DE69014894T2

DE69014894T2 - Brennkraftmaschine mit solenoidkontrolle der ventile und akkumulator zur druckrückgewinnung.

Info

Publication number: DE69014894T2
Application number: DE69014894T
Authority: DE
Inventors: Stephen Shea; Russell Wakeman
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: US4930465A; DE69014894D1; CA2066175A1; JPH05500547A; EP0494886A1; EP0494886B1; WO1991005146A1

Description

Die Erfindung betrifft die Betätigung von Ventilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere die Steuerung der Steuerwinkel zum Öffnen und Schließen der Ventile.
Es ist weithin bekannt, daß sich Verbesserungen im Motorbetrieb durch Änderung der Steuerwinkel beim Öffnen und Schließen der Ventile erzielen lassen. Dies gilt sowohl für die Einlaß- als auch Auslaßventile, obwohl aus verschiedenen Gründen nur die einen Ventile in einem Motor angesteuert werden können.
Zum Ausführen einer Ventilsteuerung ist ein Stellantrieb mit "Totgang" zwischen einer Nockenwelle und jedem Ventil bekannt. Da jede Nockenerhebung der Nockenwelle fest ist, öffnet und schließt die Nockenwelle jedes Ventil bei festen Öffnung- und Schließsteuerwinkeln, wenn zwischen den Nocken und den Ventilen kein Totgang vorgesehen ist. Der Einbau eines Totgang-Stellantriebs in der Verbindung zwischen der Nockenwelle und jedem Ventil gestattet es, daß ein Teil des von der Nockenwelle erzeugten Hubes vom Stellantrieb auf genommen wird, so daß damit der Öffnungssteuerwinkel des Ventils verzögert und der Schließsteuerwinkel vorgezogen wird, im Vergleich zu festen Phasenwinkeln, die sich sonst ohne Totgang einstellen würden.
US-A-4,615,306 und US-A-4,796,573 erläutern Ventilsteuersysteme mit Totgang, bei denen die Totgangstellantriebe der Länge nach durch Zuführung und Abführung von Hydraulikmittel verlängert und verkürzt werden. Als Quelle des Hydraulikmittels dient das Motorschmiersystem, d.h. die Flüssigkeit ist Öl. Das Öl gelangt von einem Stellantrieb in einen gemeinsamen Kanal zur Wiedergewinnung und wird dann anschließend für die anderen Stellantriebe verwendet, so daß die Belastung des Schmiersystems minimal ist. Um Kosten zu sparen haben bekannte Systeme, nämlich US 4,615,306, Magnetventile vorgesehen, die sich die Stellantriebe teilen, und hat man ein System mit Rückschlagventilen vorgesehen, um sicherzugehen, daß das Magnetventil jedes Ventil dann ansteuert, wenn es aktiv werden soll.
Verkürzt sich ein Stellantrieb, so kann der damit erzeugte hydraulische Druckimpuls zum Verlängern eines inaktiven Stellantriebes beitragen, so daß hohe Ansprechgeschwindigkeiten erzielbar sind. Wird ein Stellantrieb ständig in Kontakt mit dem Ventiltrieb gehalten, so kann die Ansprechgeschwindigkeit so hoch wie die Drehzahl der Nockenwelle sein. Ist darüber hinaus ein Stellantrieb stets in Kontakt mit dem Ventiltrieb, so entfallen Belastungen, die vom gegenseitigen Anstoßen der Teile herrühren.
Bekannte Systeme mit gemeinsam vorgesehenen Magneten haben sich des Druckimpulses von einem sich verkürzenden Stellantrieb bedient, um einen Stellantrieb wieder zu verlängern, doch konnte der Zeitpunkt des Druckimpulses vom Magnetventil nicht gesteuert werden, da das Wiederauffüllen von den Rückschlagventilen vorgenommen wurde.
DE-A-29 26 327 offenbart einen hydraulischen Stellantrieb veränderlicher Länge zur Steuerung der Ventilsteuerzeiten. Für jeden Stellantrieb gibt es ein Steuerventil für den Strömungspfad zwischen dem Stellantrieb und einem Sammelkanal. Das Steuerventil ist ein Drehventil, das von einem Motor getriebenen Steuerzeitenmechanismus betätigt wird, es ist also kein Magnetventil.
Die Erfindung bedient sich eines Magnetventils in einem einzigen Strömungspfad zwischen einem Sammelkanal und einem Stellantrieb, so daß der Zeitpunkt zum Wiederauffüllen im Zyklus vom elektronischen Steuergerät des Motors gesteuert werden kann. Die Ansteuerung des Magnetventils soll erfindungsgemäß auch dazu benutzt werden, daß ein Druckimpuls auf einen bereits verlängerten Stellantrieb einwirkt, was dazu führen könnte, daß das Ventil kurzzeitig von seinem Sitz abgehoben wird, so daß möglicherweise Zylinderleckage und/oder Schäden am Ventil oder Ventilsitz die Folge sind.
Da sich die Druckimpulse in einem Motor mit kleiner Zylinderzahl nicht unbedingt mit den Füllzeiten benachbarter Zylinder überlappen, insbesondere bei geringen Motordrehzahlen, ist es wünschenswert, Druckmittel zu speichern. Ein an den Sammelkanal angeschlossener Speicher, der für alle Magnetventilauslässe gemeinsam ist, kann das Druckmittel speichern, bis der richtige Zeitpunkt zum Auffüllen eines Stellantriebes erreicht ist. Wenn alle Magnetventile geschlossen und die Rückschlagventile zurück zum Schmiersystem geschlossen sind, kann auf diese Weise Druckmittel gespeichert werden, bis eines der Magnetventile öffnet. Vorbekannte Systeme (US 4,671,221) besaßen für diesen Zweck Speicher, sind jedoch teuer, da für jedes Ventil ein Speicher vorgesehen war, jedoch keine Magnetansteuerung in der Auffüllphase, das ein Rückschlagventil vom Speicher zurück zum Stellantrieb vorgesehen war.
Andere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß auf mehrfache Rückschlagventile verzichtet werden kann, so daß sich die Zuverlässigkeit infolge einer Verringerung der Leckage und möglicher Verschleißanlässe verbessert. Die einzelnen Magnetventile besitzen auch eine weit höhere Dichtigkeit und Wiederholbarkeit als normale Rückschlagventile und arbeiten schneller. Wenn es auch möglich ist, daß Rückschlagventile wiederholbar, schnell und zuverlässig genug ansprechen, so dürften ihre Kosten dann höher liegen als die für Magnetventile.
Die bisher erläuterten Merkmale und Vorteile der Erfindung zusammen mit zusätzlichen Vorteilen und Merkmalen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in der bestmöglichen Ausführungsform. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Wellenformen zur Darstellung der Ventilbewegung und Magnetventilbetätigung für jeden Zylinder eines Motors mit vier Zylindern;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung wie die Steuerzeiten des Ventils mit dem System der Fig. 1 veränderlich sind.
Fig. 1 zeigt als Beispiel einen Motor 10 mit vier Zylindern mit einer Nockenwelle 12 zum Antrieb der Ventile 14. Zur prinzipiellen Darstellung der Erfindung sei angenommen, daß die Ventile Einlaßventile sind, von denen jedes in bezug auf eine bestimmte Kurbelwellendrehlage geöffnet wird, um die zugehörige Brennkammer mit einer Gemischquelle zu verbinden. Eine Wendelfeder 16 drückt jedes Ventil 16 in die Schließstellung der zugehörigen Brennkammer.
Ein Mechanismus 18 kuppelt die Nockenwelle 12 mit jedem Ventil 14. Jeder Mechanismus besitzt einen "Totgang"-Stellantrieb 20 zum Übertragen der Bewegung der auflaufenden Bahn 24 eines Nockens 22 der Nockenwelle 12 an das Ventil 15, wenn der Stellantrieb in Ventilöffnungsrichtung betätigt wird. Trifft die abfallende Bahn 26 des Nockens auf den Stellantrieb, so schließt die Feder 16 das Ventil, wobei der Kontakt zwischen dem Stellantrieb und dem Nocken aufrechterhalten bleibt und damit die Schließbewegung des Ventils vom Nocken gesteuert wird.
Jeder Stellantrieb 20 besitzt ein Gehäuse 28, das am Motor 10 befestigt ist. Zwei Kolben 30, 32 sind gegenläufig im Gehäuse 28 in Öffnungs- und Schließrichtung des Ventils vorgesehen. Ein Kolben 30 sitzt auf dem Umfang des entsprechenden Nockens 22 und der andere Kolben 32 ist mit dem Ventil 14 verbunden.
Die beiden Kolben 30, 32 jedes Stellantriebs 20 wirken mit dem Gehäuse 28 zusammen, um eine innere Kammer 34 veränderlichen Volumens zu bilden. Diese Kammer läßt sich vergrößern und verkleinern, um die Wirklänge des Stellantriebes zu ändern, d.h. der Abstand zwischen den beiden Kolben 30, 32 wird größer oder kleiner. Solange sich das Volumen der Kammer 34 nicht ändert, wird der volle Nockenhub über den Mechanismus 18 zum Ventil übertragen. In diesem Fall sind die Steuerwinkel zum Öffnen und Schließen des Ventils der zugehörigen Brennkammer vom Nockenprofil fest vorgegeben. Diese Betriebsart ist in Fig. 3 mit der Kurve 36 angegeben.
Wird die Wirklänge eines Stellantriebes dann verkleinert, wenn der Kolben 30 in Richtung des Ventilöffnens betätigt wird, insbesondere während einer anfänglichen Verschiebung des Kolbens 30 in Richtung des Ventilöffnens, so wird die Steuerzeit zum Öffnen des Ventils verzögert. Der Betrag der Verzögerung ist abhängig davon, wie stark die Wirklänge des Stellantriebes verringert wird. Je größer diese Verringerung ist, desto größer ist die Verzögerung.
Eine Verkleinerung der Wirklänge eines Stellantriebes erzeugt auch eine entsprechende Voreilung für die Steuerzeit beim Schließen des Ventils. Dieser Effekt ist durch die Kurve 38 in Fig. 3 dargestellt.
Die Steuerung der Wirklänge jedes Stellantriebes wird erfindungsgemäß mit einem Magnetventil 40 für jeden Stellantrieb vollzogen. Ein Anschluß 42 an jedem Ventil 40 ist über eine Leitung 44 an einen Anschluß 46 im Gehäuse 28 des zugehörigen Stellantriebes 20 angeschlossen. Der andere Anschluß 47 jedes Ventils 40 ist über eine Leitung 49 mit einem Sammelkanal 48 verbunden. Hydraulikmittel, insbesondere Motoröl aus dem Motorschmiersystem gelangt über ein Rückschlagventil 50 in den Sammelkanal 48. Ein Hydraulikspeicher 42 ist mit dem Sammelkanal 48 verbunden. Wird der Magnet eines Ventils 40 erregt, so wird der normalerweise geschlossene Druckmittelweg durch das Magnetventil geöffnet und zwischen diesem Stellantrieb 20 und dem Sammelkanal 48 erfolgt ein Ölaustausch, wobei die Strömungsrichtung abhängig davon ist, ob der Druck im Sammelkanal höher oder kleiner als der Druck in der Kammer 34 des Stellantriebes ist.
Jeder Magnet wird von dem Motorsteuergerät 54 gesteuert. Fig. 2 zeigt diesbezügliche Darstellungen der Ventilbewegung und der Magnetbetätigung für je einen Zylinder einen Vierzylinder-Maschine unter einer Bedingung, bei der eine leichte Nacheilung und eine leite Voreilung beim Ventilöffnen und -schließen erfolgen soll. Wenn jedes Magnetventil während eines anfänglichen Zeitabschnitts geöffnet ist, indem die auflaufende Bahn 24 jedes Nockens auf den zugehörigen Kolben 30 wirkt, wird Hydraulikmittel aus der zugehörigen Kammer über das zugehörige Magnetventil in den Sammelkanal gepumpt oder gedrückt, und der Kolben 32 erhält keinen Antrieb. Zu dieser Zeit wird die Wirklänge des Stellantriebes verkürzt.
Wird das Magnetventil entregt, so sperrt es den Weg aus der Stellantriebskammer zum Sammelkanal. Somit wird der auf den Kolben 30 wirkende Antrieb jetzt zum Verschieben des Kolbens 32 übertragen und damit öffnet das Ventil 14. Während dieser Zeitdauer ist der Stellantrieb inaktiv, d.h. die Wirklänge des Stellantriebes bleibt konstant.
Wirkt die ablaufende Bahn 26 des Nockens mit dem Kolben 30 zusammen, so ist die Feder 16 wirksam und verschiebt das Ventil in die Schließstellung, während gleichzeitig die Kolben 30 und 32 in die Ventilschließrichtung verschoben werden, wobei der Kolben 30 in Berührung mit dem Nocken bleibt. Die Wirklänge des Stellantriebes bleibt während dieser Zeitspanne konstant.
Hat das Motorventil geschlossen, so endet die Verschiebung des Kolbens 32. Damit Kolben 30 aber weiterhin auf dem Nocken aufsitzt, wird das Magnetventil 40 geöffnet und damit wird Druckmittel aus dem Sammelkanal 48 in den sich jetzt vergrößernden Kammerraum 34 des Stellantriebes gepumpt und damit die Wirklänge des Stellantriebes vergrößert. Dies setzt sich fort bis die ablauf ende Bahn des Nockens nicht mehr auf den Kolben 30 wirkt und zu diesem Zeitpunkt wird das Magnetventil wiederum geschlossen.
Die vorstehende Abfolge wird für jedes Ventil während der Steuerzeitenänderung wiederholt. Die Anderung der Steuerzeiten erfolgt von Seiten des Motorsteuergeräts 54 und wird mit einem im Steuergerät abgelegten Programm vollzogen. Da das Steuergerät von einem Aufnehmer die Kurbelwellendrehlage erhält, ist es in der Lage, die Zeit T zu berechnen, die in Fig. 3 dargestellt ist und die für jede Motordrehzahl und alle gewünschten Ventilöffnungs- und -schließsteuerzeiten gilt, so daß die Magnetventile zum richtigen Zeitpunkt betätigt werden, um die gewünschte Steuerzeit zu erzeugen.
Einer der erfindungsgemäßen Vorteile liegt darin, daß nach dem Schließen eines Ventils, die von dem entsprechenden Magnetventil 40 vermittelte Absperrung verhindert, daß Druckimpulse beim Wiederöffnen des Ventils auftreten, wenn dieses nicht öffnen soll. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Speicher Druckmittel speichern kann und damit Druckmittel nachfolgend verfügbar macht. Läuft der Motor einmal, so ist die zusätzliche Belastung des Motorschmiersystems nur so groß, wie es nötig ist, um über das Rückschlagventil 30 verlorenes Öl wieder zu ersetzen.
Ein bevorzugtes Beispiel der Erfindung ist offenbart und erläutert worden.

Claims

1. Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Brennkammern und mit einem zu jeder Brennkammer gehörenden Ventil (14) zum Öffnen und Schließen der Brennkammer im Motorbetrieb, mit Mitteln zum Betätigen der Ventile zu Öffnungsund Schließsteuerzeiten, die veränderlich sind, wobei die Mittel eine Nockenwelle (22) aufweisen, die für jedes Ventil feste Öffnungs- und Schließsteuerwinkel bestimmt,und mit einem Totgang-Stellantrieb(20)zwischen jedem Ventil und der Nockenwelle, wobei jeder Stellantrieb eine sich verlängernde und verkürzende innere hydraulische Kammer (34) aufweist, die verlängert und verkürzt wird, um den Betrag des Totgangs im Stellantrieb zu steuern und damit die Öffnungs- und Schließsteuerwinkel des zugehörigen Ventils gegenüber den festen Öffnungs- und Schließsteuerwinkeln zu verstellen, die von der Nockenwelle bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Stellantrieb ein Magnetventil (40) vorgesehen ist, das nicht auch für Ventile anderer Brennkammern vorgesehen ist und das zum Öffnen und Schließen des einzigen Druckmittelweges (44) zwischen der Stellantriebkammer und einem hydraulischen Sammelkanal (48) vorgesehen ist, der für alle Magnetventile gemeinsam ist, und daß Mittel (54) zum Betätigen jedes Magnetventils derart vorgesehen sind, daß die Verlängerung und Verkürzung jeder Stellantriebkammer von dem zugehörigen Magnetventil gesteuert wird, um Druckmittel aus dem Sammelkanal in die Stellantriebskammer und aus der Stellantriebskammer zum Sammelkanal zu führen, sowie derart, daß die Wirkung eines Druckmittelübertritts, der aus einer Verkürzung einer Stellantriebskammer resultiert und über das geöffnete zugehörige Magnetventil in den Sammelkanal gelangt, daran gehindert wird, daß er über den Sammelkanal zu inaktiven Stellantrieben übertragen wird, indem die entsprechenden Magnetventile dieser inaktiven Stellantriebe geschlossen bleiben, und wobei ein Stellantrieb inaktiv ist, wenn seine Kammer weder verlängert noch verkürzt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (34) jedes Stellantriebs (20) gemeinsam von einem am Motor befestigten Gehäuse (28) und ersten und zweiten Kolben (30, 32) gebildet wird, die im Gehäuse in Richtung des Ventilöffnens und Ventilschließens unabhängig verschiebbar sind, daß die Mittel zum Betätigen jedes Magnetventils derart ausgebildet sind, daß Vergrößerungen und Verkleinerungen in der Verlängerung und Verkürzung der Stellantriebskammer von den zugehörigen Magnetventilen gesteuert werden, indem durch das entsprechende Magnetventil ein Strömungsmittelaustausch zwischen der Stellantriebskammer und dem Sammelkanal erfolgt, mit Mitteln zum Öffnen jedes Magnetventils in einem Anfangsabschnitt der Verschiebung des ersten Kolbens des entsprechenden Stellantriebs in Richtung Ventilöffnen, um einen Übertritt von Druckmittel aus dem Stellantrieb durch das Magnetventil in den Sammelkanal zu bewirken und um den zweiten Kolben im Gehäuse nicht zu verschieben, mit Mitteln zum Schließen des Magnetventils, nachdem ein bestimmter Verschiebungsbetrag des ersten Kolbens im Gehäuse in Ventilöffnungsrichtung erfolgt ist, um den Übertritt von Druckmittel aus dem Stellantrieb zu beenden und um den zweiten Kolben im Gehäuse jetzt zu verschieben,bis die Verschiebung des ersten Kolbens in Richtung Ventilöffnung beendet worden ist, mit Mitteln zum Geschlossenhalten des Magnetventils während der Verschiebung des zweiten Kolbens in Ventilschließrichtung, wenn das Ventil in Schließrichtung arbeitet, um die Unterbrechung der Strömung aus dem Stellantrieb in den Sammelkanal fortzusetzen, und um den ersten Kolben im Gehäuse in Ventilschließrichtung zu verschieben und mit Mitteln zum Öffnen des Magnetventils, nachdem das Motorventil den zugehörigen Zylinder schließt, um Strömungsmittel aus dem Sammelkanal über das Magnetventil in den Stellantrieb zu führen und den ersten Kolben im Gehäuse in eine Startposition zu verschieben, aus der er nachfolgend im Gehäuse in Ventilöffnungsrichtung verschoben wird, und mit Mitteln zum Schließen des Magnetventils, nachdem der erste Kolben in die Startposition gelangt ist, bis die Verschiebung des ersten Kolbens im Gehäuse aus der Startposition in Ventilöffnungsrichtung nachfolgend erfolgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch einen Speicher (52), der an den hydraulischen Sammelkanal angeschlossen ist und überschüssiges aus jedem Stellantrieb übertretendes Strömungsmittel speichert und die Beauf schlagung jedes Stellantriebes mit der nötigen Überschußströmungsmittelmenge unterstützt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Motorventil Vorspannmittel (16) vorgesehen sind, die das Motorventil zum Schliefen der zugehörigen Brennkammer beaufschlagen und sich jeder Stellantrieb der Länge nach vergrößert und verkürzt, wenn Strömungsmittel in die verlängerbare und verkürzbare Stellantriebskammer ein- bzw. abgeführt wird, um das Volumen der Kammer zu vergrößern und zu verkleinern.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, bei der die Nockenwelle mehrere Nocken (24, 26) jeweils für ein Motorventil aufweist, jeder Nocken mit einem entsprechenden Stellantrieb zusammenwirkt, der während der Motorventilschließzeiten mit dem Nocken in Berührung gehalten wird, zuerst von den Vorspannmitteln, die über das Motorventil wirken, und anschließend durch Zuführen von Strömungsmittel aus dem Sammelkanal in den Stellantrieb.