DE3935218A1 - Hydraulische ventilsteuerung fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine durch einen Druckstromerzeuger und über hydraulische Ventile betriebene Ventilsteuerung für Brenn­ kraftmaschinen.

Hydraulische Ventilsteuerungen sollen den mechanischen Aufwand bisheriger, beispielsweise über Zahnriemen, Nockenwelle und Stößel betätigter Ventile vermindern und die bewegten Massen der Ventilsteuerung minimieren, fanden bisher jedoch nur bei größeren Motoren, z. B. Schiffsdieselmotoren, Anwendung.

Die für Fahrzeugmotoren vorgeschlagenen hydraulischen Ventil­ steuerungen erfordern aber fast durchweg den gleichen Bauauf­ wand wie die bisherigen mechanischen Lösungen. In vielen Fällen ersetzt die Hydraulik zudem nur die Stößel bzw. Stoßstangen mit allen Problemen, die durch Leckverluste bei der hydraulischen Übertragung entstehen. Alle hydraulischen Ventilsteuerungen arbeiten nach wie vor mit mechanischen Federn. Lediglich bei einem großen Schiffsdiesel wird als Rückholfeder eine Luftfeder verwendet. Nachteilig ist der große Energieverbrauch dieser hydraulischen Ventilsteuerungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei kleineren Motoren den Bauaufwand zu vermindern, die bewegten Massen selbst gegenüber Ventilsteuerungen mit obenliegender Nockenwel­ le zu minimieren, sowie die Steuerzeiten und den Ventilhub so variabel zu gestalten, so daß bei Einspritzmotoren eine Drossel­ klappe entfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ven­ tilschaft am Ende mit einem Kolben versehen ist, mit diesem ei­ nen Differentialkolben bildet, der von einem auf die Ventilfüh­ rung aufgesteckten Zylinder umschlossen wird, wobei dieser Kol­ ben den Zylinder in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt, wobei der obere Arbeitsraum an eine gesteuerte Lei­ tung und der untere Arbeitsraum an eine ungesteuerte Druck- und eine ungesteuerte Ablaufleitung angeschlossen sind. Jede zu einem Zylinder bzw. Ventil hinführende, gesteuerte Leitung ist zudem über eine abzweigende Leitung und ein zum Ablauf schlie­ ßendes Rückschlagventil mit diesem verbunden.

Der die Ventile betätigende Druck wird durch eine ständig mit dem Motor mitlaufende Pumpe erzeugt, wobei dieser Druck PV auf die kleine Fläche und der zur Schmierung des Motors genutzte Ablaufdruck PS auf die große Fläche eines in einem Druckspeicher angeordneten Frei-Differentialkolbens wirkt. Die Wirkungsweise kann durch eine Feder ganz oder teilweise unterstützt werden.

Die Ventile werden durch einen motorseitig angetriebenen Dreh­ schieber gesteuert, der von innen mit dem Druck PV beaufschlagt ist und der über eine Bohrung in einen etwa dreiecksförmigen Ausschnitt mündet, während das Drehschiebergehäuse entsprechend der Zahl der Ein- und Auslaßventile Schlitze aufweist, die so mit den dreiecksförmigen Ausschnitten zusammenwirken, daß beim Öffnen der Durchfluß langsam steigt, beim Schließen jedoch schnell fällt. Ein- und Auslaßventile werden durch einen ge­ trennten, mit Druck beaufschlagten Ausschnitt des Drehschiebers gesteuert. Um die druckbeaufschlagten Ausschnitte herum ist ein dichtender Steg angeordnet, der den Druck PV von dem den Dreh­ schieber umspülenden Ablaufdruck bzw. Schmierdruck PS trennt.

Im unteren Arbeitsraum kann ein federunterstützter Ventilring angeordnet sein, der bei der Schließbewegung des Ventils sich nach einem bestimmten Hub anlegt und den unteren Arbeitsraum von der Druckölzuführung trennt, so daß aus der Ablaufleitung über ein Rückschlagventil Öl nachgesaugt wird.

Der Drehschieber ist in seinem Gehäuse axial verschiebbar ange­ ordnet, wodurch Öffnungsbeginn und Fließdauer des Druckölstromes verändert werden können.

Die Erfindung ermöglicht die Reduzierung der bewegten Massen um etwa 50% gegenüber den z. Z. modernsten Ventilsteuerungen mit obenliegender Nockenwelle und Tassenstößeln. Die Ventilfedern entfallen. Der zeitliche Öffnungsquerschnitt kann im Verhältnis 1 : 10 und mehr verändert werden, wobei Ventilhub und Öffnungsdau­ er veränderbar sind. Dadurch kann bei Einspritzmotoren eine Drosselklappe entfallen. Auch bei Teillasten und niedrigem An­ saugvolumen werden am Einlaßventil ebenfalls hohe Geschwindig­ keiten und damit eine gute Verwirbelung des Kraftstoff-Luft- Gemisches erreicht. Dies ist besonders der Fall, wenn der Ein­ laßbeginn verzögert wird. Beim Auslaß kann es im Teillastgebiet vorteilhaft im Sinne einer Abgasrückführung sein, früher zu schließen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Das Schaubild zeigt die Ventilerhebung von Ein- und Auslaßventil.

Am Ventilschaft 1 ist am oberen Ende ein länglicher Kolben 2 befestigt, z. B. angeschraubt. Der Kolben 2 gleitet in einem Zy­ linder 3 und unterteilt den Raum im Zylinder in einen oberen 4 und einen unteren Arbeitsraum 5. Der obere Arbeitsraum 4 ist durch einen Deckel 6 verschlossen und mit einer gesteuerten Lei­ tung 7 verbunden. Der untere Arbeitsraum 5 ist über eine Lei­ tung 8 und ein Rückschlagventil 9 mit dem Ablauf und dem Nieder­ druckraum eines Differential-Druckspeichers 10 verbunden, der einen Frei-Differentialkolben 11 und eine Druckfeder 11a auf­ weist. Der Ablauf ist ferner mit dem Ringraum 12a eines Dreh­ schieberventils 12 verbunden. Der untere Teil des Arbeitsraumes 5 ist über die Leitung 13 ständig mit dem Druck PV verbunden. Alle anderen Ventile sind in gleicher Weise an die Leitungen 8 und 13 angeschlossen. Der Ablaufdruck PS wird durch ein Druck­ ventil 14 bestimmt. Das Ablauföl kann zur Schmierung des Motors benutzt werden.

Eine motorgetriebene Pumpe 15 erzeugt den zur Ventilbeschleuni­ gung erforderlichen Druck und den zur Ventilbewegung erforder­ lichen Volumenstrom. Dieser mündet einerseits in die Leitung 13 und andererseits in die innere Bohrung 12b des Drehschiebers 12c. Von dort gelangt er über eine Bohrung und den dreiecksför­ migen Ausschnitt 12d, über Schlitze 12f, über die Leitungen 7a bis 7d zu den oberen Arbeitsräumen 4 der jeweiligen Ventile.

Die Leitungen 7a bis 7d (Vierzylindermotor) sind ferner über die Leitungen 16a bis 16d mit Rückschlagventilen 17 mit dem Ab­ lauf verbunden.

Im unteren Arbeitsraum 5 befindet sich ein Ventilring 18 der durch eine Feder 18a so gehalten wird, daß er den oberen Teil des Arbeitsraumes 5 von einem unteren Teil 5a trennt.

Die Wirkungsweise ist folgende: Erhält, wie in der Zeichnung dargestellt, der obere Arbeitsraum 4 durch die Stellung des Drehschiebers 12c Druck PV, dann bewegt sich das Ventil von der rechts in die links gezeichnete Stellung nach unten gegen den ständig im unteren Arbeitsraum 5 wirkenden Druck PV. Die das Ventil nach unten beschleunigende Kraft ergibt sich aus dem Ventilschaft-⌀. Die Ringflächen des Kolbens 2 heben sich oben und unten auf. Der Beginn des Wirkens des Druckes PV im oberen Arbeitsraum 4 ist im Schaubild mit I bezeichnet. Je nach der axialen Stellung des Drehschiebers 12c - gestrichelt ange­ deutet - schließt dieser früher oder später bei Punkt II. Infol­ ge Beharrung bewegt sich das Ventil jedoch weiter und schiebt über die Leitung 13 Drucköl zurück in den Kreislauf. Gleichzei­ tig wird aus dem Ablauf über die Leitung 16, das Rückschlagven­ til 17 und die Leitungen 16c in den oberen Arbeitsraum 4 ge­ saugt. Dadurch werden Verluste vermieden bzw. verringert. Kommt das Ventil durch den auf die Unterseite des Kolbens 2 wirkenden Druck zum Stillstand - Punkt III im Schaubild - so bleibt das Ventil, so lange die gesteuerte Leitung 7 durch den Steg 12e noch verschlossen ist, geöffnet. Erst wenn der Steg 12e den Schlitz 12f freigibt und die gesteuerte Leitung 7 mit dem Ab­ lauf verbindet, kann sich das Ventil nach oben bewegen - Punkt IV - und der Schließvorgang ist eingeleitet. Drucköl strömt nun in den unteren Arbeitsraum 5 und nimmt den Ventilring 17 mit, bis dieser oben zur Anlage kommt. Dann kann kein Drucköl mehr nachströmen und infolge Beharrung der Ventilbewegung wird aus der Leitung 8 über das Rückschlagsventil 9 Öl nachgesaugt (P.V). Kurz vor dem Ventilhubende taucht das obere, dünne Ende des Ven­ tilschafts 1 in die entsprechende Bohrung im Deckel 6 ein Punkt VI. Durch den entstehenden Spalt wird die Ventilbewegung abge­ bremst. Der Ventilring 17 schließt nicht dicht, so daß das Drucköl der Leitung 13 das Ventil sicher geschlossen hält.

Die Veränderung der Steuerzeiten durch die axiale Verstellung des Drehschiebers (gestrichelt dargestellt) kann der Zeichnung entnommen werden und braucht nicht beschrieben zu werden.

Der Zylinder 3 ist auf die Ventilschaftführung aufgepreßt und dadurch zu dieser zentriert. Der Deckel wird durch eine Bride 19 gehalten und die wird zweckmäßigerweise durch eine zwischen zwei Ventilen angeordnete Schraube (nicht dargestellt) fest an­ gezogen. Diese Konstruktion ergibt eine sehr gedrängte Bauweise und Einsparung an Bauhöhe. Federteller, Stößel und anteilige Masse der Feder entfallen, so daß wesentlich höhere Ventil­ beschleunigungen möglich sind.

Claims (4)

1. Hydraulische Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen, von einer Hydraulikpumpe über ein Drehschieberventil betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilschaft (1) an seinem oberen Ende mit einem Kolben (2) versehen ist und mit diesem einen Differentialkolben bildet, der von einem Zylinder (3) umschlossen wird, wobei der Kolben (2) den Zylinder in einen oberen (4) und einen unteren Arbeitsraum (5) unterteilt und daß der obere Arbeitsraum (4) an eine gesteuerte Leitung (7) und der untere Arbeitsraum an eine Ablaufleitung (8) mit Rückschlagventil (9) und an eine Druckleitung (13) ange­ schlossen ist, und daß jede der zu einem Ventil hinführen­ den gesteuerten Leitungen (7a bis 7d) über Leitungen (16a bis 16b) mit zum Ablauf schließenden Rückschlagventilen (17) mit dem Ablauf verbunden ist.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck PV der Pumpe (15) auf die kleinere Fläche eines Differentialkolbens und der Ablaufdruck PS auf dessen große Fläche wirkt, wobei der Ablaufdruck ganz oder teilweise durch eine mechanische Feder unterstützt sein kann.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der die Ventile steuernde hydraulische Drehschieber (12) eine mit Druck PV beaufschlagte Innenbohrung (12e) auf­ weist, die über eine Bohrung mit einem etwa dreicksförmigen Ausschnitt (12d) der wiederum von einem Steg (12d) umgeben ist, verbunden ist und daß das Drehschiebergehäuse mit Schlitzen (12f) versehen ist, an welche die gesteuerten Lei­ tungen (7a bis 7b) angeschlossen sind, wobei die Schlitze (12f) durch die Ausschnitte (12d) bei drehendem Drehschieber, je nach dessen axialer Stellung, verschieden lang freigegeben werden. Gibt der Steg (12e) den Schlitz (12f) des Drehschie­ bergehäuses frei, so ist die gesteuerte Leitung (7) mit dem Ringraum um den Steuerschieber, d. h. mit dem Ablauf verbun­ den.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß im unteren Arbeitsraum (5) ein Ventilring (17) an­ geordnet ist, der durch eine Feder in einer Mittellage gehal­ ten wird und der bei nach oben gerichteter Bewegung den un­ teren Arbeitsraum in einen oberen und einen unteren Teil trennt.