Die vorliegende Erfindung betrifft einen vollvariablen hydraulischen Ventilantrieb mit
einer hydraulischen Antriebseinheit, insbesondere Kolben-Zylindereinheit, welche zum
Öffnen und Schließen eines Ventils, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit
Hydraulikfluid beaufschlagt ist, wobei die Antriebseinheit des Ventils beim Schließoder
Öffnungshub einen Zwischenspeicher mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid
beaufschlagt.
Bei den heutigen Verbrennungsmotoren wird zunehmend in den Betrieb des Motors
aktiv eingegriffen. Damit ist es möglich, den Wirkungsgrad zu steigern und damit
Kraftstoff zu sparen und die Schadstoffemission zu verringern. Ein Schritt in diese
Richtung ist die Beeinflussung der Abgasabfuhr und der Frischluftzufuhr bzw. der
Zufuhr des Gasgemisches. Um eine gegenüber dem Stand der Technik
weiterreichende Beeinflussung in diesem Bereich durchführen zu können, ist es
notwendig, jedes einzelne Ventil eines Motors getrennt steuern zu können. Für einen
vollständigen Eingriff in diesen Teil des Kreisprozesses müssen die Öffnungsdauer, die
Öffnungszeitpunkte und die Öffnungshübe der einzelnen Ventile beliebig variiert
werden können. Die Erfindung beschäftigt sich mit einer energieeffizienten
Realisierung eines vollvariablen Ventilantriebs in hydraulischer Ausführung.
Es gibt verschiedenste Verfahren zur Realisierung eines variablen Ventilantriebs. Die
einzelnen Verfahren können in folgende Gruppen mit den zu diesen Gruppen
gehörenden einzelnen Patentnummern unterteilt werden:
Als Beispiele für Systeme ohne Nockenwelle sind mit dem elektrischen
Funktionsprinzip die DE 330 707 070, die US 4 375 793 und die EP 0 390 519 zu
nennen. Ein System ohne Nockenwelle mit pneumatischem Funktionsprinzip wird in
der DE 37 39 775 und der US 5 193 495 gezeigt. Ein System ohne Nockenwelle mit
hydraulischem Funktionsprinzip wird in der DE 20 08 668, in der DE 39 09 822 A1, in
der DE 38 33 459, in der DE 38 36 725, in der EP 0 19 376, in der WO 84/01 651, in
der US 5 272 136 und in der US 5 829 396 gezeigt. Auf dem mechanischen
Funktionsprinzip beruhende Systeme ohne Nockenwelle werden in der DE 20 06 618,
der DE 23 63 891, der DE 24 28 915, der DE 368 775, der US 4 231 130, der DE 31 26
620, der DE 33 26 096, der DE 34 15 245, der DE 38 00 347, der DE 40 36 279, der
DE 36 21 080, der DE 30 15 005, der US 5 103 779, der DE 21 01 542 und der DE 29
26 327 gezeigt.
Neben den genannten Systemen existieren auch Systeme mit Nockenwelle. Diese sind
zum einen Systeme mit konventioneller Nockenwelle. Hier werden verschiedene
Stellen des Eingriffs in die Variabilität des Ventilantriebs durch Kopplung von Hydraulik
und Mechanik, Verwendung mehrerer Nockenwellen usw. realisiert. Daneben
existieren Systeme mit speziellen Nockenwellen. Hier werden verschiedene Stellen
des Eingriffs in die Variabilität des Ventilantriebs durch mechanische Getriebe
realisiert. Zusammenfassend gibt es eine Vielzahl an Patenten, die sich mit Systemen
mit Nockenwellen beschäftigen.
Bei der Realisierung eines variablen Ventilantriebs mit einem magnetischen Antrieb
müssen ein hoher Leistungsbedarf und hohe Entwicklungskosten in Kauf genommen
werden. Außerdem muß der Motornotlauf bei Stromausfall aufwendig realisiert werden.
Die Leistungsdichte von Elektromagneten ist im Vergleich zur Hydraulik sehr gering,
die Realisierung daher platzaufwendig.
Pneumatische Antriebe benötigen ebenfalls eine große Leistung. Die Leistungsdichte
ist im Vergleich zu elektromagnetischen Antrieben nur unwesentlich größer.
Hydraulische Antriebe ermöglichen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte kompakte
Realisierungen. In den oben angegebenen Patenten wird nur ein kleiner Teil der
zugeführten Leistung zwischengespeichert. Daher benötigen diese Schaltvarianten
große Anschlußleistungen. Stellvertretend für den Stand der Technik wird das Patent
US 5,272,136 in der Figurenbeschreibung erläutert. Bei der diesem Patent gemäßen
Ausführungsform eines Ventilantriebs wird eine teilweise Energierückgewinnung
erzielt. Ein großes Problem dieser Anordnung ist jedoch, daß die Hydraulikventile bei
den größten Ventilgeschwindigkeiten und somit bei den größten Volumenströmen
geöffnet und geschlossen werden. Dadurch wird aufgrund endlicher
Ventilgeschwindigkeiten Energie durch Drosselverluste in Wärme umgewandelt. In
anderen Patenten wird die aufgewendete Energie überhaupt nicht zurückgewonnen.
Diese Ventilantriebe haben daher einen großen Leistungsbedarf.
Einen weiteren hydraulischen Ventilantrieb mit einem Druckspeicher offenbart die DE
40 02 856 A1. Hier kann das aus einem Schließzylinder rückgewonnene
Hydraulikmedium jedoch erst, wenn ein gewisser Druck im Speicher erreicht ist, wieder
für einen Arbeitshub verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen vollvariablen, gezielt ansteuerbaren
hydraulischen Ventilantrieb zu schaffen, bei dem die im Ventilantrieb einmal
eingesetzte Energie nahezu vollständig rückgewonnen und für den anschießenden
Öffnungs- oder Schließzyklus zur Verfügung gestellt wird. Des weiteren ist es Aufgabe
dieser Erfindung, die anderen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dieses im Zwischenspeicher unter
Druck gespeicherte Hydraulikfluid anschließend bei dem entgegengesetzten Hub
wieder die Antriebseinheit des Ventils antreibt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit eine Variante, welche die gesamte
zugeführte Energie (bis auf die Reibungsverluste des Ventilstößels und die
Strömungsverluste durch die geöffneten Hydraulikventile) zurückgewinnt und beim
nächsten Zyklus wiederverwertet. Dadurch wird der Energieverbrauch stark reduziert.
Die verbleibenden Verluste werden hauptsächlich von der Baugröße, d.h. von der
Größe des Nennvolumenstroms (Einheit l/min) eines schnellen Schaltventils bestimmt.
Beim erfindungsgemäßen vollvariablen hydraulischen Ventilantrieb wird das Ventil
beim Öffnungs- und/oder beim Schließhub in Form eines freien Schwingers
beschleunigt und gebremst, wobei vorzugsweise ein Steuerventil das Ventil in
geöffnetem und geschlossenem Zustand festhält. Hierbei kann in Näherung und unter
Vernachlässigung der Reibungsverluste ein freischwingendes Pendel, welches in
seinen extremen Auslenkungen festgehalten wird, als physikalische Analogie angeführt
werden. Im Sinne dieser Analogie entspricht es dem Zustand des Pendels, wenn es
bei maximaler Auslenkung festgehalten wird und somit maximale potentielle Energie
besitzt, im Falle des Ventilantriebs dem Zustand, wenn z.B. das Ventil geschlossen
und damit das Hydraulikfluid im Zwischenspeicher unter Druck gespeichert wird. Wird
nun das Steuerventil zwischen dem Zwischenspeicher und der Antriebseinheit des
Ventils geöffnet, so entspricht dies dem Loslassen des Pendels. Nach Öffnen des
Steuerventils strömt das unter Druck stehende Hydraulikfluid über das Steuerventil in
den Zylinder der Antriebseinheit des Ventils und das Ventil wird beschleunigt. Dies
entspricht in der Analogie des Pendels dem Pendeln. Mit zunehmender Menge an
Hydraulikflüssigkeit, welche vom Zwischenspeicher in die Zylinderkammer der
Ventilantriebseinheit geströmt ist, nimmt die resultierende Kraft auf die Antriebseinheit
des Ventils ab. Dadurch wird das Ventil gebremst. Dies entspricht dem Pendel, wenn
es über die Nullage hinausgeschwungen ist und durch die entsprechenden Kräfte
abgebremst wird. Bevor die Antriebseinheit des Ventils seine Bewegungsrichtung
ändert, wird das Steuerventil geschlossen und somit die Antriebseinheit in der anderen
Extremlage fixiert. Dies entspricht in der Analogie dem Zustand, wenn das Pendel die
zweite Extremlage erreicht hat und dort festgehalten wird. Wird das Steuerventil nun
wieder geöffnet, so beginnt der entgegengesetzte Vorgang.
Wie mit der oben erläuterten Pendelanalogie gezeigt, führt der erfindungsgemäße
Ventilantrieb einen Öffnungs- und/oder einen Schließhub des Ventils in einem in
diesem Zeitinter-vall geschlossenen Hydrauliksystem durch. Dieses Hydrauliksystem
besteht vorzugsweise aus einem Zwischenspeicher, einer Antriebseinheit des Ventils
und einem Steuerventil.
Der erfindungsgemäße variable Ventilantrieb ist zum Antrieb von Ein- und
Auslaßventilen geeignet. Unterschiede gibt es nur bei der Dimensionierung. Es werden
daher in der nachfolgenden Beschreibung, wenn von Ventilen die Rede ist, Ein- bzw.
Auslaßventile des Verbrennungsmotors angesprochen. Der mögliche Einsatzbereich
des erfindungsgemäßen variablen Ventilantriebs geht über die reine Verwendung bei
Verbrennungskraftmaschinen hinaus. Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich
unmittelbar zur aktiven Ventilsteuerung in Kompressoren und zur Ansteuerung von
schnellen Hydraulikventilen.
Beim erfindungsgemäßen Ventilantrieb wird durch hydraulische Schließkräfte das
Ventil in der geschlossenen Stellung gehalten. Damit kann auf einfachem Wege
Ventilspiel, wie es durch Abnutzung und Ablagerung am Ventil entsteht, ausgeglichen
werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines vollvariablen Ventilantriebs wird
(werden) das bzw. die Steuerventil(e) nur dann geschaltet, wenn der durch es (sie)
hindurchfließende Hydraulikflüssigkeitsvolumenstrom kleiner als 20 % des maximal
durch es (sie) hindurchfließenden Volumenstroms ist. Ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel sieht vor, daß das bzw. die Steuerventil(e) nur dann geschaltet
wird (werden), wenn der durch es (sie) hindurchfließende
Hydraulikflüssigkeitsvolumenstrom kleiner als 10 % bzw. kleiner als 5 % des maximal
durch es (sie) hindurchfließenden Volumenstroms ist. Bei dieser Ausführungsform ist
die Schaltgeschwindigkeit der Hydraulikventile nicht so entscheidend wie beim Stand
der Technik. Darüber hinaus wird deutlich weniger Energie durch Drosselverluste in
Wärme umgewandelt.
Im Kern handelt es sich bei diesem erfindungsgemäßen Konzept um einen Positionierantrieb,
der durch die folgenden erläuterten Funktionsmerkmale gekennzeichnet ist.
Die Positionierung erfolgt in einem Zug. Verschiedene Postionen sind im voraus
wählbar. Bei allen zu überwindenden Kräften dominiert die Beschleunigungskraft.
Dadurch ist die Energierückgewinnung signifikant. Die Zeit für das Positionieren ist
weitgehend unabhängig von der gewählten Position. Es wird eine hohe Dynamik und
dadurch extrem kurze Positionierzeiten erreicht. Insgesamt treten beim
erfindungsgemäßen Ventilantrieb nur geringe Verluste auf. Die beim Positionieren zu
überwindenden Kräfte sind im voraus genau bekannt, andernfalls würden große
Streuungen in der Position auftreten.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt
- Fig. 1
- den Stand der Technik anhand eines Patentes von Ford,
- Fig. 2
- eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen vollvariablen hydraulischen
Ventilantriebs,
- Fig. 3
- Varianten anderer bevorzugter Ausführungsformen.
Beim in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik werden das Ein- bzw. Auslaßventil
durch einen konstanten Systemdruck in geschlossener Stellung gehalten. Der
konstante Druck (Anschluß 44) wirkt hierbei auf die Ringfläche des Kolbens 26. Durch
Öffnen vom Steuerventil 64 wird in die Kolbenkammer 25 Öl gepreßt und das Ventil 16
geöffnet. Nach dem Schließen des Steuerventils 64 saugt das Ventil 16 über das
Rückschlagventil 10 Öl nach, bis die Bewegungsenergie abgebaut ist. Danach verharrt
das Ventil 16 in der geöffneten Stellung. Zum Schließen wird das Steuerventil 68
geöffnet und der Innendruck zum Tank abgelassen. Damit schließt sich das Ventil.
Kurz bevor das Ventil auf den Ventilsitz auftrifft, wird das Steuerventil 68 geschlossen
und die überschüssige Bewegungsenergie wird in Form von Überdruck im Fluid über
das Rückschlagventil 66 in die Versorgungsleitung zurückgespeist.
Im in Fig. 2 dargestellten hydraulischen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ventilantriebs deuten die schraffierten Teile die
Zylinderwände, den Zylinderkopf und den Ventilsitz an. Der Differentialzylinder A1 ist
über seine Kolbenstange mit dem Ventilschaft des Ventils V verbunden. Die
Zylinderkammer RK des Differentialzylinders ist durch eine Leitung mit dem konstanten
Druck pS verbunden. Das Volumen Z1 bildet eine hydraulische Kapazität. Die drei
hydraulischen Ventile V1, V2 und V3 (= Steuerventile) sind als 2/2-Wegeventile
ausgeführt und können unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden. Das
2/2-Wegeventil V4 (= Steuerventil) verbindet die Zylinderkammer LK des
Differentialzylinders mit der Tankleitung. Der herrschende Druck in der Versorgungsleitung
ist pS, der Druck pT gibt den im Rücklauf (Tankleitung) herrschenden Druck an.
Nachfolgend wird das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen vollvariablen
Ventilantriebs erklärt. Der Zyklus ist in die folgenden vier Abschnitte unterteilt:
Startzustand, Ventil öffnen, Ausgleich der Reibungsverluste und Ventil schließen. Beim
Startzustand sind die 2/2-Wegeventile V1, V2 und V3 (= Steuerventile) geschlossen. In
der hydraulischen Kapazität Z1 (= Zwischenspeicher) herrscht der Solldruck pZ (=
Fülldruck). Der Kolben des Differentialzylinders befindet sich im eingefahrenen Zustand
nah seiner mechanischen Endlage, das Ventil V ist geschlossen. Das 2/2-Wegeventil
V4 ist geöffnet, damit die entstehenden Leckagen ungehindert in den Tank abfließen
können und kein ungewollter Druck in der linken Zylinderkammer LK aufgebaut wird. In
der rechten Zylinderkammer RK herrscht der Versorgungsdruck pS. Dieser verursacht
eine konstante Kraft F, die das Ventil V an den Ventilsitz preßt.
Um das Ventil V zu öffnen, müssen die 2/2-Wegeventile V4 geschlossen und V3
geöffnet werden. Der Kolben des Differentialzylinders wird beschleunigt, weil ein Teil
der komprimierten Hydraulikflüssigkeit von der hydraulischen Kapazität Z1 in den
Differentialzylinder überströmt. Dieses Überströmen wird beendet, wenn der Kolben
des Zylinders den Umkehrpunkt (Kolbengeschwindigkeit wird zu Null) erreicht hat. Das
2/2-Wegeventil V3 wird wieder geschlossen, damit das Ventil V geöffnet bleibt.
Im reibungsfreien Fall würde sich der Kolben beim nochmaligen Öffnen des 2/2-Wegeventils
V3 wieder in die Ausgangslage zurückbewegen. Damit die Verluste durch
Reibung und Leckagen ausgeglichen werden, wird im offenen Zustand des Ventils V
über das 2/2-Wegeventils V2 Öl vom Volumen Z1 abgelassen. Der Druck in Z1 wird
dadurch auf den Ablaßdruck pZA gesenkt.
Damit das Ventil V geschlossen wird, wird das 2/2-Wegeventil V3 geöffnet. Der Kolben
wird gemeinsam mit dem Ventil V zufolge des in der Zylinderkammer RK wirkenden
hydraulischen Drucks pS beschleunigt. Diese Bewegung setzt sich solange fort, bis der
Abstand zwischen dem Ventil V und dem Ventilsitz einen sehr kleinen vorgegebenen
Wert erreicht hat. Die Bewegungsenergie des Ventils V wird dabei in der hydraulischen
Kapazität Z1 wieder gespeichert. Das 2/2-Wegeventil V3 wird bei Stillstand des
Kolbens wieder geschlossen. Damit das Ventil V vollständig geschlossen wird, muß
das 2/2-Wegeventil V4 geöffnet werden. Es werden damit auch wieder die Leckagen,
welche in den verwendeten Bauelementen entstehen, in den Tank geleitet, damit ein
sicheres Schließen des Ventils V gewährleistet ist. Der Druck, der momentan in der
hydraulischen Kapazität Z1 herrscht, ist für einen neuerlichen Zyklus zu gering, weil
Verluste aufgetreten sind. Darum wird das 2/2-Wegeventil V1 so lange geöffnet, bis der
gewünschte Solldruck pZ wieder erreicht wird. Wenn das 2/2-Wegeventil V1
geschlossen ist, hat man den Startzustand wieder erreicht. Die Steuerung des Hubes
des Ventils V kann durch Variation des Drucks im Startzustand pZ erreicht werden.
Wird der Druck erhöht, befindet sich mehr gespeicherte Energie im vorgespannten
Volumen Z1 und dadurch wird das Ventil V weiter geöffnet. Für einen geringen Hub
muß nur der Startdruck reduziert werden. Da es sich um einen zyklischen Prozeß
handelt, kann der Druck einfach durch Variation der Öffnungszeit des 2/2-Wegeventils
V1 eingestellt werden.
Der Öffnungszeitpunkt kann einfach durch das Ventil V3 gesteuert werden. Wird das
Hydraulikventil nie geöffnet, dann wird das Ventil V nicht geöffnet und es kann auf
diese Weise jedes Ventil V und damit jeder einzelne Zylinder des Motors für bestimmte
Zeit abgeschaltet werden (Leerlaufbetrieb, Teillastbetrieb). Ist das Ventil V geöffnet,
dann kann jederzeit durch erneutes Öffnen des Hydraulikventils V3 das Ventil V wieder
geschlossen werden.
Neben dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilantriebs
werden in Fig. 3 weitere mögliche erfindungsgemäße Ausführungsformen dargestellt.
Beim Einfügen einer Variante in den variablen Ventilantrieb gemäß Fig. 2 muß auf die
Knoten A, B, C, D und E geachtet werden. Es dürfen immer nur gleich bezeichnete
Knoten miteinander verbunden werden.
Im folgenden werden Varianten des Speicherblocks SP diskutiert: In SP1 ist eine
hydraulische Kapazität, d.h. ein mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllter Hohlraum mit dem
konstanten Volumen V1 dargestellt. Die Variante SP2 wird aus einem gängigen,
gasgefüllten hydraulischen Speicher gebildet. Hierbei sind alle drei Arten
(Membranspeicher, Blasenspeicher und Kolbenspeicher) geeignet.
Nachfolgend werden die Varianten des Nachfüll- und Ablaßblocks NA besprochen:
NA1 besteht aus zwei 2/2-Wegeventilen. Sie sind unabhängig voneinander steuerbar.
Variante NA2 besteht aus einem 2/2-Wegeventil und einem 3/2-Wegeventil. Die beiden
Ventile können getrennt voneinander angesteuert werden. NA3 besteht aus einem 3/3-Wegeventil,
welches in einer Schaltstellung die Anschlüsse A, B und D ganz
verschließen können. NA4 besteht aus einem 2/2-Wegeventil verbunden mit dem
Druckanschluß und einer Drossel verbunden mit dem Tankanschluß. NA5 besteht aus
einem 2/2-Wegeventil verbunden mit dem Tankanschluß und einer Drossel verbunden
mit dem Druckanschluß. NA6 besteht aus einem 3/3-Wegeventil, das selbe wird auch
in NA3 verwendet. Die Drücke p1 und p2 in den beiden Versorgungsleitungen können
unabhängig voneinander beliebig stufenlos eingestellt werden.
Als Varianten des Hauptventils ― Block HV wird neben HV1, welches aus einem 2/2-Wegeventil
besteht, auch Variante HV2 in Fig. 3 gezeigt. Hier besteht der Block HV
aus jeweils zwei 2/2-Wegeventilen und Rückschlagventilen. Die Ansteuerung der
Ventile erfolgt unabhängig voneinander. Die Aufgabe der beiden Rückschlagventile
wird bei der Beschreibung der Variante HV4 beschrieben. Die Variante HV3 sieht vor,
daß der Block HV aus einem 3/2-Wegeventil und zwei Rückschlagventilen besteht. Die
Aufgabe der beiden Rückschlagventile wird ebenfalls bei der Beschreibung der
Variante HV4 beschrieben. Die Variante HV4 sieht vor, daß der Block HV aus einem
2/2-Wegeventil und einem 3/2-Wegeventil mit zwei integrierten Rückschlagventilen
besteht. Der Steuerschieber des 3/2-Wegeventils wird mit dem 2/2-Wegeventil
gesteuert. Das jeweils verwendete Rückschlagventil schließt selbsttätig, wenn der
Kolben des Differentialzylinders seine Bewegungsrichtung ändert und sich dadurch
auch die Strömungsrichtung durch das jeweilige verwendete Rückschlagventil umkehrt.
Der Kolben bleibt so lange in seiner Position, bis der Steuerschieber das 3/2-Wegeventil
in die andere Stellung umgeschaltet wird. Die für die Vorsteuerung des
Steuerschiebers benötigte Hydraulikflüssigkeit wird je nach Bewegungsrichtung des
Steuerschiebers vom Knoten B oder C entnommen. Bei dieser Art der Vorsteuerung
wird dieselbe Menge an Hydraulikfluid am anderen Ende des Steuerschiebers
verdrängt, die an der einen Seite zugeführt werden mußte. Die verdrängte
Hydraulikflüssigkeit wird dem Knoten C oder B zugeführt und steht für die
Beschleunigung des Kolbens weiter zur Verfügung. Bevor der Druck im Knoten C oder
B größer wird als der im Knoten B oder C (Umkehrpunkt), muß das 2/2-Wegeventil
geschlossen werden. Dadurch wird ein ungewolltes Umschalten des Steuerschiebers
verhindert. Wenn der Zyklus weiter fortgesetzt werden soll, muß das 2/2-Wegeventil
wieder kurz geöffnet werden.
Nachfolgend werden Varianten des Hauptventils und Nachfüll-Ablaßblocks HVNA
besprochen. Dieser Block kann anstatt der Blöcke NA und HV verwendet werden. Ein
5/4-Wegeventil mit zwei eingebauten Rückschlagventilen wird durch ein 2/2-Wegeventil
vorgesteuert. Die Funktion ist dieselbe wie beim Ventilblock HV4 und
wurde dort beschrieben. Der andere Teil des Ventils ist gleich wie das bei NA2
beschriebene Ventilkonzept. Die Steuerschieber der beiden 3/2-Wegeventile werden
mechanisch (oder auch nur hydraulisch) miteinander gekoppelt und durch das 2/2-Wegeventil
gesteuert. Das Prinzip der Vorsteuerung wurde ebenfalls bereits bei HV4
beschrieben.
Eine Variante zu HVNA ist HVNB. HVNB wird aus zwei unterschiedlichen
Wegeventilen gebildet. Das eine ist ein 3/3-Wegeventil, welches das Zu- bzw.
Abfließen im Knoten B steuert, und das andere ist ein 3/2-Wegeventil, das das
Überströmen zwischen den Knoten B und C ermöglicht. Die Steuerschieber der beiden
oben beschriebenen Wegeventile werden miteinander verbunden, also zu einem
Steuerschieber vereint. Damit erreicht man eine gleichzeitige Betätigung, welche die
Steuerung des Systems wesentlich vereinfacht. Die Drücke p1 und p2 der beiden
Versorgungsleitungen können wie in NA6 unabhängig voneinander beliebig stufenlos
eingestellt werden.
Nachfolgend werden Varianten des Leckölrückführungsblocks LR besprochen. LR1
besteht nur aus einem 2/2-Wegeventil. LR2 besteht nur aus einer Drossel mit
konstantem Querschnitt. Bei der LR3 dargestellten Drossel ist der hydraulische
Widerstand der Drossel von der Kolbenposition des Differentialzylinders abhängig. Der
Widerstand soll klein sein, wenn der Kolben eingefahren ist. Wenn der Kolben seine
Endlage (Kolben ist ganz eingefahren) verläßt und eine gewisse Schranke
überschreitet, soll die Drossel vollständig geschlossen werden.
Nachfolgend werden Varianten des Zylinders mit Rückholeinrichtung ZR besprochen.
In ZR ist der Zylinder als Differentialzylinder ausgeführt. Im Zylinderraum auf der Seite
der Ringfläche herrscht immer der konstante Systemdruck pS. In ZR2 ist der Zylinder
als einfach wirkender Zylinder (Plungerzylinder) mit Federrückstellung ausgeführt. In
ZR3 ist der Zylinder als Differentialzylinder ausgeführt. Weiters wird eine hydraulische
Kapazität Z2 und ein 2/2-Wegeventil verwendet. Die Ölverluste, welche aufgrund von
Leckagen auftreten, können ausgeglichen werden, wenn das 2/2-Wegeventil geöffnet
wird. In ZR4 ist der Zylinder als Differentialzylinder ausgeführt. Weiters wird eine
hydraulische Kapazität Z2 und ein Rückschlagventil verwendet. Das Rückschlagventil
öffnet sich, wenn der Druck in der hydraulischen Kapazität Z2 den Versorgungsdruck
p1 unterschreitet. Die Leckagen werden dadurch ausgeglichen. Die Variante ZR5 ist
bei auf die hydraulische Kapazität gleich wie die, welche bei ZR4 beschrieben wurde.
Anstatt der hydraulischen Kapazität wird ein hydraulischer Speicher Z2 verwendet. Die
Verwendung eines hydraulischen Speichers anstatt der hydraulischen Kapazität Z2 ist
auch in der Variante ZR3 möglich. Bei der Ausführung des hydraulischen Speichers Z2
sind generell alle drei Arten (Membranspeicher, Blasenspeicher und Kolbenspeicher)
geeignet. In den Varianten ZR1, ZR4 und ZR5 kann auch ein Gas als Medium
verwendet werden. In Variante ZR2 kann zusätzlich zur Feder ein Gasdruck
vorgegeben werden.
Nachfolgend werden Regelungs- bzw. Steuerungsmaßnahmen besprochen. Das
vorgestellte Verfahren beruht im wesentlichen auf einer Steuerung. Im Prinzip reicht es
aus, für den jeweils gewünschten Öffnungshub des Ventils V den richtigen Druck pZ im
Speicher Z1 einzustellen. Die Einstellwerte können etwa in Abhängigkeit verschiedener
Einflußparameter (Temperatur des Öles und im Zylinderkopf, Aufladezustand, ...) als
Kennlinien abgespeichert werden. Sollte die damit erzielbare Genauigkeit nicht
ausreichen, kann durch Messung der Position des Ventils V bzw. jedes anderen mit
ihm fest verbundenen Teiles eine Verbesserung in Verbindung mit einer
entsprechenden Regelung erzielt werden.
Messungen der Position können auf folgenden Wegen erfolgen. Ein Wegaufnahmer
MS1 nach einem gängigen Prinzip (induktiv, optisch, kapazitiv, ...) mißt laufend die
aktuelle Position des Ventils. Alternativ kann ein Druckaufnehmer (Drucksensor) in der
Kapazität Z1-MS2 verwendet werden. Bei einem gegebenen Fülldruck der
hydraulischen Kapazität Z1 besteht in beiden Varianten SP1 und SP2 ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen Position des Ventils V und dem Druck in Z1. Dieses
Drucksignal kann darüber hinaus auch für die Einstellung des Fülldrucks pZ bzw. des
Ablaßdrucks pZA verwendet werden. Alternativ zu MS2 kann auch MS3 verwendet
werden. Hier ist ein Druckaufnehmer (Drucksensor) in der Zylinderkammer LK
angeordnet. In der geöffneten Stellung des Ventils V3 ist der Druck in LK im
wesentlichen gleich dem Druck in Z1 und kann daher gleichermaßen für die Messung
der Position des Ventils V herangezogen werden. Die Druckmessung zur Bestimmung
der Position des Ventils V kann des weiteren auch im Zwischenspeicher Z1 und im
Speicher Z2 gemessen werden. Alternativ zu den oben genannten Varianten wird mit
der Variante MS4 eine Möglichkeit gezeigt, die Messung an bestimmten Positionen des
Ventils V durchzuführen. Während des Positioniervorgangs werden an bestimmten
Positionen des Ventils V Signale ausgelöst. Daraus lassen sich Rückschlüsse über den
Bewegungsverlauf insbesondere über die erreichte Endposition ziehen. Solche Signale
können etwa durch induktive oder kapazitive Näherungsschalter oder durch
Lichtschranken ausgelöst werden.
Bei den Regelungsverfahren ist zunächst die Korrektur des Fülldruckes pZ in Z1
anzuführen. Durch laufende Beobachtung der erreichten Endposition werden die
Einstellwerte für den Fülldruck in Z1 so nachjustiert, daß die gewünschte Position mit
der geforderten Genauigkeit erreicht wird. Dies kann z.B. durch eine Variation der
Öffnungszeit des Ventils V1 erfolgen. Die Korrektur des Ablaßdruckes pZA in Z1 wird
wie folgt durchgeführt. Durch eine Beobachtung des Positionsverlaufes des Ventils V in
der Schließphase kann der Einstellwert für den Ablaßdruck pZA nachjustiert werden. In
der Variante HVNB und NA6 werden die beiden Drücke für einen ganzen Motor
gemeinsam geregelt.