DE69303506T2

DE69303506T2 - Elastisches hydraulisches Stellglied

Info

Publication number: DE69303506T2
Application number: DE69303506T
Authority: DE
Inventors: Frederick Erickson; William Richeson
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1993-01-06
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2013-01-07
Also published as: US5221072A; JPH05248212A; DE69303506D1; EP0554923A1; JP3326219B2; EP0554923B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch gesteuertes und hydraulisch angetriebenes Ventilstellglied für Verbrennungsmotoren mit einem Ventilstellgliedgehäuse, einem Kraftkolben mit zwei einander entgegengesetzten primären Arbeitsflächen zur Aufnahme von hydraulischem Flüssigkeitsdruck zur hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens entlang einer Achse im Innern des Gehäuses, ersten und zweiten Flüssigkeitsfederkammern mit zwei Hohlräumen von im wesentlichen gleichem verhältnismäßig festem Volumen, wobei die erste Federkammer während des Kolbenhubs in einer Richtung entlang der Achse einer Kolbenfläche Druckflüssigkeit zuführt und die zweite Federkammer von der anderen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit erhält und wobei die zweite Federkammer während des Kolbenhub: in der Gegenrichtung entlang der Achse der anderen Kolbenfläche Druckflüssigkeit zuführt und die erste Federkammer von der einen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit erhält, ferner mit einer Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle und einem Niederdruckhydraulikflüssigkeitsrücklauf.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor mit einem jedem Tellerventil des Motors zugeordneten erfindungsgemäßen elektrisch gesteuerten und hydraulisch angetriebenen Ventilstellglied.
Ein Stellglied der eingangs erwähnten Art ist insbeondere zum Öffnen und Schließen beim Gaswechsel, d.h. der Ein- und Auslaßventile, eines sonst konventionellen Verbrennungsmotors geeignet. Aufgrund seiner schnellen Arbeitsweise lassen sich die Ventile anstatt der für Nocken-Ventiltriebe charakteristischen allmählichen Bewegung fast schlagartig zwischen der voll geöffneten und ganz geschlossenen Stellung bewegen. Ferner ist der Stellgliedmechanismus für zahlreiche weitere Anwendungen geeignet.
Ventile von Verbrennungsmotoren sind fäst durchweg in Schließrichtung federbelastete und von einem Nocken an einer rotierenden Nockenwelle gegen diesen Federdruck geöffnete Tellerventile, wobei die Nockenwelle so mit der Kurbelwelle des Motors synchronisiert ist, daß die Ventile zu festen Sollsteuerzeiten im Arbeitszyklus des Motors geöffnet und geschlossen werden. Diese festen Steuerzeiten sind ein Kompromiß zwischen der jeweils für hohe und niedrige Motordrehzahlen oder für die Leerlaufdrehzahl des Motors am besten geeigneten Ventilsteuerung.
Der Stand der Technik hat zahlreiche Vorteile erkannt, die sich erzielen lassen, indem anstelle von über Nocken angetriebenen Ventilvorrichtungen dieser Art Ventilöffnungsmechanismen anderer Art verwendet werden, deren Öffnen und Schließen als Funktion sowohl der Motordrehzahl als auch der Winkellage der Kurbelwelle oder anderer Motorparameter gesteuert werden kann.
Im US-Patent 4.009.695 werden hydraulisch betätigte Ventile beschrieben, die ihrerseits von Tauchspulenventilen gesteuert werden, die wiederum von einem an der Armaturentafel montierten Computer gesteuert werden, der eine Anzahl Motorbetriebsparameter überwacht. In dieser Patentschrift werden viele mit einer solchen unabhängigen Ventilsteuerung erzielbare Vorteile angeführt, sie kann diese Vorteile jedoch aufgrund ihres relativ langsam wirkenden Hydraulikprinzips nicht erzielen. Mit der patentierten Vorrichtung wird versucht, die Ventile auf Echtzeitbasis zu steuern, so daß das Gesamtsystem ein Rückkopplungssystem ist und dem zugehörigen Schwingverhalten unterliegt.
In der Literatur werden weitere Arten von flüssigkeitsgetriebenen Ventilstellgliedern vorgeschlagen, die jedoch kommerziell bisher nicht sehr erfolgreich waren, unter anderem weil die Bewegung einer großen Menge einer Hydraulikflüssigkeit durch ein Rohr oder eine Leitung von einiger Länge (genauer gesagt: lang im Vergleich zum Leitungsquerschnitt) schwierig und zeitaufwendig ist. Demnach werden Systeme mit langen Verbindungswegen auch von langen Ansprechzeiten geplagt.
Im US-Patent 4.791.895 wird zum Beispiel ein Motorventilbetätigungsmechanismus beschrieben, bei dem eine elektromagnetische Vorrichtung einen ersten Hubkolben antreibt und die Bewegung dieses Kolbens über ein Rohrpaar auf einen zweiten, den Ventilschaft direkt antreibenden Kolben übertragen wird. Dieses System verwendet das hydraulische Analog eines einfachen Hebels erster Klasse zur Übertragung einer von einem Elektromagneten erzeugten Bewegung auf das Motorventil. US-Patent 3.209.737 beschreibt ein ähnliches System, jedoch mit Betätigung durch einen rotierenden Nocken anstelle des Elektromagneten.
US-Patent 3.548.793 verwendet elektromagnetische Betätigung eines konventionellen Tauchspulenventils für die Steuerung von Hydraulikflüssigkeit zum Ausfahren oder Rückzug von Stoßstangen in einem Kipphebel-Ventilbetätigungssystem.
US-Patent 3.738.337 beschreibt eine elekrisch gesteuerte und hydraulisch angetriebene Motorventilvorrichtung mit Antrieb durch das Schmieröl des Motors.
US-Patent 4.000.756 beschreibt ein weiteres elektrohydraulisches System zur Bettigung eines Motorventils, wobei verhältnismäßig kleine hydraulische Steuer- Tellerventile von Elektromagneten gegen Flüssigkeitsdruck in geschlossener Stellung verriegelt und die Elektromagneten zur Freigabe des Flüssigkeitsstroms zum Haupt- Motorventil und zu dessen Betätigung selektiv abgeschaltet werden.
In den US-Patenten 4.614.170, 4.749.167 und 4.883.025 wird die Verwendung eines Paares einander gegenüberliegender mechanischer Federn zur Aufnahme von Energie bei der Bewegung eines Tellerventils in einer Richtung und zur anschließenden Freigabe dieser Energie zur Unterstützung des Antriebs des Ventils in der Gegenrichtung vorgeschlagen. Sowohl in letzterem Patent als auch im US-Patent 4.831.973 wird die alternative Verwendung einer pneumatischen Federvorrichtung im allgemeinen für denselben Zweck vorgeschlagen.
Im US-Patent 4.974.495 wird ein hydraulisch angetriebenes Ventilstellglied mit mechanisch federbelasteten hydraulischen Kammern zur Speicherung von Energie für anschließende Bewegungen beschrieben. In diesem bekannten Stellglied kann ein Steuerventil auf ein Steuersignal hin bewegt werden, um abwechselnd der einen Seite und dann der anderen Seite des Kraftkolbens Hochdruckflüssigkeit aus einem Hochdruckflüssigkeitsbehälter zuzuführen, wodurch der Kolben aus einer Endlage in die andere Endlage bewegt wird. Die bekannte Vorrichtung weist keine als hydraulische Federkammern fungierenden ersten und zweiten Hydraulikflüssigkeitskammern auf.
Ein elektrisch gesteuertes und hydraulisch angetriebenes Ventilstellglied der eingangs erwahnten Art für einen Verbrennungsmotor ist aus EP-A-0 508 523 bekannt, die ein älteres Prioritätsdatum als das Prioritätsdatum der vorliegenden Erfindung hat und nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Enlindung offengelegt worden ist, so daß sie aufgrund von Artikel 54 (3) und 54 (4) EPÜ zum Stand der Technik gehört.
Von den mehreren Gegenständen der vorliegenden Erfindung wird auf die Verschaffung eines sehr wirksamen, vollhydraulischen Tellerventilstellglieds; die Verschaffung eines Stellgliedkolbens von geringer Masse in einem Ventilstellglied mit einer eng damit gekoppelten Flüssigkeitsquelle; die Verschaffung einer schnellwirkenden Ventilbetätigungsvorrichtung von hohem Wirkungsgrad; und Gesamtverbesserungen an elektronisch gesteuerten und hydraulisch angetriebenen Ventilbetätigungsmechanismen hingewiesen. Diese und andere Gegenstände und vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden teilweise von selbst deutlich und teilweise in der Folge erläutert.
Hierzu enthält das elektrisch gesteuerte und hydraulisch angetriebene Ventilstellglied für Verbrennungsmotoren ein Ventil mit zwei Betriebslagen und drei Funktionen, das in eine Betriebslage zur Zusteuerung von Hochdruckhydraulikflüssigkeit aus der Quelle zu obiger anderen Kolbenfläche und zur Verbindung obiger zweiter Federkammer mit dem Niederdruckrücklauf und in die andere Betriebslage zur Unterbrechung der Verbindung zwischen der Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle und obiger anderen Kolbenfläche, zur Unterbrechung der Verbindung zwischen obiger zweiten Federkammer und dem Niederdruckrücklauf und anschließend zur Verbindung dieser zweiten Federkammer mit dieser anderen Kolbenfläche zu deren Druckentlastung gebracht werden kann, wobei obige erste Federkammer Hydraulikflüssigkeit von relativ hohem Druck enthält und bei Bewegung des Ventils mit zwei Betriebslagen aus obiger einen Lage in die andere Lage in Flüssigkeitsverbindung mit dieser einen Kolbenfläche steht und dabei den Kolben aus einer Lage in eine andere antreibt. Zur Verschaffüng der Hauptquelle für Bewegungsenergie zum Öffnen und Schließen eines Tellerventils verwendet das Stellglied nach vorliegender Erfindung zwei hydraulische Flüssigkeitsfederkammern. Die vorliegende Erfindung erreicht neue, höhere Wirkungsgrade durch die Verwendung dieser hydraulischen Federn als vorgespannte Vorrichtungen zum Antrieb eines Tellerventils hin und her zwischen seiner normalen Schließlage und seiner voll geöffneten Lage. Der hohe Wirkungsgrad wird durch Einfangen der Energie des vorigen Hubs zur Nutzung für den nächsten Hub bewirkt. Der Stellgliedkolben wird zu Beginn durch von außen zugeführte Hochdruckhydraulikflüssigkeit in eine erste Lage unter Federspannung angetrieben. Die erste Feder weist eine Kammer mit zur Ausübung einer Antriebskraft auf den Stellgliedkolben komprimierter Flüssigkeit auf. An einer Gegenfläche des Kolbens oder in einer Gegenrichtung ist ein wiederum noch höherer Druck wirksam, um den Stellgliedkolben in einer verriegelten Schließlage zu halten. Zur Lösung der Verriegelung, so daß die erste Feder das Tellerventil öffnen kann, muß die Gegenfläche des Kolbens von diesem höheren Flüssigkeitsdruck entlastet werden. Hierzu wird ein Steuerventil schnell geöffnet, um die Flüssigkeit vor dem vorrückenden Kolben in eine zweite Kammer pumpen zu können. Diese zweite Kammer wirkt anschließend als die zweite Feder zum Antrieb des Kolbens zurück in seine Ausgangslage.
Die Entlastung vom Verriegelungsdruck und Abfuhr der Flüssigkeit in die zweite Federkammer wird durch ein Dreiwegeventil bewirkt. Dieses Ventil verschafft einen direkten Weg zum Wegpumpen der Flüssigkeit vor dem Kolben in die zweite Kammer. Weiter unterbricht das Ventil unabhängig hiervon die Verbindung zwischen der Hochdruckflüssigkeit und der Vorderseite des Stellgliedkolbens und schließt einen Ausgang von der zweiten Federkammer zur Saugseite der Pumpe. Um das Stellglied aus einem verriegelten Ausgangszustand in seinen Hubzustand zu versetzen, müssen vom Dreiwegeventil alle diese Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden.
Beim weiteren Hub des Stellgliedkolbens in seine Öffnungslage steigt der Druck in der zweiten Flüssigkeitskammer an und bremst den Kolben ab. Schließlich kommt der Kolben zum Stillstand und würde zum Rückprall neigen; eine Flüssigkeits verriegelung verhindert jedoch jede Rückbewegung, bis ein Rücklaufventil zur Freigabe eines offenen Rückströmwegs in die erste Federkammer betätigt wird. Dieser offene Weg löst die Rücklaufsperre und ermöglicht die Kompression der Flüssigkeit in die erste Kammer zur Kompression der ersten Flüssigkeitsfeder für den Kolben. Während des Rückhubs des Stellgliedkolbens wird das Dreiwegeventil zurückgestellt. Diese Rückstellung ist zeitlich so gesteuert, daß folgende drei Vorgänge stattfinden. 1) Die Hochdruckflüssigkeit setzt den Kolben wieder unter Druck, um das "Aufpumpen" der ersten Flüssigkeitskammer durch den Kolben und die Einwirkung eines ausreichenden Überdrucks auf das Tellerventil zur Gewährleistung einer einwandfreien Sitzanlage zu bewirken. 2) Die Verbindung zwischen der zweiten Flüssigkeitsfederkammer und dem Kolbenraum wird unterbrochen. 3) Ein Ausgang aus der Niederdruckseite der Hydraulikpumpe wird zur zweiten Flüssigkeitsfederkammer geöffnet, um zu gewährleisten, daß der Druck in dieser Kammer zur Saugseite der Pumpe geeicht wird.
Eine besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Stellgliedkolben von geringer Masse und die Ventilanordnung, die sowohl zu einer hohen Betriebsgeschwindigkeit als auch zu einem hohen Wirkungsgrad führt.
Ein weiteres besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ihre strukterell kompakte Konstruktion mit sehr nahe beim Arbeitskolben angeordneten hydraulischen Federkammern, wodurch beim Flüssigkeitswechsel kürzeste Flüssigkeitsreibungswege verschafft werden.
Ein elektrisch gesteuertes und hydraulisch angetriebenes Ventilstellglied für Verbrennungsmotoren weist im allgemeinen ein Ventilstellgliedgehäuse und einen darin hin- und herbeweglichen Kraftkolben mit einem Paar einander entgegengesetzten Arbeitsflächen zur Aufnahme von hydraulischem Flüssigkeitsdruck zur Hin- und Herbewegung des Kolbens entlang einer Achse im Innern des Gehäuses auf. Im Innern des Gehäuses befindet sich ein Paar Flüssigkeitskammern oder Hohlräume mit im wesentlichen gleichem, verhältnismäßig festem Volumen, wobei eine Federkammer während des Kolbenhubs in einer Richtung entlang der Achse einer Kolbenfläche Druckflüssigkeit zuführt und die zweite Federkammer von der anderen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit erhält. Bei Umkehr des Kolbenhubs kehren sich die Rollen der Kammern um und die zweite Federkammer führt der anderen Kolbenfläche während des Kolbenhubs in der Gegenrichtung entlang der Achse Druckflüssigkeit zu und die erste Kammer erhält von der einen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit. So nimmt abwechselnd der Druck in einer Kammer während des Kolbenhubs in einer Richtung zu, wobei der Druck in der anderen Kammer abnimmt, und dann nimmt der Druck in der anderen Kammer während des Rückhubs zu, wobei der Druck in der einen Kammer abnimmt. Ein Ventil mit zwei Betriebslagen und drei Funktionen kann in eine Betriebslage zur Zufuhr von Hochdruckhydraulikflüssigkeit aus einer Quelle zu einer Kolbenfläche und zur Verbindung einer Kammer mit einem hydraulischen Niederdruckab- oder -rücklauf gebracht werden. In der anderen dieser Betriebslagen unterbricht dieses Ventil die Verbindung zwischen der Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle und der einen Kolbenfläche und unterbricht gleichfalls die Verbindung zwischen der einen Kammer und dem Niederdruckrücklauf. Anschließend verbindet das Ventil die eine Kammer mit der einen Kolbenfläche zu deren Druckentlastung. Die andere Kammer enthält Hydraulikflüssigkeit von relativ hohem Druck, steht bei Bewegung des Ventils mit zwei Betriebslagen aus einer Lage in die andere in Flüssigkeitsverbindung mit der anderen Kolbenfläche und treibt den Kolben aus einer Lage in eine andere an.
Gleichfalls im allgemeinen und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein hydraulisch betätigter Umsetzer zum Beispiel zum Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors ein Umsetzergehäuse mit einem entlang einer Achse im Innern des Gehäuses hin- und herbeweglichem Glied auf. Das Glied weist zwei einander entgegengesetzte primäre Arbeitsflächen zur Aufnahme von hydraulischem Flüssigkeitsdruck zur Hin- und Herbewegung des Glieds entlang der Achse auf. Ein erstes Hydraulikflüssigkeitssteuerventil steuert einer Arbeitsfläche Quellendruck zu, um das Glied in einer seiner Endlagen entlang der Achse festzuhalten. Dieses Steuerventil wird selektiv betätigt, um diese eine Arbeitsfläche vom Hochdruck zu entlasten und der anderen primären Arbeitsfläche einen Strom von Hochdruckhydraulikflüssigkeit zum Antrieb des Glieds aus dieser einen Endlage in die anderen zuzusteuern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht eines Stellglieds in seiner Ausgangslage bzw. in Schließlage des Tellerventils;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Dreiwegeventils in einem Betriebszustand;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Dreiwegeventils von Fig. 2 in einem zweiten Betriebszustand;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Stellglieds von Fig. 1, jedoch mit dem Kolben in der Mitte seines Hubs zwischen Ventilöffnungs- und -schließlage;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Stellglieds von Fig. 1 und 4, jedoch mit dem Kolben an seinem entgegengesetzten Hubende in Ventilöffnungslage;
Fig. 6 ist eine Darstellung eines vollständigen Tellerventilbewegungszyklus' als Zeitfunktion mit darin den Betriebszuständen mehrerer Ventile,
Fig. 7 ist eine Teilschnitt-Draufsicht des Stellglieds von Fig. 1, 4 und 5.
Übereinstimmende Teile haben überall in der Zeichnung die gleichen Bezugszeichen.
Die hierin gegebenen Beispiele zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer einzigen Form der Erfindung, und solche Beispiele dürfen weder als Eingrenzung des Geltungsbereichs der Beschreibung noch des Geltungsbereichs der Erfindung auf irgendwelche Weise ausgelegt werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Der Stellgliedmechanismus weist zwei angetriebene Hauptventile 4 und 5 auf, die die Hauptverbindung zwischen dem Laufzylinder des Kolbens 6 und Federkammern 2 und 3 bilden. Weiter sind drei Einweg-Kugelventile oder Rückschlagventile 7, 8 und 9 vorhanden. In Fig. 1 nimmt der Kraftkolben 6 seine obere Endlage bzw. Tellerventilschließlage mit fest an seinem Sitz 16 anliegendem Tellerventil 15 ein. Das Tellerventil 16 weist einen fest mit dem Kolben 6 verbundenen Ventilschaft 1 auf. Der Kolben 6 ist mit einer Dichtung 41 versehen und der Ventilschaft ist in einer Führung 39 hin und her beweglich. In der Ventilschließlage nimmt das Dreiwegeventil 5 die Lage nach Darstellung in Fig. 2 ein, wobei die Flüssigkeitsfederkammer 3 direkt mit der Niederdruckleitung 13 und deren zum Beispiel auf 3500 kPa (500 psi) eingestellten Druck verbunden ist. Die Niederdruckleitung 13 ist mit der Niederdruckseite der Hydraulikpumpe verbunden. Die Hochdruckseite der Hydraulikpumpe ist mit Leitung 12 und Kammer 11 verbunden, die demnach unter einem Druck zum Beispiel von 21 000 kPa (3000 psi) stehen. Gleichzeitig wird Kammer 2 unter einem Druck von 17 500 kPa (2500 psi) gehalten, der über das Einwegventil 7 der Kammer 10 und der Oberseite des Kolbens 6 zugesteuert wird. Der an seiner Unterseite herrschende Wirkdruck zum Anpressen an den Sitz drückt den Kolben 6 nach oben in seine Endlage und hält das Tellerventil fest auf seinem Sitz. Das Stellglied ist jetzt gespannt und für die Ventilbettigung durch Freigabe des Drucks von 21 000 kPa (3000 psi) auf die Unterseite des Kolbens 6 bereit.
Das Dreiwegeventil 5 wirkt auf alle sich diametral gegenüberliegenden Leitungen des Verbinderblocks. In der Lage nach Darstellung in Fig. 2 führt ein geöffnetes, sich diametral gegenüberliegendes Paar der Unterseite von Kolben 6 Hochdruck zu. Dies wird als V&sub3; geöffnet bezeichnet. Ein weiteres Paar (in der Folge V&sub4; genannt) verbindet Kammer 3 mit dem Niederdruckrücklauf. In der Lage nach Darstellung in Fig. 3 sind diese Paare geschlossen, die Kammer 3 steht jedoch über V&sub2; mit Kammer 11 und der Unterseite des Kraftkolbens 6 in Verbindung. In Fig. 2 sind V&sub3; und V&sub4; in geöffnetem und V&sub2; in geschlossenem Zustand dargestellt, während Fig. 3 V&sub3; und V&sub4; in geschlossenem und V&sub2; in geöffnetem Zustand zeigt.
Aufgrund des Steuersignals geht das Dreiwegeventil 5 aus seinem Zustand nach Fig. 2 in seinen Zustand nach Fig 3 über, wodurch V&sub3; geschlossen und die Zusteuerung von Hochduuck zur Kammer 11 verhindert, die Federkammer 3 durch Öffnen von V&sub2; zum Kolbenlaufzylinder 11 geöffnet und die Federkammer 3 durch Schließen von V&sub4; zur Leitung 13 von 3500 kPa (500 psi) geschlossen wird. Bei mit Federkammer 3 verbundener Kammer 11 pumpt der unter Antrieb durch den Druck von 17 500 kPa (2500 psi) vorrückende Kolben 6 die Flüssigkeit in Kammer 11 in die Federkammer 3 und setzt diese unter einen Druck von ca. 17 500 kPa (250 psi). Es wird darauf hingewiesen, daß beim Öffnen von V&sub2; zur Kammer 11 anfangs eine leichte Druckangleichung erfolgt, wobei die 21 000 kPa (3000 Psi) in der verhältnismäßig kleinen Kammer 11 einen leichten Druckanstieg in Kammer 3 bewirken. Das Dreiwegeventil 5 ist jedoch so ausgeführt, daß die 21 000 kPa-Zuleitung 12 (3000 psi) zur Kammer 11 geschlossen wird, bevor es den Durchgang zwischen Kammer 11 und Federkammer 3 öffnet. Dadurch wird die Druckzufuhr direkt aus der Hochdruckquelle zur Federkammer 3 verhindert.
Die Hochdruckseite der Hydraulikpumpe ist mit Leitung 12 und die Niederdruckseite mit 13 verbunden. Auch die Kammer 22 wird durch Anschluß an die Niederdruckseite der Hydraulikpumpe auf 3500 kPa (500 psi) gehalten. Um sicherzustellen, daß der Druck in Kammer 2 nie unter 3500 kPa (500 psi) abfällt und eine kontinuierliche Eichung bewirkt, so daß die Federvorspannung in Kammer 2 konstantgehalten wird, ist Kammer 22 über ein Einweg-Kugelventil 8 mit Kammer 2 verbunden.
In Fig. 4 nimmt das Tellerventil 15 eine Lage halbwegs zwischen seiner Schließlage und seiner voll geöffneten Lage ein und bewegt sich das Stellglied ungefähr mit seiner höchsten Geschwindigkeit. Zu diesem Zeitpunkt hat sich der Druck in Kammer 2 auf ca. 10 500 kPa (1500 psi) verringert, da dieser die Energie zur Aufladung der Federkammer 3 liefert. Auch nimmt der Druck in Federkammer 3 zu und beginnt den Kraftkolben 6 während seines weiteren Hubs zur Vollendung der Aufladung von Federkammer 3 abzubremsen.
In Fig. 5 hat der Stellgliedkolben 6 seine untere Endlage erreicht und ist das Tellerventil voll geöffnet. In dieser Lage ist die Federkammer 3 durch den vorrückenden Kolben 6 voll auf ca. 17 500 kPa (2500 psi) geladen. Wenn der vorrückende Kolben 6 zum Stillstand kommt, wird seine Rückprallneigung durch eine vom Kugelventil 7, das den Rückstrom aus Kammer 10 in die Federkammer 2 verhindert, bewirkte automatische hydraulische Verriegelungsfunktion blockiert. Das Stellglied befindet sich jetzt in einem stabilen Ruhezustand, wobei die volle Kraft der Druckflüssigkeit in Federkammer 3 über das Einwegventil 9 an der Unterseite von Kolben 6 wirksam ist. Jetzt steht fast alle in die Federkammer 3 gepumpte Energie für den Rückhub des Stellglieds in seine Ventilschließlage zur Verfügung.
Zur Einleitung des Rückhubs in die Schließlage wird die Flüssigkeitsverriegelung, die den Rückstrom der Flüssigkeit aus Kammer 10 in die Federkammer 2 verhindert hatte, auf ein Steuersignal hin durch schnelles Öffnen des Ventils 4 zum schnellen Ausströmen der Flüssigkeit aus Kammer 10 und Rückstrom in die Federkammer 2 freigegeben. Ventil 4 kann ähnlich wie Ventil 5 konstruiert sein, es steuert jedoch nur eine einzige Leitung. Während des Rückhubs nimmt das Stellglied wiederum die Mittellage nach Darstellung in Fig. 4 ein. Die Arbeit der sich ausdehnenden Flüssigkeit aus Federkammer 3 zum Antrieb des Kolbens 6 hat die Federkammer 2 in dieser Mittellage unter einen Druck von ca. 10 500 kPa (1500 psi) gesezt. Eine kurze Zeit später wird das Dreiwegeventil 5 in seine Ausgangslage (nach Fig. 2) zurückgestellt. Dieses Ventil wird zurückgestellt, um durch Vordruckaufbau mittels Einsteuerung von 21 000 kPa (3000 psi) aus der Hochdruckquelle 12 über V&sub3; in Kammer 11 zusätzliche Energie zuführen zu können. Diese Zufuhr von zusätzlicher Energie muß zum genau richtigen Zeitpunkt erfolgen, um zu gewährleisten, daß dem Kolben 6 genug Verstärkungsenergie zum Ausgleich der Auswirkungen von Flüssigkeits oder mechanischer Reibung und zur Aufrechterhaltung eines sanften Abbrems- und Anschlagvorgangs des Tellerventils 15 in seinem Sitz 16 zugeführt wird. Ganz kurz bevor Kammer 11 unter Druck gesetzt wird, schließt sich das Ventil V&sub2; und unterbricht die Verbindung zwischen Kammer 11 und Federkammer 3, um den Druckaufbau in dieser zu verhindern, und das Ventil V&sub4; öffnet sich, um den Druck in Federkammer 3 wieder auf 3500 kPa (500 psi) zu stellen.
Das Stellglied ist jetzt in die Lage nach Fig. 1 zurückgekehrt und hat die Flüssigkeitsfederkammer 2 auf 17 500 kPa (2500 psi) vorkomprimiert, wobei in Kammer 11 ein Druck von 21 000 kPa (3000 psi) herrscht, und das Stellglied bleibt in dieser Lage, in der es das Tellerventil gegen seinen Sitz 16 gescmossen hält, bis es ein weiteres Steuersignal erhält.
Nach Darstellung in Fig. 7 weist ein Elektromagnet 23 einen mit dem Schieberventil 5 verbundenen und dieses betätigenden Schaft 25 auf. Der Elektromagnet 27 betätigt auf ähnliche Weise das Ventil 4. Wie durch Pfeil 29 angegeben wird der Zufuhrleitung 12 Hochdruckflüssigkeit aus der Hydraulikpumpe zugeführt, und wie durch Pfeil 30 angegeben verschafft Leitung 13 eine Niederdruckrückfuhr zur Pumpe. Auch sind zwei Montagebohrungen 33 und 36 zur Aufnahme von Montageschrauben wie 37 nach Darstellung in Fig. 1, 4 und 5 dargestellt.
Fig. 6 ist ein Grunddiagramm der Ventilsteuerung mit den Zeiten, zu denen die Ventile 4 und 5 im Hinblick auf das Öffnen und Schließen des Tellerventils öffnen und schließen müssen. Die Linie 17 stellt die Bewegung des Tellerventils bei während des unteren Abschnitts 18 seines Bewegungsprofils geschlossenem und während des oberen Abschnitts 19 geöffnetem Ventil dar. Während der Schließzeit des Tellerventils sind V&sub3; und V&sub4; beide geöffnet und V&sub2; geschlossen (im Zustand nach Fig. 2). Das Öffnen des Tellerventils wird bei der senkrechten Linie 20 eingeleitet, wobei das Ventil 5 aus seinem Zustand nach Fig. 2 in seinen Zustand nach Fig. 3 übergeht, worauf sich das Tellerventil schnell öffnet und geöffnet bleibt, bis Ventil 4 (V&sub1;) geöffnet wird, wodurch sich das Tellerventil wieder schließen kann. Bei der senkrechten Linie 21, nachdem das Tellerventil seine halb geöffnete Lage gerade durchlaufen hat, wird Ventil 5 in seinen Zustand nach Fig. 2 zurückgestellt. Kurze Zeit später, nachdem feststeht, daß sich das Tellerventil geschlossen hat, wird Ventil 4 (V&sub1;) zur Vorbereitung der Federkammer 2 für den nächsten Hub wieder geschlossen.

Bildinschrift:

FIG. 6:

CLOSED = geschlossen
OPEN = geöffnet
VALVE UNSEATED = Ventil vom Sitz abgehoben
VALVE SEATED = Ventil am Sitz anliegend

Claims

1. Elektrisch gesteuertes und hydraulisch angetriebenes Ventilstellglied für Verbrennungsmotoren mit:

einem Stellgliedgehäuse;

einem Kraftkolben (6) mit zwei einander entgegengesetzten Arbeitsflächen zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeitsdruck zur Hin- und Herbewegung des Kolbens (6) entlang einer Achse innerhalb des Gehäuses;

ersten und zweiten hydraulischen Flüssigkeitsfederkammern (2, 3) mit zwei Hohlräumen (2, 3) mit im wesentlichen gleichem, verhältnismäßig festem Volumen im Innern des Gehäuses, wobei die erste Federkammer (2) einer Kolbenfläche Druckflüssigkeit zuführt und die zweite Federkammer (3) bei der Bewegung des Kolbens (6) in einer Richtung entlang der Achse von der anderen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit aufnimmt, während die zweite Federkammer (3) der anderen Kolbenfläche Druckflüssigkeit zuführt und die erste Federkammer (2) bei der Bewegung des Kolbens (6) in der Gegenrichtung entlang der Achse von der einen Kolbenfläche verdrängte Flüssigkeit aufnimmt;

einer Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle (12) und einem Niederdruckhydraulikflüssigkeitsrücklauf (13, 22) und

einem Ventil (5) mit zwei Betriebslagen und drei Funktionen, das in eine Betriebslage zur Zusteuerung von Hochdruckhydraulikflüssigkeit aus der Quelle (12) zu obiger anderen Kolbenfläche und zur Verbindung obiger zweiter Federkammer (3) mit dem Niederdruckrücklauf (13) und in die andere Betriebslage zur Unterbrechung der Verbindung zwischen der Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle (12) und obiger anderen Kolbenfläche, zur Unterbrechung der Verbindung zwischen obiger zweiten Federkammer (3) und dem Niederdruckrücklauf (13) und anschließend zur Verbindung dieser zweiten Federkammer (3) mit dieser anderen Kolbenfläche zu deren Druckentlastung gebracht werden kann, wobei

obige erste Federkammer (2) Hydraulikflüssigkeit von relativ hohem Druck enthält und bei Bewegung des Ventils (5) mit zwei Betriebslagen aus obiger einen Lage in die andere Lage in Flussigkeitsverbindung mit dieser einen Kolbenfläche steht und dabei den Kolben (6) aus einer Lage in eine andere antreibt.

2. Verbrennungsmotor mit jedem Tellerventil des Motors zugeordnetem, elektrisch gesteuertem und hydraulisch angetriebenem Ventilstellglied nach Anspruch 1.