DE69506219T2

DE69506219T2 - Hydraulisch betätigte ventilanordnung

Info

Publication number: DE69506219T2
Application number: DE69506219T
Authority: DE
Inventors: Dennis D. Morton Il 61550 Feucht; Steven J. Peoria Il 61614 Funke; Steven F. Chillicothe Il 61523 Meister
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1995-07-10
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2015-07-11
Also published as: EP0722536A1; JP3811501B2; JPH09504074A; WO1996004469A1; DE69506219D1; US5531192A; EP0722536B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Ventilbetätigungssystem für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein elektronisch gesteuertes hydraulisch betätigtes Ventilsystem, welches beträchtlich die elektronischen Steuerungen vereinfacht, die normalerweise mit hydraulisch betätigten Ventilen assoziiert sind, und zwar durch Verwendung von Hydraulikmitteln zur Steuerung der Geschwindigkeit des Betätigungssystem in speziellen Intervallen.
Elektro-hydraulisch betätigte Motorventile sind vorteilhaft gegenüber mechanisch betätigten Motorventilen, da sie fähig sind, die Zeitsteuerung der Motorventilöffnungs- und -verschlußereignisse in schnellem Ansprechen auf sich verändernde Motorbetriebszustände zu variieren und dadurch zu optimieren.
Neuere elektro-hydraulische Betätigungssysteme verwenden fortgeschrittene elektronische Steuersysteme, die die Anfangs- und Endgeschwindigkeit steuern, wenn sich das Ventil den offenen oder geschlossenen Positionen nähert. Jedoch sind die fortgeschrittensten elektronischen Steuersysteme in variierenden Entwicklungsstufen und daher nicht für gegenwärtig produzierte Verbrennungsmotoren geeignet bzw. durchführbar. Zusätzlich können ohne erwiesene Ergebnisse die Kosten und die Komplexität der fortgeschrittenen elektronischen Steuersysteme die Vorteile eines solchen Systems übersteigen.
Die vorliegende Erfindung verwendet hydraulische Mittel zur Steuerung der Geschwindigkeit des Ventils während seiner Annäherung zu den offenen und geschlossenen Positionen, wodurch ein weniger kompliziertes elektronisches Steuersystem erforderlich wird.
EP-A-539 320 offenbart ein Ventilbetätigungssystem, welches zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf und einem innerhalb des Zylinderkopf angeordneten Ventils geeignet ist, wobei das Ventil eine offene und eine geschlossene Position besitzt, wobei das System folgendes aufweist:
einen Betätigungsvorrichtungskopf mit einer Bohrung darin, die mit dem Zylinderkopf verbunden ist;
einen zylindrischen Körper, der zur Verbindung innerhalb der Bohrung in dem Betätigungsvorrichtungskopf geeignet ist, wobei der Körper eine sich dadurch erstreckende axial Bohrung besitzt;
einen Stößel bzw. Kolben, der mit dem Ventil assoziiert ist und eine Stößel- bzw. Kolbenoberfläche besitzt, wobei der Stößel betriebsmäßig mit dem Zylinderkopf assoziiert ist, um einen Stößelhohlraum zu definieren, und wobei er gleitend teilweise innerhalb der Bohrung in dem Körper angeordnet ist und zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich ist;
eine Strömungsmittelquelle mit relativ hohem Druck;
eine Strömungsmittelquelle mit relativ niedrigem Druck;
Mittel zur Vorspannung des Stößels zur ersten Position hin;
erste Mittel um selektiv Strömungsmittel von der Hochdruckquelle in den Stößelhohlraum zu leiten, um den Stößel zur zweiten Position hin zu drücken, so daß das Ventil in die offene Position bewegt wird;
zweite Mittel um selektiv Strömungsmittel, welches aus dem, Stößelhohlraum ausgestoßen wurde zu der Niederdruckquelle zu leiten, und zwar ansprechend darauf, daß die Vorspannmittel den Stößel zur ersten Position hin drücken, so daß das Ventil in die geschlossene Position bewegt wird;
und Hydraulikmittel zur Reduzierung der Stößelgeschwindigkeit, wenn sich das Ventil den offenen und geschlossenen Positionen nähert, wobei der Stößelhohlraum ein einziger Hohlraum ist, und wobei die Hydraulikmittel die Stößelgeschwindigkeit durch Regulierung des Flusses in dem und aus dem einzelnen Hohlraum verringern; und wobei die ersten Verbindungsmittel Mittel aufweisen, die einen primären Flußpfad zwischen der Hochdruckquelle und dem Stößelhohlraum während der anfänglichen Bewegung zur zweiten Position hin definieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein solches System dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Flußpfad der ersten Verbindungsmittel einen innerhalb des Stößels angeordneten Durchlaßweg und ein erstes Rückschlagventil aufweisen, welches innerhalb der Bohrung in dem Stößel sitzt, wobei das erste Rückschlagventil eine Zumeßöffnung darin in Strömungsmittelverbindung mit dem Durchlaßweg aufweist, wobei das erste Rückschlagventil eine offene Position besitzt, die einen im wesentlichen uneingeschränkten Flußpfad in einer Richtung gestattet, und eine geschlossene Position, die einen im wesentlichen eingeschränkten Flußpfad in einer Gegenrichtung gestattet.
Die vorliegende Erfindung sieht ein einfaches Verfahren zur Steuerung der Ventilhub- und der Ventilsitzgeschwindigkeit vor, und zwar durch Anwendung von hydraulischen Mitteln zur Verringerung der Stößelgeschwindigkeit während des Öffnens und des Schließens des Ventils. Die vorliegende Erfindung verringert die Komplexität des elektronischen Systems zur Steuerung der Geschwindigkeit und ist daher zuverlässig.
In den beigefügten Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ventilbetätigungssystems;
Fig. 2 eine diagrammartige Teilschnittansicht des Ventilbetätigungssystems der Fig. 1, die das Ventil in der geschlossenen Position zeigt;
Fig. 3 eine diagrammartige Teilschnittansicht des Ventilbetätigungssystems der Fig. 1, die das Ventil in einer offenen Position zeigt;
Fig. 4 eine übertriebene vergrößerte Detailansicht, die von 4-4 in Fig. 3 umrandet wird; und
Fig. 5 eine diagrammartige Kurvendarstellung, die die Ventilhubkurve für das Ventilbetätigungssystem zeigt.
Ein Ventilbetätigungssystem 10 für einen Verbrennungsmotor 12 ist in den Fig. 1 bis 3 gezeigt. Der Motor 12 besitzt einen Zylinderkopf 14 und eines oder mehrere Motorventil(e) 16, das (die) hin- und herbeweglich in dem Zylinderkopf 14 angeordnet sind. Die Motorventile 16 sind in den Fig. 1 bis 3 teilweise gezeigt und können beispielsweise ein Satz von herkömmlichen Auslaß- oder Einlaßsitzventilen sein. Die Ventile 16 sind jeweils verschiebbar zwischen einer ersten geschlossenen Position, die teilweise in Fig. 2 gezeigt ist, und einer zweiten offenen Position, die teilweise in Fig. 3 gezeigt ist. Die Ventile 16 werden zur ersten Position hin durch irgendwelche geeigneten Mittel vorgespannt, wie beispielsweise durch Schraubendruckfedern 18. Es sei bemerkt, daß der Verbrennungsmotor 12 ein Motor mit mehrfachen Hüben sein könnte oder irgendein geeigneter Hubzyklusmotor. Zu Zwecken der Verdeutlichung wird der Motor 12 im folgenden als nur mit einem Zylinder beschrieben, es sei jedoch bemerkt, daß das Ventilbetätigungssystem wie beabsichtigt in einem Motor mit mehreren Zylindern funktionieren würde.
Detaillierte Ansichten der internen Komponenten innerhalb des Ventilbetätigungssystems 10 sind in den Fig. 2 bis 3 gezeigt. Der Betätigungsvorrichtungskopf 20 besitzt eine sich axial erstreckende Bohrung 22 dadurch mit variierenden Durchmessern. Zusätzlich besitzt der Betätigungsvorrichtungskopf 20 einen Schienendurchlaß 24 darin, der selektiv eine Verbindung zwischen einer Niederdruckströmungsmittelquelle 26 und einer Hochdruckströmungsmittelquelle 28 wie klarer in Fig. 1 gezeigt herstellt. Der Strömungsmitteldruck des Strömungsmittels aus der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 ist vorzugsweise größer als 1,1 · 10&sup6; kg/m² (1500 psi) und viel vorteilhafterweise größer als 2,1 · 10&sup6; kg/m² (3000 psi). Der Strömungsmitteldruck des Strömungsmittels von der Niederdruckströ mungsmittelquelle ist vorzugsweise geringer als 2,8 · 10&sup5; kg/m² (400 psi) und vorteilhafterweise geringer als 1,4 · 10&sup5; kg/m² (200 psi). Ein zylindrischer Körper 30 ist dichtend in die Bohrung 22 durch eine Vielzahl von O-Ringen 32 eingepaßt und besitzt eine sich axial erstreckende Bohrung 36. Jedoch kann irgendeine geeignete Verbindung oder Dichtmittel verwendet werden, um den Körper 30 in die Bohrung 22 zu passen. Eine Brücke 46 von irgendeiner geeigneten Art ist innerhalb einer Nut 48 in den Betätigungsvorrichtungskopf 20 angeordnet und ist benachbart zum Körper 30. Die Brücke 46 besitzt eine Bohrung 50 mit einer vorbestimmten Länge, die koaxial mit der Bohrung 36 in dem Körper 30 ausgerichtet ist. Ein Stößel bzw. Kolben 54 mit einer Stößel- bzw. Kolbenoberfläche 58 ist sicher in die Bohrung 50 der Brücke 46 an einem Ende 60 eingepaßt, wobei ein Teil des Stößels 54 gleitend innerhalb der Bohrung 36 des Körpers 30 an einem entgegengesetzten Ende 62 angeordnet ist. Das entgegengesetzte Ende 62 des Stößels 54 besitzt eine kegelstumpfförmige Form 64, die von der Stößeloberfläche 58 in einem vorbestimmten Winkel auseinanderläuft, der detaillierter in Fig. 4 zu sehen ist. Der Stößel 54 kann integral mit oder getrennt verbunden mit der Brücke 46 ausgeformt werden, wie beispielsweise durch Preßpassung. Der Stößel 54 ist betriebsmäßig mit den Ventilen 16 assoziiert und ist beweglich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. Die Bewegung des Stößels 54 zu der zweiten Position hin bewegt die Ventile 16 in ihre offene Position. Der Stößel 54 wird in die erste Position durch die Schraubenfedern 18 vorgespannt. Es sei bemerkt, daß der Stößel 54 verwendet werden kann, um direkt die Motorventile 16 ohne die Anwendung einer Brücke 46 zu betätigen. In dieser Weise würde der Stößel 54 integral mit oder getrennt positioniert benachbart zu den Motorventilen 16 ausgeformt werden.
Mittel 68 zur Verbindung bzw. Leitung von Niederdruckströmungsmittel in die Brücke 46 sind in enger Nähe zum Ende 60 vorgesehen. Die Verbindungsmittel 68 weisen ein Paar von Zumeßöffnungen 69 auf, die innerhalb der Brücke 46 angeordnet sind, und ein Paar von Verbindungsdurchlässen 70, die sich durch die Zumeßöffnungen 69 und die Brücke 46 und in den Stößel 54 erstrecken. Eine Längsbohrung 74 erstreckt sich um einen vorbestimmten Abstand in den Stößel 54 und ist in Strömungsmittelverbindung mit den Verbindungsdurchlässen 70 innerhalb der Brücke 46. Ein zugemessener Durchlaß 80 erstreckt sich nach außen von der Längsbohrung 74. Eine Querbohrung 84 erstreckt sich durch den Körper 30 an einem unteren Ende 90 in enger Nähe zum Ende 60 des Stößels 54. Die Querbohrung 84 ist mit einem unteren ringförmigen Hohlraum 94 verbunden, der zwischen dem Körper 30 und dem Betätigungsvorrichtungskopf 20 definiert ist, und zwar zur Strömungsmittelverbindung damit. Der untere ringförmige Hohlraum 94 ist in Verbindung mit der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 durch einen Durchlaß 96, der mit der Schiene 24 in dem Betätigungsvorrichtungskopf 20 verbunden ist. Die Querbohrung 84 besitzt eine vorbestimmte Position relativ zu dem zugemessenen Durchlaß bzw. Zumessungsdurchlaß 80. Ein Paar von hydraulischen Schlageinstellvorrichtungen 100, 102 ist innerhalb eines Paars von großen Bohrungen 106 bzw. 107 in der Brücke 46 durch irgendwelche geeigneten Mittel gesichert, wie beispielsweise ein Paar von Halteringen 108, 110. Die Schlageinstellvorrichtungen 100, 102 sind in Strömungsmittelverbindung mit den Zumeßöffnungen 69 und den Verbindungsdurchlässen 70 und sind benachbart zu den Motorventilen 16. Es sei jedoch bemerkt, daß die Schlageinstellvorrichtungen 100, 102 die Zumeßöffnungen 69 haben oder auch nicht haben können, und zwar abhängig von der verwendeten internen Konstruktion.
Ein Stöpsel 120 ist mit dem Betätigungsvorrichtungskopf 20 verbunden und ist dichtend in die Bohrung 50 an einem oberen Ende 124 des Körpers 30 in irgendeiner geeigneten Weise eingepaßt, wie beispielsweise durch Einschrauben oder Preßpassung. Ein Stößelhohlraum 130 wird innerhalb der Bohrung 50 zwischen dem Stöpsel 120 und der Stößeloberfläche 58 geformt. Es sei bemerkt, daß obwohl ein Stöpsel 120 als in die Bohrung 50 gepaßt gezeigt ist, um den Stößelhohlraum 130 zu definieren, der Betätigungsvorrichtungskopf 20 dichtend gegen die Bohrung 22 gepaßt werden kann. Daher würde der Stößelhohlraum 130 zwischen dem Betätigungsvorrichtungskopf 20 und der Stößeloberfläche 58 definiert sein.
Erste Mittel 140, um selektiv Strömungsmittel von der Hochdruckströmungsmittelquelle in den Stößelhohlraum 130 zu leiten, sind vorgesehen, um den Stößel 54 zur zweiten Position hin zu drücken. Die ersten Verbindungsmittel 140 weisen Mittel 144 auf, die einen primären Flußpfad 148 zwischen der Hochdruckströmungsmittelquelle und dem Stößelhohlraum 130 während der Anfangsbewegung zur zweiten Position hin definieren. Die Mittel 144 definieren weiter einen zweiten Flußpfad 152 zwischen der Hochdruckströmungsmittelquelle und dem Stößelhohlraum 130 während der Endbewegung zur zweiten Position hin. Ein Steuerventil, vorzugsweise ein Kolbenventil 156 leitet Strömungsmittel durch den Hochdruckschienendurchlaß 24 und in den primären und sekundären Flußpfad 148, 152. Das Kolbenventil 156 ist in eine erste Position durch ein Paar von (nicht gezeigten) Schraubendruckfedern vorgespannt und wird gegen die Kraft der (nicht gezeigten) Federn in eine zweite Position durch die Betätigungsvorrichtung 158 bewegt. Die Betätigungsvorrichtung 158 kann von irgendeiner geeigneten Bauart sein, jedoch ist in diesem Ausführungsbeispiel die Betätigungsvorrichtung 158 ein piezoelektrischer Motor. Der piezoelektrische Motor 158 wird durch eine Steuereinheit 159 angetrieben, die ein herkömmliches An/Aus- Spannungsmuster besitzt.
Der primäre Flußpfad 148 der ersten Verbindungsmittel weist eine ringförmige Kammer 160 auf, die zwischen dem Körper 30 und dem Betätigungsvorrichtungskopf 20 definiert wird. Ein Hauptanschluß 164 ist innerhalb des Körpers 30 in Strömungsmittelverbindung mit der ringförmigen Kammer 160 definiert und besitzt einen vorbestimmten Durchmesser. Ein ringförmiger Hohlraum 168 ist zwischen dem Stößel 54 und dem Körper 30 definiert und besitzt eine vorbestimmte Länge und eine vorbestimmte Position bezüglich des Hauptanschlusses 164. Der ringförmige Hohlraum 168 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Hauptanschluß 164 während eines Teil der Bewegung des Stößels 54 zwischen den ersten und zweiten Positionen. Ein Durchlaßweg 170 ist innerhalb des Stößels 54 angeordnet und läuft teilweise durch den ringförmigen Hohlraum 168 zur Strömungsmittelverbindung damit. Ein erstes Rückschlagventil 174 sitzt innerhalb einer Bohrung 176 in dem Stößel 54 und besitzt eine Zumeßöffnung 178 darin in Strömungsmittelverbindung mit dem Durchlaßweg 170. Das erste Rückschlagventil 174 besitzt eine offene Position und eine geschlossene Position und die Zumeßöffnung 178 besitzt einen vorbestimmten Durchmesser. Ein Stopp bzw. Anschlag 180 sitzt innerhalb einer anderen Bohrung 182 in dem Stößel 54 und ist um eine vorbestimmte Distanz von dem ersten Rückschlagventil 174 angeordnet. Der Stopp bzw. Anschlag 180 besitzt eine sich axial erstreckende Bohrung 184 zur strömungsmittelmäßigen Verbindung der Zumeßöffnung 178 mit dem Stößelhohlraum 130 und einen zurückgenommenen Außendurchmesser. Eine Rückstellfeder 183 ist innerhalb des ersten Rückschlagventils 174 zwischen dem Ventil 174 und dem Stopp bzw. Anschlag 180 angeordnet.
Der sekundäre Flußpfad 152 der ersten Verbindungsmittel 140 weist einen eingeschränkten Anschluß 190 auf, der einen geringeren Durchmesser als den Durchmesser des Hauptanschlusses 164 besitzt. Der eingeschränkte Anschluß 190 verbindet strömungsmittelmäßig die ringförmige Kammer 160 mit dem ringförmigen Hohlraum 168 während eines Teils der Bewegung des Stößels 54 zwischen den ersten und zweiten Positionen.
Zweite Mittel 200 zur selektiven Verbindung von Strömungsmittel, welches aus dem Stößelhohlraum 130 ausgestoßen wird, mit der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 ansprechend auf die Schraubenfedern 18 sind vorgesehen, um den Stößel 54 zur ersten Position hin zu drücken. Die zweiten Verbindungsmittel 200 weisen Mittel 204 auf, die einen primären Flußpfad 208 zwischen dem Stößelhohlraum 130 und der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 während der anfänglichen Bewegung aus der zweiten Position zur ersten Position hin definieren. Die Mittel 144 definieren weiter einen sekundären Flußpfad 210 zwischen dem Stößelhohlraum 130 und der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 während der Endbewegung von der zweiten Position zur ersten Position hin. Das Kolbenventil 156 leitet selektiv Strömungsmittel durch den primären und sekundären Flußpfad 208, 210 und in die Niederdruckschiene.
Der primäre Flußpfad 208 der zweiten Verbindungsmittel 200 weist eine zweites Rückschlagventil 214 auf, welches innerhalb einer Bohrung 216 in dem Körper 30 sitzt, wobei ein Teil des zweiten Rückschlagventils 214 sich in die ringförmige Kammer 160 erstreckt. Das zweite Rückschlagventil 214 besitzt eine offene und geschlossene Position. Eine kleine (nicht gezeigte) konisch geformte Rückstellfeder ist innerhalb des zweiten Rückschlagventils 214 angeordnet. Ein Auslaßdurchlaß 218 ist innerhalb des Körpers 30 zwischen dem zweiten Rückschlagventil 214 und dem Stößel 54 definiert. Der Auslaßdurchlaß 218 sieht eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Stößelhohlraum 130 und der ringförmigen Kammer 160 vor, wenn das zweite Rückschlagventil in der offenen Position während eines Teils der Bewegung des Stößels 54 zwischen der zweiten und der ersten Position ist.
Der sekundäre Flußpfad 210 der zweiten Verbindungsmittel 200 weist die Zumeßöffnung 178 auf, die strömungsmittelmäßig mit der Niederdruckquelle 26 während eines Teils der Bewegung des Stößels 54 zwischen den ersten und zweiten Position verbunden ist.
Erste Hydraulikmittel 230 sind vorgesehen, um die Geschwindigkeit des Stößels 54 zu verringern, wenn sich die Ventile 16 der offenen Position nähern. Die ersten Hydraulikmittel 230 weisen eine einschränkende Strömungsmittelverbindung zum ringförmigen Hohlraum 168 auf, und zwar von der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 durch den Hauptanschluß 164 während eines Teils der Bewegung des Stößels 54 zwischen den ersten und zweiten Positionen, und sie blockieren die Strömungsmittelverbindung mit dem ringförmigen Hohlraum 168 von der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 durch den Hauptanschluß 164 während eines anderen Teils der Bewegung des Stößels 54 zwischen den ersten und zweiten Positionen. Zweite Hydraulikmittel 240 sind vorgesehen, um die Geschwindigkeit des Stößels 54 zu verringern, wenn sich die Ventile 16 der geschlossenen Position nähern. Die zweiten Hydraulikmittel 240 weisen ein kegelstumpfförmiges Ende 62 des Stößels 54 auf, was eine Strömungsmittelverbindung mit der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 vom Stößelhohlraum 168 durch den Auslaßdurchlaß 218 einschränkt, und eine Strömungsmittelverbindung zur Niederdruckströmungsmittelquelle 26 vom Stößelhohlraum 168 durch den Auslaßdurchlaß 218 blokkiert.

Industrielle Anwendbarkeit

Für ein verbessertes Verständnis beginnt die folgende Sequenz mit dem Stößel 54 in der ersten Position, und daher mit dem Ventil in der geschlossenen (oder gesetzten) Position. Mit Bezug auf Fig. 1, um die Ventilöffnungssequenz zu beginnen, wird eine Spannung von der Steuereinheit zum piezoelektrischen Motor 158 gesandt, der wiederum das Kolbenventil 156 in bekannter Weise aus der ersten Position P1 in die zweite Position P2 treibt. Die Bewegung des Kolbenventils 156 von der ersten Position P1 zur zweiten Position P2 schließt die Verbindung zwischen der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 und dem Stößelhohlraum 130 und öffnet die Verbindung zwischen der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 und dem Stößelhohlraum 130.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird Hochdruckströmungsmittel von der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 zum Stößelhohlraum 130 durch den primären Flußpfad 148 geleitet, und zwar während des anfänglichen Teils der Bewegung des Stößels 54 aus der ersten Position in die zweite Position. Das Hochdruckströmungsmittel hebt das erste Rückschlagventil 174 vom Sitz ab, was gestattet, daß der Hauptteil des Hochdruckströmungsmittels in den Stößelhohlraum 130 um das erste Rückschlagventil 174 herum durch den zurückgenommenen Außendurchmesser des Stopps bzw. Anschlags 180 in schneller Rate eintritt.
Wenn sich der Stößelhohlraum 130 mit Hochdruckströmungsmittel füllt, bewegt sich der Stößel 54 schnell nach unten, was die Ventile 16 gegen die Kraft der Federn 18 öffnet. Wenn sich der Stößel 54 nach unten bewegt, verändert sich die Position des ringförmigen Hohlraums 68 mit Bezug auf den Hauptanschluß 164 konstant. Die Abwärtsbewegung des ringförmigen Hohlraums 168 gestattet eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem ringförmigen Hohlraum 168 und dem eingeschränkten Anschluß 190, wodurch es dem Hochdruckströmungsmittel gestattet wird, in den Stößelhohlraum 130 sowohl durch die primären als auch die sekundären Flußpfade 148, 152 einzutreten.
Wenn sich der ringförmige Hohlraum 168 über den Hauptanschluß 164 im Endteil der Stößelbewegung bewegt, wie in Fig. 3 zu sehen, wird die Strömungsmittelverbindung eingeschränkt und schließlich durch den Außenumfang des Stößels 54 blockiert, so daß die ganze Strömungsmittelverbindung zwischen der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 und dem Stößelhohlraum 130 durch den eingeschränkten Anschluß 190 läuft. Da der Durchmesser des eingeschränkten Durchlasses 190 kleiner ist als der Hauptdurchlaß 174, wird die Abwärtsbewegung des Stößels 54 verlangsamt, wodurch die Geschwindigkeit des Ventils 16 verringert wird, wenn es seine vollständig offene Position erreicht.
Wenn sich der ringförmige Hohlraum 168 über den eingeschränkten Anschluß 190 bewegt, wird die Strömungsmittelverbindung eingeschränkt und schließlich durch den Außenumfang des Stößels 54 blockiert, was es dem Stößel 54 gestattet, das Ventil 16 auf seiner maximalen Hubposition zu halten. Wenn eine Leckage innerhalb dieses Systems auftritt, wird sich der Stößel 54 nach oben bewegen und geringfügig den eingeschränkten Anschluß 190 wieder öff nen und daher den Stößelhohlraum 130 wiederaufladen, was bewirkt, daß sich der Stößel 54 wieder nach unten bewegt. Die offene Position des Ventils 16 wird dann um die maximale Hubposition herum durch die kleinen Bewegungen des Stößels 54 stabilisiert, die den eingeschränkten Anschluß 190 öffnen und schließen. Während dieser Zeit stellt die Rückstellfeder 183 am ersten Rückschlagventil 174 das Ventil 174 zu seinem Sitz zurück. Es sei bemerkt, daß der eingeschränkte Anschluß 190 unnötig sein kann, und zwar abhängig von den speziellen Konstruktionen, die ein schnelles Stoppen des Stößels 54 bei der maximalen Hubposition durchführen bzw. erreichen könnten, wie beispielsweise die Verwendung eines Stößels 54 mit einem größeren Durchmesser oder mit höheren Kräften auf die Feder 18.
Mit Bezug auf Fig. 1, um die Ventilverschlußsequenz zu beginnen, wird die Spannung von der Steuereinheit vom piezoelektrischen Motor 58 weggenommen, was wiederum gestattet, daß das Kolbenventil 156 in bekannter Weise von der zweiten Position P2 zur ersten Position P1 zurückkehrt. Die Bewegung des Kolbenventils 156 von der zweiten Position P2 zur ersten Position P1 schließt die Verbindung zwischen der Hochdruckströmungsmittelquelle 28 und dem Stößelhohlraum 130 und öffnet die Verbindung zwischen der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 und dem Stößelhohlraum 130. Auf dieser Stufe wird die potentielle Energie der Federn 18 in kinetische Energie in dem sich nach oben bewegenden Motorventil 16 umgewandelt.
Insbesondere mit Bezug auf Fig. 3 hebt das Hochdruckströmungsmittel innerhalb des Stößelhohlraums 130 das zweite Rückschlagventil 214 vom Sitz ab, da das Niederdruckströmungsmittel nun innerhalb der ringförmigen Kammer 160 ist. Das Abheben des zweiten Rückschlagventils 214 gestattet es, daß der Hauptteil des Strömungsmittels innerhalb des Stößelhohlraums 130 schnell zur Niederdruckströmungsmittelquelle 26 durch den primären Flußpfad 208 zurückkehrt. Ein Teil des Hochdruckströmungsmittels innerhalb des Stößelhohlraums 130 wird zur Niederdruckströmungsmittelquelle 26 durch den sekundären Flußpfad zurückgeleitet, wenn die Zumeßöffnung 178 strömungsmittelmäßig eine Verbindung mit der ringförmigen Kammer 160 während der Endbewegung des Stößels aus der zweiten Position zur ersten Position hin herstellt.
Wenn sich das Ende 62 des Stößels 54 mit der Kegelstumpfform 64 über den Auslaßdurchlaß 218 bewegt, wird die Strömungsmittelverbindung mit der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 allmählich eingeschränkt und schließlich blockiert, was die Geschwindigkeit des Ventils 16 verringert, wenn es seine geschlossene Position oder Sitzposition erreicht. Sobald der Auslaßdurchlaß 218 vollständig blockiert ist, geht die Strömungsmittelverbindung vom Stößelhohlraum 130 zur Niederdruckströmungsmittelquelle 26 nur durch die Zumeßöffnung 178, wie in Fig. 2 zu sehen. Die Strömungsmittelverbindung tritt nur durch die Zumeßöffnung 178 auf, da das erste Rückschlagventil 174 sitzt, was im wesentlichen keine zusätzliche Strömungsmittelverbindung um das erste Rückschlagventil 174 herum gestattet. Daher wird die Endsitzgeschwindigkeit feiner durch die Größe des kleinen Durchmessers der Zumeßöffnung 178 gesteuert.
Wenn zusätzlich das Kolbenventil 156 in der P1-Position ist und mit der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 verbunden ist, wird Strömungsmittel zu den hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 100, 102 durch die Zumeßöffnungen 69 geleitet. Die Zumeßöffnungen 69 stehen in Verbindung mit den Durchlässen 70, um den Maximaldruck zu steuern, der für die Schlagbetätigungsvorrichtungen 100, 102 zugelassen wird. Wenn jedoch das Kolbenventil sich in die P2- Position bewegt, wird der Stößel 54 nach unten bewegt, und der zugemessene Durchlaß bzw. Zumeßdurchlaß 80 bewegt sich über die Querbohrung 84, was die Strömungsmittelverbindung von der Niederdruckströmungsmittelquelle 26 zu den Einstellvorrichtungen 100, 102 einschränkt und schließlich blockiert.
Fig. 5 zeigt die optimierte Ventilhubkurve, die mit der Konstruktion der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht. Punkt A steht in Beziehung mit dem anfänglichen Steuersignal an das Kolbenventil 156, was das Kolbenventil 156 von P1 zu P2 bewegt. Punkt B bezieht sich auf das Abheben vom Sitz des ersten Rückschlagventils 174 und hat eine schnelle Öffnung des Ventils 16 zur Folge. Punkt C bezieht sich auf die Blockierung der Hauptbohrung 164. Kurve D bezieht sich auf die Einschränkung der Strömungsmittelverbindung zum Stößelhohlraum 130 durch den eingeschränkten Anschluß 190. Punkt E steht in Beziehung mit der Blockierung des eingeschränkten Anschlusses 190. Die Linie F bezieht sich auf die maximale Ventilanhebung. Punkt G steht in Beziehung mit dem Endsteuersignal an das Kolbenventil 156, was das Kolbenventil 156 von P2 zu P1 bewegt. Punkt H bezieht sich auf die schnelle Entladung durch das zweite Rückschlagventil 214. Die Kurven I und J stehen in Beziehung mit dem kegelstumpfförmigen Ende 62 des Stößels 54, der die Strömungsmittelverbindung vom Stößelhohlraum 130 durch den Auslaßdurchlaß 218 einschränkt. Punkt K bezieht sich auf die feine Geschwindigkeitssteuerung, die durch die Blockierung der Strömungsmittelverbindung vom Stößelhohlraum 130 durch den Auslaßdurchlaß 218 erreicht wird, so daß die gesamte Strömungsmittelverbindung vom Stößelhohlraum 130 zur Niederdruckströmungsmittelquelle 26 durch die Zumeßöffnung 178 läuft.
Im Hinblick auf das Obige sieht die Anwendung von hydraulischen Mitteln zur Verringerung der Stößelgeschwindigkeit während des Öffnens und des Schließens des Ventils ein einfaches Verfahren vor, um das Anheben des Ventils und das Aufsetzen des Ventils zu steuern. Die vorliegende Erfindung beruht nicht auf teueren oder komplizierten elektronischen Systemen zur Steuerung der Geschwindigkeit und ist daher zuverlässiger.

Claims

1. Ventilbetätigungssystem (10), das zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor (12) geeignet ist, der einen Zylinderkopf (14) und ein in dem Zylinderkopf (14) angeordnetes Ventil (16) aufweist, wobei das Ventil (16) eine geöffnete und eine geschlossene Position besitzt, wobei das System folgendes aufweist:

einen Betätigungsvorrichtungskopf (20) mit einer Bohrung (22) darin, die mit dem Zylinderkopf (14) verbunden ist;

einen zylindrischen Körper (30), der zur Verbindung mit der Bohrung (22) in dem Betätigungsvorrichtungskopf (20) verbunden ist, wobei der Körper (30) eine sich axial erstreckende Bohrung (36) dorthindurch besitzt;

einen Kolben oder Stößel (54), der betriebsmäßig mit dem Ventil (16) assoziiert ist und eine Stößel- oder Kolbenoberfläche (58) aufweist, wobei der Stößel (54) betriebsmäßig mit dem Zylinderkopf (14) assoziiert ist zum Definieren eines Stößelhohlraums (130), und wobei der Stößel gleitbar teilweise innerhalb der Bohrung (36) in dem Körper (30) angeordnet ist und zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist;

eine Quelle eines unter relativ hohem Druck stehenden Strömungsmittels (28);

eine Quelle eines unter relativ niedrigem Druck stehenden Strömungsmittel (26);

Mittel (18) zum Vorspannen des Stößels (54) zu der ersten Position;

erste Mittel (140) zum selektiven Verbinden bzw. Leiten von Strömungsmittel von der Hochdruckquelle (28) in den Stößelhohlraum (130), um den Stößel (54) zu der zweiten Position zu drängen, so daß das Ventil (16) zu der offenen Position bewegt wird;

zweite Mittel (200) zum selektiven Verbinden bzw. Leiten von Strömungsmittel, das von dem Stößelhohlraum (130) abgelassen wird zu der Niedrigdruckquelle (26), und zwar darauf ansprechend, daß die Vorspannmittel (18) den Stößel (54) zu der ersten Position drängen, so daß das Ventil (16) zu der geschlossenen Position bewegt wird; und

Hydraulikmittel (230, 240) zum Verringern der Stößelgeschwindigkeit (54), wenn das Ventil (16) die offenen und geschlossenen Positionen erreicht bzw. sich diesen annähert;

wobei der Stößelhohlraum ein einzelner Hohlraum (130) ist und die Hydraulikmittel (230, 240) die Stößelgeschwindigkeit reduzieren durch Regulieren der Strömung in und aus dem einzelnen Hohlraum (130); und wobei die ersten Verbindungsmittel (140) Mittel (144) aufweisen, die einen Primärströmungspfad (148) zwischen der Hochdruckquelle (28) und dem Stößelhohlraum (130) definieren, und zwar während einer Anfangsbewegung zu der zweiten Position; dadurch gekennzeichnet, daß der Primärströmungspfad (148) der ersten Verbindungsmittel (140) einen Durchlaß (170) aufweist, der innerhalb des Stößels (54) angeordnet ist, sowie ein erstes Rückschlag ventil (174), das innerhalb einer Bohrung (176) in dem Stößel (54) sitzt, wobei das erste Rückschlagventil (174) eine Zumeßöffnung (178) aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem Durchlaß (170) steht, wobei das erste Rückschlagventil (174) eine geöffnete Position besitzt, die einen im wesentlichen nicht eingeschränkten Strömungspfad in eine Richtung erlaubt, und eine geschlossene Position, die einen im wesentlichen eingeschränkten Strömungspfad in eine entgegengesetzte Richtung erlaubt.

2. Ventilbetätigungssystem nach Anspruch 1, wobei das System ferner einen Sekundärströmungspfad (152) zwischen der Hochdruckquelle (28) und dem Stößelhohlraum (130) aufweist, und zwar während einer Endbewegung zu der zweiten Position.

3. Ventilbetätigungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweiten Verbindungsmittel (200) Mittel (204) aufweisen, die einen Primärströmungspfad (208) zwischen dem Stößelhohlraum (130) und der Niederdruckquelle (26) definieren, und zwar während einer Anfangsbewegung von der zweiten Position zu der ersten Position und einen Sekundärströmungspfad (210) zwischen dem Stößelhohlraum (130) und der Niederdruckquelle (26), während einer Endbewegung von der zweiten Position zu der ersten Position.

4. Ventilbetätigungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärströmungspfad (148) der ersten Verbindungsmittel (140) eine Ring kammer (160) aufweist, die zwischen dem Betätigungsvorrichtungskopf (20) und dem Körper (30) definiert ist, und einen Hauptanschluß (164) mit einem vorbestimmten Durchmesser, der innerhalb des Körpers (30) in Strömungsmittelverbindung mit der Ringkammer (160) definiert ist.

5. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei der Primärströmungspfad (148) der ersten Verbindungsmittel (140) einen Ringhohlraum (168) aufweist mit einer vorbestimmten Länge und einer vorbestimmten Position bezüglich des Hauptanschlusses (164), wobei der Ringhohlraum (168) zwischen dem Stößel (54) und dem Körper (30) definiert ist, und in Strömungsmittelverbindung mit dem Hauptanschluß (164) steht während eines Teils bzw. Abschnitts der Bewegung des Stößels (54) zwischen den ersten und zweiten Positionen.

6. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei der Durchlaß (170) teilweise den Ringhohlraum (168) zur Strömungsmittelverbindung damit überquert.

7. Ventilbetätigungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärstömungspfad (148) der ersten Verbindungsmittel (140) einen Anschlag (180) aufweist, der mit einem vorbestimmten Abstand von dem ersten Rückschlagventil (174) angeordnet ist, wobei der Anschlag (180) eine sich axial erstreckende Bohrung (184) aufweist zur strömungsmittelmäßigen Verbindung der Zumeßöffnung (178) in dem ersten Rückschlagventil (174) mit dem Stößelhohlraum (130).

8. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Zumeßöffnung (178) in dem ersten Rückschlagventil (174) einen vorbestimmten Durchmesser aufweist.

9. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 4, wenn dieser von Anspruch 2 abhängig ist, wobei der Sekundärströmungspfad (152) der ersten Verbindungsmittel (140) einen eingeschränkten Anschluß (190) aufweist mit einem Durchmesser der kleiner ist als der Durchmesser des Hauptanschlusses (164), wobei der eingeschränkte Anschluß (190) die Ringkammer (160) strömungsmittelmäßig mit dem Ringhohlraum (168) verbindet, und zwar während eines Teils der Bewegung des Stößels (54) zwischen den ersten und zweiten Positionen.

10. Ventilbetätigungssystem (10) gemäß Anspruch 4, wenn dieser von Anspruch 3 abhängig ist, wobei der Primärströmungspfad (208) der zweiten Verbindungsmittel (200) folgendes aufweist: ein zweites Rückschlagventil (214), das innerhalb des Körpers (30) angeordnet ist und in einem Teil der Ringkammer (160) sitzt, und einen Auslaßdurchlaß (218), der zwischen dem Stößelhohlraum (130) und der Ringkammer (160) angeordnet ist, und zwar über das zweite Rückschlagventil (214) zur Strömungsmittelverbindung dazwischen während eines Teils der Bewegung des Stößels (54) zwischen den zweiten und ersten Positionen.

11. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei der Sekundärströmungspfad (210) der zweiten Verbindungsmittel (200) die Zumeßöffnung (178) innerhalb des ersten Rückschlagventils (174), die strömungsmittelmäßig mit der Niederdruckquelle (26) verbunden ist, aufweist, und zwar während eines Teils bzw. Abschnitts der Bewegung des Stößels (54) zwischen den zweiten und ersten Positionen.

12. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei die Hydraulikmittel (230, 240) zum Reduzieren der Geschwindigkeit des Stößels (54), wenn das Ventil (16) sich der offenen Position annähert, das Einschränken bzw. Drosseln der Strömungsmittelverbindung zu dem Ringhohlraum (168) von der Hochdruckquelle (28) durch den Hauptanschluß (164) aufweisen.

13. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 5 und Anspruch 9, wobei die Hydraulikmittel (230, 240) zum Reduzieren der Geschwindigkeit des Stößels (54), wenn das Ventil (16) sich der offenen Position annähert, das Blockieren der Strömungsmittelverbindung zu dem Ringhohlraum (168) von der Ringkammer (160) durch den Hauptanschluß (164) aufweisen.

14. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 13, wobei das Ventil (16) die maximale offene Position erreicht, wenn die Strömungsmittelverbindung zu dem Ringhohlraum (168) von der Ringkammer (160) durch den eingeschränkten Anschluß (190) blockiert ist.

15. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 10, wobei die Hydraulikmittel (230, 240) zum Reduzieren der Geschwindigkeit des Stößels (54), wenn das Ventil (16) sich der geschlossenen Position annähert, beinhalten, daß der Stößel (54) ein kegelstumpfförmiges Ende (64) aufweist zum Einschränken der Strömungsmittelverbindung zu der Niederdruckquelle (26) von dem Stößelhohlraum (130) durch den Auslaßdurchlaß (218).

16. Ventilbetätigungssystem (10) nach Anspruch 10, wobei die Hydraulikmittel (230, 240) zum Reduzieren der Geschwindigkeit des Stößels (54), wenn sich das Ventil (16) der geschlossenen Position annähert, das Blockieren der Strömungsmittelverbindung zu der Niederdruckquelle (26) von dem Stößelhohlraum (130) durch den Auslaßdurchlaß (218) aufweisen.

17. Interner Verbrennungsmotor (12) mit einem Zylinderkopf (14) und einem Ventilbetätigungssystem (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das innerhalb des Zylinderkopfes (14) angeordnet ist.