DE69411693T2

DE69411693T2 - Hydrauliksystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69411693T2
Application number: DE69411693T
Authority: DE
Inventors: Michael B Levin; Michael M Schechter; Gordon Wright
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: DE69411693D1; EP0659983A1; US5375419A; EP0659983B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hydrauliksysteme in Fahrzeugmotoren, und insbesondere Systeme für die hydraulische Steuerung von Einlaß- und Auslaßventilen und Turboladern von Verbrennungsmotoren.
Der vermehrte Einsatz und die Abhängigkeit von mikroprozessorgesteuerten Steuerungssystemen für Automobile und das größere Vertrauen in Hydrauliksysteme im Gegensatz zu mechanischen Systemen ermöglicht einen wesentlichen Fortschritt beim Entwurf von Motorsystemen. Elektrohydraulische Systeme in Fahrzeugen stellen bei der Steigerung der Motorleistung mehr Flexibilität bereit, wobei der Nachteil entsteht, daß nun mehr Systeme für ihren Betrieb eine Quelle von unter Druck stehendem hydraulischem Fluid benötigen. Diese gesonderten Systeme können viel Raum einnehmen und eine Gewichtszunahme bewirken, und sie verursachen auch parasitische Verluste. Dies trifft besonders für die Systeme zu, die nur gelegentlich ein unter Druck stehendes hydraulisches Fluid benötigen.
Ein solches elektrohydraulisches System ist eine Steuerung für die Einlaß- und die Auslaßventile eines Motors. Die Steigerung der Motorleistung, die durch die Fähigkeit erlangt werden kann, die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und die Hubzeit der Einlaß- und Auslaßventile in einem Motor zu verändern&sub1; ist auf dem Fachgebiet gut bekannt und geschätzt. Dies ermöglicht die Berücksichtigung verschiedener Betriebsbedingungen des Motors durch die unabhängige Steuerung eines jeden Ventils zur Optimierung der Motorleistung. Dieser Systemtyp benötigt für seinen Betrieb typisch eine konstante Versorgung eines unter Druck stehenden Fluids. Ein weiterer Typ eines elektrohydraulischen Systems liefert einem Turbolader hydraulische Verstärkung&sub1; um die Antwortzeit des Turboladers unter gewissen Betriebsbedingungen des Motors zu verbessern. Bei niedrigen Betriebsdrehzahlen des Motors und unter Bedingungen zunehmender Belastung ist die Wirksamkeit eines Turboladers als Mittel, die Luftzufuhr rasch zu steigern, ziemlich gering. Erst nach dem Erreichen einer anfänglichen Zunahme der Motordrehzahl und -leistung wird der Turbolader eine wirksame Vorrichtung, um die Leistung des Motors noch weiter zu erhöhen. Das Hinzufügen eines hydraulischen Turbinenrads zum Turbolader kann dieses Problem wesentlich abmildern. Eine solche Turbine, die selektiv betätigt werden kann, indem sie über kurze Zeiträume hinweg mit unter Druck stehendem Öl versorgt wird, während denen die vom Abgas gelieferte Energiemenge zu gering ist, kann die Antwort des Systems Motorjturbolader signifikant verbessern. Das mit dem Hinzufügen einer hydraulischen Turbine zu einem Turbolader einhergehende Problem besteht darin, daß ebenso die Installation eines hydraulischen Hochdrucksystems benötigt wird, was auf dem Fahrzeug zusätzliche Kosten und Komplexität erzeugt. Dies gilt in besonderem Maße als dieses Hydrauliksystem nur gelegentlich benötigt wird.
In einem Motor, in dem bereits ein Hydrauliksystem existiert, wie in einem Motor mit einem elektrohydraulischen Ventilzug, kann die Modifizierung des hydraulischen Systems, damit es zwei Zwecke erfüllt und dem Turbolader Leistung liefert, Kosten, Raumbedarf und Gewicht sowie die parasitischen Verluste verringern.
In ihren Ausführungsformen sieht die vorliegende Erfindung in der Kombination einen hydraulisch gesteuerten Ventilzug, einen hydraulisch verstärkten Turbolader und ein hydraulisches Steuerungssystem vor. Das hydraulische Steuerungssystem umfaßt eine Niederdruckquelle von Fluid, eine mit der Niederdruckquelle zusammenwirkende hydraulische Pumpe und eine Druckregelungsvorrichtung, die mit der hydraulischen Pumpe verbunden ist. Das hydraulische Steuerungssystem umfaßt ferner eine Hochdruckleitung, die mit dem hydraulisch gesteuerten Ventilzug und dem hydraulisch verstärkten Turbolader verbunden ist, sowie eine Vorrichtung zur selektiven Beschränkung des Flusses in der Hochdruckleitung zwischen der hydraulischen Pumpe und dem hydraulisch verstärkten Turbolader.
Demzufolge besteht ein Gegenstand der folgenden Erfindung in der Bereitstellung eines integrierten Hydrauliksystems, das sowohl einen elektrohydraulischen Ventilzug als auch einen hydraulisch verstärkten Turbolader steuern kann, sowie eines Verbrennungsmotors mit einer gemeinsamen Quelle von hydraulischer Kraft, um die hydraulische Ventilvorrichtung und den hydraulisch verstärkten Turbolader zu betätigen. Dieser Gegenstand wird mit einem Motor nach Anspruch 1 und mit einem integrierten Hydrauliksystem nach Anspruch 3 erreicht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung der Kosten und des Gewichts, die durch die Bereitstellung eines integrierten Hydrauliksystems für einen elektrohydraulischen Ventilzug und einen hydraulisch verstärkten Turbolader entstehen.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die parasitischen Verluste, die mit zwei getrennten Hydrauliksystemen eher als mit einem einzigen, integrierten Hydrauliksystem einhergehen.
Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abbildung 1 ein Schema eines integrierten hydraulischen Systems ist, das mit einer elektrohydraulisch gesteuerten Ventilvorrichtung und einem hydraulisch verstärkten Turbolader im Einklang mit der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
Abbildung 1 zeigt ein integriertes hydraulisches System, das mit einer elektrohydraulischen Motorventilvorrichtung 8 und einem hydraulisch verstärkten Turbolader 80 verbunden ist. Wenngleich diese Abbildung eine mögliche Ausführungsform für den Ventilzug und den Turbolader zeigt, könnten auch andere hydraulische Ventilzüge und Turbolader ähnlich integrierte Hydrauliksysteme besitzen, um Verbesserungen hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und der parasitischen Verluste bereitzustellen. Ein elektrohydraulischer Ventilzug ist detailliert im US-Patent 5,255,641 von Schechter gezeigt.
Eine einzelne Motorventilvorrichtung 8 eines elektrohydraulisch gesteuerten Ventilzugs ist in Abbildung 1 gezeigt. Ein Motorventil 10 - gleichermaßen für die Ansaugluft oder das Abgas - befindet sich innerhalb eines Zylinderkopfes 12. Ein Ventilkolben 26, der am oberen Ende des Motorventils 10 befestigt ist, kann innerhalb der Begrenzung der Kolbenkammer 30 gleiten.
Das Fluid wird selektiv zum Raum 25 über dem Kolben 26 jeweils von einem Reservoir 40 mit unter hohem Druck stehendem Öl und von einem Reservoir 42 mit unter niedrigem Druck stehenden Öl geliefert, die jeweils über eine Hochdruckleitung 44 und eine Niederdruckleitung 46 mit einer Hochdrucköffnung 48 und einer Niederdrucköffnung 50 verbunden sind.
Der Raum 25 ist über ein Magnetventil 64 oder ein Rückschlagventil 66 mit dem Hochdruckölreservoir 40 verbunden, oder mit dem Niederdruckölreservoir 42 über das Magnetventil 68 oder ein Rückschlagventil 70. Der Raum 27 unter dem Kolben 26 ist stets mit dem Hochdruckölreservoir 40 verbunden. Der Rücklauf 72 für das Fluid stellt eine Vorrichtung für die Rückkehr zu einem Sammelbehälter oder eine Niederdruckölquelle 54 für jegliches Fluid bereit, das aus der Kolbenkammer 30 triff.
Das Öffnen des Motorventils wird durch das Hochdruckmagnetventil 64 gesteuert, bei dessen Öffnung das Ventil beschleunigt und bei dessen Schließung das Ventil abgebremst wird. Das Öffnen und Schließen des Niederdruckmagnetventils 68 steuert die Schließung des Motorventils.
Beim Öffnen des Motorventils öffnet sich das Hochdruckmagnetventil 64 und die auf den Kolben 26 wirkende resultierende Druckkraft beschleunigt das Motorventil 10 abwärts. Wenn sich das Hochdruckmagnetventil 64 schließt, fällt der Druck über dem Kolben 26 ab und der Kolben wird abgebremst, wobei er das Fluid aus dem darunter befindlichen Raum 27 zurück in das Hochdruckölreservoir 40 drückt. Das Niederdruckfluid, das durch das Niederdruckrückschlagventil 70 fließt, verhindert die Bildung eines Leerraumes im Raum über dem Kolben 26 während des Abbremsens. Wenn die Abwärtsbewegung des Motorventils 10 anhält, schließt sich das Niederdruckrückschlagventil 70 und das Motorventil 10 bleibt in seiner offenen Stellung befestigt.
Der Prozeß der Ventilschließung ist im Prinzip jenem der Ventilöffnung ähnlich. Das Niederdruckmagnetventil 68 öffnet sich, der Druck über dem Kolben 26 fällt und die auf den Kolben 26 wirkende resultierende Druckkraft beschleunigt das Motorventil 10 nach oben. Wenn sich das Niederdruckmagnetventil 68 schließt, steigt der Druck über dem Kolben 26 an und der Kolben 26 wird abgebremst, wodurch das Fluid aus dem Raum 25 darüber durch das Hochdruckrückschlagventil 66 zurück in das Hochdruckölreservoir 40 gedrückt wird.
Abbildung 1 zeigt auch einen hydraulisch verstärkten Turbolader 80, der an dem integrierten hydraulischen System 32 angeschlossen ist. Der Turbolader umfaßt eine Turboladerwelle 82, die in einem Gehäuse 83 angebracht ist und an einem Ende ein Kompressorrad 84 und am anderen Ende ein Turbinenrad 86 besitzt. In einem mittleren Teil der Welle 82 ist eine Gleichdruckturbine 88 angebracht, etwa ein Peltonrad. Eine Strahidüse 90 befindet sich nächster Nähe zur Gleichdruckturbine 88 und ist über eine Hochdruckleitung 92 mit einer Hochdruckfluidquelle verbunden. Am anderen Ende der Turbine 88 befindet sich ein Auslaß 84, der zum Sammelbehälter 54 führt. Die Energie wird von der Turboladerwelle über die Düse 90 übertragen, die Hochdrucköl gegen die Schaufeln der Turbine 88 wirft. Dies unterstützt die Überwindung der Trägheit des Turboladers 80 und ergänzt die Energiezufuhr aus den Abgasen zum Turbolader bei niedrigen Motordrehzahlen und bei ansteigender Belastung bei allen Drehzahlen.
Das für beide der oben beschriebenen Systeme benötigte Hochdrucköl wird vom integrierten Hydrauliksystem 32 geliefert. Abbildung 1 zeigt eine hydraulische Verstellpumpe 52, die am Reservoir oder Sammelbehälter 54 über die Niederdruckleitung 34 angeschlossen ist. Die hydraulische Pumpe 52 ist mit einer Pumpensteuerungs- oder Druckregelungsvorrichtung 58 ausgestattet. Der Druckregler 58 erhält den erforderlichen Druck im Hochdrucksystem unabhängig von Veränderungen im Ölverbrauch aufrecht, indem er die Ölzufuhr variiert. Das Fluid im Niederdruckölreservoir 42 der Ventilvorrichtung 8 wird mittels eines Auslaßventils oder eines Rückschlagventils 60, das über die Niederdruckleitung 34 mit dem Sammelbecken 54 verbunden ist, bei einem konstant niedrigen Druck gehalten.
Die Pumpe 52 liefert dem Hochdruckölreservoir 40 des hydraulischen Ventilzuges ständig Öl. Da das Fluid in dem Hochdruckölreservoir 40 in der Ventilanordnung 8 nur Ausdehnung und Kontraktion unterworfen ist, beschränkt sich die Pumparbeit der Pumpe 52 weitgehend auf die zum Ausgleich der internen Verluste aufgrund von Spiel notwendige. Die Pumpe 52 ist auch mit der Hochdruckleitung 92 verbunden, um dem Laufrad 88 der hydraulischen Turbine im Turbolader 80 Hochdrucköl zuzuführen.
Entlang der Hochdruckleitung 32 befindet sich zwischen der Pumpe 52 und der Strahldüse 90 ein Magnetventil 36.
Das Magnetventil 36 ist normalerweise geschlossen, öffnet sich jedoch immer dann, wenn es ein elektronisches Betätigungssignal von einem Motorsteuerungssystem 38 empfängt. Das Steuerungssystem 38 überwacht fortlaufend den Betrieb des Motors.
Sobald ein augenblicklicher Bedarf nach einem hohen Motordrehmoment vorliegt, jedoch das von der Turbine 86 innerhalb des Turboladers 80 gelieferte Drehmoment für eine rasche Steigerung der Leistung zu gering ist, sendet das Motorsteuerungssystem 38 ein Signal und das Magnetventil 36 öffnet sich, was den Fluß des unter Hochdruck stehenden Öles zur Turbine 86 und demzufolge die rasche Beschleunigung des Turboladers 80 bewirkt, wodurch eine rasche Steigerung der Leistung des Motors erreicht wird. Sobald die Drehzahl und die Leistung des Motors das Niveau erreichen, bei dem die Turbine das geeignete Drehmoment entwickelt, wird das Magnetventil 36 geschlossen und die Zufuhr von hydraulischer Kraft zum Turbolader 80 wird beendet. Das Hydrauliksystem 32 umfaßt vorzugsweise auch einen hydraulischen Druckspeicher 39, der bei der Verringerung jeglicher vorübergehender Druckschwankungen hilfreich ist, die bei der Aktivierung und der Deaktivierung des Magnetventils 36 auftreten können.

Claims

1. Ein Verbrennungsmotor, der folgendes umfaßt:

Eine Vielzahl von Motorventilen (10); und

eine hydraulische Ventilvorrichtung (64, 66, 68, 70) zur Betätigung der Motorventile (10);

dadurch gekennzeichnet, daß der Motor außerdem einen hydraulisch verstärkten Turbolader (80) umfaßt, sowie

eine gemeinsame Quelle (52) hydraulischer Kraft, um die hydraulische Ventilvorrichtung (64, 66, 68, 70) und den hydraulisch verstärkten Turbolader (80) zu betätigen.

2. Ein Motor nach Anspruch 1, der ferner eine Steuerungsvorrichtung (38) zur Betätigung der hydraulischen Ventilvorrichtung (10) und des hydraulisch verstärkten Turboladers (80) umfaßt.

3. Ein integriertes Hydrauliksystem für die Steuerung elektrohydraulisch betätigter Motorventile (10), wobei das Hydrauliksystem folgendes umfaßt:

Eine mit einem Fluidreservoir (54) verbundene hydraulische Pumpe (52), um das hydraulische Fluid unter Druck zu setzen;

eine erste Hochdruckleitung (44), die mit den hydraulisch gesteuerten Ventilen (10) der hydraulischen Pumpe (52) verbunden ist; und

eine Druckregelungsvorrichtung (58), die an der hydraulischen Pumpe (52) angeschlossen ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner folgendes umfaßt:

Einen hydraulisch verstärkten Turbolader (80);

eine zweite Hochdruckleitung (82), die mit dem Turbolader (80) der hydraulischen Pumpe (52) verbunden ist; und

eine Ventilvorrichtung (36), um den Fluß in der zweiten Hochdruckleitung (92) zwischen der hydraulischen Pumpe (52) und dem hydraulisch verstärkten Turbolader (80) selektiv zu beschränken,

wobei die Druckregelungsvorrichtung (58) angepaßt ist, den Druck in der ersten und der zweiten Hochdruckleitung (44, 92) aufrechtzuerhalten.

4. Ein integriertes Hydrauliksystem nach Anspruch 3, worin das hydraulische Steuerungssystem ferner einen hydraulischen Druckspeicher (39) umfaßt, der an der ersten und der zweiten Hochdruckleitung (44, 92) angeschlossen ist, um jegliche vorübergehende Druckfluktuationen zu verringern, die bei der Betätigung der Ventilvorrichtung (10) auftreten können.

5. Ein integriertes Hydrauliksystem nach Anspruch 3, worin das hydraulische Steuerungssystem ferner ein Hochdruckreservoir (40) umfaßt, das entlang der ersten Hochdruckleitung (44) zwischen der hydraulischen Pumpe (52) und dem hydraulisch gesteuerten Ventilzug (10) angeschlossen ist.

6. Ein integriertes Hydrauliksystem nach Anspruch 3, worin die Ventilvorrichtung ein Magnetventil (36) umfaßt, das entlang der zweiten Hochdruckleitung (92) und einem Motorsteuerungssystem (38) angeschlossen ist, das elektrisch mit dem Magnetventil (36) zur Steuerung des Öffnungs- und des Schließvorgangs des Magnetventils (36) verbunden ist.

7. Ein integriertes Hydrauliksystem nach Anspruch 3, worin der hydraulisch gesteuerte Ventilzug einen ersten Rücklauf (72) für das Fluid umfaßt, der zwischen den Motorventilen und dem Fluidreservoir (54) angeschlossen ist, und einen zweiten Fluidrücklauf (94), der zwischen dem hydraulisch verstärkten Turbolader (80) und dem Fluidreservoir (54) angeschlossen ist.