DE3836725C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulisch arbeitende Stelleinrichtung für ein Hubventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige Stelleinrichtung ist aus der DE-OS 33 47 533 bekannt. Bei dieser bekannten Stelleinrichtung wird die bei der Hubventilbewegung vom Kolben aus dem Zylinder ver­ drängte Arbeitsflüssigkeit nicht zur Arbeitsleistung heran­ gezogen, so daß die in ihr enthaltene Energie verloren ist. Dadurch ergibt sich ein sehr hoher Energiebedarf für die Betätigung des Hubventils. Im Patentanspruch 5 der ge­ nannten Druckschrift ist zwar ausgeführt, daß eine Seite des Kolbens zur Energierückgewinnung alternierend als Pumpe arbeiten soll, es ist jedoch nicht dargelegt, wie diese Energierückgewinnung tatsächlich erfolgen soll. Bei dieser bekannten Stelleinrichtung ist weiterhin eine aufwendige Steuervorrichtung vorhanden, die jedoch eine voneinander unabhängige Steuerung verschiedener Hub­ ventile nicht zuläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber der bekannten Stelleinrichtung vereinfachte Stellein­ richtung mit erheblich geringerem Energieaufwand zu betreiben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Stelleinrichtung wird die Stellbewegung des Kolbens und damit des Hub­ ventils durch die in den Endstellungen unterschiedlich stark gespannten Federn ausgelöst, wobei die unter Druck stehende Arbeitsflüssigkeit von einem Hubraum in den anderen geschoben wird. Da somit die in den Endstellungen des Kolbens in den Federn gespeicherte potientielle Energie zur Beschleunigung des Kolbens und des Hubventils genutzt und beim Abbremsen wieder gewonnen wird und außer­ dem die Energie der Arbeitsflüssigkeit beim Ausschieben aus einem Hubraum nicht verloren geht, kann die Energie­ zufuhr von außen auf den Ersatz von Verlustenergien wie insbesondere Reibungsverluste beschränkt werden, während die für Beschleunigungen notwendigen Energien durch Energierückgewinnung aufgebracht werden. Es ergibt sich der weitere Vorteil, daß durch das energiegewinnende Ab­ bremsen des Kolbens und des Hubventils deren Bewegung gedämpft und ein hartes Aufschlagen in der Endstellung vermieden wird.

Eine platzsparende und für die Stellbewegungen des Hub­ ventils günstige Anordnung und Vorspannung der Federn ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Im Patentanspruch 3 ist eine energiesparende Steuervor­ richtung für die Stelleinrichtung angegeben, mit deren Hilfe jede einzelne Stellbewegung des Hubventils ausge­ löst wird, so daß jede dieser Stellbewegungen verändert und den Erfordernissen angepaßt werden kann.

Im Patentanspruch 4 ist angegeben, wie die durch mechani­ sche und hydraulische Reibung entstehenden Energieverluste auf einfache und wenig aufwendige Art durch Zufuhr von unter Druck stehender Arbeitsflüssigkeit aus der Druck­ quelle in einen Hubraum gegen Ende einer Hubbewegung er­ setzt werden, wobei für eine gleichzeitige Abfuhr einer gleichen Menge an Arbeitsflüssigkeit aus dem anderen Hub raum gesorgt ist. Es ergibt sich daraus, daß nur ein ge­ ringer Teil der bei jeder Hubbewegung in bzw. aus einem Hubraum zu fördernder Arbeitsflüssigkeit von der Druck­ quelle unter Energieaufwand zu fördern ist.

Die Auslaßöffnungen sind besonders einfach anzuordnen und zu steuern in der im Patentanspruch 5 angegebenen Weise.

Durch die im Patentanspruch 6 angegebene Ausgestaltung der Stelleinrichtung ist eine erhebliche Beschleunigung der Hubbewegung des Hubventils in Öffnungsrichtung er­ reichbar, wobei jedoch auf einen Teil der Energierück­ gewinnung verzichtet werden muß.

Im Patentanspruch 7 ist eine einfache und sichere Vorrichtung angegeben, die das Hubventil beim Starten der Brennkraft­ maschine in eine für den Normalbetrieb notwendige Ausgangs­ lage bringt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine hydraulisch arbeitende Stelleinrichtung eines Hubventils in einem Gehäuse einer Brenn­ kraftmaschine zu Beginn des Startvorgangs,

Fig. 2 die Stelleinrichtung der Fig. 1 während des Startvorgangs

Fig. 3 bis 6 die Stelleinrichtung während verschiedener Hub­ ventilstellungen und

Fig. 7 eine Stelleinrichtung mit zusätzlicher Verstell­ energiezufuhr im Öffnungshub.

Das in allen Figuren dargestellte Hubventil 1 ist mit seinem Schaft 2 in Ventilführungen 3 und 4 in einem Gehäuse 5 einer bis auf einen Ventilsitz 6 für den Ventilteller 7 des Hub­ ventils 1 nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine ge­ führt. Zwischen den beiden Ventilführungen 3 und 4 durch­ setzt der Ventilschaft 2 einen einen Hohlraum im Gehäuse 5 bildenden Zylinder 8, der durch einen mit dem Ventilschaft 2 fest verbundenen, im Zylinder 8 geführten Kolben 9 in einen ventiltellernahen Hubraum 10 und einen ventiltellerfernen Hubraum 11 unterteilt ist. Zwischen dem Kolben 9 und den beiden Stirnseiten 12 und 13 des Zylinders 8 sind zwei vor­ gespannte Schraubendruckfedern 14 und 15 eingesetzt, die bei nicht arbeitender Stelleinrichtung den Kolben 9 in der in Fig. 1 dargestellten mittleren Ruhelage halten, in der der Ventilteller 7 um einen mittleren Betrag vom Ventil­ sitz 6 abgehoben ist. Die Vorspannung der Druckfedern 14 und 15 ist so ausgelegt daß bei einer Lage des Kolbens 9 nahe einer Stirnseite 12 oder 13 die entferntere Druck­ feder 15 oder 14 nahezu spannungslos ist.

In der Zylinderwand 16 ist etwa in der Mitte zwischen jeder Stirnseite 12, 13 des Zylinders 8 und der dieser zu­ gekehrten Stirnseite 17, 18 des Kolbens 9 in dessen Mittel­ lage jeweils eine Einlaßöffnung 19, 20 vorgesehen. Diese sind durch eine Verbindungsleitung 34 im Gehäuse 5 mitein­ ander verbunden, so daß die beiden Hubräume 10 und 11 miteinander in Verbindung stehen, sofern nicht eine der beiden Einlaßöffnungen 19, 20 durch den Kolben 9 ver­ deckt ist.

Ferner ist in jeder Ventilführung 3,4 eine Auslaßöffnung 21, 22 vorgesehen, die gleichzeitig mit dem Überfahren der be­ nachbarten Einlaßöffnung 19 oder 20 durch eine Kolben­ stirnseite 17 oder 18 von einem Absatz 23, 24 im Ventil­ schaft 2 überfahren wird, so daß dann jeweils ein Hub­ raum 10, 11 über einen Ringraum 25, 26 (Fig. 3, 5 und 6) zwischen der Ventilführung 3, 4 und dem Ventilschaft 2, der durch eine Einschnürung 27, 28 in diesem zwischen dem Absatz 23, 24 und dem Kolben 9 gebildet wird, über Rück­ laufleitungen 29 und 30 mit einem Vorratsbehälter 31 für die Arbeitsflüssigkeit in Verbindung steht.

Von der Zylinderwand 16 geht ferner in der Mitte der Zylinderhöhe eine Steuerleitung 32 aus, die von einem bei­ spielsweise elektromagnetisch betätigten Steuerventil 33 steuerbar ist und in die Rücklaufleitung 29 mündet. Durch diese Steuerleitung 32 können, sofern der Kolben 9 sich nahe einer Stirnwand 12 oder 13 befindet, der Druck in jeweils einem Hubraum 10, 11 und damit die Stellung und Bewegung des Hubventils 1, beispielsweise Öffnungsbeginn oder -ende willkürlich beeinflußt werden.

Die Arbeitsweise der hydraulisch arbeitenden Stell­ einrichtung ist folgende. Bei stillstehender Brennkraft­ maschine wird der Kolben 9 durch die beiden Druckfedern 14, 15 in einer mittleren Lage gehalten, das Hubventil 1 ist teilweise geöffnet. Beim Start der Brennkraftmaschine (Fig. 1) fördert eine Pumpe 35 als Druckquelle für die Arbeitsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 31 über ein Mehrwegeventil 36 und eine Leitung 37 in einen Druck­ raum 38 eines Startventils 39, dessen Schieber 40 die Ver­ bindungsleitung 34 unterbricht. Im weiteren Verlauf des Startvorgangs (Fig. 2) wird durch Verstellen des Mehrwege­ ventils 36 die Pumpe 35 über die Druckleitung 41, in der sich eine Drossel 42 befindet, mit dem Teil der Leitung 34 zwischen dem ventiltellernahen Hubraum 10 und dem Start­ ventil 39 verbunden, so daß der sich in diesem Hubraum 10 aufbauende Druck das Hubventil 1 in Schließrichtung ver­ stellt, bis der Ventilteller 7 am Ventilsitz 6 an1iegt. Dabei kann die im ventiltellerfernen Hubraum 11 verdrängte Arbeitsflüssigkeit zunächst über den zwischen der Ein­ laßöffnung 20 und dem Startventil 39 liegenden Teil der Verbindungsleitung 34 und den hohlgebohrten Startschieber 40 und später unmittelbar über die Auslaßöffnung 22 in die Rücklaufleitung 30 und den Vorratsbehälter 31 abfließen. In der Schließstellung des Hubventils 1 wird durch eine weitere Verstellung des Mehrwegeventils 36 (Fig. 3) der Druckraum 38 des Startventils 39 über die Leitung 37 mit dem Vorratsbehälter 31 verbunden, so daß eine Druckfeder 43 den Startschieber 40 zurückschieben kann und die Unter­ brechung der Verbindungsleitung 34 aufgehoben ist. Die Ver­ bindung der Pumpe 35 mit der Verbindungsleitung 34 bleibt dabei erhalten, so daß der im ventiltellernahen Hubraum 10 herrschende Druck das Hubventil 1 entgegen der Kraft der vollgespannten ventiltellerfernen Druckfeder 15 in der Schließstellung hält, wobei die Arbeitsaufnahme der Pumpe 35 wegen der fehlenden Förderung der Arbeitsflüssigkeit ge­ ring ist. Damit ist der Startvorgang beendet.

Um eine Öffnungsbewegung des Hubventils 1 einzuleiten, wird das Steuerventil 33 kurzzeitig geöffnet (Fig. 3), so daß Arbeitsflüssigkeit über die Steuerleitung 32 aus dem ventil­ tellernahen Hubraum 10 abfließen kann und der Druck in diesem sinkt. Die Druckfeder 15 kann nun den Kolben 9 mit­ samt dem Hubventil 1 nach unten beschleunigen, wobei die Steuerleitung 32 nach dem Überfahren durch die Kolben­ stirnseite 17 durch den Kolben oder gegebenenfalls noch früher durch ein Wiederschließen des Steuerventils 33 gesperrt wird (Fig. 4). Der Kolben 9 wird bis in einen mittleren Bereich des Zylinders 8 durch die überwiegende Kraft der Druckfeder 15 beschleunigt und anschließend durch die überwiegende Kraft der Druckfeder 14 abgebremst. Während dieser Kolbenbewegung wird bei nicht abgedeckten Einlaß­ öffnungen 19 und 20 die Arbeitsflüssigkeit aus dem ventil­ tellernahen Hubraum 10 über die Verbindungsleitung 34 in den ventiltellerfernen Hubraum 11 gepumpt, so daß der Energieinhalt dieser Arbeitsflüssigkeit erhalten bleibt. Die Arbeitsaufnahme der Pumpe 35 ist während dieser Zeit gering, da sie keine Arbeitsflüssigkeit fördert.

Vor Erreichen der unteren Endstellung des Kolbens 9 über­ fährt die Kolbenstirnseite 17 die Einlaßöffnung 19, so daß der Hubraum 10 von der Verbindungsleitung 34 getrennt wird (Fig. 5). Die Pumpe 35 fördert nun Arbeitsflüssigkeit in den ventiltellerfernen Hubraum 11 und drückt den Kolben 9 gegen die Kraft der Druckfeder 14 in die untere Endlage (Fig. 6), wodurch die Reib- und Druckverluste ausgeglichen werden. Die bei dieser Kolbenbewegung aus dem ventil­ tellernahen Hubraum 10 verdrängte Arbeitsflüssigkeit fließt über die Auslaßöffnung 21 ab, die gleichzeitig mit dem Ver­ schließen der Einlaßöffnung 19 durch den Kolben 9 durch den Absatz 23 des Ventilschafts 2 freigegeben wird.

Die Schließbewegung des Hubventils 1 verläuft, wie in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt ist, genau symmetrisch zur Öffnungsbewegung. Sie wird ausgelöst durch das Öffnen des Steuerventils 33, so daß die ventiltellernahe Druck­ feder 14 das Hubventil 1 in Schließrichtung beschleunigt unter Überschieben von Arbeitsflüssigkeit von dem Hubraum 11 in den Hubraum 10. Die letzte Wegstrecke bis zur Schließ­ stellung, bei der der Ventilteller 7 am Ventilsitz 6 an­ liegt, wird durch Zufuhr von Arbeitsflüssigkeit aus der Pumpe 35 in den ventiltellernahen Druckraum 10 zurückgelegt, nach­ dem die Einlaßöffnung 20 durch den Kolben 9 verdeckt und die Auslaßöffnung 22 freigegeben sind.

Es ergibt sich daraus, daß die äußere Steuerung der Stell­ einrichtung außerhalb des Startvorgangs allein durch das Öffnen oder Schließen einer einzigen Leitung, nämlich der Steuerleitung 32 erfolgt, wozu nur ein sehr einfach auf­ gebautes Steuerventil 33 benötigt wird, das auch einen sehr geringen Energiebedarf hat. Trotz der Einfachheit der Steuerung kann ein sehr weitgehender Einfluß auf die Hub­ bewegungen des Hubventils genommen werden. Da der Beginn sowohl der Öffnungsbewegung wie auch der Schließbewegung des Hubventils durch eine Betätigung des Steuerventils 33 ausgelöst wird, kann neben dem Zeitpunkt des Öffnungsbe­ ginns und des Öffnungsendes und damit auch der Öffnungs­ dauer auch die Hubhöhe des Hubventils 1 frei gewählt werden, wenn das Steuerventil 33 während des Öffnungshubes, bevor das Hubventil die volle Öffnungsstellung erreicht hat, be­ reits wieder geöffnet wird und damit der Schließhub einge­ leitet wird.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann das Hubventil 1 zur Be­ schleunigung der Hubbewegung zusätzlich an der dem Ventil­ teller 7 abgewandten Stirnseite 44 des Ventilschafts 2 durch Arbeitsflüssigkeit beaufschlagt werden. Dazu ist ein im Gehäuse 5 angeordneter Hubraum 45 im Anschluß an die Stirnseite 44 über eine Druckleitung 46 mit der Pumpe 35 und eine Rücklaufleitung 47 mit dem Vorratsbehälter 31 verbindbar, wobei die Steuerung der Verbindung durch ein Zweiwegeventil 48 erfolgt. Dieses wird über zwei Steuer­ leitungen 49, 50, die mit den Hubräumen 10, 11 verbunden sind, von den in diesen herrschenden Druckunterschieden ge­ steuert, und zwar so, daß bei einem höheren Druck im ventiltellernahen Hubraum 10 die Druckleitung 46 und bei einem höheren Druck im ventiltellerfernenHubraum 11 die Rücklaufleitung 47 an den Hubraum 45 angeschlossen sind. Somit wird die Öffnungsbewegung des Hubventils 1 durch den auf die Stirnseite 44 des Ventilschafts 2 wirkenden Druck der Arbeitsflüssigkeit unterstützt und beschleunigt, während die Schließbewegung des Hubventils 1 nicht behindert wird.

Claims (7)

1. Hydraulisch arbeitende Stelleinrichtung für ein Hub­ ventil, insbesondere in einer Brennkraftmaschine, mit einem mit dem Ventilschaft verbundenen, in einem Zylinder geführten doppelseitig von Arbeitsflüssigkeit beaufschlag­ baren Kolben, der im Zylinder zwei Hubräume voneinander teilt, die jeweils über Einlaß- und Auslaßöffnungen in der Zylinderwand, die vom sie überdeckenden Kolben abdeckbar sind, mit einer Druckquelle für die Arbeitsflüssigkeit, wie einer Pumpe, und mit einem Vorratsbehälter verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in einem mittleren Stellbereich des Kolbens (9) zu den Hubräumen (10, 11) hin offenen Einlaß­ öffnungen (19, 20) ducrh eine Verbindungsleitung (34) unmittelbar miteinander verbunden sind und daß am Kolben (9) oder am Ventilschaft (2) zwei entgegengesetzt wirkende Federn (14, 15) angreifen, die im Gleichgewicht den Kolben (9) in einer gegenüber zwei Endstellungen mittleren Lage halten.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federn als Druckfedern (14, 15) ausgebildet sind, von denen jeweils eine in jedem Hubraum (10, 11) zwischen dem Kolben (9) und einer Zylinderstirnwand (12, 13) eingespannt ist und die in der Mittellage des Kolbens (9) eine derartige Vorspannung aufweisen, daß sie in der ent­ fernten Endstellung des Kolbens (9) etwa spannungslos sind.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßöffnung im mittleren Zylinderbereich vor­ gesehen ist, die lediglich in den Endstellungsbereichen des Kolbens (9) mit jeweils einem Hubraum (10, 11) in Ver­ bindung steht und daß die die Auslaßöffnung mit dem Vorratsbehälter (31) verbindende Leitung (Steuerleitung 32) durch ein Steuerventil (33) absperrbar ist.

4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Einlaßöffnung (19, 20) mit Abstand zu einer Zylinderstirnwand (12, 13) angeordnet und in einem End­ stellungsbereich des Kolbens (9) durch diesen abgedeckt ist und gleichzeitig mit der Abdeckung der Einlaßöffnung (19, 20) eine demselben Hubraum (10,11) zugeordnete, mit dem Vorratsbehälter (31) verbundene Auslaßöffnung (21, 22) frei­ gegeben wird.

5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (21, 22) in den Ventilschaft­ führungen (3, 4) angeordnet sind, wobei sie im geschlossenen Zustand vom Ventilschaft (2) abgedeckt sind und im frei­ gegebenen Zustand über eine Einschnürung (27, 28) im Ventilschaft (2) mit jeweils einem Hubraum (10, 11) in Verbindung stehen.

6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ventilteller (7) des Hubventils (1) abge­ wandte Stirnseite (44) des Ventilschaftes (2) durch die Arbeitsflüssigkeit beaufschlagbar ist, wobei die Ver­ bindung mit der Druckquelle (Pumpe 35) oder dem Vorrats­ behälter (31) durch ein Zweiwegeventil (48) gesteuert wird, dessen Stellung abhängig ist von der Druck­ differenz in den beiden Hubräumen (10, 11).

7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß beim Startvorgang die die beiden Einlaßöffnungen ver­ bindende Verbindungsleitung (34), insbesondere durch einen von der Arbeitsflüssigkeit beaufschlagten Schieber (40), gesperrt ist und daß lediglich der ventiltellernahe Hub­ raum (10) mit der Druckquelle (Pumpe 35) und der ventil­ tellerferne Hubraum (11) mit dem Vorratsbehälter (31) in Verbindung stehen.