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EP1001143B1 - Ventilsteuerung für Ein- und Auslassventile von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Ventilsteuerung für Ein- und Auslassventile von Verbrennungsmotoren Download PDF

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Publication number
EP1001143B1
EP1001143B1 EP99121736A EP99121736A EP1001143B1 EP 1001143 B1 EP1001143 B1 EP 1001143B1 EP 99121736 A EP99121736 A EP 99121736A EP 99121736 A EP99121736 A EP 99121736A EP 1001143 B1 EP1001143 B1 EP 1001143B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
control according
valve control
seat
intake
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99121736A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1001143A3 (de
EP1001143A2 (de
Inventor
Dieter Tischer
Alfred Trzmiel
Dieter Maisch
Herbert Panowitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilite Germany GmbH
Original Assignee
Hydraulik Ring GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydraulik Ring GmbH filed Critical Hydraulik Ring GmbH
Publication of EP1001143A2 publication Critical patent/EP1001143A2/de
Publication of EP1001143A3 publication Critical patent/EP1001143A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1001143B1 publication Critical patent/EP1001143B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F01L1/143—Tappets; Push rods for use with overhead camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/20—Adjusting or compensating clearance
    • F01L1/22—Adjusting or compensating clearance automatically, e.g. mechanically
    • F01L1/24—Adjusting or compensating clearance automatically, e.g. mechanically by fluid means, e.g. hydraulically
    • F01L1/245—Hydraulic tappets
    • F01L1/25—Hydraulic tappets between cam and valve stem
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the invention relates to a valve control for intake and exhaust valves of internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • valve controls have been developed in order to influence and be able to change control times, lift characteristics of the intake and exhaust valves as a function of the engine speed, the load and other influencing variables.
  • the course of the valve lift can thus be influenced or changed by variations in the phase position, the valve lift or the valve opening duration.
  • Such measures can be used individually or in combination, on the one hand to reduce fuel consumption and emissions on the gasoline engine and on the other hand to improve the torque curve and to increase the maximum power.
  • Another advantage arises from the ability to influence the intake air volume by changing the valve opening cross-section and thus to allow a throttle-free load control without throttle.
  • such a circuit can be made that the sucked charge flows only through an inlet valve and thus their amount is affected.
  • a cylinder deactivation by influencing the intake and exhaust valves can also be realized, wherein the fired cylinders can work in the best efficiency range by hiding injections and combustion air. With modern engine electronics, the cylinder deactivation can cyclically (selectively) change to avoid the cooling of the cylinder wall.
  • variable valve timing According to the type of valve actuation, a distinction is made between directly and indirectly actuated systems.
  • the energy is stored similar to the so-called common rail system and fed by fast solenoid or servo valves the control piston surfaces or discharged from them, with which in turn the intake and exhaust valves are actuated.
  • Such systems are known for use in slow-running diesel engines.
  • the invention has for its object to form a valve control of this kind so that while avoiding a complex servo valve a simple and reliable operation at high switching frequencies is possible, so that the valve control can also be used for high-speed internal combustion engines.
  • piezoelectric actuators are used as adjusting elements. With them, low-mass valve elements are actuated, which control the inflow and outflow of the pressure medium to and from the control piston, through the stroke of the inlet and outlet valves of the engine are opened and closed.
  • Piezoelectric actuators convert electrical voltages directly into paths and forces. The conversion of the electrical input into a mechanical output is extremely fast. Adjustment strokes of, for example, 40 ⁇ m (0.04 mm) can be carried out in a positioning time of 50 ⁇ s (0.000.05 sec). The resolution of the travel is possible with suitable electrical control in the nanometer range (0.0001 mm). Actuating forces are achieved in the kilonewton range, ie actuators with very high mechanical rigidity. Since the two piezo elements act as opener and closer, a variable stroke of the inlet / outlet valve can be easily achieved.
  • the availability of suitable power amplifiers is an essential prerequisite for synchronizing the control curve and the response of the intake and exhaust valves.
  • the opening and closing times for the intake / exhaust valves the duration of the opening times can be determined as needed in accordance with the engine management in an advantageous manner.
  • FIGS. 4 to 12 show concrete embodiments of such valve controls and associated characteristic curves.
  • valve controls described below allow high control frequencies, so that these valve controls can also be used in high-revving internal combustion engines.
  • Figs. 1 and 4 to 12 show an embodiment in which the stroke of an intake / exhaust valve 30 can be changed.
  • the valve control has two piezo elements 1, 1 a, with which two plungers 2, 2 a can be actuated in order to displace two valve elements 3, 3 a 2 of two seat valves 9, 9 a.
  • the two valve elements 3, 3a are each under the force of at least one compression spring 6, 6a.
  • a valve chamber 4a of the seat valve 9a opens a pressure line 7.
  • the pressure line 7 is separated via the closed valve element 3a from a supply line 10 for hydraulic medium, which opens into a pressure chamber 14 which is provided in a valve housing 5 and in the an adjusting piston 15 is located, whose one end face 16 can be acted upon by the hydraulic medium.
  • a cylinder chamber 17 On the opposite side of the pressure chamber 14 is a cylinder chamber 17 which is connected via at least one opening 18 to the atmosphere.
  • a plunger 19 which cooperates with a tappet 20. He is under the force of at least one compression spring 21, which loads the bucket tappet 20 and thus the bolt-shaped plunger 19 in the direction of the actuating piston 15 via a valve stem 22.
  • the tappet 20 is located on the valve stem 22, which is provided at the free end with a valve plate 23. With him an inlet or outlet opening 24 of a combustion chamber 25 of an internal combustion engine 26 of a motor vehicle is opened and closed.
  • the valve stem 22 is moved against the force of the compression spring 21 and opened in this way the inlet / outlet valve 30.
  • the actuating piston 15 is displaced until it comes to rest on the bottom 29 of the cylinder chamber 17.
  • the stroke of the actuating piston 15 and thus of the valve 30 corresponds to the normal stroke plus an overstroke.
  • both piezo elements 1, 1a are energized and the piezoelectric element 1 a made de-energized after a stroke-determining time, so that the valve element 3 a is moved by the force of the compression spring 6 a in its closed position.
  • the pressure line 7 of the Feed line 10 separated.
  • the piezoelectric element 1 remains energized, thereby closing the valve 3 and the chamber chambered in the pressure chamber 14.
  • the piezoelectric element 1 is de-energized.
  • the compression spring 6 lifts the valve element 3 from its valve seat 66, whereby the hydraulic medium in the pressure chamber 14 can be displaced via the supply line 10 and the open valve chamber 4 into the tank line 12.
  • valve element 3 and the compression spring 6 are in a bushing 64, which is pressed into an installation space 65 of the valve housing 5.
  • the provided for the valve element 3 valve seat 66 is provided on an insert 43.
  • the compression spring 6 holds the valve element 3 at pronouncevorromtem piezoelectric element 1 in the open position, which is shown in Fig. 8, the insert 43 is axially secured by the flanged end 67 of the sleeve 64.
  • a central axial bore 68 of the stükkes 43 is closed by a closure element 69, preferably a ball.
  • valve element 3a is also received in a bushing 70 (FIG. 7) whose lower end 71 is flanged.
  • the valve element 3a is pressed by the compression spring 6a up against a valve seat 72, which the plunger 2a penetrates axially and thus generates an annular surface 81 required for the flow.
  • the two seat valves 9, 9a are on both sides of the actuating piston 15 and axially parallel to him. As a result, the valve housing 5 has only a small axial height.
  • the cylinder chamber 17 is, as shown in FIG. 5, connected via the vent line 18 to the atmosphere, so that the actuating piston 15 can be moved to open the on / off valve 30 reliably.
  • both piezo elements 1, 1a are energized.
  • the size of the stroke of the actuating piston 15 and thus of the inlet / outlet valve 30 depends on the time from the beginning of the opening, the piezoelectric element 1a is no longer energized and thus no hydraulic medium can flow into the pressure chamber 14.
  • the stroke of the inlet / outlet valve 30 can thus be steplessly controlled.
  • both end faces 16, 28 of the actuating piston 15 are provided with a throttle cross-section, which is an example diametrically extending, in cross-section triangular depression.
  • the throttle cross-sections cooperate with control edges when the actuator piston 15 is moved. When driving over the respective control edge, a pressure builds up in the medium due to the constantly decreasing flow area for the hydraulic medium, which counteracts the movement of the actuating piston 15 and thus causes the damping by reducing speed.
  • the phase position with respect to the opening and closing of the intake / exhaust valves 30 can be changed. This is possible by virtue of the fact that the piezoelements assigned to the intake / exhaust valves 30 are energized or out-flowed at the desired time.
  • the size of the opening stroke of the inlet / outlet valve 30 can additionally be varied in the described manner.
  • Fig. 9 shows stroke characteristics of the manner described with reference to the embodiment of FIGS. 1 and 5 to 8, the opening stroke of the inlet / outlet valve 30 to vary.
  • FIG. 10 shows by means of characteristics that the opening duration of the inlet / outlet valve 30 can be changed in the manner described. From the characteristics in Fig. 11 shows that in addition, the phase angle can be adjusted in the manner described. Finally, FIG. 12 shows characteristic curves for the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 4 to 8, in which the three adjustment possibilities according to FIGS. 9 to 11 can be used in combination. The valve lift, the opening duration and the phase position can be changed. This embodiment represents a fully variable control of the intake / exhaust valves 30.
  • the plungers 2, 2a can be actuated directly by the piezo elements 1, 1a, as shown schematically in FIG. But it is also possible between the plunger 2, 2a and the piezoelectric element 1, 1a each have a transmission lever 59, 59a provided to increase the opening and closing of the valve element 3, 3a at a given piezohub.
  • the transmission lever 59, 59a one-armed lever. At a distance 60 from the pivot axis 61, 61a of the lever 59, 59a attacks on them the plunger 58, 58a.
  • the levers 33, 33a are two-armed levers which have differently long lever arms 86, 87. At the shorter lever arm 87, the plunger 58, 58a of the piezo elements 1, 1 a engage. On the same side of the levers 33, 33a engage at the free ends of the longer lever arms 86, the plunger 2, 2a. About the ratio of the length of the lever arms to each other can also set the gear ratio.
  • the two plunger 2, 58; 2a, 58a are on the same side of the levers 33, 33a, results in a low overall height 73.
  • the two-armed levers 33, 33a are, as explained with reference to the embodiment of FIGS. 4 to 8 in detail, spatially offset from each other, so that the valve housing 5 has only correspondingly small dimensions.
  • the overall height is greater than in the embodiment of FIG. 3, because the piezo elements 1, 1a with their plungers 58, 58a on one side and the plunger 2, 2a with the valves 9, 9a on the other side the lever 59, 59a sit.
  • the height of the piezo elements 1, 1a with the plungers 58, 58a with 74 and the height of the seat valves 9, 9a with the plungers 2, 2a and the pivot levers 59, 59a denoted by 75. It can be seen that the overall height 74, 75 is about twice as large as the overall height 73 in the embodiment of FIG. 3rd
  • the two two-armed levers 33, 33a in the housing space 34, which is closed by a housing cover 76.
  • the two levers 33, 33a are arranged offset to one another and are each at an acute angle to a longitudinal center plane 77 of the valve housing 5. Seen in side view, the two levers 33, 33a overlap one another at a small distance one behind the other.
  • the pivot axes 36, 36a are parallel to each other.
  • the plunger 58, 58 a of the two piezo elements 1, 1 a engage.
  • the plunger 2, 2 a At the free ends of the longer lever arms are the plunger 2, 2 a, with which the valve elements 3, 3 a are actuated in the manner described.
  • the two piezoelectric elements 1, 1a lie in separate housing spaces 78, 79 (FIG. 6). In the area between the two housing chambers 78, 79 is the cylinder chamber 17 with the piston 15. By the ratio of the length the lever arms of the respective lever 33, 33 a, the gear ratio is determined. In this way, the small path of movement of the piezo counselen plunger 58, 58a can be translated into the required adjustment of the plunger 2, 2a very simply to move the respective valve element 3, 3a reliably with the required stroke in the corresponding open or closed position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für Ein- und Auslaßventile von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren erfolgt die Steuerung der Hubbewegungen der Einlaß- und Auslaßventile durch eine von der Kurbelwelle im Drehzahlverhältnis 2:1 angetriebene Nockenwelle. Die Hubkurve des Ventiles ist für den gesamten Bereich des Kennfeldes proportional dem Nokkenverlauf und damit unveränderlich. Der Schließpunkt des Einlaßventiles ist, bedingt durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit im Saugrohr, nicht optimal gelegt. Der Einlaß- bzw. Öffnungspunkt kann ebenso nicht optimal gelegt werden. Die Werte für bestmögliche Füllung der Verbrennungskammer bei hohen Drehzahlen und dem Zylinder-Abgasgehalt bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf stehen einander diametral gegenüber. Der Öffnungspunkt bzw. Auslaßbeginn wird deshalb meistens so gewählt, daß die Ausschiebeverluste minimiert sind und das Gas in der Lage ist, maximale Arbeit zu verrichten.
  • Zur Vermeidung der vorgenannten Abstimmungen, die immer Kompromisse sind, wurden Ventilsteuerungen entwickelt, um Steuerzeiten, Hubverläufe der Ein- und Auslaßventile in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Last und anderen Einflußgrößen beeinflussen und verändern zu können. Der Verlauf des Ventilhubs kann damit durch Variationen der Phasenlage, des Ventilhubs oder der Ventilöffnungsdauer beeinflußt bzw. verändert werden. Derartige Maßnahmen können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden, um am Ottomotor einerseits den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu reduzieren sowie andererseits den Drehmomentverlauf zu verbessern und die Maximalleistung zu steigern. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, die angesaugte Luftmenge durch Veränderung des Ventilöffnungsquerschnitts zu beeinflussen und damit eine drosselfreie Laststeuerung ohne Drosselklappe zu ermöglichen.
  • Bei Mehrventiltechnik kann eine solche Beschaltung vorgenommen werden, daß die angesaugte Ladung nur über ein Einlaßventil strömt und damit deren Menge beeinflußt wird. Eine Zylinderabschaltung durch Beeinflussung der Einlaß- und Auslaßventile kann gleichfalls verwirklicht werden, wobei die befeuerten Zylinder durch das Ausblenden von Einspritzungen und Verbrennungsluft im besten Wirkungsgradbereich arbeiten können. Mit moderner Motorelektronik kann die Zylinderabschaltung zyklisch (selektiv) wechseln, um das Auskühlen der Zylinderwand zu vermeiden.
  • Die vorgenannten Möglichkeiten zur Beeinflussung und Veränderung von Parametern werden unter dem Begriff "variable Ventilsteuerung" zusammengefaßt. Entsprechend der Ventilbetätigungsart wird zwischen direkt und indirekt betätigten Systemen unterschieden.
  • Bei den indirekt betätigten Systemen sind zwei Lösungen bekannt, nämlich die Verwendung einer variablen Nockenwelle oder eines variablen Zwischenelementes. Bei direkt betätigten Systemen sind grundsätzlich drei Möglichkeiten bekannt, bei denen die Betätigung des Ventiles hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch erfolgt. Eine Nockenwelle entfällt in diesen Fällen.
  • Im Hydrauliksystem wird die Energie ähnlich wie beim sogenannten Common Rail System gespeichert und durch schnelle Magnet- oder Servoventile den Stellkolbenflächen zugeführt oder von ihnen abgeführt, mit denen ihrerseits die Ein- und Auslaßventile betätigt werden. Solche Systeme sind für den Einsatz in langsam laufenden Dieselmotoren bekannt.
  • Bei einer bekannten Ventilsteuerung der gattungsbildenden Art (Abstracts JP-A 60-113008) werden die Ein/Auslaßventile stets mit gleichem Hub über zwei Magnetventile geöffnet. Mit dem einen Magnetventil wird die Zufuhr des Druckmediums aus dem Tank zum Stellkolben gesteuert, mit dem das Ein/Austaßventil geöffnet wird. Das andere Magnetventil verschließt die Tankleitung. Soll das Ein/Auslaßventil wieder geschlossen werden, wird mit dem einen Magnetventil die Druckleitung geschlossen und das andere Magnetventil geöffnet. Das vor dem Stellkolben befindliche Druckmedium kann dann über das geöffnete Magnetventil in die Tankleitung gelangen. Die Magnetventile müssen stets unter Strom gehalten werden, damit das Ein/Auslaßventil nicht in die Öffnungslage fährt, in der der im Verbrennungsraum befindliche Kolben das Ein/Auslaßventil beschädigen könnte.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsteuerung dieser Art so auszubilden, daß unter Vermeidung eines aufwendigen Servoventiles eine einfache und zuverlässige Betätigung bei hohen Schaltfrequenzen möglich ist, so daß die Ventilsteuerung auch für hochdrehende Verbrennungsmotoren einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Ventilsteuerung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung werden als Stellelemente piezoelektrische Aktoren eingesetzt. Mit ihnen werden massearme Ventilelemente betätigt, welche den Zu- und Abfluß des Druckmediums zum und vom Stellkolben steuern, durch dessen Hub die Ein- und Auslaßventile des Verbrennungsmotors geöffnet und geschlossen werden. Piezoelektrische Aktoren setzen elektrische Spannungen direkt in Wege und Kräfte um. Die Umsetzung der elektrischen Eingangsgröße in eine mechanische Ausgangsgröße erfolgt extrem schnell. Stellhübe von beispielsweise 40 µm (0,04 mm) können in einer Stellzeit von 50 µs (0,000.05 sec) erfolgen. Die Auflösung des Stellwegs ist bei geeigneter elektrischer Ansteuerung im Nanometerbereich (0,0001 mm) möglich. Stellkräfte werden im Kilonewtonbereich erreicht, das heißt es handelt sich um Stellglieder mit sehr hoher mechanischer Steifigkeit. Da die beiden Piezoelemente als Öffner und Schließer wirken, läßt sich ein variabler Hub des Ein/Auslaßventiles einfach erreichen.
  • Auch wird dadurch verhindert, daß bei einem eventuellen Stromausfall das Ein/Auslaßventil in die Öffnungslage fährt.
  • Im hochdynamischen Bereich ist einerseits die Verfügbarkeit von geeigneten Leistungsverstärkern eine wesentliche Voraussetzung, um den Ansteuerungsverlauf und die Reaktion der Ein- und Auslaßventile zu synchronisieren. Andererseits ist der Durchflußquerschnitt am Sitzventil entsprechend groß zu dimensionieren. Dies erfolgt bei einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung durch Vergrößerung des Hubs auf einen Wert, für den der verfügbare Stellweg des piezoelektrischen Wandlers nicht ausreicht. Es werden deshalb Stellwegvergrößerer eingesetzt, die vorteilhaft nach dem Hebelprinzip arbeiten und die den nutzbaren Stellweg des Ventilelementes beispielsweise bis zum Faktor ü = 10 vergrößern können.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung können in vorteilhafter Weise nach Maßgabe des Motormanagements die Offnungs- und Schließzeitpunkte für die Ein/Auslaßventile die Dauer der Öffnungszeiten bedarfsgerecht bestimmt werden.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 bis 3
    jeweils in schematischer Darstellung verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Ventilsteuerungen, die mit variablem Hub arbeiten,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ventilsteuerung mit Wirkprinzip entsprechend Fig. 1, jedoch mit zusätzlicher Hebelübersetzung,
    Fig. 5
    einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4,
    Fig. 6
    einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4,
    Fig. 7 und 8
    jeweils in vergrößerter Darstellung einen Teil der Ventilsteuerung gem. Fig. 5,
    Fig. 9 bis 12
    verschiedene Diagramme, die die Möglichkeit der Variierung des Ventilhubs, der Öffnungsdauer, der Phasenlage und der Kombination dieser Parameter zeigen.
  • Anhand der Fig. 1 bis 3 werden unterschiedliche Ausführungsformen von Ventilsteuerungen in ihrer Wirkungsweise beschrieben. Die Fig. 4 bis 12 zeigen dann konkrete Ausbildungen solcher Ventilsteuerungen und zugehörige Kennlinien.
  • Die im folgenden beschriebenen Ventilsteuerungen ermöglichen hohe Steuerfrequenzen, so daß diese Ventilsteuerungen auch bei hochdrehenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können.
  • Die Fig. 1 und 4 bis 12 zeigen eine Ausführungsform, bei der der Hub eines Ein/Auslaßventiles 30 verändert werden kann. Die Ventilsteuerung hat zwei Piezoelemente 1, 1a, mit denen zwei Stößel 2, 2a betätigt werden können, um zwei Ventilelemente 3, 3a zweier Sitzventile 9,9a zu verschieben. Die beiden Ventilelemente 3, 3a stehen jeweils unter der Kraft wenigstens einer Druckfeder 6, 6a. In eine Ventilkammer 4a des Sitzventiles 9a mündet eine Druckleitung 7. Bei stromlosem Piezoelement 1a ist die Druckleitung 7 über das geschlossene Ventilelement 3a von einer Zuführleitung 10 für Hydraulikmedium getrennt, die in einen Druckraum 14 mündet, der in einem Ventilgehäuse 5 vorgesehen ist und in dem sich ein Stellkolben 15 befindet, dessen eine Stirnfläche 16 mit dem Hydraulikmedium beaufschlagbar ist.
  • Von der Zuführleitung 10 zweigt eine Verbindungsleitung 63 ab, die in eine Ventilkammer 4 des Sitzventiles 9 mündet. Bei nichtbestromtem Piezoelement 1 ist die Ventilkammer 4 mit einer Tankleitung 12 verbunden.
  • Auf der dem Druckraum 14 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Zylinderraum 17, der über wenigstens eine Öffnung 18 mit der Atmosphäre verbunden ist. In den Zylinderraum 17 ragt ein Stößel 19, der mit einem Tassenstößel 20 zusammenwirkt. Er steht unter der Kraft wenigstens einer Druckfeder 21, die über einen Ventilschaft 22 den Tassenstößel 20 und damit den bolzenförmigen Stößel 19 in Richtung auf den Stellkolben 15 belastet. Am Tassenstößel 20 liegt der Ventilschaft 22 an, der am freien Ende mit einem Ventilteller 23 versehen ist. Mit ihm wird eine Ein- bzw. Auslaßöffnung 24 einer Verbrennungskammer 25 eines Verbrennungsmotors 26 eines Kraftfahrzeuges geöffnet und geschlossen.
  • In der in Fig. 1 dargestellten Lage sind die Piezoelemente 1, 1a stromlos, so daß die Ein/Auslaßventile 30 geschlossen sind. Soll das Ein/Auslaßventil 30 den maximalen Öffnungshub ausführen (Normalhub und Überhub), werden beide Piezoelemente 1, 1a bestromt. Dadurch werden die beiden Stößel 2, 2a verschoben. Mit dem Stößel 2 wird das Ventilelement 3 gegen die Kraft der Feder 6 in seine Schließstellung bewegt, in der es die Tankleitung 12 verschließt. Mit dem Stößel 2a wird das Ventilelement 3a in eine Offenstellung bewegt, so daß das Hydraulikmedium über die Druckleitung 7 und die Ventilkammer 4a in die Zuführleitung 10 strömen kann. Das Hydraulikmedium gelangt dadurch in den Druckraum 14 und verschiebt den Stellkolben 15 nach unten. Über den Stößel 19 und den Tassenstößel 20 wird der Ventilschaft 22 gegen die Kraft der Druckfeder 21 verschoben und auf diese Weise das Ein/Auslaßventil 30 geöffnet. Der Stellkolben 15 wird so weit verschoben, bis er am Boden 29 des Zylinderraumes 17 zur Anlage kommt. Damit entspricht der Hub des Stellkolbens 15 und somit des Ventils 30 dem Normalhub zuzüglich einem Überhub.
  • Wenn das Motormanagement es erfordert, kann der Stellkolben 15 und damit auch das Ventil 30 lediglich um den normalen oder jeden beliebigen anderen Hub verstellt werden. Hierzu werden beide Piezoelemente 1, 1a bestromt und das Piezoelement 1 a nach einer hubbestimmenden Zeit stromlos gemacht, so daß das Ventilelement 3a durch die Kraft der Druckfeder 6a in seine Schließstellung bewegt wird. Dadurch ist die Druckleitung 7 von der Zuführleitung 10 getrennt. Gleichzeitig bleibt das Piezoelement 1 bestromt und dadurch das Ventil 3 geschlossen und das Volumen im Druckraum 14 gekammert. Das jetzt im Vergleich zum vorhergehenden Vorgang geringere Flüssigkeitsvolumen des in den Druckraum eingeströmten Hydraulikmediums bestimmt somit den Hub des Stellkolbens 15 und damit auch den Hub des Ein/Auslaßventiles 30, da das Piezoelement 1 weiterhin bestromt wird und dadurch die Leitung 63 zum Tank 12 geschlossen bleibt. Das im Druckraum 14 befindliche Flüssigkeitsvolumen bleibt dadurch eingeschlossen (gekammert), das Ventil 30 ist weniger weit geöffnet, so daß eine entsprechend kleinere Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors gelangt.
  • Soll das Ein-/Auslaßventil 30 geschlossen werden, wird das Piezoelement 1 stromlos geschaltet. Die Druckfeder 6 hebt das Ventilelement 3 von seinem Ventilsitz 66 ab, wodurch das im Druckraum 14 befindliche Hydraulikmedium über die Zuführleitung 10 und die geöffnete Ventilkammer 4 in die Tankleitung 12 verdrängt werden kann.
  • Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, liegen das Ventilelement 3 und die Druckfeder 6 in einer Buchse 64, die in einen Einbauraum 65 des Ventilgehäuses 5 eingepreßt ist. Der für das Ventilelement 3 vorgesehene Ventilsitz 66 ist an einem Einsatzstück 43 vorgesehen. Die Druckfeder 6 hält das Ventilelement 3 bei nichtbestromtem Piezoelement 1 in der Offenstellung, die in Fig. 8 dargestellt ist, Das Einsatzstück 43 wird durch das umgebördelte Ende 67 der Buchse 64 axial gesichert. Eine zentrale Axialbohrung 68 des Einsatzstükkes 43 ist durch ein Verschlußelement 69, vorzugsweise eine Kugel, geschlossen.
  • Das Ventilelement 3a ist ebenfalls in einer Buchse 70 aufgenommen (Fig. 7), deren unteres Ende 71 umgebördelt ist. Das Ventilelement 3a wird durch die Druckfeder 6a nach oben gegen einen Ventilsitz 72 gedrückt, den der Stößel 2a axial durchdringt und damit eine für den Durchfluß erforderliche Ringfläche 81 erzeugt.
  • Die beiden Sitzventile 9, 9a liegen beiderseits des Stellkolbens 15 und achsparallel zu ihm. Dadurch hat das Ventilgehäuse 5 eine nur geringe axiale Höhe.
  • Der Zylinderraum 17 ist, wie Fig. 5 zeigt, über die Entlüftungsleitung 18 mit der Atmosphäre verbunden, so daß der Stellkolben 15 zum Öffnen des Ein/Auslaßventils 30 zuverlässig verschoben werden kann.
  • Zum Öffnen des Ein/Auslaßventils 30 werden beide Piezoelemente 1, 1a bestromt. Die Größe des Hubes des Stellkolbens 15 und damit des Ein/Auslaßventiles 30 hängt davon ab, nach welcher Zeit ab Öffnungsbeginn das Piezoelement 1a nicht mehr bestromt wird und somit kein Hydraulikmedium mehr in den Druckraum 14 strömen kann. In Abhängigkeit von der Bestromungszeit des Piezoelementes 1a läßt sich somit der Hub des Ein/Auslaßventiles 30 stufenlos steuern.
  • Für die Schließbewegung des Ein/Auslaßventiles 30 kann eine Dämpfung vorgesehen sein. Hierzu sind beide Stirnflächen 16, 28 des Stellkolbens 15 mit einem Drosselquerschnitt versehen, der beispielhaft eine diametral verlaufende, im Querschnitt dreieckige Vertiefung ist. Die Drosselquerschnitte wirken mit Steuerkanten zusammen, wenn der Stellkolben 15 verschoben wird. Bei Überfahren der jeweiligen Steuerkante baut sich infolge des sich stetig verkleinernden Durchflußquerschnittes für das Hydraulikmedium ein Druck im Medium auf, der der Bewegung des Stellkolbens 15 entgegenwirkt und so die Dämpfung durch Geschwindigkeitsreduzierung bewirkt.
  • Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann im Gegensatz zu einer Nockenwellensteuerung die Phasenlage bezüglich des Öffnens und Schließens der Ein/Auslaßventile 30 verändert werden Dies ist dadurch möglich, daß die den Ein/Auslaßventilen 30 zugeordneten Piezoelemente zum gewünschten Zeitpunkt be- oder entstromt werden. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 4 bis 8 kann in der beschriebenen Weise zusätzlich auch die Größe des Öffnungshubes des Ein/Auslaßventiles 30 variiert werden.
  • Fig. 9 zeigt Hubkennlinien der anhand des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 1 und 5 bis 8 beschriebenen Möglichkeit, den Öffnungshub des Ein/Auslaßventiles 30 zu variieren.
  • Fig. 10 zeigt anhand von Kennlinien, daß die Öffnungsdauer des Ein/Auslaßventiles 30 in der beschriebenen Weise verändert werden kann. Aus den Kennlinien in Fig. 11 ergibt sich, daß zusätzlich auch die Phasenlage in der beschriebenen Weise eingestellt werden kann. Fig. 12 schließlich zeigt Kennlinien für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 4 bis 8, in welchen die drei Einstellmöglichkeiten gemäß den Fig. 9 bis 11 in Kombination angewendet werden können. Dabei können der Ventilhub, die Öffnungsdauer und die Phasenlage verändert werden. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine vollvariable Steuerung der Ein/Auslaßventile 30 dar.
  • Die Stößel 2, 2a können direkt durch die Piezoelemente 1, 1a betätigt werden, wie dies schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Es ist aber auch möglich zwischen dem Stößel 2, 2a und dem Piezoelement 1, 1a jeweils einen Übersetzungshebel 59, 59a vorzusehen, um den Öffnungs- und Schließhub des Ventilelementes 3, 3a bei vorgegebenem Piezohub zu vergrößern. Beim schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Übersetzungshebel 59, 59a einarmige Hebel. Im Abstand 60 von der Schwenkachse 61, 61a der Hebel 59, 59a greift an ihnen der Stößel 58, 58a an. Am freien Ende der Hebel 59, 59a, das sich im Abstand 62 von der jeweiligen Schwenkachse 61, 61a befindet, greift der Stößel 2, 2a an. Die Stößel 2, 58 und 2a, 58a liegen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Hebels 59, 59a. Über das Verhältnis der Abstände 60 und 62 zueinander kann das Übersetzungsverhältnis bestimmt werden.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Hebel 33, 33a zweiarmige Hebel, die unterschiedlich lange Hebelarme 86,87 aufweisen. Am kürzeren Hebelarm 87 greifen die Stößel 58, 58a der Piezoelemente 1, 1a an. Auf der gleichen Seite der Hebel 33, 33a greifen an den freien Enden der längeren Hebelarme 86 die Stößel 2, 2a an. Über das Verhältnis der Länge der Hebelarme zueinander läßt sich ebenfalls das Übersetzungsverhältnis festlegen.
  • Da bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die beiden Stößel 2, 58; 2a, 58a auf derselben Seite der Hebel 33, 33a liegen, ergibt sich eine geringe Bauhöhe 73. Die zweiarmigen Hebel 33, 33a liegen, wie dies anhand der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 8 im einzelnen erläutert wird, räumlich versetzt zueinander, so daß das Ventilgehäuse 5 nur entsprechend geringe Abmessungen aufweist.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Bauhöhe größer als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, weil die Piezoelemente 1, 1a mit ihren Stößeln 58, 58a auf der einen und die Stößel 2, 2a mit den Ventilen 9, 9a auf der anderen Seite der Hebel 59, 59a sitzen. In Fig. 2 ist die Bauhöhe der Piezoelemente 1, 1a mit den Stößeln 58, 58a mit 74 und die Bauhöhe der Sitzventile 9, 9a mit den Stößeln 2, 2a und den Schwenkhebeln 59, 59a mit 75 bezeichnet. Es ist erkennbar, daß die Gesamtbauhöhe 74, 75 etwa doppelt so groß ist wie die Gesamtbauhöhe 73 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
  • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 4 bis 8 liegen die beiden zweiarmigen Hebel 33, 33a im Gehäuseraum 34, der durch einen Gehäusedeckel 76 geschlossen ist. Die beiden Hebel 33, 33a sind versetzt zueinander angeordnet und liegen jeweils unter einem spitzen Winkel zu einer Längsmittelebene 77 des Ventilgehäuses 5. In Seitenansicht gesehen liegen die beiden Hebel 33, 33a einander überlappend mit geringem Abstand hintereinander. Die Schwenkachsen 36, 36a liegen parallel zueinander. Am freien Ende des kürzeren Hebelarmes greifen die Stößel 58, 58a der beiden Piezoelemente 1, 1a an. An den freien Enden der längeren Hebelarme liegen die Stößel 2, 2a an, mit denen die Ventilelemente 3, 3a in der beschriebenen Weise betätigt werden.
  • Die beiden Piezoelemente 1, 1a liegen in getrennten Gehäuseräumen 78, 79 (Fig. 6). Im Bereich zwischen den beiden Gehäuseräumen 78, 79 befindet sich der Zylinderraum 17 mit dem Kolben 15. Durch das Verhältnis der Länge der Hebelarme des jeweiligen Hebels 33, 33a wird das Übersetzungsverhältnis bestimmt. Auf diese Weise kann sehr einfach der geringe Bewegungsweg des piezoseitigen Stößels 58, 58a in den erforderlichen Verstellweg des Stößels 2, 2a übersetzt werden, um das jeweilige Ventilelement 3, 3a zuverlässig mit dem erforderlichen Hub in die entsprechende Offen- bzw. Schließstellung zu verschieben.

Claims (24)

  1. Ventilsteuerung für Ein- und Auslaßventile (30) von Verbrennungsmotoren, mit Stellelementen (1, 1a), mit denen das Ein-/Auslaßventil (30) geöffnet und geschlossen und mit denen jeweils ein Ventilelement (3, 3a) betätigt wird, die den Zu- und Abfluß eines Druckmediums zu und von mindestens einem mittels des Druckmediums zum Öffnen und Schließen des Ein-/Auslaßventiles (30) verschiebbaren Stellkolben (15) steuern, wobei das eine Ventilelement (3a) in einer Stellung eine Druckleitung (7) mit einem Druckraum (14) vor dem Stellkolben (15) verbindet und das andere Ventilelement (3) in einer Stellung eine Tankleitung (12) verschließt, wobei das Ein-/Auslaßventil (30) durch eine von der Druckbeaufschlagung des Stellkolbens (15) unabhängige Kraft in seine Schließstellung verstellbar ist, wobei das eine Ventilelement (3a) in seine die Druckleitung (7) verschließende Lage verstellt und das im Druckraum (14) vor dem Stellkolben (15) befindliche Druckmedium in eine Tankleitung (12) verdrängt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (1, 1a) Piezoelemente sind, daß die beiden Ventilelemente (3, 3a) gegensinnig arbeiten und den Zufluß zu einer gemeinsamen Zuführleitung (10) für das Druckmedium steuern, die in den Druckraum (14) mündet, daß die beiden Piezoelemente (1, 1a) zur Einstellung des Hubes des Ein/Auslaßventiles (30) unabhängig voneinander betätigbar sind, und daß das eine Piezoelement (1) als Schließer für die Tankleitung und das andere Piezoelement (1a) als Öffner für die Druckleitung wirksam ist.
  2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilelemente (3, 3a) Teile von Sitzventilen (9, 9a) sind, die den Zufluß des Druckmediums von der Druckleitung (7) zum Stellkolben (15) steuern.
  3. Ventilsteuerung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sitzventile (9, 9a) an die gemeinsame Zuführleitung (10) angeschlossen sind.
  4. Ventilsteuerung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei stromlosen Piezoelementen (1, 1a) das eine Sitzventil (9) geöffnet und das andere Sitzelement (9a) geschlossen ist.
  5. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (15) über einen Stößel (19) mit einem vorteilhaft über einen Tassenstößel (20) mit dem Stößel (19) zusammenwirkenden Ventilschaft (22) des Ein/Auslaßventils (30) zusammenwirkt.
  6. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Piezoelemente (1, 1a) über jeweils einen Stößel (2, 2a) mit dem Ventilelement (3, 3a) zusammenwirken.
  7. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (3) des geöffneten Sitzventiles (9) durch den Stößel (2) des einen Piezoelementes (1) bei dessen Bestromung in seine Schließstellung verstellbar ist, in der die Zuführleitung (10) von der Tankleitung (12) getrennt ist.
  8. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (3a) des geschlossenen Sitzventiles (9a) durch den Stößel (2a) des weiteren Piezoelementes (1a) bei dessen Bestromung in seine Offenstellung verstellbar ist, in der die Druckleitung (7) mit der in den Druckraum (14) mündenden Zuführleitung (10) verbunden ist.
  9. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei zeitlich ausreichender Bestromung beider Piezoelemente (1, 1a) der Stellkolben (15) und damit das angetriebene Ein/Auslaßventil (30) seinen maximalen Hub ausführt und dort gehalten werden kann.
  10. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Halten des Stellkolbens (15) in der maximalen Offenstellung beide Sitzventile (9, 9a) geschlossen werden.
  11. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Halten des Stellkolbens (15) in der maximalen Offenstellung das eine Sitzventil (9) geschlossen und das andere Sitzventil (9a) geöffnet wird.
  12. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei zeitlich kürzerer Bestromung der beiden Piezoelemente (1, 1a) der Stellkolben (15) einen im Vergleich zum Maximalhub kleineren Hub ausführt.
  13. Ventilsteuerung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Halten des Stellkolbens (15) bei verringertem Öffnungshub beide Sitzventile (9, 9a) geschlossen werden.
  14. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Piezoelemente (1, 1a) über jeweils einen Übersetzer (33, 33a), vorzugsweise einen zweiarmigen Hebel, mit dem Stößel (2, 2a) zusammenwirken.
  15. Ventilsteuerung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übersetzer (33, 33a), in Richtung ihrer Schwenkachse (36, 36a) gesehen, einander überlappend angeordnet sind.
  16. Ventilsteuerung nach Anspruch 14 oder 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übersetzer (33, 33a) in Reihe liegen.
  17. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übersetzer (33, 33a) parallel zueinander und vorteilhaft unter einem spitzen Winkel zu einer Längsmittelebene (77) eines Ventilgehäuses (5) liegen.
  18. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, daß das vorteilhaft aus einer Kugel gefertigte Ventilelement (3, 3a) einen Sitzteil (83) aufweist, von dem ein im Querschnitt kleinerer Ansatz (84) absteht.
  19. Ventilsteuerung nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (6, 6a) auf den sich vorteilhaft vom Sitzteil (83) aus konisch erweiternden Ansatz (84) des Ventilelementes (3, 3a) aufgeschoben ist.
  20. Ventilsteuerung nach Anspruch 18 oder 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang vom Ansatz (84) in den Sitzteil (83) der Durchmesserunterschied der doppelten Drahtstärke der Druckfeder (6, 6a) entspricht.
  21. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Ansatzes (84) ein weiterer, vorzugsweise teilkugelförmig oder konisch ausgebildeter Sitzteil (85) vorgesehen ist.
  22. Ventilsteuerung nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Sitzteil (85) kleineren Sitzdurchmesser hat als der andere Sitzteil (83).
  23. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 14 bis 22,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stößel (2, 2a) auf derselben Seite der beiden Übersetzer (33, 33a) liegen.
  24. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 14 bis 23,
    dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übersetzer (33, 33a) räumlich versetzt zueinander angeordnet sind.
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