DE4132891A1 - Pneumatisch betaetigte ventilsteuerung fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatisch betätigte Ven­ tilsteuerung für Brennkraftmaschinen.

Hydraulische oder pneumatische Ventilsteuerungen (vgl. z. B. EP 4 38 830 A2) wurden bereits des öfteren vorge­ schlagen. Abgesehen von dem steuerungstechnischen Auf­ wand liegt der Vorteil derartiger Steuerungen darin, daß durch den Entfall der Nockenwelle bzw. durch die damit verbundene mechanische Entkopplung eine absolut variable Steuerung erzielbar ist, über die sowohl Ventilhub, Öffnungszeiten als auch die Öffnungsdauer der Gaswech­ selventile veränderbar ist. Damit können sämtliche Be­ triebsbereiche der Brennkraftmaschine hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Funktion und der Abgasentgiftung optimiert werden; ferner können über die Ventilsteuerung eine klopfende Verbrennung und Überdrehzahlen vermieden werden (z. B. durch Zurücknahme des Ventilhubes bzw. der Füllung).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine pneumatische Ventil­ steuerung zu schaffen, die baulich besonders kompakt und einfach ist und die eine in der Funktion verbesserte Ventilsteuerung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaf­ te Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Pa­ tentansprüchen entnehmbar.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist das pneumati­ sche Stellteil unmittelbar in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert bzw. unmittelbar an das Gaswechselventil angeschlossen. Die das Stellteil auf­ nehmende Kammer kann dabei unmittelbar im Zylinderkopf ausgebildet sein, während das die Druckmittelzu- und -ableitung beherrschende Ventil in den Zylinderkopf ein­ gebaut oder an diesen angebaut sein kann.

Besonders vorteilhaft kann ferner an dem Stellteil ein Stellungsgeber bzw. Weggeber vorgesehen sein, der eine exakte Hubsteuerung des Gaswechselventiles ermöglicht. Dadurch kann über die Erfassung und Steuerung des Ven­ tilhubes die Leistung der Brennkraftmaschine gesteuert und/oder durch kurzzeitiges Öffnen des Auslaßventiles in der Ansaugphase eine Abgasrückführung bewerkstelligt werden. Eine Drosselverluste verursachende Drosselklappe kann dementsprechend entfallen.

Das pneumatische Stellteil kann durch eine gewebe- oder faserverstärkte Membrane gebildet sein, bevorzugt wird jedoch gemäß den Ansprüchen 4 und 5 ein Kolben vorge­ schlagen, der in einer koaxial zum Ventilschaft vorge­ sehenen Bohrung im Zylinderkopf geführt ist. Der Kolben kann dabei über Sicherungskeile und eine Sicherungs­ schraube am Ventilschaft festgelegt sein, wobei die Sicherungsschraube ggf. gemäß Anspruch 6 einen stiftför­ migen Eisenkern trägt, der als Teil eines induktiven Stellungsgebers in eine um den Eisenkern herum angeord­ nete elektrische Wicklung eintaucht.

Das Schließen des Gaswechselventiles kann entweder mit­ tels einer geeignet ausgelegten Schraubendruckfeder oder durch einen ständig an die untere Kammer angelegten Überdruck vorgenommen werden, wobei das Öffnen durch ein unter höherem Druck stehendes Druckmittel bewirkt wird, welches entweder die Vorspannung der Schraubendruckfeder oder den Überdruck in der unteren Kammer überwindet. Al­ ternativ kann entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 eine Drucksteuerung bewirkt werden, die alternie­ rend die obere und/oder die untere Kammer mit Druckmit­ tel beaufschlagt, während die jeweils andere Kammer über ein weiteres Ventil entlüftet wird.

Die pneumatische Drucksteuerung der Kammern kann alter­ nativ auch durch einen oder mehrere Drehschieber bzw. Drehschieberwellen durchgeführt werden, die beispiels­ weise mittels eines Zugmittels (Kette oder Zahnriemen) von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben werden, im Zylinderkopf drehbar gelagert sind und die entsprechenden Druckmittelzu- und -ableitungen bzw. ent­ sprechende Kanäle auf- und zusteuern. Durch Veränderung deren Phasenlage kann dabei wiederum eine variable Gas­ wechsel-Ventilsteuerung geschaffen werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgen­ den mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die sche­ matische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße pneumatische Ventilsteuerung für ein Gaswechselventil im Zylinderkopf einer Hub­ kolben-Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine Grafik zweier mit der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung verwirklichbarer Hubkurven des Gaswechselventiles;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen Zylinderkopf einer Mehrzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Drehschieberwelle zur Steuerung der pneumatischen Ventilbetätigung.

In der Fig. 1 ist mit 10 abschnittsweise ein Zylinder­ kopf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem in der dargestellten Querschnittsebene ein Gaswech­ selventil 12 (Hubventil bekannter Bauart) in einer Ven­ tilführung 14 verschiebbar gelagert ist. Dabei ragt der nach oben freie Schaft des Gaswechselventiles 12 in eine nach oben offene Bohrung 16 des Zylinderkopfes 10 ein.

In der Bohrung 16 ist ein tassenförmiger Kolben 18 ver­ schiebbar geführt, der sich aus einem zylindrischen Man­ telteil 20 und einem Boden 22 zusammensetzt. Der Kolben 18 kann über einen Ölzuführungskanal 78 geschmiert sein.

Der Kolben 18 weist im Boden 22 eine konische Bohrung 24 auf, in der zwei halbkreisförmige Ventilkeile 26 aufge­ nommen sind, die mit radial nich innen ragenden Ring­ stegen in eine Ringnut 28 des Schaftes des Gaswechsel­ ventiles 12 eingreifen. Die Ventilkeile 26 werden durch eine in den Boden 22 des Kolbens 18 eingeschraubte Sicherungsschraube 30 vorgespannt, so daß im montierten Zustand der Kolben 18 am Schaft des Gaswechselventiles 12 festgelegt ist.

Die durch die Bohrung 16 im Zylinderkopf 10 gebildete Kammer ist durch ein Deckelteil 32 luftdicht verschlos­ sen und wird durch den Kolben 18 in eine untere Kammer 34 und eine obere Kammer 36 unterteilt. Das Volumen der unteren Kammer 34 ist durch ein auf die Ventilführung 14 aufgesetztes Füllstück 38 verringert, wobei das Füll­ stück 38 zugleich als Anschlag für den Kolben 18 bei ma­ ximaler Ventilöffnung dient. Am Füllstück 38 ist ferner eine Dämpfungsscheibe 40 vorgesehen.

Als Stellungsgeber 46 für das Gaswechselventil 12 ist in dem Deckelteil 32 eine elektrische Wicklung 48 angeord­ net, in die ein an die Sicherungsschraube 30 angeformter stiftförmiger Eisenkern 44 einragt.

Das Gaswechselventil 12 wird durch eine Schraubendruck­ feder 50 in seiner geschlossenen Position gehalten, wo­ bei die Schraubendruckfeder 50 innerhalb der unteren Kammer 34 angeordnet ist und sich einerseits an einer Stützscheibe 52 und andererseits am Boden 22 des Kolbens 18 abstützt. Die Vorspannung der Schraubendruckfeder 50 ist nur so stark, daß diese bei Druckgleichheit in den Kammern 34, 36 das Gaswechselventil geschlossen hält.

Eine jede Kammer 34, 36 ist mit einer Druckmittelzu- und -ableitung 54, 56 versehen, die von je einem elektrisch ansteuerbaren Ventil 57, 58 gesteuert sind. Über die Ven­ tile 57, 58 kann die jeweilige Druckmittelzu- und -ablei­ tung an eine Druckmittelquelle 59 oder an die Atmosphäre (Pfeile 60) angeschlossen werden. Die Druckmittelquelle 59 kann dabei eine elektrisch angetriebene Pumpe 62 mit einem Hochdruck-Vorratsraum 64 sein, die Druckluft in einem definierten Druckniveau bereitstellt.

Der Stellungsgeber 46 ist über eine elektrische Leitung 68 an ein elektronisches Steuergerät 66 angeschlossen, welches die Ventile 57, 58 über entsprechende Steuerlei­ tungen 70, 72 steuert. Das elektronische Steuergerät 66 empfängt dabei unter anderem ein Drehzahlsignal n der Brennkraftmaschine, ein Phasensignal über einen ent­ sprechenden Positionsgeber an der Kurbelwelle und ein Lastsignal β entsprechend der Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine. Nach Maßgabe dieser und ggf. noch weiterer Signale - beispielsweise abgeleitet von der Temperatur der Brennkraftmaschine und der Außenluft, etc. - wird in dem elektronischen Steuergerät 66 ent­ sprechend vorgegebenen Kennfeldern und über Mikropro­ zessoren die Öffnungszeit und Dauer der Ventile 57, 58 berechnet und durch Vergleich mit dem Stellungsgeber 46 eingestellt, so daß das Gaswechselventil 12 und weitere, nicht dargestellte Gaswechselventile der Brennkraftma­ schine entsprechend dem gewünschten Steuerungsdiagramm gesteuert werden.

Dabei werden durch die zeitsynchrone Messung des Ventil­ hubes Abweichungen vom Soll-Wert erfaßt und beim näch­ sten Ladungswechseltakt die Vorsteuerwerte für die Luft­ zufuhr oder das Abblasen in festgelegten Programmschrit­ ten korrigiert. Dies erfordert eine adaptive Steuerung, wie sie auch für die Steuerung der Zündung oder der Brennstoffzuführung oder beispielsweise zur Klopfrege­ lung bereits bekannt sind.

Die Hubkurve der Gaswechselventile 12 kann beispiels­ weise den in der Fig. 2 dargestellten Hubkurven 74, 76 entsprechen. Dabei ist in der Ordinate der Ventilhub in Millimeter und in der Abszisse der Phasenlage in Grad/ Kurbelwinkel der Kurbelwelle aufgetragen. Durch ent­ sprechende Ansteuerung der Ventile 57, 58 kann bei Vollast ein Ventilhub entsprechend der Kurve 74 ge­ steuert werden, die eine optimale Füllung des Zylinders der Brennkraftmaschine gewährleistet, während in der Teillast entsprechend der Hubkurve 76 eine weit geringe­ re Füllung gegeben ist (die Hubkurven sind für das Ein­ laßventil gezeichnet). Durch diese variable Füllungs­ steuerung kann beispielsweise die bei Ottomotoren sonst übliche Drosselklappe entfallen.

Die Funktion der gezeigten pneumatischen Ventilsteuerung ist wie folgt:

Im Stillstand der Brennkraftmaschine sind alle Gaswech­ selventile 12 durch die Vorspannkraft der Schrauben­ druckfedern 50 geschlossen. Mit dem Startvorgang werden über das elektronische Steuergerät 66 die Ventile 57, 58 entsprechend der Startdrehzahl und in Zuordnung zur Phasenlage der Kurbelwelle so gesteuert, daß beim An­ saugtakt der Brennkraftmaschine das jeveilige Einlaßven­ til geöffnet wird (entspricht einem Anschließen der oberen Kammer 36 an die Druckmittelquelle 59, während die untere Kammer 34 über die nicht näher dargestellte Leitung 60 mit der Atmosphäre verbunden ist); beim Wie­ derschließen des Einlaßventiles wird in umgekehrter Schaltung die obere Kammer 36 über die Leitung 60 ent­ lüftet, während die untere Kammer 34 durch entsprechende Ansteuerung des Ventiles 60 nunmehr mit der Druckmittel­ quelle 59 verbunden wird. In gleicher Manier wird beim Auslaßtakt das Auslaßventil gesteuert, wobei deren Hub­ kurven innerhalb der Extreme permanent geschlossen bis permanent geöffnet variabel steuerbar bzw. regelbar sind.

Anstelle der dargestellten zwei Ventile 57, 58 kann auch nur ein Ventil 58 verwendet sein, während die untere Kammer 34 beispielsweise unter Vorschaltung eines Druck­ reduzierventiles ständig mit einem geringeren Druck beaufschlagt ist. Alternativ dazu kann die untere Kammer 34 ohne eine Druckmittelzu- und -ableitung ausgeführt sein, wenn die Schraubendruckfeder 50 bei weit größerer Vorspannung in an sich bekannter Weise das Schließen des jeweiligen Gaswechselventiles 12 sicherstellt. Dann kann es zweckmäßig sein, für das Ventil 58 eine dritte Funk­ tion vorzusehen, in der der in der Kammer 36 einge­ steuerte Druck zur Erzielung z. B. eines halben Ventil­ hubes gehalten wird.

Die Ventile 57, 58 können piezokeramische Ventile sein, die extrem kurze Schaltzeiten ermöglichen. Sie sollten möglichst nahe an den Kammern 34, 36 angeordnet sein, um durch geringe schädliche Toträume der Kammern die An­ sprechzeiten für den Druckaufbau möglichst gering zu halten. Zu dem gleichen Zweck ist auch das Füllstück 38 in der Kammer 34 vorgesehen.

Der Druck der pneumatischen Energieversorgung wird ab­ hängig von der Drehzahl n und der Last der Brennkraftma­ schine (Gaspedalstellung) unterschiedlich gesteuert, um einerseits bei niedrigen Drehzahlen Energie zu sparen und die Ventilbetätigungsgeräusche niedrig zu halten (niedrigerer Druck) und andererseits bei hohen Drehzah­ len (höherer Druck) hohe Ventilbeschleunigungen und da­ mit einen guten Füllungsgrad bzw. schnellen Ladungswech­ sel sicherzustellen.

Die Fig. 3 zeigt teilweise einen Zylinderkopf 100 für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine in einem Längs­ schnitt entlang einer Drehschieberwelle 106. Dabei ist je Zylinder (nicht dargestellt) ein Einlaßventil 102 und ein Auslaßventil 104 (es sind jeweils nur die Ventil­ schäfte ersichtlich) vorgesehen, deren Ventilschäfte in die durch Stellteile 18 (baugleich mit Fig. 1) unter­ teilte Kammern 36, 34 einragen. Die jeweils ersichtliche obere Kammer 36 ist mit einer Druckmittelzuleitung 54 und einer Druckmittelableitung 56 versehen.

Die Druckmittelzu- bzw. -ableitungen werden über eine im Zylinderkopf 100 drehbar gelagerte Drehschieberwelle 106 auf- und zugesteuert, die im Bereich der Kanäle bzw. Leitungen 54, 56 entsprechende Durchströmöffnungen 108, 110 aufweist. In der gezeichneten Darstellung ist die linke Druckmittelableitung 56 durch die Öffnung 110 und die rechte Druckmittelzuleitung 54 durch die Öffnung 108 aufgesteuert, während die jeweils andere Druckmittelzu- bzw. -ableitung geschlossen ist.

Die Drehschieberwelle 106 trägt ein Zahnriemenrad 112 und wird über einen Zahnriemen 114 von der nicht darge­ stellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Zwischen dem Zahnriemenrad 112 und der Drehschieberwelle 106 ist eine die Phasenlage der Drehschieberwelle 106 veränderbare Verstellvorrichtung 116 vorgesehen, die durch axiales Verschieben eines eine Innen- und eine Außenverzahnung unterschiedlicher Schräge aufweisenden Schieberinges 119 eine Verstellung bewirkt. Derartige Vorrichtungen sind zur Verstellung herkömmlicher Nocken­ wellen-Phasenlagen vielfach vorgeschlagen worden. Die Verstellung der Phasenlage der Drehschieberwelle 106 kann aber auch durch andere bekannte Verstellvorrichtun­ gen erfolgen, beispielsweise durch eine auf den Zahnrie­ men auf dessen Zugtrum einwirkende Spannrolle (Verkür­ zung oder Verlängerung des Zugtrums).

Durch den phasengetreuen Antrieb der Drehschieberwelle 106 werden die Gaswechselventile 102, 104 entsprechend der Anordnung der Durchströmöffnungen 106, 110 durch Zu- und Abfuhr der Druckluft wie vorbeschrieben betätigt.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel Fig. 3 können für die Ein- und Auslaßventile und/oder für die Druckmittel- Zufuhrleitungen 54 und die Druckmittel-Abfuhrleitungen 56 getrennte Drehschieberwellen 106 vorgesehen sein, über die sich die Ventilsteuerzeiten und die Ventilüber­ schneidung variabel steuern lassen. Gleiches gilt für die jeweils obere und untere Kammer 34, 36, die entweder gemeinsam von einer Drehschieberwelle 106 oder getrennt über zwei Drehschieberwellen gesteuert werden können. Die Drehschieberwellen können auch als Hohlwellen mit Fenstern als Durchströmöffnungen ausgebildet sein, so daß das Druckmittel unmittelbar durch die Wellen zuge­ führt (oder abgeführt) wird.

Mit der Ventilsteuerung mit einer oder mehreren Dreh­ schieberwellen sind ebenfalls nahezu sämtliche Steue­ rungsmöglichkeiten gegeben, wie sie in den Fig. 1 und 2 mit elektrisch betätigten Ventilen 57, 58 beschrieben sind. Die Steuerung der Phasenlage über entsprechende Verstellvorrichtungen 116 kann drehzahl- und lastabhän­ gig hydraulisch oder pneumatisch bewerkstelligt werden, wobei die Ansteuerung der Verstellmittel ebenfalls über ein elektronisches Steuergerät 66 erfolgen kann.

Claims (17)

1. Pneumatisch betätigte Ventilsteuerung für Brenn­ kraftmaschinen, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• a) im Zylinderkopf (10; 100) der Brennkraftmaschi­ ne ist ein mit dem Schaft eines Gaswechselven­ tiles (12; 102, 104) verbundenes Stellteil (18) angeordnet;
• b) das Stellteil (18) unterteilt eine obere und eine untere Kammer (34, 36), in die zumindest eine Druckmittelzu- und -ableitung (54, 56) mündet;
• c) die Druckmittelzu- und -ableitung ist mit zu­ mindest einem betätigbaren Ventil (57, 58; 108, 110) versehen, welches die Kammer (34, 36) mit einer Druckmittelquelle (59) oder mit der At­ mosphäre verbindet; und
• d) das Ventil (57, 58; 108, 110) ist nach Maßgabe zumindest der Brennkraftmaschinen-Drehzahl n und der Phasenlage α der Kurbelwelle gesteuert.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zumindest eine Ventil (57, 58) elektrisch über ein elektronisches Steuergerät (66) betätigt ist.

3. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellteil (18) mit­ tel- oder unmittelbar einen elektrischen Stellungs­ geber (46) aufweist, der mit dem Steuergerät (66) verbunden ist.

4. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellteil ein unmit­ telbar am Ventilschaft (12) festgelegter Kolben (18) ist.

5. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (18) in einer zum Ventilschaft (12) koaxialen Bohrung (16) des Zylinderkopfes (10) geführt ist.

6. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Boden (22) des Kolbens (18) eine Sicherungsschraube (30) einge­ schraubt ist, die zwischen einer konischen Bohrung (24) im Boden (22) und dem Ventilschaft (12) vorge­ sehene Ventilkeile (26) vorspannt.

7. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 3 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sicherungsschraube (30) einen koaxial abragenden, stiftförmigen Eisen­ kern (44) trägt, der als Teil des Stellungsgebers (46) in eine um den Eisenkern (44) herum angeordne­ te elektrische Wicklung (48) eintaucht.

6. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Druckluft beaufschlagbaren Kammern (34, 36) ggf. durch Verwendung von Füllstücken (38) mög­ lichst geringe Volumina aufweisen.

9. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Stellteil (18) eine das Gaswechselventil (12) geschlossen haltende Feder (50) wirkt.

10. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Kammer (34, 36) mit je einer Druckmittelzu- und -ableitung (54, 56) versehen sind.

11. Ventilsteuerung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer jeden Druckmittelzu- und -ableitung (54, 56) ein Ventil (57, 58) vorgesehen ist, die von dem Steuergerät (66) gesteuert sind und die die Druckmittelzu- und -ableitungen (54, 56) mit der Druckmittelquelle (59) oder der Atmosphäre (60) verbinden.

12. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zumindest eine Ventil (108, 110) ein Drehschieberventil ist.

13. Ventilsteuerung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drehschieberventil (108, 110) von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben ist und daß Mittel (116) zum Verändern der Phasen­ lage vorgesehen sind.

14. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß je Gaswechselventil zwei Ventile (108, 110) vorgesehen sind, die den Öffnungsbeginn und den Schließzeit­ punkt des Gaswechselventiles steuern.

15. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß-Gaswechselventile und die Auslaß-Gaswechsel­ ventile getrennt variabel gesteuert sind.

16. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschinen die Drehschieberventile (108, 110) durch im Zylinder­ kopf (100) gelagerte Drehschieberwellen (106) mit je Gaswechselventil ein oder mehreren Öffnungen gebildet sind, die mit dem Zylinderkopf ausgebilde­ ten kanalförmigen Druckmittel Zu- und Ableitungen (54, 56) zusammenwirken.

17. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der pneumatischen Energieversorgung ab­ hängig von der Drehzahl und/oder Last der Brenn­ kraftmaschine unterschiedlich gesteuert wird.