EP0738826B1

EP0738826B1 - Hydraulische Stufenkolbenanordnung und deren Anwendung in einem Antrieb mit einer variablen Schubkraft

Info

Publication number: EP0738826B1
Application number: EP95810254A
Authority: EP
Inventors: Alfred Franz Wunder
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 2000-11-29
Anticipated expiration: 2015-04-18
Also published as: KR100380568B1; CN1088150C; DK0738826T3; JP4164132B2; JPH08284905A; DE59508878D1; EP0738826A1; CN1144299A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Stufenkolbenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Stufenkolbenanordnung.

Stufenkolben sind in der hydraulischen Antriebstechnik bekannt als Kolben oder Kolbensysteme, bei denen Kolben mit unterschiedlicher Querschnittsfläche mit einer sich unter einem hydrostatischen Druck P befindenden Hydraulikflüssigkeit in Verbindung stehen. In praktischen Anwendungen wird gewöhnlich der Effekt ausgenutzt, dass die Hydraulikflüssigkeit auf Kolben mit verschiedener Querschnittsfläche A_i Kräfte F_i = P*A_i (i: Index zur Unterscheidung verschiedener Kolben) verschiedener Stärke ausübt und dass sich die Hydraulikflüssigkeit wegen ihrer geringen Kompressibilität im wesentlichen wie eine inkompressible Flüssigkeit verhält.

Eine bekannte Anwendung eines Stufenkolbens ist eine hydraulische Übersetzung mit zwei unabhängigen, über eine Hydraulik gekoppelte Kolben mit den Querschnittsflächen A_i (i=1,2). Die Kopplung zwischen den Kolben ist eine Kraftkopplung. Die Kraftkopplung wird erzielt mit Hilfe einer mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckzelle, indem die Kolben derart auf die Hydraulikflüssigkeit einwirken, dass durch die Bewegung jedes der Kolben senkrecht zu den Querschnittsflächen in Richtung auf die Hydraulikflüssigkeit verdrängt wird. Da alle Kolben dem gleichen von der Hydraulikflüssigkeit vermittelten hydrostatischen Druck in der Druckzelle ausgesetzt sind, dient die Druckzelle der Kraftübertragung zwischen den Kolben. Bei der hydraulischen Übersetzung stehen die auf die Kolbenflächen wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis wie die Kolbenflächen, d. h. F₁ = F₂ *A₁/A₂, während die Verschiebungen Δs_i der Kolben senkrecht zu den Kolbenflächen im umgekehrten Verhältnis zu den Kolbenflächen stehen, d. h. Δs₁ = Δs₂ * A₂/A₁. Die hydraulische Übersetzung dient der Umwandlung von Kräften unter Erhaltung der mechanischen Energie, wobei die Hydraulik eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kolben herstellt. Eine typische Anwendung der hydraulischen Übersetzung ist die Verstärkung von Kräften durch Übertragung einer Kraft von einem Kolben auf einen anderen Kolben mit grösserer Querschnittsfläche, z. B. in einer hydraulischen Presse.

Eine andere bekannte Applikation von Stufenkolben ist ein Antrieb mit einer variablen Schubkraft, wobei zur Erzeugung der Schubkraft eine Hydraulikflüssigkeit dient, die unter einem vorgegebenen Druck P steht. Die variable Schubkraft wird z. B. dadurch erzielt, dass mehrere Kolben mit unterschiedlicher Querschnittsfläche starr miteinander verkoppelt werden und nacheinander verschiedene Kolbenflächen mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden bzw. wieder von der Hydraulikflüssigkeit entkoppelt werden. Nach diesem Prinzip arbeitet z. B. der Antrieb für ein Auslassventil einer Brennkraftmaschine gemäss EP-A2-0 075 472: die Stellung des offenbarten Auslassventils wird kontrolliert mittels zweier starr mit seiner beweglichen Ventilnadel gekoppelten, hydraulisch angetriebenen Kolben, wobei ein kleinerer Kolben verwendet wird, um das Ventil gegen den nach dem Entweichen der Verbrennungsgase relativ geringen Gasdruck im Brennraum der Brennkraftmaschine zu schliessen, und ein grösserer Kolben verwendet wird, um das Ventil gegen den während eines Verbrennungszyklus entstehenden, relativ grossen Gasdruck geschlossen zu halten.

Diese Nutzung eines Stufenkolbens zur Erzeugung einer variablen Schubkraft hat den Nachteil, dass die Veränderung der Schubkraft mit einer komplexen hydraulischen Steuerung erreicht wird. Für jeden einzelnen Kolben ist nämlich eine gesonderte Druckzelle für die Hydraulikflüssigkeit, die die Kraft auf den Kolben bewirkt, und für jede Druckzelle eine aktive Ansteuerung, die den Druck in der Druckzelle geeignet einstellt, vorgesehen.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine hydraulische Stufenkolbenanordnung mit einer vereinfachten Steuerung zur Umsetzung einer beliebigen Kraft in eine zeitlich variable Kraft, einen Antrieb auf der Basis dieser Stufenkolbenanordnung, ein Verfahren zum Betrieb dieses Antriebs und ein mit dem Antrieb betätigtes Ventil einer Brennkraftmaschine zu schaffen.

Eine erfindungsgemässe hydraulische Stufenkolbenanordnung enthält zwei geführte Kolben unterschiedlichen Querschnitts, welche Kolben sich in einer Stellung an ihren Stirnflächen berühren, eine mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte Druckzelle zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben und Mittel zur Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle. Die Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle ist dabei so veränderbar, dass die beiden Kolben auf einem ersten Teilstück ihrer Bewegung in Berührung bleiben und auf einem zweiten Teilstück ihrer Bewegung als hydraulische Übersetzung wirken.

Durch Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle während des Vorschubs eines Kolbens in Richtung auf die Hydraulikflüssigkeit wird die Kraftübertragung auf den zweiten Kolben kontrolliert modifiziert.

Beispielsweise kann diese Anordnung so betrieben werden, dass sie beim Vorschub eine vorgegebene Kraft auf einen ersten Kolben in eine Kraft auf einen zweiten Kolben umwandelt, deren Stärke auf zwei verschiedenen Teilstücken der Bewegung verschieden ist, wobei die Änderung der Kraft erzielt wird durch eine von einer Steuervorrichtung kontrollierten Umschaltung der Art der Kopplung zwischen den beiden Kolben von einer formschlüssigen Kopplung, bei der die Kraft auf den ersten Kolben im wesentlichen vollständig auf den zweiten Kolben übertragen wird, auf eine kraftschlüssige Kopplung in Form einer hydraulischen Übersetzung, wobei die Querschnittsflächen der beiden Kolben bestimmen, um welchen Faktor modifiziert die Kraft vom ersten auf den zweiten Kolben übertragen wird. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Steuervorrichtung ohne Elemente realisiert werden kann, die durch geeignete Steuerbefehle gesondert aktiviert werden müssen. Vielmehr bestimmt in einer Ausführungsform der Steuervorrichtung allein die Position eines Kolbens über den Charakter der Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips liegt in der Möglichkeit, Kaskaden aus mehr als 2 unabhängig bewegbarer Kolben aneinander zu koppeln. So kann im Prinzip ein Antrieb geschaffen werden, bei dem ohne weitere aktive Steuerelemente eine Kraft während des Vorschubs in eine Kraft mit beliebig vielen diskreten, von der Position eines Kolbens abhängigen Werten umgewandelt wird.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert anhand der folgenden Figuren. Es zeigen:

FIG. 1A-C: Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während des Vorschubs,
FIG. 1D: Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während der Rückwärtsbewegung in die Ausgangsposition,
FIG. 2A-C: Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während des Vorschubs wie in FIG. 1A-C, jedoch mit hydraulischer Kraftübertragung auf den grossen Kolben,
FIG. 2D: Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während der Rückwärtsbewegung in die Ausgangsposition wie in FIG. 1D, jedoch mit hydraulischer Kraftübertragung auf den grossen Kolben.

Als Beispiele in den FIG. 1 und 2 werden Antriebe mit der erfindungsgemässen hydraulischen Stufenkolbenanordnung aus einem ersten und einem zweiten Kolben betrachtet, wobei der erste Kolben 9 (in FIG. 1) bzw. 10 (in FIG. 2) einen grösseren Querschnittsdurchmesser (A₁) hat als der zweite Kolben 11 (A₂) und eine Kraft F₁ auf den ersten Kolben beim Vorschub des ersten Kolbens in Richtung der Kraft F₁ umgesetzt wird in eine Kraft F₂. Die Kraft F₂ dient dazu, in einer hier nicht näher spezifizierten Anwendung einer Kraft F₃ (<F₂), die von einer nicht näher spezifizierten Vorrichtung 40 generiert wird und ihrerseits auf den zweiten Kolben wirkt, entgegenzuwirken. Indizes i=1 bzw. 2 kennzeichnen im folgenden grundsätzlich physikalische Grössen, die sich auf den ersten bzw. zweiten Kolben beziehen.

Die beiden Kolben in den FIG. 1 und 2 bewegen sich im wesentlichen in der gleichen Richtung und die Kopplung der beiden Kolben wird so gesteuert, dass sich auf einem ersten Teilstück der Bewegung die beiden Kolben an ihren Stirnflächen berühren. Dann ist F₁=F₂ und für die Verschiebungen Δs_i der beiden Kolben gilt Δs₁=Δs₂. Auf einem zweiten Teilstück der Bewegung wirken die beiden Kolben als hydraulische Übersetzung zusammen. Dann ist F₂=F₁*A₂/A₁ und Δs₂=Δs₁*A₁/A₂, d. h. der zweite Kolben erfährt eine reduzierte Kraft und einen vergrösserten Vorschub im Vergleich zum ersten Kolben. Solch eine Anordnung ist geeignet, einen Vorschub zu gewährleisten bei einer Gegenkraft F₃ (s. o.), die während des Vorschubs grössenordnungsmässig im Verhältnis A₂/A₁ reduziert wird.

Die FIG. 1A-D illustrieren das Grundprinzip der Erfindung anhand vier charakteristischer Stellungen der beiden Kolben während des Vorschubs und während der Rückbewegung der Kolben in ihre Ausgangsposition. Die FIG. 1A-D zeigen die Kolbenanordnung im Längsschnitt. Die Kolben 9, 11 weisen die Form eines geraden Zylinders (9) bzw. zweier in Richtung der Zylinderachsen aneinandergesetzter Zylinder (11) auf. Zur Führung der Kolben 9, 11 ist ein Führungsorgan 15 für die beiden Kolben vorgesehen, wobei das Führungsorgan ein erstes und ein zweites Teilsegment 15a, 15b aufweist, wobei das erste Teilsegment 15a die Bewegungsrichtung des ersten Kolben 9 und das zweite Teilsegment 15b die Bewegungsrichtung des zweiten Kolbens 11 definiert und die Teilsegmente so dimensioniert und so angeordnet sind, dass sich die beiden Kolben in einer Grundstellung an ihren Stirnflächen 9b und 11a berühren können. Die Teilsegmente 15a, 15b haben die Form von Hohlzylindern, deren Innenraum formschlüssig an den Mantel 9c bzw. 11c der Kolben 9 bzw. 11 angepasst ist, so dass das Führungsorgan 15 die Bewegungsrichtungen der Kolben parallel zu den Innenwänden der Teilsegmente, d. h. in y-Richtung, festlegt. In der speziellen Ausführungsform in FIG. 1 sind die Bewegungsrichtungen der beiden Kolben identisch.

FIG. 1A kennzeichnet die Grundstellung des Antriebs. In der Grundstellung befindet sich der erste Kolben 9 in einem vorgegebenen Abstand s=s_max von der Stelle, an der sich das Führungsorgan 15 an der Verbindungswand 15c zwischen den Teilsegmenten 15a und 15b verengt. Der zweite Kolben 11 ist in y-Richtung derart verschoben, dass er über einen Teil seiner Länge in das Teilsegment 15a hineinragt und mit seiner Stirnfläche 11a die Stirnfläche 9b des ersten Kolbens berührt. In der Anordnung in FIG. 1 ist das Führungsorgan 15 derart ausgestaltet, dass es zusammen mit den Stirnflächen 11a und 9b zwischen den beiden Kolben einen Hohlraum 30 abgrenzt. Dieser Hohlraum ist mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Für die Füllung des Hohlraums mit Hydraulikflüssigkeit ist ein Reservoir 21 vorgesehen, aus dem Hydraulikflüssigkeit über den Kanal 26 in der Nähe der Verbindungswand 15c in den Hohlraum 30 eingeleitet werden kann. Kanal 26 ist mittels konventioneller Mittel wie einem Rückschlagventil als Einwegleitung für die Hydraulikflüssigkeit eingerichtet.

Mittels einer konventionellen Vorrichtung 5 zur Erzeugung einer Kraft (z. B. ein mechanischer Hebel, eine Hydraulische Presse) wird eine konstante Kraft F₁ in negativer y-Richtung auf den ersten Kolben 9 erzeugt. Ohne Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 würden die beiden Kolben 9 und 11 als hydraulische Übersetzung wirken, die die Kraft F₁ um den Faktor A₂/A₁ (A₁: Querschnittsfläche des Hohlraums 30 senkrecht zur y-Achse im Bereich des Teilsegments 15a; A₂:
Querschnittsfläche des Hohlraums 30 senkrecht zur y-Achse im Bereich des Teilsegments 15b) reduziert in die Kraft F₂ auf den zweiten Kolben umwandelt, wobei sich die Kolben gemäss der obengenannten Gesetzmässigkeit separieren.

Die erfindungsgemässe gesteuerte Umschaltung zwischen einer formschlüssigen Kopplung zwischen dem ersten Kolben 9 und dem zweiten Kolben 11, wie sie in der Grundstellung gemäss FIG. 1A realisiert ist, und einer kraftschlüssigen Kopplung in Form einer hydraulischen Übersetzung wird erreicht, indem auf einem ersten Teilstück der Bewegung des ersten Kolben aus der Grundstellung in -y-Richtung eine Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 ermöglicht wird und auf einem zweiten Teilstück der Bewegung die Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 unterbunden wird. Diese gesteuerte Verdrängung sorgt dafür, dass auf dem ersten Teilstück der Bewegung die beiden Kolben an den Stirnflächen 9b und 11a in Berührung bleiben und somit die Kraft in Bewegungsrichtung vollständig vom ersten Kolben 9 auf den zweiten Kolben 11 übertragen wird, während die Wirkung der hydraulischen Übersetzung sich erst auf dem zweiten Teilstück der Bewegung entfaltet. Eine Steuervorrichtung zur Realisierung dieser gesteuerten Umschaltung zeigt die Anordnung in FIG. 1A-D. Die Wand des Führungsorgans 15 weist eine Öffnung auf, durch die Hydraulikflüssigkeit über den Kanal 25 in das Reservoir 20 verdrängt werden kann, wobei der erste Kolben 9 als Durchflusssperre für den Kanal 25 dient. Dabei ist die Öffnung in y-Richtung zwischen der Position s=s_max (FIG. 1A) und einer zweiten Grenzstellung, die den maximalen Vorschub des ersten Kolbens in -y-Richtung markiert (s=0), angeordnet. Bei dieser Konstruktion wird die Wirkung der hydraulischen Übersetzung erst in Kraft gesetzt, wenn die Mantelfläche 9c des ersten Kolbens 9 den Zufluss zum Kanal 25 und zum Reservoir 20 verschliesst. Die Positionierung und Dimensionierung der Öffnung zum Kanal 25 bestimmt somit die genannten Teilstücke der Bewegung, auf dem die beiden Kolben entweder an ihren Stirnflächen in Berührung sind (FIG. 1A und 1B) oder wie eine hydraulische Übersetzung wirken (FIG. 1C).

FIG. 1D zeigt, wie der Antrieb nach erfolgtem Vorschub (z. B. gemäss FIG. 1C) wieder in seine Grundstellung gemäss FIG. 1A zurückgebracht wird. Es wird angenommen, dass die von der Vorrichtung 40 erzeugt Gegenkraft F₃ stets gross genug ist, um die Kolben nach entsprechender Verringerung der Kraft F₁ (z. B. F₁=F₂=0) wieder in ihre Grundstellung zu bewegen. Bei dieser Rückbewegung wirken die beiden Kolben zunächst als hydraulische Übersetzung für die Kraft F₃, wobei F₃ im Verhältnis A₁/A₂ verstärkt auf den ersten Kolben 9 wirkt. Gleichzeitig verringert sich der Abstand zwischen den Stirnflächen 11a und 9b der beiden Kolben, bis sich die beiden Kolben berühren. Bis zu diesem Punkt bewegen sich die beiden Kolben so, dass das Volumen des Hohlraums 30 konstant bleibt entprechend dem Volumen der eingeschlossenen Menge Hydraulikflüssigkeit. Bei einer weiteren Bewegung der Kolben in Richtung auf ihre Ausgangsposition wächst das Volumen des Hohlraums an, und die eingeschlossene Menge Hydraulikflüssigkeit reicht nicht mehr aus, um den Hohlraum 30 zu füllen. Um den Hohlraum 30 wieder zu füllen, wird die beim Vorschub verdrängte bzw. durch kleine Lecks entwichenen Mengen Hydraulikflüssigkeit ergänzt. Zu diesem Zweck fliesst Hydraulikflüssigkeit aus den Reservoiren 21 und/oder 20 in den Hohlraum 30. Der Zufluss aus dem Reservoir 20 ist erst möglich, wenn die Öffnung zum Kanal 25 von der Mantelfläche 9c des ersten Kolbens nicht mehr verdeckt wird. Der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 20 bzw. 21 kann besonders einfach dadurch realisiert werden, dass Reservoir und Hohlraum als kommunizierendes System für die Hydraulikflüssigkeit ausgelegt werden, bei dem z. B. aufgrund eines Druckgefälles oder der Schwerkraft Hydraulikflüssigkeit so lange in den Hohlraum fliesst, bis dieser gefüllt ist.

Bei der Anordnung in FIG. 1 ist die Position s des ersten Kolben 9, bei der die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 unterbunden und die hydraulische Übersetzung in Funktion gesetzt wird, festgelegt durch die Anordnung der Öffnung im Führungsorgan, die den Zugang zum Kanal 25 bildet. Die Anordnung in FIG. 1 kann leicht so modifiziert werden, dass die hydraulische Übersetzung an einer beliebigen Position s im Bereich 0<s<s_max aktiviert werden kann. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass anstelle des Kanals 25 in FIG. 1 ein Verbindungskanal zwischen dem Hohlraum 30 und dem Reservoir 20 geschaffen, welcher Kanal unabhängig von der Position s für die Hydraulikflüssigkeit im Hohlraum 30 zugänglich ist, der aber mit einem steuerbaren Ventil in Abhängigkeit von der Position s wahlweise geöffnet oder gesperrt werden kann. Auf diese Weise wird die Position s, bei der die hydraulische Übersetzung in Funktion gesetzt wird, regelbar. Eine Kanalöffnung, die unabhängig von der Position s eine Verbindung zum Hohlraum 30 ermöglicht, kann z. B. am Übergang zwischen der Verbindungswand 15c und dem Teilsegment 15b installiert werden.

FIG. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Antriebs in FIG. 1. Im Zusammenhang mit der Erklärung der Funktionsweise der Anordnung in Fig. 1 war es nicht relevant, die Vorrichtung 5 zur Erzeugung der Kraft F₁ näher zu spezifizieren. Die Anordnung in FIG. 2 ist eine spezielle Ausgestaltung des Antriebs in FIG. 1 derart, dass die Vorrichtung 5 als hydraulisches System ausgebildet ist.

Die spezielle Ausbildung der Vorrichtung 5 als hydraulisches System bedingt die Installation zusätzlicher Elemente am Führungsorgan 15. Weiterhin ist der erste Kolben 9 ersetzt durch einen modifizierten Kolben 10, um die Kraftübertragung auf den ersten Kolben zu ermöglichen und eine Steuerung des Bewegungsablaufs der Kolben 10, 11 zu realisieren. Insbesondere enthält die Anordnung in FIG. 2 eine hydraulische Bremsvorrichtung, die dafür sorgt, dass die Geschwindigkeit der Kolben gedrosselt wird, wenn die Position s des ersten Kolbens eine untere Grenze unterschreitet oder eine obere Grenze überschreitet; auf diese Weise wird der Aufprall der Kolben auf feststehende Begrenzungselemente gedämpft und ein verschleissarmer Betrieb des Antriebs gewährleistet.

In der Anordnung in FIG. 2 wird die Kraft F₁ hydraulisch übertragen als Druckkraft auf die dem zweiten Kolben 11 abgewandte Stirnfläche 10a des Kolbens 10. Als Vorrichtung zur Erzeugung der Druckkraft ist eine Druckkammer 80 eingerichtet, die von der Stirnfläche 10a des ersten Kolbens, der Wand des Teilsegments 15a und der Begrenzungswand 16 gebildet wird und der Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit dient. Die Hydraulikflüssigkeit wird unter dem Druck P₁ mittels eines Versorgungssystems, zu dem das Reservoir 60 für Hydraulikflüssigkeit und die Verbindungskanäle 53 und 51 gehören, unter Kontrolle der Steuereinheit 70 durch die Öffnung 51a zugeführt. Für die Druckkammer 80 bildet der erste Kolben 10 eine bewegliche Wand, auf die die Kraft F₁=P₁*A₁ in -y-Richtung wirkt. Zum Ablassen der Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 ist ein gesteuerter Abfluss vorgesehen: Ebenfalls unter Kontrolle der Steuereinheit 70 kann die Hydraulikflüssigkeit über die Verbindungskanäle 52 und 54 in ein Reservoir 61, das unter dem Innendruck P₂<P₁ steht, abfliessen. Der Zufluss bzw. Abfluss von Hydraulikflüssigkeit wird kontrolliert mit Hilfe eine Steuerventils 50, das von der Steuereinheit 70 mittels der Kommunikationsschnittstelle 71 gesteuert wird. Das Steuerventil ist ausgeführt als Schiebeventil, das entweder den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 60 in die Druckkammer ermöglicht und gleichzeitig den Abfluss in das Reservoir 61 unterbindet oder umgekehrt: Zu diesem Zweck werden synchron Verbindunsglieder 50a bzw. 50b als steuerbare Verbindungen zwischen die Verbindungskanäle 53 und 51 bzw. die Verbindungskanäle 52 und 54 geschoben, wobei das Verbindungselement 50a die angeschlossenen Verbindungskanäle gegeneinander isoliert und das Verbindungselement 50b zwischen den angeschlossenen Verbindungskanälen eine offene Verbindung realisiert, die den Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit in der in FIG. 2 durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung gestattet.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Antriebs in FIG. 2 im Detail beschrieben. Die FIG. 2A-C kennzeichnet die Stellung der Elemente des Antriebs während der Bewegung der Kolben 10, 11 aus einer Grundstellung, bei der der Abstand s einen durch die Position der Begrenzungswand 16 gegebenen Maximalwert annimmt (FIG. 2A) und sich die beiden Kolben 10 und 11 an den Stirnflächen 10b und lla berühren, in eine Endstellung (FIG. 2C), in der der Abstand s einen Minimalwert annimmt. FIG. 2D beschreibt den Antrieb während der Rückbewegung der Kolben aus der Endstellung in die Grundstellung gemäss FIG. 2A. FIG. 2C markiert eine Zwischenstellung des Antriebs, in der die Kolben 10 und 11 sich an den Stirnflächen 10b und 11a voneinander zu lösen zu beginnen, indem die hydraulische Übersetzung aktiviert wird. Die FIG. 1X und 2X (X=A, B, C, D) zeigen somit äquivalente Bewegungszustände.

Während der Bewegung der Kolben aus der Grundstellung in die Endstellung gelangt Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 60 in die Druckkammer 80. Das Steuerventil verbindet in diesem Stadium die Verbindungskanäle 51 und 53 und unterbindet den Abfluss von Hydraulikflüssigkeit, indem es die Verbindungskanäle 52 und 54 voneinander isoliert.

Um eine Steuerung des Bewegungsablaufs der beiden Kolben zu realisieren, ist eine Regulierung des Zuflusses von Hydraulikflüssigkeit in die Druckkammer 80 durch den ersten Kolben selbst vorgesehen. Um diese Regulierung zu erreichen, leitet der Verbindungskanal 51 Hydraulikflüssigkeit durch eine Öffnung 51a durch die Wand des Teilsegments 15a. Diese Öffnung 51a ist bezüglich der y-Richtung so positioniert, dass sie in der Grundstellung gemäss FIG. 2A von der Mantelfläche 10c des ersten Kolbens 10 blockiert wäre, gäbe es nicht mindestens einen speziellen Durchgangskanal, der Hydraulikflüssigkeit von der Öffnung 51a zur Druckkammer 80 leiten würde. Der Antrieb in FIG. 2 weist zwei solche Durchgangskanäle 12, 13 auf, die im ersten Kolben 10 untergebracht sind und somit mit dem Kolben relativ zu der Öffnung 51a bewegt werden. Die beiden Durchgangskanäle stellen jeweils eine Verbindung her zwischen einer Öffnung auf dem der Öffnung 51a zugewandten Teil der Mantelfläche 10c des Kolbens 10 und einer Öffnung in der Stirnfläche 10a. Die beiden Durchgangskanäle weisen unterschiedliche Querschnittsflächen auf und bieten somit unterschiedliche Strömungswiderstände für die Hydraulikflüssigkeit. Sie sind so angeordnet, dass am Anfang der Bewegung des ersten Kolben nur der Durchgangskanal 12 mit der grösseren Querschnittsfläche eine Verbindung zwischen der Öffnung 51a und der Druckkammer 80 (siehe FIG. 2C-D) herstellt. Diese Verbindung bleibt nur so lange bestehen, als während des Vorschubs des ersten Kolbens 10 die Eingangsöffnung 12a mit der Öffnung 51a überlappt. Der zweite Durchgangskanal 13 ist so eingerichtet, das er beim Vorschub des ersten Kolbens von dem Moment, von dem an die Eingangsöffnung 12a nicht mehr mit der Öffnung 51a überlappt, die Verbindung zwischen Verbindungskanal 51 und der Druckkammer 80 herstellt (FIG. 2B, C). Da der zweite Durchgangskanal 13 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der erste Durchgangskanal, reduziert er den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit zu der Druckkammer 80 pro Zeiteinheit im Vergleich zur Grundstellung gemäss FIG. 2A. Da die Geschwindigkeit des ersten Kolbens beim Vorschub um so grösser ist, je grösser die pro Zeiteinheit in die Druckkammer 80 fliessende Menge Hydraulikflüssigkeit ist, wird auf diese Weise die obenerwähnte Bremswirkung erzielt, wenn die Distanz s reduziert ist auf weniger als eine bestimmte, von der Positionierung und Dimensionierung der Durchgangskanäle und der Öffnung 51a bestimmte Distanz.

Der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit in den Hohlraum 30 durch die Kanäle 25 und 26 und die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus de Hohlraum 30 durch den Kanal 25 funktioniert beim Antrieb in FIG. 2 nach den gleichen Prinzipien wie im Fall des Antriebs in FIG. 1 abgesehen von einer konstruktiven Vereinfachung beim Antrieb in FIG. 2: Beim Antrieb in FIG. 2 sind die Kanäle 25 und 26 nicht verschiedenen Reservoiren zu geführt wie in FIG. 1 (Reservoire 20, 21), sie haben vielmehr über den Kanal 28 Verbindung zu einem gemeinsamen Reservoir 29 für die Hydraulikflüssigkeit. Da die Kanal 26 in FIG. 1 und FIG. 2 ausschliesslich dem Füllen des Hohlraums 30 mit Hydraulikflüssigkeit dient und eine Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal 26 mit der Funktion des Antriebs nicht vereinbar ist, ist in FIG. 2 zwischen Kanal 26 und Kanal 28 ein Rückschlagventil 27 eingebaut. Auf diese Weise ist Kanal 26 sowohl in FIG. 1 als auch in FIG. 2 als Einwegleitung für Hydraulikflüssigkeit ausgelegt. Ein freier bidirektionaler Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen dem Reservoir 29 und des Hohlraums 30 ist nur über den Kanal 25 möglich. Die Flussrichtung von Hydraulikflüssigkeit in den Kanälen 25 und 26 ist für die verschieden Stellungen des Antriebs in FIG. 2 durch Pfeile gekennzeichnet.

Bei der Rückbewegung der Kolben in die Grundstellung (FIG. 2C) ist durch das Schiebeventil 50 die Verbindung der Druckkammer 80 zum Reservoir 60 unterbrochen, während die Verbindung zum Reservoir 61 geöffnet ist, um eine Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 zu ermöglichen und die Kräfte F₁ und F₂ derart zu verkleinern, dass die Kraft F₃ die Rückbewegung bewirken kann. Der erste Kolben 10 in FIG. 2 besitzt eine Bremsvorrichtung, die die Geschwindigkeit der Kolben bei der Rückbewegung aus der Endstellung gemäss FIG. 2C in die Grundstellung gemäss FIG. 2A kurz vor Erreichen der Endstellung verlangsamt und nach einem ähnlichen Prinzip organisiert ist wie die bereits behandelte Bremsung beim Vorschub: Wie aus FIG. 2D im Vergleich mit FIG. 2A zu erkennen ist, geschieht die Abbremsung bei der Rückbewegung über eine Verringerung der pro Zeiteinheit aus der Druckkammer 80 über den Verbindungskanal 52, das geöffnete Steuerventil 50, den Verbindungskanal 54 in das Reservoir 61 verdrängten Hydraulikflüssigkeit. Am Beginn der Rückbewegung ist die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 limitiert durch den Teil der Fläche der Durchgangsöffnung im Teilsegment 15a zwischen Druckkammer 80 und Verbindungskanal 52, der nicht von der Mantelfläche 10c des ersten Kolbens abgedeckt ist. Der Strom der Hydraulikflüssigkeit ist für diese Situation in FIG. 2D durch Pfeile im Verbindungskanal 52 dargestellt. Dieser Strom wird bei fortschreitender Rückbewegung reduziert und schliesslich unterbunden, wenn die Mantelfläche 10c die Öffnung zum Kanal 52 abdeckt. Um die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 nicht schlagartig zu unterdrücken und somit den ersten Kolben 10 abrupt abzubremsen und statt dessen stets eine minimale, wohl definierte Verdrängung sicherzustellen, ist ein Durchgangskanal 14 im ersten Kolben 10 installiert, der die Stirnfläche 10a und die Mantelfläche 10c des ersten Kolbens 10 so verbindet, dass Hydraulikflüssigkeit über den Durchgangskanal 14 immer dann aus der Druckkammer 80 in den Verbindungskanal 52 gelangt, wenn das Volumen der Druckkammer ein vorgegebene Grenze unterschreitet und ohne einen solchen Durchgangskanal 14 der Zugang zum Verbindungskanal 52 durch den Kolben selbst versperrt wäre. Durch geeignete Dimensionierung des Querschnitts des Durchgangskanals kann die pro Zeiteinheit aus der Druckkammer 80 verdrängte Menge der Hydraulikflüssigkeit und somit die Geschwindigkeit der Kolben 10 und 11 auf dem letzten Stück der Rückbewegung in die Grundstellung des Antriebs festgelegt werden.

Eine naheliegende Anwendung eines Antriebs gemäss FIG. 2 ist die Betätigung eines Ventils einer Brennkraftmaschine (z. B. ein Zylindereinlass- oder -auslassventil) bei einer Gegenkraft, die sich mit der Zeit verändert. Ein Beispiel ist ein Auslassventil am Zylinder einer Brennkraftmaschine, bei dem die Ventilnadel beim Öffnen des Ventils gegen die Kraft aufgrund des im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine herrschenden Gasdrucks und die Kraft einer Rückstellvorrichtung, die einer Verschiebung der Ventilnadel mit einer geeigneten Gegenkraft entgegenwirkt, verschoben werden muss. Beim Öffnen des Auslassventils entweichen unter hohem Druck stehende Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum. Der Gasdruck nimmt dabei meist derart schnell ab, dass die Gesamtkraft F₄, die der Öffnung des Ventils entgegensteht, nämlich die Kraft aufgrund des Gasdrucks und die Kraft der Rückstellvorrichtung, während der Öffnung des Ventils stark abnimmt. Ein Antrieb, der beim Öffnen des Ventils die Ventilnadel um eine vorgegebene Distanz verschieben muss und dabei die Schubkraft angepasst an die Gesamtkraft F₄ verringert, hat eine günstigere Energiebilanz gegenüber einem Antrieb ohne eine entsprechende Anpassung der Schubkraft.

Zur Betätigung solch einer Ventilnadel kann ein Antrieb der in FIG. 2 dargestellten Art wie folgt genutzt werden. Die Ventilnadel entspricht der Vorrichtung 40 mit F₃=F₄, wobei es nicht relevant ist, auf welche Weise die Kraft des zweiten Kolbens 11 auf die Ventilnadel übertragen wird, z. B. durch eine starre Verbindung oder durch eine kraftschlüssige Verbindung über eine Hydraulik. Um bei der Öffnung des Ventils die Ventilnadel um eine vorgegebene Distanz S_N zu verschieben, wird der Antrieb gemäss FIG. 2 nach den folgenden Kriterien eingerichtet, wobei der Distanz S_N eine Verschiebung s₂ des zweiten Kolbens 11 entspricht:

Vorgegeben ist ein konstanter Druck P₁ im Reservoir 60 für die Hydraulikflüssigkeit. Um einen Vorschub der Ventilnadel zu gewährleisten, muss auf dem ersten Teilstück der Bewegung vor Aktivierung der hydraulischen Übersetzung F₄<F₁=F₂=P₁*A₁ sein.
Auf dem zweiten Teilstück der Bewegung nach Aktivierung der hydraulischen Übersetzung muss F₄<F₂=F₁*A₂/A₁=P₁*A₂ sein.
Um den Energieverbrauch des Antriebs zu optimieren, soll die Strecke, um die der erste Kolben 10 bewegt werden muss, um den Vorschub der Ventilnadel um die Distanz S_N zu realisieren, minimal sein. Dadurch wird die Menge Hydraulikflüssigkeit, die in die Druckkammer 80 befördert werden muss, minimiert.
Um das Ventil zu schliessen, wird das Steuerventil 50 gemäss FIG. 2D geschaltet. F₄ muss gross genug sein, um die Kolben wieder in ihre Grundstellung zu befördern. Sollte der Gasdruck dazu nicht ausreichen, dann lässt sich die fehlende Kraft immer aufbringen durch eine geeignete Gestaltung der genannten Rückstellvorrichtung mit konventionellen Mitteln, z. B. durch Installation einer geeignet vorgespannten Luftfeder.

Wegen des dritten Kriteriums sollte das erste Teilstück der Bewegung möglichst kurz und das Verhältnis A₂/A₁ möglichst klein sein unter der Nebenbedingung, dass die in den beiden ersten Kriterien genannten Beziehungen für die Kräfte F₄ und F₂ erfüllt sind. Die Erfüllung dieser Nebenbedingung ist naheliegend, wenn konkrete Angaben für F₄ als Funktion der Zeit und der Position der Ventilnadel vorgegeben sind.

Die genannten speziellen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Antriebs können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Im Falle des Antriebs gemäss FIG. 2 kann die Hydraulikflüssigkeit zur Erzeugung der Kraft F₁ durch ein beliebiges druckübertragendes Medium, z. B. ein Gas, ersetzt werden. Weiterhin müssen die Kolben nicht notwendigerweise die gleichen Bewegungsrichtungen haben. Allerdings wäre dann bezüglich der Kraftübertragung zwischen den Kolben während des Teils der Bewegung, bei dem sich die Kolben an ihren Stirnflächen 10b und lla berühren, zu berücksichtigen, dass eine Komponente der Kraft, die auf den zweiten Kolben wirkt, vom Teilsegment 15b aufgenommen wird. Die genannten Beziehungen für F₁ und F₂ wären entsprechend zu modifizieren. Weiterhin können die Antriebe in FIG. 1 und FIG. 2 auch invers betrieben werden, nämlich derart, das die Kraft F₃ auf den kleineren Kolben umgesetzt wird in eine Kraft auf den grösseren Kolben (wobei F₂=0), wobei die Kolben wiederum über einen Teil der Bewegung wie eine hydraulische Übersetzung wirken und sich über einen anderen Teil der Bewegung an ihren Stirnflächen 9b bzw. 10b und 11a berühren, wodurch die hydraulische Übersetzung deaktiviert wird. In diesem Fall würden sich im Gegensatz zu der Anordnung in FIG. 1 und 2 die Kolben in einer Anfangsstellung an ihren Stirnflächen nicht berühren und während des ersten Teilstücks der Bewegung wäre die Menge Hydraulikflüssigkeit im Hohlrum 30 konstant. Weiterhin kann man eine Kaskade aus drei und mehr Kolben durch Erweiterung der diskutierten Antriebe aufbauen, indem man jeweils zwei Kolben mit den obengenannten konstruktiven Mitteln z. B. gemäss FIG. 1 oder 2 aneinanderkoppelt.

Der Kern der Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:

Die erfindungsgemässe hydraulische Stufenkolbenanordnung besitzt zwei geführten Kolben (9, 10, 11) unterschiedlichen Querschnitts, wobei die Kolben sich in einer Stellung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren, eine mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckzelle (30, 15a-c) zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben, und Mittel (25, 20) zur Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle. Die Menge Hydraulikflüssigkeit wird dadurch verändert, dass Hydraulikflüssigkeit durch einen mit der Druckzelle verbundenen Kanal (25) verdrängt werden kann und der Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal gesteuert wird, indem einer der Kolben (9, 10) bei einer Verschiebung um eine vorgegebene Strecke den Zugang von Hydraulikflüssigkeit zum Kanal (25) nur auf einem Teil der Strecke versperrt. Durch die Steuerung der Menge der Hydraulikflüssigkeit während der Bewegung der Kolben kann die durch die Druckzelle vermittelte Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben gesteuert werden und eine konstante Kraft auf einen der Kolben in eine variable Kraft auf den zweiten Kolben umgesetzt werden, wobei die Kolben sich während eines Teils der Bewegung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren und während eines anderen Teils wie eine hydraulische Übersetzung für die an den Kolben angreifenden Kräfte wirken.

Claims

Hydraulische Stufenkolbenanordnung mit zwei geführten Kolben (9, 10, 11), von denen der erste Kolben (9,10) einen grösseren Querschnitt aufweist als der zweite Kolben (11), welche Kolben sich in einer Stellung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren, und mit einer mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckzelle (30, 15a-c) zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben, sowie mit Mitteln (25, 20) zur Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle, welche Mittel (25,20) in einem ersten Teilstück der Bewegung der beiden Kolben (9,10,11) die Verdrängung bzw. den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus der bzw. in die Druckzelle (30, 15a-c) ermöglichen, sodass die beiden Kolben (9, 10; 11) auf diesem ersten Teilstück ihrer Bewegung in Berührung bleiben, und welche Mittel auf einem zweiten Teilstück der Bewegung der beiden Kolben (9,10,11) die Verdrängung bzw. den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus der bzw. in die Druckzelle (30, 15a-c) unterbinden, sodass die beiden Kolben (9,10,11) auf diesem zweiten Teilstück als hydraulische Übersetzung wirken, deren Verhältnis durch die genannten unterschiedlichen Querschnitte der beiden Kolben (9, 10, 11) gegeben ist.
Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen für die Hydraulikflüssigkeit durchgängigen, mit der Druckzelle verbundenen Kanal (25) und eine Vorrichtung (9, 10) zum Steuern des Durchflusses der Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal enthalten.
Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kolben (9, 10) Teil der Vorrichtung ist und bei einer Verschiebung um eine vorgegebene Strecke den Zugang von Hydraulikflüssigkeit zum Kanal (25) nur auf einem Teil der Strecke versperrt.
Stufenkolbenanordnung nach einem der Ansprüche 2-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (25) mit einem Reservoir (20) für die Hydraulikflüssigkeit verbunden ist.
Stufenkolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1-4 gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zur Erzeugung einer Kraft auf einen der Kolben (9, 10) in Richtung auf den anderen Kolben (11).
Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einrichtung (5) zur Erzeugung einer Kraft auf den einen der Kolben eine Vorrichtung zur Übertragung einer Druckkraft auf eine Stirnfläche (10a) des einen der Kolben mit einem Druckmittel gehört, welche Vorrichtung eine Druckkammer (80) und ein Versorgungssystem (50, 51, 53) zum Einleiten des Druckmittels aus einem Reservoir (60) in die Druckkammer (80) enthält, wobei der eine der Kolben (10) eine bewegliche Wand der Druckkammer bildet.
Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Versorgungssystem eine Vielzahl von Durchgangskanälen (12, 13) für das Druckmittel in dem einen der Kolben (10) gehören, welche Durchgangskanäle in Verbindung (12b) zur Druckkammer (80) stehen und eine Öffnung (12a) auf der Mantelfläche (10c) des einen der Kolben (10) haben, wobei die Öffnungen mit dem Reservoir (60) zum Einleiten des Druckmittels in die Druckkammer (80) verbunden sind in für verschiedene Durchgangskanälen (12, 13) unterschiedlichen Bereichen für die Position des einen der Kolben (10).
Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle derart beschaffen sind, dass die Strömungswiderstände der Durchgangskanäle (12, 13) in der Reihenfolge wachsen, in der die Durchgangskanäle bei einer Verschiebung des einen der Kolben (10) aufgrund der Wirkung der Kraft (5) nacheinander mit dem Reservoir (60) zum Einleiten des Druckmittels in die Druckkammer (80) verbunden werden.
Stufenkolbenanordnung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (61, 54, 52, 50) zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit, die aus der Druckkammer (80) bei einer Verkleinerung ihres Volumens durch Verschiebung des einen der Kolben (10) verdrängt wird, vorhanden sind, wobei die verdrängte Hydraulikflüssigkeit durch einen Kanal (14) in dem einen der Kolben (10) fliesst, wenn das Volumen eine vorgegebene untere Grenze unterschreitet.
Ventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Stufenkolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5-9.
Brennkraftmaschine mit einem Ventil, insbesondere Zylindereinlassventil oder Zylinderauslassventil, nach Anspruch 10.
Verfahren zum Betrieb einer Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

sich die beiden Kolben (9, 10, 11) in einer Anfangsstellung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren,

der Kolben mit der gösseren Querschnittsfläche mittels der Einrichtung (5) zur Erzeugung einer Kraft bewegt wird, und

während seiner Bewegung die Menge
Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle (30, 15a-c) zunächst reduziert und anschliessend konstant gehalten wird.
Verfahren zum Betrieb einer Stufenkolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

sich die beiden Kolben (9, 10, 11) in einer Anfangsstellung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) nicht berühren,

der Kolben mit der kleineren Querschnittsfläche mittels der Einrichtung (5) zur Erzeugung einer Kraft bewegt wird, und

während seiner Bewegung die Menge
Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle (30, 15a-c) zunächst konstant und nach Berührung der beiden Kolben (9, 10, 11) an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) vergrössert wird.