DE19853355C1 - Hydraulisch steuerbares Hubventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisch steuerbares Hubventil mit einem Schaftkolben, der von einem mit einer Druckquelle verbindbaren hydraulischen Federmittel druckbeaufschlagbar und von einer ersten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung bewegbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Drucksteuermittel vorgesehen, die den Druck des hydraulischen Federmittels auf den Schaftkolben während dessen Bewegen von der ersten in Richtung der zweiten Endstellung durch Verbinden des hydraulischen Federmittels mit der Druckquelle über einen variabel festlegbaren Teil des Ventilhubes konstant halten. DOLLAR A Verwendung beispielsweise als Gaswechselventil eines Hubkolbenmotors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisch steuerbares Hub­ ventil, insbesondere ein Gaswechselventil einer Brennkraftma­ schine, mit einem Schaftkolben, der von einem mit einer Druck­ quelle verbindbaren hydraulischen Federmittel druckbeaufschlag­ bar und von einer ersten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung bewegbar ist.

Aus der Patentschrift DE 38 36 725 C1 ist eine hydraulische Stelleinrichtung für ein Hubventil in einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen in einem zylindrischen Arbeitsraum geführten, mit dem Ventilschaft verbundenen Kolben aufweist, der derart beidseitig federbelastet ist, daß der Kolben im Ruhezustand in eine Mittellage, in der das Hubventil teilweise geöffnet ist, gezwungen wird. Zum Bewegen des Hubventils in eine Öffnungs- bzw. Schließposition ist der Kolben durch eine Druckquelle al­ ternierend mit Hydraulikdruck beaufschlagbar. Dazu sind eine als Druckquelle dienende Förderpumpe und ein schaltbares Mehrwege­ ventil vorgesehen.

Aus der Patentschrift DE 195 01 495 C1 ist eine hydraulische Ventilsteuerung für ein Hubventil in einer Brennkraftmaschine bekannt, die eine Schraubendruckfeder, die das Hubventil in Schließrichtung belastet, sowie mittels eines schaltbaren Mehr­ wegeventils abwechselnd mit einer Druckquelle und einer Druck­ senke verbindbare hydraulische Federmittel umfaßt, die über ei­ nen mit dem Hubventil bewegbaren Schaftkolben das Hubventil in Öffnungsrichtung bewegen können.

Aus den Patentschriften DE 196 21 951 C1 und DE 196 21 719 C1 sind hydraulische Steuervorrichtungen für ein Gaswechsel-Hub­ ventil in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen dem Hub­ ventil erste, das Ventil in Schließrichtung belastende Federmit­ tel und zweite, das Ventil über einen Schaftkolben in Öffnungs­ richtung belastende Federmittel zugeordnet sind, die eine Rei­ henschaltung aus einer mechanischen und einer hydraulischen Feder umfassen. Die zweiten Federmittel bilden eine Federschal­ tung mit progressiver Gesamtfederkennlinie, wobei in Abhängig­ keit von der Aufstoßarbeit des Hubventils eine über die maximale Kraft der Schraubenfeder hinausgehende Vorspannung der Hydrau­ likfeder erfolgt. Dazu ist ein entsprechend hoher Versorgungs­ druck für die Steuervorrichtung vorgesehen.

Aus der Patentschrift DE 197 16 042 C1 ist eine hydraulische Steuervorrichtung für ein Hubventil in einer Brennkraftmaschine bekannt, dem erste Federmittel für eine Beaufschlagung in Schließrichtung und zweite, hydraulisch regelbare Federmittel für eine Beaufschlagung in Öffnungsrichtung zugeordnet sind. Die zweiten, hydraulisch regelbaren Federmittel sind zyklisch mit Druck beaufschlagbar und wieder entlastbar, wobei ihnen ein Hilfssteuerglied zugeordnet ist, das bei einer Fehlfunktion des Hubventils die zweiten, hydraulisch regelbaren Federmittel druckentlasten kann. Vorzugsweise weist das Hilfssteuerglied ei­ ne 2/2-Wegeventilfunktion auf und ist über Steuerleitungen an eine Druckversorgungsleitung sowie eine Druckentlastungsleitung angeschlossen, die durch ein zentrales Stellglied mit einem Schaltventil schaltbar sind. Das Hilfssteuerglied ist ferner durch eine mechanische Rückstellfeder in seiner geschlossenen Ruheposition gehalten.

Wie oben angedeutet, besteht bei Gaswechselventilen von Brenn­ kraftmaschinen das Problem, daß die Betätigungsenergie, z. B. die Aufstoßenergie eines Auslaßventils mit dem Brennraumdruck und daher mit der Motorlast schwankt. Dem wird herkömmlicherweise durch Einstellung unterschiedlich hoher Öffnungskräfte Rechnung getragen, wie sie mit dem oben erwähnten Federmittel aus einer Reihenschaltung einer mechanischen und einer hydraulischen Feder bewirkt werden kann. Eine Schwierigkeit dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß sich mit beginnender Aufstoßbewegung des Ven­ tilschaftkolbens das Arbeitsraumvolumen der hydraulischen Feder entsprechend vergrößert und dadurch der dort aufgebaute Hydrau­ likdruck rasch abfällt. Außerdem muß für eine an den Motorbe­ triebszustand angepaßte Hydraulikdruckeinstellung der hydrauli­ schen Feder gesorgt werden, um eine jeweils optimale Öffnungs­ kraft zum Aufstoßen des Ventils zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hubventil der eingangs genann­ ten Art bereitzustellen, das mit einer variabel einstellbaren, von den hydraulischen Federmitteln gelieferten Betätigungsener­ gie bewegbar ist, ohne hierfür variable Versorgungsdrücke für das hydraulische Federmittel zu benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Druck­ steuermittel vorgesehen sind, die den Druck des hydraulischen Federmittels auf den Schaftkolben während dessen Bewegen von der ersten in Richtung der zweiten Endstellung durch Verbinden des hydraulischen Federmittels mit der Druckquelle über einen varia­ blen festlegbaren Teil des Ventilhubes konstant halten. Auf die­ se Weise kann bei konstant bleibendem hydraulischem Federmittel­ druck die während des Ventilhubes in den Schaftkolben eingelei­ tete Energie dadurch variabel eingestellt werden, daß der Teil des Ventilhubes, in dem durch die hydraulischen Federmittel der Arbeitsdruck der Druckquelle auf den Schaftkolben aufgebracht wird, länger oder kürzer gewählt wird. So kann ohne eine Ände­ rung des Arbeitsdrucks der Druckquelle die Betätigungsenergie des Hubventils verändert werden.

In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Drucksteuermittel zum Verbinden des hydraulischen Federmittels mit der Druckquelle in einem den Schaftkolben umgebenden Ventilgehäuse einen mit der Druckquelle verbindbaren ersten Ringraum und einen über einen Druckkanal mit dem hydraulischen Federmittel verbindbaren weite­ ren Ringraum auf, der während des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs über eine Steuernut in dem Schaftkolben mit dem ersten Ringraum in Verbindung steht. Dadurch wird das hydrauli­ sche Federmittel während des Bewegens des Schaftkolbens von der ersten in Richtung der zweiten Endstellung selbsttätig mit der Druckquelle verbunden, sofern der erste Ringraum mit der Druck­ quelle verbunden ist. Ferner wird das hydraulische Federmittel ebenfalls automatisch von der Druckquelle getrennt, sobald die Steuernut die beiden Ringräume nicht mehr miteinander verbindet. Solange die beiden Ringräume über die Steuernut verbunden sind, läßt sich über ein Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem ersten Ringraum und der Druckquelle die Beaufschlagung des hydraulischen Federmittels mit dem Versorgungsdruck der Druck­ quelle steuern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Drucksteu­ ermittel zum Verbinden des hydraulischen Federmittels mit der Druckquelle einen mit der Druckquelle verbindbaren ersten Ring­ raum in einem den Schaftkolben umgebenden Gehäuse und eine Steu­ ernut in dem Schaftkolben, die über einen in dem Schaftkolben verlaufenden Druckkanal mit dem hydraulischen Federmittel ver­ bindbar ist, wobei die Steuernut während des variabel festlegba­ ren Teils des Ventilhubs mit dem Ringraum in Verbindung steht. Dadurch wird das hydraulische Federmittel während des Bewegens des Schaftkolbens von der ersten in Richtung der zweiten End­ stellung automatisch mit der Druckquelle verbunden, sofern der erste Ringraum mit der Druckquelle verbunden ist. Dabei ist der Druckkanal zu dem hydraulischen Federmittel in besonders einfa­ cher und raumsparender Weise innerhalb des Schaftkolbens ange­ ordnet. Sobald die Steuernut nicht mehr mit dem ersten Ringraum in Verbindung steht, ist das hydraulische Federmittel von der Druckquelle getrennt. Solange die Steuernut mit dem ersten Ring­ raum in Verbindung steht, läßt sich über ein Öffnen und Schlie­ ßen der Verbindung zwischen dem ersten Ringraum und der Druck­ quelle die Beaufschlagung des hydraulischen Federmittels mit dem Versorgungsdruck der Druckquelle steuern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Druckkanal ein Rückschlagventil angeordnet, das einen Druckabbau in dem hy­ draulischen Federmittel über den Druckkanal verhindert. Bei ei­ ner Verbindung des Druckkanals mit der Druckquelle öffnet das Rückschlagventil, wenn der Druck in dem hydraulischen Federmit­ tel infolge einer Bewegung des Schaftkolbens unter den Versor­ gungsdruck der Druckquelle abgesunken ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Ringraum über ein hydraulisches Stellglied mit der Druckquelle verbind­ bar, das zugleich die Bewegung des Schaftkolbens von einer er­ sten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung auslöst. Dadurch kann auf ein gesondertes Stellglied für die Drucksteuer­ mittel verzichtet werden. Der Beginn des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs wird durch die Verbindung zwischen der Steuernut in dem Schaftkolben mit dem ersten Ringraum bestimmt.

Das Ende des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs wird entweder durch die Trennung der Steuernut von dem ersten Ring­ raum oder ein Schalten des hydraulischen Stellgliedes bestimmt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Drucksteuer­ mittel zum Verbinden des hydraulischen Federmittels mit der Druckquelle ein Absperrorgan zum Verschließen des Druckkanals auf, wobei das Absperrorgan zum Schließen und Öffnen des Druck­ kanals auf einer ersten Seite über eine Steuerleitung abwech­ selnd mit der Druckquelle und einer Drucksenke hydraulisch ver­ bindbar ist und während des variabel festlegbaren Teils des Ven­ tilhubs geöffnet gehalten wird. Das Absperrorgan ist dabei unabhängig vom Druck im Druckkanal hydraulisch ansteuerbar. Durch Verwenden des Absperrorgans entfällt die Notwendigkeit, das zum hydraulischen Federmittel strömende Hydraulikmedium durch ein Schaltventil mit ausreichend großem Öffnungsquer­ schnitt hindurchführen zu müssen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Absperrorgan zum Schließen des Druckkanals eine in Schließrichtung des Absperror­ gans wirkende Rückstellfeder zugeordnet, und das Absperrorgan ist zum Öffnen des Druckkanals entgegen der Rückstellfederkraft druckbeaufschlagbar mit dem hydraulischen Federmittel verbunden. Dadurch läßt sich das Absperrorgan in Abhängigkeit von der Diffe­ renz des Drucks in dem hydraulischen Federmittel und des Steuerlei­ tungsdrucks öffnen und schließen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerleitung über ein hydraulisches Stellglied mit der Druckquelle und der Drucksenke verbindbar, das zugleich die Bewegung des Schaftkol­ bens von der ersten Endstellung in Richtung der zweiten Endstel­ lung auslöst. Das hydraulische Stellglied steuert damit sowohl den Schaftkolben als auch das Absperrorgan an. In einer alterna­ tiven Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerleitung über ei­ ne Drossel mit der Druckquelle und über ein Schaltventil mit der Drucksenke verbunden. Vorzugsweise ist die Steuerleitung derart an die Druckquelle und die Drucksenke angekoppelt, daß auch das Absperrorgan geöffnet wird, wenn der Schaftkolben von seiner er­ sten Endstellung, in der sich das Ventil in der geschlossenen Position befindet, in Öffnungsrichtung bewegt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung legen die Drucksteuer­ mittel den variabel festlegbaren Teil des Ventilhubes und damit die Ventilbetätigungsenergie in Abhängigkeit von einem auf das Ventil einwirkenden Gegendruck variabel fest, im Fall eines Gas­ wechselventils einer Brennkraftmaschine insbesondere in Abhän­ gigkeit vom Brennraumdruck und damit von der Motorlast.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierzu zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Längsschnittansicht eine erste Ausführungsform eines hydraulisch steuerbaren Hubventils einer Brennkraftmaschine mit einem druckbeaufschlagbaren Schaftkolben und mit Drucksteuermitteln, die über eine Steuernut in dem Schaftkolben mit einer Druckquelle ver­ bindbar sind,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine zweite Ausführungsform des hydraulisch steuerbaren Hubventils mit Drucksteuermitteln, die vollständig in den Schaftkol­ ben integriert sind,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine dritte Ausführungsform des hydraulisch steuerbaren Hubventils mit als Absperrorgan für einen verschließbaren Druckkanal gestalteten Drucksteuermitteln und

Fig. 4 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine vierte Ausführungsform des hydraulisch steuerbaren Hubventils mit einem hydraulischen Stellglied und einer Drossel als Drucksteuermittel.

Eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Hubkolbenmotor für ein Kraftfahrzeug weist in an sich bekannter Weise mehrere Arbeits­ zylinder auf, deren Brennräume mit jeweils wenigstens einem Hub­ ventil 1 zur Zufuhr von Verbrennungsluft (Einlaßventil) bzw. zur Abfuhr der Verbrennungsabgase (Auslaßventil) versehen sind. Zur Ansteuerung jedes Hubventiles 1 ist eine hydraulische Steuervor­ richtung 30, 40, 50, 60 vorgesehen, die gemäß den Fig. 1 bis 4 in verschiedenen Ausführungsformen gestaltet sein kann. Die hy­ draulischen Steuervorrichtungen 30, 40, 50, 60 der Hubventile 1 aller Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine sind vorzugsweise über eine als zentrale Steuereinheit gestaltete Motorelektronik ansteuerbar. In allen Fig. 1 bis 4 ist das Ventil jeweils in seiner Schließstellung gezeigt.

Unabhängig von der Gestaltung der Ausführungsform der hydrauli­ schen Steuervorrichtung weist das Hubventil 1 einen Ventilschaft 2 und eine damit fest verbundene Federaufnahme 3 auf. Der Ven­ tilschaft 2 ist über die Federaufnahme 3 durch eine Schrauben­ druckfeder 4 mit einer in Ventilschließrichtung wirkenden Feder­ kraft beaufschlagbar.

Der Ventilschaft 2 ist in der jeweiligen hydraulischen Steuer­ vorrichtung 30, 40, 50, 60 gemeinsam mit einem Schaftkolben 5 linear verschiebbar gelagert, wobei der Schaftkolben 5 in einer Zylinderführung 6a eines Ventilgehäuses 6 geführt ist. Die Zy­ linderführung 6a ist an einer Stelle zu einem Arbeitsraum 7 auf­ geweitet, der von dem Schaftkolben 5 durchsetzt wird. In dem Ar­ beitsraum 7 ist ein einstückig mit dem Schaftkolben 5 ausgeführ­ ter Steuerkolben 8 aufgenommen. Der Steuerkolben 8 umfaßt einen oberen und einen unteren Tauchkolben 8a und 8b, die in zugehöri­ ge Druckräume 7a und 7b des Arbeitsraumes 7 eintauchen. Die Druckräume 7a und 7b sind so ausgeführt, daß sie jeweils in den Endstellungen des Schaftkolbens 5 durch die Tauchkolben 8a und 8b hydraulisch vom übrigen Volumen des Arbeitsraumes 7 abge­ trennt sind.

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird nachfolgend eine erste Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Hubventils mit der hydraulischen Steuervorrichtung 30 beschrieben. Bei dieser Steuervorrichtung 30 ist auf der der Schraubendruckfeder 4 abgewandten Seite des Schaftkolbens 5 in dem Ventilgehäuse 6 ein Arbeitsraum 9 vorge­ sehen, in den der Schaftkolben 5 mit einem Stirnende eintaucht. Der Arbeitsraum 9 bildet zusammen mit einem Druckzylinder 10, mit dem er über eine Leitung 11 in Verbindung steht, ein hydrau­ lisches Federmittel, das mit einem mechanischen Federmittel in Form einer Druckfeder 12 in Reihe geschaltet ist. Derartige Fe­ deranordnungen sind aus den zitierten Patentschriften DE 196 21 951 C1 und DE 197 16 042 C1 vorbekannt und darin detailliert be­ schrieben.

In der dargestellten ersten Endstellung (Ruheposition) des Schaftkolbens 5 steht der Arbeitsraum 9 über einen Kanal 13 und eine Nut 14 in dem Schaftkolben 5 sowie über eine gehäuseseitige Ringnut 15 mit einer Versorgungsleitung 16 in Verbindung. An der Versorgungsleitung 16 liegt der von einer nicht dargestellten Druckquelle erzeugte Arbeitsdruck der hydraulischen Steuervor­ richtung 30 an, und das Hydraulikmedium kann über diese Versor­ gungsleitung 16 in die Steuervorrichtung 30 strömen. In der Ru­ heposition des Schaftkolbens 5 liegt demnach in dem hydrauli­ schen Federmittel 9, 10, 11 der maximale Arbeitsdruck vor, so daß auf eine obere Stirnfläche 5a des Schaftkolbens 5 eine maxi­ male Druckkraft in Öffnungsrichtung des Hubventils 1 ausgeübt wird. Zugleich ist der obere Druckraum 7a über eine Nut 18 in dem Schaftkolben 5 und einen gehäuseseitigen Ringraum 19 mit ei­ ner Steuerleitung 20 verbunden, die über ein entsprechend ge­ schaltetes Steuerventil 31 druckentlastet ist. Der Arbeitsraum 7 ist über eine Versorgungsleitung 17 ständig mit der Druckquelle verbunden, so daß auf den Steuerkolben 8 in dieser Position des Schaftkolbens 5 eine Kraft in Ventilschließrichtung ausgeübt wird, die gemeinsam mit der Kraft der Schraubendruckfeder 4 aus­ reicht, um den Schaftkolben 5 und das Hubventil 1 gegen die Kraft des vorgespannten hydraulischen Federmittels 9, 10, 11 in der Ruheposition zu halten.

Eine Bewegung des Schaftkolbens 5 aus seiner Ruheposition heraus wird durch ein Umschalten des Steuerventils 31 ausgelöst, durch das die Steuerleitung 20 mit der Versorgungsleitung 21 verbunden und somit der obere Druckraum 7a unter Arbeitsdruck gesetzt wird. Die auf das Schaftkolben-Stirnende 5a und den oberen Tauchkolben 8a einwirkenden Druckkräfte überwiegen die auf den unteren Tauchkolben 8b einwirkenden Druckkräfte sowie die Feder­ kräfte der Schraubendruckfeder 4, so daß sich der Schaftkolben 5 zusammen mit dem Hubventil 1 aus der dargestellten Ruheposition in Richtung der Öffnungsposition des Hubventils bewegt.

Bei der Ausfahrbewegung des Schaftkolbens 5 verläßt die Nut 14 den Ringraum 15, so daß diese Verbindung des hydraulischen Fe­ dermittels 9, 10, 11 mit der Versorgungsleitung 16 getrennt wird. Mit weiterem Ausfahren des Schaftkolbens 5 droht daher der Druck in dem hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 zu sinken und die Kraft auf den Schaftkolben 5 nachzulassen. Zur Vermeidung dieses Druckverlustes sind in dem Ventilgehäuse 6 Drucksteuer­ mittel 22 bis 25 zum variablen Verbinden des hydraulischen Fe­ dermittels 9, 10, 11 mit der Druckquelle vorgesehen. Die Druck­ steuermittel 22 bis 25 umfassen einen von einem Rückschlagventil 23 absperrbaren Druckkanal 22 zwischen dem Arbeitsraum 9 und ei­ nem Ringraum 24. Ferner ist in den Schaftkolben 5 eine Steuernut 25 eingedreht, die bei entsprechender Positionierung des Schaftkolbens 5 den Ringraum 24 mit dem Ringraum 19 und somit mit der Steuerleitung 20 verbindet.

Wenn sich daher der Schaftkolben 5 aus seiner ersten Endstellung (Ruheposition) herausbewegt, wird zunächst die Verbindung zwi­ schen der Nut 14 und dem Ringraum 15 und gleichzeitig oder un­ mittelbar nachfolgend eine Verbindung zwischen den Ringräumen 19 und 24 über die Steuernut 25 hergestellt. Durch die Verbindung der beiden Ringräume 19 und 24 gelangt der in der Steuerleitung 20 vorliegende Arbeitsdruck in den Druckkanal 22 und bewirkt ge­ gen die Kraft einer Feder des Rückschlagventils 23 sowie den Druck im Arbeitsraum 9 ein Öffnen des Rückschlagventils 23, so daß die hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt bleiben. Dieser Zustand wird dadurch beendet, daß entweder durch ein Zurückstellen des Steuerventils 31 in die in Fig. 1 dargestellte Position die Steuerleitung 20 druckentlastet oder die Verbindung zwischen dem Ringraum 24 und der Steuernut 25 durch die Ausfahrbewegung des Schaftkolbens 5 unterbrochen wird. In beiden Fällen wird ein Nachströmen des Hydraulikmediums in den Arbeitsraum 9 beendet, und das Rückschlagventil 23 sperrt den Druckkanal 22 wieder ab. In dem Teil des Ventilhubs, in dem die beiden Ringräume 19 und 24 über die Steuernut 25 in Verbin­ dung stehen, lassen sich die hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 weitgehend frei wählbar über das Steuerventil 31 mit der Druck­ quelle oder einer Drucksenke verbinden. Dadurch läßt sich ein vom Herausbewegen des Schaftkolbens 5 aus dem Arbeitsraum 9 ver­ ursachter Druckabfall in dem hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 ausgleichen oder von vornherein weitgehend vermeiden.

Am Ende des Ventilhubes gelangt der Schaftkolben 5 in seine zweite Endstellung, in der der untere Tauchkolben 8b in den un­ teren Druckraum 7b eintaucht und dieser Druckraum über eine Nut 26 und einen Ringraum 27 mit der durch ein zuvor erfolgtes Um­ schalten des Steuerventils 31 inzwischen druckentlasteten Steuerleitung 20 verbunden wird. Gleichzeitig gelangt in dieser zweiten Endstellung des Schaftkolbens 5 die Nut 14 in Verbindung mit einem Ringraum 28, der über eine Entlastungsleitung 29 dauernd mit der Drucksenke in Verbindung steht. Folglich wird in dieser Stellung des Schaftkolbens 5 das hydraulische Federmittel 9, 10, 11 ebenfalls druckentlastet, um eine Rückbewegung des Hubventils 1 und des Schaftkolbens 5 in die erste Endstellung zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße hydraulische Steuervorrichtung 30 eignet sich vorzugsweise zur Ansteuerung der Auslaßventile des eingangs genannten Verbrennungsmotors, die bei hohen Gasdrücken in den Brennräumen geöffnet werden müssen. Bei unterschiedlichen Last­ zuständen des Motors liegen dabei unterschiedlich hohe und un­ terschiedlich lange andauernde Gasdrücke in den Brennräumen vor, die auf das Hubventil 1 Kräfte in dessen Schließrichtung ausüben und ein Öffnen erschweren. Die hydraulische Steuervorrichtung 30 zum Öffnen des Hubventils muß daher nicht nur in der Lage sein, die maximal möglichen einwirkenden Kräfte in Ventilschließrich­ tung zu überwinden, sondern auch eine ausreichende Betätigungse­ nergie während der Zeitdauer des Hubventils bereitzustellen, die im übrigen nicht zu lange werden darf. Dies wird vorliegend, wie beschrieben, durch ein Verbinden des hydraulischen Federmittels 9, 10, 11 mit der Druckquelle der Steuervorrichtung 30 während eines variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs realisiert. Da­ bei ist der Arbeitsdruck der Druckquelle an den erforderlichen ma­ ximalen Kraftaufwand angepaßt, während die Zeitdauer bzw. der Wegabschnitt des Ventilhubs, über den der hohe Arbeitsdruck an das hydraulische Federmittel angelegt wird, in Abhängigkeit vom Energiebedarf während des Öffnungsvorganges des Hubventils 1, d. h. insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast, festlegbar ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Anfang des va­ riabel festlegbaren Teils des Ventilhubs durch das Verbinden der Ringräume 19 und 24 über die Steuernut 25 bestimmt, während das Ende des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs durch ein Entlasten des Druckkanals 22 über ein Umschalten des Steuerven­ tils 31 in die in Fig. 1 dargestellte Position oder spätestens durch ein Trennen der Verbindung zwischen dem Ringraum 24 und der Steuernut 25 definiert wird.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel der hydraulischen Steuervorrichtung 30 ist anstelle der Drucksteuermittel 22 bis 25 ein mittels eines zusätzlichen Schaltventils, insbesondere eines 2/3-Wegeventils, absperrbarer Druckkanal zwischen dem Ar­ beitsraum 9 und der Druckquelle vorgesehen.

Gemäß Fig. 2 ist in einer zweiten Ausführungsform 40 der erfin­ dungsgemäßen hydraulischen Steuervorrichtung der Druckkanal 22 von Fig. 1 samt zugehörigem Ringraum 24 im Ventilgehäuse 6 durch einen in dem Schaftkolben 5 verlaufenden Druckkanal 32 ersetzt. Der Druckkanal 32 ist über Verbindungsbohrungen 33 mit einer Steuernut 34 gekoppelt, die während des Ausfahrvorgangs des Schaftkolbens 5 den mit der Steuerleitung 20 verbundenen Ring­ raum 19 überfährt. In dem Druckkanal 32 zwischen der Steuernut 34 und der Nut 14 ist ein Rückschlagventil 35 angeordnet, das dem Rückschlagventil 23 gemäß Fig. 1 entspricht.

Die Funktionsweise der hydraulischen Steuervorrichtung 40 gemäß Fig. 2 entspricht weitgehend derjenigen der Steuervorrichtung 30 gemäß Fig. 1. Über ein Umschalten des als 3/2-Wegeventil gestal­ teten Steuerventils 31 wird die Steuerleitung 20 mit dem Ar­ beitsdruck der nicht dargestellten Druckquelle beaufschlagt und der Schaftkolben 5 durch das ebenfalls unter dem Arbeitsdruck stehende hydraulische Federmittel 9, 10, 11 aus seiner darge­ stellten ersten Endstellung (Ruheposition) in Richtung einer zweiten Endstellung (Öffnungsposition) herausbewegt. Dabei wird die Verbindung zwischen der Nut 14 und dem Ringraum 15 unterbro­ chen, gleichzeitig jedoch die Verbindung zwischen der Steuernut 34 und dem Ringraum 19 geschlossen. Dadurch wird sichergestellt, daß über den Druckkanal 32 und den Kanal 13 der Arbeitsraum 9 bei geöffnetem Rückschlagventil 35 mit dem Arbeitsdruck beauf­ schlagt bleibt, solange die Steuerleitung 20 mit der Druckquelle verbunden ist und die Steuernut 34 den Ringraum 19 nicht über­ fahren hat.

In Fig. 3 ist eine gegenüber den in den Fig. 1 und 2 dargestell­ ten Ausführungsformen modifizierte Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Hubventils 1 mit einer hydraulischen Steuervorrich­ tung 50 dargestellt. Dem Hubventil 1 ist wie in den anderen Aus­ führungsformen eine Schraubendruckfeder 4 zugeordnet, die über eine Federaufnahme 3 auf den Ventilschaft 2 einwirkt und eine Kraft in Schließrichtung des Hubventils 1 ausübt. Zur Betätigung des Hubventils 1 ist ein in einer Zylinderführung 6a eines Ven­ tilgehäuses 6 geführter Schaftkolben 5 vorgesehen, dem ein in einem Arbeitsraum 7 geführter Steuerkolben 8 zugeordnet ist. An beiden Seiten des Steuerkolbens 8 sind Tauchkolben 8a und 8b vorgesehen, die in Druckräume 7a und 7b derart eintauchen, daß in den Ventilendstellungen jeweils ein Druckraum von dem Ar­ beitsraum 7 abgetrennt ist.

Der Schaftkolben 5 ist an seinem oberen Stirnende 5a über ein hydraulisches Federmittel 9, 10, 11 in Öffnungsrichtung des Hub­ ventils 1 mit einer Druckkraft beaufschlagbar, die in der Lage ist, den Schaftkolben 5 samt Hubventil 1 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 4 und die auf das Hubventil 1 einwirkenden sonstigen Kräfte zu bewegen. Die hydraulische Steuervorrichtung 50 läßt sich über ein als 3/2-Wegeventil gestaltetes Steuerven­ til 31 schalten, das die Steuerleitung 41 wahlweise entweder über eine Versorgungsleitung 42 mit einer nicht dargestellten Druckquelle oder über eine Entlastungsleitung 43 mit einer nicht dargestellten Drucksenke verbindet. Die Steuerleitung 41 mündet in den Arbeitsraum 7, mit dem eine weitere Steuerleitung 44 ver­ bunden ist. Die Steuerleitung 44 ermöglicht ein hydraulisches Ansteuern eines Absperrorgans 46 eines Druckkanals 48. Der Druckkanal 48 verbindet den Arbeitsraum 9 über den Ringraum 14 und die Versorgungsleitung 42 mit der Druckquelle und ist durch das Absperrorgan 46 absperrbar. Das Absperrorgan 46 ist als Sperrschieber ausgeführt, der von einer Druckfeder 45 und vom Steuerleitungsdruck in einen kegeligen Dichtsitz 47 gedrückt wird. Der Sperrschieber 46 ist in Öffnungsrichtung mit dem Druck im den Arbeitsraum 9 belastbar.

Die Funktion der hydraulischen Steuervorrichtung 50 läßt sich wie folgt beschreiben. In der in Fig. 3 dargestellten ersten Endstellung (Ruheposition) des Hubventils 1 sind sowohl der Ar­ beitsraum 7 als auch das hydraulische Federmittel 9, 10, 11 mit dem maximalen Arbeitsdruck beaufschlagt. Da der obere Druckraum 7a druckentlastet ist, reicht die Summe der Kräfte auf den Steuerkolben 8 und der Kraft der Schraubendruckfeder 4 aus, um das Hubventil 1 entgegen der Druckkraft des hydraulischen Feder­ mittels 9, 10, 11 in der gezeigten Ruheposition zu halten. Durch ein Umschalten des Steuerventils 31 läßt sich die Steuerleitung 41 mit der Entlastungsleitung 43 verbinden, wodurch der Arbeits­ raum 7 druckentlastet wird. Dadurch wird die Bewegung des Schaftkolbens 5 von der gezeigten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung (Öffnungsposition) ausgelöst, in der das Hubventil 1 geöffnet ist. Gleichzeitig wird durch das Umschalten des Steuerventils 31 auch die Steuerleitung 44 druckentlastet, so daß der Sperrschieber 46 durch den Druck im Arbeitsraum 9 ge­ gen die Druckfeder 45 verschoben und der Druckkanal 48 geöffnet wird. Durch den geöffneten Druckkanal 48 wird das hydraulische Federmittel mit der Versorgungsleitung 42 und somit mit der Druckquelle verbunden.

Durch die Bewegung des Schaftkolbens 5 in Richtung der zweiten Endstellung wird die Nut 14 von dem Ringraum 15 getrennt, jedoch bleibt die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 9 und der Druck­ quelle über den Druckkanal 48 und den Ringraum 15 erhalten. So­ bald der Tauchkolben 8a aus dem zugehörigen Druckraum 7a ausge­ treten ist und der Ringraum 19 nicht mehr mit der Nut 18 in Ver­ bindung steht, beeinflußt die Schaltstellung des Steuerventils 31 die Bewegung des Schaftkolbens 5 nicht mehr, da sich die Kräfte auf den Steuerkolben 8 gegenseitig aufheben. Damit kann zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Bewegung des Schaft­ kolbens von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bzw. bei einer beliebigen Lage des Hubventils 1 zwischen seiner geschlossenen Ruheposition und seiner Öffnungsposition das Steu­ erventil 31 in die gezeigte Position zurückgeschaltet werden.

Dadurch werden dann der Arbeitsraum 7 und die Steuerleitung 44 wieder mit Druck beaufschlagt, so daß der Sperrschieber 46 wie­ der zurück in seinen Dichtsitz 47 gedrückt wird, wodurch die Verbindung zwischen dem hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 und der Druckquelle unterbrochen wird.

Die darauf folgende weitere Ausfahrbewegung des Schaftkolbens 5 hat sodann einen der Volumenvergrößerung entsprechenden Druck­ verlust des hydraulichen Federmittels 9, 10, 11 zur Folge. In der zweiten Endstellung des Schaftkolbens 5 gelangt die Nut 14 mit dem Ringraum 19 in Verbindung, wodurch das hydraulische Fe­ dermittel 9, 10, 11 vollständig druckentlastet wird. Vor dieser Druckentlastung muß das Steuerventil 31 in die in Fig. 3 darge­ stellte Position zurückgeschaltet sein, damit der von oben auf den Steuerkolben 8 wirkende Arbeitsdruck im Arbeitsraum 7 bei gleichzeitiger Druckentlastung des durch den unteren Tauchkolben 8b abgetrennten Druckraumes 7b den Schaftkolben 5 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 4 in der zweiten Endstellung fest­ halten kann.

Eine Rückbewegung in die gezeigte erste Endstellung wird durch ein erneutes Umschalten des Steuerventils 31 und eine entspre­ chende Druckentlastung des Arbeitsraumes 7 ausgelöst, was jedoch aufgrund des druckentlasteten Arbeitsraumes 9 keinen Einfluß auf den Sperrschieber 46 hat. Dieser wird außerdem von der Druckfe­ der 45 in seiner Schließposition gehalten.

Bei der hydraulischen Steuervorrichtung 50 gemäß Fig. 3 läßt sich aufgrund des beschriebenen Funktionsprinzips der Druck in dem hydraulischen Federmittel 9, 10, 11 über einen variabel festlegbaren zeitlichen oder räumlichen Teil des Ventilhubes auf dem maximalen Arbeitsdruck der Steuervorrichtung halten. Der va­ riabel festlegbare Teil des Ventilhubes beginnt mit einer Auslö­ sung der Bewegung des Schaftkolbens 5 durch ein Umschalten des Steuerventils 31 und er endet beliebig wählbar mit einem Zurück­ schalten des Steuerventils 31.

Zusätzlich erfüllt der Sperrschieber 46 eine Sicherheitsfunktion bei einem Ausfall der Druckquelle und einem damit verbundenen Absinken des Arbeitsdruckes in der Steuervorrichtung 50. Falls in diesem Fall die hydraulischen Federmittel nicht vollständig druckentlastet sind, öffnet sich der Sperrschieber 46 automa­ tisch durch die Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum 9 und dem Druckkanal 48, so daß der Druck in dem Arbeitsraum 9 abge­ senkt wird. Da jedoch die Kraft der Druckfeder 45 ein vollstän­ diges Absenken des Druckes in dem Arbeitsraum 9 auf das Niveau des verbliebenen Arbeitsdrucks verhindert, kann zwischen dem Ringraum 15 und dem Arbeitsraum 9 ein zusätzliches Rückschlag­ ventil im Kanal 13 vorgesehen sein, das ein Abfließen von Hy­ draulikmedium aus dem Arbeitsraum 9 in den Ringraum 15 erleich­ tert, ein Zufließen jedoch verhindert.

Eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubventils mit einer zugehörigen hydraulischen Steuervorrichtung 60 ist in Fig. 4 dargestellt. Die hydraulische Steuervorrichtung 60 entspricht im wesentlichen der in Fig. 3 dargestellten Steuervorrichtung 50, wobei das dort vorgesehene, als Steuerventil dienende 3/2-Wege­ ventil 31 durch ein 2/2-Wegeventil 51 zusammen mit einer Drossel 52 in einer Bypassleitung 53 ersetzt ist. Die Bypassleitung 53 verbindet die Steuerleitung 41 mit der Versorgungsleitung 42.

Eine Bewegung des Schaftkolbens 5 von der dargestellten ersten Endstellung in Richtung der zweiten Endstellung wird durch ein Umschalten des als Steuerventil dienenden 2/2-Wegeventils 51 aus­ gelöst, wodurch der Arbeitsraum 7 rasch über die Entlastungslei­ tung 43 druckentlastet wird. Noch bevor wesentliche Mengen an Hydraulikmedium von der Versorgungsleitung 42 über die Drossel 52 in die Steuerleitung 41 gelangen können, taucht der obere Tauchkolben 8a aus dem Druckraum 7a aus, woraufhin das Steuer­ ventil 51 sofort wieder in die gezeigte Ausgangsposition zurück­ geschaltet werden kann.

Wie bei der Steuervorrichtung 50 gemäß Fig. 3 wird der Sperr­ schieber 46 durch den Druck im Arbeitsraum 9 bei entlasteter Steuerleitung 44 geöffnet und der Arbeitsraum 9 über den Druck­ kanal 48 mit der Druckquelle verbunden. Der sich mit zeitlicher Verzögerung wieder in dem Arbeitsraum 7 und damit auch in der Steuerleitung 44 aufbauende Arbeitsdruck bewirkt während des Ventilhubes ein allmähliches Schließen des Sperrschiebers 46. Das Verhalten des Sperrschiebers 46 wird dabei wesentlich von der Dimensionierung der Drossel 52 beeinflußt, daher ermöglicht eine verstellbar ausgeführte Drossel 52 eine Änderung der Schließgeschwindigkeit des Sperrschiebers 46, beispielsweise in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eines mit dem erfin­ dungsgmäßen Hubventil ausgerüsteten Verbrennungsmotors.

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht während eines variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs eine hinsichtlich ihrer Dauer einstellbare Beaufschlagung des hydraulischen Federmittels 9, 10, 11 mit dem Arbeitsdruck, so daß die auf das Hubventil 1 aus­ geübte Öffnungsenergie entsprechend variabel einstellbar ist. Das Absperrorgan 46 ist in vorteilhafter Weise so angeordnet, daß es mit Hilfe einer kleinen Menge an Hydraulikmedium ver­ stellbar ist, gleichzeitig aber einen Druckkanal mit vergleichs­ weise großem Strömungsquerschnitt schalten kann. Durch einen Druckkanal mit einem großen Strömungsquerschnitt läßt sich eine hohe Öffnungsleistung der Steuervorrichtung erzielen.

Es versteht sich, daß ein Absperrorgan 46, wie es in den Steuer­ vorrichtungen 50 und 60 gemäß den Fig. 3 und 4 vorgesehen ist, auch auf andere Weise angesteuert werden kann. Insbesondere läßt sich in der Steuerleitung 44 ein Element zur Invertierung des Druckes in der Steuerleitung vorsehen, so daß der Sperrschieber 46 bei in der Steuerleitung 44 anliegendem Arbeitsdruck geöffnet und bei entlasteter Steuerleitung 44 geschlossen ist.

Claims (10)

1. Hydraulisch steuerbares Hubventil (1), insbesondere Gas­ wechselventil einer Brennkraftmaschine, mit einem Schaftkolben (5), der von einem mit einer Druckquelle verbindbaren hydrauli­ schen Federmittel (9, 10, 11) druckbeaufschlagbar und von einer ersten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung beweg­ bar ist, gekennzeichnet durch Drucksteuermittel (19, 22 bis 25, 32 bis 35, 44 bis 48), die den Druck des hydraulischen Federmittels (9, 10, 11) auf den Schaftkolben (5) während dessen Bewegen von der ersten in Rich­ tung der zweiten Endstellung durch Verbinden des hydraulischen Federmittels (9, 10, 11) mit der Druckquelle über einen variabel festlegbaren Teil des Ventilhubes konstant halten.

2. Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuermittel (19, 22 bis 25) zum Verbinden des hydrau­ lischen Federmittels (9, 10, 11) mit der Druckquelle in einem den Schaftkolben (5) umgebenden Ventilgehäuse (6) einen mit der Druckquelle verbindbaren ersten Ringraum (19) und einen über ei­ nen Druckkanal (22) mit dem hydraulischen Federmittel verbindba­ ren weiteren Ringraum (24) aufweisen, der während des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs über eine Steuernut (25) in dem Schaftkolben (5) mit dem ersten Ringraum (19) in Verbindung steht.

3. Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuermittel (19, 32 bis 35) zum Verbinden des hydrau­ lischen Federmittels (9, 10, 11) mit der Druckquelle einen mit der Druckquelle verbindbaren ersten Ringraum (19) in einem den Schaftkolben (5) umgebenden Ventilgehäuse (6) und eine Steuernut (34) in dem Schaftkolben (5) umfassen, die über einen in dem Schaftkolben verlaufenden Druckkanal (13, 32) mit dem hydrauli­ schen Federmittel verbindbar ist, wobei die Steuernut (34) wäh­ rend des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs mit dem Ringraum (19) in Verbindung steht.

4. Hubventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckkanal (22, 32) ein Rückschlagventil (23, 35) ange­ ordnet ist, das einen Druckabbau in dem hydraulischen Federmit­ tel (9, 10, 11) über den Druckkanal (22, 32) verhindert.

5. Hubventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ringraum (19) über ein hydraulisches Stellglied (31) mit der Druckquelle verbindbar ist, das zugleich die Bewegung des Schaftkolbens (5) von einer ersten Endstellung in Richtung einer zweiten Endstellung auslöst.

6. Hubventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuermittel (44 bis 48) zum Verbinden des hydrauli­ schen Federmittels (9, 10, 11) mit der Druckquelle ein Absperr­ organ (46) zum Schließen und Öffnen des Druckkanals (48) aufwei­ sen, das auf einer ersten Seite über eine Steuerleitung (44) ab­ wechselnd mit der Druckquelle und einer Drucksenke hydraulisch verbindbar ist und während des variabel festlegbaren Teils des Ventilhubs geöffnet gehalten wird.

7. Hubventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Absperrorgan (46) eine in Schließrichtung des Absperrorgans (46) wirkende Rückstellfeder (45) zugeordnet ist und das Ab­ sperrorgan zum Öffnen des Druckkanals (48) entgegen der Feder­ kraft druckbeaufschlagbar mit dem hydraulischen Federmittel (9, 10, 11) verbunden ist.

8. Hubventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (44) mit der Druckquelle und der Drucksenke über ein hydraulisches Stellglied (31, 51) verbindbar ist, das zugleich die Bewegung des Schaftkolbens (5) von der ersten End­ stellung in Richtung der zweiten Endstellung auslöst.

9. Hubventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (44) über eine Drossel (52) mit der Druckquel­ le und über ein Schaltventil (51) mit der Drucksenke verbunden ist.

10. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuermittel den Teil des Ventilhubes, über den sie den Druck des hydraulischen Federmittels (9, 10, 11) konstant hal­ ten, in Abhängigkeit von einem auf das Hubventil einwirkenden Gegendruck variabel festlegen.