DE19621719C1 - Hydraulische Ventilsteuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Ventilsteuer­ vorrichtung für ein Hubventil gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aus der DE 195 01 495 C1 ist bereits eine hydraulische Ventil­ steuerung bekannt, die ein Hubventil mit einem Ventilschaft und eine auf diesen in Ventilschließrichtung einwirkende Schrauben­ druckfeder und in Ventilöffnungsrichtung zeitweise einwirkende Öldruckfeder umfaßt. Die Ventilsteuervorrichtung umfaßt einen in einem Arbeitsraum angeordneten und mit einer Arbeitsflüssigkeit beaufschlagbaren Steuerkolben, mit dem im Bereich von dessen Endstellungen jeweils ein zum Arbeitsraum gehörender, hydrau­ lisch von diesem trennbarer Druckraum teilweise begrenzt ist. Der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum ist über eine Druckquelle nebst elektronisch betätigtem Schaltventil und Ver­ sorgungsleitung regelbar. Die Vorspannkraft des zweiten Feder­ mittels ist während des Betriebs der Ventilsteuervorrichtung re­ gelbar.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 38 36 725 C1 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße hydraulische Ventilsteuervorrichtung derart zu verbessern, daß bei gleichbleibend zuverlässiger Funktion die Steuerkräfte für das Hubventil möglichst gering sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch an­ gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß die Ventilbetätigungskräfte besonders gut an die tatsächlich benötigten Ventilöffnungskräfte angepaßt werden können und gleichzeitig nur die Arbeitsflüssigkeit in dem relativ geringen Volumen des vom Arbeitsraum hydraulisch abtrennbaren Druckrau­ mes mit dem für das Öffnen des Hubventiles gegen den Brennkam­ merdruck erforderlichen hohen Druck beaufschlagt werden muß. Beispielsweise im Motorbremsbetrieb werden besonders hohe Ven­ tilöffnungskräfte benötigt, da hier das Ventil gegen den hohen Brennraumdruck gegen Ende des Verdichtungstaktes aufgestoßen werden muß, wobei die sogenannte Aufstoßarbeit des Ventils ver­ richtet werden muß. Wegen des hohen Brennraumdruckes und der wirksamen Ventiltellerfläche sind die benötigten Ventilaufstoß­ kräfte im Motorbremsbetrieb um Größenordnungen höher als im An­ triebsbetrieb oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine. Die be­ sonders starke Öffnungskraft wirkt lediglich in einem ersten Teilhub bei Ventilöffnung und zwar bis zum Austauschen des Tauchkolbens aus dem zugehörigen Druckraum. Für den weiteren Ventilhub genügt dann eine geringere Ventilöffnungskraft, da nach Öffnung des Auslaßventils bereits eine erhebliche Entspan­ nung des Brennkammerdruckes in den Auslaßkanal stattfindet.

Gegenüber elektromagnetischen Ventilsteuervorrichtungen hat die erfindungsgemäße freiansteuerbare elektro-hydraulische Vorrich­ tung unter anderem auch prinzipbedingte Vorteile, da schwere, groß bauende und hohe Ströme erfordernde Elektromagneten zur Aufbringung der entsprechenden Steuerkräfte entfallen. Bei der erfindungsgemäßen Ventilsteuervorrichtung sind elektrische Bau­ teile lediglich für die elektrische Ansteuerung der Schalter zur Steuerung der Druckzuführung für die einzelnen Druckversorgungs­ leitungen der Ventilsteuervorrichtung erforderlich.

Bei der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungsvorrichtung erfolgt während der Ventilbewegung kein Druckölverbrauch, sondern es fließt nur ein relativ geringer interner Blindölstrom, was be­ sonders hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten und des Energiever­ brauchs der Vorrichtung vorteilhaft ist. Die Energiezufuhr er­ folgt selbststeuernd überwiegend in der geschlossenen Position des Hubventils.

Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3 sind bevorzugte Bauausführungen der Erfindung.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 4 liegt darin, daß in dem Hydraulikvolumen ein eventuell bei voll­ ständiger Ventilöffnung noch vorhandener Restdruck abgebaut wird, so daß die Ventilschließbewegung zuverlässig eingeleitet werden kann und eine vollständige Schließung des Ventils sicher­ gestellt ist.

Ein Vorteil der Variation der Vorspannkraft des zweiten Feder­ mittels gemäß Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 liegt darin, daß einerseits der bei Betätigung der Vorrichtung im we­ sentlichen durch Reibung entstehende Energieverlust durch ein Nachspannen des zweiten Federmittels ausgleichbar ist und ande­ rerseits ein sicheres Schließen des geöffneten Ventils dadurch erreicht wird, indem eine eventuell zu große verbleibende Vor­ spannkraft des zweiten Federmittels reduzierbar ist, so daß die Kraft des ersten Federmittels die Schließbewegung sicher durch­ führen kann.

Eine Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 8 liegt darin, daß bei eventuellem Ausfall der Druckölversorgung in jeder Stellung des Hubventils dessen sicheres Schließen ge­ währleistet ist, indem bei Abfall des Druckes im Arbeitsraum auch eine Entspannung des Druckes der Arbeitsflüssigkeit im Hy­ draulikvolumen sichergestellt ist und so die Schließung des Hubventils durch das erste Federmittel gewährleistet ist.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 sind, über die Eintauchstrecke des oberen Tauchkolbens in den zugehö­ rigen Druckraum, auf einfache Weise auch vorgebbare Teilhübe realisierbar.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von drei Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel eine freiansteuer­ bare hydraulische Ventilsteuervorrichtung, bei ge­ schlossenem Hubventil, in einem Gehäuse einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einem in Ventil­ schließrichtung wirkenden ersten und einem auf einen Ventilstößel in Ventilöffnungsrichtung wirkenden zwei­ ten Federmittel, wobei letzteres zwischen einem Hydrau­ likzylinder und dem Zylinderkopf in Verlängerung der Hubventilachse angeordnet ist und wobei in dem Hydrau­ likzylinder der Ventilstößel eintauchbar ist,

Fig. 2 die Ventilsteuervorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Dar­ stellung bei vollständig geöffnetem Hubventil,

Fig. 3 in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Ventilsteuer­ vorrichtung analog zu Fig. 1, wobei im Inneren eines Steuerkolbens des Ventilstößels ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit dem ein Hydraulikkanal zwischen ei­ nem hydraulischen Mittel und einem Arbeitsraum auf- oder zusteuerbar ist und

Fig. 4 in einem dritten Ausführungsbeispiel eine Ventilsteuer­ vorrichtung analog zu Fig. 3 mit separater Drucksteue­ rung für einen Druckraum zur Realisierung eines vorgeb­ baren Teilhubs für das Hubventil.

In Fig. 1 und 2 ist eine freiansteuerbare hydraulische Ventil­ steuervorrichtung mit einem Hubventil 1 nebst Ventilschaft 2 dargestellt, der in einer Ventilführung 3 in einem Zylinderkopf ZK einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine geführt ist. Das Hubventil 1 ist in geschlossener Position dargestellt.

Auf der oberen Stirnseite 2′ des Ventilschaftes 2 liegt ein Ven­ tilstößel 4 mit seiner unteren Stirnseite 4′ kraftschlüssig an dem Ventilschaft 2 an, wobei der Ventilstößel 4 in Stößelführun­ gen 4a und 4b eines Gehäuses 5 in der Brennkraftmaschine geführt ist.

Das Hubventil 1 umfaßt neben dem Ventilschaft 2 einen Ventiltel­ ler 6 und einen Ventilsitz 6a. Der Ventilstößel 4 umfaßt einen unten näher beschriebenen Steuerkolben 8, der vorzugsweise ein­ stückig mit dem Ventilstößel 4 ausgebildet ist. Der Steuerkolben 8 umfaßt zwei einstückig mit diesem verbundene Tauchkolben 9 und 10, wobei der Tauchkolben 9 an der Oberseite und der Tauchkolben 10 an der Unterseite des Steuerkolbens 8 angeordnet ist.

Im Gehäuse 5 ist zwischen den beiden Stößelführungen 4a und 4b ein Hohlraum angeordnet, der einen Arbeitsraum 11 für den Steu­ erkolben 8 nebst Tauchkolben 9 und 10 bildet, wobei der Ven­ tilstößel 4 den Arbeitsraum 11 durchsetzt. Zwischen einer Feder­ aufnahme 12 des Ventilschaftes 2 und einer Federaufnahme 13 im Zylinderkopf ZK der Brennkraftmaschine ist ein in Ventilschließ­ richtung wirkendes erstes Federmittel 14 angeordnet. Das Feder­ mittel 14 ist eine Schraubendruckfeder 15, die sich in den Fe­ deraufnahmen 12, 13 abstützt und an diesen festgelegt ist.

Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Hubventil 1 und Ven­ tilstößel wird sichergestellt, indem die Schraubendruckfeder 15 das Hubventil 1 permanent gegen die untere Stirnseite 4′ des Ventilstößels 4 drückt, unabhängig vom Betriebszustand der Ven­ tilsteuervorrichtung.

An der oberen Stirnseite 4′′ des Ventilstößels 4 schließt sich an diese ein hydraulisches Mittel HM zur Kraftübertragung zwi­ schen dem zweiten Federmittel 16 und dem Ventilstößel 4 an, wo­ bei das hydraulische Mittel HM einen Hydraulikzylinder Z nebst Hydraulikvolumen V_H umfaßt. Das Hydraulikvolumen V_H ist im we­ sentlichen durch den Hydraulikzylinder Z und die Stirnseite 4′′ des in den Hydraulikzylinder Z eintauchbaren Ventilstößels 4 be­ grenzt und kommuniziert in unten näher beschriebener Weise mit dem Hydrauliksystem der Ventilsteuervorrichtung. Der Hydrau­ likzylinder Z ist mit einem in Ventilöffnungsrichtung wirkenden zweiten Federmittel 16 verbunden, das eine Schraubenfeder 18 (Druckfeder) umfaßt. Dabei ist die Schraubenfeder 18 zwischen Federaufnahmen 46 und 49 in Verlängerung einer Ventilstößelachse 33 angeordnet, wobei die Federaufnahme 46 ein mit dem Hydrau­ likzylinder Z verbundener Federteller ist, an dem eine Stange 47, die von der Federaufnahme 46 in Richtung zur anderen Feder­ aufnahme 49 hin abragt, befestigt ist. Über die Stange 47 ist die Schraubenfeder 18 gesteckt. In der Federaufnahme 49 ist gleichzeitig ein Anschlag 48 angeordnet, an dem die Stange 47 bei Spannung der Druckfeder 18 anschlagbar ist. Die Schraubenfe­ der 18 (Druckfeder) wird gespannt, indem die Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen V_H mit Druck beaufschlagt wird und somit der Hydraulikzylinder Z auf den Federteller 46 drückt und die Schraubenfeder 18 solange vorspannt, bis die an dem Federteller befestigte Stange 47 an dem Anschlag 48 anschlägt (siehe Fig. 1).

Das Hydraulikvolumen V_H, das gleichzeitig einen Hubraum für den Ventilstößel 4 bildet, ist durch im Ventilstößel 4 verlaufende Druckkanäle 19 und 20 mit einer Steuernut 21 des Ventilstößels 4 verbunden, die zwei Steuerkanten 22 und 23 besitzt. Die Steuer­ nut 21 befindet sich in unten näher beschriebener Weise zeitwei­ se in hydraulischer Verbindung mit einem ringnutförmigen und um den Ventilstößel 4 angeordneten Druckkanal 24 im Gehäuse 5, der über einen Kanal 25 nebst Leitung 26 mit einer Druckver­ sorgungsleitung 45-45′ verbunden ist.

Der Arbeitsraum 11 umschließt den Steuerkolben 8 nebst Tauchkol­ ben 9 und 10, wobei im Arbeitsraum 11 zwei jeweils einem Tauch­ kolben 9 bzw. 10 zugeordnete Druckräume 28 bzw. 29 angeordnet sind. Der Tauchkolben 9 ist im Bereich der oberen Endstellung des Steuerkolbens 8 (siehe Fig. 1) in den Druckraum 28 und der Tauchkolben 10 im Bereich der unteren Endstellung des Steuerkol­ bens 8 (siehe Fig. 2) in den Druckraum 29 eintauchbar, wodurch der Tauchkolben 9 bzw. 10 eine teilweise Begrenzung des jeweils zugeordneten Druckraumes 28 bzw. 29 bildet.

Im Arbeitsraum 11 befindet sich Arbeitsflüssigkeit (z. B. Hydrau­ liköl, Schmieröl oder Kraftstoff), die über eine nicht darge­ stellte Druckquelle (Arbeitsflüssigkeitspumpe) über die Versor­ gungsleitung 30 nebst Druckversorgungsleitung 45′ ständig mit Druck beaufschlagt ist. Im Bereich der oberen Endstellung des Steuerkolbens 8 ist der Druckraum 28 über einen durch den Ven­ tilstößel 4 zwischen diesem und dem Gehäuse 5 gebildeten Verbin­ dungskanal 31 nebst Druckkanal 34 mit Druck beaufschlagbar (siehe Fig. 1). Im Bereich der unteren Endstellung des Steu­ erkolbens 8 ist in analoger Weise der Druckraum 29 über einen Verbindungskanal 32 nebst Druckkanal 35 mit Druck beaufschlagbar (siehe Fig. 2).

Der Steuerkolben 8 nebst Tauchkolben 9 und 10 ist von der Ar­ beitsflüssigkeit im Arbeitsraum 11 doppelseitig beaufschlagbar. Beim Eintauchen des Tauchkolbens 9 bzw. 10 in den Druckraum 28 bzw. 29 entsteht eine hydraulische Trennung des jeweiligen Druckraums 28 bzw. 29 vom Arbeitsraum 11.

Der Steuerkolben 8 ist durch den radialen Abstand zwischen Steu­ erkolben 8 und Innenwand des Arbeitsraumes 11 so ausgebildet, daß nach dem Austauchen einer der beiden Tauchkolben 9, 10 aus dem zugehörigen Druckraum 28 bzw. 29 der Arbeitsraum 11 und die beiden Druckräume 28 und 29 hydraulisch miteinander verbunden sind, wobei die hydraulische Verbindung der beiden Druckräume 28, 29 durch den Arbeitsraum 11 selbst gebildet ist.

Die Vorspannkraft des zweiten Federmittels 16 (Schraubenfeder 18) ist während des Betriebs der hydraulischen Ventilsteuervor­ richtung durch das hydraulische Mittel HM in unten näher be­ schriebener Weise regelbar. Bei druckentlasteter Arbeitsflüssig­ keit in den Druckräumen 28 und 34 und gespanntem zweiten Feder­ mittel 16 hält das erste Federmittel 14 (Schraubendruckfeder 15) das Hubventil 1 in einer geschlossenen Position, da der Druck im Arbeitsraum 11 auf die wirksame Fläche des Steuerkolbens 8 zu­ sammen mit der Federkraft des ersten Federmittels 14 die Kraft des zweiten Federmittels 16 überwiegt.

Der während eines Ventilbewegungszyklusses entstehende Energie­ verlust ist über eine zyklische Variation der Vorspannkraft des zweiten Federmittels 16 ausgleichbar. Bei geschlossenem Hubven­ til 1 ist der Arbeitsdruck in dem Hydraulikvolumen V_H über die Druckkanäle 19, 20 sowie die Steuernut 21 über den ringnut­ förmigen Druckkanal 24 nebst Leitung 26 aus der Druckversor­ gungsleitung 45-45′ aufbaubar.

Bei geschlossenem Hubventil 1 und gewollter Öffnung desselben ist ein Druckaufbau des Öldrucks in den Druckräumen 28, 34 über die Verbindungsleitung 36 mit einem elektrischen Schaltventil 27 steuerbar, während der Arbeitsraum 11 permanent über Druckver­ sorgungsleitungen 45, 30 mit Druck beaufschlagt wird. Die Ver­ bindung der Verbindungsleitung 36 mit einer zu einem Reservoir 38 führenden Druckentlastungsleitung 17 oder mit der mit einer Arbeitsmittelpumpe verbundenen Druckversorgungsleitung 45, 45′ ist über das elektrische Schaltventil 27 (z. B. Elektromagnetven­ til) wahlweise herstellbar oder unterbrechbar.

Hydraulisch wirksame Flächen F1-F6 des Steuerkolbens 8 des Ven­ tilstößels 4 sind normal oder schräg zu einer Ventilstößelachse 33 ausgerichtet, wobei die Ventilstößelachse 33 vorzugsweise mit einer Verlängerung einer Hubventilachse 33a zusammenfällt (siehe Fig. 1), um unnötige Querkräfte in der Ventilführung 3 bzw. in den Stößelführungen 4a und 4b zu vermeiden.

Durch die Druckbeaufschlagung in den den Endstellungen des Steu­ erkolbens 8 zugeordneten Druckräumen 28, 29 wird eine dem proji­ zierenden Flächenanteil der jeweiligen Fläche F1-F6 entsprechen­ de Kraftkomponente parallel zur Ventilstößelachse 33 erzeugt. Die hydraulisch wirksamen Flächen F1-F6 des Steuerkolbens 8 sind bei aus den Druckräumen 28 bzw. 29 ausgetauchtem Tauchkolben 9 bzw. 10 in Ventilöffnungsrichtung und in Ventilschließrichtung gleich groß. Die Flächen F1/F6, F2/F5 und F3/F4 sind gleich groß und symmetrisch bezüglich einer Normalebene zur Hubventilachse 33 angeordnet.

Bei einem in den Druckraum 29 eingetauchten Tauchkolben 10 ist das offene Hubventil 1 (siehe Fig. 2) durch Druckentlastung der Arbeitsflüssigkeit im Druckraum 29 und durch weiter andauernde Druckbeaufschlagung der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum 11 ge­ gen den Druck des ersten Federmittels 14 (Schraubendruckfeder 15) sowie gegen eine eventuell in Ventilschließrichtung wirkende Kraft am Ventilteller 6 in seiner geöffneten Position haltbar.

Die Druckkanäle 34 und 35 befinden sich oberhalb bzw. unterhalb des Arbeitsraumes 11 und sind über je eine Verbindungsleitung 36 bzw. 37 wahlweise (über das elektromagnetische Schaltventil 27) mit einem Reservoir 38 (Druckentlastungsleitung 17) oder der Druckversorgungsleitung 45′ verbindbar. Die hydraulische Verbin­ dung zwischen Verbindungskanal 31 und Druckkanal 34 wird durch eine im Ventilstößel 4 angeordnete Steuernut 39 nebst Steuerkan­ te 40 gesteuert (siehe Fig. 1). Analog hierzu erfolgt die hy­ draulische Verbindung zwischen Verbindungskanal 32 und dem Druckkanal 35 durch eine im Ventilstößel 2 angeordnete Steuernut 42 nebst Steuerkante 44 (siehe Fig. 2). Die Verbindungskanäle 31, 32 münden an Stellen 41, 43 in die jeweilige Steuernut 39 (siehe Fig. 1) bzw. 42 (siehe Fig. 2).

In der oberen Endstellung des Steuerkolbens 8 wird die schräge Fläche F3 gegen einen Sitz S1 des Arbeitsraumes 11 gedrückt, wo­ durch der Druckraum 28 vom Arbeitsraum 11 hydraulisch getrennt wird (siehe Fig. 1). Analog wird in der unteren Endstellung des Steuerkolbens 8 die schräge Fläche F4 gegen einen Sitz S2 des Arbeitsraumes 11 gedrückt, wodurch der Druckraum 29 vom Arbeits­ raum 11 hydraulisch getrennt wird (siehe Fig. 2).

Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen hydrauli­ schen Ventilsteuervorrichtung beschrieben und anhand eines Ven­ tilbewegungszyklusses, ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten geschlossenen Position des Hubventils, erläutert.

Zunächst wird die Vorrichtung in Betriebsbereitschaft versetzt, indem die Arbeitsflüssigkeit aus dem Reservoir 38 mittels der nicht dargestellten Arbeitsflüssigkeitspumpe gefördert und ein Versorgungsdruck in den Druckversorgungsleitungen 45, 45′ und 30 aufgebaut wird. Das Schaltventil 27 befindet sich in der in Fig. 1 strichliert gezeichneten Position, so daß die Verbindungslei­ tung 36 mit der Druckentlastungsleitung 17 verbunden ist. Unab­ hängig vom Schaltzustand des elektrischen Schaltventils 27 ist über die Druckversorgungsleitung 45′ die Druckbeaufschlagung der Leitungen 26 (zum Druckkanal 24) und zur Versorgungsleitung 30 (zum Arbeitsraum 11) mit Arbeitsflüssigkeit gewährleistet.

Der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen V_H wird über die Leitung 26, den Kanal 25, die Steuernut 21 und die Druckka­ näle 20 und 19 aufgebaut, wodurch die Schraubenfeder 18 gespannt wird. Der Hydraulikzylinder Z nebst Hydraulikvolumen V_H dient als hydraulische Kraftübertragung zwischen Ventilstößel 4 und Schraubendruckfeder 18, so daß auf das Feder-Masse-System seitens des zweiten Federmittels 16 lediglich die Spannkraft der Schrau­ bendruckfeder 18 wirkt.

Durch die in Fig. 1 strichliert dargestellte Stellung des elek­ trischen Schaltventils 27 (Verbindung von Druckentlastungslei­ tung 17 und Verbindungsleitung 36) werden, bei permanenter Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes 11, die Druckräume 28, 34 über die Leitung 36 druckentlastet, wodurch das Feder-Masse-Sy­ stem in seiner oberen Endlage (siehe Fig. 1) verharrt, denn durch die Verbindung von Druckraum 28 über den Verbindungskanal 31 nebst Druckentlastungsringkanal 34 und Verbindungsleitung 36 mit dem Reservoir 38 der Arbeitsflüssigkeit wird die Oberseite des Steuerkolbens 8 (Tauchkolben 9) entlastet. Der Druck im Ar­ beitsraum 11 beaufschlagt dagegen die entsprechende hydraulische Wirkfläche am Steuerkolben 8 (Ringflächen F5 und F6 normal zur Hubventilachse 33 sowie die zu dieser schräge Ringfläche F4) und bewirkt eine resultierende Gegenkraft, die den Steuerkolben 8 nach oben drückt. Das Hubventil 1 bleibt somit geschlossen.

Zum Festhalten des Hubventils 1 in der oberen bzw. unteren Bewe­ gungsendlage werden die Druckräume 28, 34 bzw. 29, 35 druckent­ lastet. Zur Auslösung der Hubventilbewegung wird das Elektroma­ gnetventil 27 betätigt (durchgezogene Darstellung in Fig. 1), so daß der jeweils in den Tauchzylinder 28 bzw. 29 eingefahrene Tauchkolben 9 bzw. 10 mit Druck beaufschlagt wird. Am Doppelkol­ ben 8 herrscht somit in etwa Druckgleichgewicht, so daß die Ver­ riegelungskraft zumindest teilweise aufgehoben wird. Aufgrund der in der Endlage jeweils stärker vorgespannten Feder setzt sich jetzt das Gaswechselventil in Bewegung und der Steuerkolben 8 samt Ventilstößel 4 und Hubventil 1 kann nun seine Schwingung von der oberen Endlage in die untere bzw. umgekehrt beginnen. Nachdem der jeweilige Tauchkolben 9 bzw. 10 den ihm zugeordneten Tauchzylinder 28 bzw. 29 verlassen hat, kann des Elektromagnet­ ventil 27 zurückgestellt werden (strichlierte Darstellung in Fig. 1).

Bei der Bewegung des Hubventils 1 in Ventilöffnungsrichtung trennt bereits nach sehr geringem Ventilhub (spätestens beim Austauchen des Tauchkolbens 9 aus dem Druckraum 28) die Steuer­ kante 40 die hydraulische Verbindung zwischen Arbeitsraum 11 und Verbindungsleitung 36 und es kann keine Arbeitsflüssigkeit zum Rücklauf gelangen, falls das Schaltventil 27 in die in Fig. 1 strichliert eingezeichneten Position geschaltet ist.

Wenn im Bereich der oberen Endlage des Steuerkolbens 8 der Tauchkolben 9 vollständig aus dem Druckraum 28 ausgetaucht ist, sind der Druckraum 28 und der Druckraum 29 über den Arbeitsraum 11 hydraulisch miteinander verbunden. Ab diesem Zeitpunkt hat der Druck im Arbeitsraum 11 wegen der o.g. Symmetrie der maßgeb­ lichen Flächen F1-F6 des Steuerkolbens 8 keinen Einfluß mehr auf dessen Verhalten.

Nun wird das Schaltventil 27 wieder umgeschaltet (strichlierte Darstellung in Fig. 1), so daß der Druckkanal 28, 34 druckentla­ stet ist. Auf die Bewegung des Steuerkolbens 8 hat dieser Vor­ gang keinen Einfluß. Es muß jedoch gewährleistet sein, daß beim Eintauchen des Steuerkolbens 10 in den Druckraum 29 über Leitung 37 und Schaltventil 27 die Druckentlastung des Druckraumes 29 über Leitung 17 gewährleistet ist. Der Druck im Arbeitsraum 11 hält dann das Feder-Masse-System in seiner unteren Endlage fest.

Der Ventilstößel 4 öffnet kurz vor Erreichen der unteren Endlage des Steuerkolbens 8 mit seiner Steuerkante 44 die hydraulische Verbindung zwischen Verbindungskanal 32 und Druckkanal 35. Der Tauchkolben 10 schließt die Verbindung zwischen Arbeitsraum 11 und Druckraum 29, wobei die unterschiedlichen Drücke an den hy­ draulischen Wirkflächen des Steuerkolbens 8 (Tauchkolben 9/10) eine resultierende Kraft auf den Steuerkolben 8 in Ventilöff­ nungsrichtung hervorrufen, die das Feder-Masse-System in seine untere Endlage schiebt und dort festhält, wodurch das Hubventil 1 (siehe Fig. 2) geöffnet bleibt.

Der beim Bewegungsablauf entstandene Energieverlust wird über eine zyklische Variation der Federvorspannkraft der Schrauben­ druckfeder 18 ausgeglichen. Dies geschieht in der unteren Endla­ ge des Feder-Masse-Systems durch den Abbau eines noch be­ stehenden Restdruckes im Hydraulikvolumen V_H über die Druckkanäle 19 und 20 nebst Steuernut 21 in den Druckentlastungsringkanal 17′ nebst Druckentlastungsleitung 17 (siehe Fig. 2). In der un­ teren Endstellung des Feder-Masse-Systems befindet sich die Steuerkante 23 der Steuernut 21 im Bereich des Druckentla­ stungsringkanals 17′.

Durch die relativ zum zweiten Federmittel 16 (Schraubenfeder 18) stärker vorgespannte Schraubendruckfeder 15 ist bei der Rückbe­ wegung des Hubventils 1 in seine obere Endlage deren Erreichen sichergestellt. Dabei kann, wegen des vorangegangenen Restdruck­ abbaus im Hydraulikvolumen V_H die Schraubenfeder 18 nicht mehr auf die ursprüngliche Vorspannkraft vorgespannt werden. Die sich ergebende Differenz der Vorspannkraft wird deshalb in der oberen Endlage des Feder-Masse-Systems (siehe Fig. 1) über die Leitung 26 nebst Kanal 25, Steuernut 21 und Druckkanälen 19, 20, 24 durch Druckbeaufschlagung der Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvo­ lumen V_H im Hydraulikzylinder Z ausgeglichen. Damit ist si­ chergestellt, daß bei Beginn des nächsten Arbeitsspiels die Schraubendruckfeder 18 relativ zur Schraubendruckfeder 15 stär­ ker vorgespannt ist. Die dem Feder-Masse-System zugeführte Ener­ gie kann dabei in den beiden Endlagen des Systems unabhängig voneinander durch Veränderung der Drücke, zwischen denen die Schraubendruckfeder 18 betrieben wird, variiert werden. Diese Druckveränderungen können durch nicht dargestellte Druckrege­ leinrichtungen für die in der Druckversorgungsleitung 45 und im Reservoir 38 herrschenden Drücke realisiert werden.

Insbesondere für den Fall des Motorbremsbetriebes wird bei der Ventilrückbewegung zunächst lediglich die Schraubendruckfeder 18 gespannt, während bei anschlagen der Stange 47 am Anschlag 48 der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen V_H weiter erhöhbar ist, so beispielsweise über eine separate Druckversor­ gung der Leitung 26 über eine weitere Zuführungsleitung 45′′, die zusätzlich zur Zuführungsleitung 45′ vorgesehen sein kann, wobei dann ein nicht dargestelltes-Rückschlagventil in der Lei­ tung 45 bzw. 45′ angeordnet ist. Mit einer derartigen Anordnung fungiert das Hydraulikvolumen V_H als hydraulische Feder, so daß diese zusammen mit der Schraubenfeder 18 eine Feder-Serien­ schaltung darstellt.

Für die Ventilöffnungsbewegung ergibt sich ein Kraftüberschuß in Ventilöffnungsrichtung, da die Federkraft des zweiten Federmit­ tels 16 die des ersten Federmittels 14 (Schraubendruckfeder 15) in Mittellage M (= halber Ventilhub) überwiegt. In der vollstän­ dig geöffneten Position des Hubventiles 1 wird durch die oben beschriebene Druckentlastung über den Ringkanal 35 das Hubventil 1 in geöffneter Position gehalten.

Bei der Ventilschließbewegung dagegen herrscht Kraftüberschuß in Ventilschließrichtung, da die Federkraft des ersten Federmittels 14 die des zweiten Federmittels 16 in Mittellage M überwiegt. Somit kann jeweils ein sicheres Erreichen der entsprechenden Be­ wegungsendlage gewährleistet werden.

In Fig. 3 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Ventil­ steuervorrichtung analog zu Fig. 1 gezeigt, wobei im Inneren ei­ nes Steuerkolbens 8 des Ventilstößels 4 ein Ventil 7 angeordnet ist, mit dem ein Hydraulikkanal 44 zwischen dem Hydraulikvolumen V_H und dem Arbeitsraum 11 auf- oder zusteuerbar ist. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 und 2 werden mit gleichen Bezugszeichen be­ zeichnet.

Das Ventil 7 ist als ein federbelastetes Rückschlagventil ausge­ führt, das eine Feder 7′′, eine Schließkugel 7′′ und eine Ventil­ sitzfläche S3 umfaßt. Das Rückschlagventil ist derart angeord­ net, daß die Schließkugel 7′′ gegen die Vorspannkraft der Feder 7′ von der Ventilsitzfläche S3 abgehoben wird, wenn der Druck im Hydraulikvolumen V_H den Druck im Arbeitsraum 11 übersteigt. Wenn der Druck im Arbeitsraum 11 größer oder gleich dem Druck im Hy­ draulikvolumen V_H ist, ist die hydraulische Verbindung zwischen Arbeitsraum 11 und Hydraulikvolumen V_H getrennt.

Im Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Ventilsteuervorrichtung tritt der Fall, daß der Druck im Hydraulikvolumen V_H größer ist, als der Druck im Arbeitsraum 11, nicht auf. Fällt jedoch die Druckölversorgung aus, so wird durch das erfindungsgemäße Rück­ schlagventil 7 sichergestellt, daß, unabhängig von der gerade vorherrschenden Lage des Hubventils 1, dieses in seine (gezeichnete) Geschlossenstellung bewegt wird, indem sich der Druck im Hydraulikvolumen V_H über die Hydraulikleitung 44 in den Arbeitsraum 11 entspannen kann, somit die Feder 14 das Hubventil 1 schließt und der Ventilstößel 4 in den Zylinder Z eintaucht.

In der Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 3 kann somit die Ar­ beitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen V_H nicht stärker mit Druck beaufschlagt werden, als die Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum 11.

Fig. 4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel eine Ventil­ steuervorrichtung analog zu Fig. 3, jedoch mit separater Druck­ steuerung für einen Druckraum zur Realisierung eines vorgebbaren Teilhubs für das Hubventil 1. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 bis 3 werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die Leitung 26 zum Druckkanal 24 ist über ein weiteres Schalt­ ventil 27′ (z. B. Elektromagnetventil) wahlweise mit der Druck­ versorgungsleitung 45′′ oder der Druckentlastungsleitung 17 (Rücklauf) verbindbar. In der gezeichneten Stellung des Schalt­ ventils 27′ ergibt sich kein Funktionsunterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Wird jedoch das Schaltventil 27′ in die in Fig. 4 strichliert dargestellte Position geschaltet, kann sich die Schraubenfeder 18 des zweiten Federmittels 16 unter Erzeugung einer Arbeitsmit­ telströmung durch das Schaltventil 27′ in den Rücklauf entspan­ nen. Wird nun die Bewegung des Hubventiles 1 ausgelöst, bewegt sich dieses bis zu einem gewissen Teilhub H_T, bei dem der obere Tauchkolben 9 aus dem zugehörigen Druckraum 28 austaucht und verharrt in dieser Stellung. Wird das Schaltventil 27′ für die Auslösung der Ventilbewegung wieder in die in Fig. 4 durchgezo­ gen gezeichnete Lage zurückgestellt, kann sich das Hubventil 1 aufgrund der Kraft der Schließfeder 15 (erstes Federmittel 14) in seine gezeichnete Geschlossenstellung zurückbewegen.

Mit der vorschlagsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 4 ist es demnach möglich, das Hubventil 1 auf einen durch die Eintauchstrecke des Tauchkolbens 9 in den Druckraum 28 definierten Teilhub H_T zu stellen, dort festzuhalten und zu einem frei wählbaren Zeitpunkt wieder zu schließen.

Mit dieser Ventilsteuervorrichtung lassen sich übliche Ventil­ hübe bei Steuerzeiten von beispielsweise 5-10 Millisekunden mit einem Energieverbrauch von etwa 100-250 Watt (bei 50 Ven­ tilöffnungen pro Sekunde) problemlos realisieren.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Ventilschaft 2 und der Ventilstößel 4 nebst Steuerkolben 8 zweiteilig ausge­ führt, Ventilschaft und Ventilstößel nebst Steuerkolben können aber selbstverständlich auch einteilig ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausführung kann die zeitweise Trennung der Druckräume 28, 29 vom Arbeitsraum 11 durch Kegel- oder Flach­ dichtsitze erfolgen, die zwischen den Druckräumen 28 bzw. 29 und dem Steuerkolben 8 gebildet sind. Dabei könnten beispiels­ weise die Flächen S1/F3 und S2/F4 anstelle des Kegelsitz (wie im Ausführungsbeispiel dargestellt) auch als Flachdichtsitz ausgeführt sein. Sowohl bei der Ausführung mit Kegelsitz als auch bei der Ausführung mit Flachdichtsitz kann die zeitweise Trennung der Druckräume 28, 29 ausschließlich durch diese Ke­ gel- oder Flachdichtsitze erfolgen, wodurch dann der Tauchkol­ ben gemäß obigem Ausführungsbeispiel wegfällt.

Die oben beschriebene, freiansteuerbare Ventilsteuervorrichtung ist für alle Steuerungen von Hubventilen einsetzbar, insbeson­ dere für Einlaß- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen und Kolbenverdichtern.

Claims (13)

1. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil, ins­ besondere einer Brennkraftmaschine, das einen Ventilschaft und auf diesem in Ventilschließrichtung einwirkende erste Federmit­ tel sowie auf den Ventilschaft in Ventilöffnungsrichtung minde­ stens zeitweise einwirkende zweite Federmittel umfaßt, wobei das Hubventil oder ein dieses betätigender Ventilstößel minde­ stens mit einem in einem Arbeitsraum angeordneten und mit einer Arbeitsflüssigkeit doppelseitig beaufschlagbaren Steuerkolben verbunden ist, der im Bereich seiner Endstellungen jeweils ein zum Arbeitsraum gehörenden, hydraulisch von diesem trennbaren Druckraum teilweise begrenzt ist, wobei der Druck der Arbeits­ flüssigkeit und die Vorspannkraft des zweiten Federmittels wäh­ rend des Betriebs der Ventilsteuervorrichtung regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Druckraum (28) auch bei vom Arbeitsraum (11) hydraulisch getrenntem Druckraum (28) re­ gelbar ist und der Druckraum (28) zur Auslösung der Ventilbewe­ gung mit Druck beaufschlagbar ist.

2. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubventil (1) durch Druckentlastung in dem in der End­ stellung des Steuerkolbens (8) hydraulisch von Arbeitsraum (11) getrennten Druckraum (28, 29) in seiner Position haltbar ist.

3. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum (11) während des ge­ samten Ventilbewegungszyklusses mit Druck beaufschlagt ist.

4. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuervorrichtung auf der dem Arbeitsraum (11) abgewandten Seite des Druckraumes (28) mindestens einen Druck­ entlastungskanal (17′) und einen weiteren Druckraum (24) auf­ weist, wobei der Druckentlastungskanal (17′) und der weitere Druckraum (24) durch das Hubventil (1) oder den Ventilstößel (4) auf- und zusteuerbar sind und wobei der weitere Druckraum (24) und ein mit dem zweiten Federmittel (16) gekoppeltes Hy­ draulikvolumen (V_H) durch einen Hydraulikkanal (19, 20) verbun­ den sind.

5. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit im Druckraum (28) und im weiteren Druckraum (24) mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar ist und daß zur Auslösung der Ventilbewegung bei geschlossenem Hub­ ventil (1) der Druckraum (28) mit einem höheren Druck beauf­ schlagt wird als der weitere Druckraum (24).

6. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung zwischen zweitem Federmittel (16) und Ventilschaft (2) des Hubventils (1) oder Ventilstößel (4) über hydraulische Mittel (Hydraulikzylinder Z, Hydraulikvolumen V_g) erfolgt.

7. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Federmittel (16) eine Feder (18) oder eine Zu­ sammenschaltung mehrerer Federn umfaßt und daß der während ei­ nes Ventilbewegungszyklusses entstehende Energieverlust über eine zyklische Variation der Vorspannkraft des zweiten Feder­ mittels (16) ausgleichbar ist.

8. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Steuerkolbens (8) ein Ventil (7) angeordnet ist, mit dem ein zwischen dem Hydraulikvolumen (V_g) und dem Ar­ beitsraum (11) durch den Ventilstößel (4) oder das Hubventil (2) verlaufender Hydraulikkanal (44) auf oder das Hubventil (2) verlaufender Hydraulikkanal (44) auf- oder zusteuerbar ist.

9. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (7) den Hydraulikkanal (44) verschließt, wenn der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen (V_H) und im Arbeitsraum (11) in etwa gleich groß sind.

10. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (7) den Hydraulikkanal (44) zwischen dem Hydrau­ likvolumen (V_g) und dem Arbeitsraum (11) öffnet, wenn der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikvolumen (V_g) größer ist als im Arbeitsraum (11).

11. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Hydraulikvolumen (V_g) gekoppelte weitere Druck­ raum (24) eine separate Hydraulikversorgungsleitung (45′′) nebst Schaltventil (27′) besitzt und daß das zweite Federmittel (16) durch Druckentlastung des Hydraulikvolumens (V_g) entspannbar ist.

12. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach Auslösung der Ventilbewegung das Hubventil (1) um ei­ nen vorgebbaren Teilhub (H_T) geöffnet wird.

13. Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilhub (H_T) des Hubventils (1) über eine Eintauchhöhe des Tauchkolbens (9) des Steuerkolbens (8) bestimmbar ist.