DE69212730T2

DE69212730T2 - Hydraulisches Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69212730T2
Application number: DE69212730T
Authority: DE
Inventors: Michael Moses Schechter
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: EP0520633A2; DE69212730D1; EP0647770A2; EP0520633A3; EP0520633B1; DE69218971T2; EP0647770A3; DE69218971D1; EP0647770B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein System für die variable Steuerung von Ein- und Auslaßventilen eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft sie Motorventilsysteme der Art, bei der hydraulischer Druck eines unter Druck befindlichen Fluidums durch den Einsatz elektromagnetischer Ventile dazu verwendet wird, die Bewegung der Motorventile zu steuern.
Die Verbesserung der Motorleistung, die durch die Möglichkeit erreicht werden kann, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Laufzeit der Ein- und Auslaßventile in einem Motor zu verändern, ist in diesem Fachgebiet bekannt und geschätzt. Dennoch hat sich bisher noch keine Technologie für die Bereitstellung eines unkomplizierten, relativ preisgünstigen und sehr verläßlichen Systems entwickelt.
Die zunehmende Verwendung und Zuverlässigkeit mikroelektronischer Steuersysteme für Kraftfahrzeuge ermöglicht nun ebenso beträchtliche Fortschritte wie auch das wachsende Vertrauen in hydraulische im Gegensatz zu mechanischen Systemen. Auf dem Gebiet der Einlaß- und Auslaßventile für Motoren stützte sich die bisherige Entwicklung zum größten Teil auf komplizierte mechanische Systeme wie das mechanische Variieren der Phasenverschiebung und anderer Aspekte der Ventileinstellung. Die zunehmende Verwendung von Mehrventil motoren wurde ebenfalls unterstützt.
Die Verwendung oder Übernahme hydraulisch gesteuerter Motorventile erfolgte nur allmählich. Zu den Beispielen für bekannte Systeme gehören die in den US- Patenten Nr. 2,915,052; 3,240,191; 3,361,121; 3,534,718; 3,926,159; 3,963,006; und 4,200,067 gezeigten. In manchen Fällen, wie etwa in US-Patent Nr.3,361,121 gezeigt, wird das Tellerventil durch eine mechanische Wickelfeder in geschlossener Stellung gehalten; jedoch wird ein hydraulisches Stellglied verwendet, um die Ventile in die offene Stellung voreinzustellen. Einige der vorstehend erwähnten Patente offenbaren auch die Verwendung eines Rotationsverteilerventils, um abwechselnd die Öffnungen des hydraulischen Stellglieds mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluidum zu verbinden, wie in den US-Patenten Nr. 2,91 5,052 und 4,200,067 gezeigt ist. In einigen der vorstehend erwähnten Patente wird auch gezeigt, daß das hydraulische Fluidumsystem sowohl zum Öffnen als auch zum Schließen des Motorenventils verwendet wird. Solch eine Eigenschaft wird in den US-Patenten Nr.2,91 5,052 und 3,963,006 gezeigt.
Dennoch stellt keines der vorstehend erwähnten Systeme ein variables System zur Steuerung von Motorventilen dar, das die Einfachheit, Verläßlichkeit, Flexibilität und Effizienz bietet, die bei der Verwendung für gegenwärtig hergestellte Hochleistungsmotoren aus der Großproduktion und solche, die in naher Zukunft benötigt werden, für notwendig gehalten werden.
FR-A-2585765 offenbart ein hydraulisch betriebenes Ventilsteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor; dieses System umfaßt eine Hochdruckfluidumquelle und eine Niederdruckfluidumquelle; ein Zylinderkopfbauteil, das angepaßt ist, am Motor befestigt zu werden und einen abgeschlossenen Hohlraum einschließt; ein Tellerventil, das innerhalb dieses Zylinderkopfbauteils zwischen einer ersten und einer zweiten Position beweglich ist; ein hydraulisches Stellglied, das einen doppeltwirkenden Kolben einschließt, der an das Tellerventil gekoppelt ist und sich in dem abgeschlossenen Hohlraum hin und her bewegen kann, wobei der Kolben den Hohlraum in zwei Arbeitskammern unterschiedlicher Querschnittsfläche unterteilt, deren Volumina sich während der Bewegung des Tellerventils verändern; dieses Zylinderkopfbauteil besitzt eine Hochdrucköffnung, die sich zwischen dem abgeschlossenen Hohlraum und der Hochdruckfluidumquelle erstreckt, und eine Niederdrucköffnung, die sich zwischen dem abgeschlossenen Hohlraum und der Niederdruckfluidumquelle erstreckt; ein Hochdruckventil und ein Niederdruckventil zur Steuerung des Fluidumstromes an den Hoch- bzw. Niederdrucköffnungen; diese Hochdruckquelle schließt eine erste Hochdruckfluidumleitung ein, die an beiden Enden des Kolbens zu dem abgeschlossenen Hohlraum führt; wobei dieses Hochdruckventil innerhalb dieser ersten Hochdruckleitung liegt und ein Zulassen und Sperren des Fluidumstromes zu einem Ende dieses Kolbens bewirkt; das andere Ende dieses Kolbens ist zu dieser Hochdruckfluidumquelle hin stets offen; eine Niederdruckfluidumleitung, die zu dem abgeschlossenen Hohlraum an diesem einen Ende des Kolbens führt, wobei das Niederdruckventil innerhalb dieser Niederdruckleitung liegt und so wirkt, daß es den Fluidumstrom zum einen Ende dieses Kolbens zuläßt und sperrt; und eine Steuervorrichtung, die mit dem Hoch- und dem Niederdruckventil zusammenwirkt, um den abgeschlossenen Hohlraum selektiv mit der Hochdruck- und der Niederdruckquelle zu verbinden, um das Tellerventil in einer zeitlich auf den Motorbetrieb abgestimmten Weise schwingen zu lassen.
In der obigen Offenbarung ist der auf das Ventil einwirkende Kolben ein einfachwirkender Kolben, der nur zum Öffnen des Ventils dient, während man sich für das Schließen des Ventils auf eine Feder stützt. Ferner entspricht die Fluidummenge, die der Hochdruckpumpe entnommen werden muß, dem gesamten vom Kolben bewegten Volumen.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der letzterwähnten Veröffentlichung nach dem bisherigen Stand der Technik dadurch, daß während des Betriebs sowohl nach dem Öffnen als auch nach dem Schließen des Tellerventils unter hohem Druck stehendes Fluidum an die Hochdruckquelle zurückgegeben wird, so daß das Volumen an Hochdruckfluidum, das von der Hochdruckquelle durch den abgeschlossenen Hohlraum zur Niederdruckquelle weitergeleitet wird, wesentlich geringer ist als das Volumen der von dem Kolben während seines Hubs durchquerten Strecke.
In all ihren Ausführungsformen umfaßt die vorliegende Erfindung ein System zur variablen Motorventilsteuerung, das ein sich frei bewegendes Ventil mit einem an seinem oberen Ende befestigten Kolben enthält. Der Kolben ist dem Fluidumdruck ausgesetzt, der auf die Oberflächen an beiden Enden des Kolbens wirkt, wobei die Oberflächen unterschiedliche Ausdehnungen besitzen. Der Raum am einen Ende des Kolbens ist mit einer Hochdruckfluidumquelle verbunden, während der Raum am anderen Ende entweder mit einer Hochdruckfluidumquelle oder mit einer Niederdruckfluidumquelle verbunden sein kann oder durch die Wirkung von Steuervorrichtungen, wie etwa elektromagnetischen Ventilen, von beiden getrennt werden kann.
Wahlweises Betätigen oder Nichtbetätigen der Steuervorrichtung führt zu einem Einfließen von unter Druck stehendem Fluidum in einen Raum am einen Ende dieses Kolbens und zu einem Ausfließen von Fluidum von einem Raum am anderen Ende des Kolbens, was zu einer Veränderung im Gleichgewicht der auf den Kolben wirkenden Kräfte führt und eine kontrollierte Bewegung des Ventils von einer festen Stellung zu einer anderen verursacht.
Das Einfließen von unter Druck stehendem Fluidum ist das Ergebnis der Ausdehnung von Fluidum aus einem unter Druck stehenden Behälter, und das Ausfließen des Fluidums führt zu einer steigenden Kompression des Fluidums in dem unter Druck befindlichen Behälter.
Ferner wird die potentielle Energie des unter Druck stehenden Fluidums während der Beschleunigung in kinetische Energie des sich bewegenden Ventils umgewandelt, und die kinetische Energie des Ventils wird während des Abbremsens des Ventils in potentielle Energie des unter Druck stehenden Fluidums zurückverwandelt. Hierdurch wird etwas bereitgestellt, was man als "Fluidumfeder" bezeichnen kann.
Ein Ergebnis der Verwendung von kinetischer Energie des Ventils zum Zurückführen von unter hohem Druck stehendem Fluidum zur Hochdruckfluidumquelle besteht darin, daß der Nettofluidumstrom zwischen Hoch- und Niederdruckquelle während des Betriebs bedeutend geringer als das Volumen ist, das durch die Kolbenbewegung bewegt wird.
Die zeitliche Abstimmung der Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils wird durch die Veränderung der zeitlichen Abstimmung bei der Betätigung der Steuervorrichtung gesteuert. Der Hub des Ventils wird durch die Dauer der Betätigung der Steuervorrichtung bestimmt, und die Beschleunigung, Geschwindigkeit und Laufzeit des Ventils können durch die Veränderung des Druckes gesteuert werden, unter dem sich das unter Druck stehende Fluidum befindet.
Das allgemeine System der vorliegenden Erfindung, wie es oben beschrieben wurde, kann auf einen Motor mit mehr als zwei Ventilen pro Zylinder angewandt werden und ist in der Lage, selektiv ein oder mehrere Einlaß- (oder Auslaß-) Ventile gleichzeitig zu betätigen.
Es kann auch auf einen Motor mit je einem einzigen Einlaß- und Auslaßventil pro Zylinder angewandt werden, wobei ein Paar von Elektromagneten zur Steuerung der Weiterleitung des unter hohem bzw. niedrigem Druck stehenden Fluidums dazu verwendet werden kann, die Einlaß-/Auslaßventile eines 360º außer Phase befindlichen Zylinderpaares zu steuern.
In einer Ausführungsform der Erfindung schließt die Steuervorrichtung einen hydraulischen Rotationsverteiler ein, der mit jedem elektromagnetischen Ventil gekoppelt ist und es so jedem elektromagnetischen Ventil erlaubt, nacheinander den Betrieb mehrerer sich frei bewegender Ventile zu steuern.
Die Erfindung wird nun mit Hilfe von Beispielen weiter beschrieben werden, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Abbildung 1 ein schematisches Schaubild ist, das ein einzelnes hydraulisch gesteuertes Motorventil zeigt sowie das gesamte hydraulische System zur Versorgung der Ventilsteuervorrichtungen mit Fluidum, in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Abbildungen 2a, 2b und 2c Aufrisse sind, die ein einzelnes Motorventil und damit verbundene Ventilsteuervorrichtungen zeigen, wobei das Ventil in drei verschiedenen Stadien des Vorgangs seiner vollständigen Öffnung gezeigt wird; Abbildungen 3a, 3b und 3c Aufrisse sind, die ein einzelnes Motorventil und zugehörige Ventilsteuervorrichtungen zeigen, wobei das Ventil in drei verschiedenen Stadien des Vorgangs der vollständigen Schließung gezeigt wird;
Abbildung 4 ein schematisches Schaubild ist, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, worin ein einzelnes Paar von Steuerventilen dazu verwendet wird, den Betrieb von zwei mit demselben Motorzylinder verbundenen Ventilen zu steuern, wodurch der Betrieb des einzelnen Motorventils oder der beiden Ventile ermöglicht wird, indem die beiden Steuerventile des Systems selektiv betätigt werden;
Abbildung 5 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und einen Aufriß des Motorventils und seiner Steuervorrichtung zeigt, bei der ein einzelnes, durch eine Feder vorgespanntes Überdruckventil und ein doppeltwirkendes Magnetventil für die Hochdruckleitung verwendet werden;
Abbildungen 6 und 7 als Aufriß bzw. in der Frontansicht einen hydraulischen Rotationsverteiler zeigen, im Einklang mit der vorliegenden Erfindung, zur Verteilung sowohl von Hochdruck- als auch von Niederdruckfluidum an eine Vielzahl von Motorventilen;
Abbildungen 8a, 8b und 8c im wesentlichen schematische Darstellungen des Vorganges der hydraulischen Öffnung eines Motorventils sind, wobei ein modifiziertes hydraulisches Steuersystem verwendet wird, das den in den Abbildungen 6 und 7 gezeigten hydraulischen Rotationsverteiler einschließt, insgesamt im Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
Abbildungen 9a, 9b und 9c schematische Darstellungen des Vorganges der hydraulischen Schließung eines Motorventils sind, wobei ein modifiziertes hydraulisches Steuersystem verwendet wird, das den in den Abbildungen 6 und 7 gezeigten hydraulischen Rotationsverteiler einschließt, insgesamt im Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
Abbildung 10 ein schematisches Schaubild einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, worin die Steuervorrichtung, die den hydraulischen Rotationsverteiler umfaßt, zur Steuerung einer Vielzahl von Motorventilen verwendet wird, je eines für jeden der Motorenzylinder, und all der anderen Einlaßventile oder Auslaßventile;
Abbildungen 11-13 der Abbildung 10 ähnlich sind, jedoch die Motorventile an einer anderen Stelle im Arbeitsspiel des Motors zeigen;
Abbildungen 10a bis 13a schematische Darstellungen noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, worin ein Paar von Steuerventilen, die einen hydraulischen Rotationsverteiler umfassen, zur Steuerung des Ventilbetriebs eines Paares von Motorzylindern verwendet wird, und worin jeder Verteiler, je einer in jedem Zylinder, abwechselnd den Betrieb sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßventile steuert;
Abbildung 14 eine schematische Darstellung der Motorventile eines Motorzylinderpaares und des Steuerventilsystems hierfür ist, wie es in den Abbildungen 10a bis 13a gezeigt ist;
Abbildung 15 ein schematisches Diagramm der Ventilhübe ist, das das Öffnungsschema der Ventile für das in Abbildung 14 gezeigte System zeigt;
Abbildung 16 ein schematisches Schaubild eines konventionellen, nockenbetriebenen hydraulischen Ventilsteuersystems vom Leerlauf-Typ ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine variable Steuerung der Einstellung, des Hubes und der Geschwindigkeit des Motorventils bereit. Das System nutzt die elastischen Eigenschaften eines komprimierten hydraulischen Fluidums, das, indem es als Fluidumfeder wirkt, das Ventil während seiner Öffnungs- und Schließbewegungen beschleunigt und abbremst. Während der Beschleunigung wird ein Teil der potentiellen Energie des Fluidums in kinetische Energie des Ventils umgewandelt. Während des Abbremsens wird die Energie der Ventilbewegung wieder an das Fluidum abgegeben. Abgesehen von Leckverlusten, bleibt der größte Teil der Energie des Fluidums erhalten.
Die grundlegenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind in Abbildung 1 gezeigt. Ein Motorventil 10 befindet sich innerhalb eines Zylinderkopfes 12, der, je nach Verwendung, eine Öffnung 14 zum Einlassen von Luft oder für das Abgas enthält. Ventil 10 umfaßt einen Ventilkopf 1 6 und einen Schaftbereich 18. Der Ventilschaftbereich 1 8 schließt eine Reihe von konzentrischen zylindrischen Bereichen 20, 22, 24 und 26 mit unterschiedlichen Außendurchmessern ein. Die Abschnitte 20 und 24 führen das Ventil bei seiner Hin- und Herbewegung innerhalb der Führungsbohrung 28. Abschnitt 26 stellt einen Ventilkolben dar, der innerhalb der Begrenzungen des Ventilgehäuses 30 gleiten kann, das mit der Führungsbohrung 28 konzentrisch ist und auch einen Teil des Zylinderkopfes darstellt.
Selektiv wird Kolben 26 über die Hochdruckleitung 40 und Niederdruckleitung 42 mit Fluidum versorgt, die durch Leitungen 44 bzw. 46 hydraulisch mit Hochdrucköffnung 48 bzw. Niederdrucköffnung 50 verbunden sind.
Hydraulische Systeme, die die notwendigen Fluidumdrucke in den Hoch- und Niederdruckleitungen aufrechterhalten, können auf verschiedene Weisen angeordnet werden. Die in Abbildung 1 gezeigte Anordnung schließt eine verstellbare Pumpe 52 zwischen einem Reservoir 54 und der Hochdruckleitung ein.
Da das Fluidum in der Hochdruckleitung nur expandiert und kontrahiert, beschränkt sich die Pumparbeit der Pumpe größtenteils auf die zur Kompensation von Leckverlusten durch Zwischenräume notwendige Arbeit. Die verstellbare Verdrängungspumpe 52 kann automatisch gesteuert werden, wobei ein Drucksensor 56 ein Druckkontrollsignal an eine Pumpensteuerung 58 sendet, falls der Druck in der Hochdruckleitung unter den vorgegebenen Minimawert fällt, der bei einer beliebigen Fahrzeuggeschwindigkeit oder in einem beliebigen Betriebszustand benötigt wird. Dies verändert dann die Verdrängung der Pumpe, so daß der benötigte Druck in der Hochdruckleitung aufrechterhalten wird. Das Fluidum in der Niederdruckleitung 42 wird durch eine Druckpumpe 60, die das Fluidum aus Reservoir 54 zur Verfügung stellt, und Druckregler 62 auf einem festgelegten Niederdruck gehalten.
Das Volumen oberhalb des Kolbens 26 kann über ein elektromagnetisches Ventil 64 oder ein Rückschlagventil 66 mit der Hochdruckleitung oder über ein elektromagnetisches Ventil 68 oder ein Rückschlagventil 70 mit der Niederdruckleitung verbunden werden. Das Volumen unterhalb des Kolbens 26 ist stets mit der Hochdruckleitung verbunden. Die Rückführungsleitung 72 für das Fluidum vervollständigt das System und stellt eine Vorrichtung bereit, die all das Fluidum, das an irgendeinem Ende des zwischen Führungsbohrung 28 und dem Bereich des Ventils mit reduziertem Durchmesser 22 gebildeten Gehäuses hinter den Kolben 26 ausläuft, zum Reservoir 54 zurückführt.
Der Vorgang des Öffnens und Schließens eines einzelnen Ventus 10 ist in den Abbildungen 2a-c und 3a-c gezeigt. Die Pfeile zeigen die jeweilige Richtung der Fluidumströmung und der Ventilbewegung an.
Während der Öffnung des Motorventils öffnet sich das elektromagnetische Ventil 64, und die Resultierende der Druckkraft, die auf den Kolben 26 wirkt, beschleunigt das Motorventil nach unten (Abbildung 2a). Schließt sich das elektromagnetische Ventil 64, so fällt der Druck oberhalb des Kolbens 26 ab und der Kolben wird abgebremst, wobei er das Fluidum aus dem darunter gelegenen Volumen zurück in die Hochdruckleitung drückt (Abbildung 2b). Fluidum unter niedrigem Druck, das durch Rückschlagventil 70 fließt, verhindert die Bildung eines Hohlraumes im Volumen oberhalb des Kolbens 26 während des Abbremsvorganges. Wenn die Abwärtsbewegung des Ventils endet, schließt sich das Niederdruckrückschlagventil 70 und das Motorventil sperrt in geöffneter Stellung (Abbildung 2c).
Der Vorgang des Schließens des Motorventils ist im Prinzip dem Vorgang seines Öffnens ähnlich. Das elektromagnetische Ventil 68 öffnet sich, der Druck oberhalb von Kolben 26 fällt ab und die Resultierende der Druckkraft beschleunigt das Ventil nach oben (Abbildung 3a). Dann schließt sich das elektromagnetische Ventil 68, und der steigende Druck oberhalb des Kolbens 26 öffnet das Rückschlagventil 66 (Abbildung 3b). Die Richtung der Resultierenden der Druckkraft kehrt sich um und das Motorventil wird abgebremst, wobei es das Fluidum aus dem Volumen oberhalb des Kolbens 26 zurück in die Hochdruckleitung drückt. Hat sich die kinetische Energie des Motorventils erschöpft, so schließt das Rückschlagventil 66 und das Motorventil sperrt in seiner geschlossenen Stellung (Abbildung 3c). Ein kurzzeitiges erneutes Öffnen des elektromagnetischen Hochdruckventils 68 stellt sicher, daß das Motorventil fest gegen seinen Sitz gepreßt wird.
Eine Veränderung der Synchronisation bei der Betätigung der beiden elektromagnetischen Ventile verändert die Einstellung des Öffnens und Schließens des Motorventils. Der Ventilhub kann durch Verändern der Dauer der Spulenspannungspulse verändert werden. Eine Veränderung des Fluidumdruckes in der Hochdruckleitung erlaubt die Steuerung der Beschleunigung, der Geschwindigkeit und der Laufzeit des Ventils. All dies gestattet eine wesentlich größere Flexibilität bei der Steuerung des Betriebs eines Motorventils als sie bei konventionellen nockengetriebenen Ventilsteuerungen möglich ist; eine Flexibilität, die letztlich der Möglichkeit entspräche, die Größe und Form der Nocken bei laufendem Motor zu verändern.
In Motoren mit mehr als zwei Ventilen pro Zylinder kann ein einzelnes Paar von elektromagnetischen Ventilen mehrere Einlaß- (oder Auslaß-) Ventile gleichzeitig betätigen. Dies ist in Abbildung 4 gezeigt, wo die elektromagnetischen Hoch- und Niederdruckventile 64 bzw. 68 zwei Motorventile 10 und 110 aktivieren, wenn die Steuerventile 74 und 76 offen sind. Sind die Steuerventile 74 und 76 geschlossen, so wird nur Motorventil 10 aktiviert Die Funktionsweise beider Motorventile 10, 110 ist sonst jene, die unter Bezugnahme auf die Abbildungen 1-3 beschrieben wurde. Gleiche Bezugsziffern wurden verwendet, um diese strukturelle Gleichheit, ausgenommen jene vom Motorventil 110, hervorzuheben. Komponenten, die dort jenen des ersten Ventils 10 gleich sind, wurde eine "1" vorangestellt.
In Abbildung 5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, worin die Hochdruckleitung 44 zum Kolben 26 nur ein einziges elektromagnetisches Ventil 70 einschließt. Das Hochdruckrückschlagventil 66 aus den Abbildungen 1-4 wurde ausgelassen. Davon abgesehen ist das System strukturell dasselbe wie das in den Ausführungsformen der Abbildungen 1-4 gezeigte.
Während des Betriebs wird das elektromagnetische Ventil 64 zweimal während jedes Ventilzyklus betätigt, und nicht einmal, wie oben beschrieben, da seine Betätigung die Funktion des ausgelassenen Rückschlagventils 68 ersetzen muß. Insbesondere wird das elektromagnetische Ventil 64 während des Schließhubs betätigt, um ein Abbremsen des Motorventils 10 zu bewirken (Abbildung 3b der vorstehenden Ausführungsform), indem es zuläßt, daß das Fluidum in die Hochdruckleitung zurückgedrängt wird. Zu einem Zeitpunkt, für den man berechnet, daß sich die kinetische Energie des Motorventils erschöpft hat, wird das elektromagnetische Ventil 64 geschlossen und das Ventil sperrt in geschlossener Stellung.
In den in Abbildungen 6-15 gezeigten Anordnungen wird ein System bereitgestellt, durch das die beiden elektromagnetischen Ventile 64 und 68 den Betrieb einer Gruppe von zwei oder mehr Motorventilen steuern. Eines der elektromagnetischen Ventile (64) steuert die Öffnungsbewegung der Motorventile, während das andere, 68, für die Kontrolle der Schließbewegung zuständig ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Während jedes Öffnungs- und Schließzyklus eines elektromagnetischen Ventils wird in nahezu derselben Art und Weise, wie vorher in Bezug auf die Abbildungen 1-4 beschrieben wurde, eines der Motorventile in Bewegung gesetzt.
Eine der Komponenten des Systems, die eine zentrale Bedeutung besitzt, ist ein Paar von hydraulischen Rotationsverteilern, die jeweils mit einem der elektromagnetischen Ventile 64, 68 verbunden sind. Ein Beispiel des hydraulischen Rotationsverteilers, allgemein mit 200 bezeichnet, ist in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt. Ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisches Ventil 64 trennt das Innere einer rotierenden Verteiermuffe 210 von der Quelle des unter Druck stehenden Fluidums, für den Zweck dieser Erläuterung insbesondere von Hochdruckleitung 40. Die Verteilermuffe 210 kann innerhalb einer äußeren, stationären Muffe 212 rotieren, die mehrere Öffnungen 214 im gleichen radialen Abstand entlang ihrem Umfang besitzt, die alle mit einer gesonderten Ausflußleitung 48a-d verbunden sind. Die Verteilermuffe 210 besitzt einen einzelnen radialen Durchgang 218, der bei jeder Umdrehung das Innere der Verteilermuffe nacheinander mit einer der Austrittsöffnungen 214 verbindet. Während des Betriebs des Motors rotiert die Verteilermuffe mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle, und das elektromagnetische Ventil wird stets dann geöffnet, wenn sich der radiale Kanal 218 mit einer der Öffnungen 214 überlagert. Die Synchronisation und die Dauer der Öffnung des elektromagnetischen Ventils können innerhalb des Zeitfensters variieren, innerhalb dessen sich Kanal 218 und Öffnung 214 überlagern.
Während der Öffnung des Ventils ist das elektromagnetische Hochdruckventil 64 mit dem Motorventil über seinen Rotationsverteiler verbunden. Das elektromagnetische Ventil 64 öffnet sich und die Resultierende der auf den Kolben 26 wirkenden Druckkraft beschleunigt das Motorventil 10 nach unten (Abbildung 8a). Schließt sich das elektromagnetische Ventil 64, so fällt der Druck oberhalb des Kolbens 26 ab und der Kolben wird abgebremst, wobei er das Fluidum aus dem darunter gelegenen Volumen zurück in die Hochdruckleitung drückt (Abbildung 8b). Fluidum unter niedrigem Druck, das durch das Rückschlagventil 70 fließt, verhindert die Bildung eines Hohraumes im Volumen oberhalb von Kolben 26 während des Abbremsens. Endet die Abwärtsbewegung des Ventils, so schließt sich das Rückschlagventil 70 und das Motorventil sperrt in seiner geöffneten Stellung (Abbildung 8c). Während der Dauer der Öffnung hat die Betätigung des elektromagnetischen Ventils 68 keine Wirkung auf dieses Motorventil, da es zwischen ihnen keine Verbindung über den hydraulischen Rotationsverteiler 200 des elektromagnetischen Ventils 68 gibt.
Der Schließvorgang des Ventils ähnelt im Prinzip dem Vorgang des Öffnens. Nun wird das elektromagnetische Niederdruckventil 68 mit dem Motorventil über seinen Rotationsverteiler verbunden, während das elektromagnetische Hochdruckventil 66 getrennt wird. Das elektromagnetische Niederdruckventil 68 öffnet sich, der Druck oberhalb von Kolben 26 fällt ab und die Resultierende der Druckkraft beschleunigt das Ventil nach oben (Abbildung 9a). Dann schließt sich das elektromagnetische Ventil 68 und der steigende Druck oberhalb des Kolbens 26 öffnet das Rückschlagventil 66 (Abbildung 9b). Die Richtung der Resultierenden der Druckkraft kehrt sich um und das Motorventil wird abgebremst, wobei es das Fluidum aus dem Volumen oberhalb des Kolbens 26 durch Leitung 44 und zurück in die Hochdruckleitung 40 drückt. Hat sich die kinetische Energie des Motorventils erschöpft, so schließt das Rückschlagventil 66 und das Motorventil sperrt in seiner geschlossenen Stellung (Abbildung 9c). Selbstverständlich muß die Öffnungsdauer des elektromagnetischen Ventils 68 geeignet gewählt werden, um ein korrektes Schließen des Motorventils zu gewährleisten.
Wie schon bei der vorher beschriebenen Ausführungsform (i) bewirkt eine Veränderung der zeitlichen Abstimmung der Betätigung der beiden elektromagnetischen Ventile, daß sich die Synchronisation des Öffnens und Schließens des Motorventils verändert, (ii) steuert die Dauer des Spannungspulses in der Spule den Ventilhub, und (iii) erlaubt der Fluidumdruck in der Hochdruckleitung eine Steuerung der Beschleunigung, Geschwindigkeit und Laufzeit des Ventils. Wiederum besteht der erreichte Vorteil in einer größeren Flexibilität der Steuerung des Motorventilbetriebs als dies bei konventionellen nockengetriebenen Ventilsteuerungen möglich ist.
Die vorstehende Beschreibung, die durch die Abbildungen 8a-c und 9a-c veranschaulicht wurde, beschränkte sich auf den Fall des Betriebes mit einem einzigen Ventil. Die Abbildungen 10-13 zeigen einen Fall, in dem ein Paar elektromagnetischer Ventile mit hydraulischen Rotationsverteilern nacheinander vier Ventile in vier Motorzylindern betreibt, d.h. entweder vier Einlaß- oder vier Auslaßventile. Zusammen stellen die Abbildungen 10-13 eine Reihe von Vorgängen dar, die während eines einzigen Motorzyklus von 720º stattfinden und voneinander durch einen Winkel von 90º des Rotationsverteilers (180º-Winkel der Kurbelwelle) getrennt sind. Die Zündfolge des Motors ist: Zylinder Nr. 1-3-2-4.
In Abbildung 10 ist das elektromagnetische Hochdruckventil 64 geöffnet und das Motorventil Nr. 1 wird auf dem Weg zur Öffnung beschleunigt. Das elektromagnetische Niederdruckventil 68 ist ebenfalls offen und Motorventil Nr.4 beschleunigt, während es sich in seine Schließstellung bewegt. Nur Leitungen, in denen eine Fluidumbewegung stattfindet, sind in der Zeichnung gezeigt.
In Abbildung 11 sind die elektromagnetischen Ventile 64 und 68 wieder offen, doch aufgrund der neuen Positionen ihrer Rotationsverteiler 200 ist es nun das Ventil Nr.3, das sich in den geöffneten Zustand bewegt, während sich Ventil Nr. 1 schließt.
In Abbildung 12 ist die Position des Rotationsverteilers 200 so, daß sich Ventil Nr. 2 öffnet, während sich Ventil Nr. 3 schließt, und in Abbildung 13 öffnet sich Ventil Nr.4, während sich Ventil Nr. 2 schließt. Danach wiederholt sich die gesamte Abfolge während jedes Arbeitsspiels.
Wie erwähnt könnten die in den Abbildungen 10-13 gezeigten Motorventile vier Einlaßventile oder vier Auslaßventile in vier Motorzylindern sein. Es können jedoch auch ein Einlaß- und ein Auslaßventil in einem Zylinder und ein weiteres Paar Einlaß- und Auslaßventile in einem anderen Zylinder sein, der sich um 360º Kurbewellenwinkel phasenversetzt zum ersten befindet (z.B. Zylinder Nr.1 und 2). In diesem Fall wäre die Reihenfolge: Nr.1 Auslaß, Nr.1 Einlaß, Nr.2 Auslaß Nr.2 Einlaß. Dies ist in den Abbildungen 1 Oa-1 3a dargestellt. So wie in den Abbildungen 10-13 sind die elektromagnetischen Ventile 64 und 68 in allen Fällen geöffnet, doch verbinden die Rotationsverteiler 200 die elektromagnetischen Ventile in jedem der beiden Fälle mit einem anderen Motorventilpaar. In Abbildung 10a beschleunigt das Auslaßventil von Nr. 1 in Richtung Öffnung, und das Einlaßventil von Nr. 2 beschleunigt in Richtung Schließung. In Abbildung 11 a beschleunigt das Einlaßventil von Nr. 1 in Richtung Öffnung, und das Auslaßventil von Nr. 1 beschleunigt in Richtung Schließung. In Abbildung 12a beschleunigt das Auslaßventil von Nr. 2 in Richtung Öffnung, und das Einlaßventil von Nr. 1 beschleunigt in Richtung Schließung. In Abbildung 13a beschleunigt das Einlaßventil von Nr. 2 in Richtung Öffnung, und das Auslaßventil von Nr. 2 beschleunigt in Richtung Schließung. Auf ähnliche Weise können die Ventile in den Zylindern Nr.3 und 4 gesteuert werden. Die Reihenfolge wäre: Nr.4 Einlaß, Nr.3 Auslaß, Nr.3 Einlaß, Nr.4 Auslaß.
Abbildung 14 ist ein schematisches Schaubild der hydraulischen Verbindungen zwischen den elektromagnetischen Ventilen mit ihren hydraulischen Rotationsverteilern und den Motorventilen, die sie, wie oben erörtert und in den Abbildungen 10a-13a gezeigt, steuern. Die elektromagnetischen Ventile 64 und 68 steuern die Einlaß- und Auslaßmotorventile der Zylinder Nr.1 und Nr.2, und ein weiteres Paar elektromagnetischer Ventile, 64' und 68', identisch mit den Ventilen 64 und 68, steuert die Einlaß- und Auslaßmotorventile der Zylinder Nr.3 und Nr.4.
Abbildung 15 zeigt ein Beispiel für die Profile des Ventilhubes im Steuersystem für Motorventile bei vier Zylindern, das in Abbildung 14 gezeigt ist.
Das System von elektromagnetischen Ventilen, die mit hydraulischen Rotationsverteilern verbunden sind, wurde vorstehend bei dessen Anwendung auf ein spezielles Konzept für die variable Ventilsteuerung beschrieben. Es ist jedoch klar, daß der Einsatz eines solchen Systems sich nicht auf ein bestimmtes Konzept beschränkt und auf viele andere Systeme zur variablen Ventilsteuerung angewandt werden kann, bei denen elektromagnetische Ventile zur Steuerung der Bewegung der Motorventile eingesetzt werden.
Die Steuerung der Ventilbewegung durch elektromagnetische Steuerventile wird auch in variablen Ventilsystemen verwendet, die auch als "Leerlauf"-Systeme bekannt sind. Ein Beispiel eines Leerlaufventilsteuerungssystems ist schematisch in Abbildung 16 gezeigt. Es ist ein wohlbekanntes System und bildet als solches keinen Teil dieser Erfindung.
Eine Nocke 300 treibt einen Nockenkolben 302 an. Die Bewegung des Kolbens 302 wird über ein Fluidum, das einen Kanal 304 füllt, auf einen Ventilkolben 306 übertragen, der das Ventil 308 antreibt. Aus dem System auslaufendes Fluidum wird aus einer Versorgungsleitung 310 durch ein Rückschlagventil 312 wieder ersetzt. Solange das elektromagnetische Ventil 314 geschlossen bleibt, wird die Bewegung des Ventils 308 durch das Profil der Nocke 300 bestimmt. Durch das Öffnen des elektromagnetischen Ventils 314 kann etwas Fluidum aus dem Kanal 304 in die Versorgungsleitung 310 entweichen. Dies hat zur Folge, daß sich die Bewegung des Ventils 308 nun von jener unterscheidet, die vom Profil der Nocke 300 bestimmt wird. Durch eine Veränderung der zeitlichen Abfolge und der Dauer der Spulenspannungspulse kann man unterschiedliche Formen der Kurve erhalten, die den Verlauf des Ventilhubes gegen die Zeit zeigt.
Einer der wichtigsten Vorteile der variablen Ventilsteuerung ist die Fähigkeit, die in die Motorzylinder eingeführte Luftmenge über die Steuerung des Ventilbetriebs anstatt durch Vorrichtungen zur Drosselung der Luftzufuhr zu steuern. Dies erlaubt die Beseitigung eines wesentlichen Anteils der Verluste durch die Motordrosselung und eine Verbesserung der Kraftstoffausbeute. Zusätzlich zur verbesserten Kraftstoffausbeute kann ein geschickter Einsatz der variablen Ventilsteuerung zu Verbesserungen in der Verbrennungsstabilität, der Höchstleistung und der Abgasemissionen führen. Es ist jedoch wichtig, eine ungleiche Verteilung der angesaugten Luft zwischen den Zylindern zu vermeiden. Bei Motoren mit Vergasern oder mit Sammeleinspritzung würde eine ungleiche Verteilung der angesaugten Luft zu ungleicher Leistung in den einzelnen Zylindern führen. Bei Motoren mit Einzeleinspritzung oder mit Direkteinspritzung in den Zylinder würde eine ungleiche Verteilung der angesaugten Luft zu einer Veränderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zwischen den einzelnen Zylindern führen. Solche Nachteile können die Vorzüge der variablen Ventilsteuerung zunichte machen. Die in die Motorenzylinder eingeführte Luftmenge hängt von dem Hub des Motoreinlaßventils und von dessen Öffnungsdauer ab. Um eine gleichmäßige Verteilung der angesaugten Luft zu gewährleisten ist es daher unerläßlich, daß der Ventilhub und die Öffnungsdauer in allen Zylindern gleich sind. Da die Bewegung der Ventile von elektromagnetischen Ventilen gesteuert wird, führt dies zu der Anforderung, daß alle elektromagnetischen Ventile im System im Hinblick auf die Ventilbewegung als Antwort auf ein gleiches Signal gleiche Ergebnisse liefern.
Die Genauigkeit der Luftverteilung zwischen den Zylindern wird auch von der Genauigkeit der Steuerung der Bewegung der Auslaßventile beeinflußt. Bei Systemen zur variablen Ventilsteuerung, die sowohl Einlaß- als auch Auslaßventile steuern, sollten daher beide Ventilarten den gleichen Anforderungen unterworfen sein.

Claims

1. Ein hydraulisch betriebenes System zur Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor, dieses System umfassend:

eine Hochdruckfluidumquelle (40) und eine Niederdruckfluidumquelle (42);

ein Zylinderkopfbauglied (12), das zur Befestigung am Motor angepaßt ist und einen einqeschlossenen Hohlraum (30) einschließt;

ein Tellerventil (10), das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung innerhalb dieses Zylinderkopfbaugliedes (12) beweglich ist;

ein hydraulisches Stellglied, das einen doppeltwirkenden Kolben (26) einschließt, der mit dem Tellerventil (10) verbunden ist und sich innerhalb des abgeschlossenen Hohlraumes (30) hin- und herbewegen kann, wobei dieser Kolben (26) den Hohlraum in zwei Arbeitskammern unterschiedlicher Querschnittsfläche unterteilt, deren Volumina sich bei der Bewegung des Tellerventils (10) verändern;

wobei dieses Zylinderkopfbauglied (12) eine Hochdrucköffnung (48) besitzt, die sich zwischen dem abgeschlossenen Hohlraum (30) und der Hochdruckfluidumquelle erstreckt, und eine Niederdrucköffnung (50), die sich zwischen dem abgeschlossenen Hohlraum (30) und der Niederdruckfluidumquelle erstreckt;

ein Hochdruckventil (64) und ein Niederdruckventil (68) zur Regelung des Fluidumstromes in der Hoch- bzw. Niederdrucköffnung;

wobei diese Hochdruckquelle (40) eine erste Hochdruckfluidumleitung einschließt, die zu dem eingeschlossenen Hohlraum an beiden Enden des Kolbens führt;

wobei dieses Hochdruckventil (64) innerhalb dieser ersten Hochdruckleitung liegt und ein Zulassen und Sperren des Fluidumstromes zu einem Ende dieses Kolbens bewirkt;

wobei das andere Ende des Kolbens für diese Hochdruckfluidumquelle stets offen ist;

eine Niederdruckfluidumleitung (46), die zu dem abgeschlossenen Hohlraum an diesem einen Ende des Kolbens führt, wobei das Niederdruckventil (68) innerhalb dieser Niederdruckleitung liegt und das Zulassen und Sperren des Fluidumstromes zum einen Ende dieses Kolbens bewirkt; und

Steuervorrichtungen, die mit den Hoch- und Niederdruckventilen (64, 68) zusammenwirken, um den abgeschlossenen Hohlraum selektiv mit der Hoch- und der Niederdruckquelle (40, 42) zu verbinden, damit das Tellerventil (10) in zeitlicher Abstimmung mit dem Motorbetrieb schwingt, dadurch gekennzeichnet,

daß während des Betriebs sowohl nach dem Öffnen als auch nach dem Schließen des Tellerventus (10) unter hohem Druck stehendes Fluidum an die Hochdruckquelle (40) zurückgegeben wird, so daß das Volumen des unter hohem Druck stehenden Fluidums, das von der Hochdruckquelle (40) durch den abgeschlossenen Hohlraum (30) zur Niederdruckquelle (42) fließt, wesentlich geringer ist als das Volumen des Hohlraumes, das von dem Kolben (26) während seines Hubes durchquert wird.

2. Ein System nach Anspruch 1, worin das Hochdruckventil (64) und das Niederdruckventil (68) elektromagnetische Ventile sind.

3. Ein System nach Anspruch 1 oder 2, worin ein normalerweise geschlossenes Druckentlastungsventil (70) in der Niederdruckleitung zwischen dem einen Ende dieses Kolbens und dem Niederdruckventil liegt, wodurch während des Öffnens und Schließens des Tellerventils die potentielle Energie des Fluidums aus der Hochund der Niederdruckquelle genutzt werden kann, um die Beschleunigung und das Abbremsen des Tellerventils (10) zu steuern, und wodurch die kinetische Energie des Tellerventils (10) genutzt werden kann, um die Druckwerte, die in der Hochund Niederdruckquelle aufrechterhalten werden müssen, zu unterstützen.

4. Ein System nach Anspruch 3, worin diese Hochdruckquelle (40) weiterhin über eine Leitung, die das Hochdruckventil (64) umgeht und ein normalerweise geschlossenes Druckentlastungsventil (66) enthält, mit diesem einen Ende des Kolbens verbunden ist.

5. Ein System nach Anspruch 4, das ein Paar dieser Tellerventile (10, 110) umfaßt, wobei jedes dieser Tellerventile (10, 110) eines dieser hydraulischen Steiglieder und ein jeweiliges von diesen Hochdruckentlastungsventilen (66, 1 66) und eines von diesen Niederdruckentlastungsventilen (70, 170) enthält;

wobei sowohl diese erste Hochdruckfluidumleitung (44) als auch diese Niederdruckfluidumleitung (46) hydraulisch mit dem jeweiligen Tellerventil und dem hydraulischen Stellglied verbunden sind;

wobei diese Steuervorrichtung ein Paar von Steuerventilen (74, 76) enthält, die beide hydraulisch mit einer jeweils ersten Hochdruckfluidumleitung und einer Niederdruckfluidumleitung zwischen dem Tellerventilpaar verbunden sind, wodurch bei offenen Steuerventilen (74, 76) beide Tellerventile (10, 110) in Betrieb sind und bei geschlossenen Steuerventilen (74, 76) nur ein Tellerventil (10, 110) in Betrieb ist.

6. Ein System nach Anspruch 4, das eine Vielzahl dieser Tellerventile (10) umfaßt, wobei jedes Tellerventil ein solches hydraulisches Stellglied (76) und jeweils ein solches Hochdruckentlastungsventil (66) und ein solches Niederdruckentlastungsventil (70) enthält;

wobei diese Kontrolvorrichtung eine Hochdruckfluidumverteilervorrichtung (200) zwischen diesem Hochdruckventil (64) und jeder dieser ersten Hochdruckfluidumleitungen (48) einschließt, die jeweils zu einem dieser Tellerventile (10) führen, und die eine gesonderte Austrittsöffnung (48a, 48b, 48c, 48d) zu jeder dieser ersten Hochdruckfluidumleitungen (48) besitzt, wobei diese Hochdruckfluidumleitungen in zeitlicher Abfolge getrennt steuerbar sind, um unter hohem Druck stehendes Fluidum zu einem beliebigen dieser Tellerventile (10) zu leiten, wenn dieses Hochdruckventil (64) geöffnet ist;

wobei diese Kontrolvorrichtung ferner eine Niederdruckfluidumverteilervorrichtung (200) zwischen diesem Niederdruckventil (68) und jeder dieser Niederdruckfluidumleitungen (50) einschließt, die zu jedem dieser Tellerventile führen, und die eine gesonderte Austrittsöffnung (50a, 50b, 50c, 50d) zu jeder dieser Niederdruckfluidumleitungen (50) besitzt, wobei diese Niederdruckfluidumleitungen in zeitlicher Abfolge getrennt steuerbar sind, um unter niedrigem Druck stehendes Fluidum zu einem beliebigen dieser Tellerventile (10) zu leiten, wenn dieses Niederdruckventil geöffnet ist;

wodurch ein einzelnes Hochdruckventil und ein einzelnes Niederdruckventil dazu verwendet werden können, die Betätigung einer Vielzahl von in Folge zu betreibenden Tellerventilen zu steuern.

7. Ein System nach Anspruch 6, worin diese Hochdruckverteilervorrichtung (200) und diese Niederdruckverteilervorrichtung (200) jeweils umfassen:

ein Rotationsverteilerventil (200);

wobei das Rotationsverteilerventil eine stationäre äußere Muffe (212) und eine drehbare innere Verteilermuffe (210) umfaßt, die innerhalb dieser äußeren Muffe konzentrisch angeordnet ist und darin gleitet;

wobei diese innere Verteilermuffe eine Eintrittsöffnung (218) an einem Ende und eine Antriebswelle am entgegengesetzten Ende besitzt; und wobei diese Hoch- und Niederdruckventile (64, 68) hydraulisch mit dieser jeweiligen Eintrittsöffnung verbunden sind, um den Fluidumstrom durch das Rotationsverteilerventil (200) zu steuern.