DE3135650C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Ventilsteuerung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei Ventilsteuerungen bekannter Art ( DE-OS 29 26 327) ist es möglich, mittels einer mechanisch-hydraulischen Ventilsteuerung eine Veränder­ barkeit der Ventilsteuerzeiten zur Anpassung an verschie­ dene Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu erreichen. Die hierzu eingesetzte Steuervorrichtung umfaßt einen Drehschieber, der von der Nockenwelle her angetrieben wird und in seiner Winkellage zur Nockenwelle in Grenzen verändert werden kann. Der Drehschieber bewirkt dabei mit hydraulischen Mitteln ein Verkürzen der vom Nocken der Nockenwelle mechanisch vorgegebenen Ventil-Offen­ zeit, wenn dies zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch Senken der Drosselverluste oder Verringern der Ventilüberschneidungen bei kleineren Drehzahlen oder auch zum besseren Starten der Brennkraftmaschine vorteil­ haft ist.

Nachteilig ist dabei, daß hiermit die Vorteile einer elektronischen Steuerung beispielsweise einer Kenn­ feldsteuerung nicht ohne großen Aufwand an Übertragungs­ mittel und Servostellern genutzt werden können. Die Ge­ nauigkeit, mit der die gewollte Stellung des Drehschie­ bers ausgeführt wird, hängt ab von der Präzision der Übertragungsmittel. Die erforderlichen Fertigungstoleran­ ten bewirken Übertragungsfehler, die praktisch nicht aus­ geschlossen werden können. Eine unabhängige, variable An­ steuerung der Ventile einzelner Zylinder, gegebenenfalls Zylinderabschaltung, ist auf die angegebene Weise nicht möglich.

Es ist weiterhin durch die DE-OS 26 36 944 eine Ventilsteuerung gemäß der Gattung der Patentansprüche 1 und 6 bekannt. Bei dieser bekannten Ventilsteuerung ist in der Entlastungsleitung des Zylin­ ders ein Schaltventil vorgesehen, das, soweit diese bekannte Ein­ richtung eine frühere elektromagnetisch gesteuerte Ventilsteuer­ einrichtung weiterbilden sollte, ein Magnetventil ist. Solche Magnetventile haben, insbesondere wenn sie große Durchströmquer­ schnitte steuern sollen, merklich meßbare Schließ- bzw. Öffnungs­ zeiten, die in das Steuerergebnis der Ventilsteuerung eingehen. Diese Schaltzeiten sind insbesondere zeitkonstant und machen sich dann vor allen Dingen in nachteiliger Weise drehzahlabhängig bemerk­ bar. Insbesondere sind kurze Schaltzeiten nur mit einem erheblichen Bauaufwand und Energieaufwand erzielbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Ventilsteuerung dahin­ gehend zu verbessern, daß mit geringem Aufwand sehr kurze Schalt­ zeiten des elektrisch gesteuerten Ventils erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kenn­ zeichens von Patentanspruch 1 bzw. 6 gelöst.

Diese Ventilsteuerung hat den Vorteil, daß mit ihr insbesondere durch piezo-elektrische Steuerung innerhalb der mechanisch gegebenen Steuerzeiten extrem kurze, variable Ansprechzeiten für das Verkürzen der Ventiloffenzeit erzielt werden können. Der damit verbundene Auf­ wand bleibt gering. Sie ermöglicht auch eine unabhängige, variable Ansteuerung der Ventile einzelner Zylinder, gegebenenfalls eine Zylinderabschaltung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Ventilsteuerung möglich. Besonders vorteilhaft ist in weiterer Vereinfachung der Einsatz nur eines Piezostellers für zwei Ventilsteuerungen.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer piezo-elektrisch beeinflußbaren Ventilsteuerung im Schnitt,

Fig. 2 eine graphische Dar­ stellung der Ventilbewegungen, in der auf der Ordinate der Ventilweg und auf der Abszisse die Zeit in Grad Kurbelwinkel dargestellt sind,

Fig. 3 ein zweites Aus­ führungsbeispiel mit einem anderen piezo-elektrisch ge­ steuerten Steller im Schnitt und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines elektronischen Steuergerätes, das auch die Steuerimpulse für die Ventilsteuerung abgibt.

In einer Brennkraftmaschine 1 lagert eine Nockenwelle 2 mit Nocken 3. Jeder Nocken 3 wird abgetastet durch einen Kolben 4, der in einem Steuerzylinder 5 gleitend geführt ist. Der Kolben 4 bildet einen Hohlraum 6, in dem er eine Schraubendruckfeder 7 aufnimmt. Etwa in der Mitte der Ge­ samtlänge des Steuerzylinders 5 besitzt dieser einen An­ schlagring 8. Im vom Kolben 4 abgewendeten Teil des durch den Anschlagring 8 unterteilten Steuerzylinders 5 ist ein weiterer Kolben 9 geführt. In seinem dem Kolben 4 zuge­ wendeten Kolbenboden besitzt dieser Kolben 9 eine Aus­ nehmung 10, in die das andere Ende der Schraubendruck­ feder 7 eingreift. Der Kolben 9 ist mit einem Einlaß­ ventil 11 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Er be­ sitzt ebenfalls einen Hohlraum 12, in den eine Schrau­ bendruckfeder 13 eingreift. Diese Schraubendruckfeder 13 findet ihr Widerlager am Boden 14 des Steuerzylinders 5.

In der Zeichnung gemäß Fig. 1 oberhalb des Anschlagringes 8 mündet im Steuerzylinder 5 eine Entlastungsleitung 15. Von ihr zweigt eine Zulaufleitung 16 ab, die über ein Rückschlagventil 17 zum Vorratsraum für ein hydraulisches Druckmittel 18 führt. Von der Entlastungsleitung 15 zweigt auch eine Rücklaufleitung 19 ab. Diese ist verschließbar mittels eines Ventilschiebers 20. Der in der Entlastungs­ leitung 15 geführte Ventilschieber 20 besitzt einen Bund 21, der mit einer Erweiterung 22 der Entlastungsleitung 15 zusammenwirkt. Durch den Bund 21 und die Erweiterung 22 wird die Längsbeweglichkeit des Ventilschiebers 20 zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung für die Rück­ laufleitung 19 begrenzt. Eine Schraubendruckfeder 23 in einer Ausdrehung 24 sucht den Ventilschieber 20 stets in Schließ­ stellung zur Rücklaufleitung 19 zu halten. Der Ventilschieber 20 besitzt eine Klemmfahne 25, die durch das Innere der Schrauben­ druckfeder 23 hindurch bis vorbei an einem seitlich aus der Entlastungsleitung 15 vorspringenden Amboß 26 greift. Dem Amboß 26 ist ein Klemmstempel 27 gegenübergestellt, der am freien Ende einer Säule 28 befestigt ist, die aus übereinandergeschichteten piezo-elektrischen Scheiben be­ steht. Die Säule 28 ist mit ihrem dem Klemmstempel 27 ab­ gewendeten Ende mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine 1 fest verbunden. Ein Anschluß 29 dient zum Anlegen der Ver­ sorgungsspannung für die piezo-elektrischen Scheiben der Säule 28.

Liegt keine Spannung an der Säule 28 an, so drückt der Klemmstempel 27 die Klemmfahne 25 des Ventilschiebers 20 gegen den Amboß 26 und klemmt so den Ventilschieher 20 in der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung für die Rück­ laufleitung 19 fest. Der Hohlraum zwischen den beiden Kolben 4 und 9, in der Entlastungsleitung 15 zwischen dem Steuer­ zylinder 5 und dem Ventilschieber 20 und die Zulaufleitung 16 bis zum Rückschlagventil 17 ist blasenfrei gefüllt mit dem hydraulischen Druckmittel 18. Die mechanische Bewegung des in Richtung eines Pfeiles 30 drehenden Nockens 3 wird über den Kolben 4, das hydraulische Druckmittel 18 und den Kolben 9 direkt auf das Einlaßventil 11 übertragen. Dieses öffnet die Einlaßöffnung. Dabei kann der Ventil­ schieber 20 dem Druck des hydraulischen Druckmittels 18 nicht nachgeben, weil er zwischen dem Amboß 26 und dem Klemmstempel 27 festgeklemmt ist. Sobald an die Säule 28 die Steuerspannung angelegt wird, zieht sie sich in ihrer Längsrichtung zusammen und gibt so den Ventilschieber 20 frei. Der Ventilschieber 20 öffnet die Rücklaufleitung 19 unter dem Druck des hydraulischen Druckmittels 18, das vom Kolben 4 durch die Rücklaufleitung 19 gefördert wird. Der Kolben 9 mit dem Einlaßventil 11 fällt in Schließstellung zurück. Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt Bewegungskurven für das Einlaßventil 11 für verschiedene Betriebszustände. Die Kurve 31 gibt den Bewegungsverlauf an, der allein vom Nocken 3 der Nockenwelle 2 bestimmt ist. Die Kurven 3 2 und 33 stellen den Bewegungsverlauf für verkürzte Ventiloffen­ zeiten dar. Sie können, wie bereits in der Einleitung aus­ geführt, bei niedrigeren Drehzahlen Ventilüberschneidungen oder Drosselverluste verringern. Wenn der Ventilschieber 20 bereits zu Anfang der vom Nocken 3 auf den Kolben 4 über­ tragenen Bewegung freigegeben ist, wird das Einlaßventil 11 nicht geöffnet. Dies ist wichtig für die Zylinderabschaltung. in sparsamer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 kann auch erreicht werden, indem bei Teillast nur die Hälfte der vor­ handenen Zylinder voll, die andere Hälfte nur teilweise ge­ füllt wird. Am besten kann das Zusammenspiel zwischen der variablen Ventilsteuerung und einer vorzugsweise ebenso variablen Kraftstoffeinspritzung und gegebenenfalls Abgas­ rückführung mittels eines elektronischen Steuergerätes 34 optimiert werden. Dieses Steuergerät ist in Fig. 4 schematisch mit seinen Schnittstellen gezeigt. Es wird an seinen Eingängen versorgt mit Signalen, die infor­ mieren über die Motordrehzahl, die Last, die Lage des oberen Totpunkts der Arbeitskolben, die Öl-, Wasser-, Lufttemperatur, die Kraftstoffsorte und den Luftdruck bzw. Ladedruck. Es verarbeitet diese Informationen zu Steuersignalen, die sie über Ausgänge 35 (Einspritz­ beginn und Ende), 36 (Ventilsteuerung) und 37 (Abgas­ rückführung) zu den entsprechenden Steuerstellen leitet.

Im zweiten Ausführungsbeispiel ist bei einer Ventil­ steuerung gemäß Fig. 1 anstelle des Ventilschiebers 20 mit allen ihn beeinflussenden Bauelementen ein piezo- hydraulischer Steuerblock 38 verwendet. Dieser piezo- hydraulische Steuerblock 38 besteht aus einem Schieber­ gehäuse 39 und einem Treibergehäuse 40. Das Schieberge­ häuse 39 besitzt eine Bohrung 41 für einen Ventilschie­ ber 42, die beiderseits des Ventilschiebers 42 durch Ge­ windebolzen 43 und 44 abgeschlossen ist. Kanäle 45 und 46 im Schiebergehäuse 39 sind verbunden mit je einer Entlastungsleitung 15 zweier Ventilsteuerungen. Ein Kanal 47 steht in Verbindung mit einer Rücklaufleitung 19. Eine Eindrehung 48 im Ventilschieber 42 und die Mündungen der Kanäle 45 bis 47 sind so angeordnet, daß in den beiden möglichen Endstellungen des Ventilschieber 42, die durch die Gewindebolzen 43 und 44 mit ihrem Anschlagzapfen in Grenzen einstellbar sind, jeweils einer der Kanäle 45 und 46 mit dem Kanal 47 verbunden ist. In der in Fig. 3 gezeigten Stellung des Ventilschiebers 42 besteht Ver­ bindung zwischen den Kanälen 45 und 47. Der Kanal 46 ist geschlossen. Das heißt die Ventilsteuerung deren Ent­ lastungsleitung 15 mit dem Kanal 45 verbunden ist wäre unwirksam, begänne jetzt ihr Nocken 3 ihren Kolben 4 zu treiben. Im Gegensatz dazu wäre die Ventilsteuerung wirk­ sam, deren Entlastungsleitung 15 mit dem Kanal 46 ver­ bunden ist. Ihr hydraulisches Druckmittel 18 könnte nicht ausweichen und würde die von ihrem Nocken 3 bewirkte Be­ wegung ihres Kolbens 4 über ihren Kolben 9 auf ihr Ein­ laßventil 11 übertragen. Um die Stellung des Ventilschie­ bers 42 im Schiebergehäuse 39 zu steuern, sind Druck­ räume 49 und 50 beiderseits des Ventilschiebers 32 über Kanäle 51 und 52 im Schiebergehäuse 39 und Kanäle 53 und 54 im Treibergehäuse 40 mit Druckräumen 55 und 56 im Trei­ bergehäuse 40 verbunden. Diese Druckräume 55 und 56 be­ finden sich beiderseits eines Kolbens 57, der in einem entsprechenden Zylinder 55/56 geführt ist. Der Kolben 57 besitzt eine Eindrehung 58. In deren Bereich mündet ein Kanal 59 der das Treibergehäuse 40 an den Schmierölkreis­ lauf der Brennkraftmaschine 1 anschließt. Hierzu dient eine Leitung 60. Die Druckräume 55 und 56 sind durch Drosselspalte 61 und 62 miteinander und mit dem Druck­ anschluß 59, 60 verbunden. Der Kolben 57 ist auf einem Zapfen 63 befestigt, der das Ende einer Säule 64 aus über­ einander gestapelten piezo-elektrischen Scheiben bildet. Der das andere Ende dieser Säule 64 bildende Zapfen 65 ist fest verbunden mit dem Treibergehäuse 40. Ein elek­ trischer Anschluß 66 führt von der Säule 64 durch eine Dichtung 67 zum elektronischen Steuergerät 34. Ein Deckel 68 verschließt den Zylinder 55/56.

Liegt keine Spannung an der Säule 64 an, wird der Ventil­ schieber 42 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung (An­ schlag am linken Gewindebolzen 43) gehalten. Sobald eine Spannung angelegt wird, dehnt sich die Säule 64 aus und treibt den Kolben 57 in der Darstellung gemäß Fig. 3 nach links. Der Druck im Druckraum 55 und damit auch der Druck im Druckraum 49 steigt, während der Druck im Druck­ raum 56 und damit im Druckraum 50 fällt. Zum Druckaus­ gleich bewegt sich der Ventilschieber 42 nach rechts in Anschlagstellung am Gewindebolzen 44. Damit ist der Kanal 45 geschlossen und der Kanal 46 geöffnet.

Der hier gezeigte piezo-hydraulische Steuerblock ist also geeignet zur Steuerung zweier Ventilsteuerungen. Sollte einmal die elektrische Ansteuerung des Piezoelements aus­ fallen, kann die Brennkraftmaschine mit halber Last be­ trieben werden (abwechselnd je ein Zylinder Vollast ein Zylinder Nullast).

Claims (15)

1. Ventilsteuerung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragungsmitteln zwischen Nockenwelle (2) und Ventil (11), bestehend aus einem gegen die Kraft einer Feder (13) verschiebbaren, mit dem Ventil (11) verbundenen Kolben (9) und einem in einem Steuerzylinder (5) gegen die Kraft einer Feder (7) durch einen Nocken (3) der Nockenwelle (2) verschiebbaren Kolben (4), zwischen dem und dem mit dem Ventil verbundenen Kolben (9) ein hydraulisches Druck­ mittel (18) im Steuerzylinder (5) eingeschlossen ist, das über ein Rückschlagventil (17) in den Steuerzylinder (5) fließt und über ein intermittierend elektrisch gesteuertes Ventil (20) in einer Entlastungsleitung (15) vom Steuerzylinder (5) während eines Hubes des vom Nocken (3) angetriebenen Kolbens (4) gegen die Kraft der Feder (7) gesteuert abfließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Ventil ein in Öffnungsrichtung mit dem Druck des hydraulischen Druckmittels (18) belasteter Ventilschieber (20) ist und daß dem Ventil­ schieber (20) ein piezo-elektrischer Steller (28) mit einer Stellkomponente senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventil­ schiebers (20) zugeordnet ist, wobei der Steller (28) bis zum Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung eine Klemmkraft auf den Ventilschieber (20) ausübt und dessen Bewegung verhindert.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse des Stellers (28) mindestens annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilschiebers (20) angeordnet ist.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (20) eine Klemmfahne (25) hat.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (28) den Ventilschieber (20), vorzugsweise dessen Klemm­ fahne (25), gegen einen gehäusefesten Anschlag (26) drückt und so kraftschlüssig festhält.

5. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (28) einen Klemmstempel (27) und das Ventilgehäuse (1) einen Am­ boß (26) hat.

6. Ventilsteuerung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragungsmitteln zwischen Nockenwelle (2) und Ventil (11), bestehend aus einem gegen die Kraft einer Feder (13) verschiebbaren, mit dem Ventil (11) ver­ bundenen Kolben (9) und einem in einem Steuerzylinder (5) gegen die Kraft einer Feder (7) durch einen Nocken (3) der Nockenwelle (2) verschiebbaren Kolben (4), zwischen dem und dem mit dem Ventil verbundenen Kolben (9) ein hydraulisches Druckmittel (18) im Steuerzylinder (5) eingeschlossen ist, das über ein Rückschlag­ ventil (17) in den Steuerzylinder (5) fließt und über ein intermittierend elektrisch gesteuertes Ventil (42) in einer Entlastungsleitung (15) vom Steuerzylinder (5) während eines Hubes des vom Nocken (3) angetriebenen Kolbens (4) gegen die Kraft der Feder (7) gesteuert abfließen kann, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Ventil ein Schieber­ ventil ist, dessen Ventilschieber (42) mittels eines piezo-elektrischen Steuerblocks (38) in Offenstellung und Schließstellung zur Entlastungsleitung (15) steuerbar ist.

7. Ventilsteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilschieber (42) mindestens an­ nähernd senkrecht zur Entlastungsleitung (15) ange­ ordnet ist.

8. Ventilsteuerung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (42) in die Entlastungsleitungen (15) zweier Ventilsteuerungen eingreift.

9. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elektrische Steuer­ block ein piezo-hydraulischer Steuerblock (38) ist, der einen piezo-elektrisch wirkenden Treiber (64), einen mit diesem Treiber (64) verbundenen, in einem mit Flüssig­ keit gefüllten Raum (55/56) eingebrachten und diesen Raum (55/56) in zwei Druckräume (55, 56) trennenden Kolben (57) und einen Ventilschieber (42) in einer Bohrung (41) um­ faßt, wobei der Ventilschieber (42) einen wesentlich kleineren Querschnitt hat als der mit dem Treiber (64) verbundene Kolben (57), die Bohrung (41) in zwei mit den dem Kolben (57) benachbarten Druckräumen (55, 56) verbundene Druckräume (49, 50) teilt und in seinem mitt­ leren Teil eine Eindrehung (48) besitzt, mit deren Hilfe er in min­ destens einer seiner möglichen Stellungen mindestens eine der Entlastungsleitungen (15; 45, 46) schließt und in mindestens einer anderen Stellung aus dem Bereich dieser Entlastungsleitung (15; 45, 46) entfernt ist, so daß der Ventilschieber (42) diese Leitung (15; 45, 46) offen läßt.

10. Ventilsteuerung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede durch den Ventilschieber (42) schließ­ bare oder freigebbare Leitung die Entlastungsleitung für das hydraulische Druckmittel (18) der mechanisch-hydrau­ lischen Bewegungsübertragungsmittel (4, 9, 18) zwischen der Nockenwelle (2) und dem Ventil (11) ist.

11. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (41) für den Ventilschieber (42) beiderseits des Ventilschiebers (42) durch einstellbare mechanische Anschläge (43, 44) für den Ventilschieber (42) verschlossen ist.

12. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (55, 56) beider­ seits des Kolbens (57) durch Drosselspalte (61, 62) mit dem Druckanschluß (59, 60) für die Hydraulikflüssig­ keit des piezo-hydraulischen Steuerblocks (38) und unter­ einander verbunden sind.

13. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanschluß (59, 60) ein Anschluß an den Schmierölkreislauf der Brennkraft­ maschine (1) ist.

14. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Übersetzungs­ verhältnis Kolbenquerschnitt zu Ventilschieberquerschnitt größer ist als das Verhältnis Ventilschieberweg zu vom piezo-elektrisch wirkenden Treiber (64) abnehmbarer Weg.

15. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Längenausdehnungskoeffi­ zient des Kolbens (57) größer ist als der des ihn umge­ benden Treibergehäuses (40).