[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern des Auslassventils einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine, das an seinem dem Verschlussteil abgewendeten Ende mit
einem in einem Servozylinder geführten Servokolben in Wirkungsverbindung steht, der
im Arbeitstakt der Maschine von einem hydraulischen Druckmittel im Ventilöffnungssinn
beaufschlagt ist, das über eine Druckmittelleitung von einer Druckmittelquelle dem
Servozylinder zugeführt wird.
[0002] Eine Einrichtung dieser Art ist aus der GB-OS 2 102 065 bekannt. In der bekannten
Vorrichtung ist die Druckmittelleitung an die Druckseite einer Kolbenpumpe angeschlossen,
deren Kolben von einer Nockenwelle angetrieben ist. Die Nockenwelle ihrerseits wird
über zwischengeschaltete Elemente, z.B. ein Zahnradpaar, von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
angetrieben. Der das Auslassventil öffnende Druck des Druckmittels und damit der Oeffnungs-
und der Schliesspunkt dieses Ventils sind also von der Form des den Pumpenkolben antreibenden
Nockens auf der Nockenwelle abhängig. Die Nockenform und somit die jeweilige Lage
des Oeffnungs- und des Schliesspunktes sind in relativ engen Grenzen variierbar, was
nachteilig ist.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass ein Nockenwellenantrieb zum Erzeugen des Oeffnungsdruckes
des Auslassventils entfällt.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs
1 gelöst. Durch diese Ausbildung der Steuereinrichtung wird das Betätigen des Auslassventils
durch vom Kurbelwinkel abhängige elektrische Signale bewirkt, die dem Elektromagneten
zugeführt werden, der dann durch entsprechende Beeinflussung des Vorsteuerventils
und durch von diesem abhängige Beeinflussung des 4/2-Wegeventils das Druckmittel zum
Servokolben des Auslassventils weiterleitet, wodurch dieses öffnet, oder den Servokolben
vom Druck des Druckmittels entlastet, wodurch das Auslassventil in die Schliessstellung
gelangt. Mit Hilfe der elektrischen Signale ist man freier in der Wahl des Oeffnungs-
und des Schliesspunktes des Auslassventils, wodurch der Spülvorgang im Arbeitszylinder
der Brennkraftmaschine in derem ganzen Arbeitsbereich optimiert werden kann. Daraus
resultiert eine Brennstoffersparnis. Durch den Wegfall der Nockenwelle und ihres Antriebes
wird die erfindungsgemässe Steuereinrichtung auch konstruktiv einfacher und billiger.
Ferner stellt die neue Einrichtung sicher, dass das Auslassventil auch öffnet, wenn
der Elektromagnet störungshalber ohne Strom ist.
[0005] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil eines Arbeitszylinders mit einem Auslassventil
sowie ein Schaltschema der Steuereinrichtung,
- Fig. 2
- einen Axialschnitt durch ein 4/2-Wegeventil der Steuereinrichtung,
- Fig. 3
- einen Axialschnitt durch ein Vorsteuerventil der Steuereinrichtung und
- Fig. 4
- einen gegenüber Fig. 3 um 90o gedrehten Axialschnitt durch den oberen Teil des Vorsteuerventils.
[0006] Gemäss Fig. 1 ist im Maschinengehäuse einer 2-Takt-Dieselbrennkraftmaschine ein Arbeitszylinder
1 und anschliessend an dessen oberen Ende in einem getrennten Gehäuse 10 ein Auspuffkanal
4 ausgebildet. Im Gehäuse 10 ist am Eingang des Auspuffkanals 4 ein Auslassventil
2 angeordnet, das in der gezeichneten geschlossenen Stellung den Brennraum 3 im Arbeitszylinder
1 vom Auspuffkanal 4 trennt. Im Arbeitszylinder 1 ist ein Arbeitskolben 5 auf- und
abbeweglich geführt. Die im Arbeitszylinder zu komprimierende Luft wird über nicht
dargestellte, im unteren Bereich des Arbeitszylinders 1 angeordnete Schlitze in den
Zylinderraum eingelassen und beim anschliessenden Aufwärtshub des Arbeitskolbens 5
im Brennraum 3 verdichtet. Der Brennstoff wird mit Hilfe mindestens einer nicht dargestellten,
in den Brennraum 3 ragenden Einspritzdüse zugeführt.
[0007] An dem dem Brennraum 3 abgewendeten Ende des Auslassventils 2 ist ein Kolben 6 angeordnet,
der in einem Zylinder 7 des Gehäuses 10 geführt ist. An dem in Fig. 1 unterhalb des
Kolbens 6 befindlichen Zylinderraum 7' ist über ein Rückschlagventil 8 eine Druckluftleitung
9 angeschlossen. Die auf diese Weise im Zylinderraum 7' eingeschlossene Luft bildet
eine Luftfeder, die auf das Auslassventil 2 in schliessendem Sinne wirkt.
[0008] Auf die in Fig. 1 obere Seite des Kolbens 6 wirkt über eine Stange 11' ein von einem
hydraulischen Druckmittel betätigter Servokolben 11, der in einem Servozylinder 13
geführt ist, an dem eine hydraulische Steuereinrichtung 12 angeschlossen ist. Die
Steuereinrichtung 12 weist ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes, durch einen Elektromagneten
14 betätigtes Vorsteuerventil 15 und ein 4/2-Wegeventil 16 auf. Das hydraulische Druckmittel,
z.B. Oel, wird der Steuereinrichtung 12 über eine Leitung 17 von einer als Akkumulator
ausgebildeten Druckmittelquelle 18 zugeführt. Der Akkumulator 18 erhält das Druckmittel
aus einem Reservoir 20 mittels einer Pumpe 19, die von der nicht dargestellten Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine oder elektrisch angetrieben ist. Im Akkumulator 18 befindet
sich das Druckmittel unter einem Druck von beispielsweise 200 bar. Die vom Akkumulator
18 zur Steuereinrichtung 12 führende Leitung 17 gabelt sich vor dem 4/2-Wegeventil
16 in zwei Leitungszweige 17' und 17''. Der Leitungszweig 17' führt zum 4/2-Wegeventil
16 und setzt sich als Leitung 27 bis zu einer Anschlussstelle 21 am Servozylinder
13 fort. Der Leitungszweig 17'' enthält eine Drosselstelle 22 und führt einerseits
zum Vorsteuerventil 15 und andererseits auf eine Stirnseite des 4/2-Wegeventils 16.
Am Servozylinder 13 befindet sich eine weitere Anschlussstelle 23 für eine Entlastungsleitung
24, die zum 4/2-Wegeventil 16 führt und sich als Ablaufleitung 24' fortsetzt, die
über ein Rückschlagventil 25 in das Reservoir 20 mündet. An die Ablaufleitung 24'
ist ausserdem eine Entlüftungsleitung 26 angeschlossen, die vom Servozylinder 13 oberhalb
des Kolbens 11 abzweigt und eine Drosselstelle 57 aufweist. Stromoberhalb des Rückschlagventils
25 mündet in die Ablaufleitung 24' eine Entlastungsleitung 28, die vom Vorsteuerventil
15 ausgeht.
[0009] Der Servokolben 11 weist an seinem der Stange 11' abgewendeten Ende eine Sackbohrung
40 auf, die an ihrem in Fig. 1 unteren Ende im Bereich der Anschlussstelle 21 über
Querbohrungen 56 mit einem Ringraum 58 in Verbindung steht. Im Bereich der Anschlussstelle
23 besteht zwischen dem Servokolben 11 und dem Servozylinder 13 ein Ringraum 59.
[0010] In der in Fig. 1 gezeichneten Stellung ist der Strom am Elektromagneten 14 des Vorsteuerventils
15 eingeschaltet, und das über den Leitungszweig 17'' zugeführte Druckmittel wirkt
auf die Stirnfläche des 4/2-Wegeventils 16; die Druckmittelzufuhr über den Leitungszweig
17' und die Leitung 27 zum Servozylinder 13 ist dadurch abgesperrt. Hingegen hat das
4/2-Wegeventil 16 den Durchgang von der Entlastungsleitung 24 zur Ablaufleitung 24'
hergestellt, so dass der Servokolben 11 im Servozylinder 13 vom Druck des Druckmittels
entlastet wird und das Auslassventil 2 von der Luftfeder unter dem Kolben 6 in schliessendem
Sinne beeinflusst wird. Wird der Strom am Elektromagneten 14 ausgeschaltet, so wird
im Vorsteuerventil 15 eine Verbindung zwischen dem Leitungszweig 17'' und der Entlastungsleitung
28 hergestellt, so dass die Stirnfläche des 4/2-Wegeventils 16 vom Druck entlastet
wird. Das 4/2-Wegeventil 16 unterbricht damit die vorherige Verbindung der Leitungen
24 und 24' und verbindet nunmehr den Leitungszweig 17' mit der Leitung 27, so dass
unter Druck stehendes Druckmittel über die Anschlussstelle 21, den Raum 58 und die
Querbohrungen 56 in die Sackbohrung 40 gelangt, wodurch der Servokolben 11 abwärts
bewegt wird und das Auslassventil 2 öffnet.
[0011] Gemäss Fig. 2 besteht das 4/2-Wegeventil 16 im wesentlichen aus einem Gehäuse 30
mit vier Anschlussstellen 31,32,33 und 34 und einem im Gehäuse beweglichen Schieber
35. Der Schieber 35 weist drei kolbenartige Verdickungen 36,37 und 38 auf, die in
fünf Bohrungsabschnitten mit entsprechendem Durchmesser im Gehäuse 30 eng geführt
sind. Den vier Anschlüssen 31 bis 34 entsprechend weist das Gehäuse 30 vier erweiterte,
zwischen diesen Bohrungsabschnitten befindliche Kammern 41,42,43 und 44 auf, von denen
jede über mindestens einen Kanal 41',42',43 bzw. 44'mit dem zugehörigen Anschluss
31 bis 34 verbunden ist. An der Anschlussstelle 31 mündet die vom Servokolben 13 kommende
Entlastungsleitung 24, und an der Anschlussstelle 32 ist die zum Reservoir 20 führende
Ablaufleitung 24' angeschlossen. An der Anschlussstelle 33 ist die zum Servokolben
13 führende Leitung 27 und an der Anschlussstelle 34 der vom Akkumulator 18 kommende
Leitungszweig 17' angeschlossen. Am in Fig. 2 oberen Ende des Gehäuses 30 ist an diesem
ein Deckel 45 befestigt, der an seinem in Fig. 2 nicht gezeigten Ende verschlossen
ist und in seinem Zentrum einen Anschlagbolzen 46 aufweist. Der Bolzen 46 begrenzt
die in Fig. 2 nach oben gerichtete Bewegung des Schiebers 35. Auf dem in Fig. 2 oberen
Ende des Schiebers 35 stützt sich eine Druckfeder 47 ab, die mit ihrem anderen nicht
gezeigten Ende im Deckel 45 untergebracht ist und die den Schieber 35 in Fig. 2 in
Abwärtsrichtung bewegen kann.
[0012] Die in Fig. 1 ausserhalb des 4/2-Wegeventils gezeigte Gabelstelle der Leitung 17
ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 in den Schieber 35 integriert. Zu diesem Zweck
ist die in Fig. 2 unterste kolbenartige Verdickung 38 mit einer Querbohrung 48 versehen,
die sich nach unten in eine axiale Sackbohrung 49 fortsetzt. Am unteren Ende der Sackbohrung
49 schliesst sich an diese eine enge Querbohrung an, die die Drosselstelle 22 bildet.
Die Drosselbohrung 22 setzt sich nach aussen in eine Bohrung 50 fort, die aussen in
einen Einschnitt 51 in der Mantelfläche der Verdickung 38 mündet. Im Bereich dieses
Einschnitts 51 ist der die Verdickung 38 führende Bohrungsabschnitt unterhalb der
Kammer 44 etwas erweitert, so dass in der gezeichneten Stellung eine Druckmittelverbindung
von der Kammer 44 über die Bohrungen 48,49,22 und 50 zu einem Raum 52 unterhalb des
unteren Endes des Schiebers 35 besteht. Der Raum 52 ist in Fig. 2 nach unten von einem
stutzenartigen, am Gehäuse 30 befestigten Bauteil 54 begrenzt und steht über einen
Kanal 53 mit dem Vorsteuerventil 15 in Verbindung. Der Mündung des Kanals 53 in den
Raum 52 steht eine ebene Fläche 55 am Schieber 35 gegenüber.
[0013] Gemäss Fig. 3 besteht das Vorsteuerventil 15 im wesentlichen aus einem Gehäuse 60
mit zwei Anschlussstellen 61 und 62, einem im Gehäuse beweglichen Verschlussteil 63
und dem diesen Verschlussteil betätigenden Elektromagnet 14. Der Verschlussteil 63
wirkt mit einem im Gehäuse 60 eingesetzten Sitzteil 65 zusammen, der an seinem in
Fig. 3 oberen Ende eine Ventilsitzfläche aufweist, unterhalb der mehrere Kanäle 66
münden, die über eine Ringnut 67 und einen Kanal 68 mit der Anschlussstelle 61 in
Verbindung stehen. An der Anschlussstelle 61 ist eine nicht dargestellte Leitung angeschlossen,
die mit dem Kanal 53 am 4/2-Wegeventil 16 (Fig. 2) in Verbindung steht. In Fig. 3
oberhalb des Sitzteils 65 ist im Gehäuse 60 eine Abströmkammer 69 vorgesehen, die
über eine verengte Drosselbohrung 70 mit der Anschlussstelle 62 in Verbindung steht.
An der Anschlussstelle 62 ist die Entlastungsleitung 28 (Fig. 1) angeschlossen. In
Fig. 3 unterhalb des Verschlussteils 63 ist eine Feder 71 vorgesehen, die sich am
Verschlussteil 63 abstützt und auf diesen im öffnenden Sinne wirkt.
[0014] An seinem in Fig. 3 oberen Ende ist der Verschlussteil 63 lösbar über eine Stange
72 mit einem Anker 73 des Elektromagneten 14 verbunden. Eine der Stange 72 entsprechende
Stange 72' weist der Anker 73 auch an seinem anderen Ende auf. Das in Fig. 3 obere
Ende der Stange 72' wirkt mit einem Anschlagbolzen 74 zusammen, der in einem Deckel
75 des Magnetgehäuses 76 verstellbar befestigt ist. Der Anker 73 ist axial beweglich
und wird von zwei Federspinnen 77 und 77' gehalten, die in ihrem Zentrum an der Stange
72 bzw. 72' lösbar befestigt sind. An ihrem äusseren Umfang sind die Federspinnen
zwischen einem stutzenartigen Bauteil 64 im Magnetgehäuse 76 und dem Gehäuse 60 bzw.
zwischen dem Magnetgehäuse 76 und dem Deckel 75 eingeklemmt. Der Anker 73 ist von
einer Messinghülse 78 umgeben, die gegenüber dem Magnetgehäuse 76 und dem Bauteil
64 abgedichtet ist. Die Messinghülse 78 ist ihrerseits von einer Magnetspule 79 umgeben,
die über eine seitliche Oeffnung 80 im Magnetgehäuse 76 mit einer nicht dargestellten
Stromzufuhr versehen ist. Der Anker 73 weist einen sich in axialer Richtung erstreckenden,
durchgehenden Kanal 81 auf, der sich an seinem unteren Ende in einen Kanal 81' im
Bauteil 64 fortsetzt. Ueber die Kanäle 81 und 81' stehen die beiden Stirnseiten des
Ankers 63 mit dem Abflussraum 69 im Ventilgehäuse 60 in Verbindung.
[0015] Wie Fig. 4 zeigt, ist im Magnetgehäuse 76 ausserhalb der Magnetspule 79 ein Kanal
82 vorgesehen, der zwischen der oberen Stirnfläche des Ankers 73 und der Federspinne
77' ausgeht, sich nach unten im Ventilgehäuse 60 fortsetzt und über eine Querbohrung
83 zur Anschlussstelle 62 (Fig. 3) führt. Auf diese Weise herrscht bei geöffnetem
Verschlussteil 63 auf beiden Stirnseiten des Ankers 73 unterschiedlicher hydraulischer
Druck, so dass der Anker 73 von Druckmittel aufwärts durchströmt wird. Gleichzeitig
findet eine Entlüftung des Raumes oberhalb des Ankers 73 statt, und zwar über den
Kanal 82 und die Bohrung 83. Hierdurch wird die Repetiergenauigkeit der Stellbewegung
des Vorsteuerventils wesentlich erhöht.
[0016] In der in Fig. 3 und 4 gezeichneten Stellung ist der Elektromagnet 14 unter Strom
und hält den Verschlussteil 63 in geschlossener Stellung. Dadurch wird der Ablauf
von Druckmedium aus dem Raum 52 über den Kanal 53 des 4/2-Wegeventils verhindert,
und der Schieber 35 bewegt sich in Fig. 2 nach oben. Diese Bewegung ist anfänglich
verhältnismässig schnell und wird gedämpft, sobald der Einschnitt 51 mit seiner unteren
Begrenzungskante in den die kolbenartige Verdickung 38 führenden Bohrungsabschnitt
im Gehäuse 30 eintritt. Durch diese Dämpfung wird erreicht, dass der Schieber 35 sich
verlangsamt gegen den Anschlagbolzen 46 bewegt. In dieser Schieberstellung sind also
die Anschlussstellen 31 und 32 über die Kammern 41 und 42 miteinander verbunden, so
dass der Servokolben 11 entlastet ist und das Auslassventil 2 schliesst. Zugleich
ist über die kolbenartige Verdickung 38 die Anschlussstelle 34 und damit die Kammer
44 von der Kammer 43 getrennt, so dass kein Druckmittel zur Anschlussstelle 33 gelangen
kann. Die Kammer 44 ist jedoch über die Bohrungen 48, 49, 22 und 50 und den Einschnitt
51 während der ersten Bewegungsphase des Schiebers 35 mit dem Raum 52 in Verbindung,
so dass sich wegen des geschlossenen Vorsteuerventils ein Druck im Raum 52 aufbaut,
der den Schieber bewegt. Gegen Ende dieser Bewegung, d.h. während der oben beschriebenen
verlangsamten Bewegung infolge der Dämpfung strömt nur noch wenig Druckmittel in den
Raum 52 nach.
[0017] Wenn der Strom des Elektromagneten 14 abgeschaltet wird, drückt die Feder 71 den
Verschlussteil 63 in die offene Stellung, so dass das vorher abgesperrte Druckmittel
aus den Bohrungen 66 über den Abströmraum 69, die Kanäle 81', 81 und 82 sowie die
Bohrung 83 und die Anschlussstelle 62 in die Entlastungsleitung 28 abströmt. Zugleich
strömt auch eine kleinere Menge Druckmittel über die Drosselbohrung 70 und die Anschlussstelle
62 in die Entlastungsleitung 28 ab. Dieses Entweichen des Druckmittels wirkt über
den Kanal 53 am 4/2-Wegeventil 16 auf den Druck des Druckmittels im Raum 52 unter
dem Schieber 35. Der Schieber 35 bewegt sich infolgedessen abwärts und stellt dabei
die Verbindung zwischen den Kammern 44 und 43 her, sobald die Verdickung 38 aus dem
Bohrungsabschnitt zwischen diesen Kammern austritt. Damit kann Druckmedium aus der
Kammer 44 über die Anschlussstelle 33 in die Leitung 27 gelangen und - wie zu Fig.
1 beschrieben - den Servokolben 11 belasten. Mit dem Herstellen der Verbindung zwischen
den Kammern 44 und 43 wird die Verbindung zwischen den Kammern 41 und 42 unterbrochen,
weil die Verdickung 36 in den Bohrungsabschnitt zwischen diesen beiden Kammern eintritt.
Damit ist die Entlastungsleitung 24 von der Ablaufleitung 24' getrennt. Wenn der Schieber
35 mit seiner ebenen Fläche 55 in die Nähe der Mündung des Kanals 53 kommt, tritt
auch eine Dämpfung der Bewegung des Schiebers 35 ein.
[0018] Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich - statt
den Kanal 82 im Magnetgehäuse 76 anzuordnen - den Kanal 82 durch den Deckel 75 nach
aussen zu führen und ihn dann über eine besondere Leitung mit der Entlastungsleitung
28 zu verbinden. Ausserdem ist es aus Symmetriegründen vorteilhaft, im Anker 73 statt
einem Kanal 81 mehrere solcher Kanäle anzuordnen. Entsprechend sind auch im Bauteil
64 mehrere Kanäle vorgesehen.
1. Einrichtung zum Steuern des Auslassventils einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, das
an seinem dem Verschlussteil abgewendeten Ende mit einem in einem Servozylinder geführten
Servokolben in Wirkungsverbindung steht, der im Arbeitstakt der Maschine von einem
hydraulischen Druckmittel im Ventilöffnungssinn beaufschlagt ist, das über eine Druckmittelleitung
von einer Druckmittelquelle dem Servozylinder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Druckmittelquelle und dem Servozylinder ein von einem Elektromagneten
betätigtes Vorsteuerventil und ein 4/2-Wegeventil angeordnet sind, dass bei eingeschaltetem
Strom des Elektromagneten das Vorsteuerventil in geschlossener Stellung ist, wobei
der bewegliche Teil des 4/2-Wegeventils eine Stellung innehat, in der der Servokolben
des Auslassventils vom Druckmittel entlastet wird, und dass bei ausgeschaltetem Strom
des Elektromagneten das Vorsteuerventil in offener Stellung ist, wobei der bewegliche
Teil des 4/2-Wegeventils in einer Stellung ist, in der der Servokolben des Auslassventils
vom Druckmittel belastet wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmittelquelle ein
das Druckmittel unter Druck speichernder Akkumulator vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker des Elektromagneten
mindestens einen seine beiden Stirnseiten verbindenden Durchgang aufweist, der an
seinem dem Vorsteuerventil zugewendeten Ende mit dem Abflussraum des Vorsteuerventils
in Verbindung steht,und dass der Durchgang an seinem dem Vorsteuerventil abgewendeten
Ende über einen Kanal mit der Abflussseite des Vorsteuerventils in Verbindung steht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal im Gehäuse des
Elektromagneten verläuft.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drosselverbindung zwischen
dem Abflussraum und der Abflusseite des Vorsteuerventils besteht.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmittelzufuhr
zum Vorsteuerventil über den beweglichen Teil des 4/2-Wegeventils geführt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil des
4/2-Wegeventils mit einer Dämpfungsvorrichtung versehen ist, die wirksam wird, nachdem
der bewegliche Teil die Verbindung zwischen der Druckmittelquelle und dem Servozylinder
hergestellt und die Verbindung zwischen dem Servozylinder und einer Ablaufleitung
unterbrochen hat.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil des
4/2-Wegeventils mit einer Dämpfungsvorrichtung versehen ist, die wirksam wird, nachdem
der bewegliche Teil die Verbindung zwischen dem Servozylinder und einer Ablaufleitung
hergestellt und die Verbindung zwischen der Druckmittelquelle und dem Zylinder unterbrochen
hat.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil
mit einer Luftfeder verbunden ist, die auf das Auslassventil in schliessendem Sinne
wirkt.