DE60034340T2

DE60034340T2 - Verfahren und Anordnung zur Ventilbetätigung in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60034340T2
Application number: DE60034340T
Authority: DE
Inventors: Kjell R. Johansson; Jan-Olof Carlsson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: EP1199446B1; DE60034340D1; EP1199446A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Einlass- und Auslassventilen in einem Verbrennungsmotor, insbesondere für nockenlose Ventile, wobei ein Hauptventilstellmittel durch ein Hilfsventilstellmittel unterstützt wird.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren weisen mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil für jeden Zylinder des Motors auf. Das Einlassventil gestattet das Einströmen von Luft in die Verbrennungskammer, und das Auslassventil gestattet das Ausströmen der verbrannten Luft/Kraftstoffmischung aus der Kammer. Die zeitliche Einstellung der Ventile muss der Bewegung des Kolbens und der Einspritzung von Kraftstoff oder einer Luft/Kraftstoffmischung in die Kammer entsprechen. Herkömmliche Motoren verfügen über Nocken, um die zeitliche Einstellung der Ventile mit dem Kolben und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu koordinieren. Abgesehen davon, dass Nocken einem Verschleiß ausgesetzt sind, eignen sie sich nicht sehr für Änderungen der zeitlichen Ventileinstellung während des Betriebs des Motors. Moderne Motoren können mit Mitteln zum Einstellen der Nocken und der zeitlichen Ventileinstellung in einem gewissen Ausmaß ausgestattet sein, sind aber noch zu sehr beschränkt für die Art eines modernen Motormanagements, das zur Erfüllung zukünftiger Anforderungen an Kraftstoffverbrauch und Emissionswerte benötigt wird.
Hydraulisch betätigte Ventile, die durch Solenoide oder piezoelektrische Stelleinrichtungen, wie sie aus US-A-4 019 481 , US-A-4 724 801 und US-A-5 829 396 bekannt sind, sind normalerweise verhältnismäßig langsam und werden hauptsächlich für große Dieselmotoren (CI-Motoren) verwendet. Für Motoren, die mit höheren Drehzahlen arbeiten, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren (IC-Motoren), würde ein Hydrauliksystem große Ströme hydraulischen Fluids erforderlich machen, was den Energieverbrauch vergrößert. Ein Hydrauliksystem ist auch gegenüber in dem Fluid eingefangener Luft, Verschmutzung, beispielsweise Partikeln, empfindlich und erfordert eine große Anzahl von Dichtungsflächen.
Elektromagnetische Ventile oder solenoidbetätigte Ventile sind an sich ebenfalls bekannt. Ein Beispiel von elektromagnetisch betätigten Ventilen ist in US 5 129 369 dargestellt. Solche Stelleinrichtungen können direkt an dem Ventilschaft oder einer Verlängerung desselben wirken. Bei dieser Art einer Stelleinrichtung gibt es zwei Hauptprobleme. In erster Linie ist das Ventil üblicherweise in einer oder beiden Richtungen federbelastet. Bei hohen Drehzahlen (> 7000 Upm) müssen diese Federn entsprechend steif sein, um ein Klappern und Vibrationen zu vermeiden, wenn das Ventil der Stelleinrichtung nicht folgt. In zweiter Linie kann der Energieverbrauch während des Startens erheblich sein. Für Stelleinrichtungen, die als Linearmotor ausgebildet sind, mit einem Anker, der in einer zentralen Position durch ein Federpaar gehalten ist, muss ein im Allgemeinen als "swing-on" bekanntes Verfahren durchgeführt werden, wenn der Motor gestartet wird, um den Anker aus seiner Gleichgewichtsstellung zu der Ventilschließstellung zu bewegen. Das Verfahren seinerseits umfasst das Betätigen der Elektromagnete, um eine hin und her gehende Bewegung des Ankers zu erreichen, bis der Anker zu dem oberen Elektromagnet angezogen werden kann. Obwohl dies nur beim Start notwendig ist, erfordert die anfängliche Kraft, die für das Bewegen des Ventils gegen die steifen Federn benötigt wird, verhältnismäßig starke Elektromagnete. Für Kaltstarts bei Temperaturen unterhalb von Null, kann der Anker direkt durch Anlegen eines sehr hohen Stroms an dem Anker betätigt werden. In ähnlicher Weise kann ein Anker, der an einem Schwenkarm angeordnet ist, der durch eine Torsionsfeder zwischen zwei Elektromagneten gehalten ist, ebenfalls direkt durch Anlegen eines relativ hohen Stroms an einem der Elektromagnete angezogen werden. Das Ergebnis in allen oben angegebenen Fällen ist, dass jedes Ventil mit einer verhältnismäßig sperrigen und schweren Stelleinrichtung ausgestaltet sein muss.
EP 0 962 628 betrifft einen piezoelektrischen Verstärker für eine elektromagnetische Stelleinrichtung. Wie beschrieben besteht der Zweck des piezoelektrischen Verstärkers darin, ein mechanisches "Festkleben" des Ankers an dem Statorkern einer elektromagnetischen Stelleinrichtung abzuschwächen.
Es ist offenbart, dass die piezolektrische Einrichtung in der Weise arbeitet, dass sie den Kontakt zwischen dem Anker und dem Statorkern einfach "unterbricht": Die piezolektrische Stelleinrichtung wird eingeschaltet, nachdem der Strom zum Statorkern ausgeschaltet worden ist. Wenn das Ventil geschlossen wird, wird der Elektromagnet eingeschaltet, wird auf seinen Anker durch eine Feder jederzeit eingewirkt, und wird der Anker durch die piezolektrische Stelleinrichtung unterstützt, um ihn von dem Statorkern zu lösen und ihn in Richtung zu dem gegenüberliegenden Elektromagnet zu bewegen.
Ein Ventilbetriebs- bzw. -betätigungsmechanismus, der eine piezolektrische Steuereinrichtung verwendet, ist aus US-A-4 593 658 bekannt. In diesem Fall wirkt ein Stapel von piezoelektrischen Elementen an dem Ventil über einen verschwenkten Hebel. Die Größe des Stapels und die Länge des Hebels müssen dazu geeignet sein, das benötigte Anheben des Ventils zur Verfügung zu stellen. Das Öffnen eines Auslassventils gegen den Zylinderdruck an dem Ventil erfordert jedoch viel Energie. Dies kann die Länge des Hebels begrenzen, was zu einem großen Stapel der piezolektrischen Elemente führt. Ein weiteres Problem betrifft bestimmte Materialeigenschaften der piezolektrischen Elemente selbst. Bei Aussetzung gegenüber einem plötzlichen Stoß, beispielsweise wenn ein Ventilschaft an dem Hebel während des Schließens des Ventils wirkt, können die Elemente beschädigt oder zerbrochen werden, da sie ziemlich brüchig sind.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Ventilbetätigungsmechanismus und ein Verfahren zum Betrieb bzw. zur Betätigung der Ventile für einen Verbrennungsmotor oder einen ähnlichen mit Ventilen ausgestatteten Motor zu schaffen, wobei der Betätigungsmechanismus im Wesentlichen eine vollständige Steuerung über alle Parameter für jedes der Ventile des Motors möglich macht. Obwohl die Erfindung bei den meisten mit Ventilen ausgestatteten Motoren verwendet werden kann, ist sie besonders für Motoren mit hoher Drehzahl und Motoren mit hoher Kompression, wie Dieselmotoren und/oder Turbo- oder Kompressormotoren, geeignet.
Erfindungsgemäß sind wie in Anspruch 1 und 7 angegeben ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betätigen von Ventilen in einem Verbrennungsmotor geschaffen, wobei dieser Motor mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil je Zylinder, einen Hauptventilstellmechanismus zum Öffnen und Schließen jedes Ventils und ein elektronisches Steuermittel zum Steuern des Ventilstellmittels aufweist. Zur Unterstützung des Hauptventilstellmechanismus ist ein Hilfsventilstellmittel vorgesehen, wobei dieses Mittel direkt oder indirekt auf das Ventil zur Initiierung einer Ventilbewegung während des Beginns eines Ventilbetriebszyklus und/oder zum Anhalten der Ventilbewegung am Ende eines Ventilbetriebszyklus einwirkt. Die letztgenannte Funktion kann zur Ausschaltung von Geräuschen von den sich bewegenden Teilen der Hilfsstelleinrichtung sowie zur Verhinderung einer Beschädigung der Stelleinrichtung verwendet werden, beispielsweise sollten die Ventile und die Stelleinrichtungen bei hohen Motordrehzahlen vorübergehend außer Berührung kommen und wieder in Berührung kommen.
Die durch das Hilfsstellmittel durchgeführte anfängliche Bewegung bewirkt eine Dekompression des Zylinders, wodurch die benötigte Wirkung durch das Hauptstellmittel verringert wird und es möglich gemacht wird, dass kleinere Elektromagnete oder piezolektrische Stelleinrichtungen verwendet werden. Die durch das Hilfsstellmittel bewirkte Anhaltebewegung bewirkt eine allmähliche Verzögerung sowohl des Ventilschafts als auch aller sich bewegenden Teile in dem Stellmittel, sodass ihre Geschwindigkeit nahe bei Null liegt, wenn sie ihre Endstellungen erreichen. Die Bewegung kann durch Verwendung eines piezolektrischen Elements sowohl initiiert als auch angehalten werden, das einen kürzeren Hub besitzt als das Hauptstellmittel und das eine wesentlich kürzere Ventilanhebung liefert.
Die Ventile werden vorzugsweise unter Verwendung eines elektromagnetischen Hauptventilstellmittels geöffnet und geschlossen, obwohl andere Mittel möglich sind, beispielsweise eine piezolektrische Stelleinrichtung. Als Folge der durch das Hilfsstellmittel bewirkten Dekompression kann die Größe des Hauptstellmittels verkleinert werden, da es gegen einen erheblich niedrigeren Druck arbeitet. Kleinere Magnete in der Stelleinrichtung führen offensichtlich ebenfalls zu einer Gewichts- und Kostenherabsetzung. Obwohl das Hilfsventilstellmittel für alle Ventile verwendet werden kann, ist es besonders für Auslassventile, insbesondere für Auslassventile mit großen Öffnungsflächen, geeignet, die gegen hohe Drücke in der Verbrennungskammer arbeiten müssen.
Die Haupt- und die Hilfsventilstelleinrichtung werden mittels eines Steuermittels, das einen Mikroprozessor umfasst, gesteuert, dem Daten betreffend den Betrieb des Motors zugeführt werden und der zur Steuerung der Stellung des piezoelektrischen Stellmittels auf der Grundlage dieser Daten programmiert ist. Dieses Steuermittel kann eine separate Einheit oder ein integrierter Teil des Motormanagementsystems sein.
Ein Sensor wird zur Bestimmung der Stellung des piezolektrische Stellmittels verwendet, wobei diese Stellung zum Mikroprozessor zurückgeführt wird.
Dieser Sensor kann ein virtueller Sensor sein, wobei bekannte Charakteristika und Materialeigenschaften der piezolektrischen Elemente zur Berechnung einer geschätzten Stellung des piezolektrischen Stellmittels verwendet werden. In diesem Fall müssen Faktoren wie die Elementzusammendrückung unter Last berücksichtigt werden. Alternativ kann ein Sensor mit einer Anzahl von Strängen, jeder elektrisch mit der gleichen Anzahl einzelner Elemente des piezolektrischen Stellmittels verbunden, verwendet werden. Ein zu der Stellung proportionales Signal wird erreicht, wenn das piezolektrische Stellmittel einer Zusammendrückungslast ausgesetzt wird, die die Berechnung der Stellung der Stelleinrichtung möglich macht.
Wegen der verhältnismäßig eingeschränkten Ausdehnung des piezolektrischen Elements wirkt das Hilfsstellmittel auf das Ventil über eine mechanische Verstärkungskopplung, wie beispielsweise eine Feder mit Hebelwirkung oder einen hydraulischen Verstärker. Das piezolektrische Element selbst kann die Gestalt eines Stapels einzelner Elemente aufweisen, ist jedoch auf diese Gestalt nicht beschränkt.
Die durch das Hauptstellmittel bewirkte Gesamtventilanhebung liegt im Bereich von 8–10 mm, während die durch das Hilfsstellmittel bewirkte Ventilanhebung im Bereich von 1–2 mm liegt. Einerseits muss die anfängliche Ventilanhebung nur ausreichen, eine Dekompression zu ermöglichen. Andererseits muss das Ventil auch ausreichend von dem Ventilsitz angehoben werden, um eine Beschädigung des Ventils, beispielsweise eine Verkohlung, zu vermeiden. Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen der durch das Hilfsstellmittel und der durch den Hauptventilstellmechanismus bewirkten Ventilanhebung im Bereich von 1:10 bis 1:4.
Der Hauptventilstellmechanismus weist einen oder mehrere Elektromagnet(e) auf, der bzw. die in Hinblick darauf gestaltet sind, das Ventil entweder in seiner geschlossenen Endstellung oder in einer mittleren Stellung zu halten, wenn der Motor abgeschaltet wird. Im letztgenannten Fall wird das Ventil sofort stufenweise dazu gebracht, seine korrekte Stellung im Arbeitszyklus einzunehmen, wenn der Motor gestartet wird.
Ein Ventil, das in einer mittleren Stellung gehalten ist, muss aus entgegengesetzten Richtungen durch zwei separate Federn federbelastet werden. In diesem Fall erfolgt der größte Teil der Arbeit durch die verhältnismäßig steifen Federn. Da dies ein hin und her gehendes System ist, kann die Wahl der Federcharakteristiken entscheidend sein, um eine Resonanz zu vermeiden. Die obere Seite des Kolbens kann eine Aussparung erforderlich machen, sodass er nicht gegen das Ventil schlägt, wenn eine Stelleinrichtung fehlerhaft arbeitet.
Jedes Ventil kann auch durch eine einzelne Feder nur zu seiner Schließstellung federbelastet sein. Die benötigte Feder ist eine schwache Rückstellfeder, die sicherstellt, dass der Kolben das Ventil nicht beschädigt, wenn eine Stelleinrichtung fehlerhaft arbeitet. Die Feder kann an beiden Enden befestigt sein, an der Stelleinrichtung bzw. an dem Ventil. In diesem Fall erfolgt die gesamte Arbeit mittels der zwei elektromagnetischen Stelleinrichtungen ohne irgendeine Unterstützung durch die Feder. Bei diesem System gibt es keine Resonanzprobleme, jedoch muss die sich bewegende Masse des Ventils und des Ankers an ihren Endstellungen verzögert werden, um eine übermäßiges Geräusch zu vermeiden.
Die Verwendung von elektromagnetischen Ventilstelleinrichtungen macht es möglich, die Federn alle zusammen wegzulassen. Ohne vorhandene Federn hat das System keine Resonanzprobleme, eine kleine sich bewegende Masse und eine entsprechend kurze Reaktionszeit. Jedoch müssen Schritte ergriffen werden, um die Bewegung der sich bewegende Massen in ihren Endstellungen anzuhalten und eine mögliche Beschädigung an den Ventilen wie oben beschrieben zu vermeiden.
Jede Feder, die weggelassen werden kann, verringert die sich hin und her bewegende Masse des Systems, was eine Verkleinerung der Größe der Stelleinrichtung oder kürzere Reaktionszeiten für das durch die Stelleinrichtung gesteuerte Ventil gestattet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Ventilbetätigungsmechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 einen Schnitt durch ein piezolektrisches Element, das mit einem Sensormittel ausgestattet ist;
3 einen Schnitt durch einen Ventilbetätigungsmechanismus gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4A einen Schnitt durch einen Ventilbetätigungsmechanismus gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4B eine Draufsicht auf ein Hauptventil mit einem hohlen Ventilschaft gemäß der Erfindung;
4C einen vergrößerten Schnitt durch einen hohlen Ventilschaft gemäß der Erfindung;
5 einen Schnitt durch einen Zylinder, der mit einem separaten Hilfsventil ausgestattet ist, gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 eine mechanische Kopplung, die eine verschwenkte Feder mit einer einzelnen Hilfsstelleinrichtung verwendet;
7A eine perspektivische Ansicht einer verschwenkten Feder, die von der mechanischen Kopplung verwendet wird;
7B eine Draufsicht auf den vorderen Bereich einer verschwenkten Feder, die mit einem Ventilschaft in Berührung steht;
8 eine mechanische Kopplung, die ein Paar verschwenkte Federn mit separaten Hilfsstelleinrichtungen verwendet;
9 eine mechanische Kopplung, die ein Paar verschwenkte Federn mit einer gemeinsamen Hilfsstelleinrichtung verwendet;
10A eine ausgeschnittene Ansicht einer Anordnung, die vier Federn verwendet;
10B die Anordnung von 10A, die mit einer einzigen gemeinsamen Stelleinrichtung ausgestattet ist;
11 eine Draufsicht auf eine Anordnung, die mehrere, überlappende verschwenkte Federn verwendet.
Die Figuren zeigen zu Bauteilen, die aus Gründen der Deutlichkeit nicht in tatsächlicher Größe gezeigt sind, nur schematische Darstellungen;
Arten der Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Ventilbetätigungsmechanismus gemäß der Erfindung, bei dem ein Hauptventilstellmittel 1 zum Öffnen und Schließen eines Ventils (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Der Stellmechanismus 1 ist am Zylinderkopf 2 eines Verbrennungsmotors befestigt und weist einen oberen Elektromagnet 3 und einen unteren Elektromagnet 4 auf. Die Elektromagnete sind über einen Abstandhalter 5 um ihren Umfang herum starr verbunden, wobei der Abstandhalter 5 die Elektromagnete 3, 4 trennt, wobei ein Spalt 6 gebildet ist, in dem ein Anker 7 angeordnet ist. Der Anker 7 ist an einem zentralen Stift 8 fest angebracht, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Der Stift 8 ist in einem Paar Büchsen 9, 10 axial verschiebbar, die in Öffnungen 11, 12 in den Elektromagneten 3, 4 angebracht sind. Der Stift 8 steht mit einem Ventilschaft 13 in Berührung, der Teil eines Einlass- oder Auslassventils ist. Im Betrieb wird das Ventilstellmittel durch elektrische Impulse eines Motormanagementsystems in Reaktion auf Signale eines Mikroprozessors in dem System gesteuert. Diese elektrischen Impulse betätigen ihrerseits die Elektromagnete 3, 4, um das Ventil unter Verwendung des unteren Elektromagneten 4 zu öffnen oder unter Verwendung des oberen Elektromagneten 3 zu schließen.
Infolge der Anforderungen an die elektrische Energie zur Betätigung der Elektromagnete reicht das 12 V-Standardsystem für Fahrzeuge möglicherweise nicht aus. Die nächste Generation elektrischer Systeme wird höchstwahrscheinlich 42 V als Standard verwenden, wobei diese Spannung für diesen Zweck besser geeignet ist. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Verwendung einer auf 100–1000 V umgewandelten Spannung. Dies ist erwünscht, um sowohl den Strom als auch die Querschnittfläche der Verkabelung herabzusetzen, was seinerseits das Gewicht herabsetzt.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform ist mit einer oberen und einer unteren Schraubenfeder 14, 15 ausgestattet, wobei diese Federn den Anker 7 in einer mittleren Stellung zwischen den Elektromagneten 3, 4 halten. Die untere Feder 14 ist zwischen einer oberen Fläche 2a des Zylinderkopfs 2 und der unteren Fläche eines Federhalters 17 angebracht, der an dem oberen Abschnitt des Ventilschafts 13 befestigt ist. Die obere Feder ist zwischen der unteren Fläche eines Gehäuses 18 für die Stellbaugruppe und der oberen Fläche eines Federhalters 19 angebracht, der ein integraler Teil des zentralen Stifts 8 ist. Das Gehäuse 18 muss starr mit der Stellbaugruppe und dem Zylinderkopf 2 verbunden sein.
Alternative Ausführungsformen weisen möglicherweise nur die untere Rückstellfeder 14 auf, um sicherzustellen, dass sich das Ventil in seiner Schließstellung befindet, wenn es nicht betätigt wird. Es gibt auch eine weitere Ausführungsform, bei der die Elektromagnete zur Steuerung aller Bewegungen des Ventils verwendet werden, sodass beide Federn überflüssig werden.
Um das Öffnen des Ventils zu unterstützen, ist die Stellbaugruppe mit einem Hilfsventilstellmittel 20 ausgestattet. Vorzugsweise wird ein piezolektrisches Element 21 verwendet, wobei dieses Element innerhalb der oberen Feder 15 oder parallel zu dieser zwischen dem Gehäuse 18 und dem zentralen Stift 8 angebracht ist. Wegen des kurzen Hubs des piezolektrischen Elements 21 ist eine Feder 22 mit Hebelwirkung zwischen dem Element 21 und dem Stift 8 angebracht. Diese bewirkt eine Verlängerung des Hubs, während das Stellmittel kompakt bleibt. Elektrische Stromimpulse von dem Motormanagementsystem steuern auch das Hilfsventilstellmittel. Eine solche Feder wird in Verbindung mit 6-11 nachfolgend detailliert beschrieben. 1 zeigt den Ventilschaft 13 in seiner oberen Stellung bei geschlossenem Ventil. In dieser Stellung gibt es einen kleinen Raum zwischen dem Anker 7 und dem oberen Magnet 3. Dieser Raum ist notwendig, um zu verhindern, dass der Anker 7 gegen den oberen Magnet 3 schlägt. Gleichzeitig muss der Abstand, da die Stärke des Magnetfeldes des Magnets 3 mit Vergrößerung des Abstandes abnimmt, klein gehalten werden. Damit der obere Magnet 3 den Anker 7 gesichert festhält, sollte der Raum zwischen beiden jedoch wenige Zehntel mm nicht überschreiten.
Wenn sich der Ventilschaft 13, der Anker 7 und der Stift 8 ihrer oberen Stellung nähern, wird ihre Bewegung unter Verwendung einer gesteuerten Zurückziehung des piezoelektrischen Elements 21 verzögert, um eine weiche Landung zu schaffen.
Das verwendete piezoelektrische Element kann ein Element des Standardtyps sein, das nur kleinere gegenständliche Modifikationen zur Anpassung an die Anwendung erforderlich macht. Ein Element des Standes der Technik kann 45 mm lang sein und einen Hub von 0,5 mm aufweisen. Ein Hebel oder eine andere Art eines Mechanismus muss den kurzen Hub eines solchen Elements ausgleichen, da ein piezoelektrisches Element, das direkt an dem Ventil wirkt, übermäßig lang wäre. Sein geringer Energieverbrauch und die verhältnismäßig hohe Ausdehnungsenergie gleichen die Nachteile aus.
Statt eines piezoelektrischen Elements können Stelleinrichtungen hergestellt aus alternativen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden, beispielsweise Polymermaterialien mit geeigneten elektrischen Eigenschaften.
Im Betrieb wird das piezoelektrische Element 21 zuerst betätigt, wobei das Ventil ausreichend geöffnet wird, um eine Dekompression des Zylinderdrucks zu bewirken. Hinzu darf die Ventilanhebung nicht kleiner als 1–2 mm sein. Wenn die Dekompression stattgefunden hat, wird die Hauptventilstelleinrichtung 1 zum vollständigen Öffnen des Ventils betätigt. Die vollständige Ventilanhebung misst etwa 8–10 mm, was ein Verhältnis zwischen einer teilweisen und einer vollständigen Ventilanhebung von etwa 1:10 bis 1:4 ergibt. Dieses Verhältnis kann selbstverständlich in Abhängigkeit von der Größe und dem Typ des Motors variieren. Wegen der Dekompression muss der untere Elektromagnet 4 nur die Kraft der unteren Feder 14 im Vergleich zu der Federkraft überwinden, die, kombiniert mit einem möglichen hohen Druck, auf das Ventil in der Verbrennungskammer wirkt.
Das Hilfsventilstellmittel 20 kann sowohl für das Einlass- als auch für das Auslassventil verwendet werden. Infolge der erheblich unterschiedlichen Drücke in der Verbrennungskammer ist es, wenn die Ventilbetätigung durchgeführt wird, möglicherweise nur notwendig, das Hilfsstellmittel für die Auslassventile zu verwenden. Die Erfindung ist besonders für Auslassventile mit einem großen Flächenbereich geeignet, die große und energieverbrauchende elektromagnetische Stelleinrichtungen zum Öffnen benötigen würden, wenn sie nicht durch dekomprimierende Stelleinrichtungen unterstützt werden.
Die Haupt- und Hilfsventilstelleinrichtungen 1, 20 werden durch ein Steuermittel gesteuert, das einen Mikroprozessor aufweist (s. 2), dem den Betrieb des Motors betreffende Daten zugeführt werden. Das Steuermittel wird zur Steuerung der Stellung des piezoelektrischen Stellmittels auf der Grundlage dieser Daten programmiert. Das Steuermittel kann eine separate Einheit oder ein integrierter Teil des Motormanagementsystems sein. Ein Sensor ist erforderlich, um die Stellung des piezoelektrischen Stellmittels zu bestimmen, wobei diese Stellung an den Mikroprozessor zurückgeführt wird.
Eine Sensoranordnung für ein piezoelektrisches Element 21, wie in 2 dargestellt, umfasst eine Anzahl von Strängen 23 die jeweils an der gleichen Anzahl von einzelnen Elementen 24 des piezoelektrischen Stellmittels elektrisch angeschlossen sind. Die einzelnen Elemente 24 sind von einem Gehäuse umschlossen, um ein einziges Element 21 zu bilden.
Wenn ein erstes Signal 25 von einem Mikroprozessor 26 in dem Motorsteuersystem übertragen wird, wird das Hilfsstellmittel 21 betätigt, um das Ventil teilweise zu öffnen. Da jedes der piezoelektrischen Stellelemente 24 einer Zusammendrückungslast ausgesetzt ist, wird jedem der Stränge 23 ein Strom zugeführt. Dieser Strom führt zu einem Signal 27, das proportional zu der Stellung des Stellmittels 21 ist. Das Stellungssignal 27 wird an den Mikroprozessor 26 in dem Motorsteuersystem übertragen, was es möglich macht, dass der Mikroprozessor die Stellung der Stelleinrichtung berechnet. Zusätzliche Daten betreffend gegenständliche Eigenschaften und Materialeigenschaften des Elements 21 zur Verwendung bei dieser Berechnung sind in dem Mikroprozessor gespeichert. Das Positionssignal 27 in Kombination mit Zünd- und Kraftstoffeinspritzdaten 28 von einer Reihe anderer Sensoren in dem Motor macht es möglich, dass der Mikroprozessor 26 die notwendigen Berechnungen durchführt. Sobald das Hilfsstellmittel 20 das anfängliche Öffnen des Ventils beendet, wird ein zweites Signal 29 von dem Mikroprozessor zur Betätigung des Hauptventilstellmittels 1 übertragen.
Anstelle der Verwendung von Signalen von allen Elementen ist es möglich, ein Signal von dem ersten einzelnen Element, das die anfängliche Betätigung der Stelleinrichtungen angibt, und ein Signal von dem letzten einzelnen Element zu verwenden, das angibt, dass der vollständige Hub beendet ist. Ein Mikroprozessor kann dann die theoretische Stellung der Stelleinrichtung unter Verwendung des Totrechnens bei Verwendung des der Stelleinrichtung zugeführten Stroms und der die physikalischen Charakteristika und die Materialeigenschaften des Elements 21 betreffenden Daten berechnen.
Alternativ kann ein virtueller Sensor verwendet werden, wodurch bekannte Charakteristika, wie beispielsweise die Zusammendrückung des Elements unter Last und die Materialeigenschaften der piezoelektrischen Elemente betreffende Daten in dem Mikroprozessor gespeichert werden. Diese Information wird zum Berechnen einer geschätzten Stellung des piezoelektrischen Stellmittels während des Betriebs der Hilfsstelleinrichtung verwendet. Es ist selbstverständlich möglich, andere Arten bekannter Stellungssensoren, beispielsweise einen Hall-Sensor, zum Messen der tatsächlichen Stellung der Betätigungseinrichtung und/oder des Ventils zu verwenden.
In Abhängigkeit von der Gestaltung der Stellbaugruppe und/oder der zum Bestimmen der Stellung der Stelleinrichtung benötigten Genauigkeit können weitere Daten betreffend die Materialeigenschaften der Kopplung und der Ventilbaugruppe benötigt werden. Diese Informationen, beispielsweise der Ausdehnungskoeffizient verschiedener Teile, würden ebenfalls in dem Mikroprozessor gespeichert.
Am Ende jedes hin und her gehenden Zyklus eines Ventils kann das Hilfsstellmittel 20 zur Verzögerung des sich bewegenden Ventils und des zentralen Stifts 8 verwendet werden. Wenn der Anker 7 des mit Energie versorgten oberen Elektromagneten 3 dessen Endstellung erreicht, kann viel Geräusch auftreten, wenn der Anker 7 mit dem Elektromagnet 3 in Berührung kommt. Wenn ein Stellungssensor anzeigt, dass die sich bewegende Masse sich ihrer Endstellung nähert, wird der das piezoelektrische Element 21 betätigende Strom derart verringert, dass seine sich zurückziehende Bewegung das Moment der sich bewegenden Masse absorbiert. Dies ist wegen der schnellen Reaktionszeit der piezoelektrischen Elemente möglich. Beispielsweise macht ein bekanntes piezoelektrisches Element nicht mehr als 50 μs (10^–6 s) erforderlich, um einen Hub von 0,5 mm durchzuführen.
Dieses Merkmal kann auch bei mit hohen Motordrehzahlen brauchbar sein, sofern der Ventilschaft 13 die Berührung des Stifts 8 vorübergehend verliert. Wenn der Ventilschaft 13 durch die untere Feder 14 zurück bewegt wird (s. 1), trifft er kurz auf den Stift 8, wodurch die Berührung wiederhergestellt wird. Abgesehen von der Verursachung eines gewissen Geräuschs kann ein solcher Stoß das piezoelektrische Element 21, das den Stift 8 berührt, beschädigen. Um eine Beschädigung des relativ brüchigen Elements 21 zu verhindern, kann das Element 21 selbst verwendet werden, um die Bewegung der sich bewegenden Masse wie oben beschrieben anzuhalten.
Eine zweite Ausführungsform der oben angegebenen Erfindung ist in 3 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform erstreckt sich der Ventilschaft 13 in eine Aussparung in dem unteren Teil des Ankers 7. Der untere Teil des Ankers 7 ist mit radialen Schlitzen 7a ausgestattet, die sich in axialer Richtung des Ventilschafts 13 erstrecken. Der Schaft 13 ist seinerseits mit radialen Vorsprüngen 7b, beispielsweise einem durchgehenden Stift, ausgestattet, die sich in die Schlitze erstrecken. Diese Ausbildung gestattet eine geringe axiale Bewegung des Ankers 7 gegenüber dem Ventilschaft 13. Die gestattete axiale Bewegung misst vorzugsweise nur einige Zehntel mm. Ein Endabschnitt 30 erstreckt sich oberhalb des Ankers 7, um ein Stellelement 31 einer mechanischen Verstärkungskopplung 22 zu berühren, wenn sich das Ventil 33 in seiner Schließstellung befindet. Die Bewegung dieses Endabschnitts 30 wird durch eine Führung 32 gesteuert. In diesem Fall ist das Hilfsstellmittel 20 an einem Gehäuse 34 befestigt, das den oberen und den unteren Elektromagnet 3, 4 umschließt, wobei sich das Stellelement 31 durch das Gehäuse 34 hindurch erstreckt. Die Hauptventilstelleinrichtung 1 ist mit Federn ausgestattet, um das Ventil in einer mittleren inaktiven Stellung zu halten. Eine untere Feder 35 wirkt zwischen dem Zylinderkopf 2 und einem Federhalter 13a an dem Ende des Ventilschafts 13, während eine obere Feder 36 zwischen dem Gehäuse 34 und dem Anker wirkt. Die mechanische Kopplung 22 kann eine Feder mit Hebelwirkung wie nachstehend beschrieben oder irgendein anderes geeignetes Mittel umfassen.
Wenn das piezoelektrische Element 21 betätigt wird, wirkt das Element 31 an dem Schaft 13. Der Schaft 13 führt eine kleine Bewegung durch eine Führung 37 durch und bewirkt, dass sich das Ventil 33 um eine kurze Strecke von seinem Sitz 38 aus anhebt, um den Zylinder (nicht dargestellt) zu dekomprimieren. Der Kanal 39, der zu dem Ventil 33 gehört, kann entweder ein Einlass- oder ein Auslasskanal sein, wie oben beschrieben. Wenn sich das Ventil schließt, nähern sich der Schaft 13 und der Endabschnitt 30 des Ankers 7 dem oberen Magnet 3. Die Bewegung des Ventilschafts 13 wird dadurch angehalten, dass das Ventil seinen Sitz 38 genau dann erreicht, wenn der Anker 7 mit dem oberen Magnet 3 in Berührung kommt. Der Schlitz und die Stiftbaugruppe 7a, 7b in dem unteren Teil des Ankers 7 verhindern, dass die vollständige Kraft des sich zurück bewegenden Ventils an den Magnet 3 übertragen wird, und der Anker selbst kann durch das piezoelektrische Element 21 wie oben beschrieben verzögert werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung weist, wie in 4A und 4B dargestellt ist, eine Ventileinheit ein Hauptventil 40 auf, das mit einem Hilfsventil 41 ausgestattet ist. Das Hilfsventil weist einen zentralen Schaft 42 auf, der sich durch eine Bohrung in dem Hauptventilschaft 43 erstreckt. Der zentrale Schaft 42 steht ausreichend von dem Endabschnitt 44 des Hauptschafts 43 aus vor, damit er durch das Hilfsventilstellmittel 20 betätigt werden kann. Der Anker 7 ist bei dieser Ausführungsform mit dem Hauptventilschaft 43 starr verbunden. Das Hilfsventil 41 ist in der unteren Fläche 45 des Hauptventils 40 angeordnet und kann separat durch das piezoelektrische Element 21 betätigt werden, wenn sich das Hauptventil 40 in seiner Schließstellung befindet. Die Bohrung durch das Hauptventil 40 und den Schaft 43 weist einen vergrößerten, ringförmigen Abschnitt 46 in der Nähe des Hauptventils 40 auf. Dieser Abschnitt 46 ist mit mindestens einem Kanal 47 verbunden, der in der oberen Fläche 48 des Hauptventils 40 mündet. 4B zeigt eine Ausführungsform mit acht Kanälen 47, die sich von dem vergrößerten Abschnitt 46 aus erstrecken. Die gesamte Querschnittfläche der Kanäle 47 muss mindestens gleich der Fläche des ringförmigen Abschnitts 46 sein.
4C zeigt eine vergrößerte Ansicht des oberen Endes des zentralen Schafts 42. Das Ende des Schafts 42 weist einen vergrößerten Abschnitt 48 auf, sodass eine Rückstellfeder 49 zwischen dem Endabschnitt 44 des Schafts 42 und diesem Abschnitt 48 eingesetzt ist. Dies stellt sicher, dass das Hilfsventil 41 zu seiner Schließstellung zurückkehrt, nachdem es betätigt worden ist. Obwohl die in 4C dargestellte Feder eine Schraubenfeder ist, können andere Federarten verwendet werden, beispielsweise eine Tellerfeder.
Im Betrieb befindet sich das Hauptventil 40 in seiner Schließstellung, wenn das Hilfsstellmittel 20 betätigt wird. Das Stellelement 31 des piezoelektrischen Elements 21 wirkt an dem zentralen Schaft 42 der Ventileinheit, wodurch das Hilfsventil 41 von seinem Sitz in der unteren Fläche 45 des Hauptventils 40 angehoben wird. Dies bewirkt eine Dekompression des Zylinders, da der Druck durch den vergrößerten Abschnitt 46 und die Kanäle 47 des Hauptventils 40 hindurch in den Einlass- oder Auslasskanal 39 freigesetzt wird.
Wenn sich das Ventil schließt, nähern sich der Hauptschaft 43 und der Endabschnitt 44 dem oberen Magnet 3. Die Bewegung des Ventilschafts 43 wird dadurch angehalten, dass das Ventil seinen Sitz 38 genau dann erreicht, wenn der Anker 7 mit dem oberen Magnet 3 in Berührung kommt. Wie oben beschrieben (1) reicht ein Spalt von wenigen Zehntel Millimeter aus. Dies verhindert, dass die vollständige Kraft des sich zurück bewegenden Ventils an den Magnet 3 übertragen wird. In diesem Fall kann der Anker selbst durch das piezoelektrische Element 21 wie oben beschrieben nicht verzögert werden. Stattdessen wird die gesamte Ventilbaugruppe, unmittelbar bevor der vergrößerte Abschnitt 48 an dem Ende des Schafts die mechanische Kopplung des piezoelektrischen Elements 21 berührt, angehalten.
Eine vierte Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine separate Hilfsventilstelleinrichtung 50 an einer geeigneten Stelle in der Nähe des Zylinders 51 angeordnet. Das Einlass- und das Auslassventil 52, 53 sind jeweils mit einer Hauptventilstelleinrichtung wie in 3 dargestellt ausgestattet. Die Hilfsventilstelleinrichtung 50 weist eine piezoelektrische Stelleinrichtung 54, eine mechanische Kopplung 55, einen Hilfsventilschaft 56 und ein Hilfsventil 57 auf. Eine Dichtungszwecken dienende Büchse 56a ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Abgas von hinter dem Schaft 56 der Stelleinrichtung 54 austritt. Bei Betätigung öffnet sich das Ventil 57, und wird der Druck durch einen Dekompressionskanal 58 hindurch in einen Auslass- oder einen Einlasskanal 59 freigesetzt. Das Ventil 57 kann direkt mit der Hilfsstelleinrichtung verbunden sein, da es gegenständlich von der Hauptventilstelleinrichtung getrennt ist. Jedoch kann eine piezoelektrische Stelleinrichtung einer anderen Bauweise oder Gestalt eine Rückstellfeder für das Ventil erforderlich machen. Offensichtlich muss die Stelleinrichtung in einer solchen Weise angeordnet sein, dass sie nicht mit den Hauptventilen 52, 53, dem Kolben oder einem anderen Bauteil des Motors zusammentrifft.
Beispiele mechanischer Kopplungen, die zur Verstärkung des relativ kurzen Hubs eines piezoelektrischen Elements verwendet werden können, sind in 6-11 schematisch dargestellt. Ein Schnitt durch eine einzelne Feder 22 mit Hebelwirkung ist in 6 zu sehen. Diese Feder 22 weist einen ersten Abschnitt 61, an dem das piezoelektrische Element 21 wirkt, und einen zweiten Abschnitt 62 auf, der an dem Ventilschaft 13 wirkt. Zur Ausbildung der Feder 22 so kompakt wie möglich weist sie einen im Allgemeinen U-förmigen Querschnitt mit einem halbzylindrischen Abschnitt 63 auf, der den ersten und den zweiten Abschnitt 61, 62 verbindet. Die Feder 22 mit Hebelwirkung kann um einen Schwenkpunkt 64 verschwenkt werden, der in der Längsrichtung des halbzylindrischen Abschnitts 63 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Schwenkpunkt 64 in dem oberen Bereich des halbzylindrischen Abschnitts 63 angeordnet, wo er eine Verbindung mit dem ersten Abschnitt 61 der Feder 22 herstellt.
Zur Erzielung einer ausreichenden Hebelkraft weisen der erste und der zweite Abschnitt 61, 62 unterschiedliche Längen auf. Die Hebelkraft wird bestimmt durch den Abstand d zwischen einer ersten vertikalen Ebene P₁ durch die Achse des Schwenkpunkts 64 und einer zweiten vertikalen Ebene P₂ durch den Berührungspunkt 65 des piezoelektrischen Elements 21 mit Bezug auf den Abstand D zwischen der ersten Ebene P₁ und einer dritten vertikalen Ebene P₃ durch die Achse des Ventilschafts. Ein geeigneter Wert des Verhältnisses d:D kann unter Verwendung des zur Verfügung stehenden Hubs des piezoelektrischen Elements 21 und der benötigten Ventilanhebung berechnet werden. Wenn beispielsweise das Element 21 einen Hub von 0,2 mm aufweist und die benötigte Ventilanhebung 2 mm misst, liegt unter der Annahme, dass die Feder 22 nicht ausweicht, das Verhältnis d:D bei 1:10.
Die Steifigkeit der Feder muss ausreichend sein, damit sie die Bewegung des piezoelektrischen Elements an den Ventilschaft übertragen kann. Gleichzeitig gestattet die inhärente Charakteristik der Feder in Kombination mit einem durch das Element gesteuerten Hub, dass die Bewegung des Ventils am Ende seines Rückstellhubs gedämpft wird. Auf diese Weise kann das Geräusch herabgesetzt werden, das dadurch erzeugt wird, dass der Anker in einer unkontrollierten Weise gegen den oberen Elektromagnet schlägt.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine einzelne Feder 22 mit Hebelwirkung, wobei der zweite Abschnitt 62 eine im Allgemeinen dreieckige Gestalt aufweist. Die gesamte Länge des halbkreisförmigen Abschnitts 63 in der Höhe des Schwenkpunkts 64 plus der Länge der Schwenkachsen 64a, 64b sollte die Länge der Basis des dreieckigen zweiten Abschnitts 62 nicht überschreiten. Dieser zweite Abschnitt 62 weist eine Basis parallel zu der Achse des Schwenkpunkts 64 auf und verjüngt sich zu seinem Berührungspunkt mit dem Ventilschaft 13. Die Fläche 66 der Feder, die die obere Fläche 65 des Endes des Ventilschafts 13 überlappt, muss ausreichend sein, damit sich die Spitze der Feder radial über die Fläche 65 bewegen kann, wenn sich das Ventil 13 zwischen seiner Öffnungsstellung und zu seiner Schließstellung bewegt. Die gestrichelte Linie 67 zeigt die Feder 22 in ihrer inaktiven Stellung.
In einigen Fällen kann es notwendig sein, mehr als eine piezoelektrische Stelleinrichtung zu verwenden, beispielsweise dann, wenn der Motor ein solcher eines Typs mit hoher Kompression ist oder wenn sowohl die vollständige als auch die teilweise Ventileanhebung durch piezoelektrische Elemente durchgeführt werden soll. Eine solche Ausbildung ist in 8 dargestellt, bei der ein Paar von identischen piezoelektrischen Elementen 81a, 81b an einem Paar von gegenüberliegenden Federn 82a, 82b wirkt, um einen Ventilschaft 13 zu steuern.
Eine weitere Ausführungsform ist in 9 dargestellt, bei der eine einzelne Stelleinrichtung an einem Paar Federn wirkt. Durch dazwischen liegendes Anordnen einer dünnen Platte oder Scheibe 91 zwischen einem piezoelektrischen Element 21 und einem Paar von gegenüberliegenden Federn 92a, 92b mit Hebelwirkung kann der Ventilschaft 13 betätigt werden. Dieses Element 21 ist am Zentrum der Platte 91 direkt oberhalb der Stirnfläche des Ventilschafts 13 angeordnet. Die Platte 91 ihrerseits ist an der oberen Seite der ersten Abschnitte 93a, 93b der jeweiligen Federn 92a, 92b angeordnet. Bei Betätigung wirkt das Element 21 an der Platte 91 und bewirkt, dass die Federn 92a, 92b um ihre Schwenkpunkte 94a, 94b verschwenkt werden, sodass die zweiten Abschnitte 95a, 95b der Federn den Ventilschaft 13 herunterdrücken.
Um eine stabilere Baugruppe der Federn zu erreichen und die an der oberen Fläche des Ventilschafts wirkende Kraft gleichmäßiger zu verteilen, ist es möglich, die Anzahl der Federn mit Hebelwirkung zu vergrößern. 10A und 10B zeigen eine Baugruppe, die ein einziges piezoelektrisches Element 21 aufweist, das an vier Federn 101, 102, 103, 104 über eine Platte 105 wirk, die an der Oberseite der ersten Abschnitte 106, 107, 108, 109 jeder Feder angeordnet ist. Die Platte 105 ist vorzugsweise aus einem leichten und steifen Material hergestellt, sodass sie den schnellen Ausdehnungs- und Zusammenziehungsbewegungen des Elements mit einer kleinen Durchbiegung oder ohne Durchbiegung folgen kann. Da die äußeren Enden der dreieckigen Gestalten der zweiten Abschnitte 110, 111, 112, 113, die mit dem Ventilschaft 13 in Berührung stehen (in 10A angegeben), einen Winkel α von etwa 90° einschließen, gibt es kein Zusammentreffen zwischen den Federn. Die Anbringungen für die Schwenkachsen 114, 115, 116, 117 sind aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt.
Wenn mehr Federn benötigt werden, würde eine Ausbildung wie in 10A und 10B dargestellt Federn mit einem kleineren eingeschlossenen Winkel α benötigen, um ein Zusammentreffen zu verhindern. Wenn jedoch dieser Winkel zu sehr verkleinert wird, wird auch die Steifigkeit der Federn herabgesetzt. Dieses Problem kann durch die in 11 dargestellte Ausführungsform gelöst werden, bei der die Federn ähnlich der Blende bei einer fotografischen Linse einander teilweise überlappen. In diesem Fall wird eine Baugruppe von acht Federn 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 verwendet. Ein einzelnes piezoelektrisches Element wirkt an allen Federn über eine achteckige oder kreisförmige Platte, die die oberen, ersten Abschnitte jeder Feder berührt. Der Ventilschaft kann dann durch die Schwenkbewegung der unteren, zweiten Abschnitte der Federn wie oben beschrieben betätigt werden.
Obwohl die oben angegebenen Beispiele Baugruppen zeigen, die von zwei, vier oder acht Federn Gebrauch machen, ist theoretisch jede Anzahl möglich. Mehr als zehn Federn wären jedoch wegen der Probleme mit dem Zusammentreffen zwischen den Schwenkachsen und der Gesamtdicke der Federn, die am Ende des Ventilschafts wirken. nicht sinnvoll.
Der Hub des piezoelektrischen Elements kann auch mittels einer hydraulischen Verstärkungsanordnung vergrößert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung (nicht dargestellt) einen zylindrischen Körper, der zwischen der Hilfsstelleinrichtung und dem Ventilschaft angeordnet ist. Sowohl die Stelleinrichtung als auch der zylindrische Körper sind in Hinblick auf den Zylinderkopf und ein Gehäuse, in dem die Stellbaugruppe angeordnet ist, festgelegt. Der zylindrische Körper weist einen sich axial erstreckenden ringförmigen Hohlraum auf, wobei ein ringförmiger Kolben in dem oberen Ende dieses Hohlraums verschiebbar angeordnet ist. Der Kolben oder ein Teil desselben erstreckt sich durch eine erste Stirnfläche des zylindrischen Körpers nach außen. Der Kolben kann direkt oder indirekt an dem piezoelektrischen Element befestigt sein, sodass das Element an dem Kolben wirken kann. Wenn der Kolben nicht direkt mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, wird eine Rückstellfeder vorgesehen, um sicherzustellen, dass der Kolben zu seiner inaktiven Stellung zurück bewegt wird. Der ringförmige Hohlraum ist mit einem zentralen, sich axial erstreckenden zylindrischen Hohlraum über einen oder mehrere im Wesentlichen radiale(n) Kanal/Kanäle verbunden. Um den hydraulischen Verstärker kompakt zu halten, ist bzw. sind der Kanal bzw. die Kanäle so angeordnet, dass er bzw. sie aus dem unteren Ende des ringförmigen Hohlraums austritt bzw. austreten, radial einwärts und nach oben führt bzw. führen und in den zentralen Hohlraum an seinem oberen Ende eintritt bzw. eintreten. Der zentrale Hohlraum weist einen weiteren verschiebbar angeordneten, zentralen Kolben auf, der wie ein zylindrischer Stift gestaltet ist. Der zentrale Kolben erstreckt sich durch eine zweite Stirnfläche an dem unteren Ende des zylindrischen Körpers, die der ersten Stirnfläche gegenüberliegt. Wenn sich das Ventil in seiner oberen Schließstellung befindet, steht der zentrale Kolben mit dem Ventilschaft in Berührung.
Die Hohlräume und die Kanäle, die durch die ringförmigen und die zentralen Kolben umschlossen sind, sind mit einem hydraulischen Medium, beispielsweise Hydrauliköl, Wasser mit Gefrierschutz- und/oder Korrosionsschutzzusätzen, oder irgendeinem anderen geeigneten Fluid gefüllt. Um zu verhindern, dass Hydraulikfluid austritt, müssen beide Kolben um ihren Umfang herum, wo sie aus den Stirnflächen des Zylinderkörpers austreten, abgedichtet sein. Diese Abdichtungsfunktion kann entweder durch Verwendung von Abdichtungszwecken dienenden Büchsen oder durch Herstellung der Kolben und ihrer entsprechenden Hohlraumwandflächen mit sehr engen Toleranzen erreicht werden.
Im Betrieb bewirkt ein Steuersignal an das piezoelektrische Element, dass es an dem ringförmigen Kolben wirkt. Dieser Kolben drückt hydraulisches Fluid durch die Verbindungskanäle in den zentralen Hohlraum, was bewirkt, dass das Fluid an dem zentralen Kolben und dem Ventilschaft wirkt, um ein anfängliches Öffnen des Ventils durchzuführen. Das Verstärkungsverhältnis ist proportional zu dem Verhältnis zwischen den Querschnittflächen der ringförmigen und der zentralen Hohlräume. Ein verhältnismäßig kurzer Hub durch das piezoelektrische Element und den ringförmigen Kolben bewirkt daher einen verstärkten Hub für den zentralen Kolben infolge des von dem ringförmigen Hohlraum zu dem zentralen Hohlraum verdrängten Volumens.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ventilmechanismus, der einem Zylinder eines Verbrennungsmotors zugeordnet ist, wobei der Ventilmechanismus zur Steuerung des Ansaugens in den oder des Ausstoßens aus dem Zylinder betreibbar ist, der Ventilmechanismus ein Hauptventilstellmittel (1) zum Öffnen und Schließen des Ventilmechanismus sowie elektronische Steuermittel (26) zum Steuern des Hauptventilstellmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilmechanismus ferner ein piezoelektrisches Hilfsventilstellmittel (20) aufweist, welches betreibbar ist, um das Ansaugen in den oder das Ausstoßen aus dem Zylinder zu steuern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Verstellen des Hilfsventilstellmittels vor dem Hauptventilstellmittel, um eine anfängliche Dekompression des Zylinders zu bewirken; und (b) Verstellen des Hauptventilstellmittels, um eine weitere Dekompression des Zylinders nach der anfänglichen Dekompression zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: (c) Anordnen des Hauptventilstellmittels und des piezoelektrischen Hilfsventilstellmittels, so dass sie auf ein ihnen gemeines Ventil des Zylinders zur Steuerung des Ansaugens in den oder des Ausstoßens aus dem Zylinder einwirken; und (d) Auslösen bzw. Anhalten einer Bewegung des Ventils während eines Beginns oder eines Endes eines Ventilbetriebstaktes durch das piezoelektrische Hilfsventilstellmittel.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anhalten der Bewegung des Ventils in Schritt (d) so betreibbar ist, dass eine graduelle Verlang samung eines Schafts (13) des Ventils bewirkt wird, so dass die Geschwindigkeit des Schafts (13) beim Erreichen seiner Endposition im Wesentlichen Null ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilstellmittel unter Verwendung von mindestens einem Elektromagneten eingerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilstellmittel und das Hilfsventilstellmittel so betreibbar sind, dass sie jeweils auf einen ersten bzw. einen zweiten Ventilschaft einwirken, um eine Dekompression des Zylinders herbeizuführen, wobei das Hauptventilstellmittel betreibbar ist, um ein Hauptzylinderventil zu verstellen und das Hauptventilstellmittel betreibbar ist, um ein Hilfszylinderventil zu verstellen, und wobei das Hilfsventilstellmittel in einer Zylinderwand des Motors vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Hilfsventilstellmittei (20) als Anordnung von piezoelektrischen Elementen ausgebildet ist, welche ausgelegt sind, zusammen angetrieben zu werden, um eine Verstellung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von piezoelektrischen Elementen mit einer Verstärkungsmechanismuskopplung (22) zum Verstärken einer durch die Anordnung bewirkten Verstellung zum Steuern von Ansaugen in den oder Ausstoßen aus dem Zylinder während des Betriebs.
Ventilbetriebsmechanismus für einen Verbrennungsmotors mit einem Zylinder, wobei der Ventilbetriebsmechanismus zur Steuerung des Ansaugens in den oder des Ausstoßens aus dem Zylinder betreibbar ist, der Mechanismus ein Hauptventilstell mittel zum Steuern des Ansaugens in den und Ausstoßens aus dem Zylinder während des Betriebs aufweist, und wobei der Betriebsmechanismus ferner ein elektronisches Steuermittel zur Steuerung des Ventilstellmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmechanismus ferner ein piezoelektrisches Hilfsventilstellmittel aufweist, welches ebenfalls betreibbar ist, um das Ansaugen in den oder das Ausstoßen aus dem Zylinder zu steuern, wobei das Hilfsventilstellmittel betreibbar ist, um verstellt zu werden, um eine anfängliche Dekompression des Zylinders zu bewirken bevor das Hauptventilstellmittel verstellt wird, um eine darauf folgende, weitergehende Dekompression des Zylinders herbeizuführen.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsventilstellmittel ausgelegt ist, direkt auf einen Schaft eines Hauptventils des Zylinders einzuwirken.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptstellmittel zur Verstellung eines Hauptventils des Zylinders gekoppelt ist, wobei das Hauptventil einen hohlen Schaft aufweist, und das piezoelektrische Hilfsstellmittel ausgelegt ist, ein Hilfsventil innerhalb des hohlen Schafts zu verstellen.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Hilfsstellmittel ausgelegt ist, ein separates Ventil innerhalb des hohlen Schafts zu verstellen.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass piezoelektrische Hilfsventilstellmittel unter Verwendung eines piezoelektrischen Stellmittel ausgebildet ist, welches eine Anordnung von piezoelektrischen Elementen umfasst, die ausgelegt sind, zusammen angetrieben zu werden, um eine Verstellung zu bewirken.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Steuermittel einen Mikroprozessor (26) aufweist, der betreibbar ist, um Daten bezüglich des Betriebs des Motors zu empfangen, wobei der Mikroprozessor (26) programmiert ist, auf diese Daten hin das Ausmaß der Verstellung des piezoelektrischen Stellmittels (21) zu steuern.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Stellmittel einen Sensor aufweist, der betreibbar ist, um ein Ausmaß der Verstellung des piezoelektrischen Stellmittels (21) zu erfassen.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als virtueller Sensor eingerichtet ist, so dass bekannte Charakteristika und Materialeigenschaften im Mikroprozessor (26) abgespeichert sind, um das Ausmaß der Verstellung des piezoelektrischen Stellmittels zu berechnen.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Mehrzahl von Strängen (23) aufweist, wobei jeder Strang elektrisch mit einem entsprechenden piezoelektrischen Element des piezoelektrischen Stellmittels verbunden ist, so dass ein Signal (27), welches proportional zum Ausmaß einer Verstellung des piezoelektrischen Stellmittels ist, erhalten wird, wenn das piezoelektrsiche Stellmittel (21) mit einer Druckkraft beaufschlagt ist.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel (21) betreibbar ist, um über eine verstärkende, mechanische Kopplung (22) auf das ihm zugehörige Ventil einzuwirken, wobei die Kopplung (22) betreibbar ist, um ein Ausmaß der von dem Hilfsstellmittel (21) bereitgestellten Verstellung zu verstärken.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung eine oder mehrere im Wesentlichen U-förmige Hebelwirkungsfedern (22; 82a, 82b; 101, 102, 103, 104) aufweist, wobei jede Feder zwei Abschnitte (61, 62) unterschiedlicher Länge aufweist, wobei die Längen ein von der Feder im Betrieb bereit gestelltes Verstärkungsverhältnis definieren.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel einer einzigen zugehörigen Hebelwirkungsfeder zugeordnet ist, um im Betrieb eine durch das Hilfsstellmittel bereit gestellte Verstellung zu verstärken.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel einer Mehrzahl von zugehörigen Hebelwirkungsfedern zugeordnet ist, um im Betrieb eine durch das Hilfsstellmittel bereit gestellte Verstellung zu verstärken.
Betriebsmechanismus nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel ausgelegt ist, auf eine Platte (91; 105) einzuwirken, welche die Mehrzahl von Hebelwirkungsfedern berührend angeordnet ist.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel betreibbar ist, um einen Ventilhub in einem Bereich von 1 bis 2 mm zu bewirken.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel (21) und das Hauptstellmittel betreibbar sind, um relative Ventilhübe in einem Verhältnis in einem Bereich von 1:4 bis 1:10 zu bewirken.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilstellmittel eine oder mehrer Elektromagneten umfasst.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Ventile des Mechanismus, die betreibbar sind, um ein Ansaugen in den oder ein Ausstoßen aus dem Zylinder zu steuern, mittels Federkraft auf ihre geschlossene Position hin vorgespannt sind.
Betriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellmittel betreibbar ist, um direkt oder indirekt auf ein Ventil (13, 43) des Mechanismus einzuwirken, um eine Bewegung des Ventils während eines Beginns und/oder eines Endes seines Ventilbetriebstakts auszulösen bzw. anzuhalten.