HYDRAULISCHER STELLANTRIEB ZUM BETÄTIGEN EINES GASWECHSELVENTILS EINES VERBRENNUNGSMOTORS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Stellantriebes nach Anspruch 13.

[0002] Ein derartiger Stellantrieb ist aus CH 536 934 A bekannt.

[0003] Aus SAE-PAPER 960581 mit dem Titel "Camless Engine" der Autoren Michael M. Schechter und Michael B. Levin aus einem Vortrag bei dem International Congress & Exposition in Detroit, Michigan, am 26. bis 29. Februar 1996, ist ein hydraulischer Stellantrieb bekannt, der nach dem Prinzip eines hydraulischen Pendels arbeitet.

[0004] Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen gattungsgemäßen Stellantrieb aufbaumäßig zu vereinfachen und zudem derart zu gestalten, dass variable, das heißt unterschiedliche Hublängen beim Öffnen des Gaswechselventiles einfach und sicher erreicht werden können.

[0005] Eine grundsätzliche Lösung dieses Problems zeigt ein gattungsgemäßer Stellantrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf. Ein besonders zweckmäßiges Verfahren zum Betrieb einer solchen Einrichtung ist Gegenstand des Anspruches 13.

[0006] Eine piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren, mit der u.a. unterschiedliche Hublängen beim Öffnen eines Gaswechselventiles grundsätzlich erreichbar sind, ist bereits aus DE 198 39 732 A1 bekannt. Dort wirken Piezoelemente als Verdrängeraktoren auf ein hydraulisches Übersetzungssystem, das heißt eine gleichbleibende Menge an Hydraulikflüssigkeit wird ventilbetätigend verschoben. In gleicher Weise arbeitet bei einem Motorventilsystem ein Piezoaktor nach JP 5-20 27 08 A2.

[0007] Gegenüber den beiden zuletzt genannten, als Hydraulikstellantriebe bekannten Piezoaktoren beruht die erfindungsgemäße Ausführung auf dem Gedanken, kein konstantes Volumen einer Hydraulikflüssigkeit zu verschieben, sondern Hydraulikflüssigkeit mit einer hochfrequent arbeitenden Pumpe zu fördern und mit der geförderten Menge an Hydraulikflüssigkeit bzw. in Abhängigkeit des geförderten Volumenstromes die Gaswechselventile zu betätigen. Hierdurch ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Ausführung gegenüber jenen vorbekannten Antrieben bereits der Vorteil einer kleinbauenden, nockenwellenunabhängigen Einrichtung zur Betätigung der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors. Bei Förderpumpen mit Piezoaktoren ergibt sich eine kleine Bauweise beispielsweise daraus, dass die Anzahl an Piezoelementen, mit denen jeweils nur eine geringe Ausdehnung erzielbar ist, zur Erzeugung eines ausreichend großen Verdrängervolumens gering bleiben kann. Darüber hinaus müssen bei der erfindungsgemäßen Lösung keine Vorkehrungen für einen Ausgleich von Leckageverlusten bei der Hydraulikflüssigkeit ergriffen werden, da nach der Erfindung kein hermetisch in sich abgeschlossenes Hydrauliksystem vorliegt.

[0008] Gegenüber dem eingangs beschriebenen, gattungsbildenden Stand der Technik besteht ein Vorteil der Erfindung auch noch darin, zum einen ohne einen Hochdruckspeicher und ein stromauf des Gaswechselventiles gelegenes Schalt-Sperrventil auszukommen und zum anderen darüber hinaus darin, auf eine einfache und sichere Weise eine variable Hubverstellung des Gaswechselventiles erreichen zu können. Des weiteren arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung energiesparsam, da die Förderpumpe nicht kontinuierlich, sondern lediglich intermittierend zum Öffnen oder Schließen des Ventiles arbeiten kann. Gewöhnlich arbeitet die Förderpumpe zum Öffnen des Gaswechselventiles, dessen Schließbewegung unter der Kraft einer Rückstellfeder erfolgt. Grundsätzlich könnte das Gaswechselventil auch hydraulisch schließen und unter der Kraft einer Rückstellfeder öffnen. Darüber hinaus kann das Ventil erfindungsgemäß auch nach dem Prinzip eines hydraulischen Pendels betätigt werden.

[0009] Wichtig für die Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre ist es, dass eine hochfrequent arbeitende, exakt steuer- bzw. regelbare Förderpumpe eingesetzt wird. Erfindungsgemäße Förderpumpen dieser Art sind insbesondere solche mit piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrochemischen Aktoren als Förderelementen. Das Verdrängervolumen an Hydraulikflüssigkeit, das zum Öffnen oder Schließen eines Gaswechselventiles gegen eine Gegenkraft erforderlich ist, kann in dem Kreislauf dadurch erzeugt werden, dass die Kreislaufströmung während der hydraulisch bewirkten Öffnungs- oder Schließvorganges stromab des Gaswechselventiles ganz unterbunden oder zumindest derart aufgestaut wird, dass stromab ein derart großer Strömungswiderstand gegeben ist, dass ein Öffnen oder Schließen des Gaswechselventils durch Überwinden von dessen Gegenkraft erfolgen kann. Das Aufstauen kann durch einen gedrosselten Strömungsquerschnitt bewirkt werden. Dieser Querschnitt kann zum Öffnen und Schließen des Gaswechselventiles der jeweiligen Funktion entsprechend variiert werden. Möglich ist es jedoch auch, den Drosselquerschnitt unverändert zu belassen und lediglich das Fördervolumen der Hydraulikflüssigkeit funktionsgerecht für ein Schließen und/oder Öffnen der Gaswechselventile zu variieren. Die hydraulische Kraft, die jeweils auf ein zu betätigendes Gaswechselventil einwirkt, ist somit von der Differenz des während einer gleichen Zeit stromauf und stromab des Gaswechselventiles innerhalb des Hydraulikflüssigkeitskreislaufes strömenden Volumenstromes abhängig. Bei einem hydraulischen Druck p an dem Gaswechselventil und einem Volumenstrom Q_v stromauf und Q_n stromab des Gaswechselventiles ergibt sich für den auf das Gaswechselventil zum Öffnen oder Schließen zur Verfügung stehenden hydraulischen Druck folgende funktionale Abhängigkeit p = f _{(Qv, Qn)}.

[0010] Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stellantriebes von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors sind Gegenstand der Unteransprüche. '

[0011] Bei einem erfindungsgemäß unter hydraulischer Kraft erfolgenden Öffnen und Schließen des Gaswechselventils erfolgt die jeweilige Gegenbewegung des Gaswechselventiles unter einer Gegenkraft, die insbesondere von einer mechanischen Feder erzeugt werden kann. Die betreffende Rückbewegung soll möglichst gedämpft erfolgen. Zu diesem Zweck kann ein stromab des Gaswechselventiles innerhalb des Hydraulikflüssigkeitskreislaufes liegender Strömungsquerschnitt zeitweise, das heißt während der gewünschten Dämpfungsdauer, gedrosselt werden. Möglich ist es nach Anspruch 13 allerdings auch, während der Rückbewegung des Gaswechselventiles eine Dämpfungskraft durch eine jeweils temporäre Erhöhung des Fördervolumenstromes der Hydraulikflüssigkeit bei insbesondere stromab des Gaswechselventiles gleichbleibendem Kreislauf-Strömungsquerschnitt zu bewirken. Hierdurch ist stromab des Gaswechselventiles insbesondere kein Regelventil erforderlich, das heißt wenn dort überhaupt ein Ventil eingesetzt ist, reicht ein einfaches Absperrventil aus.

[0012] Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht insbesondere auch die Betätigung der Gaswechselventile in einem Bremsbetrieb eines Verbrennungsmotors.

[0013] Förderpumpen mit piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrochemischen Aktoren als Förderelementen und gegebenenfalls gleichartig betätigten Pumpenventilen, die für die vorliegende Erfindung zweckmäßig und vorteilhaft eingesetzt werden können, eignen sich in gleicher Weise insbesondere auch als Einspritzpumpen für Verbrennungsmotoren.

[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung, anhand der die beanspruchten Ausführungsformen noch im Einzelnen näher erläutert werden, sind in der Zeichnung dargestellt.

[0015] In dieser zeigen in jeweils schematischer Darstellung

Fig. 1a

eine Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil mit einer intermittierend arbeitenden, hochfrequenten Förderpumpe und einem 2/2-Schaltventil als Sperrventil,

Fig. 1b

ein Diagramm mit auf der Abszisse eingetragenen Kurbelwellenwinkeln KW eines Verbrennungsmotors und auf der Koordinate eingetragenem Öffnungshub H des Gaswechselventiles zur Veranschaulichung unterschiedlicher, mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erreichbarer Öffnungshublängen,

Fig. 1c

eine Betätigungseinrichtung nach Fig. 1a für mehrere Gaswechselventile,

Fig. 1d

eine Betätigungseinrichtung nach Fig. 1a mit einer mechanischen Übersetzung,

Fig. 2

eine Betätigungseinrichtung nach Fig. 1 mit einer als Piezopumpe ausgebildeten Förderpumpe,

Fig. 3

eine Einrichtung nach Fig. 2 mit einem Regelventil anstelle eines 2/2-Schaltventiles,

Fig. 4

eine Einrichtung nach Fig. 2 mit einem konstruktiv dargestellten 2/2-Schaltventil und einem Wegsensor an dem zu betätigenden Gaswechsel-Ventil in einer ersten Ausführung des Wegsensors,

Fig. 5

eine Einrichtung nach Fig. 4 mit einer zweiten Ausführung des Wegsensors,

Fig. 6

eine Einrichtung nach Fig. 2 mit einer Schalteinrichtung zur wechselseitigen Betätigung mehrerer Gaswechselventile durch eine gemeinsame Piezopumpe,

Fig. 7

eine Einrichtung nach Fig. 2 mit einem nockenwellenbetätigten 2/2-Wegeventil als Sperrventil,

Fig. 8

eine Einrichtung nach Fig. 2 mit einem zusätzlich in das Verstell-Hydrauliksystem eingreifenden Aktor für einen Bremsbetrieb des die Gaswechselventile besitzenden Verbrennungsmotors.

[0016] Die in Fig. 1a schematisch dargestellte hydraulische Stellantriebs-Einrichtung setzt sich aus folgenden Elementen zusammen.

[0017] Eine hochfrequente, intermittierend beziehungsweise diskontinuierlich betreibbare Förderpumpe 6 fördert Hydraulikflüssigkeit in einem Kreislauf. Dabei wird Hyraulikflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter 8 angesaugt und über Leitungen 11 und 4 sowie ein als 2/2-Wege-Schaltventil 7 ausgebildetes Sperrventil zurück in den Vorratsbehälter 8 gefördert. Auf dem Weg zwischen Förderpumpe 6 und dem 2/2-Schaltventil ist ein Gaswechselventil 1 an die Kreislaufleitung angeschlossen, und zwar über eine Hydraulikkammer 2 des Gaswechselventiles 1. Durch eine Volumenveränderung der Hydraulikkammer 2 ergibt sich eine proportionale Hubverstellung des Gaswechselventiles 1. Der Hubweg ist in der Fig. 1a mit Pfeilen H angegeben. Zur Rückbewegung des Gaswechselventils 1 gegen eine hydraulisch bewirkte Verstellung ist eine mechanische Feder 19 vorgesehen.

[0018] Diese Betätigungseinrichtung funktioniert wie folgt.

[0019] Das Gaswechselventil 1 wird durch die Feder 19 bei fehlender Hydraulik-Gegenkraft in Schließstellung gehalten. Zum Öffnen des Gaswechselventiles 1 fördert die Förderpumpe 6 Hydraulikflüssigkeit mit einem Volumenstrom Q_v in die Leitung 11 bei geschlossenem 2/2-Schaltventil. Die geförderte Hydraulikflüssigkeit dringt somit in die Hydraulikkammer 2 des Gaswechselventiles 1 ein und bewirkt damit ein Öffnen des Gaswechselventiles 1. Zum Schließen des Gaswechselventiles 1 ist der Förderbetrieb der Förderpumpe 8'unterbrochen und das 2/2-Schaltventil auf Durchfluss geschaltet. Das Unterbrechen des Förderbetriebes erfolgt vorzugsweise durch ein der Ventilschließzeit entsprechendes Abschalten der Förderpumpe 6. Bei der Förderpumpe 6 muss es sich um eine hochfrequente, verzögerungsfrei in kürzesten Zeitintervallen schaltbare Pumpe handeln. Insbesondere geeignet hierfür sind Förderpumpen 6 mit piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrochemischen Aktoren als Förderelementen. Bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen ist jeweils eine Piezopumpe als Förderpumpe 6 eingesetzt. Die hydraulische Kraft, die auf das Gaswechselventil 1 je nach Förderbetrieb der Förderpumpe 6 einwirken kann, ist als Funktion p = f(Q_v, Q_n) in Fig. 1a eingetragen, wobei Q_v der Förderstrom vor und Q_n derjenige nach dem Gaswechselventil 1 bedeuten.

[0020] Ein wesentlicher Vorteil der anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1a beschriebenen Erfindung besteht darin, dass zwischen der Hydraulikkammer 2 des Gaswechselventiles 1 und der Förderpumpe 6 weder ein Sperrventil noch ein Druckspeicher zwischen einem solchen Sperrventil und der Förderpumpe erforderlich sind. Bei dem bekannten Stand der Technik muss ein solches Sperrventil bei einer derartigen Einrichtung stets vorhanden sein, wobei die Förderpumpe bei Verschlussstellung jenes Sperrventiles in den Hochdruckspeicher fördert. Beim Öffnen jenes Sperrventiles wird Hydraulikflüssigkeit zum Erzielen eines schnellen Ansprechverhaltens im wesentlichen aus diesem Hochdruckspeicher in die Hydraulikkammer des Gaswechselventiles gefördert.

[0021] Mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung nach Fig. 1a lassen sich variable Hubverstellungen des Gaswechselventiles 1 durch unterschiedliche Fördermengenströme Q_v der Förderpumpe 6 erreichen. Dies ist durch unterschiedliche Förderzeiten, Fördervolumen und/oder Förderfrequenzen der Pumpe realisierbar. Die derart erreichbare Variabilität bei den Hubwegen des Gaswechselventiles 1 ist in dem Diagramm nach Fig. 1b anschaulich angedeutet.

[0022] Fig. 1c zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei Gaswechselventilen 1 und 1', bei der beide Gaswechselventile nach dem gleichen vorstehend beschriebenen Prinzip arbeiten. Funktional gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszahlen belegt, die lediglich mit einem zusätzlichen Index-Strich versehen sind. Zusätzlich erforderlich sind lediglich jeweils stromauf der beiden Gaswechselventile 1, 1' liegende Absperrventile 28, 28', um die Gaswechselventile 1, 1' abwechselnd beaufschlagen zu können.

[0023] Bei der Einrichtung nach Fig. 1d, die grundsätzlich mit derjenigen nach Fig. 1a übereinstimmt; erfolgt die Betätigung des Gaswechselventils 1 über einen zwischengeschalteten Hebel 30 als mechanische Übersetzungshilfe.

[0024] Eine nach dem schematischen Aufbau in Fig. 1a arbeitende Betätigungseinrichtung ist in Fig. 2 mit Bezug auf eine Piezopumpe als Förderpumpe 6 dargestellt.

[0025] Der Aufbau der Einrichtung nach Fig. 2 ist nachstehend wie folgt beschrieben.

[0026] Der Schaft des Gaswechselventiles 1 eines Verbrennungsmotors ist an seinem von der Motor-Brennkammer abgewandten Ende als in die Hydraulikkammer 2 verschiebbar eingreifender Verdrängerkolben 3 ausgebildet. Die Hydraulikkammer 2 ist an die Hydraulikleitung 4 angeschlossen, die einerseits über ein in Richtung der Hydraulikkammer 2 durchströmbares Einwegeventil 5 mit einem Förderraum 9 der als Piezopumpe ausgebildeten Förderpumpe 6 und andererseits über das als 2/2-Wege-. Schaltventil 7 ausgebildete Sperrventil mit dem Vorratsbehälter 8 für Hydraulikflüssigkeit verbunden ist. Zwischen dem Schaltventil 7 und dem Vorratsbehälter 8 ist die Hydraulikleitung 4 mit dem Förderraum 9 der Piezopumpe 6 über ein in Richtung des Förderraumes 9 durchströmbares Einwegeventil 10 verbunden. Die das Einwegeventil 5 aufweisende und von der Hydraulikleitung 4 ausgehende Verbindungsleitung 11 führt ebenfalls in den Förderraum 9 der Piezopumpe 6. Die Piezopumpe 6 besteht aus einem Gehäuse 12, in dem einige geschichtet aufeinanderliegende Piezoelemente 13 gelagert sind. In Ausdehnungsrichtung wirken diese Piezoelemente 13 auf ein kolbenförmig ausgebildetes Verdrängerelement 14, das den Förderraum 9 der Piezopumpe 6 beaufschlagt und zur Volumenveränderung innerhalb des Förderraumes 9 von den Piezoelementen 13 angetrieben verschiebbar ist. Der Förderraum 9 ist gegenüber dem Raum des Piezopumpen-Gehäuses 12 über das Verdrängerelement 14 gedichtet. Zur Vermeidung von Zugspannungen sind die zu einem Stapel geschichteten Piezoelemente 13 durch eine sich an dem Gehäuse 12 der Piezopumpe 6 abstützende Feder 15 vorgespannt. Weitere Vorspannungsmaßnahmen sind möglich.

[0027] Die Piezoelemente 13 sind zur Erzeugung einer Längenausdehnung elektrisch beaufschlagbar.

[0028] Die Hydraulikkammer 2 mit dem darin geführten Verdrängerkolben 3 des Schaftes des Gaswechselventiles 1 ist zweifach mit der Hydraulikleitung 4 verbunden. Eine dieser Verbindungen, nämlich eine Öffnung 16 dient bei der Ausführung nach Fig. 2 ausschließlich zum Befülleh der Hydraulikkammer 2, während eine zweite Öffnung 17 hauptsächlich zum Entleeren der Hydraulikkammer 2 dient und einen gegenüber der Öffnung 16 größeren Strömungswiderstand aufweist. Die Öffnung 17 ist derart gestaltet, dass deren Strömungswiderstand durch den diese Öffnung überfahrenden Verdrängerkolben 3 veränderbar ist und zwar derart, dass der Strömungswiderstand bei sich verkleinernder Hydraulikkammer 2 erhöht wird. Die Zuström-Öffnung 16 ist als lediglich in Richtung des Inneren der Hydraulikkammer 2 durchströmbares Einwegeventil ausgestaltet. Diese Ventilfunktion wird -durch eine vom Inneren der Hydraulikkammer 2 auf die Öffnung 16 federbelastet gedrückte Kugel 18 erreicht.

[0029] Durch eine Feder 19 wird das Ventil 1 bei inaktiver Ventil-Betätigungseinrichtung in Verschlußstellung gehalten.

[0030] Die vorstehend beschriebene Einrichtung funktioniert wie folgt.

[0031] Die Piezopumpe 6 wirkt unter elektrischer Beaufschlagung der einzelnen Piezoelemente 13 als eine hochfrequente Pumpe, die durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelementes 14 Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 8 über das Einwegeventil 10 sowie die Förderkammer 9 und anschließend das Einwegeventil 5 in die Hydraulikkammer 2 transportiert, um dadurch das Ventil 1 zu öffnen. Voraussetzung für ein Öffnen des Ventiles 1 ist ein geschlossenes 2/2-Wege-Schaltventil 7.

[0032] Zum Schließen eines geöffneten Gaswechselventiles 1 wird die Piezopumpe 6 elektrisch inaktiv geschaltet bei gleichzeitigem Öffnen des 2/2-Wege-Schaltventiles 7. Die in der Hydraulikkammer 2 unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit kann über die öffnung 17 sowie das geöffnete 2/2-Wege-Schaltventil 7 in den Hydraulik-Vorratsbehälter 8 abfließen, wodurch das Gaswechselventil 1 unter der Kraft der Feder 19 schließt. Durch eine Erhöhung des Durchströmungswiderstandes innerhalb der Öffnung 17 der Hydraulikkammer 2 wird die Verschiebegeschwindigkeit des Ventilschaftes beim Schließen des Gaswechselventiles 1 verringert, wodurch ein Aufschlagen des Ventiles des Gaswechselventiles 1 auf den Ventilsitz verhindert wird.

[0033] Das 2/2-Wege-Schaltventil 7 wird in Kombination mit der elektrischen Beaufschlagung der Piezopumpe 6 derart gesteuert bzw. geregelt, dass ein periodisches Öffnen und Schließen des Gaswechselventiles 1 voll variabel erfolgen kann.

[0034] Die Ausführung der Einrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 2 dadurch, dass anstelle eines 2/2-Wege-Schaltventiles 7 ein elektrisches Volumenstrom-Regelventil 20 eingesetzt ist. Dieses Volumenstrom-Regelventil 20 ermöglicht bei Einstellung eines elektrischen Stroms eine Verzögerung der Entleerungsgeschwindigkeit der Hydraulikkammer 2, wenn sich das Gaswechselventil 1 seiner Schließstellung nähert. Dadurch kann bei der Hydraulikkammer 2 gegenüber der Ausführung in Fig. 2 das Vorsehen einer zusätzlichen Entleerungsöffnung 17 entfallen, wodurch dann zwangsläufig die Einwegefunktion der Hydraulikkammer-Zuführöffnung 16 aufgehoben sein muss.

[0035] Eine Verzögerung der Rückstellbewegung des Verdrängerkolbens 3 kann auch ohne eine querschnittsvariable Entleerungsöffnung oder die Verwendung eines Regelventiles erreicht werden, wenn die Förderpumpe 6, die während der Rückstellbewegung an sich inaktiv sein soll, zeitlich gesteuert zum Aufbau eines dämpfend wirkenden Gegendruckes förderaktiv geschaltet wird.

[0036] Bei einer Ausgestaltung der Einrichtung nach Fig. 2 ist in Fig. 4 der Schaft des Ventiles 1 mit einem Wegsensor 21 verbunden. Desweiteren ist dort das 2/2-Wege-Schaltventil 7 in einer konstruktiv konkreten Ausführungsform dargestellt.

[0037] Die konkrete konstruktive Ausgestaltung des 2/2-Wege-Schaltventiles 7 besteht dort in einer elektromagnetisch betätigbaren Ventil-Schalteinrichtung.

[0038] Der Wegsensor 21 ist als induktiver Wegsensor ausgebildet. Das 2/2-Wegeventil-Schaltventil 7 wird in Abhängigkeit der Wegesignale des Wegsensors 21 betätigt. Die Wegesignale können auch zur Steuer- und Regelung der Förderpumpe 6 verwendet werden.

[0039] Die Ausführung nach Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4 lediglich durch eine andere Art des Wegsensors, der dort als Wirbelstromwegsensor 22 ausgebildet ist.

[0040] Bei der Einrichtung nach Fig. 6 betätigt eine Piezopumpe 6 über ein Mehrwege-Schaltventil 23 mehrere Gaswechselventile 1. Das Schaltventil 23 wird über Elektromagnetstellantriebe 24 derart betätigt, dass die beiden Gaswechselventile 1 jeweils öffnend oder schließend hydraulisch beaufschlagt werden. Dieses als Schieberventil ausgebildete Schaltventil 23 kann auch piezoelektrisch realisiert werden, falls die Schaltdynamik es erfordert.

[0041] In dem Hydraulik-Vorratsbehälter 8 kann die Hydraulikflüssigkeit unter Druck gehalten sein, wozu in Fig. 6 eine auf das Innere des Vorratsbehälters 8 einwirkende Hydraulikpumpe 25 gezeigt ist. Der Kompressionsdruck für den Vorratsbehälter 8 kann selbstverständlich einer beliebigen Druckquelle, die beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug aus anderen Gründen bereits vorhanden ist, entnommen werden. Durch eine Druckbeaufschlagung der Hydraulikflüssigkeit in dem Vorratsbehälter 8 läßt sich vor allem der Temperatureinfluß auf das Saugverhalten der Piezopumpe 6 minimieren. Bei der Verwendung einer Hydraulikpumpe 25 können Leckageverluste einfach ausgeglichen werden.

[0042] Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein als Sperrventil dienendes 2/2-Wegeschaltventil 27 nockenwellenbetätigt durch beispielsweise eine spezielle Nockenwelle 29 arbeitet. Ein solcher nockenwellenbetätigter Betrieb des 2/2-Wege-Schaltventiles 27 kann beim Betätigen eines als Auslassventil fungierenden Gaswechselventils 1 eines Verbrennungsmotors zweckmäßig sein, das bei einem Bremsbetrieb des Verbrennungsmotors in bekannter Weise häufiger betätigt wird als bei Motorantriebsbetrieb.

[0043] Bei einem Bremsbetrieb des Motors, bei dem die Gaswechsel-Auslaßventile 1 für eine zusätzliche Aufladung und Dekompression mehrfach im Vergleich zu dem Antriebsmotorbetrieb betätigt werden, müssen die Auslaßventile 1 in einem unter Druck stehenden Zustand geöffnet werden. Um den Förderraum 9 der Piezopumpe 6 nicht diesem erhöhten Druck aussetzen zu müssen, kann - wie in Fig. 8 gezeigt - für die Steuerung der betreffenden Auslaßventile 1 im Motorbremsbetrieb ein zusätzlicher, beispielsweise nockenwellenbetätigter Hydraulikaktuator 26 vorgesehen sein. Dieser Hydraulikaktuator 26 ist mit dem Hydraulikraum 2 in einem Bereich zwischen dem 2/2-Wege-Schaltventil 7; 27 bzw. dem alternativ eingesetzten Regelventil 20 und der Zugangs-Öffnung 16 verbunden. Die Piezopumpe 6 ist derart betätigbar, dass sie jeweils inaktiv geschaltet ist, wenn der Hydraulikaktuator 26 zum Öffnen des Ventiles 1 aktiv ist.

[0044] Ein erfindungsgemäß variabel arbeitender Stellantrieb weist insbesondere folgende Vorteile auf.

a: es ist eine gute Systemdynamik durch eine hochdynamisch arbeitende, beispielsweise Piezopumpe und eine Druckbeaufschlagung des Hydraulikflüssigkeits-Vorratsbehälters gegeben. Ein Hochdruckspeicher ist nicht erforderlich. Das Saugverhalten der Förderpumpe unterliegt lediglich minimalen Temperatureinflüssen. Damit ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Stellantriebes über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors möglich.

b: es ist eine volle Variabilität der Öffnung der Gaswechselventile gegeben, wie:

• kontinuierliche Phasenverschiebung der Ventilerhebung,
• variable Hubeinstellung und Ventilöffnungsdauer,
• variable Ventilöffnungszeit und Ventilschließzeit,
• Zylinderabschaltung.

Dies führt wiederum zu:

• höheren Leistungen und Drehmomenten des Verbrennungsmotors,
• einem geringen Verbrauch,
• Reduzierung der Emissionen. '

c: es liegt eine Reduzierung der Anzahl der Bauteile vor, nämlich

• eine Nockenwelle ist nicht erforderlich,
• hydraulische Ventilspielausgleichselemente entfallen,
• es kann auf eine Ventilbremse bei einer Ventilwegemessung verzichtet werden.

d: bei der Montage der erfindungsgemäßen Bauelemente besteht eine große Flexibilität.

e: es liegt lediglich eine geringe hydraulische Geräuschentwicklung und ein geringer Energieverbrauch vor, da die Piezopumpe ausschließlich phasenweise zum Öffnen der Gaswechselventile arbeitet.

f: ein stromab eines Gaswechselventils innerhalb des Hydraulikflüssigkeitskreislaufes liegendes Sperrventil unterliegt reduzierten Dynamikanforderungen aufgrund der variabel, d.h. diskontinuierlich arbeitenden Piezopumpe, so dass dieses Sperrventil elektromagnetisch betätigbar sein kann.

g: in dem Hydraulikflüssigkeitskreislauf ist stromauf des Gaswechselventils kein zusätzliches Sperrventil erforderlich, das bei konventioneller hydraulischer Ventilsteuerung hoch dynamisch arbeiten muss.

h: es ist eine hohe Regelgenauigkeit bei Anwendung einer Wegmessung der Gaswechselventile möglich, da hierdurch Störgrößen wie Hysterese, Arbeitsfrequenz, Leckverluste und Temperatur kompensiert werden können.

Ansprüche

1. Stellantrieb zum Betätigen der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors, bei dem die Gaswechselventile durch von einer Förderpumpe in einen offenen, mit einem Vorratsbehälter versehenen Kreislauf geförderte Hydraulikflüssigkeit betätigt werden, bei dem

- das Öffnen oder Schließen der Gaswechselventile durch in unterschiedlicher Höhe auf ein jeweils zu betätigendes Gaswechselventil einwirkende, von der den Kreislauf durchströmenden Hydraulikflüssigkeit ausgehende Stellkräfte bewirkt wird,

- stromab eines jeweiligen Gaswechselventils ein zumindest während der Zeitdauer eines hydraulisch bewirkten Öffnens oder Schließens des Gaswechselventiles gegenüber sämtlichen stromauf dieses Gaswechselventiles liegenden Bereichen verengter bis geschlossener Kreislauf-Strömungsquerschnitt vorliegt,

- der hydraulischen Stellkraft an dem Gaswechselventil jeweils eine Kraft, insbesondere eine Federkraft, entgegengerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet,
dass die Förderpumpe (6) für einen mit hoher Frequenz intermittierend arbeitenden Förderbetrieb ausgelegt ist.

2. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Taktfrequenz der intermittierend arbeitenden Förderpumpe (6) mindestens derjenigen der Öffnungs- bzw. Schließfrequenz der Gaswechselventile (1) entspricht.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der hydraulischen Kraftquelle und dem jeweiligen Gaswechselventil (1) ein direkt mit dem Verstellmechanismus des betreffenden Gaswechselventiles (1) zusammenwirkender mechanischer Kraft- und/oder Wegübersetzer (30) vorgesehen ist.

4. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Förderpumpe (6) mit piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrochemischen Aktoren (13) als Förderelementen ausgebildet ist.

5. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Förderpumpe (6) zumindest während eines Teils der Zeitdauer, in der kein hydraulisch bewirktes Öffnen oder Schließen eines jeweiligen Gaswechselventiles (1) erfolgt, ausgeschaltet ist.

6. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Schaft des Gaswechselventiles (1) in eine durch Hydraulikflüssigkeit ausgefüllte Ventil-Hydraulikkammer (2), die mit dem Vorratsbehälter (8) über eine den vereng- bis verschließbaren Kreislauf-Strömungsquerschnitt enthaltende Leitung (4) verbunden ist, verschiebbar dicht eintaucht und dort zum Öffnen und Schließen des Gaswechselventiles (1) unter von der Hydraulikflüssigkeit bewirkter Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Hydraulikkammer (2) verschoben wird und dass von der Hydraulikflüssigkeit zur Verkleinerung der Hydraulikkammer (2) im Vergleich zur Vergrößerung dieser Hydraulikkammer (2) ein größerer Strömungswiderstand zu überwinden ist.

7. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vereng- bis verschließbare Kreislauf-Strömungsquerschnitt als ein Sperrventil (7) oder eine Drosselstelle ausgebildet ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sperrventil (7) ein Regelventil ist.

9. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Wegsensor (21, 22) zur Bestimmung des Verschiebeweges des Gaswechselventiles (1) vorgesehen ist und dass die Förderpumpe (6) und/oder das Sperrventil (7, 20) in Abhängigkeit der durch diesen Sensor (21, 22) ermittelten Lagen des Schaftes des Gaswechselventiles (1) geregelt wird.

10. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Stellantrieb durch eine Förderpumpe (6) mit Hilfe eines Mehrwege-Sperrventils (23) oder mehrere einzelner Sperrventile (7, 28) mehrere Gaswechselventile (1) betätigbar sind.

11. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Innere des Hydraulik-Vorratsbehälters (8) unter Druck steht.

12. Stellantrieb zum Steuern der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Antriebs- und Bremsbetrieb des Verbrennungsmotors, wobei die Auslass-Gaswechselventile im Bremsbetrieb des Motors jeweils während des Motoraufladungs- und gegebenenfalls Dekompressionsvorganges einen im Vergleich zu dem Motor-Antriebsbetrieb zusätzlichen Öffnungs-/Schließzyklus absolvieren,
dadurch gekennzeichnet,
dass für das Steuern der zusätzlichen Öffnungs/Schließzyklen der Auslass-Gaswechselventile (1) im Motorbremsbetrieb ein jeweils getrennt von der Förderpumpe (6) arbeitender Hydraulikaktuator (26) auf die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikkammern (2) der Auslass-Gaswechselventile (1) einwirken kann, während innerhalb dieser Einwirkzeit die Förderpumpe (6) jeweils inaktiv geschaltet ist.

13. Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Förderpumpe (6) während der Zeitdauer, in der ein jeweiliges Gaswechselventil (1) schließt, durch gezielten Förderbetrieb innerhalb des Hydraulikflüssigkeitskreislaufes eine auf das jeweilige Gaswechselventil (1) einwirkende Bremskraft erzeugt.

14. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gaswechselventil (1) nach dem Prinzip eines hydraulischen Pendels betätigt wird.

Claims

1. An actuator for actuating the gas exchange valves of an internal combustion engine, whereby the gas exchange valves are actuated by hydraulic fluid conveyed by a feed pump in an open circuit equipped with a storage tank, whereby

- the opening or closing of the gas exchange valves is produced by actuating forces emanating from the hydraulic fluid flowing through the circuit and acting at different levels on the respective gas exchange valve to be actuated,

- downstream from the respective gas exchange valve, the flow cross section of the circuit is constricted or even closed with respect to all areas upstream from this gas exchange valve, at least during the duration of a hydraulically actuated opening or closing of the gas exchange valve,

- the hydraulic actuating force on the gas exchange valve is counteracted by a force, in particular a spring force,

characterized in that
the feed pump (6) is designed for a delivery operation which operates intermittently with a high frequency.

2. The actuator according to Claim 1,
characterized in that
the clock frequency of the intermittently operating feed pump (6) corresponds at least to that of the opening and/or closing frequency of the gas exchange valves (1).

3. The actuator according to Claim 1 or 2,
characterized in that
a mechanical force and/or distance translator (30) is provided between the hydraulic force source and the respective gas exchange valve (1) and cooperates directly with the adjustment mechanism of the respective gas exchange valve (1).

4. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
the feed pump (6) is designed with piezoelectric, magnetostrictive and/or electrochemical actuators (13) as delivery elements.

5. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
the feed pump (6) is turned off at least during a portion of the period of time when there is no hydraulically actuated opening or closing of a respective gas exchange valve (1).

6. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
a shaft of the gas exchange valve (1) is displaceably and tightly inserted into a valve hydraulic chamber (2), which is filled with hydraulic fluid and is connected to the storage container (8) by a line (4) containing the constrictable to closable circulating flow cross section, and it is displaced there to open and close the gas exchange valve (1) with an increase or reduction in size of the hydraulic chamber (2) produced by the hydraulic fluid, and a greater flow resistance is to be overcome by the hydraulic fluid to reduce the size of the hydraulic chamber (2) in comparison with the increase in size of this hydraulic chamber (2).

7. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
the constrictable to closable circulating flow cross section is designed as a cut-off valve (7) or a throttling location.

8. The actuator according to Claim 7,
characterized in that
the cut-off valve (7) is a control valve.

9. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
a displacement sensor (21, 22) is provided for determining the displacement path of the gas exchange valve (1), and the feed pump (6) and/or the stop valve (7, 20) is regulated as a function of the positions of the shaft of the gas exchange valve (1) as determined by this sensor (21, 22).

10. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
in the case of an actuator, a plurality of gas exchange valves (1) are operable by a feed pump (6)) with the help of a multi-way stop valve (23) or a plurality of individual stop valves (7, 28).

11. The actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
the interior of the hydraulic storage tank (8) is under pressure.

12. The actuator for controlling the gas exchange valves of an internal combustion engine according to one of the preceding claims for a driving and braking operation of the internal combustion engine, whereby in braking operation of the engine, the outlet gas exchange valves execute an additional opening/closing cycle during the engine charging and optional decompression procedure in comparison with the engine drive operation,
characterized in that
a hydraulic actuator (26) which operates separately from the feed pump (6) can act on the hydraulic fluid in the hydraulic chambers (2) of the outlet gas exchange valves (1) for controlling the additional opening/closing cycles of the outlet gas exchange valves (1) in the engine braking operation, while the feed pump (6) is switched to inactive during this actuation time.

13. A method of operating an actuator according to one of the preceding claims,
characterized in that
the feed pump (6) produces a braking force which acts on the respective gas exchange valve (1) during the period of time in which a respective gas exchange valve (1) is closed through targeted delivery operation within the hydraulic fluid circulation.

14. The actuator according'to one of the preceding claims
characterized in that
the gas exchange valve (1) is operated according to the principle of a hydraulic pendulum.

Revendications

1. Mécanisme de réglage pour actionner les soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combustion interne, dans lequel les soupapes d'échange de gaz sont actionnées par un fluide hydraulique refoulé par une pompe de refoulement dans un circuit ouvert pourvu d'un réservoir, dans lequel

- l'ouverture ou la fermeture des soupapes d'échange de gaz est provoquée par des forces de réglage provenant du fluide traversant le circuit, agissant à différentes hauteurs sur une soupape d'échange de gaz à actionner à chaque moment,

- en aval de chaque soupape d'échange de gaz existe une section de passage de circuit étranglée à fermée par rapport à l'ensemble des zones situées en amont de cette soupape d'échange de gaz, au moins pendant le laps de temps d'une ouverture ou fermeture provoquée de manière hydraulique de la soupape d'échange de gaz,

- une force, en particulier une force élastique, est orientée à l'opposé de la force de réglage hydraulique sur chaque soupape d'échange de gaz,

caractérisé en ce
que la pompe de refoulement (6) est conçue pour un fonctionnement de refoulement travaillant par intermittence à haute fréquence.

2. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la fréquence de cycle de la pompe de refoulement (6) travaillant par intermittence correspond au moins à celle de la fréquence d'ouverture ou de fermeture des soupapes d'échange de gaz (1).

3. Mécanisme de réglage selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce
qu'entre la source de force hydraulique et chaque soupape d'échange de gaz (1) est prévu un démultiplicateur de force et/ou de course (30) coopérant directement avec le mécanisme de réglage de la soupape d'échange de gaz (1) concernée.

4. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la pompe de refoulement (6) est réalisée avec des actionneurs (13) piézo-électriques, magnétostrictifs et/ou électrochimiques comme éléments de refoulement.

5. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la pompe de refoulement (6) est hors circuit pendant au moins une partie du laps de temps pendant lequel ne s'opère aucune ouverture ou fermeture provoquée de manière hydraulique d'une soupape d'échange de gaz (1) particulière.

6. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
qu'une tige de la soupape d'échange de gaz (1) plonge, en coulissant de manière étanche, dans une chambre hydraulique de soupape (2) remplie de fluide hydraulique, qui est reliée au réservoir (8) par l'intermédiaire d'une conduite (4) comprenant une section de passage de circuit pouvant être étranglée à fermée, et y est déplacée en translation pour ouvrir et fermer la soupape d'échange de gaz (1) avec agrandissement ou réduction de la chambre hydraulique (2) provoqué par le fluide hydraulique et que le fluide hydraulique doit surmonter une résistance à l'écoulement plus élevée pour la réduction de la chambre hydraulique (2) en comparaison de l'agrandissement de cette chambre hydraulique (2).

7. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la section de passage de circuit pouvant être étranglée ou fermée est réalisée comme une vanne d'arrêt (7) ou un point d'étranglement.

8. Mécanisme de réglage selon la revendication 7,
caractérisé en ce
que la vanne d'arrêt (7) est une vanne de régulation.

9. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
qu'un capteur de déplacement (21, 22) est prévu pour déterminer la course de translation de la soupape d'échange de gaz (1) et que la pompe de refoulement (6) et/ou la vanne d'arrêt (7, 20) est régulée en fonction des positions de la tige de la soupape d'échange de gaz (1) déterminées par ce capteur (21, 22).

10. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que pour un mécanisme de réglage plusieurs soupapes d'échange de gaz (1) peuvent être actionnées par une pompe de refoulement (6) à l'aide d'une vanne d'arrêt multivoie (23) ou de plusieurs vannes d'arrêt individuelles (7, 28).

11. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que l'intérieur du réservoir hydraulique (8) est sous pression.

12. Mécanisme de réglage pour commander les soupapes d'échange de gaz d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes pour un fonctionnement d'entraînement et de freinage du moteur à combustion interne, dans lequel, dans le fonctionnement de freinage du moteur, pendant chaque processus de suralimentation et le cas échéant de décompression du moteur, les soupapes d'échange de gaz d'échappement accomplissent un cycle d'ouverture/fermeture supplémentaire en comparaison du fonctionnement d'entraînement du moteur,
caractérisé en ce
que pour commander les cycles d'ouverture/fermeture supplémentaires des soupapes d'échange de gaz (1) d'échappement, dans le fonctionnement de freinage du moteur, un actionneur hydraulique (26) travaillant à chaque fois de manière séparée de la pompe de refoulement (6) peut agir sur le fluide hydraulique dans les chambres hydrauliques (2) des soupapes d'échange de gaz (1), tandis que la pompe de refoulement (6) est chaque fois commutée à l'état inactif pendant ce laps de temps d'actionnement.

13. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que, pendant le laps de temps pendant lequel une soupape d'échange de gaz (1) particulière se ferme, la pompe de refoulement (6) génère une force de freinage agissant sur la soupape d'échange de gaz (1) concernée par un refoulement ciblé à l'intérieur du circuit de liquide hydraulique.

14. Mécanisme de réglage selon l'une des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce
que la soupape d'échange de gaz (1) est actionnée suivant le principe d'un pendule hydraulique.

Zeichnung