Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrohydraulischen Ventilsteuervorrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs . Bei einer bekannten Ventilsteuervorrichtung dieser Art ist jedem einzel¬ nen zu steuernden Motorventil ein Magnetventil zuge¬ ordnet, so daß bei einer Mehrzylinder-Brennkraft¬ maschine entsprechend der Zylinderzahl Magnetventile vorhanden sein müssen. Hierdurch sind nicht nur die Kosten der gesamten Steuereinrichtung hoch, sondern es ist auch die Störanfälligkeit der Anlage groß. So müssen beispielsweise zwischen den einzelnen Magnet¬ ventilen und dem elektronischen Steuergerät einzelne

Anschlußkabel vorhanden sein, und es müssen die ein¬ zelnen Ausgänge für diese Kabel bzw. Magnetventile eine entsprechend aufwendige Schalt- und Programmein¬ richtung im elektronischen Steuergerät aufweisen.

Bei einem ungesteuerten Motorventil entspricht der Öffnungshubverlauf des Ventils dem Verlauf der Nockenbahn des Antriebsnockens. Hierbei ist der Öff¬ nungszeitquerschnitt so gestaltet, daß er den Maxi¬ malforderungen, nämlich der Vollast bei Höchstdreh¬ zahl, genügt. Bei niederen Drehzahlen kann bekannt¬ lich das Drehmoment und die Leistung der Brennkraft¬ maschine verbessert werden, wenn der Schließzeitpunkt des Motoreinlaßventils früher gelegt wird. Aufgrund der niederen Drehzahlen und geringerer Last ist natürlich auch der erforderliche Öffnungszeitquer¬ schnitt geringer. Für die Verkürzung des Öffnungs¬ zeitquerschnitts wird bekanntlich der Ablaufkanal während des Aufsteuervorgangs des Motorventils durch das Magnetventil geöffnet, was insofern problematisch ist, als im Druckraum zu diesem Zeitpunkt ein hoher Au fSteuerdruck herrscht, der auch das Magnetventil beaufschlagt. Um diesen Druck überwinden zu können, muß das Magnetventil entweder eine Vorsteuerung auf¬ weisen oder einen starken Öffnungsmagnet, wobei eine Vorsteuerung zeitintensiv ist, während ein starker Magnet gewichts-, volumen- und kostenintensiv ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrohydraulische Ventilsteu¬ ervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise der Hochdruckraum für den Zeitab¬ schnitt, in dem ohnehin keine Steuerung stattfinden soll, durch das Absperrventil vom Magnetventil ge¬ trennt ist. Besonders im speziellen Betriebsbereich für niedrige Last und Drehzahl kann somit das Magnet¬ ventil aufsteuern, solange das Absperrventil ge¬ schlossen ist, so daß, sobald das Absperrventil dann öffnet, das Hydrauliköl ohne Belastung der Steueran¬ lage des Magnetventils über das Magnetventil zum Öl¬ behälter drucklos abströmen kann. Sobald dann die Nockenbahn des Antriebsnockens abgelaufen ist und damit der Nockenkolben vom Druckhub zum Saughub über¬ geht, baut sich der Druck im Druckraum wieder soweit ab, daß das Absperrventil automatisch schließt. Im Druckraum verbleibende Hohlräume werden mit Steueröl aufgefüllt, das über den Zulaufkanal einströmt.

Vorteilhafterweise kann aufgrund der funktionsbeding¬ ten Gegebenheiten das Magnetventil bei niederen Dreh¬ zahlen und Lasten stets geöffnet bleiben - der Zeit- querschnit wird nur durch den ersten Abschnitt der Antriebsnockenbahn bestimmt, nämlich solange, bis der über den Druckraum mittelbar angetriebene Ventilkol¬ ben den Steuerkänal aufsteuert und damit das Absperr¬ ventil öffnet, wonach der Druck im Druckraum abgebaut

und das Motorventil wieder geschlossen wird. Bei Zwischendrehzahlen kann dann das Magnetventil bedarfssynchron getaktet werden und bei hohen Dreh¬ zahlen und Lasten bleibt das Magnetventil stets ge¬ schlossen.

Natürlich ist für die Steuerung des Absperrventils eine Abstimmung zwischen den Drücken und Schließkräf¬ ten von Druckraum und Absperrventil erforderlich, wo¬ bei der Druck im Druckraum durch die Schließkraft des Motorventils und damit dessen Öffπungskraft bestimmt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Ablaufkanal zwischen Absperrventil und Magnet¬ ventil ein in Richtung Magnetventil öffnendes Rück¬ schlagventil angeordnet, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung in den Ablaufkanal zwischen Rückschlag¬ ventil und Magnetventil weitere Ablaufkanäle anderer Ventilsteuereinheiten der gleichen Brennkraftmaschine münden. Die Erfindung bietet vor allem bei mehrzylin- drigen Brennkraftmaschinen die Möglichkeit, mit nur einem Magnetventil eine Reihe von Motorventilen zu steuern und dies, obwohl es zwischen den Aufsteuer¬ zeiten der einzelnen Motorventile Überschneidungen gibt. Da das Absperrventil immer erst dann aufgesteu¬ ert werden kann, wenn das Motorventil bereits einen Mindesthub geöffnet hat, d. h. der Antriebsnocken um einen Mindestdrehwinkel verdreht ist, wird erreicht, daß die überschneidenden Abschnitte funktioneil eli-

iniert werden, d, h., daß Steuerung erst dann wirk¬ sam wird, wenn der Drehwinkelbereich der Nockenwelle nicht mehr wirksam ist, in dem eine Überschneidung stattfindet. In jedem Fall wird durch das Rückschlag¬ ventil erreicht, daß sich in den weiteren Ablaufkanä¬ len einstellende Drücke, beispielsweise durch Öff¬ nungsdrücke in Druckräumen eines der anderen Motor¬ ventile, nicht in den Druckraum des betrachteten Motorventils ausdehnen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Steuerkanal und Ablaufkanal stromauf des Absperrventils eine Entlastungsleitung vorhanden, in der ein zum Ablaufkanal hin öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist. Immer dann, wenn im Druckraum der Druck wieder abgebaut ist und der Steu¬ erkanal bereits wieder durch den Nockenkolben ge¬ sperrt wurde, kann das Absperrventil für seinen Schließvorgang Hydrauliköl über diese Entlastungslei¬ tung zum Druckraum hin zurückdrängen. Während des Aufsteuervorgangs hingegen wird dieses Rückschlagven¬ til durch den hohen Druck im Druckraum gesperrt ge¬ halten.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nockenbahn des Antriebsnockens pro Drehwinkel Nockenwelle gesehen langsam ansteigend und steil abfallend ausgebildet. Nach einem langen, lang¬ samen Anlauf mit einem Zwischenbereich näherungswei¬ se konstanter Hubgeschwindigkeit folgt nach kurzem

Verharren in maximaler Öffnungsstellung des Motorven¬ tils ein steiler Ablauf durch den insbesondere nach Steuerbeginn ein schnellstmögliches Schließen des Motorventils erzielt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Absperrventil als Schieberventil ausgebildet, dessen gegen eine Schließfeder ver¬ schiebbarer Schieber stirnseitig von Hydrauliköl unter Druckraumdruck beaufschlagbar ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfin¬ dung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgen¬ den näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Längs¬ schnitt durch eine stark vereinfacht dargestellte Ventilsteuervorrichtung mit dazugehörigem Hydraulik¬ schaltplan und Fig. 2 ein Funktionsdiagramm von vier gleichen Ventilsteuervorrichtungen für eine Vier- Zylinder-Brennkraftmaschine.

Beschreibung des Aus führungsbeispiels

Bei dem in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Teil eines Zylinderkopfes 1 ist in einer Bohrung 2 ein Nocken¬ kolben 3 radial dichtend und axial verschiebbar ange¬ ordnet, der durch eine Stößelfeder 4 an die Außen¬ laufbahn 5 eines Antriebsnockens 6 gepreßt wird, der auf einer mit halber Motordrehzahl synchron zur Kur¬ belwelle angetriebenen Nockenwelle 7 angeordnet ist. Die Nockenwelle 7 wird in Drεhrichtung des Pfeiles I angetrieben und weist einen ersten allmählich anstei¬ genden Druckhubabschnitt II auf, an den sich ein steiler Saughubabschnitt III anschließt, wobei zwischen diesen beiden Arbeitsabschnitten II und III der Grundkreisabschnitt IV der Nockenbahn 5 wirksam ist, für den der Nockenkolben in seiner Ausgangslage bleibt.

Der Nockenkolben 3 verdrängt Hydraulikol während des durch den Antriebsnocken 6 bewirkten Druckhubs (Druckhubabschnitt II von Laufbahn 5), wobei er ent¬ gegen der Kraft der Stößelfeder 4 angetrieben Hydrau¬ likol in einen Druckraum 8 fördert.

Der Druckraum 8 ist andererseits durch einen Ventil¬ kolben 9 begrenzt, der mit einem Ventilschaft 11 eines Ventiltellers 12 eines Motoreinlaßventils ver¬ bunden ist. Der Ventilkolben 9 ist in einer Bohrung 13 des Zylinderkopfes 1 axial beweglich radial dich¬ tend gelagert und wird durch eine Schließfeder 14 be-

lastet, die den Ventilteller 12 auf den Ventilsitz 15 preßt und die Schließkraft dieses Motoreinlaßventils bestimmt. In Verbindung mit der den Druckraum zuge¬ wandten Stirnseite des Ventilkolbens 9 wird damit auch der Arbeitsdruck bestimmt, der beim Betätigen des Nockenkolbens 3 durch den Antriebsnocken 6 im Druckraum 8 entsteht, bevor der Ventilkolben 9 durch diesen Arbeitsdruck verschoben das Motorventil öffnet und den Saugkanal 16 mit dem Brennraum der Brenn¬ kraftmaschine verbindet.

Vom Druckraum 8, der mit dem Nockenkolben 3 der Stößelfeder 4 und dem Ventilkolben 9 einen hydrauli¬ schen Ventilstößel bildet, zweigt ein Abflußkanal 17 ab, in dem in Strömungsrichtung nacheinander ein Ab¬ sperrventil 18, ein Rückschlagventil 19 und ein Mag¬ netventil 21 angeordnet sind, bevor der Ablaufkanal 17 in einen Hydraulikölbehälter 22 mündet. Das Mag¬ netventil 21 ist als 2/2-Wegeventil ausgebildet, das stromlos geschlossen ist. Das Rückschlagventil 19 öffnet in Strömungsrichtung zum Ölbehälter 22 hin. Das Absperrventil 18 ist als Schieberventil ausgebil¬ det, mit einem Steuerschieber 23, welcher durch eine Steuerfeder 24 in die dargestellte Schließrichtung belastet ist. Betätigt wird der Steuerschieber 23 durch einen hydraulischen Druck, der den Steuerschie¬ ber 23 auf der der Steuerfeder 24 abgewandten Stirn¬ seite beaufschlagt und der über einen Steuerkanal 25 zugeführt wird, dessen Eingang 26 durch den Ventil¬ kolben 9 gesteuert wird. Sobald der Ventilkolben 9

einen bestimmten Weg entgegen der Kraft der Schlie߬ feder 14 zurückgelegt hat, steuert er mit seiner oberen Stirnkante den Eingang 26 des Steuerkanals 25 auf, so daß sich der Druck vom Druckraum 8 über den Steuerkanal 25 zur Stirnseite des Steuerschiebers 23 überträgt und diesen entgegen der Kraft der Steuer¬ feder 24 verschiebt, wonach der Abflußkanal 17 aufge¬ steuert ist. Zwischen dem Steuerkanal 25 und dem Ab¬ flußkanal 17 ist ein Entlastungskanal 27 vorhanden, in dem ein in Richtung Ablaufkanal 17 öffnendes Rück¬ schlagventil 28 angeordnet ist.

In den Druckraum 8 mündet ein Zulaufkanal 29, in dem ein in Richtung Druckraum öffnendes Rückschlagventil 31 angeordnet ist. Der Zulaufkanal 29 wird durch eine Förderpumpe 32 von dem Behälter 22 her mit Hydraulik¬ ol versorgt, wobei der Förderdruck der Förderpumpe 32 über ein Druckhalteventil 33 weitgehend konstant ge¬ halten wird .

Um mit dem einen Magnetventil 21 mehrere oben be¬ schriebene Ventilsteuereinheiten steuern zu können, münden in den Abflußkanal 17 zwischen dem Rückschlag¬ ventil 19 und dem Magnetventil 21 Abflußkanäle 34 mit Rückschlagventilen 35 von weiteren, aber zum gleichen Motor gehörenden Ventilsteuereinheiten. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Vier- Zylinder-Brennkraftmaschine, wobei immer die Motor- ventilsteuereinheiten vom Magnetventil 21 hydraulisch über das jeweilige Absperrventil 18 abgekoppelt sind,

bei denen der Antriebsnocken 6 gerade nicht wirksam ist.

Die beschriebene elektrohydraulische Ventilsteuervor¬ richtung arbeitet wie folgt: Über die mit halber Motordrehzahl synchron zur Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle 7 wird der Antriebsnocken 6 in Drehrich¬ tung I angetrieben und betätigt dabei über seine Nockeπbahn II bis IV den Nockenkolben 3 entgegen der Kraft der Stößelfeder 4, wobei in der Bohrung 2 vor¬ handenes Hydraulikol während des Druckhubabschnittes II der Laufbahn 5 in den Druckraum 8 gefördert wird, um danach während des Saughubabschnittes III der Laufbahn 5 als Saughub des Nockenkolbens 3 wieder Öl aus dem Druckraum 8 aufzunehmen. Während des Bahnab¬ schnittes IV, der dem Grundkreis des Antriebsnockens entspricht, verharrt der Nockenkolben 3 in der darge¬ stellten Stellung, wobei die Stößelfeder 4 für einen Formschluß zwischen Nockenkolben 3 und Antriebs¬ nockenlaufbahn sorgt. Die Stößelfeder 4 wirkt sich jedoch nicht auf den Druck im Druckraum 8 aus.

Aufgrund der Förderung des Nockenkolbens 3 wird der Ventilkolben 9 einschließlich Ventilschaft 11 und Ventilteller 12 entgegen der Kraft der Schließfeder 14 nach unten verschoben, wodurch der Ventilteller 12 vom Ventilsitz 15 abhebt und der Saugkanal 16 ent¬ sprechend aufgesteuert wird. Die danach in den Motor¬ zylinder einströmende Luftmenge hängt einerseits von diesem Aufsteuerhub und andererseits von der Aufsteu-

erdauer ab, wodurch sich der sogenannte Öffnungszeit¬ querschnitt ergibt. Solange aus dem Druckraum 8 kein Hydraulikol abströmen kann, ist dieser Öffnungszeit¬ querschnitt umgekehrt proportional zur Drehzahl, d. h. , bei hohen Drehzahlen ist der Öffnungszeitquer¬ schnitt klein und umgekehrt bei niederen Drehzahlen groß. Hinzu kommen Einflüsse durch Massenträgheit, Reibung und Drosseleffekte, die hier jedoch nicht im einzelnen behandelt werden sollen. Während dieser Förderphase des Nockenkolbens 3 ist das Rückschlag¬ ventil 31 und damit der Zulaufkanal 29 gesperrt. Auch der Ablaufkanal 17 ist zunächst durch das Absperrven¬ til 18 gesperrt. Sobald der Ventilkolben 9 um einen Mindesthub verschoben ist, steuert er den Eingang 26 des Steuerkanals 25 auf, wonach sich der Öldruck zur Stirnseite des Steuerschiebers 23 fortpflanzt und diesen entgegen der Kraft der Steuerfeder 24 ver¬ schiebt, wodurch der Ablaufkanal 17 aufgesteuert wird. Solange das Magnetventil 21 gesperrt ist, wirkt sich dieses Aufsteuern des Absperrventils 18 nicht wesentlich auf den Druck im Druckraum 8 aus, so daß der Ventilkolben 9 und damit der Ventilteller 12 weiter nach unten bewegt werden, solange der Druck¬ hubabschnitt II des Antriebsnockens 6 wirksam ist. Dieser Druckhubabschnitt II ist so ausgebildet, daß die Hubbewegung weitgehend linear, also gleichmäßig, erfolgt mit einem weichen Übergang zum Hubende hin.

Wenn der Saughubabschnitt III des Antriebsnockens 6 wirksam wird, der verhältnismäßig steil ausgebildet

ist, gelangt der Nockenkolbeπ 3 bei nur etwa 60 bis 80° Drehwinkel der Nockenwelle ( ^Q NW) wieder in die dargestellte Ausgangslage - angetrieben durch die Stößelfeder 4 - so daß entsprechend schnell auch der Ventilkolben 9 und der Ventilteller 12 durch die Schließfeder 14 nach oben geschoben werden, wonach das Motorventil schließt. Hierbei wird der Eingang 26 des Steuerkanals 25 durch den Ventilkolben 9 ge¬ sperrt, wobei jedoch bereits vorher aufgrund des Druckabbaus im Druckraum 8 der Steuerschieber 23 durch die Steuerfeder 24 angetrieben in Richtung seiner Sperrlage verschoben wird. In jedem Fall wird durch die Entlastungsleitung 27 ermöglicht, daß rest¬ liche vom Steuerschieber 23 verdrängte Ölmengen über das Rückschlagventil 28 zurück in den Ablaufkanal 17 strömen und die Sperrstellung des Absperrventils 18 gewährleisten.

Sofern sich im Druckraum 8 aufgrund abgeströmter Öl¬ mengen ein Unterdruck einstellt, wird über den Zu¬ laufkanal 29 von der Förderpumpe 32 her dieses ausge¬ glichen, wobei das Hydraulikol über das Rückschlag¬ ventil 31 einströmt und im Druckraum 8 für die darge¬ stellte Ausgangslage, in der der Grundkreisabschnitt IV des Antriebsnockens 6 wirksam ist, einen konstan¬ ten Fülldruck entsprechend dem Förderdruck des Druck¬ halteventils 33 einstellt.

Wenn jedoch das Magnetventil 21 bei dem Arbeitshub des Antriebsnockens 6 geöffnet ist, strömt, nachdem

das Absperrventil 18 nach dem bestimmten Vorhub des Ventilkolbens 9 geöffnet ist, Hydraulikol aus dem Druckraum 8 über diesen Abflußkanal 17, das Rück¬ schlagventil 19 und das Magnetventil 21 in den Ölbe¬ hälter 22. Ab diesem Zeitpunkt also wird der Aufsteu¬ erhub des Ventilkolbens 9 gestoppt, da im Druckraum 8 kein ausreichender Druck mehr vorhanden ist, und die weitere vom Nockenkolben 3 geförderte Ölmenge strömt direkt zum Behälter 22. Während dieses FörderVorgangs wird durch diesen Förderdruck der Steuerschieber 23 in der Aufsteuerlage gehalten, um dann wie oben be¬ schrieben beim Einsetzen des Saughubs des Nockenkol¬ bens 3 wieder in die dargestellte Ausgangslage zu ge¬ langen.

Anhand dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm wird im folgenden die Funktion der erfindungsgemäßen Motor¬ ventilsteuerung bei einer Vier-Zylinder-Brennkraft- maschine beschrieben, wobei die Abflußkanäle 34 zu den weiteren drei Motorventilsteuereinheiten führen und wobei alle vier Motorventilsteuereinheiten dieses Motors über nur ein Magnetventil 21 gesteuert werden. In Fig. 2 ist über dem Drehwinkel in °NW (Abzisse) der Hub h (Ordinate) des Ventilkolbens 9 bzw. Ventil¬ tellers 12 aufgetragen. Die vier Motorzylinder sind in der Reihenfolge wie sie nebeneinander angeordnet sind mit a, b, c und d bezeichnet. Die Zündfolge bei dieser Vier-Zylinder-Brennkraf maschine ist c, d, b, a. Wie den in den vier übereinander angeordneten Dia¬ grammen dargestellten Kurven entnehmbar ist, weisen

diese entsprechend der Laufbahn 5 des Antriebnockens 6 einen langsamen Anlauf mit näherungsweiser konstan¬ ter Hubveränderung auf und einen steilen Abfall je¬ weils etwa bei 180° NW Aufsteuerhub und 60° bis 80° NW Schließhub.

Wie dem Diagramm für den Zylinder c in Fig. 2 ent¬ nehmbar ist, wird, wenn bei 100° NW und einem ent¬ sprechenden Hub des Ventilkolbens 9 das Absperrventil 18 und damit der Abflußkanal 17 aufgesteuert werden, der Schließzeitpunkt des Motorventils, d. h. das Auf¬ liegen des Ventiltellers 12 auf seinem Sitz 15, wie durch die gestrichtelte Linie dargestellt, bei 180° NW erreicht. Das heißt also, wenn das Magnetventil 21 offen ist, wird bei etwa 100° NW der Aufsteuerhub des Motorventils beendet, so daß dieses bei etwa 180° NW geschlossen hat. Bis zu 100° NW kann also keinerlei Schließsteuerung stattfinden, da das Absperrventil 18 bis dann grundsätzlich geschlossen ist. Dem Zylinder a der Brennkraftmaschine entsprechenden Diagramm ist wiederum entnehmmbar, daß bei 60° bis 80° NW der Schließvorgang des Motorventils beendet ist, selbst wenn der Saughub des Nockenkolbens 3 bei 0° NW begon¬ nen hat. Das heißt wiederum, daß bei sich überschnei¬ denden Öffnungszeiten der einzelnen Motorventile, wie es der Fall für den Motorzylinder a und c ist, eine Aufsteuerung des Abflußkanals der Ventilsteuereinheit zu Zylinder a keinen Steuerungseinfluß auf die Ven- tiIsteuereinheit des Zylinders c haben kann, da bei c der Abflußkanal 17 noch grundsätzlich durch das Ab-

Sperrventil 18 gesperrt ist und erst bei etwa 100° NW geöffnet wird. Hierdurch können mit nur einem Magnet¬ ventil 21 alle Ventilsteuereinheiten des 4-Zylinder- Motors gesteuert werden, da es bzgl. der Steuerzeit eines dieser Steuereinheiten keine Überschneidung mit jener eines der anderen Steuereinheiten geben kann.

Die durch das elektronische Steuergerät bewirkte Be¬ tätigung des Magnetventils 21 kann somit derart sein, daß bei hoher Drehzahl und Last dieses Magnetventil stets geschlossen bleibt, um somit einen optimalen Öffnungszeitquerschnitt am Motorventil zu erzielen, und daß bei niedrigen Drehzahlen und Lasten das Mag¬ netventil immer offen bleibt, um so den Öffnungszeit¬ querschnitt so klein wie möglich zu halten, wobei dieser dann durch die Sperrzeit des Absperrventils bestimmt wird. In dem Zwischendrehzahl- bzw. auch Lastbereich, also in dem Drehzahlbereich zwischen dem Aufsteuerzeitpunkt des Absperrventils 18 und der Steuersituation, in der das Magnetventil 21 stets ge¬ sperrt ist, erfolgt die Steuerung durch Takten des Magnetventils, was beispielsweise kurbelwinkelsyn- chron erfolgen kann. Auf diese Weise wird der Bereich zwischen 100° NW und 270° NW, also dem endgültigen Ventilschließpunkt, über das Magnetventil 21 und zwar für jeden der vier Zylinder unabhängig gesteuert.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprü¬ chen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.