DE19839732C2 - Piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung - Google Patents
Piezoelektrisch-hydraulische BetätigungseinrichtungInfo
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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 (4)
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.
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.
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