DE3806969A1 - Elektrohydraulische stelleinrichtung zur betaetigung von gaswechselventilen bei brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Stellein­ richtung zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Brenn­ kraftmaschinen.

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Gaswechselvorgänge über Ventile gesteuert werden, sind in bekannter Weise mechanisch von einer Nockenwelle betätigte Einlaß- und Auslaßventile vorgesehen, wobei der mechanische Ventil­ trieb feste Steuerzeiten und konstanten Ventilhub bedingt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist es auch bekannt, durch relatives Verdrehen der Nockenwelle die Steuerzeit für die Ventile zu verschieben.

Ferner sind mechanisch-hydraulische Systeme bekannt, bei denen das Gaswechselventil von einem Nocken über ein hydraulisches Zwischenglied betätigt wird. Durch Volumen­ änderung des Zwischengliedes läßt sich ein variabler Hub ermöglichen. Mechanisch-hydraulische Systeme sind mehr­ fach bekannt (DE-OS 22 00 131, 30 48 887, 31 35 650, EP 01 96 441, 01 96 483).

Weiter sind hydraulische Systeme bekannt, bei denen ein Stellzylinder vorgesehen ist, der das Gaswechselventil öffnet. Der Stellzylinder wird über ein schnelles Schalt­ ventil mit Druckmedium versorgt. Das Schließen des Gas­ wechselventils erfolgt über die Ventilfeder. Beispiele für hydraulische Systeme finden sich in mehreren Veröffent­ lichungen (DE 20 08 668, 21 51 331, 28 14 863, 33 47 533, US 29 62 013, 40 00 756).

Als weitere Elemente zum Betätigen von Gaswechselventilen sind elektromagnetische Stelleinrichtungen bekannt (DE-OS 28 15 849, 30 24 042, 30 24 109, 30 25 445, 35 00 530). Eine zwischen zwei Elektromagneten angeordnete Ankerplatte bildet zusammen mit dem Ventil, der Ventilfeder und einer weiteren Feder ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System. Durch die Elektromagnete wird die Ankerplatte wechsel­ weise in die eine oder andere Richtung gezogen, wobei das Gaswechselventil öffnet bzw. schließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stellein­ richtung zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Brenn­ kraftmaschinen derart auszubilden, daß in allen Betriebs­ zuständen der Wirkungsgrad und die Abgasemissionen ver­ bessert werden, die Leistung optimiert wird und insbeson­ dere die Steuerzeit, der Ventilhub sowie die Flankensteil­ heit der Ventilerhebungskurve dem jeweiligen Betriebszustand entsprechend optimal wählbar ist.

Die genannte Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße mit dem Gaswechselventil verbundene elektrohydraulische Stellantrieb weist gegenüber bekannten Ventilantrieben den wesentlichen Vorteil auf, daß die Ventilerhebungskurve frei wählbar ist. Sie kann vorzugs­ weise einem von einem Rechner vorgegebenen Sollwertverlauf folgen. Zur Positionierung des Stellantriebes sind zwei unterschiedliche Regelungsarten möglich, die entsprechend der dynamischen Anforderung an die Regelung ausgewählt werden. In dem einen Fall handelt es sich um eine mechani­ sche Wegrückführung für einen Betrieb in einer Steuerkette, während im anderen Fall eine elektrische Wegrückführung zum Einschleifen in eine Regelschaltung vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Stellantrieb mit mechanischer Rück­ führung,

Fig. 2 einen Stellantrieb mit elektrischer Rück­ führung,

Fig. 3 mit einem Einlaß- bzw. Auslaßventil gekuppel­ te Stellantriebe und

Fig. 4 einen Stellantrieb mit abgeändertem Steuer­ schieber.

Die Stelleinrichtung weist ein Gehäuse 1 mit einer Bohrung 2 auf, in der ein Stellkolben 3 gleitet, dessen Kolben­ stange 4 von geringerem Durchmesser in einer Bohrung 5 gleitet und an ihrem vorderen Ende mit einem Gewinde 6 versehen ist. Ein Abschnitt 8 der Kolbenstange 4 ist konisch und von einer Meßwicklung 10 umgeben. Der Abschnitt 8 bil­ det zusammen mit der Meßwicklung 10 einen Wegaufnehmer zur Bestimmung des Hubes des Stellkolbens. Der Wegaufnehmer ist bekannt (DE-OS 35 25 199).

In einer weiteren Bohrung 11 des Gehäuses ist ein Steuer­ schieber 12 verschiebbar, der über eine Feder 14 mit dem Stellkolben 3 gekoppelt ist. Der Steuerschieber 12 wird von der Feder 14 auf den Stößel 16 eines Proportional­ magneten 18 gedrückt, der eine Wicklung 19 und einen mit dem Stößel 16 verbundenen Anker 20 aufweist. Der Propor­ tionalmagnet 18 arbeitet gegen eine Feder 22, die einer­ seits an einer Einstellschraube 23 und andererseits an einem Meßglied 24 abgestützt ist, das sich in Anlage an einem Stößel 25 des Ankers 20 befindet. Das Meßglied 24 weist einen konischen Abschnitt auf, der zusammen mit einer Meßwicklung 26 einen Wegaufnehmer für den Hub des Magnetankers 20 bildet.

Eine Druckmittelquelle 28 liefert Drucköl einerseits über eine Leitung 29 in die kolbenstangenseitige Kammer 30 des Stellkolbens 3, wodurch die Ringfläche 31 des Stellkolbens 3 entgegen der Kraft der Feder 14 druckbeaufschlagt wird, sowie Drucköl über eine Leitung 33 zum Steuerschieber 12, der mit einer Zweikantensteuerung versehen ist, wodurch ein Steuerraum 35, der über Bohrungen einerseits mit dem kolbenseitigen Raum 36 und andererseits mit den Räumen 37, 38 des Proportionalmagneten 18 in Verbindung steht, mit der Leitung 33 bzw. einer zu einem Tank T führenden Leitung 40 verbindbar ist.

Die Vorspannkraft der Feder 22 ist mit der Einstellschraube 23 veränderbar und so gewählt, daß die Feder 22 bei strom­ losen Proportionalmagneten 18 den Steuerschieber 12 ent­ gegen der Kraft der Feder 14 auf einen Anschlag 42 drückt, der von einer Schulter zwischen der Bohrung 2 und 11 ge­ bildet ist. In dieser Lage des Steuerschiebers 12 ist die Leitung 33 abgesperrt und die Räume 36, 37, 38 sind über den Steuerraum 35 mit der zum Tank führenden Leitung 40 verbunden. Der Raum 36 ist drucklos, der kolbenstangen­ seitige Raum 31 druckbeaufschlagt, der Stellkolben 3 ist eingefahren und das in Fig. 3 dargestellte Gaswechsel­ ventil 60 ist geschlossen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht der anhand der Fig. 1 erläuterten Ausführungsform insoweit, als für alle gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind. Eine Abänderung in Fig. 2 besteht darin, daß die Feder 14 nicht auf dem Stellkolben 3 abgestützt ist, sondern vielmehr auf einer Hülse 44, die sich in An­ lage an dem Anschlag 45 befindet.

In Fig. 1 stellt somit die mechanische Ankupplung des Steuerschiebers 12 an den Stellkolben 3 über die Feder 14 eine mechanische Wegrückführung für den Hub des Stell­ kolbens 3 dar, während in Fig. 2 über die Hülse 44 diese mechanische Wegrückführung abgekoppelt ist.

In der Ausführung nach Fig. 2 ist die Vorspannung der Feder 22 so eingestellt, daß bei halbem Nennstrom des Proportionalmagneten 18 der Steuerschieber 12 in Mittel­ stellung steht, also in der Regelposition, in der der Steuerraum 35 mittig zwischen der in die Bohrung 11 münden­ den Leitung 33 zur Druckmittelquelle und der in die Boh­ rung 11 mündenden Leitung 40 zum Tank steht.

Die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Stellan­ triebs mit mechanischer Wegrückführung zum Betrieb in einer Steuerkette ist wie folgt: Ausgehend vom Strom Null in der Wicklung 19 des Proportionalmagneten 18 wird der Steuerschieber 12 von der Feder 22 an den Anschlag 42 gedrückt, so daß wie erläutert die zur Druckmittelquelle führende Leitung 33 abgesperrt und der kolbenseitige Raum 36 mit der zum Tank führenden Leitung 40 verbunden ist. Der Kolben 3 ist eingefahren und das Ventil ge­ schlossen.

Fließt in der Wicklung 19 ein Strom, so wird von der dem Strom proportionalen Magnetkraft die Feder 22 weiter vor­ gespannt und die Feder 14 verschiebt den Steuerschieber 12 so, daß der Kolbenraum 36 über den Steuerraum 35 mit der Druckleitung 33 verbunden wird. Durch den im Kolbenraum 36 steigenden Druck wird der Stellkolben 3 verschoben, die Kolbenstange 4 fährt aus und das Ventil 60 (Fig. 3) öffnet.

Die Feder 14 führt die Position der Kolbenstange 4 als Kraft auf den Steuerschieber 12 zurück, auf den gegen­ sinnig die Kraft der Feder 22 und des Proportionalmagneten 18 wirkt. Durch diesen Kraftvergleich am Steuerschieber 12 wird dieser so eingestellt, daß der Steuerdruck im Kolbenraum 36 solang verändert wird, bis die gewünschte Position des Ventils erreicht ist.

Der Hub des Stellantriebes ist proportional zum Strom des Proportionalmagneten 18 und dieser ist proportional einem Sollwert, der in einem Rechner ermittelt wird und über einen Verstärker 48 dem Proportionalmagneten 18 zugeführt wird.

Die Wegaufnehmer 8, 10 und 24, 26 werden für die in Fig. 1 dargestellte Steuerung nicht benötigt. Sie können zur Meß­ werterfassung dienen (DE-OS 34 28 708) und können auch in den Sollwertrechner eingegeben werden.

In Fig. 2 ist der Verstärker 48 an einen Regler 49 ange­ schlossen, dem als Istwert über ein Anpaßglied 51 der vom Anker 20 ausgeführte Hub zugeführt wird, der im Weg­ aufnehmer 24, 26 gemessen wird. Der Regler 49 erhält einen Sollwert von einem weiteren Regler 52, dem als Istwert der Hub des Stellkolbens 3 über ein Anpaßglied 53 und als Sollwert ein von einem nicht dargestellten Rechner er­ mittelter Wert zugeführt werden. Der Regler 52 ermittelt somit eine Fehlergröße abhängig von der Position des Stell­ kolbens 3 und damit des Ventils, während der Regler 49 zusätzlich die Position des Magnetantriebes berücksichtigt.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform in Fig. 2 mit elektrischer Wegrückführung ist wie folgt: Solange der Proportionalmagnet stromlos ist, wird der Steuerschieber 12 von der Feder 22 gegen den Anschlag 42 der Hülse 44 gedrückt. Damit ist der kolbenseitige Raum 36 über den Steuerraum 35 mit der zum Tank führenden Leitung 40 ver­ bunden und druckentlastet. Der Stellkolben 3 ist einge­ fahren und das Ventil in Schließstellung. Bei halbem Nenn­ strom in der Wicklung 19 gelangt der Steuerschieber 12 in die mittlere Regelstellung. Die Position der Kolben­ stange (Istwert) und damit auch die Position des Gas­ wechselventils 50 wird über den Weggeber 8, 10 erfaßt und in dem Regler 52 mit dem eingegebenen Sollwert verglichen. Bei einer Abweichung des Istwertes der Kolbenstangen­ position vom Sollwert wird vom Regler 52 der Sollwert für den Proportionalmagneten 18 gebildet und mit dessen Ist­ wert, der über den Weggeber 24, 26 erfaßt wird in dem Regler 49 verglichen. Das Differenzsignal steuert den Verstärker 48 an, von dem ein entsprechendes Stromsignal der Wicklung 19 zugeführt wird.

Dadurch wird das Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft der Feder 14, der Magnetkraft und der Kraft der Feder 22 verändert. Der Steuerschieber 12 wird verschoben und da­ durch der Druck im Kolbenraum 36 verändert. Der Stell­ kolben 3 und damit auch das Gaswechselventil gleicht sich dem Sollwert an. Dadurch verringert sich die Differenz zwischen Sollwert und Istwert im Regler 52, dessen Aus­ gangssignal eine entsprechende Änderung des der Magnet­ wicklung 19 zugeführten Stromes bewirkt.

Hat die Kolbenstange 4 die gewünschte Position erreicht, so ist auch der Steuerschieber 12 wieder in Mittelstellung.

Durch die zusätzliche Einführung des Magnetankerhubes in die Regelung wird die Dynamik der Regelung vergrößert. Aus den in den Wegaufnehmern gemessenen Positionen für den Stellkolben und den Magnetantrieb kann noch die erste Ableitung für die Geschwindigkeit und die zweite Ableitung für die Beschleunigung gebildet und in den Reglern berück­ sichtigt werden.

In Fig. 3 ist die elektrohydraulische Steuereinrichtung zusammen mit einem Einlaß- bzw. Auslaßventil 60 darge­ stellt. Dabei ist das Gewinde 6 der Kolbenstange 4 mit einem an dem Ventil befestigten Kupplungsstück 61 ver­ schraubt. Die zum Schließen der Ventile dienende Feder entfällt.

In Abänderung des in Fig. 2 dargestellten Steuerschiebers 12 kann dieser auch als Hülse ausgeführt sein, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Dabei wirkt der Stössel 116 über eine Kreuzscheibe auf den Steuerschieber 12. Ansonsten sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, jedoch in Fig. 4 mit einer vorgestellten "1" bezeichnet.

Die Stelleinrichtung nach Fig. 1 kann auch einen Druck­ aufnehmer 62 aufweisen. Dieser dient zur Messung des am Stellkolben 3 wirksamen Hydraulikdruckes, wobei das Druck­ signal als weitere Istgröße für einen Regler dient. Diese zusätzliche Istgröße dient zur besseren Erfassung der dynamischen Steuervorgänge, wodurch eine noch genauere Regelung erzielt wird, die eine betriebspunktabhängig optimale Positionierung des jeweiligen Gaswechselventils sicherstellt.

Claims (22)

1. Elektrohydraulische Stelleinrichtung zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil durch einen elektrisch proportional ansteuerbaren Hydrau­ likzylinder betätigbar ist, der der Amplitude dem Tastgrad und der Frequenz nach variabel einstellbar ist.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder von einem proportionalen elektromechanischen Umformer ange­ steuert ist.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder von einem Wegeproportionalventil angesteuert ist.

4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub und die Hubgeschwindigkeit und die Beschleunigung des Hydrau­ likzylinders regelbar ist.

5. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mecha­ nische Wegrückführung des Hubes vorgesehen ist.

6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elek­ trische Wegrückführung des Hubes vorgesehen ist.

7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der elektrischen Ansteuerung das Gaswechselventil hydrau­ lisch geschlossen wird.

8. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydrau­ likzylinder als Differentialzylinder ausgeführt ist.

9. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydrau­ likzylinder als Gleichgangzylinder ausgeführt ist.

10. Stelleinrichtung nach Anspruch 9 mit einem Differen­ tialzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der kolbenseitigen Zylinderkammer mit einem Dreiwegeproportionalventil geregelt ist und die Stangen­ seite ständig mit dem Systemdruck beaufschlagt ist.

11. Stelleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9 mit einem Gleichgang- oder Differentialzylinder, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druck in beiden Zylin­ derkammern mit einem Vierwegeproportionalventil geregelt ist.

12. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ schieber des Ventils bei kleinem Hub eine große Öffnungs­ fläche freigibt.

13. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ schieber des Ventils als dünnwandiges Rohr ausgebildet ist.

14. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver­ bindung der Kolbenstange des Hydraulikzylinders mit dem Gaswechselventil eine Kupplung ohne Ventilfeder vorgesehen ist.

15. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit mechanischer Hubrückführung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hydraulikzylinder und das Wegeventil koaxial angeordnet sind.

16. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit elektrischer Hubrückführung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Ventil ein Wegaufnehmer mit nachgeschalteten Schaltkreisen zur Ableitung der Hubge­ schwindigkeit und der Beschleunigungen vorgesehen ist oder entsprechende Sensoren direkt vorgesehen sind.

17. Stelleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Hydraulikzylinder ein Ventil in freier Anordnung zugeordnet ist.

18. Stelleinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer zwi­ schen dem Gaswechselventil und dem Hydraulikzylinder ange­ ordnet ist.

19. Stelleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wegaufnehmer gleich­ achsig mit der Kolbenstange und/oder dem Stößel des Magnet­ ankers angeordnet ist.

20. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Gas­ wechselventil eine elektrisch von jeweils einem unabhängi­ gen Signal angesteuerte Stelleinrichtung zugeordnet ist.

21. Stelleinrichtung nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Stelleinrichtung unabhängige Signale für den Tastgrad, die Frequenz und Amplitude des Hubes zugeführt sind.

22. Stelleinrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckaufnehmer (62) zur Messung des am Stellkolben (3) wirkenden Hydraulikdruckes angeordnet ist, wobei das Drucksignal als weitere Istgröße für einen Regler dient.