DE19839732C2

DE19839732C2 - Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE19839732C2
Application number: DE19839732A
Authority: DE
Inventors: Heiko Georgi; Carsten Graebner; Christian Junghans; Heiko Neukirchner; Leopold Mueller
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: DE19839732A1

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrischhydraulische Betätigungseinrichtung vorzugsweise für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.

Vorbekannt ist durch Schrift DE 37 13 697 C2 eine gattungsgemäße mittels Piezoaktoren stellbare elektrohydraulische Betätigungseinrichtung für Ventile. Eine mittels Piezoaktoren betätigte Membran übt einen Druck auf ein Hydraulikfluid aus, welches hydraulisch gekoppelt ein mit einer Feder abgestütztes Ventil bei Expansion des Piezoaktors in Hubrichtung öffnet. Zum Ausgleich der Temperaturdrift, insbesondere der Piezoaktoren, ist der Hydraulikraum über einen Kanal mit einem Hochdruckraum, der über das Ventil entlastbar ist, verbunden. Der Verbindungskanal wird so bemessen, daß ein Ausgleich der Temperaturdrift erreicht wird aber der Einfluß auf die Stößelbewegung klein bleibt. Vorbekannt sind elektromechanische Steller, welche durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes elektrische Signale in mechanische Längenänderung wandeln. Vorbekannt ist weiterhin aus Schrift US 3,635,016 eine Einrichtung, in welcher diese sehr kurzen Stellwege der Einzelelemente durch Verwendung mehrerer in Reihe hintereinandergeschaltener Piezoelemente aufsummiert werden und zur weiteren Verstärkung eine hydraulische Übersetzung angeschalten ist. Der Piezostapel stützt sich axial an einer Zylinderwandung ab und betätigt einen großen Verdrängungskolben, welcher mit einem kleinen Stößel hydraulisch gekoppelt ist. Eine Hubvervielfachung wird über die unterschiedliche Größe der hydraulisch wirksamen Flächen erreicht. Einrichtungen dieser Bauart weisen den Nachteil auf, daß sie durch das quasi konstante Volumen in der hydraulischen Übersetzung, das größer oder kleiner sein kann, eine Positionierung des Stößels absolut zur Stützebene der Piezostapel erfolgt. Temperatureinflüsse auf Hydraulikfluid und Piezomaterial sowie Leck-Verluste können zu einer Veränderung der Stößelposition führen.

Desweiteren ist aus Schrift DE 37 14 337 C2 eine Betätigungseinrichtung für Servoventile bekannt, bei welcher durch Leckageverluste fehlendes Druckmedium dem Druckraum wieder zugführt wird.

Aus Schrift DE 43 37 698 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern von Gaswechselventilen bekannt. Die Längenänderung der Piezoaktoren wird über eine hydraulische Übersetzung zu einem innerhalb eines Ventilgehäuses sitzenden Steuerschieber übertragen und ein dort anliegender Hilfsdruck betätigt über einen weiteren Kolben die Gaswechselventile. Dieser Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, daß ein den Hilfsdruck schaltendes Steuerventil vorgesehen werden muß. Dies bedeutet größere geometrische Abmessungen und einen baulichen Mehraufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache gattungsgemäße piezoelektrisch hydraulische Betätigungseinrichtung für Gaswechselventile zu schaffen, bei welcher die Längenänderung der Piezoaktoren über eine hydraulische Übersetzung direkt auf ein Gaswechselventil übertragen wird. Die Einrichtung soll in einfacher Weise spielfrei gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch genannten Mittel gelöst.

Die Umsetzung des elektrischen Signals in eine Weggröße der Betätigungseinrichtung ist von sich über die Betriebszeit ändernden Leckageverlusten, der Temperaturdrift von Piezostapeln, des Hydraulikfluid und aller den Verdrängungsraum abschließender Teile, unbeeinflußt.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ventilbetätigungseinrichtungen werden nachfolgend anhand einer Zeichnungen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform der beschriebenen Einrichtung mit strömungsgünstig ausgebildetem Verdrängungsraum,

Fig. 2 eine Ausführungsform der beschriebenen Einrichtung mit einfach ausgebildeten Verdrängungsraum.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilbetätigungseinrichtung 16, vorzugsweise für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren dargestellt. Die ortsfest an der Gehäusewand 2 abgestützten Piezostapel 1 verformen sich durch die Beaufschlagung mit einem elektrischen Signal und bewegen die Membran 14. Das im Verdrängungsraum 13 befindliche Hydraulik-Fluid 12 wird durch die Membranbewegung verdrängt und der am Ende des Ventilschaftes 10 angreifende Stößel 7 wird in Hubrichtung gegen die Kraft, der an der Zylinderkopffläche 11 abgestützten Feder 15 bewegt, wodurch sich das in einer Führung 10 schiebbare Ventil 8 von seinem Sitz abhebt und den Kanal 9 freigibt.

Die auftretenden Verluste durch Leckage werden über ein Rückschlagventil 3 welches druckseitig am Öldruck angeschlossen ist ausgeglichen. Ein Entlastungsbypaß für den Druckraum 12 wird über das Spiel am Stößel und die Entlüftungsbohrung 5 realisiert. Durch beide Querschnitte ließ ein Leckstrom aus dem Druckraum 12 über Rücklaufquerschnitte in die Ölwanne ab. Temperaturbedingte Drift von Piezostapeln 1, dem Hydraulikfluid und aller den Verdrängungsraum 12 abschließender Teile bzw. über die Betriebszeit auftretende Leckverluste, würden bei hermetisch ohne Ausgleichsbehälter abgeschlossenem Druckraum 12 zur Veränderungen der Position des Stößels 7 und somit zu einem temperatur- oder betriebszeitabhängigen Öffnung des Ventils 8 bei gleichem Ansteuersignal führen.

Durch das Zusammenspiel des Zuflusses über das Rückschlagventil 3 und den Abfluß über den Bypaß wird das Volumen im Druckraum 12 bei unverformten Piezostapeln 1 konstant gehalten, daß heißt die auf das Ventil 8 gegen die Feder 15 wirkende Vorspannung bleibt konstant. Es ergibt sich eine spielfreie Verbindung der Piezoelemente 1 mit dem Ventilstößel 7. Wird durch das Ansteuersignal an den Piezostapeln 1 eine Verformung hervorrufen, so führt dies zu einer direkten spielfreien Reaktion des Ventils. Der Hub wird durch die, die Spielfreiheit sichernde Anordnung nicht beeinflußt, da die sehr kleinen Abflußöffnungen des Bypasses gegenüber schnellen Druckänderungen quasi undurchlässig sind und das Rückschlagventil 3 bei größerem Innendruck in der Druckkammer 12 als am an den Öldruck angeschlossenen Zulauf des Ventils 8 geschlossen ist.

Die an der höchsten Stelle der Druckkammer 12 angebrachte durchmesserkleine Bohrung 5 dient gleichzeitig mit zur Entlüftung des Systems.

Die Bemessung des Bypasses und des Rückschlagventils 3, sowie das geregelte Zurückfahrens der Piezostapel 1 verhindert ein Aufpumpen des Druckraumes 12, da innerhalb der Druckkammer 12 beim Zurückfahren der Piezoelemente 1 kein Unterdruck gegenüber dem Rückschlagventil 3 entsteht.

Durch den mit geringen Volumen ausgebildeten Druckraum 12 wird ein gutes dynamisches Verhalten gesichert, da die Kompressibilität des Öles sich bei geringen Volumen kaum störend bemerkbar macht.

Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Ventilbetätigungseinrichtung 16. Gleiche funktionelle Teile sind wie in Fig. 1 mit entsprechend gleicher Numerierung versehen. Im Unterschied zu Fig. 1 ist der Druckraum 12 geometrisch einfacher ausgeführt. Die Änderung der Ausdehnung der Piezoelemente 1 wird wie in Fig. 1 auf die Membran 14 übertragen und durch die hydraulische Kopplung mit dem Stößel 7 wird eine Hubverstärkung im Verhältnis der hydraulisch wirksamen Oberflächen erzielt. Durch den Bypass und den über das Rückschlagventil 3 angeschlossenen Leckageausgleich wird in gleicher Weise eine Spielfreiheit der Einrichtung, sowie eine temperatur- und leckageunabhängige Umsetzung des elektrischen Signals in den Öffnungsweg des Ventils gesichert.

Durch beide Ausgestaltungen werden gleichzeitig Serienstreuung der Stößel-Kolben- Passung und der den Druckraum begrenzenden Teile ausgeglichen.

Claims

1. Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung vorzugsweise für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren mit folgendem Aufbau:
das in Richtung eines Zylinderraumes öffnende Gaswechselventil (8) ist mittels der Kraft einer Feder (15) gegen einen Ventilsitz in einem Zylinderkopf geschlossen,
ein oder mehrere ortsfest abgestützte Piezoelemente (1) stehen mit einem großen Verdränger (14) über ein hydraulisches Übersetzungssystem mit einem kleinen Stößel kolben (7) mittel- oder unmittelbar im Eingriff, der auf einem Gaswechselventil (8) gegen die Kraft der Feder (15) abgestützt ist,
die Piezoelemente (1) sind elektrisch ansteuerbar, wobei sie im angesteuerten Zustand den Verdränger (14) des hydraulischen Übersetzungssystems verlagern,
das hydraulisches Übersetzungssystem weist einen Entlastungsbypass auf, der durch die Spielpassung des Stößelkolbens (7) in seiner Führungsbohrung gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Ausgleich der Leckage ein Druckraum (12) eines nicht hermetisierten hydrau lischen Übersetzungssystems (14; 7) über ein Rückschlagventil (3) stetig an einen Öl druckkreis des Verbrennungsmotors angeschlossen ist und dabei der Öldruck des Öl druckkreises so zu bemessen ist, dass der mittel- oder unmittelbar an dem geschlosse nen Ventil abgestützte kleine Stößelkolben (7) die Kraft der Feder (15) nicht übersteigt.

2. Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Entlastungsbypass als eine oder mehrere Feinbohrungen (5) ausgeführt ist, welche im höchsten Bereich des hydraulischen Übersetzungssystems in dessen Druckraum münden.

3. Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kleine Stößelkolben (7) Messanker eines ortsfesten elektronischen Weggebers (17) ist.

4. Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (16) für das Gaswechselventil (8) zu dessen Betätigungs achse W geneigt oder örtlich benachbart angeordnet ist.