Elektrohydraulischer Aktor Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrohydraulischen Aktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekannter elektrohydraulischer Aktor zur Steuerung eines Gaswechselventils für Brennkraftmaschinen weist einen Arbeitszylinder, einen im Arbeitszylinder axial verschieblichen Kolben mit einer ersten Kolbenfläche und einer dieser gegenüber größeren zweiten Kolbenfläche, zwei im Arbeitszylinder ausgebildete, von den Kolbenflächen begrenzte Arbeitsräume, sowie elektrische Steuerventile auf. Dabei begrenzt die erste Kolbenfläche des Kolbens einen permanent mit unter Hochdruck stehendem Fluid beaufschlagten ersten Arbeitsraum und die zweite Kolbenfläche einen zweiten Arbeitsraum, der mit den Steuerventilen verbunden ist. Die als Magnetventile ausgebildeten Steuerventile stellen wechselweise eine Verbindung des zweiten Arbeitsraums zu unter Hochdruck und zu unter Niederdruck stehendem Fluid her. Wird der zweite Arbeitsraum mit unter Hochdruck stehendem Fluid belastet, so bewegt sich der Kolben aus seiner oberen Totpunktlage heraus und bewirkt eine Öffnung des Gaswechselventils. Wird der zweite Arbeitsraum gegen Hoch- und Niederdruck abgesperrt, so verharrt der Kolben in seiner aktuellen Hubposition und damit das Gaswechselventil in seiner aktuellen Offenstellung. Wird der zweite Arbeitsraum entlastet, so bewirkt der im ersten Arbeitsraum anstehende Hochdruck einen Rückhub des Kolbens in seine obere Totpunktlage, wodurch das Gaswechselventil wieder geschlossen wird. Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektrohydraulische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bringt insbesondere bei seiner Verwendung zum Steuern von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen deutliche Vorteile. Durch die mehreren Steuerventile, die vorzugsweise gleiche oder unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen und individuell, z.B. zeitsynchron und/oder zeitversetzt, angesteuert werden können, lässt sich der Hub des Kolbens sehr feinfühlig steuern und damit gezielt Einfluss auf die Erhebungskurven des Gaswechselventils nehmen. Durch mehrere Hochdruck-Steuerventile mit gleichen oder unterschiedlichen Strömungsquerschnitten lassen sich durch individuelle Ansteuerung der Hochdruck-Steuerventile Kleinhübe des Kolbens sehr viel besser einstellen als mit einem einzigen Hochdruck-Steuerventil, das einen für den schnellen Öffnungshub sehr großen Strömungsquerschnitt aufweisen muss. Da der Hub des Gaswechselventils der dosierten Fluidmenge während des Öffnungshubs des Kolbens entspricht, können bei der Ausführung der Hochdruck-Steuerventile mit unterschiedlichen Strömungs- oder Durchflussquerschnitten kleinere Fluidmen- gen und damit kleinere Hübe des Gaswechselventils besser eingestellt werden, als mit einem einzigen Hochdruck-Steuerventil mit einem entsprechend großem Strömungsquerschnitt. Durch zeitverzögertes Schließen der Hochdruck- Steuerventile erfolgt die Beendigung des öffriungsvorgangs des Gaswechselventils nicht schlagartig mit der Schaltzeit des hochdynamischen Steuerventils, sondern durch stetige Annäherung. Dadurch wird die Neigung des Gaswechselventils zum Überschwingen reduziert. Der maximale Hub des Gaswechselventils lässt sich damit sehr genau einstellen. Anders als bei bekannten Techniken zur Vermeidung des Überschwingens des Gaswechselventils erfolgt eine wesentlich genauere Dosierung der Fluidmenge, woraus eine genauere Hubgenauigkeit des elektrohydraulischen Aktors resultiert.

Durch mehrere Niederdruck-Steuerventile mit gleichen oder unterschiedlichen Strömungsquerschnitten lässt sich der Rückhub des Kolbens sehr viel feinfühliger steuern und so der Verlauf der Erhebungskurve des Gaswechselventils im Endbereich hochgenau beeinflussen. Auch eine hydraulische Gaswechselventilbremse, die ein hartes Aufschlagen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz vermeidet, lässt sich mit Hilfe der mehreren Niederdruck-Steuerventile sehr einfach realisieren. Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Aktors möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist von den mehreren Hochdruck-Steuerventilen mindestens eines eingangsseitig an einer Hochdruck führenden Hochdruckleitung und mindestens eines eingangsseitig an einer in den ersten Arbeitsraum mündenden Abströmöffnung. angeschlossen. Die Abströmöffnung ist im Arbeitszylinder so angeordnet, dass sie der Kolben ab einem definierten, von der Hochdruckbeaufschlagung des zweiten Arbeitsraums ausgelösten Verschiebehub des Kolbens verschließt. Die jeweiligen Hochdruck- Steuerventile, die an die jeweils überfahrenen Abströmöffnungen angeschlossen sind, sind damit von der Fluidzuführung zum zweiten Arbeitsraum abgekoppelt, so dass durch die Zuführung von stufenweise reduzierten Fluidmengen der Verschiebeweg des Kolbens stufenweise verlangsamt und genauer eingestellt werden kann. Damit kann eine wirkungsvolle Hubbegrenzung realisiert werden und durch geeignete Ansteuerung können gestufte Hübe mit definiertem Plateau realisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist von den mehreren Niederdruck-Steuerventilen mindestens eines eingangsseitig an dem zweiten Arbeitsraum und mindestens eines eingangsseitig an einer in den zweiten Arbeitsraum mündenden Abströmöffnung angeschlossen. Die Abströmöffnung ist im Arbeitszylinder so angeordnet, dass sie der Kolben ab einem von der Hochdruckentlastung des zweiten Arbeitsraums ausgelösten, definierten Rückhub verschließt. Solange der Kolben noch nicht diese Hubposition erreicht hat, kann die Abströmung des Fluids aus dem zweiten Arbeitsraum über die Summe der Strömungsquerschnitte der geöffneten Niederdruck-Steuerventile erfolgen. Mit Überfahren jeweils einer der Abströmöffnungen wird die Abströmung über das an diese Abström Öffnung angeschlossene Niederdruck-Steuerventil gesperrt und die Abströmung erfolgt nur noch über die verbleibenden, reduzierten Strömungsquerschnitte. Die Abströmung wird somit zunehmend gedrosselt, wodurch sich in dem zweiten Arbeitsraum ein Druckstau bildet, der die Hubgeschwindigkeit des Kolbens drosselt. Mit den Niederdruck-Steuerventilen lässt sich somit der Endbereich der Erhebungskurve des Gaswechselventils beeinflussen und in einfacher Weise eine Ventilbremse realisieren, die beim schnellen Ventilschließen ein hartes Aufschlagen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz vermeidet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 jeweils einen Längsschnitt eines elektrohydraulischen Aktors bis 4 in Verbindung mit einem Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine in insgesamt vier Ausführungsbeispielen.

In Fig. 1 bis 4 ist ausschnittweise im Längsschnitt ein Zylinderkopf 11 eines Verbrennungszylinders angedeutet, der zusammen mit einem im Verbrennungszylinder geführten Hubkolben einen Brennraum 12 einschließt. Im Zylinderkopf 11 ist ein im Brennraum 12 mündender Gaskanal 13 ausgebildet, dessen Mündungsöffnung von einem Gaswechselventil 14 gesteuert wird. Das Gaswechselventil 14 kann ein Einlass- oder ein Auslassventil sein. Das Gaswechselventil 14 umfasst einen im Zylinderkopf 11 angeordneten Ventilsitzring 15, in dem eine Ventilöffnung 16 und ein die Ventilöffnung 16 Umgebender Ventilsitz 17 ausgebildet sind, sowie ein Ventilglied 18 mit einem Ventilschäft 19 und einem am Ende des Ventilschafts 19 angeordneten Ventilteller 20, der mit dem Ventilsitz 17 zum Freigeben und Verschließen der Ventilöffnung 16 zusammenwirkt.

Das Ventilglied 18 des Gaswechselventils 14 wird mittels eines elektrohydraulischen Aktors 21 betätigt. Der Aktor 21 weist einen Arbeitszylinder 22, einen im Arbeitszylinder 22 axial verschieblich geführten Kolben 23, zwei im Arbeitszylinder 22 ausgebildete, von dem Kolben 23 begrenzte Arbeitsräume 24, 25 sowie elektrische Steuerventile auf. Der Kolben 23 begrenzt mit einer ersten Kolbenfläche 231 den ersten Arbeitsraum 24 und mit einer gegenüber dieser Kolbenfläche 231 größeren zweiten Kolbenfläche 232 den zweiten Arbeitsraum 25. Der erste Arbeitsraum 24 ist permanent mit unter Hochdruck stehendem Fluid beaufschlagt, während die Steuerventile an dem zweiten Arbeitsraum 25 angeschlossen sind und wechselweise eine Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zu unter Hochdruck und zu unter Niederdruck stehendem Fluid herstellen. Zur Bereitstellung des Fluid-Hoch- und Niederdrucks sind ein Fluidreservoir 26, eine Höchdruckpumpe 27, eine Hochdruckleitung 28 und eine Entlastungsleitung 29 vorgesehen. Die Hochdruckpumpe 27 saugt Fluid aus dem Fluidreservoir 26 an und speist unter Hochdruck stehendes Fluid in die Hochdruckleitung 28-ein. Die Niederdruck- oder Entlastungsleitung 29 führt aus dem zweiten Arbeitsraum 25 abströmendes Fluid zu dem Fluidreservoir 26 zurück. Beispielhaft liegt der Niederdruck in der Entlastungsleitung 29 zwischen 1 bis 6bar. Von den Verbindungen des zweiten Arbeitsraums 25 zu dem Hochdruck in der Hochdruckleitung 28 und dem Niederdruck in der Entlastungsleitung 29, die bei allen Ausführungsbeispielen des elektrohydraulischen Aktors 21 in Fig. 1 bis 4 mit den Steuerventilen hergestellt werden, ist mindestens eine dieser Verbindungen mit mehreren Steuerventilen hergestellt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zum Hochdruck mit mehreren Hochdruck- Steuerventilen hergestellt, von denen in Fig. 1 beispielhaft zwei Hockdruck- Steuerventile 30, 31 dargestellt sind. Die Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zu Niederdruck erfolgt durch ein einziges Niederdruck-Steuerventil 32. Die mehreren, hier zwei, Hochdruck-Steuerventile 30, 31 sind eingangsseitig parallel an der Hochdruck führenden Hochdruckleitung 28 angeschlossen. Die mehreren Hochdruck-Steuerventile 30, 31 können sowohl einen gleichen Strömungsquerschnitt als auch unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen und werden individuell, z.B. zeitsynchron oder zeitversetzt, angesteuert. Die elektrische An- steuerung aller Steuerventile, die hier beispielhaft als 2/2 -Wege-Magnetventile ausgeführt sind, erfolgt durch ein hier nicht dargestelltes Motorsteuergerät.

Ist das Niederdruck-Steuerventil 32 angesteuert und damit geschlossen und werden die Hochdruck-Steuerventile 30, 31 angesteuert und damit geöffnet, so strömt ein großes, unter Hochdruck stehendes Fluidvolumen in den zweiten Arbeitsraum 25 ein. Der Kolben 23 wird mit hoher Geschwindigkeit aus seiner oberen Totpunktlage verschoben und das Gaswechselventil 14 schnell geöffnet, so dass dessen Erhebungskurve eine steile Eingangsflanke aufweist. Wird während des Kolbenhubs eines der beiden Hockdruck-Steuerventile 30, 31 geschlossen, so wird die in den zweiten Arbeitsraum 25 nachströmende Fluidmenge deutlich reduziert. Die Kolbengeschwindigkeit nimmt ab, und der Verschiebeweg des Kolbens 23 kann sehr viel feiner gesteuert werden. Zugleich kann das Einfahren des Kolbens 23 in eine gewünschte Hub-Endlage, der eine definierte Öffnung des Gaswechselventils entspricht, sehr genau gesteuert werden und ein Überschwingen des Kolbens 23 durch schlagartiges Schließen des verbleibenden Hochdruck-Steuerventils 30 bzw. 31 deutlich reduziert werden. Die Neigung des Ventilglieds 18 des Gaswechselventils 14 zum Überschwingen in einer bestimmten Öffnungsstellung wird damit reduziert.

Das Ausführungsbeispiel des elektrohydraulischen Aktors 21 in Fig. 2 ist gegenüber dem in Fig. 1 insofern modifiziert, als das Hochdruck-Steuerventil 31 ein- gangsseitig nicht an die Fluidleitung 28, sondern an einer im ersten Arbeitsraum 24 innerhalb des Hubwegs des Kolbens 23 mündenden Abströmöffnung 34 angeschlossen ist. Damit ist von den mehreren Hoqhdruck-Steuerventilen, von denen in Fig. 2 beispielhaft die beiden Steuerventile 30, 31 dargestellt sind, mindestens eines eingangsseitig an der Hochdruck führenden Hochdruckleitung 28 und mindestens eines eingangsseitig an der Abströmöffnung 34 angeschlossen. Dabei können mehrere Abströmöffnungen 34 in den zweiten Arbeitsraum 25 münden und jeweils mit den Eingängen von weiteren Hochdruck-Steuerventilen verbunden sein, deren Ausgänge wiederum an dem zweiten Arbeitsraum 25 angeschlossen sind. Die Abströmöffnung 34 ist im Arbeitszylinder 22 so angeordnet, dass sie von dem Kolben 23 ab einem definierten, von der Hochdruckbeaufschlagung des zweiten Arbeitsraums 25 ausgelösten Verschiebehub aus einer oberen Totpunktlage verschlossen wird. Die Position des Kolbens 23, in der die Abströmöffnung 34 verschlossen ist, ist in Fig. 2 strichliniert eingezeichnet und mit 35 bezeichnet. Ist bei geschlossenem Niederdruck-Steuerventil 32 das Hochdruck-Steuerventil 31 geöffnet und das Hochdruck-Steuerventil 30 geschlossen, so kann der Kolben 23 maximal in die Hubposition 35 verschoben werden. Damit sind durch die mehrere Abströmöffnungen von denen in Fig. 4 die Abströmöffnung 34 dargestellt ist, gestufte Hübe des Kolbens 23 mit definiertem Plateau realisierbar. Zusätzlich kann noch durch geeignete, individuelle Ansteue- rung der Hochdruck-Steuerventile 30, 31 das Hubverhalten des Kolbens 23 be- einflusst werden.

Bei dem elektrohydraulischen Aktor 21 gemäß Fig. 3 ist auf zusätzliche Maßnahmen zur Beeinflussung des Kolbens 23 beim Verschieben aus seiner oberen Totpunktlage verzichtet worden, so dass der zweite Arbeitsraum 25 über ein einziges Hochdruck-Steuerventil 30 mit einem für eine schnelle Verschiebebewegung des Kolbens 23 erforderlichen großen Strömungsquerschnitt an die Hoch- druckleitüng 28 angeschlossen ist. Die Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zu der Niederdruck führenden Entlastungsleitung 29 ist dagegen mit mehreren ' Niederdruck-Steuerventilen hergestellt, von denen in Fig. 3 beispielhaft zwei Niederdruckventile 32, 33 dargestellt sind. Von den mehreren Niederdruck- Steuerventilen 32, 33 ist mindestens eines, hier das Niederdruck-Steuerventil 32, eingangsseitig mit dem zweiten Arbeitsraum 25 und mindestens eines, hier das Niederdruck-Steuerventil 33, eingangsseitig an einer in den zweiten Arbeitsraum 25 im Hubbereich des Kolbens 23 mündenden Abströmöffnung 34 angeschlossen. Die Abströmöffnung 34 ist im Arbeitszylinder 22 so angeordnet, dass sie der Kolben 23 ab einem definierten, von der Hochdruckentlastung des zweiten Arbeitsraums 25 ausgelösten Rückhub verschließt. Die Hubposition des Kolbens 23, ab der die Abströmöffnung 37 verschlossen ist, ist in Fig. 3 strichliniert dargestellt und mit 38 bezeichnet. Die Niederdruck-Steuerventile 32, 33 können einen gleichen Strömungsquerschnitt aufweisen, aber auch mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten versehen sein. Die Niederdruck-Steuerventile 32, 33 werden wiederum individuell, z.B. zeitsynchron oder zeitverzögert, angesteuert. Auch hier können weitere Niederdruck-Steuerventile 32, 33 eingangsseitig mit je einer Abströmöffnung verbunden sein, die in dem Arbeitszylinder übereinander angeordnet sind, wodurch der Kolben 23 die im Hubweg aufeinanderfolgenden Abströmöffnungen 37 nacheinander verschließt.

Ist das Hochdruck-Steuerventil 30 geschlossen und die beiden Niederdruck- Steuerventile 32, 33 geöffnet, so kann beim Rückhub des Kolbens 23 die Ab- strömung des Fluids aus dem zweiten Arbeitsraum 25 über beide Niederdruck- Steuerventile 32 erfolgen. Es ergibt sich ein großer Abströmquerschnitt durch die Summe der Strömungsquerschnitte der Niederdruck-Steuerventile 32, 33, und der Kolben 23 bewegt sich sehr schnell zurück, wodurch das Gaswechselventil 14 schnell geschlossen wird. Hat der Kolben 23 die Hubposition 38 erreicht, so ist die Abströmöffnung 37 durch den Kolben 23 versperrt. Das Fluid kann nur noch über den gegenüber den Summen-Strömungsquerschnitt deutlich kleineren Strömungsquerschnitt des Niederdruck-Steuerventils 32 abströmen. Die Abströ- mung ist deutlich stärker gedrosselt, wodurch sich ein Druck im zweiten Arbeitsraum 25 aufbaut und die Geschwindigkeit der Schließbewegung drosselt. Das Niederdruck-Steuerventil 32 kann nunmehr zur Steuerung der Abbremsung des Kolbens 23 eingesetzt werden und so ein Schließen des Gaswechselventils 14 herbeigeführt werden, bei dem der Ventilteller 20 nicht hart auf dem Ventilsitz 17 aufschlägt. Weitere Steuerungsmöglichkeiten in der Rückhubphase des Kolbens

23 sind dann gegeben, wenn das zuletzt noch aktive Niederdruck-Steuerventil 32 als Proportionalventil ausgebildet ist

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des elektrohydraulischen Aktors 21 sind sowohl die konstruktiven Maßnahmen im Aktor 21 gemäß Fig. 2 als auch die im Aktor 21 gemäß Fig. 3 zusammen verwirklicht. Die Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zu Hochdruck erfolgt über mindestens zwei Hochdruck- Steuerventile 30, 31 , von denen eines eingangsseitig an der Hochdruckleitung 28 und das andere eingangsseitig an der im Hubweg des Kolbens 23 mündenden Abströmöffnung 34 im ersten Arbeitsraum 24 angeschlossen ist. Ausgangsseitig sind beide Hochdruck-Steuerventile 30, 31 mit dem zweiten Arbeitsraum 25 verbunden. Die Verbindung des zweiten Arbeitsraums 25 zum Niederdruck erfolgt über mindestens zwei Niederdruck-Steuerventile 32, 33, von denen eines eingangsseitig an dem zweiten Arbeitsraum 25 und das zweite Niederdruck- Steuerventil 33 an der im Hubweg des Hubkolbens 23 in den ersten Arbeitsraum

24 mündenden Abströmöffnung 37 angeschlossen ist. Beide Niederdruck- Steuerventile 32, 33 sind ausgangsseitig mit der Entlastungsleitung 29 verbunden. Bei diesem elektrohydraulischen Aktor 21 sind die vorstehend beschriebenen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Erhebungskurve der Gaswechselventile in Summa gegeben. Alternativ können die Hochdruck-Steuerventile 30,31 auch so angeschlossen sein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Bei den beschriebenen elektrohydraulischen Aktoren 21 kann der Öffnungshub des Kolbens 23 noch auf andere Weise beeinflusst werden, z.B. durch einen auf dem Kolben (23) sitzenden Ringkolben, wie dies in der DE 101 43 952 A1 , Fig. 2 beschrieben ist. Des weiteren kann der elektrohydraulische Aktor 21 auch ein Paar von Auslassventilen oder ein Paar vom Einlassventilen der Brennkraftmaschine ansteuern, indem der als Stufen- oder Differenzialkolben ausgeführte Kolben 23 mit einem an dem Ventilpaar angreifenden Koppelglied verbunden wird. Ein sog.„Twinsteller" ist beispielsweise in der DE 101 47 305 A1 beschrieben.