DE10358818B3

DE10358818B3 - Piezoelektrisch-hydraulischer Ventiltrieb und Verfahren zum Betreiben eines piezoelekrisch-hydraulischen Ventiltriebs

Info

Publication number: DE10358818B3
Application number: DE10358818A
Authority: DE
Inventors: Torsten Christoph; Heiko Georgi; David Musch
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2023-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltrieb für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren und ein dazugehöriges Verfahren zum Betreiben eines Ventiltriebs. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltrieb für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren und ein dazugehöriges Verfahren zum Betreiben des Ventiltriebs zu schaffen, mit dem eine genaue und hochdynamische Positionierung des Gaswechselventils bei einem verringerten Energieaufwand und unter Reduzierung des konstruktiven und technischen Aufwands erfolgt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass zwei elektrisch ansteuerbare Piezostapel jeweils über ein hydraulisches Übersetzungssystem mit einer Seite eines doppelt wirkenden Kolbens eines Gaswechselventils in Wirkverbindung stehen. Die Betätigung des Gaswechselventils erfolgt infolge der Aktivierung der Piezostapel, wobei die Piezostapel derart unterschiedlich angesteuert werden, dass ein Piezostapel eine vorbestimmte Menge an Druckmittel aus dem zugeordneten Verdrängungsraum verdrängt, während der andere Piezostapel seinen Verdrängungsraum um die verdrängte Druckmittelmenge erweitert.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltrieb mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen und ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltriebs mit dem im Oberbegriff des Patentanspruches 4 genannten Merkmalen.

Aus der DE 198 39 732 C2 ist eine piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung zum Öffnen und Verschließen der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren vorbekannt. Dabei übt eine mittels Piezoaktoren betätigte Membran einen Druck auf ein Hydraulikfluid aus, welches hydraulisch gekoppelt mit einem kleinen Stößelkolben des Gaswechselventils mittel- oder unmittelbar in Verbindung steht und ein mit einer Feder abgestütztes Ventil bei Expansion des Piezoaktors in Hubrichtung öffnet. Durch die Kraft der Feder, die entgegen des über die Piezoaktoren aufgebauten Drucks des Hydraulikfluids wirkt, wird das Gaswechselventil geschlossen.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass beim Öffnen des Gaswechselventils ein Druck durch das hydraulische Übersetzungssystem und somit durch die Piezoaktoren aufgebracht werden muss, der zusätzlich die Federkraft zum Schließen des Ventils überwindet. Dadurch wird insgesamt eine hohe Bewegungsenergie zum Öffnen des Gaswechselventils benötigt, die von den Piezoaktoren erzeugt werden muss.

Aus der DE 44 11 857 C2 ist eine hydraulisch betriebene Ventilsteuerungseinrichtung mit hydraulischer Dämpfung vorbekannt, bei der ein hydraulisch gesteuertes Ventil einen Ventilkolben aufweist, an dessen beiden Enden auf die Oberflächen ein Fluiddruck wirkt. Bei den durch den Ventilkolben in zwei Kammern unterteilten Zylinderraum ist die obere Kammer mit einer Hochdruckfluidquelle und die untere Kammer mit einer Niederdruckfluidquelle verbunden. Durch Zuführung eines Fluids in die obere Kammer erfolgt eine axiale Verschiebung des Ventils unter Freigabe eines Kanals. Das Schließen des Kanals durch das Ventil erfolgt durch Fluidzuführung in die untere Kammer. Die dem Fluiddruck von der Hochdruckquelle ausgesetzten Fläche des Ventilkolbens ist dabei größer als die dem Fluiddruck von der Niederdruckquelle ausgesetzten Fläche des Ventilkolbens. Die Zu- und Abfuhr des Fluids in die beiden Kammern erfolgt gesteuert durch Magnetventile.

Nachteilig bei den hydraulisch betriebenen Ventilsteuerungen ist, dass ständig durch eine Pumpe ein hydraulischer Volumenstrom zur Erzeugung des benötigen Fluiddrucks bereitgestellt werden muss. Der benötigte Energieaufwand zum Aufbau des geforderten Fluiddrucks ist verhältnismäßig hoch. Weiterhin werden durch die hydraulischen Anlagen, wie Pumpen, Speicher, Druckquellen, und deren Steuereinrichtungen zusätzlicher Bauraum benötigt. Außerdem ist eine aufwendige Steuerung zum zeitgerechten Öffnen und Schließen des Ventils notwendig.

Aus der DE 197 30 052 C1 ist ein piezohydraulischer Antrieb für Schaltgetriebe vorbekannt, bei dem die in einem Hohlzylinder angeordneten Piazoaktuatoren mit einer kugelförmigen Aussparung zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit versehen sind. Beim Anlegen einer Spannung an den Piazoaktuatoren wird die Flüssigkeit aus der kugelförmigen Aussparung verdrängt, gleichzeitig wird der Zwischenraum zwischen den Piazoaktuatoren und dem Hohlzylinder vergrößert. Durch die Verbindung von Hydraulikleitungen an den kugelförmigen Hohlraum und an den Hohlzylinderzwischenraum lassen sich Doppelkolbenhubgetriebe mit angelenkten Stellgliedern anschließen.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die Ausbildung der kugelförmigen Aussparung innerhalb der Piezoaktuatoren und dessen Anschluss an die Hydraulikleitung einen hohen konstruktiven und technischen Aufwand erfordert. Die vorgeschlagene Lösung ist jedoch nur gedacht zur Schaltung eines externen Stellantriebes zwischen zwei Stellungen. Hinweise auf eine Ventilsteuerungseinrichtung für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren sind aus dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Aus der US 3,635,016 (insbesondere 9) ist ein Piezoaktuator bekannt bei dem zwei getrennte Piezostapel unterschiedlich auf ein Nadelventil einwirken. Ausgehend von den Piezostapeln erfolgt eine mechanische Übersetzung der Bewegung über ein Hydraulikfluid. Die Piezostapel wirken über die hydraulische Übersetzung auf zwei getrennte, jeweils einzeln federbelastete Kolben die eine zweiteiliges Verschlusselement eines Nadelventils betätigen. Eine Vorrichtung zum Betätigen von Gaswechsel ventilen, welche über zwei auf einen Differenzkolben einwirkende Piezostapel zwangsbetätigt wird ist aus der Anmeldung nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltrieb für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren und ein dazugehöriges Verfahren zum Betreiben des Ventiltriebs zu schaffen, mit dem eine genaue und hochdynamische Positionierung des Gaswechselventils bei einem verringerten Energieaufwand und unter Reduzierung des konstruktiven und technischen Aufwands erfolgt.

Diese Aufgabe wird entsprechend der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entsprechend dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst.

Durch die Anordnung von zwei elektrisch ansteuerbaren Piezostapeln, die über ein hydraulisches Übersetzungssystem mit jeweils einer Seite eines doppelt wirkenden Kolbens des Gaswechselventils in Wirkverbindung stehen, wobei die Betätigung des Gaswechselventils infolge der Aktivierung der Piezostapel und Zuführung von Hydraulikdruckmittel auf der einen Seite des Doppelkolbens und Ableitung von Hydraulikdruckmittel auf der anderen Seite erfolgt, wird eine genaue und hochdynamische Positionierung des Gaswechselventils erreicht. Durch entsprechende Aktivierung der jeweiligen Piezostapel lassen sich gewünschte vorgegebene Öffnungs- und Schließzeiten des Gaswechselventils einstellen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in dem Wegfall der Schließfeder, die zur Erzeugung der Verschlusskraft des Gaswechselventils benötigt wurde. Dadurch braucht während des Öffnungsvorganges des Gaswechselventils nicht mehr die zum Schließen des Gasventils benötigte Federkraft überwunden werden. Die Folge davon ist, dass neben der geringeren aufzubringenden Kraft auch eine bessere Steuerung der Öffnungs- und Schließzeiten des Gaswechselventils hinsichtlich der Genauigkeit und der Schnelligkeit vorgenommen werden kann. Durch den Einsatz eines Piezoaktuators zur Erzeugung der Schließbewegung des Gas wechselventils werden gegenüber dem Einsatz einer Feder zum Schließen des Ventils Schließbewegungen mit bedeutend höherer Dynamik erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltriebs im Schnitt.
In der Zeichnung ist ein piezoelektrisch-hydraulischer Ventiltrieb, vorzugsweise für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren dargestellt. Der Ventiltrieb besteht aus einem an sich bekannten Gaswechselventil 7 zum Öffnen und Verschließen eines mit einem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine in Verbindung stehenden Kanals 8. Das Gaswechselventil 7 ist üblicherweise mit einem Ventilschaft 10 verbunden, der in einem Zylinderkopf 13 axial verschiebbar gelagert ist.
Der Ventilschaft 10 ist mit einem Stößelkolben verbunden, der als doppelt wirkender Kolben 9 ausgebildet ist und dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Ventilschafts 10. Der doppelt wirkende Kolben 9 ist axial verschiebbar in einer im Zylinderkopf 13 ausgebildeten Zylinderkammer gelagert. Durch den doppelt wirkenden Kolben 9 wird die Zylinderkammer in eine obere Zylinderkammer 14 und in eine untere Zylinderkammer 11 unterteilt.
Die obere Zylinderkammer 14 ist über eine Druckmittelleitung 5 mit einem Verdrängungsraum 3 eines ersten Piezostapels 1 und die untere Zylinderkammer 11 über eine Druckmittelleitung 6 mit einem Verdrängungsraum 4 eines zweiten Piezostapels 2 verbunden. Die Piezostapel 1 und 2 befinden sich in einem mit dem Zylinderkopf 13 verbundenen Gehäuse 12 und stützen sich auf dessen Boden ab. Die Verbindung der Piezostapel 1 und 2 zu den jeweiligen Verdrängungsräumen 3 und 4 erfolgt in bekannter Weise jeweils über eine nicht dargestellte Membran oder über einen Verdrängerkolben.
In den Verdrängungsräumen 3 und 4, den Druckmittelleitungen 5 und 6 sowie in der oberen 14 und der unteren Zylinderkammer 11 befindet sich ein Druckmittel, vorzugsweise ein Hydraulik-Fluid, dessen Leckverluste durch Zuführung von Druckmittel über eine entsprechende Leitung und ein Rückschlagventil analog der in der DE 198 39 732 C2 beschriebenen Lösung erfolgt.
Zur Betätigung des Gaswechselventils 7 werden die Piezostapel 1 und 2 derart unterschiedlich durch ein elektrisches Signal angesteuert, dass ein Piezostapel eine vorbestimmte Menge an Druckmittel aus dem zugeordneten Verdrängungsraum verdrängt während der andere Piezostapel seinen Verdrängungsraum um die verdrängte Druckmittelmenge erweitert.
Die Wirkungsweise des piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltriebs für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren wird nachfolgend an dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Betätigung des piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltriebs beschrieben. So wird zur Freigabe des Kanals 8 durch das Gaswechselventil 7 der Piezostapel 1 elektrisch so angeregt, dass er sich ausdehnt während gleichzeitig der Piezostapel 2 so angeregt wird, dass er sich zusammenzieht. Der Piezostapel 1 verdrängt eine vorbestimmte Menge an Druckmittel aus dem Verdrängungsraum 3 in einer vorbestimmten Zeit. Das auf die Kolbenfläche des Kolbens 9 in der oberen Zylinderkammer 14 wirkende Druckmittel verschiebt den Kolben 9 sowie das Gaswechselventil 7 nach unten, so dass das Gaswechselventil 7 den Kanal 8 teilweise freigibt. Das beim Verschieben des Kolbens 9 aus der unteren Zylinderkammer 11 verdrängte Druckmittel wird in dem vergrößerten Verdrängungsraum 4 aufgenommen, der aufgrund des Zusammenziehens des Piezostapels 2 entsteht. Zum Verschließen des Kanals 8 durch das Gaswechselventil 7 wird der Piezostapel 2 derart angeregt, dass er sich ausdehnt. Der Piezostapel 1 zieht sich zusammen, so dass das aus dem Verdrängungsraum 4 herausgepresste Hydraulikdruckmittel in die untere Zylinderkammer 11 gelangt und Kolben 9 mit dem Gaswechselventil 7 nach oben in die geschlossene Stellung verschiebt. In der Zeichnung ist ein durch das Gaswechselventil 7 verschlossener Kanal 8 dargestellt.
Die Steuerung der jeweiligen Öffnungs- und Schließzeiten des Gaswechselventils 7 erfolgt über ein an sich bekanntes Motorsteuerungsgerät das die jeweiligen Piezostapel 1 und 2 entsprechend ansteuert. Dazu sind die elektrisch ansteuerbaren Piezostapel 1 und 2 über Leitungen mit dem Motorsteuergerät verbunden. Durch entsprechend elektrische Ansteuerung und Anregung der Piezostapel 1 und 2 erfolgt die Ausdehnung bzw. das Zusammenziehen der Piezostapel 1 und 2 in vorbestimmten Zeiten mit einer vorbestimmten Größe, so dass Öffnungs- und Schließzeiten des Gaswechselventils 7 beliebig einstellbar sind. Die Bewegungen des Kolbens 8 und somit des Gaswechselventils 7 werden durch die beiden Piezostapel 1 und 2 erzeugt und kontrolliert. Das hydraulische Druckmittel dient nur als Übertragungsmedium.
Zur Gewährleistung des sicheren Verschlusses des Ventils im Notfall wird das Fluid in der Zylinderkammer 14 freigegeben und der Leckageleitung zugeführt, so dass der Vordruck in Kammer 11 ein Schließen des Ventils 7 bewirkt.

1: Piezostapel
2: Piezostapel
3: Verdrängungsraum
4: Verdrängungsraum
5: Druckmittelleitung
6: Druckmittelleitung
7: Gaswechselventil
8: Kanal
9: Kolben
10: Ventilschaft
11: untere Zylinderkammer
12: Gehäuse
13: Zylinderkopf
14: obere Zylinderkammer

Claims

Piezoelektrisch-hydraulischer Ventiltrieb für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren, bei dem ein oder mehrere ortsfest abgestützte, elektrisch ansteuerbare Piezoelemente über ein hydraulisches Übersetzungssystem mit einem Stößelkolben des Gaswechselventils mittel- oder unmittelbar im Eingriff stehen und der Stößelkolben über ein Ventilschaft mit dem Gaswechselventil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößelkolben als doppelt wirkender Kolben (9) ausgebildet, axial verschiebbar in einer im Zylinderkopf (13) angeordneten Zylinderkammer gelagert ist und die Zylinderkammer in eine untere (11) und in eine obere Zylinderkammer (14) unterteilt, die obere Zylinderkammer (14) über eine Druckmittelleitung (5) mit einem Verdrängungsraum (3) eines ersten Piezostapels (1) und die untere Zylinderkammer (11) über eine Druckmittelleitung (6) mit einem Verdrängungsraum (4) eines zweiten Piezostapels (2) verbunden ist, wobei zur Betätigung des Gaswechselventils (7) die Piezostapel (1) und (2) derart unterschiedlich angesteuert werden, dass ein Piezostapel eine vorbestimmte Menge an Druckmittel aus dem zugeordneten Verdrängungsraum verdrängt während der andere Piezostapel seinen Verdrängungsraum um die verdrängte Druckmittelmenge erweitert.
Piezoelektrisch-hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame mit Druckmittel beaufschlagbare Kolbenfläche des Kolbens (9) in der unteren Zylinderkammer (11) gleich oder größer der Kolbenfläche der oberen Zylinderkammer (14) ist.
Piezoelektrisch-hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch ansteuerbaren Piezostapel (1) und (2) über entsprechende Leitungen mit einem Motorsteuergerät verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrisch-hydraulischen Ventiltriebs für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren, bei dem ein oder mehrere ortsfest abgestützte, elektrisch ansteuerbare Piezoelemente über ein hydraulisches Übersetzungssystem mit einem Stößelkolben des Gaswechselventils mittel- oder unmittelbar im Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Freigabe eines Zwischenraums zwischen einem Kanal (8) und einem Gaswechselventil (7) ein über ein Motorsteuergerät elektrisch ansteuerbarer Piezostapel (1) derart angesteuert wird, dass er durch Ausdehnung ein in einem Verdrängungsraum (3) befindliches Druckmittel um eine vorbestimmte Menge in einer vorbestimmten Zeit verdrängt und einen doppelt wirkenden Kolben (9) mit dem Gaswechselventil (7) in Öffnungsstellung axial verschiebt und dass gleichzeitig ein zweiter Piezostapel (2) über das Motorsteuergerät derart angesteuert wird, dass er durch Zusammenziehen eine beim axialen Verschieben des Kolbens (9) verdrängtes Druckmittel in einem Verdrängungsraum (4) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschließen des Zwischenraums zwischen einem Kanal (8) und einem Gaswechselventil (7) der über ein Motorsteuergerät elektrisch ansteuerbare Piezostapel (2) derart angesteuert wird, dass er durch Ausdehnung ein in einem Verdrängungsraum (4) befindliches Druckmittel um eine vorbestimmte Menge in einer vorbestimmten Zeit verdrängt und den Kolben (9) mit dem Gaswechselventil (7) in Verschlussstellung axial verschiebt und dass gleichzeitig der Piezostapel (1) über das Motorsteuergerät derart angesteuert wird, dass er durch Zusammenziehen ein beim axialen Verschieben des Kolbens (9) verdrängtes Druckmittel in einem Verdrängungsraum (3) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Piezostapeln (1) und (2) vom Motorsteuergerät elektrische Impulse zugeführt werden, mit denen in vorbestimmten Zeiten eine Ausdehnung bzw. ein Zusammenziehen der Piezostapel (1) und (2) mit vorbestimmter Größe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ausdehnung bzw. durch das Zusammenziehen der Piezostapel (1) und (2) mit vorbestimmten Größen und Zeiten der Öffnung- und Schließvorgang des Gaswechselventils (7) steuerbar ist.