[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilantrieb, insbesondere für Gaswechselventile
von Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Arbeitszylinder bewegbar gelagerten Betätigungselement,
insbesondere Kolben, zum Antrieb eines Ventils, wobei im Arbeitszylinder auf einer
Seite des Betätigungselementes mindestens ein über zumindest eine erste Fluidleitung
mit zumindest einem Druckspeicher für Fluid in Verbindung stehendes Arbeitsvolumen
vorgesehen ist, wobei ein zumindest zwei Fluidieitungen schaltendes, aktiv betätigbares
Steuerventil in der ersten Fluidleitung angeordnet ist sowie insbesondere eine Brennkraftmaschine
mit einem solchen Ventilantrieb.
[0002] Gattungsgemäße Ventilantriebe sind zum Beispiel aus der
EP 1215369 A2 bekannt. Man spricht auch von vollvariablen Ventilantrieben. Diese beruhen überwiegend
auf dem Konzept eines freien Schwingers und verfolgen den Grundgedanken, beim Abbremsen
des Ventils oder des Ventilantriebs Energie zurückzugewinnen und in Form von Druck
zwischen zu speichern, um diesen Druck für den Antrieb des Ventils bei einem nachfolgenden
Hub, insbesondere beim Gegenhub, wieder für die Beschleunigung des Ventils einsetzen
zu können. Grundgedanke ist es also, in Form von quasi freien Schwingern besonders
energiesparende Ventilantriebe für die Öffnungs- und/oder Schließbewegung eines Ventils
zu schaffen.
[0003] Bei den beim Stand der Technik bekannten Systemen ist es notwendig, während eines
Öffnungs- und Schließhubzyklus des Ventilantriebs mehrere elektrisch geschaltete bzw.
druck- oder weggesteuerte aktiv betätigbare Steuerventile gegebenenfalls mehrfach
zu schatten. Dies führt zu sehr aufwändigen Aufbauten.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, die Anzahl der benötigten aktiv betätigbaren Steuerventile
und die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zyklus zu minimieren.
[0005] Dies wird gemäß der Erfindung erreicht, indem zumindest ein passives Schaltelement
zur Steuerung eines Fluiddurchflusses, vorzugsweise Rückschlagventil, zum Steuerventil
in Reihe oder parallel geschaltet ist.
[0006] Unter passiven Schaltelementen versteht man dabei insbesondere Schaltelemente die
mittels des durch sie hindurchfließenden Fluides geschaltet werden. Sie benötigen
keinen zusätzlichen Aktuator, wie dies bei aktiv betätigbaren Steuerventilen zum Schalten
vorgesehen ist. Häufig verwendete, passive Schaltelemente sind zum Beispiel Rückschlagventile.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von passiven Schaltelementen wird günstiger
Weise nur noch ein einziges aktiv betätigbares Steuerventil benötigt. Darüber hinaus
ist es auch möglich, dass dieses aktiv betätigbare Steuerventil während eines Öffnungs-
und Schließzyklus des zu schaltenden Ventils nur noch einmal zwischen zwei Positionen
hin und her verschoben werden muss.
[0007] Günstige Ausführungsformen sehen vor, dass das Arbeitsvolumen ein erstes Arbeitsvolumen
und der Druckspeicher ein erster Druckspeicher ist und auf einer dem ersten Arbeitsvolumen
entgegengesetzten Seite des Betätigungselementes zumindest ein über zumindest eine
zweite Fluidleitung mit zumindest einem zweiten Druckspeicher für Fluid in Verbindung
stehendes zweites Arbeitsvolumen im Arbeitszylinder vorgesehen ist, wobei das aktiv
betätigbare Steuerventil in der ersten und/oder in der zweiten Fluidleitung angeordnet
ist. Es ist aber auch anstelle des zweiten Arbeitsvolumens und des zweiten Druckspeichers
möglich, auf diese Seite des Betätigungselementes eine Feder oder einen konstanten
Gegendruck zu schalten.
[0008] Besonders einfache, erfindungsgemäße Ausführungsvarianten sehen vor, dass der Ventilantrieb
genau ein aktiv betätigbares Steuerventil aufweist. Wie die weiter unten erläuternden
Ausführungsbeispiele zeigen, ist es günstig, wenn zumindest, vorzugsweise genau, zwei
passive Schaltelemente zur Steuerung eines Fluiddurchflusses zum aktiv betätigbaren
Steuerventil in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Im Falle einer Reihenschaltung
sind das bzw. die passive(n) Schaltelement(e) zur Steuerung eines Fluiddurchflusses
in der ersten und/oder der zweiten Fluidleitung, vorzugsweise auf der dem jeweiligen
Arbeitsvolumen zugewandten Seite des aktiv betätigbaren Steuerventils, angeordnet.
Im Falle einer Parallelschaltung kann günstiger Weise vorgesehen sein, dass das bzw.
die passiven Schaltelemente, vorzugsweise jeweils in mindestens einer um das aktiv
betätigbare Steuerventil herumführenden Bypassleitung der ersten und/oder der zweiten
Fluidleitung angeordnet sind. Bei den erfindungsgemäßen Ventilantrieben können die
Betätigungselemente hydraulisch und/oder pneumatisch betätigbar sein. Ein genereller
Vorteil ist es aber, wenn die Ventilantriebe derart ausgebildet sind, dass vorzugsweise
beim Abbremsen, kinetische Energie des Ventilantriebs, vorzugsweise des Ventils, durch
Druckaufbau im ersten Druckspeicher und/oder im zweiten Druckspeicher für einen nachfolgenden
Hub des Ventils zwischenspeicherbar ist.
[0009] Die bisher beschriebenen Ventilantriebe können besonders gut zum Öffnen und Schließen
von Ventilen eingesetzt werden, bei denen beim Öffnungs- wie auch beim Schließhub
ungefähr dieselbe Gegenkraft auf das Ventil einwirkt. Dies ist zum Beispiel bei Einlassventilen
für Brennkammern von Brennkraftmaschinen der Fall. Anders ist die Lage jedoch zum
Beispiel bei Auslassventilen von Brennkammern, bei denen beim Stand der Technik ein
erheblicher zusätzlicher Leistungsverbrauch durch die sogenannte Gasgegenkraft im
Brennraum entsteht. Diese Gasgegenkraft resultiert aus einem Restdruck, der beim Öffnen
des Auslassventils vom vorangegangenen Arbeitszyklus der Brennkammer noch vorhanden
ist. Je nach Fahrweise und öffnungszeitpunkt ist dieser Restdruck unterschiedlich
groß. Er kann aber größenordnungsmäßig bis zu 10 bar und mehr ausmachen. Gegen diesen
Druck muss das Auslassventil geöffnet werden. Diese Gasgegenkraft ist aber nur beim
Öffnungshub und nicht beim Schließhub vorhanden. Hieraus resultiert eine Unsymmetrie,
die sich besonders bei den oben genannten energiesparenden Ventilantrieben negativ
auswirkt. Um hier eine Verbesserung zu erreichen, sehen besonders bevorzugte, zum
Beispiel für die Betätigung von Auslassventilen von Brennkraftmaschinen einsetzbare,
Ventilantriebe einen Zusatzaktuator vor, der das Betätigungselement bei dem mehr Kraft
benötigenden Hub zumindest Abschnittsweise unterstützt.
[0010] Häufig reicht es dabei aus, wenn der Zusatzaktuator so ausgebildet ist, dass er nur
eine Teilstrecke, vorzugsweise am Anfang, des vom Betätigungselement auszuführenden
Öffnungs- und Schließhubes auf das Ventil einwirkt. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen
sein, dass für den Zusatzaktuator ein Anschlag vorgesehen ist, den er erreicht, bevor
das Ventil eine seiner Endlagen erreicht. Günstigerweise ist vorgesehen, dass der
Zusatzaktuator nicht mit aus einer Brennkammer, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine,
abgeleitetem Druck als antreibende Kraft betreibbar ist. Dies vermeidet Probleme mit
der Entnahme von Verbrennungsgasen aus dem Brennraum, bei der es durch Verkokung zum
Versagen von solchen Systemen kommen kann.
[0011] Die zur Unterstützung des Betätigungselementes einsetzbaren Zusatzaktuatoren können
in unterschiedlichster Weise ausgeführt werden. Günstige Varianten sehen vor, dass
sie hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrisch und/oder piezoelektrisch
und/oder magnetisch und/oder elektromagnetisch antreibbar sind.
[0012] Weitere Einzelheiten und Merkmale sowie Ausgestaltungsformen der Erfindung werden
anhand der nachfolgenden Figuren weiter erläutert. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, insbesondere für Einlassventile
von Brennkraftmaschinen, mit in Reihe zum Steuerventil geschalteten passiven Schaltelementen,
- Fig. 2a, b, c
- Verläufe des Öffnungshubes des Ventils, des Druckverlaufs in den Druckspeichern und
der Stellung des Steuerventils sowie seiner Ventilkanten während des öffnungs- und
Schließzyklus,
- Fig. 3
- ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, insbesondere für Einlassventile
von Brennkraftmaschinen, mit parallel zum Steuerventil geschalteten passiven Schaltelementen,
- Fig. 4
- das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ergänzt durch einen Zusatzaktuator, insbesondere
für Gasauslassventile,
- Fig. 5a, b, c
- zu den Fig. 2a bis c analoge Verläufe des Schließ- und Öffnungshubes des Ventils,
des Druckverlaufs in den Druckspeichem und der Bewegung des Steuerventils für das
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4,
- Fig. 6
- ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Zusatzaktuator basierend auf dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 3 und
- Fig. 7 und 8
- verschiedenen Ausführungsformen von Druckspeichern.
[0013] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei passive Schaltelemente
30, 31 in Form von Rückschlagventilen zum Steuerventil 29 in Reihe geschaltet. Der
dort gezeigte Ventilantrieb dient zur Durchführung des Öffnungs- und Schließhubes
des Ventils 22. Dies kann zum Beispiel ein Einlassventil in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine sein. Wie in Fig. 1 ersichtlich, ist der Schaft des Ventils 22
mit dem als Kolben ausgebildeten Betätigungselement 21 des Arbeitszylinders 20 verbunden.
Die zwei Druckspeicher 27 und 28 werden mit den beiden Arbeitskammern 23 und 24 des
Arbeitszylinders 20 verbunden. Der zweite Druckspeicher 28 ist über die zweite Fluidleitung
26 direkt mit der der zweiten Arbeitskammer 24 auf der Stangenseite des Arbeitszylinders
20 verbunden und wirkt dadurch immer in Richtung des Schließhubes des Ventils 22.
Der erste Druckspeicher 27 wird über das Steuerventil 29 und die als Rückschlagventile
30 und 31 ausgeführten passiven Schaltelemente mit der ersten Arbeitskammer 23 verbunden.
Die zwei Druckspeicher 27, 28 werden vor dem Öffnungshub des Ventils 22 auf Systemdruck
pS gebracht. Dies erfolgt für den zweiten Druckspeicher 28 über das Versorgungs-Rückschlagventil
36 und beim ersten Druckspeicher 27 über die Nachfüllventilkante 37. Damit auch sichergestellt
ist, dass das Ventil 22 geschlossen ist, wird das kolbenseitige, erste Arbeitsvolumen
23 über die Ablassventilkante 38 und die Blende bzw. Drossel 54 in den Tank T abgelassen.
[0014] In der Fig. 2a sind der Weg x(t) des Ventils 22 während des Öffnungs- und Schließhubes
dargestellt. Fig. 2b zeigt den Verlauf p
z2 des Druckes im zweiten Druckspeicher 28 sowie den Verlauf p
z1 des. Druckes im ersten Druckspeicher 27. Der Hub des Steuerventils ist zusammen mit
den Öffnungsphasen der einzelnen Ventilkanten 37, 38 und 39 Ober einen Arbeitszyklus
in Fig. 2c dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt dabei den Verlauf der Stellung
des Steuerventils 29. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der Verbindung 1 nach
2, also den Öffnungs- und Schließverlauf der Hauptventilkante 39. Ergänzend ist punktiert
der Verlauf der Verbindung 1 nach 3 für die Hauptventilkante 39 dargestellt. Die strichpunktierten
Linien zeigen die Öffnungs- und Schließverläufe für die Nachfüllventilkante 37 und
die Ablassventilkante 38, also für die Verbindungen 4 nach 5 und 9 nach 10.
[0015] Zum Auslösen der Bewegung wird, wie aus den Fig. 1 und 2a bis c ersichtlich, das
Steuerventil 29 umgeschaltet. In dieser öffnungsbewegung werden die Nachfüllventilkante
37 und die Ablassventilkante 38 und damit die Verbindungen 4 nach 5 und 9 nach 10
geschlossen. Weiters wird die Verbindung 1 nach 3 vom kolbenseitigen ersten Arbeitsvolumen
23 über das Rückschlagventil 31 (zweites passives Schaltelement) zum ersten Druckspeicher
27 bei der Hauptventilkante 39 geschlossen. Nach dem völligen Schließen dieser Verbindung
wird die Verbindung 1 nach 2 vom ersten Druckspeicher 27 über das Rückschlagventil
30 (erstes passives Schaltelement) zum kolbenseitigen ersten Arbeitsvolumen 23 von
der Hauptventilkante 39 geöffnet. Dabei strömt das Fluid in das erste Arbeitsvolumen
23, Der auf die erste Druckfläche 40 einwirkende Druck beschleunigt das Ventil 22
in Öffnungsrichtung also nach unten, da die zweite Druckfläche 41 des Betätigungselementes
21 kleiner als die erste Druckfläche 40 ist. Bei der Hubbewegung des Ventils 22 steigt
der Druck p
z2 im zweiten Druckspeicher 28. Der Druck p
z1 im ersten Druckspeicher 27 fällt während dieser Hubbewegung ab, 1m Punkt x
max der maximalen Öffnung des Ventils 22 will sich die Strömungsrichtung über die Hauptventilkante
39 umkehren. Das erste passive Schaltelement in Form des Rückschlagventils 30 verhindert
jedoch einen Rückfluss des Fluids, sodass das Ventil 22 in geöffneter Position verharrt.
Die Zeit T
s zum Öffnen und Schließen des Ventils 22 entspricht der Hälfte der Periodendauer eines
freien Schwingers. Damit das System energieeffizient funktioniert, sollte die in Fig.
2c dargestellte Schließbewegung des Steuerventils 29 auf diese Zeit T
s abgestimmt sein. Die Schließbewegung des Steuerventils 29 (siehe Fig. 2c) sollte
günstiger Weise etwa doppelt so lang wie T
s sein.
[0016] Der Schließhub des Ventils 22 beginnt erst, wenn das Steuerventil 29 bei der Hauptventilkante
39 die Verbindung 1 nach 2 verschlossen hat und die Verbindung 1 nach 3 wieder öffnet.
Dadurch kann das Fluid über das Rückschlagventil 31 aus dem kolbenseitigen ersten
Arbeitsvolumen 23 wieder in den ersten Druckspeicher 27 zurückfließen. Aufgrund von
dissipativen Effekten erreicht das Ventil 22 nicht mehr seine Ausgangsposition und
die fehlende Energie muss dem System wieder zugeführt werden. Dies erfolgt einerseits
über das Nachfüllen des ersten Druckspeichers 27 über die Nachfüllventilkante 37 und
beim zweiten Druckspeicher 28 über das Versorgungsrückschlagventil 36. Weites wird
das kolbenseitige erste Arbeitsvolumen 23 über die Ablassventilkante 38 auf Tank T
gelegt. Damit kann garantiert werden, dass das Ventil 22 auch sicher geschlossen wird.
Wie oben geschildert, muss das Steuerventil 29 somit während des gesamten Zyklus des
Öffnungs- und Schließhubes des Ventils 22 lediglich einmal von der geschlossenen in
die in Fig. 2c mit 1 definierte geöffnete Stellung und wieder in die geschlossene
Stellung (=0) zurückbewegt werden. Es handelt sich dabei nicht um ein schlagartiges,
sondern vielmehr um ein graduelles Öffnen und Schließen der einzelnen Ventilkanten,
wie dies aus Fig. 2c hervorgeht. Die Ventilkanten 37, 38 und 39 sind physisch entsprechend
auszuführen.
[0017] In Fig. 3 ist ein Realisierungsbeispiel mit zwei parallel geschalteten passiven Schaltelementen
30, 31 - ebenfalls in Form von Rückschlagventilen ausgebildet - dargestellt. Die passiven
Schaltelemente 30, 31 sind in Bypassleitung 32, 33, welche um das Steuerventil 29
herumführen, angeordnet, womit die passiven Schaltelemente parallel zum Steuerventil
29 geschaltet sind. Diese Realisierung ähnelt dem vorher ausführlich erklärten System.
Die wesentlichen Unterschiede liegen in den genannten parallelen Anordnungen der beiden
Rückschlagventile 30 und 31 zum Steuerventil 29 und in der Schaltung der Verbindung
zum zweiten Druckspeicher 28 über das Steuerventil 29 (Verbindung 11 und 12). Zum
Auslösen des Öffnungshubes wird das Steuerventil 29 umgeschaltet. Bevor die Hauptventilkante
39 geöffnet wird, werden die Nachfüllventilkante 37 (Verbindung 4 nach 5) und die
Ablassventilkante 38 (Verbindung 9 nach 10) geschlossen. Sobald sich die Hauptventilkante
39 (Verbindung 1 nach 2) öffnet, beginnt der Öffnungshub des Ventils 22. Wenn der
Großteil des Hubes erreicht ist, erreicht die Hauptventilkante ihre Endposition und
schließt damit die Verbindung 11 nach 12. Nur ein sehr geringer Teil des Volumenstroms
muss damit über das Rückschlagventil 31 fließen. Sobald das Ventil 22 den maximalen
Hub erreicht und wieder zurückschwingen will, schließt das Rückschlagventil 31. Das
Ventil 22 wird in seiner offenen Stellung gehalten.
[0018] Die Rückbewegung des Ventils 22 wird durch die Schließbewegung des Steuerventils
29 ausgelöst. Sobald die Verbindung 11 nach 12 geöffnet wird, beginnt sich das Ventil
22 in Form des Schließhubes zurückzubewegen. Als nächstes wird die Ventilkante 39
geschlossen und das Fluid fließt über das Rückschlagventil 30. Kurz vor dem Umkehrpunkt
öffnet die Nachfüllventilkante 37 (Verbindung 4 nach 5) und die Ablassventilkante
38 (Verbindung 9 nach 10). Mittels der Blende 54 kann die Auftreffgeschwindigkeit
am Sitz eingestellt werden.
[0019] Bei der Variante gemäß Fig. 1 wird die Hauptventilkante immer in Reihe zu einem der
beiden Rückschlagventile 30 und 31 betrieben, was zu etwas höheren Verlusten und damit
zu einer etwas höheren Antriebsleistung führt. Bei der Variante gemäß Fig. 3 verringert
sich dieser Verlust, da die Phasen in denen der Volumenstrom über ein Rückschlagventil
und eine Ventilkante fließen muss entscheidend reduziert sind.
[0020] In Fig. 3 ist darüber hinaus an der Verbindung zwischen dem zweiten Arbeitsvolumen
24 und der zweiten Fluidleitung 26 eine Endlagendämpfung realisiert. Diese dient dazu,
das Ventil 22 abzubremsen, wenn es eine seiner Endlagen, hier insbesondere seine geöffnete
Endlage, erreicht. Hierzu ist eitle Drossel bzw. Blende 42 vorgesehen, über die das
Fluid aus dem zweiten Arbeitsvolumen 24 in die zweite Fluidleitung 26 strömt, wenn
das Betätigungseleme 21 den Resthub zwischen X
max und X
maxmach ausführt. Das Rückschlagventil 43 ist für die Rückströmung des Fluids vorgesehen.
[0021] Diese Art der Endlagendämpfung kann besonders dann vorgesehen sein, wenn der Ventilantrieb
für eine unsymmetrische Kraftverteilung bzw. Gasgegenkraft ausgelegt ist. Meist kommt
sie nur dann zum Einsatz, wenn zum Beispiel durch eine Fehlzündung im Brennraum der
Brennkraftmaschine keine Gasgegenkraft aufgebaut wird, wobei dann das Ventil 22 von
der Endlagendämpfung abgefangen werden kann.
[0022] In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 6 ist zum Betätigen des Ventils 22
zusätzlich zum Betätigungselement 21 jeweils auch ein Zusatzaktuator 34 vorgesehen.
Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen dann günstig, wenn das Ventil 22 gegen
einen hohen Gegendruck in der Brennkammer geöffnet werden muss. Dies ist vor allem
bei Auslassventilen der Fall. Meist reicht es dabei aus, wenn die Unterstützung des
Zusatzaktuators 34 am Beginn der Öffnungsbewegung also nur für einen Teilhub hp vorgesehen
ist. Die zusätzlich beim Auslassventil zur Überwindung der Gasgegenkräfte beim Öffnungshub
benötigte Kraft bzw. die damit verrichtete Arbeit geht verloren und kann auch nicht
mehr wiedergewonnen werden.
[0023] Da die benötigte Kraft zum Öffnen des Auslassventils 22, gegen den hohen Gegendruck,
schon im Bereich der Öffnungs- und Schließkräfte liegt und damit keine untergeordnete
Rolle mehr spielt, ist es günstig, den Antrieb für die Hubbewegung und den zum Öffnen
gegen die Gaskraft zu separieren.
[0024] Dies ist zum Beispiel in Fig. 4 gezeigt. Der Aufbau entspricht weitgehend dem des
Ventilantriebs gemäß Fig. 1. Ein Unterschied ist jedoch, dass ein Zusatzaktuator 34
mit einem Plunger 44 mit begrenztem Hub hp auf die Ventilstange 45 eine Kraft ausüben
kann. Eine Feder 46 sorgt für eine definierte Ausgangsstellung des Plungers 44. Die
Versorgung der Plungerkammer 47 erfolgt über eine zusätzliche 3/2-Wegeventilkante
48 am Steuerventil 29. In der Ausgangsstellung ist die Plungerkammer 47 mit Tank T
verbunden. Beim Öffnen des Steuerventils 29 wird die Tankverbindung verschlossen und
die Plungerkammer 47 mit Hochdruck verbunden (siehe Fig. 5). Der Plunger 44 wirkt
damit auf die Aktorik und unterstützt die Öffnungsbewegung des Betätigungselementes
21 und damit des Ventils 22. Die Kraft wirkt jedoch nur so lange, bis der Plunger
44 den Hub hp verrichtet hat und am Anschlag 35 abgebremst wird. Dann hebt die Ventilstange
45 vom Plunger 44 ab und wird nur mehr vom Arbeitszylinder 20 bzw. Betätigungselement
21 bewegt.
[0025] Beim Rückhub wir die Plungerkammer 47 wieder mit Tank T verbunden und der Plunger
44 wird durch die Feder 46 in seine Ausgangsstellung zurück gedrückt.
[0026] In der vom Auslassventil 22 verschlossenen Brennkammer kann es zu Zündaussetzern
kommen. Dabei tritt nur ein viel geringer Gasgegendruck als ohne Zündaussetzer auf.
Um den Ventilantrieb vor Schäden zu schützen, wird auch hier eine zusätzliche Endlagendämpfung
integriert. Der Aufbau ist ebenfalls in Fig. 4 dargestellt. Wird der maximale Hub
x
max überschritten, so wird die Zuleitung bzw. Ableitung 49 verschlossen und das Fluid
kann nur durch die Blende bzw. Drossel 42 entweichen. Damit steigt der Druck im stangenseitigen
zweiten Arbeitsvolumen 24 und bremst das Ventil 22 ab. Um Kavitation beim Rückhub
zu verhindern, ist wiederum ein zusätzliches Rückschlagventil 43 integriert.
[0027] In den Fig. 5a, 5b und 5c sind im Wesentlichen die gleichen Diagramme wie in den
Fig. 2a, 2b und 2c dargestellt. Zusätzlich sind in Fig. 5c noch die Bewegung der im
Steuerventil 29 zusätzlich realisierten 3/2-Wegeventilkante 48 eingezeichnet. Diese
dient der Beaufschlagung der Plungerkammer 47 und öffnet und verschließt die Verbindung
7 nach 6 und 6 nach 8.
[0028] Der Zusatzaktuator kann - wie in Fig. 4 gezeigt - hydraulisch realisiert werden.
Darüber hinaus bestehen aber auch Möglichkeiten des pneumatischen, elektrischen, piezoelektrischen
und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Antriebs des Zusatzaktuators 34.
Solche Antriebe sind an sich bekannt und müssen daher nicht noch einmal im Detail
erläutert werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, können der Zusatzaktuator 34 wie auch das
Betätigungselement 21 hydraulisch und/oder pneumatisch betreibbar und von einer gemeinsamen
Systemdruckquelle pS speisbar sein.
[0029] Eine elektrische Realisierung ist hingegen in Fig. 6 gezeigt. Die Betätigung des
Betätigungselementes 21 entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel dem zu Fig. 3 geschilderten.
Demgegenüber neu ist der elektrische Zusatzaktuator 34. Dieser unterstützt das Betätigungselement
21 am Anfang des Öffnungshubes und wird dann z.B. über eine Feder oder elektrisch
in seine Ausgangsposition zurückgefahren. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist somit
vorgesehen, dass der Zusatzaktuator 34 nur auf einem Teilhub unterstützend eingreift.
[0030] Die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Systeme mit Energierückgewinnung
durch Zwischenspeicherung können sowohl pneumatisch als auch hydraulisch ausgeführt
sein. Bei hydraulischen Schwingern wird vorzugsweise die Kompression des Fluides verwendet.
Dabei kann auf zusätzliche externe Speicher verzichtet werden. Der Nachteil dieser
Variante ist jedoch, dass die Druckspeicher 27 und 28 einen relativ großen Platzbedarf
haben. Ist dies nicht gewünscht, wie z.B. für mobile Antriebe, kann aber auch mit
Hilfe von externen Speichern 27 und/oder 28, wie z.B. Gasspeichern, gearbeitet werden,
um den Aktuator selbst möglichst klein zu bauen. Günstig ist es dabei, auf Speicher
mit hoher Lebensdauer und kompakter Bauweise zurückzugreifen. Konventionelle Membranspeicher
erfüllen diese Voraussetzungen oft nicht. In den Fig. 7 und 8 sind zwei Realisierungsmöglichkeiten
von Gasspeichern gezeigt, die für den Einsatz gemäß der Erfindung günstig sind. Das
Gas 51 wird dabei durch die Membran 52 vom Fluid 53 getrennt. Um die Lebensdauer möglichst
hoch anzusetzen, kommen günstigerweise Stahlmembranen zum Einsatz.
[0031] Wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, besteht das Steuerventil 29 aus mehreren
Stufen bzw. Ventilkanten. Es schaltet somit zumindest zwei bzw. mehrere Fluidleitungen.
Um die Energieeffizienz des Gesamtsystems möglichst hoch anzusetzen, ist vor allem
bei der Hauptventilkante 39 auf günstige Nennvolumenströme zu achten. Der Druckverlust
bei dieser in der Regel als 3/2-Wegeventil ausgeführten Hauptventilkante sollte möglichst
gering gehalten werden. Bei den Zusatzventilkanten 37, 38 und 48 sind Druckverluste
nicht so entscheidend. Der Hauptvorteil des mehrstufigen Steuerventils 29 ist es,
dass nur ein einziges Ventil bzw. nur ein einziger Schieber benötigt wird. Dies wirkt
sich sowohl auf die Kosten als auch auf die Zuverlässigkeit des Systems positiv aus.
[0032] In den gezeigten Ausführungsbeispielen besitzt das Steuerventil 29 eine hydraulische
Vorsteuerung, da mit dieser der zeitliche Verlauf des Steuerventils 29 besonders einfach
zu realisieren ist.
[0033] Als Rückschlagventile werden günstigerweise besonders schnelle Ausführungsvarianten
verwendet, welche einen möglichst geringen Druckverlust verursachen.
[0034] Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten weisen vor allem in
Bezug auf Robustheit und einfachen Aufbau einen großen Vorteil auf. Zusätzlich besitzen
diese Realisierungsformen ein hohes Energieeinsparungspotential, welches im Bereich
von 50 Prozent liegt. Ein weiterer Pluspunkt ist der automatische Ventilspielausgleich.
Ein Ventilspielausgleich insbesondere für Großmotoren muss in der Lage sein, mehrere
Millimeter - größenordnungsmäßig 4 mm - auszugleichen. Bei diesem System kann man
diese Längenänderung in dem kolbenseitigen ersten Arbeitsvolumen 23 des Arbeitszylinders
20 unterbringen. Diese Volumensänderung ist im Vergleich zu den Volumen der Druckspeicher
27 und 28 sehr gering. Dadurch ändern sich auch die Schaltseiten und der Hub des Aktuators
nicht merklich. Bei Verwendung eines Zusatzaktuators 34 könnte zusätzlich ein Ventilspielausgleich
im Betätigungselement 21 eingebaut sein.
[0035] Auch wenn die erfindungsgemäßen Ventilantriebe sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen
auf die Anwendung bei Gasein- oder -auslassventilen von Brennkraftmaschinen konzentrieren,
so können erfindungsgemäße Ausführungsformen aber auch für große Ventilschieber in
der Hydraulik, Kompressorventile oder für Antriebe von Stanzmaschinen u. dgl. genutzt
werden, um nur einige Beispiele zu nennen.
1. Ventilantrieb, insbesondere für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen, mit einem
in einem Arbeitszylinder bewegbar gelagerten Betätigungselement, insbesondere Kolben,
zum Antrieb eines Ventils, wobei im Arbeitszylinder auf einer Seite des Betätigungselementes
mindestens ein über zumindest eine erste Fluidleitung mit zumindest einem Druckspeicher
für Fluid in Verbindung stehendes Arbeitsvolumen vorgesehen ist, wobei ein zumindest
zwei Fluidleitungen schaltendes, aktiv betätigbares Steuerventil in der ersten Fluidleitung
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein passives Schaltelement (30, 31) zur Steuerung eines Fluiddurchflusses,
vorzugsweise Rückschlagventil, zum Steuerventil (29) in Reihe oder parallel geschaltet
ist.
2. Ventilantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen ein erstes Arbeitsvolumen (23) und der Druckspeicher ein erster
Druckspeicher (27) ist und auf einer dem ersten Arbeitsvolumen (23) entgegengesetzten
Seite des Betätigungselementes (21) zumindest ein über zumindest eine zweite Fluidleitung
(26) mit zumindest einem zweiten Druckspeicher (27) für Fluid in Verbindung stehendes
zweites Arbeitsvolumen (24) im Arbeitszylinder (20) vorgesehen ist, wobei das aktiv
betätigbare Steuerventil (29) in der ersten und/oder in der zweiten Fluidleitung (25,
26) angeordnet ist.
3. Ventilantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilantrieb genau ein aktiv betätigbares Steuerventil (29) aufweist.
4. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest, vorzugsweise genau, zwei passive Schaltelemente (30, 31) zur Steuerung
eines Fluiddurchflusses zum aktiv betätigbaren Steuerventil (29) in Reihe und/oder
parallel geschaltet sind.
5. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Reihenschaltung das (die) passive(n) Schaltelement(e) (30, 31) zur
Steuerung eines Fluiddurchflusses in der ersten (und/)oder der zweiten Fluidleitung
(25, 26), vorzugsweise auf der dem jeweiligen Arbeitsvolumen (23, 24) zugewandten
Seite des aktiv betätigbaren Steuerventils (29), angeordnet ist (sind).
6. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Parallelschaltung das (die) passive(n) Schaltelement(e) (30, 31) zur
Steuerung eines Fluiddurchflusses, vorzugsweise jeweils, in mindestens einer um das
aktiv betätigbare Steuerventil (29) herumführenden Bypassleitung (32, 33) der ersten
(und/)oder der zweiten Fluidleitung (25, 26) angeordnet ist (sind).
7. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (21) hydraulisch und/oder pneumatisch betätigbar ist,
8. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise beim Abbremsen, kinetische Energie des Ventilantriebs, vorzugsweise
des Ventils (22), durch Druckaufbau im ersten Druckspeicher (27) und/oder im zweiten
Druckspeicher (28) für einen nachfolgenden Hub des Ventils (22) zwischenspeicherbar
ist.
9. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine, vorzugsweise hydraulische und/oder pneumatische, Endlagendämpfung für zumindest
einen Bereich vorsieht, in dem das Ventil (22) eine seiner Endlagen erreicht.
10. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (21) zur Durchführung eines Öffnungshubes und eines Schließhubes
des Ventils (22) vorgesehen ist und bei zumindest einem Teil des Öffnungshubes oder
des Schließhubes mehr Kraft vom Betätigungselement (21) auf das Ventil (22) aufzubringen
ist, als bei dem jeweils anderen Hub, wobei ein Zusatzaktuator (34) vorgesehen ist,
der das Betätigungselement (21) bei dem mehr Kraft benötigenden Hub zumindest abschnittsweise
unterstützt.
11. Ventilantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (34) nicht mit aus einer Brennkammer, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine,
abgeleitetem Druck als antreibende Kraft betreibbar ist.
12. Ventilantrieb nach Anspruche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (34) hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrisch und/oder
piezo-elektrisch und/oder magnetisch und/oder elektro-magnetisch antreibbar ist.
13. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Zusatzaktuator (34) als auch das Betätigungselement (21) hydraulisch und/oder
pneumatisch betreibbar und vorzugsweise von einer gemeinsamen Systemdruckquelle (pS)
speisbar sind.
14. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (34) das Betätigungselement (21) bei dem mehr Kraft benötigenden
Hub während des gesamten Hubes unterstützt.
15. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (34) so ausgebildet ist, dass er nur auf einer Teilstrecke (hp), vorzugsweise am Anfang, des vom Betätigungselemtent (21) auszuführenden Öffnungs-
oder Schließhubes auf das Ventil (22) einwirkt.
16. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (34) die Energiezufuhr beendet, bevor das Ventil (22) eine seiner
Endlagen erreicht.
17. Ventilantrieb nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass für den Zusatzaktuator (34) ein Anschlag (35) vorgesehen ist, den er erreicht, bevor
das Ventil (22) eine seiner Endlagen erreicht.
18. Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilantrieb für ein Gasauslassventil oder ein Gaseinlassventil einer Brennkraftmaschine
vorgesehen ist.
19. Brennkraftmaschine mit einem Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 18.