DE3741214A1 - Regelbare hydraulische ventilsteuerung fuer hubkolbenkraft- oder arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine regelbare hydraulische Ventilsteuerung für Hubkolbenkraft- oder Arbeitsmaschinen, die auf einer Pumpe, einer Druckspeicher/-dampfereinheit, einem aus einer Welle und einer Steuerhülse bestehenden Steuerteil, einem endlagegedämpften Arbeitskolben, einem im Zylinderkopf befindlichen Vorratsbehälter, einem in der Rückflußleitung plazierten Kühler, einem die Steuerhülse verschiebenden Stellmotor und einem Steuerzeiten kontrollierenden Sensor besteht.

Ähnliche Ventilsteuerungen sind bereits durch DE 28 14 863 A1 und 30 24 298 sowie durch DE-EP 01 39 566 bekannt geworden. Alle drei Anlagen gestatten es die Steuerzeiten dem Motorlauf anzupassen, wobei die Forderungen an Konstanz und Reproduzierbarkeit der Steuerzeiten erfüllt werden. Allerdings muß für diese Ziele ein sehr hoher Bauaufwand in Kauf genommen werden. Dieser hohe Bauaufwand hat es bisher verhindert diese Systeme gegenüber herkömmlichen starren und mechanischen Ventilsteuerungen mit Nockenwellen konkurrenzfähig werden zu lassen.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, eine zu herkömmlichen starren Ventilsteuerungen vom Bauaufwand konkurrenzfähige Alternative im Automobilbau zu sein.

Diese bietet darüber hinaus noch eine ganze Palette an Vorteilen: Durch schnelleren Öffnungs- und Schließvorgang wird bei gleicher Ventilöffnungszeit das Ventil länger weit offen gehalten (Bild V) und dadurch eine bessere Füllung und Drehmomentgewinn erreicht. Oder es können die Ventile entsprechend verkleinert werden, wodurch eine bessere Kühlwirkung der Ventile und dadurch eine geringere Klopfneigung erreicht wird.

Es ist darüberhinaus möglich die Steuerzeiten dem Motorlauf (Kaltlauf, Drehzahl, Last) anzupassen und dabei den Ventilhub konstant zu halten. Es muß nicht ein Kompromiß für das ganze Drehzahlband genügen. Durch die Anpassung der Steuerzeiten wird neben einem elektromotorenähnlichen Drehmomentverlauf natürlich auch ein optimiertes Abgasverhalten ermöglicht.

Die Steuerung von Mehrventilen erfordert außer einem Arbeitskolben für jedes Ventil keinen höheren Bauaufwand. Es ist sogar eine Ventil- oder zylinderabschaltung mit geringem Mehraufwand möglich.

Das Einstellen von Ventilen in regelmäßigen Abständen entfällt genauso wie Ventilspiel­ ausgleichseinrichtungen, da systembedingt kein Ventilspiel auftritt.

Da die Stellung der Ventilachsen zueinander technisch irrelevant ist, können die Verbrennungsräume freier gestaltet werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, die bei einer regelbaren hydraulischen Ventilsteuerung auftretenden Probleme, wie z. B. ausreichende Entlüftung, laufende Erneuerung der Steuerflüssigkeit, anhaltend genaue Regelung und eine Notlaufeigenschaft bei ausfallender Elektronik bei möglichst geringem Aufwand zu lösen.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Herzstück der Anlage, das Steuerteil, nur aus zwei Teilen besteht und einfach aufgebaut ist. Die Welle (9) wird mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben. Pro Ventil oder Ventilgruppe besitzt die Welle eine tiefe Quernut (10), die sowohl das Drucköl der Pumpe vom Langloch (12) zum Arbeitszylinder leitet und dadurch die Öffnung des Ventils veranlaßt (Bild II), als auch, wenn sich die Welle (9) weitergedreht hat, das Drucköl vom Arbeitszylinder in der Quernut (10) zurück über Langloch (14) in den Vorratsbehälter leitet (Bild III).

Das Steuerteil erledigt also vier Arbeits­ schritte:

• 1. Drucköl weiterleiten - Ventil öffnet (Bild II)
• 2. Druck halten - Ventil wird offengehalten
• 3. Druck ablassen - Ventil schließt (Bild III)
• 4. Durchgang gesperrt - Ventil bleibt geschlossen (Bild IV)

Somit ergeben sich die Steuerzeiten direkt oder indirekt aus den Überschneidungspunkten der Zuleitungen in der Steuerhülse mit der Quernut in der drehenden Welle (beim Schließen des Ventils ist die Steuerzeit noch von der Zeitdauer des Schließvorgangs und der Drehzahl des Motors abhängig (Bild VI). Will man nun die Steuerzeiten verändern, muß nur die Steuerhülse (11) gegenüber der Welle (9) verschoben werden. Da die Zu- und Ableitungen (12, 13, 14) als Langlöcher ausgebildet sind, ergeben sich neue Überschneidungspunkte und somit geänderte Steuerzeiten.

Ein elektrischer Stellmotor verschiebt die Steuerhülse linear (oder die Steuerhülse (11) ist fest und die Welle (9) wird verschoben). Die Befehle dazu gibt ein elektronisches Steuergerät, welches von der Motortronic, oder über eigene Sensoren, über den Motorzustand informiert wird und laut Kennfeld den Stellmotor ansteuert. Damit auch eine Regelung gewährleistet ist, sind zwischen Zylinderkopf und Federteller der Rückstellfeder eines Einlaß- und Auslaßventils Piezokristalle (8) eingebaut, welche von der Druckspannung der Feder und damit vom jeweiligen Ventilhub des Ventils abhängige Signale an das Steuergerät liefert. Das Steuergerät ist somit ständig über die momentane Steuerzeit informiert.

Da das Steuerteil immer länger Drucköl weiterleitet als zum Betätigen des Arbeitskolbens nötig wäre, wird eine geringe Ölmenge über Bohrung (18) zum Vorratsbehälter geleitet, wenn sich der Kolben am Anschlag befindet und das Ventil geöffnet ist. Dadurch wird bei jedem Öffnen des Ventils das Öl teilweise erneuert und entlüftet und damit wird verhindert, daß ständig das gleiche Öl zirkuliert.

Befindet sich das Steuerteil in Arbeitsschritt 2: Druck halten - verschließt der Arbeitskolben (15) die Bohrung (18) und somit wird das Ventil weiterhin offengehalten.

In Arbeitsschritt 3 des Steuerteils: Druck ablassen - beginnt das Ventil sich zu schließen. Dabei wird das Öl vom Arbeitskolben (15) durch die Bohrung (20) des Arbeitszylinders zum Versorgungsanschluß (22) geleitet, da die Zuleitung durch das Rückschlagventil (21) verschlossen ist. Gegen Ende des Schließvorgangs wird der Querschnitt der Bohrung (20) mehr und mehr vom Arbeitskolben (15) verkleinert und dadurch dieser verzögert, wodurch ein "sanftes" Schließen des Ventils erreicht wird.

Der Kolbenraum ist zusätzlich durch die Drosselbohrung (19) mit dem Versorgungsanschluß (22) verbunden, damit immer ein hundertprozentiges Schließen des Ventils gewährleistet ist.

Die Druckölversorgung erfolgt durch eine Hochdruckpumpe, die von der Kurbelwelle z. B. durch Riemen angetrieben wird. In der Versorgungsleitung zwischen dem Steuerteil (3) und der Pumpe (1) ist eine Druckspeicher/- dämpfereinheit angeschlossen. Sie hat hauptsächlich die Aufgabe, Druckschwankungen des Systems auszugleichen. Die Dämpfereinheit wird durch das Absperrventil (23) von der Versorgungsleitung abgetrennt, wenn der Druck einen Wert, der z. B. bei Starterdrehzahl nötig ist um die Ventile zu öffnen, noch nicht erreicht hat. Außerdem ist nach der Pumpe ein Rückschlagventil angebracht, welches einen schnellen Druckabfall nach Abstellen des Motors verhindert.

Das vom Vorratsbehälter gesammelte Öl wird durch einen Kühle geleitet bevor es die Pumpe wieder ansaugt. Dadurch wird eine zu hohe Belastung des Öls und der mechanischen Bauteile verhindert.

Hier noch einige Rechenbeispiele, welche die Funktionstüchtigkeit und Vorteile der Erfindung bekräftigen sollen:

Den Rechenbeispielen liegt ein 2,0 l 8-Ventiler 4-Zylinder 4-Taktmotor zugrunde. Er besitzt einen Ventilhub von 10 mm, seine Ventilfedern haben ungespannt eine Länge von 45 mm, eingebaut eine Länge von 40 mm und dabei eine Spannkraft von 267 N. Wird das Ventil 10 mm geöffnet, erhöht sich die Spannkraft auf 800 N. Daraus resultiert, daß die Feder eine Federrate von 53,333 N/m hat. Die Spannungsenergie der Feder im geöffneten Zustand des Ventils gegenüber dem geschlossenen ist also 5,33 Nm. Nimmt man eine bewegte Masse von 170 g an, so kann diese mit den 5,33 Nm Energie auf 7,92 m/s Geschwindigkeit beschleunigt werden. Da diese Energie innerhalb des 10 mm Hubs bereitstehen, verbleiben für diesen Vorgang eine Zeit von 2,53 ms. Dies ist also die Zeit, die das Ventil benötigen würde, wenn es ungedämpft in den Sitz fallen würde. Wird nun die Dämpfungs­ einrichtung des Arbeitszylinders so ausgelegt, daß der Schließvorgang am Schluß um ca. 0,5 ms verzögert wird, ergibt sich ein Wert für die Schließdauer von rund 3 ms. Dies ist auch der übliche Wert dieses Motors mit einer herkömmlichen Nockenwelle mit 220 Grad KW Öffnungswinkel bei einer Drehzahl von 6 000 1/min.

Erhält der Arbeitskolben einen Durchmesser von 11 mm (A = 0,95 cm²) und wird er mit 1 200 N/cm² beaufschlagt, ergibt das eine Kraft von 1 140 N. Dadurch steht sogar für das Öffnen ein geringfügig größeres Potential als für den Schließvorgang zur Verfügung. Da die Zeitspannen für Öffnungs- und Schließvorgang über das gesamte Drehzahlband konstant sind, ergibt das vor allem unterhalb der Nenndrehzahl ein erheblich schnelleres Öffnen und Schließen der Ventile als bei einer Nockenwelle, wodurch die Ventile länger mit vollem Querschnitt geöffnet sind (Bild 5, 6).

Da die Kolbenfläche 0,95 cm² und der Ventilhub 10 mm betragen, ergibt sich ein Ölvolumen von 0,95 cm³ + 0,008 cm³ durch die Kompressibilität von 0,7%/1 000 N/cm², die während 2,5 ms durch die Leitungen fließen müssen. Das ergibt eine Strömungsgeschwindigkeit bei einem Innendurchmesser der Leitungen von d = 8 mm von 7,8 m/s. Bei einer kinematischen Viskosität von μ = 1 000 mm²/s ist die Reynoldszahl Re = 62,4. Für diese laminare Strömung ergibt sich mit λ = 1,02564, ρ = 0,85 kg/dm und l = 0,5 m Δ p = 16,6 bar. Das entspricht einem Druckabfall um 13,8%, der bei einem Kaltstart im Winter zu erwarten wäre. Bei einer kinematischen Viskosität von 20 mm²/s ergibt sich in den Zuleitungen zu den Arbeitszylindern ein Druckabfall von 23 mbar. Das entspricht einem Druckabfall von 0,019%, der bei Betriebstemperatur zu erwarten wäre.

Die Förderleistung der Pumpe für den gesamten Motor bei 6 000 1/min (24 000 Arbeitsspiele/min) muß mindestens 46 l betragen. Das ergibt eine theoretische Leistungsaufnahme von 10 KW bei einem Wirkungsgrad der Zahnradpumpe von η t = 0,92.

Claims (8)

1. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung für Hubkolbenkraft- oder Arbeitsmaschinen, die aus einer Pumpe (1), einer Druckspeicher/- dämpfereinheit (2), einem aus einer Welle und einer Steuerhülse bestehenden Steuerteil (3), einem endlagegedämpften Arbeitskolben (15), einem im Zylinderkopf befindlichen Vorratsbehälter, einem in der Rückflußleitung plazierten Kühler (5), einem elektronischen Steuergerät (6), einem die Steuerhülse verschiebenden Stellmotor und einem Steuerzeiten kontrollierenden Sensor besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Energie zum Öffnen der Ventile von der Pumpe in Form des unter Druck stehenden Öls bereitgestellt wird, daß die sich im Steuerteil (3) befindliche Welle (9) pro Ventil oder Ventilgruppe eine tiefe Quernut besitzt, daß die Welle (9) mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben wird, daß die Steuerhülse (11) axial relativ zur Welle verschiebbar ist, daß die Steuerhülse gegen Verdrehen gesichert ist, daß an der Steuerhülse angebrachte Langlöcher beim axialen Verschieben der Steuerhülse am Umfang jeweils unterschiedliche Überschneidungspunkte mit der Quernut der Welle durch die Lage und Form der Langlöcher erzeugen, daß der Arbeitskolben durch das Drucköl das Ventil öffnet und dabei die Schraubenfeder (17) spannt, die durch ihre Spannungsenergie bei Druckentlastung des Arbeitszylinders das Ventil schließt, daß durch die Bohrung (18) im Arbeitszylinder nach Erreichen des Arbeitshubes eine Entlüftung und eine Erneuerung des Öls erreicht wird.

2. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdämpfer/-speichereinheit (2) durch das Absperrventil (23) unterhalb eines definierten Wertes von der Versorgungsleitung zwischen Pumpe (1) und Steuerteil (3) abgekoppelt wird und daß nach der Pumpe ein Rückschlagventil eingebaut ist.

3. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucköl von der Pumpe (1) bei VÖ (Bild II) durch die Nut (10) der Welle zu der Zuleitung (13), die zum Arbeitskolben führt, geleitet werden kann.

4. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl vom Arbeitszylinder bei VS (Bild III) von der Zuleitung (13) über die gleiche Nut (10) der Welle zur Rückflußleitung geleitet werden kann.

5. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitszylinder (16) in der Zuleitungsbohrung durch die Hohlschraube (24), einer Feder und einer Kugel ein Rückschlagventil (21) gebildet werden kann.

6. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (20) so angebracht ist, daß ihr Öffnungsquerschnitt gegen Ende des Schließvorgangs des Ventils, durch den Arbeitskolben verkleinerbar ist.

7. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung (19) den Arbeitszylinderraum und den Anschlußraum (22) verbindet.

8. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem unteren Federteller der Rückstellfeder und dem Zylinderkopf ein Piezokristall (8) eingebaut ist.