Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Zylinder-Kolbentrieb, insbesondere von
einem hydraulisch gesteuerten Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils
einer Brennkraftmaschine, beinhaltend einen innerhalb eines Zylinders
verschieblichen Stellkolben, der mit voneinander abgewandten Kolbenseiten
Druckkammern begrenzt, wobei der Stellkolben mehrteilig ist und aus wenigstens zwei
ineinander gesetzten und relativ zueinander verschiebbaren, an Anschlagflächen
gegeneinander anschlagbaren Teilkolben besteht, wobei eine Druckkammer von
allen und die andere Druckkammer nur von einem Teil der Teilkolben begrenzt
und die Verschiebewege der nicht die andere Druckkammer begrenzenden
Teilkolben gegenüber dem Gesamtverschiebeweg des Stellkolbens reduziert und
wenigstens eine am Zylinder angeordnete Anschlagfläche vorgesehen ist, an
welcher eine Anschlagfläche von einem der Teilkolben nach Zurücklegen des
reduzierten Verschiebeweges anschlägt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein solcher Zylinder-Kolbentrieb ist in der bisher unveröffentlichten
Deutschen Patentanmeldung 101 43 959.8 beschrieben und betrifft einen hydraulisch
gesteuerten Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils. Mit dem Aktuator
wird eine Änderung der das Gaswechselventil öffnenden und/oder schließenden
Wirkflächen des Stellkolbens in Abhängigkeit von dessen Verschiebeweg
ermöglicht, so daß die auf das Gaswechselventil wirkende Stellkraft spezielle
Forderungen erfüllen kann, beispielsweise eine anfänglich hohe Öffnungskraft des
Aktuators, damit das Gaswechselventil gegen den Restgasdruck öffnen kann, oder
eine kurz vor dem Ventilschließen aus Geräusch- oder Verschleißgründen
geringere Schließkraft.
Vorteile der Erfindung
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anschlagflächen als
jeweils einen Kegelsitz bildende Kegelflächen ergibt sich eine stark verbesserte
Abdichtung der durch die ineinander geführten Teilkolben voneinander
getrennten Druckkammern, so daß der bei einem mehrteiligen Stellkolben nicht
vollständig vermeidbare Leckagevolumenstrom deutlich reduziert bzw. gänzlich
vermieden wird. Der erfindungsgemäß ausgebildete, mehrteilige Stellkolben hat dann
hinsichtlich des Leckageverhaltens keine Nachteile mehr gegenüber einem
einstückigen Stellkolben. Alternativ können bei gleichem Leckagevolumenstrom wie
bei mit einem mehrteiligen Stellkolben ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung
größere Fertigungstoleranzen zugelassen werden, wodurch sich geringere
Fertigungskosten des Zylinder-Kolbentriebs ergeben. Da bei Kegelsitzen die einander
zugeordneten Kegelflächen um so mehr zusammengepreßt werden, je größer die
Druckdifferenz in den beiden Druckkammern ist, ist die Dichtwirkung in
vorteilhafter Weise selbstverstärkend.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen
Erfindung möglich.
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Besonders bevorzugt weisen die Kegelwinkel der einander zugeordneten
Kegelflächen eine geringfügige Winkeldifferenz auf und kontaktieren sich im
wesentlichen in Form einer Linienberührung. Ein solcher Kegelsitz, bei welchem sich
aufgrund eines Differenzwinkels eine Linienberührung ergibt, zeichnet sich durch
eine besonders hohe Dichtigkeit aus, weil die Linienberührung die Wirkung einer
unter Vorspannung gegen eine Dichtfläche gepreßten Dichtkante hat.
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zylinder-Kolbentriebs als Aktuator zur Betätigung
eines Gaswechselventils in einer Ventilschließstellung;
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Fig. 2 den Aktuator von Fig. 1 in Ventilöffnungsstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Zylinder-Kolbentriebs ist in Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht eines
hydraulisch gesteuerten Aktuators 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2 einer
Brennkraftmaschine in Gebrauchslage dargestellt, d. h. daß in der Figur unten
dargestellte Bauelemente auch unten eingebaut sind. Das Gaswechselventil 2
kann als Einlaßventil zum Steuern eines Einlaßquerschnitts und als Auslaßventil
zum Steuern eines Auslaßquerschnitts verwendet werden. Das Gaswechselventil
2 weist einen Ventilstößel 4 auf, an dessen unterem Ende ein aus
Maßstabsgründen nicht dargestellter Ventilteller angeordnet ist, welcher mit einer in einem
Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildeten Ventilsitzfläche zusammenwirkt,
um ihn durch lineare Betätigung des Ventilstößels 4 mehr oder weniger von der
Ventilsitzfläche abzuheben und einen bestimmten Strömungsquerschnitt
freizugeben.
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Der hydraulisch gesteuerte Aktuator 1 hat einen in einem Zylinder 6 axial
verschieblich gehaltenen und auf den Ventilstößel 4 wirkenden Stellkolben 8,
welcher den Zylinder 6 in zwei von ihm auf voneinander abgekehrten Stirnseiten
begrenzte, hydraulische Druckkammern unterteilt, nämlich eine obere Druckkammer
10 und eine untere Druckkammer 12. Die beiden Druckkammern 10, 12 sind mit
Hydrauliköl befüllt und stehen über Druckleitungen mit einer
Druckversorgungseinrichtung in Verbindung. Die Stirnflächen des Stellkolbens 8 stellen Wirkflächen
für den in den Druckkammern 10, 12 anstehenden Hydraulikdruck dar, wobei die
Druckkammer 12 vorzugsweise stets unter Druck steht und der Druckraum 10 mit
vorzugsweise gleichem Druck beaufschlagt wird, um über die größere, diesem
Druckraum 10 zugewandte Stirnfläche des Stellkolbens 8 das Gaswechselventil
2 zu öffnen bzw. es durch Druckabbau im Druckraum 10 zu schließen. Die
prinzipielle Funktionsweise eines solchen hydraulisch gesteuerten Aktuators 1 ist
beispielsweise aus der DE 198 26 047 A1 bekannt, deshalb soll hier nicht weiter
darauf eingegangen werden.
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Im Unterschied zur genannten Schrift ist der Stellkolben 8 derart ausgebildet,
daß sich die Flächengröße der beiden Wirkflächen längs des Verschiebewegs
des Stellkolbens 8 ändert, um bestimmte Anforderungen an den Aktuator 1 beim
Öffnen und Schließen des Gaswechselventils 2 zu erfüllen. Diese Anforderungen
können beispielsweise darin bestehen, daß eine hohe Öffnungskraft zu Beginn
des Öffnungshubs des Gaswechselventils 2 vorhanden ist, damit das
Gaswechselventil 2 gegen den Restgasdruck öffnen kann, und andererseits eine deutliche
Reduzierung der vom Aktuator 1 aufgebrachten Verstellkraft nach diesem
Bruchteil des Gesamthubs, damit der zum Verstellen des Gaswechselventils 2
erforderliche Energieverbrauch reduziert wird.
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Diesen Forderungen werden vorliegend dadurch erfüllt, daß der Stellkolben 8
derart ausgebildet ist, daß bei einer Verschiebung aus seiner in Fig. 1 gezeigten
Ventilschließstellung heraus die obere öffnende Wirkfläche 14 im Anfangsbereich
s1 des Verschiebewegs größer ist als im übrigen Verschiebeweg s2. Hierzu
reduziert sich die obere öffnende Wirkfläche 14 nach dem vorgegebenen
Verschiebeweg s1 um einen vorgegebenen Betrag und bleibt bis zum Hubende konstant.
Hingegen bleibt die untere schließende Wirkfläche 16 des Stellkolbens 8 über
den gesamten Schließhub s1 + s2 generell konstant. Das Gaswechselventil 2 wird
also mit großer Verschiebekraft geöffnet, die dann nach dem Verschiebeweg s1
schlagartig abfällt und über den Resthub s2 konstant bleibt.
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Hierzu ist der Stellkolben 8 mehrteilig ausgebildet und besteht aus mehreren,
vorzugsweise zwei ineinander gesetzten und relativ zueinander verschiebbaren
Teilkolben, nämlich einem äußeren Ringkolben 18 und einem inneren
Differentialkolben 20. Der Differentialkolben 20 ist entweder einstückig mit dem
Ventilstößel 4 ausgeführt oder, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, als Ringkörper mit
gestufter Bohrung auf den ebenfalls gestuften Ventilstößel 4 aufgepreßt. Der
Zylinder 6 weist ebenfalls eine Bohrungsstufe 22 auf, wobei ein oberer
Zylinderabschnitt 24 mit größerem Durchmesser beide Teilkolben 18, 20 aufnimmt und ein
unterer Zylinderabschnitt 26 mit kleinerem Durchmesser nur den
Differentialkolben 20 führt. Weiterhin weist der Ringkolben 18 eine kleinere axiale Länge auf
als der Differentialkolben 20, dessen Stirnflächen sowohl der oberen
Druckkammer 10 wie auch der unteren Druckkammer 12 zugewandt sind, während vom
Ringkolben 18 lediglich eine Stirnfläche, nämlich die obere Stirnfläche mit einer
Druckkammer 10 zusammenwirkt.
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Der kürzere Ringkolben 18 ist an seiner radial äußeren Umfangsfläche vom
oberen Zylinderabschnitt 24 und an seiner radial inneren Umfangsfläche von
einem am Differentialkolben 20 ausgebildeten, zylindrischen Führungsabschnitt 28
geführt, während der Differentialkolben 20 durch den unteren Zylinderabschnitt
26 des Zylinders 6 geführt ist. Das obere, der oberen Druckkammer 10
zugewandte und sich dem Führungsabschnitt 28 anschließende Ende des
Differentialkolbens 20 ist im Durchmesser reduziert, um eine radial äußere Anschlagfläche
30 für eine zugeordnete radial innere Anschlagfläche 32 des Ringkolbens 18
bereitzustellen, welche an einem Ringvorsprung 34 ausgebildet ist, wie Fig. 2 zeigt.
Durch eine an der Bohrungsstufe 22 des Zylinders 6 ausgebildete radial
innere Anschlagfläche 36 wird der Verschiebeweg des Ringkolbens 18 begrenzt,
indem dieser an seinem der unteren Druckkammer 12 zugewandten Ende mit einer
zugeordneten radial äußeren Anschlagfläche 38 versehen ist (Fig. 1). Hingegen
kann der Verschiebeweg des längeren Differentialkolbens 20 den Gesamthub s1 +
s2 des Stellkolbens 8 durchlaufen. Die Bohrungsstufe 22 des Zylinders 6
entkoppelt außerdem den Ringkolben 18 vollständig von der unteren Druckkammer 12.
Der Raum 39 zwischen der Bohrungsstufe 22 des Zylinders 6 und dem
Ringkolben 18 ist gegen die Umgebung drucklos entlastet.
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Bei der Verschiebung der Stellkolbens 8 aus seiner in Fig. 1 dargestellten
Ventilschließstellung heraus in Ventilöffnungsrichtung, was durch Einsteuern von
Fluiddruck in die obere Druckkammer 10 bewirkt wird, werden zunächst beide
Teilkolben 18, 20 druckbeaufschlagt und zusammen nach unten verschoben. Die
öffnende, obere Wirkfläche 14 des Stellkolbens 8 setzt sich dann aus den beiden
ringförmigen Stirnflächen der beiden Teilkolben 18, 20 zusammen und ist
maximal. Hat der Stellkolben 8 den Hubweg s1 zurückgelegt, so stößt die radial
äußere Anschlagfläche 38 des Ringkolbens 18 an der zugeordneten Anschlagfläche
36 des Zylinders 6 an, wodurch der Ringkolben 18 an der weiteren Verschiebung
des Stellkolbens 8 nicht mehr teilnimmt. Die öffnende Wirkfläche 14 ist damit auf
die vom Fluiddruck beaufschlagte Stirnfläche des inneren Differentialkolbens 20
reduziert, so daß die Stellkraft des Aktuators 1 sich verkleinert und der
Energiebedarf bei der weiteren Öffnung des Gaswechselventils 2 sinkt.
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Wird nach Erreichen der Öffnungsstellung des Gaswechselventils 2 der
Schließvorgang durch Entlasten der oberen Druckkammer 10 eingeleitet, so wird
nach Zurücklegen des Verschiebewegs s2 durch den inneren Differentialkolben
20 der äußere Ringkolben 18 über den Verschiebeweg s1 vom inneren
Differentialkolben 20 bis in die Schließstellung des Stellkolbens 8 mitgenommen, indem
die beiden einander zugeordneten Anschlagflächen 30, 32 am Differentialkolben
20 und am Ringkolben 18 aneinander zur Anlage kommen, wie in Fig. 1 gezeigt
ist.
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Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 hervorgeht, sind die jeweils einander zugeordneten
Anschlagflächen 30, 32 und 36, 38 als im Anschlagfall jeweils einen Kegelsitz 40,
42 bildende Kegelflächen ausgebildet, welche abhängig von der Richtung der
jeweils wirkenden Stellkraft zusammengepreßt oder außer Eingriff gebracht
werden. Genauer bilden im Anschlagfall gemäß Fig. 1 (Ventilschließstellung) die
radial innere Kegelfläche 32 des Ringkolbens 18 und die radial äußere Kegelfläche
30 des Differentialkolbens 20 einen Kegelsitz 40 sowie gemäß Fig. 2
(Ventilöffnungsstellung) die radial äußere Kegelfläche 38 des Ringkolbens 18 und die
radial innere Kegelfläche 36 des Zylinders 6 einen weiteren Kegelsitz 42.
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Dabei weisen die einander zugeordneten Kegelflächen 30, 32 und 36, 38
vorzugsweise geringfügig unterschiedliche Kegelwinkel auf, so daß sie sich im
wesentlichen in Form einer Linienberührung kontaktieren, welche im vorliegenden
Fall jeweils die Form eines umlaufenden Kreisrings 44, 46 hat. Die
Kegelwinkeldifferenz zwischen den einander zugeordneten Kegelflächen 30, 32 und 36, 38 ist
in Fig. 1 und Fig. 2 aus Gründen einer besseren Veranschaulichung stark
übertrieben dargestellt.
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In Weiterbildung des beschriebenen Stellkolbens 8 kann dieser auch aus
mehr als nur zwei Stellkolben 18, 20 zusammengesetzt sein. Die einzelnen
Teilkolben haben dann wiederum unterschiedliche Längen und werden durch
entsprechende Festlegung ihrer Hubwege bei der weiteren Verschiebung des
Stellkolbens wirkungslos, so daß sich die öffnende Wirkfläche des Stellkolbens über
dessen Gesamthub mehrmals ändert. Es versteht sich, daß die an den mehreren
Teilkolben vorhandenen Anschlagflächen ebenfalls als Kegelflächen ausgebildet
sind und sich mit der zugeordneten Kegelfläche des anderen Teilkolbens bzw.
des Zylinders jeweils zu einem Kegelsitz ergänzen.