DE69508727T2

DE69508727T2 - Elektrisches Stellglied für Schieberventilsteuerung eines elektro-hydraulischen Ventiltriebs

Info

Publication number: DE69508727T2
Application number: DE69508727T
Authority: DE
Inventors: John Saline Michigan 48176 Miller; Ross Birmingham Michigan 48009 Stuntz
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1995-01-06
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: CA2165860A1; EP0721057A1; US5456223A; EP0721057B1; DE69508727D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für einen Verbrennungsmotor.
Bezug genommen wird auf die U.S.-Patente mit den Seriennummern 5375419; 5373817; 5419301; 5410994; 5404844; 5456222; 5497736 und 5456221.
Bezug genommen wird ebenfalls auf die europäische Patentanmeldung 391507A1, die ein hydraulisches Ventilsystem betrifft, das zum Antrieb eines Einlass- oder eines Auslassventils in einem Dieselmotor oder dergleichen benutzt werden soll. In dem System wird als Stellglied ein Kolben benutzt, der mit einem Kolben mit grossem Durchmesser und einem Kolben mit kleinem Durchmesser versehen ist. Im Takt der das Ventil öffnet, wird bewerkstelligt, dass der hydraulische Druck an beide, das heisst, an den Kolben mit dem grossen und an den mit dem kleinen Durchmesser als eine erste Stufe angewendet wird und der hydraulische Druck wird nur an den Kolben mit dem kleinen Durchmesser als eine zweite Stufe angewendet. Ausserdem wird in dem Takt der das Ventil schliesst, das Ventil von einer Feder betätigt und die Geschwindigkeit des Schliessens des Ventils wird von einer zweistufigen Dämpfungsaktion geschlossen.
Die weit verbreitete Verwendung und die Zuverlässigkeit von Mikroprozessor-Steuersystemen für Kraftfahrzeuge und das grössere Vertrauen in Hydraulik im Gegensatz zu mechanischen Systemen ist im Begriff einen wesentlichen Fortschritt im Design von Motorsystemen zu ermöglichen. Ein derartiges elektrohydraulisches System besteht in einer Steuerung von Einlass- und Auslassventilen für Motore. Verbesserte Leistungen des Motors, die erreichbar sind, weil Einstellung, Dauer, Anheben und andere Parameter der Bewegung der Einlass- und Auslassventile eines Motors variieren können, sind im Fachwissen bekannt. Deshalb kann man sich auf verschiedene Betriebsvoraussetzungen des Motors durch unabhängige Steuerung der Motorventile stützen, um die Leistung des Motors zu optimieren. Alle diese Faktoren ermöglichen eine beachtlich grössere Flexibilität hinsichtlich der Steuerung der Motorventile, als es mit herkömmlichen nockenangetriebenen Ventilmechanismen möglich ist.
Ein derartiges System wird im U.S.-Patent A 5 255 641 erörtert, in dem zwei Magnetventile pro Motorventil verwendet werden, das eine ist an eine Hochdruck-Fluidquelle und das andere an eine Niedrigdruck- Fluidquelle angeschlossen. Ihre Verwendung dient zur Steuerung des Öffnens und Schliessens des Motorventils. Obgleich diese Anordnung korrekt funktioniert, kann die Anzahl der für den Motor erforderlichen Magnetventile gross sein. Dies bewahrheitet sich besonders für Motore des Multiventiltyps, die vier oder fünf Ventile pro Zylinder und sechs oder acht Zylinder haben können. Folglich ist es wünschenswert, die Anzahl der benötigten Ventile zu reduzieren, um die Kosten und die Kompliziertheit des Systems zu verringern. Wenn jedes Paar Magnetventile durch ein einziges Stellglied ersetzt wird, dann wird die Anzahl der Ventile auf die Hälfte reduziert.
Dieses gleiche Patent erörtert auch die Verwendung von Drehverteilern zur Reduzierung der Anzahl der Magnetventile, die pro Motor erforderlich sind, aber verwendet dann ein zusätzliches Bauteil, das im Verhältnis zur Kurbelwelle rotiert, um die Drehverteiler korrekt einzustellen. Diese Verbindung mit der Kurbelwelle kann den Vorteil eines nockenlosen Ventilmechanismus etwas vermindern und kann daher nicht ideal sein. Ausserdem wird in dem System noch ein separates Magnetventil für die Hochdruck- und Niedrigdruckquellen des hydraulischen Fluids verwendet. Daher besteht der Wunsch, die Anzahl der Ventile, die die Hochdruck- und Niedrigdruckquelle des Fluids des hydraulischen Systems steuern, noch weiter zu reduzieren.
Ein Spulenventil kann zwei Magnetventile ersetzen, um, das Anheben des Motorventils zu steuern. Ein Stellgliedmechanismus ist dann erforderlich, um das Spulenventil zu betätigen. Das Stellglied muss eine schnelle Ansprechzeit haben und es muss klein und leicht sein, um bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen funktionieren zu können und sein Drehmoment muss ausreichen, um den Motor zu starten, wenn er kalt ist, wenn das hydraulische Fluid sehr zähflüssig ist und die Spannung niedrig sein kann. Dies trifft besonders zu, weil der Spulenventilkörper kleine Toleranzen haben wird, um das Lecken des hydraulischen Fluids zu vermeiden, das hohe Reibungszugkräfte hervorruft.
Nach der vorliegenden Erfindung bieten wir ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für einen Verbrennungsmotor an, wobei das System enthält:
ein hydraulisches Hochdruck-Abzweigstück und ein hydraulisches Niedrigdruck-Abzweigstück mit jeweils einer Hochdruck-Fluidquelle und einer Niedrigdruck-Fluidquelle;
ein Zylinderkopfglied, das ausgelegt ist, um am Motor befestigt zu werden und das eine eingeschlossene Zylinderbohrung und eine Kammer enthält;
ein Motorventil, das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der Zylinderkopfbohrung und der Kammer verstellt werden kann;
ein hydraulisches Stellglied mit einem Ventilkolben, der mit dem Motorventil verbunden ist und der innerhalb der eingeschlossenen Kammer umkehrbar ist, wodurch ein erster und ein zweiter Hohlraum gebildet wird, deren Hubraum variiert, wenn sich das Motorventil bewegt;
dadurch gekennzeichnet dass es ausserdem eine Spulenventilvorrichtung enthält, die an dem Zylinderkopfglied montiert ist, das einen daran befestigten Ventilkörper enthält, wobei der Ventilkörper einen ringförmigen Kanal enthält;
wobei das Zylinderkopfglied eine Öffnung enthält, um wahlweise das Hochdruck-Abzweigstück und das Niedrigdruck-Abzweigstück mit dem Kanal zu verbinden und um den ringförmigen Kanal mit dem ersten Hohlraum zu verbinden, wobei das Zylinderkopfglied ausserdem eine Hochdruckleitung enthält, die sich zwischen dem ersten Hohlraum und dem Hochdruck-Abzweigstück erstreckt;
ein einphasiger Motor mit vier Polen zur Steuerung der linearen Bewegung und der Stellung des Spulenventils, das bei einer teilweisen Umdrehung funktioniert und ein Mittel, um den Spulenventilkörper gemeinsam einzurücken, so dass die Rotation des Motors in einer Richtung verursachen wird, dass sich das Spulenventil in eine erste Richtung bewegt und die Rotation der Welle in der entgegengesetzten Richtung wird verursachen, dass sich das Spulenventil in eine entgegengesetzte Richtung zur ersten Richtung bewegt, um den ersten Hohlraum wahlweise mit dem Hochdruck-Abzweigstück und dem Niedrigdruck-Abzweigstück zu verbinden und
eine elektronische Schaltung die an den Motor angeschlossen ist, um wahlweise den Motor im eingestellten Verhältnis zu aktivieren und zu entaktivieren, wobei der Motor, der die besagte elektronische Schaltung betätigt, eine H-Brücke enthält, mit einem Satz von vier Transistoren, die elektrisch an den Motor angeschlossen sind und einen Regler, der elektrisch an die vier Transistoren angeschlossen ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem mit reduziertem Kostenaufwand und geringerer Kompliziertheit bietet, indem der Bedarf von zwei Magnetventilen pro Motorventil ausgeschlossen wird und indem ein Spulenventil verwendet wird, das von einem einphasigen elektrischen Motor angetrieben wird, der bei einer teilweisen Umdrehung funktioniert, um ein Motorventil in einem hydraulischen System zu steuern, in dem der Motor klein und leicht ist, aber dennoch eine schnelle Ansprechzeit und ein ausreichendes Drehmoment für alle Betriebsvoraussetzungen des Motors hat. Dies bedeutet eine Verbesserung wegen einer genaueren Ventilsteuerung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Rückgewinnung eines Teils der elektrischen Energie die benutzt wurde, um den Motor während der Betätigung des Spulenventils zu beschleunigen.
Die Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, von denen:
Fig. 1 ein Schema ist, das ein einziges Motorventil eines Ventilmechanismus eines Motors und ein elektrohydraulisches System zur wahlweisen Zulieferung von hydraulischem Fluid an das Motorventil darstellt;
Fig. 2 eine Seitenansicht in vergrössertem Masstab eines Spulenventils und eines Motorblocks ist;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Motor-Gewindewelle ist, die einen Motor an ein Spulenventil koppelt;
Fig. 4 ein an der Linie 4-4 der Fig. 2 entlang genommener Querschnitt ist, der den Vierpolmotor mit dem Ringmagnetrotor auf der Gewindewelle darstellt;
Fig. 5 eine Kurve des Drehmomentprofils des einphasigen Motors ist;
Fig. 6 ein Schema eines elektrischen Schaltplans für die Steuerung des Motors ist;
Fig. 7 ein Schema eines elektrischen Schaltplans ist, der dem der Fig. 6 gleicht, der eine alternative Auslegung darstellt und
Die Fig. 8A-8J graphische Darstellungen sind, die eine typische verhältnismässige Einstellung zwischen dem Motorventil-Anhebeprofil und dem Spulenventiltakt, der Spulenventilgeschwindigkeit, der Spulenventil-Beschleunigung, dem Kurbelwinkelsignal und den Steuersignalen zu den fünf Transistorschaltern darstellen.
Ein hydraulisches System 9 für die Steuerung eines Ventilmechanismus in einem Verbrennungsmotor, der an eine einzige elektrohydraulische Motorventilvorrichtung 10 des elektrohydraulischen Ventilmechanismus angeschlossen ist, wird dargestellt. Ein elektrohydraulischer Ventilmechanismus wird im U.S.-Patent 5 255 641 erörtert, das an Schechter, den Anmelder dieser Erfindung erteilt wurde.
Ein Motorventil 12 für Lufteinlass oder -auslass, je nach dem Fall, ist in einer Hülse 13 in einem Zylinderkopf 14 angebracht, der ein Bauteil des Motors 11 ist. Ein Ventilkolben 16, der am Ende des Motorventils 12 befestigt ist, kann innerhalb der Grenzen der Kolbenkammer 18 gleiten.
Hydraulischer Fluid wird wahlweise bis zu einem Volumen 20 über dem Kolben 16 durch eine obere Öffnung 30 geliefert, die an ein Spulenventil 34 über eine hydraulische Leitung 32 angeschlossen ist. Das Volumen 20 ist auch wahlweise mit einem Hochdruck-Fluidreservoir 22 durch ein Hochdruck-Rückschlagventil 36 über Hochdruckleitungen 26 oder mit einem Niedrigdruck-Fluidreservoir 24 über Niedrigdruckleitungen 28 durch ein Niedrigdruck-Rückschlagventil 40 verbunden. Ein Volumen 42 unter dem Kolben 16 ist immer mit dem Hochdruckreservoir 22 über die Hochdruckleitung 26 verbunden. Die Druckflächenzone über dem Kolben 16 im Volumen 20 ist grösser als die Druckzone unter ihm, im Volumen 42.
Um das Schliessen und Öffnen des Ventils durchzuführen, muss ein vorbestimmter Hochdruck in den Hochdruckleitungen 26 und ein vorbestimmter Niedrigdruck in den Niedrigdruckleitungen 28 beibehalten werden. Zum Beispiel könnte der typische Hochdruck bei 62,0 · 10&sup5; Nm&supmin;² (900 psi) liegen und der typische Niedrigdruck könnte bei 41,4 · 10&sup5; Nm&supmin;² (600 psi) liegen. Das bevorzugte hydraulische Fluid ist Öl, aber andere Fluide als Öl können benutzt werden
Hochdruckleitungen 26 verbinden das Hochdruck-Fluidreservoir 22, um ein Hochdruck-Abzweigstück 68 des hydraulischen Systems 9 zu bilden. Eine Hochdruckpumpe 50 liefert unter Druck gesetztes Fluid an das Hochdruck-Abzweigstück 68 und lädt das Hochdruckreservoir 22. Die Pumpe 50 ist vorzugsweise vom Typ mit verstellbarem Hubraum, die automatisch ihre Leistung angleicht, um den erforderlichen Druck im Hochdruckreservoir 22 beizubehalten, ungeachtet der Veränderungen im Verbrauch und sie kann elektrisch oder durch einen Motor angetrieben werden.
Die Niedrigdruckleitungen 28 verbinden mit dem Niedrigdruck- Fluidreservoir 24, um ein Niedrigdruck-Abzweigstück 70 des hydraulischen Systems 8 zu bilden. Ein Rückschlagventil 58 verbindet mit dem Niedrigdruckreservoir 24 und ist derartig angebracht, dass es gewährleistet dass die Pumpe 50 keinen Druckschwankungen ausgesetzt wird, die im Niedrigdruckreservoir 24 während des Öffnens und Schliessens des Motorventils auftreten. Das Rückschlagventil 58 ermöglicht dem Fluid nicht in das Niedrigdruckreservoir 24 zu fliessen und es ermöglicht dem Fluid nur in die entgegengesetzte Richtung zu fliessen, wenn eine vorbestimmte Grössenordnung von Fluiddruck im Niedrigdruckreservoir 24 erreicht worden ist. Das Fluid kann vom Niedrigdruckreservoir 24 direkt zum Einlass zur Pumpe 50 durch das Rückschlagventil 58 zurückfliessen.
Die Nutz-Fluidströmung vom Hochdruckreservoir 22 durch das Motorventil 12 in das Niedrigdruckreservoir 24 bestimmt weitgehend den Verlust an hydraulischer Energie im System 8. Der Ventilmechanismus verbraucht Öl vom Hochdruckreservoir 22 und der grösste Teil davon wird an das Niedrigdruckreservoir 24 zurückgeleitet. Ein unwesentlicher zusätzlicher Verlust wird durch Lecken durch den Zwischenraum zwischen dem Ventil 12 und seiner Hülse 13 verursacht. Eine Fluid-Rückführleitung 44, die mit einem Leckdurchgang 52 verbunden ist, liefert eine Bahn zur Rückführung jeglichen Fluids das leckt in eine Ölwanne 46.
Die Grössenordnung des Drucks am Einlass zur Hochdruckpumpe 50 wird durch eine Niedrigdruckpumpe 54 und ihren dazugehörenden Druckregler 56 bestimmt, der eine kleine Menge Öl zum Einlass der Hochdruckpumpe 50 liefert, um das Lecken durch den Leckdurchgang 52 auszugleichen.
Um die Zulieferung von Hochdruck- und Niedrigdruck-Fluid an das Volumen 20 über dem Kolben 16 zu steuern, wird das hydraulische Spulenventil 34 verwendet. Es wird durch einen elektrischen Motor 60 betätigt, der auf dem Zylinderkopf 14 montiert ist, der die lineare Bewegung und die Stellung des Spulenventlls 34 steuert. Die Rotation des Motors wird in eine lineare Bewegung des Spulenventils 34 über Gewinde oder Schraubennuten 62 auf einer Motorwelle 64 umgewandelt, die an den Motor 60 gekoppelt ist.
Ein Spulenventilkörper 66 ist im Zylinderkopf 14 montiert und rotierend im Verhältnis zu ihm befestigt. Er ist durch innere Passgewinde 72 an die Motorwelle 64 gekoppelt. Die Umwandlung der rotierenden in eine lineare Bewegung wird dann durch die Schraubengewinde 62 erreicht, wo der Spulenventilkörper 66 als ein Mutterschieber fungiert, der durch einen nicht dargestellten Schlüssel am unteren Lagerende des Ventilkörpers 66 am Rotieren verhindert wird. Als Alternative könnten, falls gewünscht, Kugellager anstelle von Gewinden benutzt werden, um die Reibung zu reduzieren, aber sie würden die Kosten des Systems erhöhen. In einer derartigen Auslegung verursacht die Rotation der zentralen Welle 64 eine lineare Verschiebung des Spulenventilkörpers 66 im Verhältnis zum Zylinderkopf 14. Ein typischer Durchmesser für einen Spulenventilkörper könnte bei ungefähr 9 Millimetern liegen und der der Motorwelle bei ungefähr 5 Millimetern, wobei der Takt des Ventilkörpers bei +/- 2 Millimetern liegt.
Der Zylinderkopf 14 enthält drei Öffnungen; eine Hochdrucköffnung 74, die zwischen der Hochdruckleitung 26 und dem Körper 66 verbunden ist, eine Niedrigdrucköffnung 76, die zwischen der Niedrigdruckleitung 28 und dem Körper 66 verbunden ist und eine dritte Öffnung 78, die vom Körper 66 zum Volumen 20 über dem Motorventilkolben 16 durch die hydraulische Leitung 32 führt. Der Ventilkörper 66 enthält ebenfalls einen ringförmigen Kanal 80, der um seine Peripherie geht. Wenn der Ventilkörper 65 zentral positioniert ist, was seiner geschlossenen Stellung entspricht, hält das Spulenventil 34 die dritte Öffnung 78 von den anderen beiden Öffnungen 74 und 76 getrennt. Das Rotieren des Motors 60 in eine Richtung verursacht dass die zentrale Welle 64 rotiert, wobei der Spulenventilkörper 66 nach unten bewegt wird. Dies verbindet die dritte Öffnung 78 mit der Hochdrucköffnung 74 über den ringförmigen Kanal 80. Die Rotation in die andere Richtung verursacht dass die dritte Öffnung 78 die Niedrigdrucköffnung 76 über den ringförmigen Kanal 80 verbindet.
Der Motor 60 wird elektrisch an ein Motorsteuersystem 48 angeschlossen, das ihn betätigt, um die Einstellung des Öffnens und Schliessens des Motorventils zu bestimmen. Der Motor, der die Rotation steuert, ist ein vierpoliger, einphasiger Rotationsmotor 60. Dies wird bevorzugt, um seine Grösse und sein Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren. Der Motor 60 enthält ein Rotorringmagnet 84, der an die Motorwelle 64 gekoppelt ist und eine Statorvorrichtung 86, die um den Rotorringmagnet 84 montiert ist. Ein Motorgehäuse 88 enthält sie. Der Rotorringmagnet 84 wird als ein segmentierter Magnetrotor dargestellt, obgleich ein Ringmagnetrotor, falls gewünscht; anstelle des segmentierten Rotors benutzt werden kann.
Eine einphasige und vierpolige Bauart zwingt den Rotorringmagnet 84 zu Rotationen, die niedriger als ungefähr 22 Grad in jeder Richtung vom Mittelpunkt sind. Der Motor 60 kann keine ganze Umdrehung vollziehen, aber da dies nicht erforderlich ist, wird die Kompliziertheit des Systems durch die Aufhebung des Bedarfs mechanischer Stromwender (Kollektore) reduziert. Der Motor 60 braucht auch keine Stellungsaufnehmer oder einen Kodierer, da es nicht erforderlich ist zu wissen wo er genau rotiert. Er enthält nicht dargestellte Anschläge an jedem Ende seines Laufs. Der Motor 60 ändert seine Richtung einfach durch die Umsteuerung des an ihn geleiteten Stroms. Die Benutzung von Bürsten im Motor 60 kann jetzt vermieden werden.
Die Rotationsbegrenzungen des Rotors 84 bestimmen die Gewindesteigung p der Gewinde 62 auf der Welle 64, da bei einer Rotation von ungefähr 22 Grad in jeder Richtung vom Mittelpunkt der Ventilkörper 66 sich um ungefähr +/- 2 Millimeter bewegt, um den ringförmigen Kanal 80 mit den Hoch- oder Niedrigdrucköffnungen 74 und 76 zu verbinden. Eine weitere Begrenzung besteht in der Tatsache dass der Gewindedurchmesser o für eine Antriebsschraube grösser sein muss als ein minimaler Winkel für eine bidirektionale Bewegung, um einen zu grossen Reibungseffekt während des Rückwärtsgangs zu vermeiden. Daher muss die Schraubensteigung P geregelt werden, um die Reibung auf ein Minimum zu reduzieren, aber um noch in den Rotationsbegrenzungen des Motors 60 zu bleiben. Ausserdem ist es ebenfalls wünschenswert, den Durchmesser des Rotors 84 auf ein Minimum zu reduzieren, um seine Trägheit zu minimieren, während immer noch die erforderliche Magnetisierung geliefert wird, um das erforderliche Drehmoment zur Beschleunigung des Ventilkörpers 66 zu erzeugen.
Fig. 5 stellt das Drehmomentprofil des einphasigen Motors 60 dar. Der Rotationswinkel des Rotors 84 wird zu kleinen Winkeln gezwungen, so dass genügend Beschleunigungsdrehmoment verfügbar ist; dies erfolgt zwischen Tpk und Tmin. Das Drehmoment nimmt ungefähr sinusförmig ab, wenn es vom Mittelpunkt weg rotiert.
Fig. 6 stellt das elektronische Antriebsschaltsystem 92 dar, das zur Betätigung des Motors 60 und zur Energierückgewinnung benutzt wird. Der Antriebsschaltplan 92 ist ein bidirektionaler Motorkontroller, zur Bewegung des Ventilkörpers 66 in beide Richtungen. Die Schaltung 92 befindet sich im Steuersystem 48 des Motors. Sie enthält eine H-Brücke 94 für die Vierquadrantsteuerung. Die H-Brücke 94 enthält vier Transistorschalter, zwei p-Kanäle 96 und 97 und zwei n-Kanäle 98 und 99, die durch den Motor 60 verbunden sind und an einen Kontroller 100 angeschlossen sind, der Einstellungssignale an jeden Transistorschalter 96-99 sendet. Die Benutzung der n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs (metal-oxide field effect transistor = Metall-Oxid-Feldeffekttransistor) wird dargestellt, aber die Benutzung aller n-Kanal- und anderer Technologien, wie zum Beispiel bipolare Transistore ist ebenfalls geeignet. Ein Eingang zum Kontroller 100 ist das Signal der Kurbelwellen-Rotationsstellung Om. Die H-Brücke 94 ist mit den Energierückgewinnungs-Bauteilen 102 durch zwei Dioden 104 verbunden. Die Energierückgewinnungs-Bauteile 102 enthalten eine Diode 106, einen Induktor 108, einen Kondensator 110 und einen Transistorschalter 112, wobei der Transistorschalter 112 ein Einstellungssignal vom Kontroller 100 empfängt.
Die relative Einstellung des Schliess- und Öffnungsvorgangs des Motorventils für dieses System ist graphisch auf den Fig. 8A-8J dargestellt. Das Öffnen des Motorventils wird durch ein Spulenventil 34 gesteuert, das, wenn es positioniert ist um dem Hochdruck-Fluid zu ermöglichen von der Hochdruckleitung 26 in das Volumen 20 über die hydraulische Leitung 32 zu fliessen, die Beschleunigung beim Öffnen des Motorventils verursacht und wenn es wieder so positioniert ist, dass kein Fluid zwischen der Leitung 26 und der Leitung 32 fliessen kann, ergibt sich eine Geschwindigkeitsabnahme des Motorventils. Eine abermalige Wiederpositionierung des Spulenventils 34, das dem hydraulischen Fluid im Volumen 20 ermöglicht in die Niedrigdruckleitung 28 über die hydraulische Leitung 32 zu fliessen, verursacht eine Beschleunigung beim Schliessen des Motorventils und wenn es wieder so positioniert wird, dass kein Fluid zwischen der Leitung 28 und der Leitung 32 fliessen kann, ergibt sich eine Geschwindigkeitsabnahme.
Deshalb empfängt der Kontroller 100 im Motorsteuersystem 48 zur Auslösung des Öffnens des Motorventils Kurbelwinkelsignale 201, die den Kurbelwinkel Om anzeigen. Er sendet dann Signale zu den Transistorschaltern 96-99 aus; die Fig. 8F-8I zeigen die Einstellung der Signale 204-207 an, die jeweils an die Transistore 96- 99 gesendet werden. Es handelt sich hierbei um logische Steuersignale mit positiver Polarität (Logik 1 ist hohes Niveau). Der Motor 60 wird betätigt, um den Spulenventilkörper 65 zu bewegen, so dass sich der ringförmige Kanal 80 mit der Hochdrucköffnung 74; 202 auf Fig. 8B ausrichtet. Die Geschwindigkeit 211 und die Beschleunigung 213 des Spulenventilkörpers 66 werden jeweils auf den Fig. 8C und 8D dargestellt. Die Nutzdruckkraft, die auf den Kolben 16 einwirkt, beschleunigt das Motorventil 12 nach unten; 200 auf Fig. 8A. Das Motorsteuersystem 48 ändert dann die Richtung des Motors 60, so dass der Motor 60 den Spulenventilkörper 66 so lange bewegt, bis der ringförmige Kanal 80 sich nicht mehr mit der Hochdrucköffnung 74 ausrichtet, das ist die geschlossene Stellung des Spulenventils; 208 auf Fig. 8B. Der Druck über dem Kolben 16 sinkt und die Geschwindigkeit des Kolbens 16 nimmt ab, wobei das Fluid vom Volumen 42 unter ihm zurück durch die obere Öffnung 30; 209 auf Fig. 8A geleitet wird. Das Niedrigdruck-Rückschlagventil 40 öffnet sich und Fluid, das durch es fliesst, verhindert Blasenbildung im Volumen 20 über dem Kolben 16 während der Geschwindigkeitsabnahme. Wenn die Bewegung nach unten des Motorventils 12 aufhört, schliesst sich das Niedrigdruck- Rückschlagventil 40 und das Motorventil 12 bleibt in seiner offenen Stellung blockiert; 210 auf Fig. 8A.
Der Schliessvorgang des Ventils ist im Prinzip ähnlich, zu dem des Ventilöffnens. Das Motorsteuersystem 48 betätigt den Motor 60, um den Spulenventilkörper 66 zu bewegen, so dass sich der ringförmige Kanal 80 mit der Niedrigdrucköffnung 76; 214 auf Fig. 8B ausrichtet. Der Druck über dem Kolben 16 sinkt und die Nutzdruckkraft, die auf den Kolben 16 einwirkt, beschleunigt das Motorventil 12 nach oben; 212 auf Fig. 8A. Das Motorsteuersystem 48 ändert dann die Richtung des Motors 60, so dass er den Spulenventilkörper 66 so lange bewegt, bis sich der ringförmige Kanal 80 nicht mehr mit der Niedrigdrucköffnung 76 ausrichtet, das ist die geschlossene Stellung des Spulenventils. Der Druck über dem Kolben 16 und die Geschwindigkeit des Kolbens 16 nimmt ab; 218 auf Fig. 8A. Das Hochdruck-Rückschlagventil 36 öffnet sich, wenn Fluid vom Volumen 20 durch es zurück in die hydraulische Hochdruckleitung 26 fliesst, bis das Ventil 12 geschlossen ist.
Die elektronischen Energierückgewinnungs-Bauteile 102 wirken durch die Betätigung des Motors auf die Beschleunigung beim Öffnen des Motorventils und eine Wiederaufnahme der Geschwindigkeitsabnahme und auf eine Betätigung des Motors auf das Öffnen des Motorventils mit der Wiederaufnahme der Geschwindigkeitsabnahme ein. Fig. 8J stellt die relative Einstellung eines Signals 216 dar, das vom Kontroller 100 zum Schalter 112 gesendet wird, um die Energierückgewinnung auszuführen.
Eine Änderung der Einstellung der Betätigungen des Spulenventils ändert die Einstellung des Öffnens und Schliessens des Motorventils. Das Anheben des Ventils kann durch eine Änderung der Dauer der Ausrichtung des ringförmigen Kanals 80 mit der Hochdrucköffnung 74 gesteuert werden. Eine Änderung des Fluiddrucks im Hochdruckreservoir 22 ermöglicht die Steuerung der Beschleunigung des Motorventils, der Geschwindigkeit und der Laufzeit.
Während jeder Beschleunigung des Motorventils 12 wird potentielle Energie des unter Druck gesetzten Fluids in kinetische Energie des sich bewegenden Ventils 12 umgewandelt und dann, während der Geschwindigkeitsabnahme, wenn der Ventilkolben 16 das Fluid zurück in das Hochdruckreservoir 22 pumpt, wird die kinetische Energie in potentielle Energie des Fluids zurückgewandelt. Eine derartige Rückgewinnung hydraulischer Energie trägt zu reduziertem Energiebedarf für das Funktionieren des Systems bei. Dies erfolgt zusätzlich zur Energierückgewinnung, die mit den elektrischen Rückgewinnungs-Bauteilen 102 erreicht wird. Ein Teil der Energie, die zur Beschleunigung jeder Betätigung des Motors 60 benutzt wird, wird während seiner Geschwindigkeitsabnahme zurückgewonnen, um die totale elektrische Last, die für die Betätigung des Motors 60 erforderlich ist, zu reduzieren, wenn er den Spulenventilkörper 66 antreibt.
Fig. 7 stellt eine alternative Auslegung des elektronischen Antriebsschaltsystems 92' dar, das benutzt wird, um mehrere Motore anzutreiben und um mehr als jeweils ein Motorventil zu steuern. Dies erweitert den Schaltplan der Fig. 6, der auf ein einziges Ventil angewendet wird, auf mehrere Schaltpläne mit gemeinsamen Zulieferungs- und Rückgewinnungsleitungen (Schienen). Für diese Beschreibung sind Bestandteile der Bauart auf Fig. 7, die Gegenstücke in der Bauart der Fig. 6 haben, durch gleiche Referenznummern identifiziert worden, obgleich ein Anführungsstrich hinzugefügt wurde. Zusätzliche Bestandteile, die denen der Bauart auf Fig. 6 ähnlich sind, werden einen doppelten Anführungsstrich aufweisen. Auf diesem Schaltplan 92' ist nur ein Satz von Energierückgewinnungs-Bauteilen 102' für mehrere Motore 60' und 60" erforderlich. Er enthält eine H- Brücke 94' und 94" für jeweils jeden Motor 60' und 60", mit vier Schaltersignalen, die vom Kontroller 100' jeweils zu den Transistorschaltern 96'-99' und 96"-99" kommen. Die Dioden 104' und 104" werden wieder zwischen den H-Brücken 94' und 94" und den Energierückgewinnungs-Bauteilen 102' verbunden. Zusätzliche Widerstände 116 und 117 verbinden jeweils jede H-Brücke 94' und 94" mit der Masse. Der Energierückgewinnungs-Schaltplan hat eine einstellbare Spannungsebene durch den Energierückgewinnungs- Kondensator. Wenn die Spannung vom Schalter 112 gesteuert wird, um niedrig zu sein, wird die Rückgewinnung langsamer sein, als wenn die Spannungsebene gesteuert wird, um auf hoher Ebene zu sein. Das ist darauf zurückzuführen, dass die gespeicherte magnetische Energie im Motor schneller freigelassen wird, wenn die Spannung gezwungen wird eine höhere Ebene zu erreichen. Das bedeutet, dass die Motorströmverbindung mit Volt*Sekunden gleichwertig ist.
Als eine alternative Auslegung könnten die Gewinde auf der Motorwelle verändert werden, um mehr Rotation pro lineare Dimensionsbewegung des Spulenventilkörpers zu erfordern, um den Drehmomentbedarf zu reduzieren, aber dann wird es erforderlich sein, die Bauart des Motors zwei- oder dreiphasig zu gestalten, mit dem Nachteil, dass ein Kodierer und kompliziertere elektronische Antriebsvorrichtungen, als die auf den Fig. 6 und 7 dargestellten, erforderlich wären.

Claims

1. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das System enthält:

ein hydraulisches Hochdruck-Abzweigstück (68) und ein hydraulisches Niedrigdruck-Abzweigstück (70) mit jeweils einer Hochdruck- Fluidquelle (22) und einer Niedrigdruck-Fluidquelle (24);

ein Zylinderkopfglied (14) das ausgelegt ist, um am Motor (11) befestigt zu werden und das eine eingeschlossene Zylinderbohrung und eine Kammer (18) enthält;

ein Motorventil (12), das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der Zylinderkopfbohrung und der Kammer (18) verstellt werden kann;

ein hydraulisches Stellglied mit einem Ventilkolben (16), der an das Motorventil (12) gekoppelt ist und in der eingeschlossenen Kammer (18) umkehrbar ist, wodurch ein erster und ein zweiter Hohlraum gebildet werden, deren Hubraum variiert wenn sich das Motorventil (12) bewegt;

dadurch gekennzeichnet dass es ausserdem eine Spulenventilvorrichtung (34) enthält, die auf dem Zylinderkopfglied (14) montiert ist, das einen Ventilkörper (66) enthält, der daran gekoppelt ist, wobei der Ventilkörper (66) einen ringförmigen Kanal (80) enthält;

wobei das Zylinderkopfglied (14) Öffnungsvorrichtungen (74, 76, 78) enthält, zum wahlweisen Anschluss des Hochdruck-Abzweigstücks (68) und des Niedrigdruck-Abzweigstücks (70) an den Kanal (80) und den Anschluss des ringförmigen Kanals (80) an den ersten Hohlraum, wobei das Zylinderkopfglied (14) ausserdem eine Hochdruckleitung (26) enthält, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum und dem Hochdruck- Abzweigstück (68) erstreckt;

einen einphasigen Motor (60) mit vier Polen zur Steuerung der linearen Bewegung und der Stellung des Spulenventils (34), der auf eine teilweise Umdrehung reagiert und eine Vorrichtung (64, 72) zum gemeinsamen Einrasten mit dem Spulenventilkörper (66), so dass die Rotation des Motors in eine Richtung verursachen wird, dass sich das Spulenventil (34) in eine erste Richtung bewegt und die Rotation der Welle in entgegengesetzter Richtung wird verursachen, dass sich das Spulenventil in entgegengesetzter Richtung zur ersten Richtung bewegt, um wahlweise den ersten Hohlraum mit dem Hochdruck-Abzweigstück (68) und dem Niedrigdruck-Abzweigstück (70) zu koppeln und

einen elektronischen Schaltkreis (48), der an den Motor (60) angeschlossen ist, um wahlweise den Motor (60) in eingestelltem Verhältnis zu aktivieren und zu entaktivieren, wobei die Betätigung des Motors des besagten elektronischen Schaltkreises (48) eine H-Brücke (94) enthält, die einen Satz von vier Transistoren enthält, die elektrisch an den Motor angeschlossen sind; und einen Kontroller, der elektrisch an die vier Transistore angeschlossen ist.

2. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, in dem die Öffnungsvorrichtung drei Öffnungen enthält, eine erste Öffnung (74), die den Ventilkörper (66) mit dem Hochdruck- Abzweigstück (68) verbindet, eine zweite Öffnung (76), die den Ventilkörper (66) mit dem Niedrigdruck-Abzweigstück (70) verbindet und eine dritte Öffnung (78), die den Ventilkörper (66) mit dem ersten Hohlraum verbindet, wobei die drei Öffnungen derartig orientiert sind, dass der Ventilkörper (66) so bewegt werden kann, dass der Kanal (80) mit der dritten (78) und ersten Öffnung (74) ausgerichtet ist, die dritte (78) und zweite (76) Öffnung oder weder die erste (74) noch die zweite (76) Öffnung.

3. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Mittel zum gemeinsamen Einrücken des Spulenventils (34) eine zentrale Gewindewelle (72) enthält, die zwischen dem Motor (60) und dem Spulenventil (34) gekoppelt ist.

4. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche in dem der elektronische Schaltkreis ausserdem enthält:

einen Energierückgewinnungs-Schaltkreis (102), der eine Rückgewinnungsdiode (106), einen Rückgewinnungsinduktor (108), einen Rückgewinnungskondensator (110) und einen Rückgewinnungstransistor (112) enthält, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der Rückgewinnungstransistor elektrisch mit dem Kontroller (100) verbunden ist, um Signale von ihm zu empfangen und

zwei Dioden (104), die elektrisch zwischen der H-Brücke mit dem Energierückgewinnung-Schaltkreis verbunden sind.

5. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das ausserdem enthält:

eine zweite eingeschlossene Zylinderbohrung und eine Kammer, die im Zylinderkopf enthalten sind;

ein zweites Motorventil, das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der zweiten Zylinderkopfbohrung und der Kammer verstellbar ist;

ein zweites hydraulisches Stellglied mit einem zweiten Ventilkolben, der an das zweite Motorventil gekoppelt ist und in der zweiten eingeschlossenen Kammer umkehrbar ist, wodurch ein erster und ein zweiter Hohlraum in der zweiten Zylinderkopfbohrung und der Kammer gebildet werden, deren Hubraum variiert, wenn sich das zweite Motorventil bewegt;

eine zweite Spulenventilvorrichtung, die am Zylinderkopfglied montiert ist, die einen zweiten, damit verbundenen Ventilkörper enthält; wobei der zweite Ventilkörper einen Kanal enthält;

wobei das Zylinderkopfglied eine zweite Öffnungsvorrichtung enthält, um das Hochdruck-Abzweigstück und das Niedrigdruck-Abzweigstück mit dem Kanal wahlweise zu verbinden und das den Kanal mit dem ersten Hohlraum in der zweiten Zylinderbohrung und der Kammer verbindet, wobei das Zylinderkopfglied ausserdem eine Hochdruckleitung enthält, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum in der zweiten Zylinderbohrung und der Kammer und dem Hochdruck- Abzweigstück erstreckt;

einen zweiten einphasigen Motor, mit vier Polen und einer Vorrichtung zum gemeinsamen Einrücken mit dem zweiten Spulenventil;

eine zweite H-Brücke (94', 94"), die einen zweiten Satz von vier Transistoren (96'-99', 95"-99") enthält, die elektrisch an den zweiten Motor angeschlossen sind und elektrisch mit dem Kontroller verbunden sind;

ein zweites Paar Dioden (104', 104"), die elektrisch zwischen der zweiten H-Brücke (94', 94") und dem Energierückgewinnungs-Schaltkreis angeschlossen sind; und

einen ersten Widerstand (116) und einen zweiten Widerstand (117), die die erste H-Brücke (94') und die zweite H-Brücke (94") mit der Masse verbinden.

6. Ein elektrohydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, das ausserdem enthält:

eine zweite eingeschlossene Zylinderbohrung und eine Kammer, die sich im Zylinderkopf befinden;

ein zweites Motorventil, das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der zweiten Zylinderkopfbohrung und der Kammer verstellt werden kann;

ein zweites hydraulisches Stellglied mit einem zweiten Ventilkolben, der mit dem zweiten Motorventil verbunden ist und in der zweiten eingeschlossenen Kammer umkehrbar ist, wodurch ein erster und ein zweiter Hohlraum in der zweiten Zylinderkopfbohrung und der Kammer gebildet werden, deren Hubraum variiert, wenn sich das zweite Motorventil bewegt; ,

eine zweite Spulenventilvorrichtung, die am Zylinderkopfglied montiert ist, die einen zweiten, daran gekoppelten Ventilkörper enthält, wobei der zweite Ventilkörper einen Kanal enthält;

wobei das Zylinderkopfglied eine zweite Öffnungsvorrichtung enthält, um wahlweise das Hochdruck-Abzweigstück und das Niedrigdruck- Abzweigstück mit dem Kanal zu verbinden und das den Kanal mit dem ersten Hohlraum in der zweiten Zylinderbohrung und der Kammer verbindet, wobei das Zylinderkopfglied ausserdem eine Hochdruckleitung enthält, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum in der zweiten Zylinderbohrung und der Kammer und dem Hochdruck- Abzweigstück erstreckt;

einen zweiten, einphasigen Motor, mit vier Polen und einer Vorrichtung zum gemeinsamen Einrasten mit dem zweiten Spulenventil und

eine zweite H-Brücke (94', 94"), die einen zweiten Satz von vier Transistoren (96'-99', 96"-99") enthält, die elektrisch mit dem zweiten Motor verbunden sind und elektrisch an den Kontroller angeschlossen sind.

7. Ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das ausserdem ein Hochdruck- Rückschlagventil (36) enthält, das zwischen dem ersten Hohlraum und der Hochdruck-Fluidquelle und ein Niedrigdruck-Rückschlagventil (40), das zwischen dem ersten Hohlraum und der Niedrigdruck-Fluidquelle montiert ist.

8. Ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Oberfläche des Ventilkolbens (16), die zum ersten, dem Fluiddruck ausgesetzten Hohlraum hin orientiert ist, grösser ist als die Oberfläche des Ventilkolbens (16), der zum zweiten Hohlraum hin orientiert ist, der dem Fluiddruck ausgesetzt ist.