DE4023398A1 - Steuerung zur ventileinstellung fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung zur Ventileinstellung der Ein- und Auslaßventile einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Steuerung zur Ventilein­ stellung mit einem hydraulischen Ventilstößel.

Es wurde bereits eine Steuerung zur Ventileinstellung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, die bei Niedrigdrehzahl in einem Niedriglastbereich die Ventilöffnungsdauer verringert, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und den Maschinenbetrieb zu stabilisieren. Bei Hochdrehzahl in einem Hochlastbereich wird die Ventilöff­ nungsdauer vergrößert, um eine hohe Maschinenleistung zu erreichen. Es wurden schon verschiedene Methoden zur Steue­ rung der Ventileinstellung vorgeschlagen. Wenn das Hubvo­ lumen des Ventils geändert wird, ändert sich die Dauer. Wenn z.B. das Hubvolumen vergrößert wird, wird die Dauer verlängert. Daher wurde eine Methode vorgeschlagen, einen hydraulischen Ventilstößel zwischen einem Nocken und einem Ventilschaft und eine Steuerung zur Einstellung des Öl­ drucks im Ventilstößel vorzusehen.

Die JP-OS 61-93 216 beschreibt eine Steuerung zur Ventil­ einstellung, wobei ein hydraulischer Ventilstößel einen becherförmigen äußeren Stößel, einen damit in Verbindung stehenden hohlen inneren Stößel und eine Hochdruckölkammer zwischen dem äußeren und dem inneren Stößel aufweist. In einer mit der Ölkammer in Verbindung stehenden Leitung ist ein Absperrorgan angeordnet. Dieses wird von einem elektro­ magnetischen Ventil in die Offenstellung betätigt, um den Öldruck in der Ölkammer einzustellen.

Bei diesem System ist die Druckaufnahmefläche des mit dem Ventil zusammenwirkenden äußeren Stößels gleich der Druck­ aufnahmefläche des mit dem Nocken zusammenwirkenden inneren Stößels. Infolgedessen ist der Ventilhub gleich dem oder klei­ ner als der Nockenhub. Es ist daher schwierig, die Ventil­ öffnungsdauer zu verlängern und die Größe einer Nockenein­ richtung zu vermindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Steuerung zur Ventileinstellung, wobei die Ventil­ einstellung innerhalb eines großen Maschinenbetriebsbe­ reichs richtig steuerbar ist. Ferner kann diese Steuerung die Ventilöffnungsdauer verlängern.

Die Steuerung gemäß der Erfindung zur Ventileinstellung für eine Brennkraftmaschine ist mit einem Zylinder, einem Ventil zum Ansaugen von Luft und Auslassen von Verbrennungsgasen, einem Nocken zur Ventilbetätigung und einem zwischen dem Nocken und dem Ventil angeordneten hydraulischen Ventil­ stößel versehen.

Die Steuerung ist dadurch gekennzeichnet, daß der hydrauli­ sche Ventilstößel einen an der Maschine befestigten zylin­ drischen Stößelkörper, einen im Stößelkörper verschiebbar angeordneten Nockenkolben mit einer großen Fläche zur Auf­ nahme von Hydraulikdruck und einen im Stößelkörper ver­ schiebbar angeordneten Stößelkolben mit einer kleinen Flä­ che zur Aufnahme von Hydraulikdruck aufweist, wobei der Nockenkolben und der Stößelkolben gemeinsam eine Ölkammer begrenzen und eine Außenfläche des Nockenkolbens mit dem Nocken und eine Außenfläche des Stößelkolbens mit dem Ven­ til in Anlage liegt, daß ein Hydraulikkreis eine Ölzuführ­ leitung zur Zuführung von Öl zu der Ölkammer und eine Ent­ lastungsleitung hat, daß in der Entlastungsleitung ein elektromagnetisches Entlastungsventil zum Entleeren der Ölkammer angeordnet ist, und daß eine Steuereinheit das Entlastungsventil nach Maßgabe von Maschinenbetriebszustän­ den betätigt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat der Stößelkörper einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt, in dem der Nockenkol­ ben verschiebbar angeordnet ist, und einen durchmesserklei­ nen Zylinderabschnitt, in dem der Stößelkolben verschiebbar angeordnet ist. Die Steuereinheit erzeugt ein Entlastungs­ ventileinstellsignal, um das elektromagnetische Entla­ stungsventil zu einem einer Maschinendrehzahl entsprechen­ den Zeitpunkt zu schließen. Bei niedriger Maschinendrehzahl erzeugt die Steuereinheit das Entlastungsventileinstell­ signal mit Verzögerung.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Steuerung nach der Erfindung zur Ventileinstellung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit der Steuerung;

Fig. 3 ein Diagramm, das Kennlinien der Ventilein­ stellung zeigt; und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Änderung der Ventilein­ stellung zeigt.

Gemäß Fig. 1, die eine Steuerung zur Ventileinstellung zeigt, hat ein Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine (kurz: Maschine) einen Einlaßkanal (Auslaßkanal) 2, ein Einlaßventil (Auslaßventil) 3 zum Schließen des Einlaßka­ nals 2 und einen Ventilantrieb 4. Das Ventil 3 (z.B. das Einlaßventil 3) ist in einer im Zylinderkopf 1 befestigten Ventilführung 5 verschiebbar angeordnet. Eine Kontaktfläche 3a des Ventils 3 liegt an einem Ventilsitz 6 an, der in den Zylinderkopf 1 eingelassen ist. Ein Spannring 7 ist an einem Schaftende 3b des Ventils 3 festgelegt. Eine Ventil­ feder 8 ist zwischen dem Spannring 7 und dem Grund einer Ausnehmung 11a vorgesehen und beaufschlagt das Ventil 3 in eine Schließstellung. Der Ventilantrieb 4 ist über dem Schaftende 3b des Ventils angeordnet. Der Ventilantrieb 4 umfaßt einen auf einer Nockenwelle 9 gebildeten Nocken 10 und einen hydraulischen Ventilstößel 20. Der Nocken 10 liegt in einer Ebene, die eine Achse des Ventils 3 durch­ setzt, so daß das Ventil 3 über den Ventilstößel 20 betä­ tigbar ist.

Der hydraulische Ventilstößel 20 ist im Zylinderkopf 1 zwi­ schen dem Ventil 3 und dem Nocken 10 vorgesehen. Der Ven­ tilstößel 20 umfaßt einen zylindrischen Stößelkörper 21, der im Festsitz in vorbestimmtem Abstand von dem Spannring 7 fest in eine Ausnehmung 11 eingefügt ist. Die Ausnehmung 11 hat am Grund eine untere Vertiefung 11a. Der Stößelkör­ per 21 hat einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt 21a und einen durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 21b am Un­ terende an einem Mittenabschnitt des Stößelkörpers 21. In dem durchmessergroßen Zylinderabschnitt 21a ist ein Nocken­ kolben 22 mit einer großen Druckaufnahmefläche A1 ver­ schiebbar angeordnet. Der Boden des Nockenkolbens 22 ent­ spricht dem Nocken 10. Ein Stößelkolben 23 mit einer klei­ nen Druckaufnahmefläche A2 ist in dem durchmesserkleinen Zylinderabschnitt 21b verschiebbar angeordnet. Der Boden des Stößelkolbens 23 entspricht dem Ventil 3. Eine Ölkammer 24 ist in dem Stößelkörper 21 zwischen dem Nockenkolben 22 und dem Stößelkolben 23 gebildet. Eine Feder 25 ist zwi­ schen dem Unterende des Kolbens 22 und dem Unterende des Stößelkörpers 21 vorgesehen und beaufschlagt den Kolben 22 in Richtung zum Nocken 10. Der Stößelkolben 23 liegt an dem Schaftende 3b des Ventils 3 an. Das Ventil 3 wird entspre­ chend dem Verhältnis (A1/A2) zwischen der großen Druckauf­ nahmefläche A1 des Nockenkolbens 22 und der kleinen Druck­ aufnahmefläche A2 des Stößelkolbens 23 und einem Nockenhub l1 gehoben. D. h., der Ventilhub l2 des Ventils 3 ist gege­ ben durch
l2 = A1/A2×l1.

Mit anderen Worten wird also der Nockenhub l1 mit dem Ver­ hältnis (A1/A2) der Druckaufnahmeflächen multipliziert unter Bildung des großen Ventilhubs l2.

Öl von einer Ölpumpe 26 wird der Ölkammer 24 durch eine Ölzuführleitung 27 zugeführt, in der ein Absperrorgan 28 angeordnet ist. Die Ölkammer 24 steht mit einer Entla­ stungsleitung 29 in Verbindung, in der zum Entleeren der Ölkammer ein elektromagnetisches Entlastungsventil 30 ange­ ordnet ist. Das Entlastungsventil 30 wird nach Maßgabe eines Signals von einer Steuereinheit 40 zur Steuerung der Auslaßölmenge betätigt, um das effektive Volumen der Öl­ kammer 24 einzustellen.

Nach Fig. 2, die die Steuereinheit 40 zeigt, hat die Steue­ rung einen Kurbelwinkelsensor 31, der eine Maschinendreh­ zahl Ne aufnimmt, einen Luftdurchflußmesser 32 zur Messung der Saugluftmenge Q, die der Maschinenlast entspricht, einen Nockenwinkelsensor 33 zur Bestimmung der Nummer eines jeweiligen Zylinders, einen Drosselklappenstellungssensor 34 und einen Kühlmitteltemperatursensor 35. Die Maschinen­ drehzahl Ne vom Kurbelwinkelsensor 31 und die Saugluftmenge Q vom Luftdurchflußmesser 32 werden einem Maschinenbe­ triebszustands-Bestimmungsteil 41 zugeführt, in dem der Maschinenbetriebszustand nach Maßgabe der Maschinendrehzahl Ne und der Saugluftmenge Q bestimmt wird. Ein Maschinenbe­ triebszustandssignal wird einem Ventileinstellungsbestim­ mungsteil 42 zugeführt, in dem eine Ventileinstellungsta­ belle (Fig. 3) vorgesehen ist. Bei niedriger Maschinendreh­ zahl im Niedriglastbereich wird die Ventilöffnungszeit ver­ zögert, so daß die Ventilöffnungsdauer verringert wird. Bei mittlerer Drehzahl in einem Mittellastbereich wird die Ventilöffnungsdauer verlängert. Bei Hochdrehzahl in einem Hochlastbereich wird die Ventilöffnungszeit nicht verzö­ gert, so daß sich eine lange Ventilöffnungsdauer ergibt. Ein Öffnungswinkel Φ des Ventils 3 entsprechend der Ven­ tilöffnungsdauer wird einem Entlastunqsventileinstellunqs- Geberteil 43 zugeführt. Ein Entlastungsventileinstellungs­ signal vom Geberteil 43 wird einem Treiber 44 zugeführt, der ein Signal zur Steuerung des Entlastungsventils 30 erzeugt.

Ein Drosselklappenöffnungsgrad R vom Drosselklappenstel­ lungssensor 34 wird einem Beschleunigungsdetektor 45 zuge­ führt, der einen Beschleunigungszustand nach Maßgabe von dR/dt erfaßt. Ein Beschleunigungssignal wird einem Kor­ rekturgrößengeber 46 zugeführt, der eine Korrekturgröße für eine Ventilsteuerzeit ΔTR bestimmt. Die Kühlmitteltempe­ ratur t vom Kühlmitteltemperatursensor 35 wird einem Kor­ rekturgrößengeber 47 zugeföhrt. Bei kalter Maschine wird die Viskosität des Öls im Ventilstößel hoch, was zu einer Abweichung der Ventilsteuerzeit von einer Soll-Steuerzeit führt. Zur Korrektur der Abweichung wird im Geber 47 eine Korrekturgröße ΔTt für die Ventilsteuerzeit bestimmt. Diese Korrekturgrößen ΔTR und ΔTt werden dem Entlastungsventil­ einstellungs-Geber 43 zugeführt, in dem die Ventileinstel­ lung korrigiert wird.

Bei einer Mehrzylindermaschine ist es schwierig, sämtliche Hydrauliksysteme der hydraulischen Ventilstößel 20 mit einem einzigen Entlastungsventil 30 zu steuern. Daher ist das Entlastungsventil 30 an jedem Zylinder vorgesehen und wird jeweils unabhängig gesteuert. Infolgedessen wird ein Nockenwinkelsignal zur Bestimmung des Zylinders vom Nocken­ winkelsensor 33 dem Treiber 44 zugeführt, der entsprechend der Zündfolge ein Steuersignal für den jeweiligen Zylinder erzeugt.

Der Betrieb der Steuerung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben, die den Ventilhub und die Ventil­ einstellung zeigt.

Wenn der Grundkreis des Nockens 10 auf dem Nockenkolben 22 des Ventilstößels 20 liegt, wird der Ölkammer 24 Öl von der Ölpumpe 26 zugeführt. Ein Teil des Öls in der Kammer wird aus dem Entlastungsventil 30 abgeleitet, so daß die Ölmenge in der Kammer auf einem vorbestimmten Volumen Vo gehalten wird. Wenn der Nockenkolben 22 des Ventilstößels 20 vom Nocken 20 abwärtsbewegt wird, wird das Öl in der Kammer 24 aus dem Entlastungsventil 30 ausgelassen. Wenn das Entla­ stungsventil 30 zu einem bestimmten Zeitpunkt schließt, führt die Ölkammer 24 hohen Druck, so daß ein effektives Volumen VE vorhanden ist. Infolgedessen wird der Boden des Stößelkolbens 23 mit einer durch das Verhältnis der Druck­ aufnahmeflächen multiplizierten Kraft beaufschlagt. Daher wird das Ventil 3 gegen die Kraft der Feder 8 durch die Druckkraft vom Stößelkolben 23 zu einem vorbestimmten Ven­ tilsteuerzeitpunkt gehoben. Wenn der Grundkreis des Nockens 10 mit dem Kolben 22 in Kontakt gelangt, wird das Ventil 3 von der Feder 8 zurückgezogen, so daß der Kanal 2 geschlos­ sen wird. Gemäß dem Öldruck in der Ölkammer 24 werden der Kontakt des Nockenkolbens 22 mit dem Nocken 10 und der Kon­ takt des Stößelkolbens 23 mit dem Ventil 3 während des Be­ triebs aufrechterhalten. Außerdem werden die Wärmeausdeh­ nung und -kontraktion des Ventils 3 vom Ventilstößel 20 absorbiert.

In der Steuereinheit 40 werden die Maschinendrehzahl Ne und die Saugluftmenge Q dem Maschinenbetriebszustand-Bestim­ mungsteil 41 zugeführt, so daß der Maschinenbetriebszustand bestimmt wird. Im Ventileinstellungs-Bestimmungsteil 42 wird aus der Tabelle der Ventilöffnungswinkel Φ abgelei­ tet. Bei niedriger Maschinendrehzahl im Niedriglastbereich wird der Ventilöffnungswinkel Φ mit einem kleinen Wert bestimmt. Der Entlastungsventileinstellungs-Geber 43 er­ zeugt ein Ventilschließsignal zu einem in bezug auf den oberen Totpunkt bzw. OT verzögerten Zeitpunkt, und dieses Signal wird dem Entlastungsventil 30 über den Treiber 44 zugeführt. Infolgedessen wird eine große Ölmenge durch das Entlastungsventil 30 abgeleitet, so daß das effektive Volu­ men VE der Ölkammer 24 klein wird. Das Ventil 3 wird mit großer Verzögerung entsprechend der Verzögerung beim Schließen des Entlastungsventils 30 gehoben, wodurch der Ventilhub vermindert wird. Wie Fig. 4 zeigt, sind Kennli­ nien der Ventilhübe bei niedriger Maschinendrehzahl, wobei das Auslaßventil vor dem unteren Totpunkt (UT) öffnet und das Einlaßventil vor dem OT öffnet, durch die Kurven L1EX und L1IN mit kleinem Öffnungswinkel Φ bezeichnet.

Wenn die Maschinendrehzahl Ne und die Saugluftmenge Q zu­ nehmen, wird die vom Entlastungsventil 30 abgezogene Öl­ menge verringert. Das effektive Volumen VE der Ölkammer 24 wird groß, so daß das Ventil zu einem frühen Zeitpunkt öff­ net. Daher werden die Ventilhübe vergrößert, wie die Kurven L2EX, L3EX sowie L2IN und L3IN zeigen, und die Ventilöff­ nungswinkel Φ werden entsprechend groß. Daher wird die Ventileinstellung nach Maßgabe der Maschinenbetriebsbedin­ gungen gesteuert, so daß eine optimale Ventileinstellung erzielt wird.

Bei kalter Maschine liefert der Korrekturgrößengeber 47 die Ventileinstellungs-Korrekturgröße ΔTt. Die Abweichung des Ventilsteuerzeitpunkts aufgrund der Erhöhung der Ölviskosi­ tät wird mittels der Korrekturgröße ΔTt korrigiert, so daß eine richtige Ventileinstellung gewährleistet ist.

Bei Beschleunigung liefert der Korrekturgrößengeber 46 die Korrekturgröße TR entsprechend der Beschleunigung, um die Ventilschließzeit des Entlastungsventils 30 vorzuver­ stellen. Daher werden der Ventilöffnungswinkel Φ und der Ladewirkungsgrad der Ansaugluft bei Beschleunigung vergrö­ ßert, wodurch die Maschinenleistung erhöht wird.

Bei dem System können das Ventil 3 und der Nocken 10 in bezug auf den Ventilstößel 20 schräg angeordnet sein. Das System kann in einer Maschine angewandt werden, in der jeder Zylinder drei oder mehr Ventile hat.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein hydraulischer Ventilstößel, der zwischen dem Nocken und dem Ventil vorgesehen ist, Kolben mit jeweils verschiedenen Druckaufnahmeflächen für den Nocken bzw. das Ventil, so daß der Ventilhub mit dem Verhältnis der Druckaufnahmeflächen multipliziert wird. Dadurch kann der Nocken kleiner gebaut werden.

Da der Nocken mit dem durchmessergroßen Nockenkolben und das Ventil mit dem durchmesserkleinen Stößelkolben in Kon­ takt liegt, wird die Arbeit vereinfacht.

Ferner wird das Ölvolumen in der Ölkammer des Ventilstößels durch das elektromagnetische Entlastungsventil nach Maßgabe der Maschinenbetriebsbedingungen bestimmt, so daß eine richtige Ventileinstellung erhalten wird, wodurch wiederum in wirksamer Weise der Kraftstoffverbrauch und die Maschi­ nenleistung verbessert werden.

Da die Ventileinstellung des Entlastungsventils durch Kor­ rekturgrößen korrigiert wird, wird die Ventileinstellung nach Maßgabe der Maschinenbetriebsbedingungen richtig ge­ steuert.

Claims (4)

1. Steuerung zur Ventileinstellung für eine Brennkraftma­ schine mit einem Zylinder, einem Ventil (3) zum Ansaugen von Luft und Auslassen von Verbrennungsgasen, einem Nocken (10) zur Ventilbetätigung und einem zwischen dem Nocken (10) und dem Ventil (3) angeordneten hydraulischen Ventil­ stößel (20), dadurch gekennzeichnet,
daß der hydraulische Ventilstößel (20) einen an der Maschine befestigten zylindrischen Stößelkörper (21), einen im Stößelkörper verschiebbar angeordneten Nockenkolben (22) mit einer großen Fläche (A1) zur Aufnahme von Hydrau­ likdruck und einen im Stößelkörper verschiebbar angeordne­ ten Stößelkolben (23) mit einer kleinen Fläche (A2) zur Aufnahme von Hydraulikdruck aufweist, wobei der Nockenkol­ ben (22) und der Stößelkolben (23) gemeinsam eine Ölkammer (24) begrenzen und eine Außenfläche des Nockenkolbens (22) mit dem Nocken (10) und eine Außenfläche des Stößelkolbens (22) mit dem Ventil (3) in Kontakt steht;
daß ein Hydraulikkreis eine Ölzufuhrleitung (27) zur Zuführung von Öl zu der Ölkammer (24) und eine Entlastungs­ leitung (29) hat;
daß in der Entlastungsleitung (29) ein elektromagneti­ sches Entlastungsventil (30) zum Entleeren der Ölkammer (24) angeordnet ist; und
daß eine Steuereinheit (40) das Entlastungsventil (30) nach Maßgabe von Maschinenbetriebszuständen betätigt.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößelkörper (21) einen durchmessergroßen Zylinder­ abschnitt (21a), in dem der Nockenkolben (22) verschiebbar angeordnet ist, und einen durchmesserkleinen Zylinderab­ schnitt (21b), in dem der Stößelkolben (23) verschiebbar angeordnet ist, aufweist.

3. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) ein Entlastungsventileinstell­ signal erzeugt, um das elektromagnetische Entlastungsventil (30) zu einem einer Maschinendrehzahl entsprechenden Zeit­ punkt zu schließen.

4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) bei niedriger Maschinendrehzahl das Entlastungsventileinstellsignal mit Verzögerung erzeugt.