DE69508375T2

DE69508375T2 - Drehbare und hydraulische Ventilsteuerung einer elektro-hydraulischen Gaswechselsteuervorrichtung ohne Nocken

Info

Publication number: DE69508375T2
Application number: DE69508375T
Authority: DE
Inventors: Michael M. Farmington Hills Michigan 48331 Schecter
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1995-01-06
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: US5456221A; DE69508375D1; ES2131281T3; EP0721056B1; CA2165850A1; EP0721056A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hydraulisch betätigte Ventilsteuerung für eine Brennkraftmaschine.
Es sei Bezug genommen auf die Patentschriften der Vereinigten Staaten, Nr. 5375419; 5373817; 5419301; 5410994; 5367990; 5456223; 5497736; 5456222.
Die zunehmende Verwendung und der wachsende Rückgriff auf Mikroprozessor-Steuersysteme für Kraftfahrzeuge, sowie das zunehmende Vertrauen in hydraulische Systeme, im Gegensatz zu mechanischen, hat wesentliche Fortschritte in der Konstruktion von Motorsystemen möglich gemacht. Ein solches elektrohydraulisches System ist z. B. eine Steuerung für die Einlaß- und Auslaßventile eines Motors. Die Erhöhung der Motorleistung, die dadurch erreichbar ist, daß sich die Steuerzeiten, die Dauer, der Hub und andere Parameter der Bewegungen der Einlaß- und Auslaßventile in einem Motor steuern lassen, ist in der Technik bekannt. Dadurch kann man durch unabhän gige Steuerung der Motorventile zur Optimierung der Motorleistung verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors gerecht werden. All dies erlaubt eine erheblich größere Flexibilität in der Steuerung der Motorventile, als dies mit herkömmlichen nockengetriebenen Ventilanlagen möglich war.
Ein verstellbares Ventilsteuersystem ist in der US-A- 5,255,641 offenbart, worin jedes der hin- und hergehenden Einlaß- und Auslaßventile hydraulisch gesteuert wird und einen Kolben aufweist, der einem auf Oberflächen an beiden Enden des Kolbens wirkenden Hydraulikdruck unterworfen wird. Der Raum am einen Ende des Kolbens ist mit einer Quelle für unter hohem Druck stehendem Druckmittel verbunden, während der Raum am anderen Ende mit einer Quelle für unter hohem Druck stehendem Druckmittel und einer Quelle für Niederdruckmittel verbunden ist, und wird jeweils davon getrennt durch die Betätigung von Steuermitteln wie z. B. Elektromagnetventilen. Die Steuermittel können je einen mit jedem Elektromagnetventil verbundenen Hydraulik-Drehverteiler beinhalten, so daß jedes Magnetventil den Betrieb von mehreren Motorventilen der Reihe nach steuern kann. Die Magnetventile werden daher zur Steuerung der Öffnung und Schließung der Motorventile verwendet. Zwar funktioniert · diese Anordnung angemessen, jedoch kann die Anzahl an für einen Motor erforderlichen Magnetventilen recht groß sein. Dies trifft insbesondere zu auf Mehrventilmotore, die vier oder fünf Ventile pro Zylinder und sechs oder acht Zylinder aufweisen können. Es besteht daher ein Wunsch, die Anzahl von Ventilen zu reduzieren, um so die Kosten und den Aufwand des Systems zu reduzieren. Wird jedes Magnetventilpaar durch ein einziges Stellglied ersetzt, wird die Zahl von Ventilen um die Hälfte verringert.
Das gleiche Patent offenbart auch den Einsatz von Drehschieberverteilern, um so die Anzahl an pro Motor erforderlichen Magnetventilen herabzusetzen, verwendet dann aber ein zusätzliches Bauteil, welches sich in einem bestimmten Verhältnis zur Kurbelwelle dreht, um die Drehschieberverteiler passend zu synchronisieren. Diese Anbindung an die Kurbelwelle kann jedoch einige der Vorteile eines nockenlosen Ventiltriebes wieder zunichte machen und kann daher nicht ideal sein. Außerdem benutzt das System weiterhin ein separates Magnetventil für die Hochdruck- und die Niederdruckquellen an Hydraulikflüssigkeit. Es besteht daher noch der Wunsch, die Anzahl an Ventilen zur Steuerung der Hochdruck- und der Niederdruck-quellen für Hydraulikflüssigkeit im Hydrauliksystem zu senken.
Der Erfindung zufolge wird ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für eine Brennkraftmaschine gestellt, welches System folgendes aufweist:
einen Hochdruck-Hydraulikzweig und einen Niederdruck-Hydraulikzweig mit je einer Hochdruck-Flüssigkeitsquelle und einer Niederdruck-Flüssigkeitsquelle;
einen Zylinderkopfteil, welches dazu ausgelegt ist, am Motor befestigt zu werden und eine geschlossene Bohrung und einen Raum beinhaltet;
ein Motorventil, welches zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der Zylinderkopfbohrung und dem -Raum verstellbar ist;
ein hydraulisches Stellglied mit einem Ventilkolben, welcher mit dem Motorventil gekoppelt ist und in dem geschlossenen Raum hin- und herbewegbar ist und so einen ersten und einen zweiten Hohlraum bildet, deren Rauminhalt mit dem sich bewegenden Motorventil variiert;
gekennzeichnet durch eine in das Zylinderkopfteil eingebaute Drehschiebereinheit mit einer Hülse und einem zylindrischen Ventilkörper, welcher in der Hülse eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper wenigstens eine Hochdrucknut und wenigstens eine Niederdrucknut enthält, und wobei die Hülse drei Kanäle und wenigstens ein Fenster aufweist, welches betriebsmäßig mit dem dritten Hülsenkanal in Verbindung steht;
wobei das Zylinderkopfteil drei Öffnungen aufweist, nämlich eine erste Öffnung, welche den ersten Hülsenkanal mit dem Hochdruckzweig verbindet, eine zweite Öffnung, welche den zweiten Hülsenkanal mit dem Niederdruckzweig verbindet, und eine dritte Öffnung, welche den dritten Hülsenkanal mit dem ersten Hohlraum ver bindet, wobei die drei Öffnungen und die Hülsenkanäle derart ausgerichtet sind, daß der Ventilkörper so gedreht werden kann, daß jeweils nacheinander die Hochdrucknut mit dem ersten Hülsenkanal und dem Fenster fluchtet, keine der Nuten mit dem Fenster fluchtet, und dann die Niederdrucknut mit dem zweiten Hülsenkanal und dem Fenster fluchtet; wobei das Zylinderkopfteil außerdem eine Hochdruckleitung enthält, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum und dem Hochdruckzweig erstreckt; und
Stellgliedmittel zur Drehung des Drehschieberventils gegenüber der Hülse.
In ihren Ausführungsformen betrachtet die vorliegende Erfindung ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für eine Brennkraftmaschine. Das System enthält einen Hochdruck-Hydraulikzweig und einen Niederdruck-Hydraulikzweig, jeweils mit einer Hochdruckquelle für Hydraulikflüssigkeit und einer Niederdruckquelle für Hydraulikflüssigkeit. Ein Zylinderkopfteil ist dazu ausgelegt, am Motor befestigt zu werden, und enthält eine geschlossene Bohrung und einen Raum. Ein Motorventil ist zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung innerhalb der Zylinderkopfbohrung und des Raumes verstellbar, und ein hydraulisches Stellglied hat einen Ventilkolben, welcher mit dem Motorventil gekoppelt ist und hin- und herbewegbar in dem geschlossenen Raum gelagert ist, so daß ein erster und ein zweiter Hohlraum gebildet werden, deren Rauminhalt mit sich bewegendem Motorventil variiert. Eine Drehschieberventileinheit ist im Zylinderkopfteil eingebaut und beinhaltet eine Hülse und einen zylindrischen Ventilkörper, welcher in der Hülse angebracht ist. Der Ventilkörper beinhaltet wenigstens eine Hochdrucknut und wenigstens eine Niederdrucknut, und die Hülse beinhaltet drei Kanäle und wenigstens ein Fenster, welches betriebsmäßig mit dem dritten Hülsenkanal in Verbindung steht. Der Zylinderkopfteil enthält drei Öffnungen, eine erste Öffnung, welche den ersten Hülsenkanal mit dem Hochdruckzweig verbindet, eine zweite Öffnung, welche den zweiten Hülsenkanal mit dem Niederdruckzweig verbindet, und eine dritte Öffnung, welche den dritten Hülsenkanal mit dem ersten Hohlraum verbindet. Die drei Öffnungen und die Hül senkanäle sind so ausgerichtet, daß der Ventilkörper derart verdreht werden kann, daß nacheinander die Hochdrucknut mit dem ersten Hülsenkanal und dem Fenster fluchtet, dann keine der Nuten mit dem Fenster fluchtet, und dann die Niederdrucknut mit dem zweiten Hülsenkanal und dem Fenster fluchtet. Das Zylinderkopfteil weist außerdem eine Hochdruckleitung auf, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum und dem Hochdruckzweig erstreckt. Das Ventilsteuersystem beinhaltet außerdem Stellgliedmittel zum Verdrehen des Drehschieberventils gegenüber der Hülse.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie ein hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem stellt, das kostengünstiger und weniger aufwendig ist, indem die Notwendigkeit zweier Magnetventile je Motorventil vermieden wird, und sie höchstens ein Drehschieberventil verwendet, das wenigstens ein Motorventil in einem System steuert, welches einen Hochdruckzweig und einen Niederdruckzweig besitzt, die jeweils wahlweise mit Hohlräumen über den an den jeweiligen Motorventilen befestigten Kolben verbunden werden.
Die Erfindung wird nun bei spielartig näher erläutert, unter, Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen; dabei zeigt:
Fig. 1: ein schematisches Diagramm, welches ein einzelnes Motorventil aus einer Motorventilanlage darstellt, und ein elektrohydraulisches System zur selektiven Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zum Motorventil;
Fig. 2A-2D: Schnittansichten entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, welche verschiedene Positionen des Drehschieberventils während des Betriebes der Motorventile veranschaulichen;
Fig. 3A-3D: Graphen der relativen Steuerzeiten jeweils für Motorventilhub, Drehschieberventilbewegung und der Öffnung der Niederdruck- und der Hochdruck-Kugel-Rückschlagventile;
Fig. 4: eine Schnittdarstellung ähnlich den Fig. 2A- 2D, welche eine erste alternative Ausführungsform zeigt; und
Fig. 5: eine Schnittdarstellung ähnlich den Fig. 2A- 2D, welche eine zweite alternative Ausführungsform darstellt.
Fig. 1 zeigt ein Hydrauliksystem 8 zur Steuerung einer Ventilanlage in einer Brennkraftmaschine, welches mit einer einzelnen elektrohydraulischen Motorventileinheit 10 des elektrohydraulischen Ventilsystemes verbunden ist. Eine elektrohydraulische Ventilanlage ist in der US-Patentschrift Nr. 5,255,641 von Schechter offenbart, welche der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt ist.
Ein Motorventil 12, je nach Einsatzfall für den Lufteinlaß oder den Auslaß, ist in einer Hülse 13 in einem Zylinderkopf 14 gelagert, der Teil eines Motors 11 ist. Ein Ventilkolben 16, der am oberen Ende des Motorventils 12 befestigt ist, ist gleitend verschiebbar innerhalb der Grenzen eines Kolbenraumes 18.
Hydraulikflüssigkeit wird selektiv einem Volumen 20 oberhalb des Kolbens 16 zugeführt, durch eine obere Öffnung 30, die über eine Hydraulikleitung 32 mit einem Drehschieberventil 34 verbunden ist. Das Volumen 20 ist außerdem selektiv mit einem Hochdruck-Flüssigkeitsspeicher 22 verbindbar, und zwar über ein Hochdruck-Rückschlagventil 36 über Hochdruckleitungen 26, oder mit einem Niederdruck-Flüssigkeitsspeicher 24, über Niederdruckleitungen 28 und ein Niederdruck-Rückschlagventil 40. Ein Volumen 42 unterhalb des Kolbens 16 steht über Hochdruckleitungen 26 ständig mit dem Hochdruckspeicher 22 in Verbindung. Die Druckquerschnittsfläche über dem Kolben 16 im Volumen 20 ist größer als die Druckquerschnittsfläche unter demselben, im Volumen 42.
Um das Öffnen und Schließen des Ventils zu bewerkstelligen, muß ein bestimmter hoher Druck in den Hochdruckleitungen 26 gehalten werden, und ein bestimmter niedriger Druck muß in den Niederdruckleitungen 28 gehalten werden. Die bevorzugte Hydraulikflüssigkeit ist Öl, es können jedoch auch andere Flüssigkeiten als Öl zum Einsatz gebracht werden.
Die Hochdruckleitungen 26 stehen mit dem Hochdruck-Flüssigkeitsspeicher 22 in Verbindung und bilden so einen Hochdruckzweig 68 des Hydrauliksystems 8. Eine Hochdruckpumpe 50 versorgt den Hochdruckzweig 68 mit Druckflüssigkeit und lädt den Hochdruckspeicher. Die Pumpe 50 ist vorzugsweise eine Verstellpumpe, die ihren Durchsatz automatisch anpaßt, um so den erforderlichen Druck im Hochdruckspeicher 22 einzuhalten, unabhängig von den Verbrauchsschwankungen, und kann elektrisch oder vom Motor her angetrieben werden.
Die Niederdruckleitungen 28 stehen mit dem Niederdruck- Flüssigkeitsspeicher 24 in Verbindung und bilden so einen Niederdruckzweig 70 des Hydrauliksystems 8. Ein Rückschlagventil 58 ist am Niederdruckspeicher 24 angeschlossen und so angeordnet, daß sichergestellt wird, daß die Pumpe 50 nicht den Druckschwankungen ausgesetzt ist, die beim Öffnen und Schließen des Motorventils im Niederdruckspeicher 24 auftreten. Das Rückschlagventil 58 verbietet das Einströmen von Flüssigkeit in den Niederdruckspeicher 24 und erlaubt das Abströmen von Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung nur dann, wenn ein vorgegebener Flüssigkeitsdruckwert im Niederdruckspeicher 24 erreicht ist. Vom Niederdruckspeicher 24 aus kann die Flüssigkeit über das Rückschlagventil 58 direkt zum Einlaß der Pumpe 50 fließen.
Der Netto-Flüssigkeitsstrom vom Hochdruckspeicher 22 über das Motorventil 12 in den Niederdruckspeicher 24 bestimmt ganz wesentlich den Verlust an hydraulischer Energie im System 8. Das Ventilsystem verbraucht Öl vom Hochdruckspeicher 22, und der größte Teil dieses Öls wird zurück in den Niederdruckspeicher 24 geleitet. Ein kleiner zusätzlicher Verlust ist mit den Leckagen durch das Spiel zwischen dem Ventil 12 und seiner Hülse 13 verbunden. Eine Flüssigkeits-Rücklaufleitung 44, welche mit einem Leck-Kanal 52 verbunden ist, bildet einen Ablaufweg für Lecköl zurück in einen Ölsumpf 46.
Die Höhe des Druckes am Einlaß der Hochdruckpumpe 50 wird bestimmt von einer kleinen Niederdruckpumpe 54 und dem ihr zugeordneten Druckregler 56, die eine kleine Ölmenge dem Einlaß der Hochdruckpumpe 50 zuführen, um so die Leckagen durch den Leckölkanal 52 auszugleichen.
Zur Steuerung der Versorgung des Volumens 20 über dem Kolben 16 mit Hochdruck- und mit Niederdruck-Flüssigkeit wird ein hydraulisches Drehschieberventil 34 verwendet. Dieses wird von einem elektrischen Drehmotor 60 betätigt, welcher die Drehbewegung und die Stellung des Drehschieberventils 34 steuert. Elektromotor 60 ist elektrisch mit einem Antriebsmotor-Steuersystem 48 verbunden, welches den Elektromotor jeweils zur Bestimmung der Öffnungs- und der Schließzeiten aktiviert. Eine Motorwelle 64 verbindet den Elektromotor 60 drehbar mit einem zylindrischen Drehschieberventilkörper 66. Das Motorsteuersystem 48 kann den Elektromotor 60 so steuern, daß er sich mit einer bei jeder Umdrehung veränderbaren Winkelgeschwindigkeit dreht.
Eine stationäre Ventilhülse 62 ist im Zylinderkopf 14 angebracht und drehfest darin fixiert. Der Ventilkörper 66 ist innerhalb der Hülse 62 eingebaut und kann sich relativ dazu drehen. Der Innendurchmesser der Ventilhülse 62 ist im wesentlichen derselbe wie der Außendurchmesser des Ventilkörpers 66, wobei ein geringfügiges Spiel zugelassen wird, so daß die Teile zueinander gleiten können. Zylinderkopf 14 beinhaltet drei Öffnungen; eine zwischen der Hochdruckleitung 26 und der Ventilhülse 62 verlaufende Hochdrucköffnung 74, eine zwischen der Niederdruckleitung 28 und der Ventilhülse 62 verlaufende Niederdrucköffnung 76, und eine, dritte Öffnung 78, welche von der Ventilhülse 62 über die Hydraulikleitung 32 zum Volumen 20 über dem Kolben 16 führt.
Die Ventilhülse 62 beinhaltet zwei ringförmige Kanäle, welche um deren Innenumfang laufen und mit den beiden Öffnungen 74 und 76 korrespondieren, so daß Flüssigkeit von einer Öffnung in den entsprechenden Hülsenkanal fließen kann. Ein Hochdruck-Hülsenkanal 75 ist unmittelbar angrenzend an die Hochdrucköffnung 74 angeordnet, und ein Niederdruck-Hülsenkanal 77 ist unmittelbar angrenzend an die Niederdrucköffnung 76 angeordnet. Die Ventilhülse 62 enthält außerdem einen dritten Hülsenkanal 79, welcher um den Außenumfang der Hülse 62 verläuft und unmittelbar angrenzend an die dritte Öffnung 78 angeordnet ist, so daß Flüssigkeit zwischen diesen beiden fließen kann. Zwei diametral gegenüberliegende Fenster 80 sind in der Ventilhülse 62 enthalten, jeweils dem Innenumfang derselben folgend, und stehen mit dem dritten Hülsenkanal 79 in Verbindung.
Ventilkörper 66 enthält zwei Hochdrucknuten 82 und zwei Niederdrucknuten 84. Die Hochdrucknuten 82 sind einander gegenüber an der Oberfläche des Ventilkörpers 66 angeordnet und so positioniert, daß je ein Ende jeder Nut immer am Hochdruckkanal 75 anliegt, und das andere Ende jeder Nut jeweils an einem der Fenster 80 anliegt, und dies zweimal pro Umdrehung des Ventilkörpers 66 relativ zur Ventilhülse 62. Die Niederdrucknuten 84 sind einander gegenüberliegend und um 90 Grad versetzt zu den Hochdrucknuten 82 angeordnet. Sie sind so positioniert, daß ein Ende jeder Nut immer am Niederdruckkanal 77 anliegt, und das andere Ende jeder Nut an einem der Fenster 80 anliegt, und zwar je zweimal pro Umdrehung des Ventilkörpers 66 relativ zur Ventilhülse 62.
Wenn der Ventilkörper 66 so ausgerichtet ist, daß keine der Nuten 82 und 84 mit den Fenstern 80 fluchtet, was seine Schließstellung darstellt, dann hält das Drehschieberventil 34 die dritte Öffnung 78 von den beiden anderen, den Öffnungen 74 und 76, getrennt. Durch Drehen des Motors 60, bis die Hochdrucknuten 82 mit den Fenstern 80 fluchten, wird die dritte Öffnung 78 mit der Hochdrucköffnung 74 verbunden. Eine Drehung, bis die Niederdrucknuten 84 mit den Fenstern 80 fluchten, bewirkt, daß die dritte Öffnung 78 mit der Niederdrucköffnung 76 verbunden wird.
Die zeitliche Steuerung des Öffnungs- und Schließvorganges des Motorventils für das System aus Fig. 1, der über eine halbe Umdrehung des Drehschieberventils stattfindet, ist graphisch in den Fig. 2A-2D und 3A-3D dargestellt. Die Öffnung des Motorventils wird von dem Drehschieberventil 34 gesteuert, welches, wenn es so ausgerichtet ist, daß es ein Einströmen von unter hohem Druck stehender Druckflüssigkeit von der Hochdruckleitung 26 durch die Hydraulikleitung 32 in das Volumen 20 erlaubt, eine Beschleunigung des Motorventils in Öffnungsrichtung bewirkt, und welches, wenn es wieder so positioniert ist, daß keine Flüssigkeit zwischen der Leitung 26 und der Leitung 32 fließen kann, eine Verzögerung des Motorventils ergibt. Durch erneutes Positionieren des Drehschieberventils 34 derart, daß die Hydraulikflüssigkeit in Volumen 20 über die Hydraulikleitung 32 in die Niederdruckleitung 28 abfließen kann, bewirkt eine Beschleunigung des Motorventils in Schließrich tung, und wenn das Ventil weiter so positioniert wird, daß keine Flüssigkeit mehr zwischen den Leitungen 28 und 32 strömen kann, ergibt sich eine Verzögerung.
Der Prozeß beginnt somit mit einem geschlossenen Motorventil 12 und der Ausrichtung keiner der Nuten mit den Fenstern, d. h. mit einer geschlossenen Stellung; Fig. 2A. Zum Einleiten der Öffnung des Motorventils aktiviert das Antriebsmotor-Steuersystem 48 den Elektromotor 60 derart, daß dieser den Drehschieberventilkörper 66 so beschleunigt, daß die Hochdrucknuten 82 auf die Fenster 80 ausgerichtet werden; Fig. 2B. Dann verzögert der Elektromotor 60 den Ventilkörper 66. Die Querschnittsfläche der den Fenstern 80 zugekehrten Nuten 82 nimmt zu, bis diese vollständig miteinander fluchten; s. 102 in Fig. 3B. Hochdruckflüssigkeit fließt dann in das Volumen 20 ein, und die auf den Kolben 16 wirkende Netto- Druckkraft beschleunigt das Motorventil 12 nach unten; s. 100 in Fig. 3A. Das Antriebsmotor-Steuersystem 48 fährt dann damit fort, daß es eine weitere Drehung des Drehschieberventilkörpers 66 durch den Elektromotor 60 bewirkt, während der Motor 60 weiter abbremst, bis die Hochdrucknuten 82 nicht mehr mit den Fenstern 80 fluchten; Fig. 2C. Dies ist eine Schließstellung des Drehschieberventils, und der Ventilkörper 66 befindet sich hier in einer Ruhestellung; 108 in Fig. 3B. Der Druck über dem Kolben 16 fällt ab, und Kolben 16 wird verzögert, wobei er die Flüssigkeit aus dem Raum 42 unterhalb desselben durch die Hochdruckleitungen 26 zurückdrängt; 104 in Fig. 3A. Das Niederdruck-Rückschlagventil 40 öffnet, und die durch dieses nachströmende Flüssigkeit verhindert eine Vakuumbildung im Volumen 20 über dem Kolben 16 während der Verzögerung; 106 in Fig. 3C. Wenn die Abwärtsbewegung des Motorventils 12 aufhört, schließt das Niederdruck-Rückschlagventil 40, und das Motorventil 12 bleibt in seiner geöffneten Stellung gesperrt; 110 in Fig. 3A.
Der Schließvorgang des Ventils ist im Prinzip ähnlich demjenigen der Öffnung des Ventils. Das Antriebsmotor-Steuersystem 48 aktiviert den Elektromotor 60, so daß dieser den Drehschieberventilkörper 66 derart beschleunigt, daß die Niederdrucknuten 84 mit den Fenstern 80 fluchten; Fig. 2D. Dann verzögert der Motor 60 den Ventilkörper 66. Die Querschnittsfläche der Nuten 84, die den Fenstern 80 zugekehrt ist, nimmt beim Ausrichten derselben zu; 114 in Fig. 3B. Flüssigkeit fließt aus dem Volumen 20 ab, während der Druck über dem Kolben 16 sinkt, und die auf den Kolben 16 wirkende Netto-Druckkraft beschleunigt nun das Motorventil 12 nach oben; 112 in Fig. 3A. Das Antriebsmotor-Steuersystem 48 bewirkt nun, daß der Elektromotor 60 den Drehschieberventilkörper 66 weiter verzögert, bis die Niederdrucknuten 84 nicht mehr mit den Fenstern 80 fluchten. Das Drehschieberventil befindet sich wieder in einer geschlossenen Stellung, in welcher der Ventilkörper 66 ruht. Der Druck über dem Kolben 16 nimmt zu und Kolben 16 wird abgebremst; 118 in Fig. 3A. Das Hochdruck-Rückschlagventil 36 öffnet, während Flüssigkeit aus dem Volumen 20 durch das Ventil in die Hochdruck-Hydraulikleitung 26 zurückgedrängt wird, bis das Ventil 12 geschlossen ist; 116 in Fig. 3D. In der zweiten Hälfte der Drehung des Drehschieberventils wiederholt sich die gleiche Folge von Ereignissen. Die mittlere Winkelgeschwindigkeit des Ventilkörpers 66 ist daher ein viertel der Drehgeschwindigkeit der Motorkurbelwelle. Bei hoher Motordrehzahl kann es überflüssig werden, den Drehschieberventilkörper 66 in seinen Schließstellungen vollständig anzuhalten.
Durch Verändern der zeitlichen Steuerung des Vorbeilaufens der Hochdruck- und Niederdrucknuten 82 und 84 an den Fenstern werden die Steuerzeiten für Öffnung und Schließung der Motorventile verändert. Der Ventilhub kann dadurch verändert werden, daß die Dauer der Ausrichtung der Hochdrucknuten 82 auf die Fenster 80 verändert wird. Die Dauer der Ausrichtung ist eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung des Ventilkörpers 66 während der Ausrichtung. Diese können dadurch gesteuert werden, daß die Größe und Richtung des Antriebsmomentes von Elektromotor 60 verändert werden. Die Änderung des Flüssigkeitsdruckes im Hochdruckspeicher 22 erlaubt ebenfalls eine Steuerung der Motorventilbeschleunigung, seiner Geschwindigkeit und der Hubzeit.
Bei jeder Beschleunigung des Motorventils 12 wird potentielle Energie der unter Druck stehenden Flüssigkeit in kinetische Energie zur Bewegung des Ventils 12 umgewandelt, und dann während der Verzögerung, wenn der Kolben 16 Flüssigkeit zurück in den Hochdruckspeicher 22 pumpt, wird kinetische Energie wieder zurück in potentielle Energie der Flüssigkeit gewandelt. Eine derartige Rückgewinnung von hydraulischer Energie trägt zur Senkung der Energieanforderungen für den Systembetrieb bei.
Eine erste alternative Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 veranschaulicht. Für die Zwecke der Beschreibung werden Elemente in der Konstruktion nach Fig. 4, welche Gegenstücke in der Konstruktion nach Fig. 1 besitzen, mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, jedoch mit einem Primzeichen. Die Ausführung weist drei Hochdrucknuten 82' auf, drei Niederdrucknuten 84' und drei Fenster 80', statt jeweils zwei derselben. Durch diese Ausbildung können je drei Motorventilbetätigungen je Umdrehung des Ventilkörpers 66' ausgeführt werden. Andere Anzahlen von Nut- und Fenster-Kombinationen können auch verwendet werden, es ist jedoch wünschenswert, die Nuten so anzuordnen, daß die hydraulischen Druckkräfte, welche auf den Drehschieberventilkörper 66' wirken, ausgeglichen sind. Des weiteren können interne Kanäle im Ventilkörper eingesetzt werden, anstatt der externen Nuten.
Eine zweite alternative Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Für die Zwecke der Beschreibung sind Elemente in der Konstruktion nach Fig. 5, welche Gegenstücke in der Konstruktion nach Fig. 1 haben, mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, jedoch mit einem Doppelstrich versehen. In dieser Ausführung steuert ein einziges Drehschieberventil unabhängig zwei Motorventile. Zwei dritte Öffnungen 78" führen jeweils zu einem anderen Motorventil und fluchten mit getrennten dritten Hülsenkanälen 79". Eine einzelne Hochdrucknut 82" und eine Niederdrucknut 84" sind im Drehschieberventilkörper 66" vorgesehen. Während der ersten halben Umdrehung des Drehschieberventils werden hydraulische Verbindungen von Hochdruck und Niederdruck mit einem ersten Motorventil hergestellt, und während der zweiten Hälfte der Umdrehung stellen dieselben Nuten 82" und 84" Verbindungen für die Hydraulikflüssigkeit mit einem zweiten Motorventil her. Da das Motorsteuersystem 48 den Elektromotor 60 so ansteuern kann, daß sich dessen Geschwindigkeit und Beschleunigung bei jeder Umdrehung des Ventilkörpers 66" ändern, können die Ventilbetätigungen der beiden Ventile in ihren Steuerzeiten, Ventilhüben und Perioden unterschiedlich sein.

Claims

1. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für eine Brennkraftmaschine, welches System folgendes aufweist:

einen Hochdruck-Hydraulikzweig (68) und einen Niederdruck- Hydraulikzweig (70) mit je einer Hochdruck-Flüssigkeitsquelle (22) und einer Niederdruck-Flüssigkeitsquelle (24);

einen Zylinderkopfteil (14), welcher dazu ausgelegt ist, am Motor (11) befestigt zu werden und eine geschlossene Bohrung und einen Raum (18) beinhaltet;

ein Motorventil (12), welches zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der Zylinderkopfbohrung und dem -Raum (18) verstellbar ist;

ein hydraulisches Stellglied mit einem Ventilkolben (16), welcher mit dem Motorventil (12) gekoppelt ist und in dem geschlossenen Raum (18) hin- und herbewegbar ist und so einen ersten (20) und einen zweiten (42) Hohlraum bildet, deren Rauminhalt mit dem · sich bewegenden Motorventil variiert;

gekennzeichnet durch eine in das Zylinderkopfteil eingebaute Drehschieberventileinheit (34) mit einer Hülse (62) und einem zylindrischen Ventilkörper (66), welcher in der Hülse eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper (66) wenigstens eine Hochdrucknut (82) und wenigstens eine Niederdrucknut (84) enthält, und wobei die Hülse drei Kanäle (75, 77, 79) und wenigstens ein Fenster (80) aufweist, welches betriebsmäßig mit dem dritten Hülsenkanal (79) in Verbindung steht;

wobei das Zylinderkopfteil (14) drei Öffnungen (74, 76, 78) aufweist, nämlich eine erste Öffnung (74), welche den ersten Hülsenkanal (75) mit dem Hochdruckzweig (68) verbindet, eine zweite Öffnung (76), welche den zweiten Hülsenkanal (77) mit dem Niederdruckzweig (70) verbindet, und eine dritte Öffnung (78), welche den dritten Hülsenkanal (79) mit dem ersten Hohlraum (20) verbindet, wobei die drei Öffnungen (74, 76, 78) und die Hülsenkanäle (75, 77, 79) derart angeordnet sind, daß der Ventilkörper (66) so gedreht werden kann, daß jeweils nacheinander die Hochdrucknut (82) mit dem ersten Hülsenkanal (75) und dem Fenster (80) fluchtet, keine der Nuten mit dem Fenster (80) fluchtet, und dann die Niederdrucknut (84) mit dem zweiten Hülsenkanal (77) und dem Fenster (80) fluchtet; wobei das Zylinderkopfteil (14) außerdem eine Hochdruckleitung (26) enthält, die sich zwischen dem zweiten Hohlraum (42) und dem Hochdruckzweig (68) erstreckt; und

Stellgliedmittel (60) zur Drehung des Drehschieberventils (66) gegenüber der Hülse (62).

2. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, in welchem die Stellgliedmittel einen Dreh-Elektromotor (60), eine den Elektromotor (60) und den Ventilkörper (66) kuppelnde mittige Welle (64) und Steuermittel (48) aufweisen, welche mit dem Dreh-Elektromotor zusammenwirken, so daß die Drehgeschwindigkeit des Motors selektiv verändert werden kann.

3. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, außerdem ein Hochdruck-Rückschlagventil (36) enthaltend, welches zwischen dem ersten Hohlraum (20) und der Hochdruck-Flüssigkeitsquelle (22) angeordnet ist.

4. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, außerdem ein Niederdruck-Rückschlagventil (40) beinhaltend, welches zwischen dem ersten Hohlraum (20) und der Niederdruck-Flüssigkeitsquelle (70) angeordnet ist.

5. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, worin die Querschnittsfläche des dem ersten Hohlraum (20) zugekehrten und dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzten Ventilkolbens (16) größer ist als die Querschnittsfläche des dem zweiten Hohlraum (42) zugekehrten und dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzten Ventilkolbens (16).

6. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, worin die wenigstens eine Hochdrucknut (82) von zwei Hochdrucknuten gebildet wird, die wenigstens eine Niederdrucknut (84) von zwei Niederdrucknuten gebildet wird, und das wenigstens eine Fenster (80) von zwei Fenstern gebildet wird, die so angeordnet sind, daß die Fenster (80) nacheinander gleichzeitig mit den beiden Hochdrucknuten (82) fluchten, und dann gleichzeitig mit den beiden Niederdrucknuten (84).

7. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, worin die wenigstens eine Hochdrucknut (82) von drei Hochdrucknuten (82') gebildet wird, die wenigstens eine Niederdrucknut (84) von drei Niederdrucknuten (84') gebildet wird, und das wenigstens eine Fenster (80) von drei Fenstern (80') gebildet wird, die so angeordnet sind, daß die Fenster (80') nacheinander gleichzeitig mit den drei Hochdrucknuten (82') fluchten, und dann gleichzeitig mit den drei Niederdrucknuten (84').

8. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch · 1, außerdem folgendes aufweisend:

eine zweite Bohrung und zweiten Raum im Zylinderkopf;

ein zweites zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der zweiten Bohrung und zweitem Raum im Zylinderkopf verstellbares Motorventil;

ein zweites hydraulisches Stellglied mit einem zweiten mit dem zweiten Motorventil gekoppelten Ventilkolben und hin- und herbewegbar in dem geschlossenen Raum, so daß dadurch ein erster und ein zweiter Hohlraum gebildet werden, deren Rauminhalt mit sich bewegendem zweitem Motorventil variiert; und wobei

dann wenigstens ein Fenster (80) von zwei Fenstern gebildet wird und der dritte Hülsenkanal (79) in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt betriebsmäßig mit dem ersten Hohlraum (20) des ersten Motorventils (12) verbunden ist, und der zweite Abschnitt betriebsmäßig mit dem ersten Hohlraum des zweiten Motorventils verbunden ist.

9. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, welches System folgendes aufweist:

ein Motorventil (12), welches zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in der Zylinderkopfbohrung und dem Raum (18) verstellbar ist;

ein hydraulisches Stellglied mit einem Ventilkolben (16), welcher mit dem Motorventil (12) gekoppelt ist und in dem geschlossenen Raum (18) hin- und herbewegbar ist und so einen ersten (20) und einen zweiten (42) Hohlraum bildet, deren Rauminhalt mit dem sich bewegenden Motorventil variiert;

eine in das Zylinderkopfteil eingebaute Drehschieberventileinheit (34) mit einer Hülse (62) und einem zylindrischen Ventilkörper (66), welcher in der Hülse eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper (66) wenigstens eine Hochdrucknut (82) und wenigstens eine Niederdrucknut (84) enthält, und wobei die Hülse drei Kanäle (75, 77, 79) und wenigstens ein Fenster (80) aufweist, welches betriebsmäßig mit dem dritten Hülsenkanal (79) in Verbindung steht;

einen Stellmechanismus mit einem Dreh-Elektromotor (60), einer zwischen dem Elektromotor (60) und dem Ventilkörper (66) gekoppelten mittigen Welle (64), und Steuermittel (48), welche mit dem Drehmotor so zusammenwirken, daß sie selektiv die Drehgeschwindigkeit des Motors ändern;

ein zwischen dem ersten Hohlraum (20) und der Hochdruck- Flüssigkeitsquelle (27) angeordnetes Hochdruck-Rückschlagventil (36); und

ein zwischen dem ersten Hohlraum (20) und der Niederdruck- Flüssigkeitsquelle (70) angeordnetes Niederdruck-Rückschlagventil (40).

10. Hydraulisch betätigtes Ventilsteuersystem nach Anspruch 9, worin die Querschnittsfläche des dem ersten Hohlraum (20) zugekehrten und dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzten Ventilkolbens größer ist als die Querschnittsfläche des dem zweiten Hohlraum (42) zugekehrten und dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzten Ventilkolbens.