DE69626511T2

DE69626511T2 - Ein hydraulisches stellglied für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69626511T2
Application number: DE69626511T
Authority: DE
Inventors: E. Oded STURMAN
Original assignee: Sturman Industries Inc
Current assignee: Sturman Industries Inc
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1996-05-02
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-05-03
Also published as: EP0830496A4; GB9722831D0; US5960753A; EP0830496A1; GB2314589A; US5638781A; US5713316A; WO1996036795A1; DE69626511D1; GB2314589B; EP1245798A3; GB9902570D0; JPH11511828A; EP0830496B1; EP1245798A2; AU5725096A; HK1007895A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisch gesteuertes Ventil, das wie es aus der Druckschrift WO-A-93/01399 bekannt ist, als Einlass- oder Auslassventil für einen Verbrennungsmotor anwendbar ist.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Verbrennungsmotoren umfassen ein Einlassventil und ein Auslassventil für jeden Zylinder des Motors. In einem Dieselmotor ermöglicht das Einlassventil, dass Luft in den Brennraum strömt und das Auslassventil ermöglicht, dass das verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Brennraum strömt. Die Steuerung der Ventile muss der Bewegung des Kolbens und der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum entsprechen. Gängige Dieselmotoren umfassen Nocken, um die Steuerung der Ventile mit dem Kolben und dem Kraftstoff-Einspritzventil zu koordinieren. Nocken unterliegen einem Verschleiß, was die Steuerung der Ventile beeinflussen kann. Außerdem sind Nocken für Änderungen der Ventilsteuerung beim Betrieb des Motors nicht zugängig.
Das Auslassventil eines Verbrennungsmotors wird für den Auslasshub des Motortaktes geöffnet. Bevor das Auslassventil geöffnet wird, ist über dem Ventil ein Differenzdruck vorhanden, der der Differenz zwischen dem Druck des Abgases im Brennraum und dem Druck im Abgaskrümmer entspricht. Die zum Öffnen des Ventils erforderliche Kraft muss groß genug sein, um diesen Differenzdruck zu überwinden. Wenn das Ventil anfangs geöffnet wird, strömt das Abgas aus dem Brennraum, wobei sich der Druck im Brennraum schnell verringert. Nachdem das Abgasventil einmal geöffnet ist, ist die das Ventil weiter offen haltende Kraft. Im Allgemeinen viel größer als die zur Überwindung des Gasdruckes im Brennraum erforderliche Energie: Diese zusätzliche Arbeit senkt schließlich den energetischen Wirkungsgrad des Motors. Die verloren gegangene Energie kann erheblich sein, wenn sie mit der Anzahl der von einem Motor ausgeführten Auslasshüben multipliziert wird. Es wäre deshalb wünschenswert, eine Auslassventil-Baugruppe bereitzustellen, die die Kraft zum Öffnen des Ventils optimiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wobei diese Aufgabe durch eine Ventilbaugruppe gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 erfüllt wird. Die vorliegende Erfindung ist somit ein Einlass-/Auslassventil ohne Nocken für einen Verbrennungsmotor, das durch eine Anzahl von Kolben geöffnet wird. Einer der Kolben ist durch einen Anschlag begrenzt, so dass das Ventil zunächst mit einer relativ großen Kraft geöffnet und anschließend mit einer geringeren Kraft in die voll geöffnete Stellung bewegt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann einfacher deutlich nach dem Überprüfen der folgenden ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen, in denen zeigen:
1 die seitliche Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels von einem Einlassventil mit einer Anzahl von Kolben, die das Ventil öffnen;
2 eine der 1 ähnliche Querschnittsansicht, die einen Kolben der in einen Anschlag einrastet darstellt;
3 die seitliche Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Einlassventils von 1, die ein Vierwege-Steuerventil darstellt:
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen insbesondere die Bezugszeichen zeigt 1 eine Ventilbaugruppe 150 der vorliegenden Erfindung. Die Ventilbaugruppe 150 ist typischerweise entweder als Einlass- oder Auslassventil in einen Verbrennungsmotor eingebaut. Die Baugruppe 150 weist ein Ventil 156 auf, das einen am Ende des Ventilschaftes angeordneten Sitz enthält. Der Sitz befindet sich in einer Öffnung im Brennraum des Motors. Das Ventil 156 kann sich zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegen. Die Baugruppe 150 kann eine Feder 160 enthalten, die das Ventil 156 in die geschlossene Stellung vorspannt.
Die Ventilbaugruppe 150 umfasst einen ersten Kolben 152 und ein Paar von zweiten Kolben 154, die das Ventil 156 in eine geöffnete Stellung schieben. Die Kolben 152 und 154 drücken gegen einen Ventilbund 158, der an dem Ventil 156 befestigt ist. Der Ventilbund 158 nimmt eine Feder 160 auf, die das Ventil 156 in eine geschlossene Stellung vorspannt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erste Kolben 152 eine Fläche auf, die ungefähr viermal größer ist als die kombinierte Fläche der zweiten Kolben 154.
Der erste Kolben 152 ist in einer Druckkammer 162 eines Ventilgehäuses 164 angeordnet. Die Druckkammer 162 befindet sich in Fluidverbindung mit einem Steuerventil 166. Fluidverbindung zwischen der Druckkammer 162 und dem Ventil 166 kann ausgebildet sein mit einem Einweg-Rückschlagventil 168, das eine Strömung in die Kammer 162 ermöglicht, und einer Ausflussöffnung 170, die eine Strömung des Fluids aus der Druckkammer 162 heraus begrenzt. Die zweiten Kolben 154 sind in Kanälen 172 angeordnet, die sich in Fluidverbindung mit dem Steuerventil 166 befinden. Das Ventilgehäuse 164 weist einen Anschlag 174 auf, der die Bewegung des ersten Kolbens 152 begrenzt, so dass das Ventil 156 zunächst durch alle Kolben 152 und 154 geöffnet und anschließend nur mit den zweiten Kolben 154 weiter geöffnet wird.
Das Steuerventil 166 weist zwei zylindrische Kanäle 180 auf, die beide über einen Hauptkanal 175 mit der Druckkammer 162 und Kanälen 172 verbunden sind. Das Steuerventil 166 besitzt außerdem einen einzelnen Zuführkanal 182, der mit einer Druckfluidquelle verbunden ist, und zwei Rückführkanäle 184, die jeweils mit einer Abflussleitung verbunden sind. Das Ventil 166 kann zwischen einer ersten Position, die die zylindrischen Kanäle 180 mit dem Zuführkanal 182 verbindet, damit Fluid in die Druckkammer 162 und Kanäle 172 strömen kann, und einer zweiten Position, die die zylindrischen Kanäle 180 mit den Rückführkanälen 184 verbindet, damit Fluid aus der Druckkammer 162 und den Kanälen 172 herausströmen kann, geschaltet werden.
Das Ventil 166 enthält eine Spule 186, die sich in der inneren Kammer 188 eines Gehäuses 190 bewegt. In dem Gehäuse 190 befindet sich eine erste Magnetspule 192, die die Spule 186 in die erste Position ziehen kann, und eine zweite Magnetspule 194, die die Spule 186 in die zweite Position bewegen kann. Die Magnetspulen 192 und 194 sind mit einer externen Stromversorgung verbunden, die eine der Magnetspulen zum Bewegen der Spule 186 in die gewünschte Position stromführend machen kann.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist sowohl das Gehäuse 190 als auch die Spule 186 aus Magnetstahl wie Aisi 440C oder Aisi 52100 gebaut. Die Hysterese des Magnetstahls ist so, dass das Magnetfeld innerhalb der Spule 186 und des Gehäuses 190 die Position der Spule 186 aufrechterhalten wird, selbst wenn die Magnetspule ohne Energie ist. Der Magnetstahl ermöglicht die digitale Steuerung des Ventils, wobei eine Magnetspule für einen vorgegebenen Zeitraum stromführend gemacht wird, bis die Spule 186 sich neben einer Innenfläche des Gehäuses 190 befindet. Sobald die Spule 186 die neue Position erreicht hat, wird die Magnetspule energielos geschaltet, wobei die Hysterese des Magnetstahlmaterials die Position der Spule 186 aufrechterhält.
Die Spule 186 weist äußere Nuten 196 auf, die die zylindrischen Kanäle 180 entweder mit dem Zuführkanal 182 oder den Rückführkanälen 184 verbinden. Die zylindrischen Kanäle 180 befinden sich an jeder Seite des Zuführkanals 182, um das Ventil 166 dynamisch zu regeln, wenn die Spule 186 von der ersten Position in die zweite Position bewegt wird. Das durch die zylindrischen Kanäle strömende Fluid besitzt eine zugeordnete Kraft, die auf die Spule 186 aufgebracht wird. Die Anordnung der Kanäle 180 an jeder Seite des Zuführkanals 182 erzeugt Fluidkräfte, die auf die Spule 186 in entgegengesetzten Richtungen aufgebracht werden. Die entgegengesetzten Kräfte sind voneinander versetzt, so dass die Fluidkräfte der Zugkraft der Magnetspule 192 an der Spule 186 nicht entgegen wirken. Ebenso befinden sich die Rückführkanäle 184 an jeder Seite der zylindrischen Kanäle 182, so dass die resultierenden Kräfte, die von dem durch die Rückführkanäle strömenden Fluid erzeugt werden, jeweils einander aufheben, wodurch verhindert wird, dass eine entgegen wirkende Kraft die Zugkraft der Magnetspule 194 behindert. Die Kanalstellen des Ventils bewirken somit ein Fluid-Steuerventil, das dynamisch druckgeregelt wird. Das Regeln der Spule 186 erhöht die Ansprechzeit des Ventils und reduziert die Energie, die durch die Magnetspulen zum Ziehen der Spule 186 von einer Position in eine andere benötigt wird.
Die Spule 186 weist einen inneren Kanal 198 und zwei Stirnöffnungen 200 auf, die sich in Fluidverbindung mit der inneren Kammer 188 des Gehäuses 190 befinden. Die Stirnöffnungen 200 und der innere Kanal 198 ermöglichen es, dass Fluid in der inneren Kammer 198 vom Ende der Spule 186 wegströmt, wenn die Spule 186 in eine neue Position gezogen wird. Das zwischen dem Ende der Spule 186 und dem Gehäuse 190 befindliche Fluid strömt beispielhaft durch die Stirnöffnung 200 in den inneren Kanal 198, wenn die zweite Magnetspule 194 die Spule 186 zu dem Gehäuse 190 hin zieht. Der Durchfluss des Fluides verhindert den Aufbau von hydrostatischem Druck, der dem Zug der Magnetspule entgegen wirken kann. Der innere Kanal 198 und die Öffnungen 200 regeln somit statisch den Druck der Spule 186.
Das Ventil 166 kann ein Druckentlastungsventil 202 aufweisen, das Fluid freigibt, wenn der Fluiddruck in der inneren Kammer 188 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Das Druckentlastungsventil 202 kann eine Kugel 204 aufweisen, die durch die Feder 206 in eine geschlossene Stellung vorgespannt ist. Das Druckentlastungsventil 202 kann außerdem einen Einsatz 208 mit einer Auslassöffnung 210 aufweisen. Die Enden der Spule und die Innenfläche des Gehäuses können abgeschrägte Flächen 212 aufweisen, um das Volumen der inneren Kammer 188 zwischen der Spule 186 und dem Gehäuse 190 zu vergrößern und den hydrostatischen Druck innerhalb des Ventils 166 zu reduzieren.
Bei Betrieb wird ein digitaler Impuls für das Steuerventil 166 bereitgestellt, um das Ventil 166 zu schalten und zu ermöglichen, dass ein unter Druck gesetztes Arbeitsfluid in die Druckkammer 162 und Kanäle 172 strömt. Das unter Druck gesetzte Fluid übt eine Kraft auf die Kolben 152 und 154 aus, die das Ventil 156 in die geöffnete Stellung schieben.
Gemäß 2 verhindert der Anschlag 174 eine weitere Bewegung des ersten Kolbens 152, während der zweite Kolben 154 das Ventil 156 weiter in die voll geöffnete Stellung schiebt. Zum Schliessen des Ventils 156 ist ein digitaler Impuls vorgesehen, um das Steuerventil 166 zur Verbindung der Druckkammer 162 und der Kanäle 172 mit der Abflussleitung zu schalten. Die Kraft der Feder 160 schiebt das Ventil in die geschlossene Stellung zurück. Die Auslassöffnung 170 schränkt den Durchfluss des Arbeitsfluides aus der Druckkammer 162 heraus ein und verringert die Geschwindigkeit des Ventils 156 zurück in die geschlossene Stellung. Die Auslassöffnung 170 bewirkt eine dämpfende Funktion, die verhindert, dass das Ventil 156 gegen den Ventilsitz „schlägt". Die Dämpfung des Ventils reduziert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer des Ventilsitzes 214.
Die Ventilbaugruppe 150 mit Doppelkolben ist besonders wünschenswert für eine Verwendung als Auslassventil. Beim Auslasstakt eines Verbrennungsmotors ist der Druck innerhalb des Brennraumes 216 verhältnismäßig hoch. Die durch das Fydraulikfluid bewirkte Arbeit muß groß genug sein, um den Druck im Brennraum zu überwinden und das Ventil zu öffnen. Wenn das Ventil 150 zunächst geöffnet ist, strömen die im Brennraum befindlichen Abgase aus in den Abgaskrümmer 218 hinein. Der Durchfluss von Abgas in den Abgaskrümmer 218 reduziert den Druck im Brennraum 216 schnell. Wegen des geringeren Druckes innerhalb des Brennraumes und des Momentes des Ventils muß das Hydraulikfluid nicht so viel Arbeit zum weiteren Öffnen des Ventils 156 leisten.
Die wirksame Fläche und die durch das Hydraulikfluid bewirkten resultierenden Kräfte auf die Kolben sind reduziert, wenn der erste Kolben 152 den Anschlag 174 erreicht. Folglich wird die durch das Hydraulikfluid geleistete Arbeit verringert, nachdem das Ventil 156 zunächst geöffnet ist. Die Ventilbaugruppe nach der vorliegenden Erfindung reduziert somit die Arbeit und erhöht den energetischen Wirkungsgrad des Motors. Obwohl jede differentielle Reduzierung von Arbeit während eines Auslasshubes relativ klein ist, kann die sich ergebende Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades relativ bedeutend sein, wenn sie mit der Anzahl von Hüben beim Betrieb eines Motors multipliziert wird.
3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Ventilbaugruppe, die ein Vierwege-Steuerventil 166' aufweist. Das Steuerventil 166' ist mit der Druckkammer 162, den Kanälen 172 und einer Rückführkammer 220 verbunden. Die Rückführkammer 220 nimmt unter Druck gesetztes Arbeitsfluid auf und schiebt das Ventil 156 in die geschlossene Stellung zurück. Bei Betrieb wird das Ventil 156 geschaltet, um die Druckkammer 162 und den Kanal 172 mit dem Hochdruckfluid und die Rückführkammer 220 mit der Abflussleitung zu verbinden. Das unter Druck gesetzte Arbeitsfluid übt eine Kraft auf die Kolben 152 und 154 aus, die das Ventil 156 in die offene Stellung bewegen. Das Steuerventil 166' wird anschließend geschaltet, um die Rückführkammer 220 mit dem unter Druck gesetzten Arbeitsfluid und die Druckkammer 162 und die Kanäle 172 mit der Abflussleitung zu verbinden. Das in der Rückführkammer 220 befindliche Arbeitsfluid schiebt das Ventil 156 in die geschlossene Stellung zurück. Das Steuerventil 166' ist vorzugsweise dynamisch und statisch druckgeregelt, um die Geschwindigkeit des Ventils zu erhöhen und die durch das Ventil verbrauchte Energie zu reduzieren.

Claims

Ventilbaugruppe (150) für eine Brennkraftmaschine, umfassend: ein Ventil (456), das sich zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegt; einen ersten Kolben (152), der hydrostatischen Druck aufnimmt, um das Ventil in die offene Stellung zu drücken; einen zweiten Kolben (154), der hydrostatischen Druck aufnimmt, um das Ventil in die offene Stellung zu drücken; und ein Ventilgehäuse, das einen Anschlag (174) aufweist, der die Bewegung des ersten Kolbens begrenzt, so dass das Ventil zunächst durch den ersten und den zweiten Kolben geöffnet und dann durch den zweiten Kolben weiter geöffnet wird.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, bei welcher der erste Kolben eine Fläche aufweist, die größer ist als eine Fläche des zweiten Kolbens.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend eine Öffnung, um einen Fluiddurchluss von dem ersten Kolben zu beschränken, wenn sich das Ventil in die geschlossene Stellung bewegt.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend einen mit dem Ventil verbundenen Ventilbund (158), wobei der erste Kolben und der zweite Kolben gegen den Ventilbund drücken.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend ein Hydraulikventil (166), das hydrostatischen Druck für den ersten und den zweiten Kolben bereitstellt.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 5, bei der das Hydraulikventil ein Viennregeventil ist, das weiter hydrostatischen Druck auf den Ventilbund bewirkt, um das Ventil in die geschlossene Stellung zudrücken:
Verfahren, umfassend: Erzeugen von hydrostatischem Druck auf einen ersten Kolben (152) und einen zweiten Kolben (154) zum Öffnen eines Ventils (156) einer Brennkraftmaschine, bis der erste Kolben einen Anschlag (174) erreicht; und Bereitstellen von hydrostatischem Druck auf den zweiten Kolben zum weiteren Öffnen des Ventils.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend das Erzeugen von hydrostatischem Druck auf einen Ventilbund (158) zum Schließen des Ventils.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, weiter umfassend das Beschränken eines Fluiddurchflusses von dem ersten Kolben, wenn sich das Ventil in die geschlossene Stellung bewegt.