DE19716042C1 - Hydraulische Steuervorrichtung für wenigstens ein Hubventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrichtung für wenigstens ein Hubventil gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Aus der DE 195 01 495 C1 ist eine Ventilsteuerung bekannt, die ein linear bewegliches Hubventil auslenkt. Sie umfaßt einen Ven­ tilschaft, auf den in Ventilschließrichtung eine Schraubendruck­ feder und in Ventilöffnungsrichtung zeitweise eine Öldruckfeder einwirken. Sie umfaßt ferner einen fest mit dem Ventilschaft verbundenen, in einem Arbeitsraum angeordneten und mit einer Ar­ beitsflüssigkeit beaufschlagbaren Steuerkolben, der im Bereich seiner Endstellungen jeweils einen zum Arbeitsraum gehörenden, hydraulisch von diesem trennbaren Tauchraum teilweise begrenzt Ist der Steuerkolben in einen seiner Tauchräume getaucht, d. h. befindet er sich im Bereich seiner Endstellung, wird der Tauch­ raum druckentlastet, wodurch der Druck im Arbeitsraum eine Sta­ bilisierung dieser Ventilposition bewirkt. Bleibt der Steuerkol­ ben und damit der Ventilschaft jedoch infolge einer Fehlfunktion in einer undefinierten Mittelposition stehen, so ist eine Rück­ stellung sowie eine Ausschaltung dieser Fehlfunktion nur mit großem Aufwand möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Fehlfunk­ tionen durch einfache Mittel kompensierbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Dadurch wird erreicht, daß der Druck der zweiten, hydraulisch regelbaren Federmittel separat und schnell soweit abgesenkt werden kann, daß die Druck­ kraft der ersten Federmittel diejenige der zweiten, hydraulisch regelbaren Federmittel überwiegt. Bei beliebiger Position des Hubventils kann somit eine Rückstellbewegung desselben durch An­ steuerung des Hilfssteuergliedes ausgelöst werden, ohne den Ab­ bau des Versorgungsdrucks vornehmen zu müssen. Die Ansteuerung des Hilfssteuergliedes kann direkt gemeinsam mit der Ansteuerung des Stellgliedes oder indirekt durch die Ansteuerung des Stell­ gliedes und den daraus resultierenden Stellvorgang erfolgen. Je nach Anforderung kann diese mechanisch, elektronisch, elek­ trisch, elektromagnetisch oder pneumatisch, jedoch vorzugsweise hydraulisch erfolgen. Im letztgenannten Fall geschieht dann die Ansteuerung vorzugsweise über das gleiche Stellglied, das die Ansteuerung des Steuerkolbens ermöglicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sieht vor, daß das Hilfssteuerglied eine 2/2-Wegeventilfunktion aufweist. Diese Funktion ist im Rahmen des bestehenden Hydrau­ liksystems durch besonders einfache Mittel realisierbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 sieht vor, daß das Hilfssteuerglied über Steuerleitungen an eine Druckversorgungsleitung und eine Druckentlastungsleitung ange­ schlossen ist, die durch das Stellglied beaufschlagbar sind. Da­ durch läßt sich die Anbindung des Hilfssteuergliedes an das be­ stehende Hydrauliksystem besonders einfach ausführen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein bevorzugtes Ausführungs­ beispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert wird.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hy­ draulischen Steuervorrichtung für ein linear bewegliches Hubventil einer Brennkraftmaschine mit einer in Ventil­ schließrichtung wirkenden Schraubendruckfeder und einer in Ventilöffnungsrichtung wirkenden Kombination aus ei­ ner Schrauben- und einer Öldruckfeder in einer Schließ­ position des Hubventiles,

Fig. 2 die Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Mittelstel­ lung des Hubventils,

Fig. 3 die Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 in seiner Mittellage, jedoch bei ausgelöster Rückstellbewegung des Hubventils

Fig. 4 die Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Darstellung bei vollständig geöffnetem Hubventil (untere Endstel­ lung).

Eine Brennkraftmaschine, insbesondere für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges, weist in an sich bekannter Weise mehrere Zylin­ der auf, deren Brennräume mit jeweils wenigstens einem Hubventil zur Zufuhr eines Kraftstoff-/Luft-Gemisches oder zur Abfuhr des Abgases versehen sind. Die Steuerung der Hubventile erfolgt durch eine als zentrale Steuereinheit dienende Motorelektronik. Zur Ansteuerung jedes Hubventiles 1 ist gemäß den Fig. 1 bis 4 eine nachfolgend näher beschriebene hydraulische Steuervorrich­ tung vorgesehen.

Jedes Hubventil 1 weist einen Ventilschaft 2 und eine damit fest verbundene Federaufnahme 3 auf. Der Ventilschaft 2 wird über die Federaufnahme 3 durch eine als erstes Federmittel dienende, vor­ gespannte Druckfeder 4 in Ventilschließrichtung mit einer Kraft beaufschlagt, die das Hubventil 1 in seiner in Fig. 1 darge­ stellten Ruheposition hält.

Der Ventilschaft 2 ist mit einem Kolbenbereich in einer Zylin­ derführung 5 linear verschiebbar gelagert, die Bestandteil eines Gehäuses 6 ist. Die Zylinderführung 5 ist an einer Stelle zu ei­ nem Arbeitsraum 33 aufgeweitet, der von dem Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 durchsetzt wird, wobei der Kolbenbereich in dem Arbeitsraum 33 einen beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein­ stückig mit dem Ventilschaft 2 verbundenen Steuerkolben 7 auf­ weist. Der Steuerkolben 7 umfaßt einen unteren und einen oberen Tauchkolben 8 und 9, die jeweils im Bereich einer Endstellung des Ventilschaftes 2 in Druckräume 34 und 35 eintauchen. Die Druckräume 34, 35 sind so ausgeführt, daß sie in den Endstellun­ gen des Ventilschaftes 2 jeweils durch die Tauchkolben 8 und 9 hydraulisch vom übrigen Volumen des Arbeitsraumes 33 abgetrennt werden.

Der Arbeitsraum ist Teil eines nachfolgend näher beschriebenen Hydrauliksystems, dessen Druck über wenigstens eine, nicht dar­ gestellte Hydraulikpumpe durch entsprechende, für einen Druck­ aufbau dienende Versorgungsleitungen 38 sowie durch eine für ei­ ne Druckentlastung dienende Rücklaufleitung 39 gesteuert wird. Die Steuerung des Druckaufbaus und der Druckentlastung im Hy­ drauliksystem erfolgt zudem über ein als Stellglied dienendes elektromagnetisches Schaltventil 46, das in lediglich angedeute­ ter Weise durch entsprechende Schaltsignale der Motorelektronik angesteuert wird.

Zur hydraulischen Beaufschlagung des Kolbenbereiches des Ventil­ schaftes 2 sind über die Länge des Kolbenbereiches verteilt in der Zylinderführung insgesamt fünf Ringkanäle 22, 24, 27, 29, 31 vorgesehen, wobei vier Ringkanäle 22, 24, 27, 29 oberhalb des Steuerkolbens 7 und damit oberhalb des Arbeitsraumes 33 und ein weiterer Ringkanal 31 unterhalb des Arbeitsraumes 33 angeordnet sind. Der Ringkanal 22 ist direkt mit der Versorgungsleitung 38 verbunden, während die Ringkanäle 29 und 31 über Verbindungslei­ tungen 30, 32 sowie einem weichenförmige Zweigstelle des elektro­ magnetischen Schaltventiles 46 entweder an die weitere Versor­ gungsleitung 38 oder an die Rücklaufleitung 39 anschließbar sind. Der Ringkanal 27 steht über eine Steuerleitung 28 für die Ansteuerung eines Hilfssteuergliedes in Form eines 2/2-Wege­ ventils mit einem Steuerschieber 40 in Verbindung. Der Ringkanal 24 schließt zum einen über eine Verbindungsleitung an die Rück­ laufleitung 39 und zum anderen über eine Steuerleitung 26 an ei­ nen Arbeitsraum des Steuerschiebers 40 des 2/2-Wegeventiles an. Der Arbeitsraum 33 ist über eine Verbindungsleitung 36 mit der Versorgungsleitung 38 verbunden.

Im Bereich einer oberen Stirnseite 2' des Kolbenbereiches des Ventilschaftes 2 schließt sich an die Zylinderführung 5 ein Druckraum 20 an, der- über eine Leitung 21 mit einem weiteren Hy­ draulikvolumen 43 verbunden ist. Druckraum 20 und Hydraulikvolu­ men 43 bilden zusammen eine Öldruckfeder, die mit einer Schrau­ bendruckfeder 45, die über einen Kolben 44 das Hydraulikvolu­ men 43 mit Druck beaufschlagt, in Serie geschaltet ist. Der Auf­ bau und die Funktion dieser Hydraulikeinheit entsprechen einer hydraulischen Steuervorrichtung, wie sie in der nicht vorveröf­ fentlichten DE 196 21 951 C1 beschrieben ist, so daß für nähere Erläuterungen auf die Offenbarung in die­ ser Patentschrift verwiesen wird. Das so konzipierte Federmit­ tel belastet den Ventilschaft 2 in Ventilöffnungsrichtung, wobei der Druckraum 20 gleichzeitig einen Hubraum für den Ventilschaft 2 bildet.

Der Druckraum 20 ist über im Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 koaxial verlaufende Kanäle 11 und 14 mit dem Arbeitsraum und von dort über die als Druckleitung gestaltete Verbindungsleitung 36 mit der Versorgungsleitung 38 dadurch hydraulisch verbindbar, daß eine in einer Erweiterung 19 des Kanals 11 gelagerte Kugel 17 durch ein ausreichendes Gefälle zwischen dem Druck der Öl­ druckfeder und dem aktuellen Versorgungsdruck entgegen der Kraft einer vorgespannten Druckfeder 18 und dem auf der Unterseite der Kugel lastenden Versorgungsdruck aus ihrer in den Zeichnungen dargestellten Ruheposition ausgelenkt wird. Dieser Fall ist ge­ geben, wenn der Versorgungsdruck bei nicht vollständig ausgefah­ renem Ventil stark abgesenkt wird. Die Öldruckfeder wird dabei, wie erläutert, bis auf den Versorgungsdruck entspannt, woraufhin sich das Ventil durch die Kraft der Schraubendruckfeder 4 schließt.

Wie bereits erwähnt, bewegen sich der Kolbenbereich des Ventil­ schaftes 2 und der Steuerkolben 7 während eines Arbeitszyklus zwischen zwei Endpositionen hin und her. Die durch die Tauchkol­ ben 8 oder 9 vom Arbeitsraum 33 abgetrennten Druckräume 34 oder 35 sind jeweils durch im Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 oberhalb und unterhalb des Steuerkolbens 7 vorgesehene Nuten 15, 16 mit den Ringkanälen 29, 31 alternativ verbindbar, die an die Verbindungsleitungen 30 bzw. 32 anschließen. Fig. 1 zeigt hierzu die Lage des Ventilschaftes 2 und dessen Kolbenbereiches in ei­ ner oberen Endposition, in der der Druckraum 35 über die Nut 16 und die Verbindungsleitung 30 beaufschlagt, im dargestellten Zu­ stand druckentlastet ist. Fig. 4 stellt den Ventilschaft 2 und dessen Kolbenbereich in der entgegengesetzten, unteren Endposi­ tion dar, in der der Druckraum 34 über die Nut 15 und die Druck­ leitung 32 beaufschlagt, im dargestellten Zustand druckentlastet ist.

In den genannten Endpositionen kann der jeweils druckentlastete Druckraum 34 oder 35 durch eine Umschaltung des Schaltventils 46 mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt werden, so daß bei ent­ sprechender Dimensionierung der Kräfteverhältnisse das Hubventil aus seiner oberen Endposition durch den Druck der Öldruckfeder auf die Stirnfläche 2' und aus seiner unteren Endposition durch den Druck der Druckfeder 4 auf die Federaufnahme 3 bewegt wird.

Ist der Steuerkolben 7 so weit aus einer Endposition bewegt wor­ den, daß der jeweilige Tauchkolben 8 oder 9 aus dem zugehörigen Druckraum 34 oder 35 austaucht, wird der zugehörige Ringkanal 31 oder 29 durch den Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 abgesperrt, und die Verbindungsleitungen 30 und 32 können durch Rückstellen des Schaltventils 46 in seine in den Fig. 1, 2 und 4 darge­ stellte Ruheposition, und damit durch Kopplung der genannten Verbindungsleitungen mit der Rücklaufleitung 39 druckentlastet werden.

Im allgemeinen wird der Ventilschaft 2 nach Auslösung der Bewe­ gung durch das jeweils stärker gespannte Federmittel bis zur ge­ genüberliegenden Endposition verfahren. Die Funktionsweise ent­ spricht der Funktion der Steuervorrichtungen, wie sie in der DE 195 01 495 C1 oder der DE 196 21 951 C1 beschrieben sind. Dabei erfolgt eine Druckbeaufschlagung über den Ringkanal 22 in der Zylinderführung 5 sowie eine als Steuernut dienende Ringnut 13 sowie Steuerkanäle 11, 12 im Kolbenbereich des Ventilschaftes 2.

In der in Fig. 4 gezeigten Position des Hubventiles 1 ist der Druck im Druckraum 20 samt Hydraulikvolumen 43 über die Steuer­ kanäle 11 und 12, die Steuernut 13, den Ringkanal 24 sowie über die Verbindungsleitung 25 und die Rücklaufleitung 39 wieder ab­ baubar. Hierdurch wird die Rückstellbarkeit des Hubventils 1 in die in Fig. 1 gezeigte Position erleichtert, sowie eine erneute beliebige Druckbeaufschlagung in der Ruheposition gemäß Fig. 1 ermöglicht.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, daß aufgrund einer Fehlfunk­ tion, infolge derer der Druck der Öldruckfeder nicht ausreichend hoch sein kann, um den Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 ausge­ hend von Fig. 1 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 4 bis in die in Fig. 4 dargestellte Position zu bewegen, der Kolbenbe­ reich in der in Fig. 2 dargestellten Position stehen bleibt. Da­ durch ergibt sich eine undefinierte Ansteuerbarkeit des Kolben­ bereiches des Ventilschaftes 2, wodurch eine sichere Ventilfunk­ tion des Hubventils 1 in Frage gestellt ist.

Aus diesem Grund ist dem Druckraum 20 ein Hilfssteuerglied zuge­ ordnet, das durch ein 2/2-Wegeventil mit einem Arbeitsraum 37 sowie einem Steuerschieber 40, einer Steuerleitung 28, einer Rückstellfeder 41 und einer Verbindungsleitung 26 gebildet ist. Der Druckraum 20 und der Arbeitsraum 37 für den Steuerschieber 40 sind hydraulisch miteinander verbunden, jedoch ist die Ver­ bindung in der Ruhelage des Steuerschiebers 40 durch diesen un­ terbrochen. In der Ruhelage des doppelseitig belastbaren Steuer­ schiebers 40 ist die Rückstellfeder 41 weitgehend entspannt, die Steuerleitung 28 ist druckentlastet. Die Verbindungsleitung 26 ist in jeder Situation druckentlastet, da sie über den Ringkanal 24 in fester Verbindung mit der Verbindungsleitung 25 steht.

Befindet sich der Ventilschaft 2 in einer undefinierten Mittel­ lage gemäß Fig. 2, so ist die Steuerleitung 28 über den Ringka­ nal 27, eine Steuernut 10 im Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 und den Ringkanal 29 mit der Verbindungsleitung 30 verbunden, wobei sie durch Betätigung des Schaltventils 46 mit dem Versor­ gungsdruck beaufschlagt werden kann. Der auf eine Stirnfläche 40' des Steuerschiebers 40 wirkende Druck bewirkt eine Bewegung des Steuerschiebers 40 gegen die Kraft der Rückstellfeder 41 in die in Fig. 3 gezeigte Position.

Wie in Fig. 3 gezeigt, gibt das aktivierte Hilfssteuerglied die Verbindung zwischen dem Druckraum 20 und der Verbindungsleitung 26 frei, wodurch die Öldruckfeder druckentlastet wird und der Kolbenbereich des Ventilschaftes 2 aus seiner Mittellage durch die Druckfeder 4 in die Endposition gemäß Fig. 1 zurückgedrückt wird. Hat das Hubventil 1 seine obere Endposition erreicht, be­ steht die hydraulische Verbindung zwischen den Ringkanälen 27 und 29 über die Steuernut 10 nicht mehr, vielmehr wird nun durch eine Verbindung der Ringkanäle 27 und 24 eine Druckentlastung der Steuerleitung 28 und damit eine Rücksetzung des Steuerschie­ bers 40 in seine Ruheposition durch die Kraft der Druckfeder 41 sichergestellt.

Dies kann ohne spezielle Regelung, insbesondere ohne den Abbau des Versorgungsdruckes und ohne meßtechnische Maßnahmen zur Er­ fassung der exakten Position des Hubventils 1 geschehen. Außer­ dem kann die Rückstellung bei entsprechender geometrischer Ge­ staltung von Steuernut 10 und Ringkanälen 27 und 29, die darauf abzielen muß daß die beiden Ringkanäle 27 und 29 bei jeder Mit­ telstellung des Kolbens 4 über die Steuernut 10 miteinander in hydraulischer Verbindung stehen, aus jeder Position des Hubven­ tils und auch bei jeder Geschwindigkeit des Hubventils, d. h. auch bei normaler Funktion, erfolgen.

Claims (4)

1. Hydraulische Steuervorrichtung für wenigstens ein Hubventil (1), insbesondere in einer Brennkraftmaschine, das einen Ven­ tilschaft (2) aufweist, dem erste Federmittel (4) für eine Be­ aufschlagung in Ventilschließrichtung und zweite, hydraulisch regelbare Federmittel (43) für eine Beaufschlagung in Ventil­ öffnungsrichtung zugeordnet sind, und der (2) mit einem doppel­ seitig hydraulisch beaufschlagbaren Steuerkolben (7) verbunden ist, wobei ein Schließ- oder Öffnungsvorgang des Hubventils (1) durch ein Stellglied (46) einer zentralen Steuereinheit auslös­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß den zweiten, hydraulisch regelbaren Federmitteln (43) ein hy­ draulisch wirkendes Hilfssteuerglied (37, 40, 41) zugeordnet ist, das bei einem Stellvorgang des Stellgliedes (46) in Schließrichtung des Hubventiles (1) die zweiten, hydraulisch regelbaren Federmittel (43) unter die Stellkraft der ersten Fe­ dermittel (4) druckentlastet.

2. Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssteuerglied (37, 40, 41) eine 2/2-Wegeventilfunktion aufweist.

3. Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssteuerglied (37, 40, 41) über Steuerleitungen an eine Druckversorgungsleitung (30) und eine Druckentlastungsleitung (25) angeschlossen ist, die durch das Stellglied (46) beauf­ schlagbar sind.

4. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssteuerglied (37, 40) durch eine mechanische Rückstell­ feder (41) in seiner Ruheposition gehalten ist.