mittels eines Nockens einer Nockenwelle betätigbar ist;
- - ein Schaltventil, welches mittels eines ersten Wegs die Pumpe mit der zweistufigen Bremsvorrichtung kommunizierend verbindet und mittels eines zweiten Wegs eine Überlaufvorrichtung mit der Pumpe kommunizierend verbindet, wobei bei einer Offenstellung des Schaltventils der erste Weg geöffnet und der zweite Weg geschlossen ist und bei einer Geschlossenstellung des Schaltventils der zweite Weg geöffnet ist, so dass in der Offenstellung des Schaltventils mittels eines von der Pumpe erzeugten Pumpendrucks der Bremskolben in die Offenposition überführbar ist und in der Geschlossenstellung des Schaltventils trotz Pumpendrucks das Gasventil schließbar oder geschlossen ist.
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Zunächst sei nochmal darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung der Bremsvorrichtung als zweistufig nicht ausschließt, dass eine weitere Stufe vorgesehen ist. Dieser Zusatz dient also allein der besseren Unterscheidbarkeit von der anderen Bremsvorrichtung, welche nicht zwangsläufig zweistufig ausgeführt ist.
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Das hier beschriebene variable Ventiltriebsystem ist beispielsweise als Ersatz für ein bekanntes UniAir™- oder MultiAir™-Ventiltriebsystem einsetzbar. In Zusammenarbeit mit einer, beispielsweise konventionellen, Nockenwelle, ist ein Gasventil eines Zündzylinders einer Verbrennungskraftmaschine variabel ansteuerbar. Hierzu wird lediglich eine Pumpe von einem Nocken der Nockenwelle betätigt, also die mechanische Kraft auf eine hydraulische Flüssigkeit übertragen. Über ein Schaltventil wird die hydraulische Flüssigkeit entweder auf die Bremsvorrichtung geleitet oder auf eine Überlaufvorrichtung, so dass die Kraftübertragung und insbesondere der Zeitpunkt der Kraftübertragung gegenüber dem Kraftübertragungsverlauf mittels des jeweiligen Nockens der Nockenwelle in weiten Bereichen veränderbar ist. Die Bremsvorrichtung übernimmt dabei einerseits die Übertragung der mechanischen Kraft von der hydraulischen Flüssigkeit auf das Gasventil (beim Öffnen) und andererseits ein Dämpfen und Verlangsamen des Schließvorgangs des Gasventils. Letzteres wird bei einem (starren) Ventiltriebsystem mit direkter Einwirkung der Nockenwelle auf das Gasventil von der Kulisse des betreffenden Nockens übernommen.
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Hierbei ist nun eine zweistufige Bremsvorrichtung vorgesehen, wie sie oben beschrieben ist. Damit ist beispielsweise die Variabilität und/oder Effizienz erhöhbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des variablen Ventiltriebsystems sind mittels der Pumpe ein erstes Gasventil und ein zweites Gasventil betätigbar,
- - wobei das erste Gasventil mittels der zweistufigen Bremsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung betätigbar ist und das zweite Gasventil mittels einer einstufigen Bremsvorrichtung betätigbar ist,
- - wobei die zweistufige Bremsvorrichtung ein zweites Schaltventil umfasst,
- - wobei die erste Stufe der zweistufigen Bremsvorrichtung und die einstufige Bremsvorrichtung mittels des ersten Schaltventils schaltbar kommunizierend mit der Pumpe verbindbar sind und die zweite Stufe der zweistufigen Bremsvorrichtung mittels des zweiten Schaltventils schaltbar kommunizierend mit der Pumpe verbindbar ist.
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Bei dieser Konfiguration ist eine gemeinsame hydraulische Brücke vorgesehen, so dass zwei oder mehr Bremsvorrichtungen und/oder zwei oder mehr Gasventile, also einer (einzigen) Bremsvorrichtung pro Gasventil oder pro Gruppe von Grasventilen (mit einer Bremsvorrichtung nachgeordneter mechanischer Brücke), mittels einer gemeinsamen Pumpe und/oder ausgehend von einem gemeinsamen Nocken betätigbar sind. Für eines der Gasventile ist trotz gemeinsamer hydraulischer Brücke eine Einzelansteuerung ermöglicht, auch als SVA (engl.: Single Valve Actuation) bezeichnet.
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Diese Ausführungsform ist unter konventionellen Bauraumvorgaben umsetzbar. Das zweite Schaltventil ist beispielsweise dem ersten Schaltventil nachgeschaltet. Beispielsweise nimmt das zweite Schaltventil über einen Zulass zu einer ansonsten gesperrten Stufe der weiteren, beispielsweise einstufigen und/oder konventionellen, (zweiten) Bremsvorrichtung den Volumenstrom derart ab, dass der an dieser weiteren (zweiten) Bremsvorrichtung anliegende Druck für ein Betätigen des einen beziehungsweise der Mehrzahl von zugehörigen Gasventilen nicht mehr ausreicht. Alternativ ist dann der Zulass zu der weiteren (zweiten) Bremsvorrichtung gesperrt, beispielsweise mittels des zweiten Schaltventils, wenn dieses den Zulass zu der anderen, beispielsweise zweiten, Stufe der (ersten) zweistufigen Bremsvorrichtung freigibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des variablen Ventiltriebsystems ist eine der Stufen der zweistufigen Bremsvorrichtung mit einem Hochdruckspeicher verbunden, so dass zur Energierückgewinnung bei einem Bremsvorgang der Druck der betreffenden Stufe in dem Hochdruckspeicher einspeicherbar ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine oder eine Mehrzahl von Bremsvorrichtungen vorgesehen. Beispielsweise ist diese Ausführungsform mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform zur Einzelventilansteuerung kombiniert, wobei die zweistufige (erste) Bremsvorrichtung eine weitere (dritte) Stufe, oder eine, beispielsweise zweite, Stufe mit, beispielsweise abhängig von der Stellung des zweiten Schaltventils, unterschiedliche Funktion aufweist. Alternativ ist eine erste Bremsvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen und eine weitere (zweite) Bremsvorrichtung wie hier beschrieben vorgesehen, wobei diese beispielsweise baugleich sind.
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Die zusätzliche Stufe, beispielsweise die erste Stufe, ist zur Bremsenergierückgewinnung mit einem Hochdruckspeicher verbunden, so dass die beim Austreiben des Bremskolbens in der (ersten) Druckkammer aufgenommene hydraulische Flüssigkeit in einem Hochdruckspeicher aufgenommen wird. Ein solcher Hochdruckspeicher ist beispielsweise eine kommunizierend mit der (ersten) Druckkammer der Bremsvorrichtung verbundener, beispielsweise federbelasteter, Druckraum. Beispielsweise bilden der Hochdruckspeicher und die (erste) Druckkammer einen geschlossenen Hochdruckkreislauf, wobei bevorzugt die Leitung zwischen dem Hochdruckspeicher und der (ersten) Druckkammer dieselbe und einzige des Hochdruckkreislaufs ist. Zusätzlich ist gegebenenfalls eine hydraulische Verbindung zu einer, beziehungsweise der gemeinsamen, Überlaufvorrichtung geschaffen. Die andere (hier dann zweite) Stufe ist beispielsweise konventionell betrieben. Bei einer Mehrzahl weiterer Stufen sind diese beispielsweise wie zuvor hinsichtlich der Einzelventilsteuerung beschrieben betrieben.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: in einer Schnittansicht ein zweiteiliger Bremskolben in einer zweistufigen Bremsvorrichtung;
- 2: ein Ausschnitt bei dem Federmittel des Bremskolbens gemäß 1;
- 3: ein als Polygonring ausgeführtes Federmittel;
- 4: ein Ausschnitt einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Ventiltriebsystem für zwei Gasventile zur Einzelventilsteuerung; und
- 5: ein Ventiltriebsystem mit einem BER-Kreislauf.
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In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder.
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1 zeigt im Schnitt eine Bremsvorrichtung 1, bei welcher in einem Bremszylinder 3 ein zweiteiliger Bremskolben 11 vorgesehen ist, so dass die Druckkammer 4 zweistufig ausgeführt ist. Der Bremskolben 11 umfasst eine erste Stufe 17, welche von einem erster Teilkolben 19 gebildet ist und eine zweite Stufe 18, welche von einem zweiter Teilkolben 20 gebildet ist. Die beiden Teilkolben 19 und 20 sind mittels eines Federmittels 21 radial schwimmend miteinander verbunden. Der Bremskolben 11 ist entlang der Bewegungsachse 5 bewegbar, wenn über eine Strömungsöffnung 6 (für die zweite Stufe 18 ist mindestens eine weitere Strömungsöffnung vorgesehen, welche hier aber verdeckt ist) und über ein Kurzschlussventil 7 eine druckhydraulische Flüssigkeit einströmen, so dass eine Bewegung (gemäß der Darstellung nach unten) induziert wird. Diese Bewegung wird mittels eines Anschlusses 12, welcher hier als hydraulisches Ausgleichselement (als HVA bezeichnet, engl.: Hydraulic Valve Adjuster) ausgeführt ist, um beispielsweise thermische Dehnungen des betätigten Gasventils auszugleichen. Das Kurzschlussventil 7 umfasst einen Ventilkörper 8, welcher zwischen einem Schließsitz 9 und einem Offensitz 10 angeordnet ist, und bei einem Einströmen (positive Druckdifferenz) von hydraulischer Flüssigkeit in die Druckkammer 4 wird der Ventilkörper 8 gegen den (druckkammerseitigen) Offensitz 10 bewegt, so dass die hydraulische Flüssigkeit durch eine Öffnung des Offensitzes 10 in die Druckkammer einströmen kann. Wird hingegen die Druckdifferenz über dem Kurzschlussventil 7 umgekehrt (negativ), also der Druck in der Druckkammer viel größer als bei dem außerhalb liegenden (pumpenseitigen) Zulass, wird der Ventilkörper 8 gegen den (pumpenseitigen) Schließsitz 9 gedrückt, so dass eine Öffnung bei dem Schließsitz 9 verschlossen ist. Lediglich die mindestens eine Strömungsöffnung 6 fungiert als Auslass für die hydraulische Flüssigkeit in der Druckkammer 4. Dadurch wird eine vorbestimmte Bremswirkung erzielt. Die Bremsvorrichtung 1 ist hier in ein (aufnehmendes) Element eingeschraubt, wobei dies eine optionale Befestigung Möglichkeit ist. Das aufnehmende Element umfasst Anschlüsse und/oder Leitungen für die hydraulische Beschaltung und ist beispielsweise als ein Aluminiumbrick ausgeführt.
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In 2 wird die schwimmende Lagerung gemäß 1 zwischen dem ersten Teilkolben 19 und dem zweiten Teilkolben 20 mittels des Federmittels 21 im Detail dargestellt, wobei das Federmittel 21 bevorzugt als Polygonring ausgeführt ist, beispielsweise wie in 3 gezeigt. Der erste Teilkolben 19 weist einen ersten Montageanschlag 36 auf und der zweite Teilkolben 20 einen zweiten Montageanschlag 37. Diese Montageanschläge 36 und 37 liegen rein mechanisch betrachtet axial lose aufeinander und werden im Betrieb von den Antagonisten aus Betriebsdruck in der (in der Darstellung oberen, also hier ersten) Druckkammer und einer Ventilfeder, beispielsweise der Schließfeder 34 gemäß 4, aufeinander gehalten. Bevorzugt werden die Montageanschläge 36 und 37 zusätzlich mittels des Federmittels 21 aufeinandergedrückt. Das Federmittel 21 ist hier in einer Federnut 38 im ersten Teilkolben 19 aufgenommen und wirkt radial, und bevorzugt auch axial, gegen einen Federsitz 39 des zweiten Teilkolbens 20.
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In 3 ist in Draufsicht, also mit der Bewegungsachse 5 aus der Blattebene hinaus zeigend, ein Federmittel 21 ausgeführt als axial und radial wirkender Polygonring dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die radiale Ausdehnung über den Umfang unterschiedlich ist, also der (Ausdehnungs-) Radius des Polygonrings bezogen auf die Bewegungsachse 5 nicht konstant ist. Weiterhin weist der Polygonring hier, durch die sich etwa radial erstreckenden Linien angedeutet, eine Wellung mit Amplitude in Richtung der Bewegungsachse auf. Beispielsweise ist diese (axiale) Wellung des Polygonrings im Einbau auf (nahezu) Block gebracht, so dass ein geringer Bauraum für diese axiale Verspannung benötigt wird.
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In 4 ist ein variables Ventiltriebsystem 2 gezeigt, welches für den gemeinsamen Betrieb eines ersten Gasventils 13 und eines zweiten Gasventils 14 für eine Brennkammer 33, auch als Hubraum oder Brennraum bezeichnet, für eine Zündzylinder 15 und einen Hubkolben 32 einer Verbrennungskraftmaschine 16 eingerichtet ist. Das erste Gasventil 13 und das zweite Gasventil 14 sind bevorzugt beides Einlassventile zum Einlassen von Luft und/oder einem Brennstoff(-gemisch). Das erste Gasventil 13 ist mittels eines Anschlusses 12 von einer Bremseinrichtung 1 und das zweite Gasventil 14 von einer weiteren Bremseinrichtung 31 betätigt, wobei das zweite Gasventil 14 hier geschlossen ist, während das erste Gasventil 13 geöffnet ist.
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Rechts in der Darstellung ist eine Nockenwelle 24 zu erkennen, bei welcher ein Nocken 23, hier über einen Nockenhebel 35 wirkend, eine Pumpe 22 antreibt, so dass bei geschlossenem ersten Schaltventil 25 über den ersten Weg 27 (bildet hier eine hydraulische Brücke 40) beide Bremsvorrichtungen 1 und 31 die Betätigungskraft des Nockens 23 auf beide Gasventile 13 und 14 übertragen. Nimmt der Druck ausgehend von der Pumpe 22 ab, überwindet die Kraft der Schließfeder 34 den Druck der jeweiligen Bremsvorrichtung 1 beziehungsweise 31 und schließt das jeweilige Gasventil 13 und 14. Dieser Betriebszustand entspricht einem konventionellen (invariablen) Nockenwellenantrieb und stellt bevorzugt als Grundsicherheitseinstellung die Rückfallbetriebsweise dar.
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Sollen die Gasventile 13 und 14 weniger beziehungsweise später oder nicht geöffnet werden, so kann über das (geöffnete) erste Schaltventile 25 gesteuert ein Teil oder die gesamte hydraulische Flüssigkeit aus der Pumpe 22 in den Überlauf 29 über den zweiten Weg 28 geleitet werden.
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Hier ist die (erste, rechte) Bremsvorrichtung 1 zweistufig mit einem ersten Teilkolben 19 und einem zweiten Teilkolben 20 ausgeführt, wobei hier für Details auf die Beschreibung zur 1 verwiesen wird. Zum gesteuerten, also abschaltbaren, Beaufschlagen des zweiten Teilkolbens 20 mit hydraulischer Flüssigkeit der ersten Bremsvorrichtung 1 ist hier ein zweites Schaltventils 26 vorgesehen, welches geöffnet wird, wenn das zweite Gasventil 14 geschlossen bleiben soll; wenn also die weitere Bremsvorrichtung 31 nicht betätigt werden soll, auch wenn der Druck in der Pumpe 22 zunimmt. Dann wirkt die hydraulische Flüssigkeit von der Pumpe 22 über den ersten Weg 27 allein auf das erste Gasventil 13, weil der Druck für die zweite Bremsvorrichtung 31 nicht ausreicht, um die Kraft der betreffenden Schließfeder 34 des zweiten Gasventils 14 zu überwinden.
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In 5 ist ein variables Ventiltriebsystem 2 gezeigt, bei welchem eine einzige Bremsvorrichtung 1 über eine mechanische Brücke 41 auf zwei Gasventile 13 und 14 wirkt. Die hydraulische Architektur des Ventiltriebsystems 2 ist ähnlich wie in 4 und insoweit wird darauf verwiesen. Der erste Weg 27 ist hierbei mit der zweiten Stufe, also zum Einwirken auf den zweiten Teilkolben 20 der Bremsvorrichtung 1 eingerichtet. Zusätzlich dazu ist ein separater Hochdruckkreislauf vorgesehen, bei welchem ein Hochdruckspeicher 30 mit der ersten Stufe, also einwirkend auf den ersten Teilkolben 19, eingerichtet ist. Der Hochdruckspeicher 30 ist zur Energierückgewinnung vorgesehen und speichert die hydraulische Flüssigkeit der zweiten Stufe unter Druck (hier mittels Federlast) ein.
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Die hier vorgeschlagene zweistufige Bremsvorrichtung ist aufgrund einer kosteneffizienten und technisch zuverlässigen Fertigung gegenüber einstufigen Bremsvorrichtungen beziehungsweise gegenüber anderen variablen Ventiltriebsystemen wettbewerbsfähig.
