DE10210334A1

DE10210334A1 - Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils

Info

Publication number: DE10210334A1
Application number: DE10210334A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ludwig; Udo Diehl; Bernd Rosenau; Simon Kieser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-18
Also published as: EP1485585A1; US20040089829A1; JP2005519225A; DE50309104D1; US6857618B2; WO2003076772A1; EP1485585B1; JP4290563B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen angegeben, die mindestens einen einem Gaswechselventil (10) zugeordneten Ventilsteller (16) und eine Druckversorgungseinrichtung (25) aufweist, die den Ventilsteller (16) mit unter Hochdruck stehendem Fluid speist. Der Ventilsteller (16) umfaßt einen Arbeitszylinder (17) mit einem mit dem Gaswechselventil (10) gekoppelten, einen oberen Druckraum (22) zum Ventilschließen und einen unteren Druckraum (23) zum Ventilöffnen begrenzenden Stellkolben (21) und ein den hydraulischen Druck in den Druckkammern (22, 23) steuerndes Steuerventil (19). Zwecks Reduzierung der Herstellungskosten und des elektrischen Energiebedarfs der Vorrichtung ist der obere Druckraum (22) direkt und der untere Druckraum (23) über eine Drossel (18) an der Druckversorgungseinrichtung (25) und das Steuerventil (19) an dem unteren Druckraum (23) und an einer Entlastungsleitung (27) angeschlossen. Je nach Schaltstellung legt das Steuerventil (19) den unteren Druckraum (23) zusätzlich an die Entlastungsleitung (27) oder sperrt diesen gegenüber der Entlastungsleitung ab (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils in Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 198 26 047 A1) ist der untere Druck- oder Arbeitsraum des doppeltwirkenden Arbeitszylinders und der obere Druck- oder Arbeitsraum des Arbeitszylinders über das als 2/2-Wegemagnetventil mit Federrückstellung ausgebildete Steuerventil an die hydraulische Druckversorgungseinrichtung gelegt. Die den oberen Arbeitsraum begrenzende Druckbeaufschlagungs- oder Wirkfläche des Stellkolbens ist größer ausgebildet als die den unteren Arbeitsraum begrenzende Druckbeaufschlagungs- oder Wirkfläche des Stellkolbens, so daß mit Öffnen des Steuerventils auf den Stellkolben eine diesen gegen den Druck im unteren Arbeitsraum verschiebende Druckkraft wirkt und der Stellkolben das Gaswechselventil öffnet. Der obere Arbeitsraum ist zusätzlich über ein ebenfalls als 2/2- Wegemagnetventil mit Federrückstellung ausgebildetes zweites Steuerventil an einer in einem Fluidreservoir mündenden Rückführleitung angeschlossen. Zum Verschieben des Stellkolbens in Ventilöffnungsrichtung wird das zweite Steuerventil geschlossen und das erste Steuerventil geöffnet. Infolge der unterschiedlichen Wirkflächen des Stellkolbens wird der Stellkolben nach unten verschoben und öffnet das Gaswechselventil um einen von der Dauer der Steuerventilansteuerung abhängigen Ventilhub. Die Geschwindigkeit des Ventilhubs hängt von der Höhe des von der Druckversorgungseinheit eingesteuerten Fluid- oder Hydraulikdrucks ab. Zum Schließen des Gaswechselventils werden beide Steuerventile umgeschaltet, so daß der obere Arbeitsraum einerseits von der Druckversorgungseinrichtung abgesperrt und andererseits mit der Rückführleitung verbunden wird. Der Stellkolben wird von dem im unteren Arbeitsraum herrschenden Druck nach oben verschoben und schließt das Gaswechselventil.
Um das Gaswechselventil nach einer vollständigen Druckentlastung des Drucksystems durch eine geringe Leckage, z. B. bei längerem Abstellen der Brennkraftmaschine oder bei Ausfall der Druckversorgungseinrichtung, in der Schließposition zu halten, ist eine Notschließfeder vorgesehen, die als Druckfeder in den unteren Arbeitsraum eingesetzt ist und sich an dem Stellkolben abstützt. Die Notschließfeder ist so dimensioniert, daß sie unter allen Bedingungen die Reibmomente im Gaswechselventil und im Ventilsteller überwindet und den Stellkolben aus jeder seiner Verschiebepositionen heraus in die Schließlage zu bewegen vermag.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß bei ähnlicher Funktionalität die Vorrichtung pro Gaswechselventil nur ein einziges elektrisches Steuerventil benötigt. Mit der Einsparung eines Steuerventils pro Gaswechselventil verringert sich nicht nur die Zahl der Steuerventile um die Hälfte, sondern halbiert sich auch die Zahl der im Steuergerät zur Ansteuerung der Steuerventile erforderlichen Leistungsendstufen. Damit wird ein erhebliches Einsparungspotential bei den Herstellungskosten erzielt, was z. B. bei einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit sechzehn Ventilen, acht Steuerventile und acht Leistungsendstufen ausmacht. Darüber hinaus verringert sich der elektrische Energiebedarf und der elektrische Verkabelungaufwand. Durch die geringere Zahl der Steuerventile reduziert sich das Einbauvolumen und sinkt die Ausfallwahrscheinlichkeit der Vorrichtung. Insgesamt ist die Vorrichtung weniger komplex als die bekannte.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerventil als ein elektrisch betätigtes Wegeventil ausgebildet. Vorzugsweise ist das Wegeventil ein 2/2- Wegemagnetventil. Bei dieser einfachsten Form der Realisierung des Steuerventils kann ein variabler Hub des Gaswechselventils nur bei kurzen Öffnungszeiten durch Abbruch des Ventilhubs erreicht werden. Im übrigen können nur die Öffnungszeit und die Schließzeit des Gaswechselventils vorgegeben werden.
Soll der Ventilhub auch bei längeren Öffnungszeiten beeinflußbar sein, so wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das 2/2-Wegemagnetventil getaktet umgeschaltet, wobei vorzugsweisse die Taktfrequenz in Abhängigkeit von dem gewünschten Ventilhub so gewählt wird, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens die über die Drossel einerseits und über das 2/2-Wegemagnetventil andererseits fließenden Fluidströme gleich groß sind.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann anstelle eines getakteten 2/2-Wegemagnetventils auch ein elektrisch betätigtes Proportionalventil verwendet werden. Zur Erzielung des variablen Ventilhubs wird das Proportionalventil so angesteuert, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens die über die Drossel einerseits und das Proportionalventil anderseits fließenden Fluidströme gleich groß sind und sich damit ein Kräftegleichgewicht zwischen dem oberen Druckraum und dem unteren Druckraum einstellt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiels eines Ventilstellers in Fig. 1,
Fig. 3 zwei Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventilstellers in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung dient zur Steuerung von Gaswechselventilen 10 in Brennkraftmaschinen. Die Brennkraftmaschine oder der Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug weist üblicherweise vier oder mehr Verbrennungszylinder auf, von denen in Fig. 1 ausschnittweise ein Zylinderkopf 11 eines Verbrennungszylinders dargestellt ist. Im Verbrennungszylinder ist ein von dem Zylinderkopf 11 abgeschlossener Brennraum 12 ausgebildet, der mindestens einen Einlaßquerschnitt und einen Auslaßquerschnitt aufweist, die jeweils von einem Gaswechselventil 10 gesteuert sind. Jedes Gaswechselventil 10 weist in bekannter Weise ein Ventilglied 13 mit einem auf einem axial verschieblich geführten Ventilschaft 131 sitzenden Ventilschließkörper 132 auf, der mit einem den Einlaß- oder Auslaßquerschnitt im Zylinderkopf 11 umschließenden Ventilsitz 14 zusammenwirkt. Durch Verschieben des Ventilschafts 131 in die eine oder andere Axialrichtung hebt der Ventilschließkörper 132 vom Ventilsitz 14 ab oder legt sich dichtend auf diesen auf.
Die Betätigung der Gaswechselventile 10 erfolgt durch eine elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung, die in Fig. 1 im Schaltbild dargestellt ist. In der Ventilsteuervorrichtung ist jedem Gaswechselventil 10 ein hydraulischer Ventilsteller 16, auch Aktor genannt, zugeordnet. Der einen Hydraulikeingang 161 und einen Hydraulikausgang 162 aufweisende hydraulischer Ventilsteller 16 umfaßt einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder 17, eine Drossel 18 und ein Steuerventil 19. Der Arbeitszylinder 17 weist in bekannter Weise ein Zylindergehäuse 20 und einen darin axial verschieblich geführten und mit dem Ventilschaft 131 des zugeordneten Gaswechselventils 10 gekoppelten Stellkolben 21 auf, der den Innenraum des Zylindergehäuses 20 in einen oberen Druckraum 22 und einen unteren Druckraum 23 unterteilt. Der obere Druckraum 22 ist unmittelbar und der untere Druckraum 23 über die Drossel 18 an dem Hydraulikeingang 161 angeschlossen. Das Steuerventil, das in Fig. 1 als ein 2/2-Wegemagnetventil 24 ausgebildet ist, ist einerseits mit dem unteren Druckraum 23 und andererseits mit dem Hydraulikausgang 162 verbunden. An dem Hydraulikausgang 162 ist eine Entlastungsleitung angeschlossen, die hier als Fluidrücklaufleitung 25 ausgebildet ist. Alle Ventilsteller 16 werden von einer Druckversorgungseinrichtung 25 mit unter Hochdruck stehendem Fluid, vorzugsweise Hydrauliköl, gespeist, wozu der Hydraulikeingang 161 eines jeden Ventilstellers 16 an einem Fluidausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 angeschlossen ist. Die Druckversorgungseinrichtung 25 umfaßt ein Fluidreservoir 26, in dem die Fluidrückführleitung 27 mündet, eine Hochdruckpumpe 28, die Fluid aus dem Fluidreservoir 26 ansaugt und mit Hochdruck zu dem Fluidausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 fördert, sowie einen an dem Fluidausgang 251 angeschlossenen Hochdruckspeicher 29, der als Energiespeicher und Pulsationsdämpfer dient. Zwischen Ausgang der Hochdruckpumpe 28 und dem Fluidausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 ist noch ein Rückschlagventil 30 mit zum Pumpenausgang weisender Sperrichtung angeordnet.
Die Wirkungsweise der Ventilsteuervorrichtung ist wie folgt:
Die Druckversorgungseinrichtung 25 versorgt den doppeltwirkenden Arbeitszylinder 17 mit unter Druck stehendem Fluid. In dem in Fig. 1 dargestellten statischen Fall ist der Druck in dem oberen Druckraum 22 und in dem unteren Druckraum 23 gleich groß. Da durch die Ankopplung des Ventilschafts 131 die den oberen Druckraum 22 begrenzende Druckbeaufschlagungs- oder Wirkfläche des Steilkolbens 21 größer ist als die den unteren Druckraum 23 begrenzende Druckbeaufschlagungs- oder Wirkfläche, ist im unteren Druckraum 23 eine als Rückstellfeder fungierende Druckfeder 31 angeordnet, die sich einerseits am Zylindergehäuse 20 und andererseits am Stellkolben 21 abstützt. Die Druckfeder 31 ist so dimensioniert, daß sie bei Druckgleichheit in den beiden Druckräumen 22, 23 den Stellkolben 21 in seiner in Fig. 1 dargestellten, oberen Totpunktlage hält, in der das Gaswechselventil 10 geschlossen ist, der Ventilschließkörper 132 des Ventilglieds 13 also dichtend auf dem Ventilsitz 14 am Zylinderkopf 11 aufsitzt. Die Druckfeder 31 erfüllt zugleich auch als Notschließfeder die Forderung nach Rückstellen des Gaswechselventils 10 in seinen Schließzustand bei längerem Stillstand der Brennkraftmaschine oder bei Ausfall der Druckversorgungseinrichtung 25.
Zum Öffnen des Gaswechselventils 10 wird das 2/2- Wegemagnetventil 24 aus seiner in Fig. 1 dargestellten Schaltstellung umgeschaltet, so daß der untere Druckraum 23 durch seinen Anschluß an die Fluidrückführleitung 27 entlastet wird. Durch den zusammenbrechenden Druck im untere Druckraum 23 bewegt sich der Stellkolben 21 nach unten und öffnet das Gaswechselventil 10. Zum Schließen des Gaswechselventils 10 wird das 2/2-Wegemagnetventil 24 wieder zurückgesetzt und damit der untere Druckraum 23 von der Fluidrückführleitung 27 getrennt. Über die Drossel 18 strömt unter Hochdruck stehendes Fluid in die untere Druckkammer 23, und der Stellkolben 21 wird mit Unterstützung durch die Druckfeder 31 in seine das Gaswechselventil 10 schließende obere Totpunktlage zurückgeführt.
In den Diagrammen der Fig. 3 ist einerseits der Hubweg h des Ventilglieds 13 des Gaswechselventils 10 in Abhängigkeit von der Zeit t (oberes Diagramm) und andererseits die Magnetventilansteuerung in Abhängigkeit von der Zeit t (unteres Diagramm) dargestellt. Im Zeitpunkt t₀ wird das Magnetventil 24 bestromt und schaltet damit aus seiner Sperrstellung um, so daß der untere Druckraum 23 mit der Fluidrückführleitung 27 verbunden ist. Der Stellkolben 21bewegt sich durch den Druckabbau in dem unteren Druckraum 23 in Richtung Öffnen des Gaswechselventlis 10. Wird zum Zeitpunkt t₁ die Ansteuerung des Magnetventils 24 beendet und dieses in seine Sperrstellung zurückgesetzt, so haben der Stellkolben 21 und das Ventilglied 13 den Hub h₁ ausgeführt. Infolge des in dem unteren Druckraum 23 ansteigenden Drucks beginnen nunmehr Stellkolben 21 und Ventilglied 13 sich in Schließrichtung des Gaswechselventils 10 zu bewegen. Wird dagegen erst zum Zeitpunkt t₂ das Magnetventil 24 zurückgesetzt, so wird der Hubweg h₂ erreicht und das Gaswechselventil 10 weiter geöffnet. Bei der etwas größerer Öffnungszeit t3 erreicht das Ventilglied 13 seinen maximalen Hub h_max. Wie daraus ersichtlich ist, kann der angestrebte variable Hub des Gaswechselventils 10 nur bei kleinen Ventilöffnungszeiten (kleiner t₃) erreicht werden. Bei den meisten Anforderungen an einen variablen Ventiltrieb genügt dies aber.
Soll der Hub des Ventilglieds 13 des Gaswechselventils 10 auch bei längeren Öffnungszeiten beeinflußt werden können, also bei Öffnungszeiten, die größer als t₃ in Fig. 3 sind, so wird das Magnetventil 24 getaktet angesteuert. Dabei wird die Taktfrequenz in Abhängigkeit von dem gewünschten Ventilhub gewählt, und zwar so, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens 21 die über die Drossel 18 einerseits und das 2/2-Wegemagnetventil 24 andererseits fließenden Fluidströme gleich groß sind und sich somit ein Kräftegleichgewicht am Stellkolben 21 zwischen dem oberen Druckraum 22 und dem unteren Druckraum 23 einstellt.
Statt des getakteten 2/2-Wegemagnetventils 24 kann auch ein elektrisch betätigtes Proportionalventil verwendet werden. Dieses Proportionalventil wird so angesteuert, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens 21 die über die Drossel 18 einerseits und das Proportionalventil andererseits fließenden Fluidströme ein Kräftegleichgewicht zwischen dem oberen Druckraum und dem unteren Druckraum 23 ergeben. Dies ist der Fall, wenn der über die Drossel 18 fließende Fluidstrom gleich dem über das Proportionalventil fließende Fluidstrom ist. Mit dem entsprechend aufgesteuerten Proportionalventil kann jeder beliebige Hub des Ventilglieds 13 eingestellt und über eine beliebige Öffnungsdauer gehalten werden.
Der in Fig. 2 schematische dargestellte, doppeltwirkende Arbeitszylinder 17' kann anstelle des in Fig. 1 dargestellten Arbeitszylinders 17 in die Ventilsteuervorrichtung 15 eingesetzt werden. Der Arbeitszylinder 17' ist insofern modifiziert, als die Druckfeder 31 entfallen ist und der Stellkolben 21 als Stufenkolben 32 mit einer den oberen Druckraum 22 begrenzenden Wirkfläche 321 und einer den unteren Druckraum 23 begrenzende Wirkfläche 322 ausgebildet ist. Die untere Wirkfläche 322 ist wesentlich größer ausgebildet als die obere Wirkfläche 321. Bei Druckgleichheit in dem oberen Druckraum 22 und dem unteren Druckraum 23 wird der Stufenkolben 32 infolge der den unteren Druckraum 23 begrenzenden größeren Wirkfläche 322 sicher in seine obere Totpunktlage verschoben und in dieser zuverlässig gehalten, so daß auch das Gaswechselventil 10 zuverlässig in seiner Schließstellung gehalten wird. Um eine wie vorstehend erwähnte Notfunktion bei Systemausfall oder längerem Stillstand der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, kann eine gleiche Druckfeder wie die Druckfeder 31 in Fig. 1 vorgesehen werden, die aber wesentlich schwächer dimensioniert werden kann und nur noch das Halten des Stufenkolbens 32 in seiner oberen Totpunktlage gewährleisten muß.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen, mit mindestens einem einem Gaswechselventil (10) zugeordneten Ventilsteller (16), der einen doppeltwirkenden, hydraulischen Arbeitszylinder (17) mit einem mit dem Gaswechselventil (10) gekoppelten, einen oberen Druckraum (22) zur Betätigung des Gaswechselventils (10) in Öffnungsrichtung und einen unteren Druckraum (23) zur Betätigung des Gaswechselventils (10) in Schließrichtung begrenzenden Stellkolben (21) und ein den hydraulischen Druck in den Druckräumen (22, 23) steuerndes Steuerventil (19) umfaßt, und mit einer Druckversorgungseinrichtung (25), die die Druckräume (22, 23) des Arbeitszylinders (17) mit einem unter Hochdruck stehenden Fluid speist, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Druckraum (22) direkt und der untere Druckraum (23) über eine Drossel (18) an der Druckversorgungseinrichtung (25) angeschlossen ist und daß das Steuerventil (19) einerseits an dem unteren Druckraum (23) und andererseits an einer Entlastungsleitung (27) angeschlossen ist und je nach Schaltstellung die Verbindung zwischen unterem Druckraum (23) und Entlastungsleitung (27) herstellt oder sperrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (19) als ein elektrisch betätigtes Wegeventil ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil ein 2/2-Wegemagnetventil (24) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das 2/2-Wegemagnetventil (24) zur Erzielung eines variablen Ventilhubs getaktet umgeschaltet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz in Abhängigkeit von dem gewünschten Ventilhub so eingestellt ist, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens (21) die über die Drossel (18) einerseits und über das 2/2-Wegemagnetventil (24) andererseits fließenden Fluidströme gleich groß sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch betätigte Wegeventil ein Proportionalventil ist, das zur Erzielung eines variablen Ventilhubs so angesteuert ist, daß bei einem dem gewünschten Ventilhub entsprechenden Verstellweg des Stellkolbens (21) die über die Drossel (18) einerseits und über das Proportionalventil andererseits fließenden Fluidströme gleich groß sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitszylinder (17) eine den Stellkolben (21) gegen den Druck im oberen Druckraum (22) belastende Rückstellfeder (31) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder eine im unteren Druckraum (23) angeordnete Druckfeder (31) ist, die sich einerseits im unteren Druckraum (23) und andererseits am Stellkolben (21) abstützt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (21) eine den oberen Druckraum (22) begrenzende Druckbeaufschlagungsfläche (321) und eine den unteren Druckraum (23) begrenzende Druckbeaufschlagungsfläche (322) aufweist und daß die untere Druckbeaufschlagungsfläche (322) größer ist als die obere Druckbeaufschlagungsfläche (321).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, der Stellkolben (21) als Stufenkolben (32) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsleitung eine in einem Fluidreservoir (26) der Druckversorgungseinrichtung (25) mündende Fluidrückführleitung (27) ist.