(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧で起動するガス交換弁（２０）と、該ガス交換弁（２０）を起動するため、該ガス交換弁（２０）に接続された作動媒体の第１流体システム（３０）とを備える内燃機関のガス交換システムにおいて、
前記作動媒体とは異なる油圧媒体の第２流体システム（４０）と、前記ガス交換弁（２０）を付勢するために前記第２流体システム（４０）に設けた主制御弁（５０）と、該主制御弁（５０）と前記ガス交換弁（２０）との間に配置され、一方で前記第１流体システム（３０）に接続され、他方で前記第２流体システム（４０）に接続することができる媒体分離器（７０）とを特徴とするガス交換システム。
【請求項２】
前記主制御弁（５０）が開位置と閉位置とをとることができる制御ピストン（５６）を備え、該制御ピストンは、内燃機関の通常の操作中、開位置では前記ガス交換弁（２０）を開き、閉位置では前記ガス交換弁（２０）を閉じる、請求項１に記載のガス交換システム。
【請求項３】
前記主制御弁（５０）が、閉位置に向かう方向の力を前記制御ピストン（５６）に加えるような態様で配置されたばね要素（５７）を備える、請求項２に記載のガス交換システム。
【請求項４】
前記主制御弁（５０）を操縦するために前記第２流体システム（４０）に設けられた電磁パイロット弁（６０）を備える、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のガス交換システム。
【請求項５】
前記ガス交換弁（２０）が、該ガス交換弁（２０）を起動する駆動ピストン（２２）を有し、該駆動ピストン（２２）が段差ピストン（２２ａ、２２ｂ）として形成されている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のガス交換システム。
【請求項６】
ガス交換弁（２０）が第１流体システム（３０）によって作動媒体を介して油圧で起動される、内燃機関のガス交換システムを操作する方法において、
ガス交換弁（２０）を付勢する主制御弁（５０）が前記作動媒体とは異なる油圧媒体の第２流体システム（４０）によって起動され、第１、第２流体システム（３０、４０）間の能動的接続が、前記主制御弁（５０）と前記ガス交換弁（２０）との間に配置され、一方で前記第１流体システム（３０）に接続され、他方で前記第２流体システム（４０）に接続することができる媒体分離器（７０）によって生成される、方法。
【請求項７】
前記主制御弁（５０）の制御ピストン（５６）が、ばね要素（５７）によって該制御ピストン（５６）の閉位置へ向かう方向の力で偏倚され、前記閉位置は内燃機関の通常の操作状態でガス交換弁（２０）を閉じる位置である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記主制御弁（５０）が、２つの電磁石（６７ａ、６７ｂ）の間で前後に切り替えることができる磁気スライダ（６２）を有する電磁パイロット弁（６０）によって操縦される、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記パイロット弁（６０）を起動するため、
前記２つの電磁石（６７ａ、６７ｂ）の一方を起動し、
磁気スライダ（６２）の動作の開始を検出し、
磁気スライダの動作開始から、好ましくは前記パイロット弁の切替時間にほぼ対応する間隔（Δｔ）が経過したら、速やかに前記電磁石（６７ａ）の動作を停止する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記パイロット弁（６０）は、内燃機関の始動前に、前記ガス交換弁（２０）の前記閉位置に対応することが好ましい確定位置に、予め設定されたパルスを介して切り替えられる、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項５までのいずれか１項によるガス交換システムを備えた大型ディーゼル・エンジン。
【請求項１２】
請求項６から請求項１０までのいずれか１項の方法で操作されるガス交換システムを備えた大型ディーゼル・エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のガス交換システムに関し、かつ、個々のカテゴリーの独立請求項のプレアンブルに従ったこの種のガス交換システムを操作する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の出口弁の油圧作動装置が、欧州特許出願第ＥＰ‐ａ‐０  ５３９  ３２０号から知られている。出口弁の弁体は、油圧制御装置に接続されたサーボ・ピストンを介して作動される。油圧制御装置は、電磁石によって作動されて制御弁を付勢するパイロット弁を備える。さらに、油圧媒体を加圧状態で保持する油圧蓄圧器が設けられている。出口弁を開くには、制御弁が、対応するパイロット弁の付勢を介して、油圧蓄電圧器とサーボ・ピストンとの間の流れ接続を開く位置に切り換えられ、その結果、サーボ・ピストンは加圧された油圧媒体によって充填され、弁体を開位置へと動作させる。出口弁を閉じるには、制御弁が、対応するパイロット弁の付勢を介して、油圧蓄圧器とサーボ・ピストンとの間の流れ接続を閉じる位置、同時に油圧媒体が流れ出してサーボ・ピストンの圧力を逃がすことができる位置に切り換える。
【０００３】
この装置は、実際に価値があることが証明されているが、それでも欠点が生じる。したがって、例えば保守、点検または修理作業に関して、シリンダ・キャップを外す必要があり、これに対して油圧システムを開かなければならない。これによって、通常、細目フィルタによって清浄に維持されている油圧システムの汚染という深刻な危険が生じる。この種の汚染物質は、特にパイロット弁および制御弁に損傷を与えることがあり、これは莫大な修理費がかかる。エンジンのシリンダは全て同じ油圧システムに接続されるので、この汚染の危険は、１つのシリンダ・キャップしか開く必要がない場合でも、全てのシリンダに存在する。また、組立中に漏れが生じる危険があり、これは油圧システム全体に影響を与え、したがってエンジンはもはや始動することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この先行技術から開始し、したがって本発明の目的は、列挙した欠点がもはや生じないガス交換システムおよびそれを操作する方法を提案することである。ガス交換システムは、油圧システム、特にパイロット弁および制御弁の汚染の危険なく、個々のシリンダで修理または保守作業を実施することができるようにしなければならない。
【０００５】
装置および方法に関してこの目的を満足させる本発明の主題は、個々のカテゴリーの独立請求項の特徴によって特徴付けられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明によると、油圧で作動可能なガス交換弁と、ガス交換弁を作動させるためにガス交換弁に接続された作業媒体の第１流体システムとを備える内燃機関のガス交換システムが提案される。ガス交換システムは、さらに、油圧媒体の第２流体システム、ガス交換弁の付勢のために第２流体システムに設けた主制御弁、および主制御弁とガス交換弁の間に配置されて、一方では第１流体システムに接続され、他方では第２流体システムに接続することができる媒体分離器を備える。
【０００７】
媒体分離器によって分離された２つの流体システムを設けるという措置により、主制御弁で第２流体システムを開く必要なく、個々のシリンダで修理または保守作業を実施することが可能であり、したがってこの第２流体システムには汚染または漏れの危険が存在しない。さらに、この措置により、個々の各シリンダを内燃機関から分離することが可能であり、したがってｎ個のシリンダを有する内燃機関は、例えば（ｎ−１）個のシリンダで運転を続けながら、その間に、分離されたシリンダで修理作業を実施することができる。
【０００８】
好ましい実施形態では、主制御弁は、開位置と閉位置とをとることができる制御ピストンを備え、内燃機関の通常の操作時には、開位置にするとガス交換弁が開き、閉位置ではガス交換弁が閉じる。主制御弁は、さらに、閉位置に向かう方向の力で制御ピストンを偏倚する態様で配置されたばね要素を備える。つまり、制御ピストンはばね要素の力に抗して開位置へと動作しなければならない。第２流体システムに圧力がない場合、ばね要素により制御ピストンは確実に閉位置へと動作するか、又は閉位置に保持される。したがって、ばね要素は制御ピストンの閉位置の方向に偏倚力を生成する。これは、特に内燃機関の始動時に、第２流体システム内の圧力が蓄積すると、ガス交換弁が短時間開くという望ましくない動作を効果的に回避できるという利点を有する。
【０００９】
特に、古典的な意味で制御シャフトがない電子式または電気油圧式制御の内燃機関が、主制御弁を操縦するガス交換システムの第２流体システムに電磁パイロット弁を備えることは特に有利である。これにより、それぞれ電気または電子制御パルスによってガス交換弁を起動することが可能である。
【００１０】
さらに、ガス交換弁が、ガス交換弁を起動する段差ピストンとして形成された駆動ピストンを有する場合は有利である。すなわち、この措置を通して油圧エネルギーを節約することができる。
【００１１】
本発明により、内燃機関のガス交換システムを操作する方法がさらに提供され、該方法では、ガス交換弁は作動媒体を通して第１流体システムによって起動され、主制御弁はガス交換弁を制御する油圧媒体のための第２流体システムによって起動され、主制御弁とガス交換弁との間に配置されて、一方では第１流体システムに接続され、他方では第２流体システムに接続することができる媒体分離器によって、第１流体システムと第２流体システムとの間に能動的接続が生成される。
【００１２】
既に挙げた理由により、この方法に関して、制御ピストンの閉位置に向かう方向の力により、ばね要素を介して主制御弁を負荷する場合にも有利であり、前記閉位置によって内燃機関の通常の操作状態でガス交換弁が閉じる。
【００１３】
本発明による方法の実施形態は、特に、電子または電気油圧式制御の内燃機関に有利であり、ここで主制御弁は、２つの電磁石間で前後に切り替えることができる磁気スライダを有する電磁パイロット弁によって操縦される。
【００１４】
方法の好ましい実施に従って、パイロット弁を起動するために以下のステップが実行される。
２つの電磁石の一方を起動し、
磁気スライダの動作の開始を検出し、
磁気スライダの動作開始からパイロット弁の切換時間にほぼ相当することが好ましい時間が経過したら、すぐに電磁石を停止する。
【００１５】
この措置により、個々の電磁石は、確実な切換プロセスに必要な時間より長く作動しないことが保証される。これは、パイロット弁に生じる熱およびパイロット弁の操作安全性に関して、特に有利である。
【００１６】
さらなる有利な措置は、内燃機関を始動する前に、好ましくはガス交換弁の閉位置に対応する規定の位置へと、予め設定されたパルスにより、パイロット弁を切り替えることから成る。これにより、内燃機関の始動中に、ガス交換弁の望ましくない始動が生じないことが保証される。
【００１７】
本発明によるガス交換システムおよび本発明による方法は、特に、例えば船舶の駆動部材として、または発電用固定プラントとして使用するような大型ディーゼル・エンジンに適している。ガス交換システムおよび方法は、特に、それぞれ純粋に電子的方法または電気油圧式の方法で制御される、つまり弁および燃料噴射を制御する制御シャフトがない大型ディーゼル・エンジンにも適している。
【００１８】
本発明のさらなる有利な措置および好ましい実施形態は従属請求項から生ずる。
【００１９】
以下では、例示的実施形態および図面を参照しながら、装置および方法の技術の両方に関してさらに詳細に説明する。図面は略図であり、一律の縮尺ではない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるガス交換システムの好ましい例示的実施形態の一部概略一部断面図であり、全体が参照記号１０で示されている。ガス交換システムは、ここではディーゼル・エンジンの出口弁２０であるガス交換弁と、作動媒体の第１流体システム３０と、油圧媒体の第２流体システム４０とを備えている。油圧媒体の主制御弁５０、パイロット弁６０および蓄圧器４１が第２流体システム４０に設けられている。主制御弁５０と出口弁２０との間には、一方では第１流体システム３０に接続され、他方では第２流体システム４０に接続することができる媒体分離器７０が設けられている。第１、第２流体システム間の能動的接続は、媒体分離器７０によって実現される。
【００２１】
図１Ａは、拡大図で主制御弁５０、パイロット弁６０および媒体分離器７０を示す。
【００２２】
以下では、ガス交換システム１０が、例えば、船舶または発電用定常プラントの駆動部材として使用することができる電子制御大型ディーゼル・エンジン１（図２）の一部である、適用の具体例を述べる。よりよく理解するため、図２は、通常の複数のシリンダ２を有する大型ディーゼル・エンジン１を概略断面図で示す。大型ディーゼル・エンジン１は、縦方向に掃気する低速２ストローク・クロスヘッド大型ディーゼル・エンジンとして設計され、電子式または電気油圧式制御である。つまりガス交換および噴射を機械油圧制御するために、古典的な意味の制御シャフトがない。
【００２３】
これらのエンジンでは、噴射、ガス交換および適宜、スタータ・システムなどの補助システムを操作する油圧システムが、パイロット弁によって制御されることができ、パイロット弁は制御装置からの電気信号によって起動される。この制御装置は、クランクシャフトの角度、エンジンの回転速度、および場合によってはさらに状態変数により、個々の理想的時間間隔および個々の理想的燃料噴射量、およびそれぞれ出口弁の開閉タイミングを決定し、それに応じて電気制御信号をパイロット弁に送信し、これは次に関連する油圧システムを起動する。この非常に汎用性のある電気油圧制御により、噴射およびガス交換を大型ディーゼル・エンジンの全ての操作状態において単純な方法で最適化し、機械の個々の作業サイクルに適用することができる。というのは、噴射ポンプまたはストローク付与ポンプなどの起動要素とピストンとの位置が、もう機械的に強制結合されないからである。
【００２４】
大型ディーゼル・エンジン１（図２）は、クランクシャフト・ギア３ａおよび後者と噛み合う歯車４を介して、高圧ポンプ５を駆動するクランクシャフト３を有し、高圧ポンプは、例えば最大２０００バールの高圧の燃料を、ライン６を通して燃料アキュムレータ７に送り、これは本明細書では詳細には述べない噴射システムに供給している。さらに、クランクシャフト３によって同様に駆動され、例えば圧油や制御オイルなどの油圧媒体を、ライン４２を介して第２流体システムの蓄圧器４１に送るポンプ８が設けられている。当然、燃料を送る複数の高圧ポンプ５および／または油圧媒体を送る複数のポンプ８が設けられてもよい。
【００２５】
燃料アキュムレータ７および蓄圧器４１は、それぞれの場合、エンジンに沿って延在する管状構成要素として形成される。
【００２６】
同様に、図２にはシリンダ２から燃焼ガスを追い出す出口弁２０が図示されている。以下のガス交換システムの説明は、１つのみのシリンダに関する。しかし、各シリンダの出口弁には電磁パイロット弁６０および媒体分離器７０を設けることが明白であり、この場合、全ての主制御弁および全てのパイロット弁はそれぞれ、共通レールの原理に従って蓄圧器４１に接続され、蓄圧器によって加圧された油圧媒体が供給される。これは、図１では、参照記号Ｚの矢印で指示される。油圧媒体は、蓄圧器４１内で例えば約２００バールの圧力下にある。
【００２７】
閉止弁４４を有する供給ライン４３は蓄圧器４１に接続されている。閉止弁４４の後に、供給ラインは、パイロット弁６０に接続する枝路４３ａおよび主制御弁５０の入口５１に接続する枝路４３ｂに分岐している。パイロット弁６０の出口は、ライン６５を介して主制御弁５０の制御入口５２に接続している。
【００２８】
図３は、非常に概略的な図でパイロット弁６０の例示的実施形態を示し、これはスライダ構造の双安定電磁３／２方向弁として形成されている。パイロット弁６０は磁気弁スライダ６２を備え、これはハウジング６１内に変位可能な状態で配置され、中心に逃げ穴６２１がある中空シリンダとして設計される。ハウジング６１には供給通路６３、戻り通路６４および消費通路６６が設けられている。
中心逃げ穴６２１は、横穴６４１を介して戻り路に接続している。供給通路６３は供給ライン４３の枝路４３ａに接続し、戻り路６４は、油圧媒体の戻りシステム４９に通じるライン４７に、消費通路６６は、主制御弁５０の制御入口５２に通じるライン６５に接続している。
【００２９】
磁気弁スライダ６２は、２つの電磁石６７ａ、６７ｂによって２つの位置で前後に切り替えることができ、供給通路６３と消費通路６６との間の流れ接続は、弁スライダ６２の第１位置では開き、これは図３で図示されている。第２位置では、消費通路６６は戻り通路６４に接続している。
【００３０】
パイロット弁６０を開位置から他方へと可能な限り迅速に、つまり遅延時間なく切り替えることができるよう、電磁石６７ａ、６７ｂは非常に低い誘導率を有し、これは巻数を可能な限り少なくし、コイル本体に渦電流損が少ない材料を使用することによって、達成することができる。切替時間、つまりパイロット弁６０を一方の位置から他方へ切り替えるのに必要な時間は、例えば１ミリ秒の半分しかない。また、この切替時間は一定である。つまり非常に高い程度まで再現可能である。パイロット弁６０の起動については、以下でさらに述べる。
【００３１】
主制御弁５０は制御ピストン５６を有し、これには図１および図１Ａに示す開位置と閉位置とをとることができる。以下でさらに説明するように、エンジン１の通常の操作では、開位置で出口弁２０が開き、閉位置で閉じる。主制御弁５０は、さらに、第１および第２接続部５３、５４を備え、それらを介して主制御弁５０は媒体分離器７０および戻り流開口５５に接続され、それらを通して油圧媒体は主制御弁５０から流出し、閉止弁４５を設けたライン４７に入ることができる。このライン４７は、油圧媒体の戻りシステム４９に接続される。したがって、本明細書では主制御弁５０は４／２方向弁である。
【００３２】
制御ピストン５６は、ばね力が制御ピストン５６を閉位置に動かす、または、閉位置に保持するように配置されたばね要素５７によって偏倚される。この偏倚力により、圧力のない状態、つまり加圧した油圧媒体が充填されていない場合、制御ピストン５６が閉位置をとるか、閉位置に留まることが保証される。したがって、制御ピストン５６は、ばね要素５７の力に対抗して開位置へと動作しなければならない。本明細書で述べる例示的実施形態では、ばね要素５７は、一方端で図示のとおりに制御ピストン５６の上端面に、他方では主制御弁５０のハウジングに固定された渦巻ばねとして形成されている。制御ピストン５６の端面は、ばね要素５７が装填され、制御ピストンが閉位置にある場合は中心穴を介して戻り流開口５５に接続され、したがって端面とハウジングの間の空間に浸透していた油圧媒体は流出することができる。
【００３３】
媒体分離器７０は分離ピストン７２を備え、これはハウジング７３内に配置され、図では上方にある一方の端面７２１が、第１流体システムの作動媒体のチャンバ７１を画定している。主制御弁５０への２つの接続部５３、５４は、図のとおりに分離ピストンの上端面７２１の下で、両方とも媒体分離器７０へと開いている。したがって、分離ピストン７２は、第１流体システムの作動媒体を第２流体システムの作動媒体から分離する。図のとおりの端面７２１の上で、媒体分離器７０のチャンバ７１は開口７４を介して第１流体システム３０に接続している。
【００３４】
作動媒体の第１流体システムは、媒体分離器７０の開口７４を出口弁２０に接続する圧力ライン３１と、一方では閉止弁３３および逆止弁３４を介して圧力ライン３１に接続され、他方では作動媒体を供給ライン３２に送るポンプ（図示せず）へと接続する作動媒体の供給ライン３２とを備える。
【００３５】
作動媒体として適しているのは、例えば潤滑油またはモータ・オイルであり、これは例えば大型ディーゼル・エンジン１の潤滑油システムから取る。第１流体システム３０の作動媒体および第２流体システム４０の作動媒体は、両方の流体システム３０、４０のために大型ディーゼル・エンジン１の同じオイル供給から得たオイルなどと同じ物質でよい。しかし、第２流体システム４０の方が汚染物質に対して敏感な構成要素を含むので、第２流体システム４０に導入されるオイルは、第１流体システムに導入されるオイルより密に濾過されるか、洗浄される。当然、第１流体システム３０の作動媒体として、第２流体システム４０の作動媒体とは異なる物質を使用することも可能である。
【００３６】
出口弁２０は、位置に応じてシリンダ２の燃焼室と、燃焼室を排気ガス・システムに接続する出口ラインとの間の接続を開閉する弁体２１を備える。さらに、出口弁２０は、弁体２１を起動する駆動ピストン２２を備える。弁体２１は、空気ばね２３によって図１に示す閉位置に保持される。図の駆動ピストン２２の上で、圧力ライン３１が出口弁２０に対して開き、したがって駆動ピストン２２の端面には作動媒体で圧力を負荷することができる。
【００３７】
大型ディーゼル・エンジンを制御する電子制御装置は、例えば大型ディーゼル・エンジンの全体的制御のための中央ユニット９０を備え、各シリンダには制御モジュール９１を備え、それによってシリンダ別の機能が制御される。個々のシリンダの制御モジュール９１は、データ・バスを介して中央ユニット９０に接続している。中央ユニット９０は、さらに、シャフト・エンコーダ（図示せず）に接続し、これによってクランクシャフト３の回転速度およびクランクシャフトの角度を、したがって個々のピストンの位置を決定することができる。安全上の理由から、通常は２つの自律シャフト・エンコーダが設けられている。シャフト・エンコーダは、クランクシャフト３に駆動接続される。クランクシャフト３とシャフト・エンコーダとの同期を監視するため、シャフト・エンコーダごとに基準エンコーダも設ける。シャフト・エンコーダから受信した信号、および適宜他のデータからの助けにより、中央ユニット９０は大型ディーゼル・エンジン１の習慣的な望ましい操作状態を決定し、必要な情報を個々の制御モジュール９１に伝送する。制御モジュールは、瞬間的負荷および瞬間的回転速度を考慮に入れ、個々のシリンダの最も好ましい噴射回数および量、およびガス交換弁、例えば出口弁２０の起動時点を決定して、それに応じて電気制御信号を個々のパイロット弁に送信し、噴射およびガス交換を制御する。制御モジュール９１とパイロット弁６０との接続は、図１には図示されていない。
【００３８】
次に、以下でガス交換システム１０が機能する方法について、大型ディーゼル・エンジン１の通常の操作状態を参照しながら説明する。出口弁２０の弁体２１および主制御弁５０の制御ピストン５６は、それぞれの場合、図１および図１Ａで示した閉位置にあり、媒体分離器７０の分離ピストン７２は、図で示した下部に突き当たる初期位置にあるものとする。圧力ライン３１および分離ピストン７２の上のチャンバ７１は作動媒体で充填されている。
【００３９】
次に、出口弁２０を開くと、このシリンダ２の制御モジュール９１が、それに対応する電気信号をパイロット弁６０に与える。次に、パイロット弁は図１に示す位置へと閉じて、枝路４３ａとライン６５との間の流れ接続を開き、したがって油圧媒体は蓄圧器４１から主制御弁５０の制御入口５２へと流れ、制御ピストン５６の下側に圧力を充填する。制御ピストンは、その結果、ばね要素５７の力に対抗して図の上方向へと動き、最初に戻り流開口５５を閉じ、次に入口５１を開く。これで、制御ピストン５６は開位置になる。制御ピストン５６の開位置で、分離ピストン７２の下の空間は、枝路４３ｂ、入口５１および第２接続部５４を介して蓄圧器４１に接続し、したがって油圧媒体は図の分離ピストン７２の下側に圧力を充填する。これにより、分離ピストン７２が上昇する。この動作は、油圧ロッドとして作用する圧力ライン３１中の作動媒体を通して、出口弁の駆動ピストン２２に伝達される。作動媒体による圧力充填の結果、駆動ピストン２２は、空気ばね２３の力に対抗して弁体２１を開位置へと動かす。
【００４０】
出口弁２０を閉じるために、パイロット弁６０が電気信号の結果として第２位置に切り替わり、これが蓄圧器４１とライン６５との流れ接続を閉じ、したがって制御ピストン５６の下側がもはや蓄圧器４１と接続しなくなる。ばね要素５７の力により、制御ピストン５６が図の下側に動いて、入口５１を閉じ、これによって蓄圧器４１と分離ピストン７２の下側との流れ接続が閉じて、主制御弁５０の戻り流開口５５が開く。これで、主制御弁５０は閉位置になり、第１接続部５３と戻り流開口５５との間の流れ接続が開き、したがって油圧媒体は第１接続部５３およびライン４７を介して分離ピストン７２の下の空間から流出し、戻りシステム４９に入ることができる。
【００４１】
出口弁２０の空気ばね２３の結果、駆動ピストン２２は図の上方向に押され、作動媒体をプロセスの圧力ライン３１へと移動させる。出口弁２０が閉じる。圧力ライン３１内へと移動した作動媒体により、媒体分離器７０の分離ピストン７２が図の下側に押され、プロセス内で油圧媒体を下側から主制御弁５０の制御ピストン５６を介して戻りシステム４９へと移動させる。空気バネ２３の動作により、分離ピストン７２は図１および図１Ａに示した明確な初期位置へとほぼ移動する。例えば出口弁２０に設けた通気孔などによる連続的通気（図示せず）により、多少の作動媒体が、油圧ロッドとして作用する圧力ライン３１から連続的に失われる。この通気は、出口弁２０の開放相の間は遮断され、これは駆動ピストン２２の位置によって自動的に行うことが好ましい。ガス交換弁２０を次に切り替えるまでの間、通気および漏れ損によって失われた作動媒体は、供給ライン３２および逆止弁３４を介して元に戻され、それにより分離ピストン７２は完全に初期位置へと動かされる。
【００４２】
分離ピストン７２を有する媒体分離器７０は、清浄な油圧媒体を含む第２流体システム４０を、通常はこれより汚染し、それほど密に濾過されていない作動媒体を含む第１流体システム３０から、一方では第１流体システムと第２流体システムとの間に能動的な接触が存在し、他方では、第２流体システムへの作動媒体の浸透が効果的に防止されるように分離する機能を有する。通常の運転では、分離ピストン７２の下には分離ピストンの上より高い圧力が存在することが保証され、したがって作動媒体は分離ピストンを越えて第２流体システムへと浸透することができない。しかし、他方で、第２流体システム４０から油圧媒体が漏れ、分離ピストン７２を越えて第１流体システム３０へと流れることが可能である。
しかし、これは懸念を生じさせるものではない。純度に関して、第１流体システム３０の要件の方が低いからである。
【００４３】
さらに、出口弁２０の弁体２１の動作は、端位置の領域で、つまり個々の動作の最後に向かって、分離ピストン７２によって減衰される。
【００４４】
好ましい実施形態では、ガス交換弁２０の駆動ピストン２２は段差ピストンとして形成される。図１に示すように、駆動ピストン２２は、大きい方のピストン２２ａと、大きい方のピストン２２ａと同心状に移動可能な状態で配置された小さい方のピストン２２ｂとを備える。これにより、燃焼室内の燃焼ガスの圧力および空気ばね２３の圧力に対抗して弁体２１を開くため、出口弁２０を開くには最初に、より大きな力が必要である。燃焼ガスの圧力が既に部分的に減少した後、弁体２１を完全に開位置へと移動させ、そこに保持するためには、小さめの力しか必要ではない。出口弁２０の開放時には、大きいピストンおよび小さいピストン２２ａ、２２ｂが最初に、シリンダ２内に存在する圧力に対抗して、図の下側にともに移動する。所定の弁ストロークの後、大きい方のピストン２２ａは、減衰した状態で当て２４に遭遇し、その結果、それ以上は移動しない。弁ストロークの残りの部分は、小さい力しか必要とせず、小さい方のピストン２２ｂによって実行され、これはこの時静止している大きい方のピストン２２ａを下降させる。段差ピストンとしてのこの駆動ピストン２２の設計により、油圧エネルギーは大幅に、例えば約３０％節約することができる。
【００４５】
制御シャフトがない大型ディーゼル・エンジン１では、クランクシャフト３の位置と、出口弁の開閉時点それぞれとの相関は、もはや強制的に与えられない。
したがって、出口弁２０は２つのセンサ、例えば通路測定センサ２５を備え、この場合、弁体２１の動作または位置を検出するため、測定コーン２６を弁体２１にしっかり接続する。通路測定センサ２５の測定信号は、信号ライン（図示せず）を介して電子制御装置に電送され、したがって電子制御装置は実際の開閉時点が分かる。センサ２５の測定信号に基づき、制御装置は、ガス交換弁の動作が所望の値に一致するか認識して、不具合が生じた場合は対応策を開始し、例えば流体の噴射を停止して関連のシリンダを切断することができる。冗長性の理由から、２つのセンサ２５を設ける。
【００４６】
したがって、電子制御装置の助けにより、出口弁２０の所望の開閉時点を予め決定することができる。パイロット弁６０の遅延時間に差がある可能性があり、油圧変動、空気ばね２３の圧力変動、ガス交換システム１０全体の摩擦の影響差があるので、開閉時点の調整を実行することが好ましい。
【００４７】
媒体分離器７０によって分離され、ガス交換弁２０を油圧で起動する２つの流体システム３０、４０の結果、第２流体システム４０を開く必要なく、シリンダ２のシリンダ・キャップを開くことが可能である。また、シリンダ２の油圧システムは遮断弁３３、４４、４５によってエンジンの残りの部分から遮断することができるので、ｎ個のシリンダのエンジンを、シリンダの数を減らして、例えば（ｎ−１）個のシリンダで操作し続けることが可能である。したがって、大型ディーゼル・エンジン１を切る必要なく、個々のシリンダで修理または保守作業を実行することができる。
【００４８】
操作の安全性を高めるためのさらなる有利な措置は、弁体２１またはそれに接続された部品が、破損せずに機械的当たりに遭遇するのを防止する板ばね２７を出口弁２０に設けることである。本明細書で述べる例示的実施形態では、弁体２１にしっかり接続された測定コーン２６が、開動作中に板ばね２７に対抗して上昇できるように板ばね２７を配置する。何らかの理由で出口弁２０が完全に閉じない場合は、駆動ピストン２２も図１に示す閉位置にならない。出口弁２０を次に開く間に、分離ピストン７２が作動媒体の全量を圧力ライン３１に送ると、出口弁２０または弁体２１がそれぞれ、制動なしで当たりに高速で突き当たる。大きい質量を与えられた弁体２１の高い運動エネルギーの結果、これは深刻な損傷につながることがある。これを防止するため、板ばね２７を設け、その中に測定コーン２６が入り、運動エネルギーを吸収し、したがって弁体２１が制動される。
【００４９】
既に言及した連続的通気、例えば圧力ライン３１と駆動ピストン２２との間に設けられ、出口弁２０の開放相中のみ閉鎖する連続的通気、さらに避けられない漏れ損失の結果、空気ばね２３は、油圧システムの混乱中、ガス交換弁２０が特定の時間の後に自動的に閉じることを保証する。パイロット弁６０が、通常の運転状態で出口弁２０を開くことになる位置にあっても、大型ディーゼル・エンジン１が停止中の場合も、同じことが当てはまる。
【００５０】
本明細書で述べる例示的実施形態の特定の利点は、主制御弁５０のばね要素５７が制御ピストン５６に閉位置へ向かう方向に偏倚力をかける、つまり制御ピストン５６を閉位置に動かすか、制御ピストン５６を閉位置に保持するような方向に向けた力を制御ピストン５６に加える、という点に見られる。したがって、蓄圧器４１に圧力がない場合、例えば大型ディーゼル・エンジン１の始動前に、制御ピストン５６が閉位置にあることが保証される。この措置により、蓄圧器４１に圧力が蓄積する間、または大型ディーゼル・エンジンを始動中、始動空気がシリンダ２から逃げるような、出口弁２０の望ましくない短時間の開放を防止することができる。
【００５１】
次に、以下でパイロット弁６０の起動の好ましい手順を、図４に関連して述べる。弁ドライバは、例えば制御モジュール９１に一体化され、充電により電磁石６７ａ、６７ｂ（図３）を起動することができ、パイロット弁６０を電気的に起動するために設けられる。パイロット弁６０が、例えば図３に示す開位置から閉位置へと切り替わると、弁ドライバが制御モジュール９１から適正な時点で制御パルスを受信する。この制御パルスの結果、弁ドライバは励磁電流を、対応する電磁石、この場合は電磁石６７ｂのコイルに供給する。図４は、時間ｔの関数として励磁電流Ｉのプロットを示す。時間ｔaで、弁ドライバが励磁電流Ｉをオンに切り替え、それによって電磁石６７ｂを起動する。適切なセンサにより、磁気スライダ６２が動作を開始する時点ｔbを検出する。起動していない電磁石６７ａのコイルは、特に磁気スライダ６２の動作開始を検出するセンサとして働くことができる。スライダ６２の動作を通して、つまり電圧がこのコイルに誘導され、これは動作の開始として弁ドライバで検出し、登録することができる。動作開始が検出された後、弁ドライバは所定の間隔Δｔだけ待ち、次に時点ｔcで励磁電流Ｉをオフに切り替え、それによって電磁石６７ｂが動作を停止する。間隔Δｔは、パイロット弁６０の切替時間にほぼ相当するよう選択することが好ましく、したがって例えば約２分の１ミリ秒である。コイル６７ｂの励磁電流がオフに切り替わった後、他の電磁石６７ａを起動することにより、パイロット弁６０が開位置に切り替わるまで、磁気弁スライダ６２は、残留磁気の結果として電磁石６７ｂに、したがってここでは閉位置に残る。
【００５２】
磁気弁スライダ６２の動作開始後、間隔Δｔが経過すると速やかに励磁電流をオフに切り替える措置により、パイロット弁を確実に切り替えるために必要な電流が最適化され、それによってパイロット弁６０の過熱または損傷が防止される。
【００５３】
安全性の理由から、弁ドライバの電流の最大継続時間は予め決定されている。
最も遅い時点ｔdで、弁スライダ６２の動作が検出されたか否かに関係なく、励磁電流が自動的に切られる（図４では破線で図示）。その結果、電磁石のコイルを電流が流れることができる最大時間、つまり（ｔd−ｔa）は予め決定され、したがって不具合が生じても、パイロット弁６０の過熱が排除される。
【００５４】
パイロット弁６０を起動するために本明細書で述べた手順は、ガス交換弁のパイロット弁に制限されず、同様の方法で内燃機関の全ての電磁パイロット弁にも適であり、したがって例えば噴射システムおよびスタータ・システムのパイロット弁にも適である。
【００５５】
さらなる好ましい措置は、予め設定したパルスにより、大型ディーゼル・エンジン１を始動する間のガス交換システムの閉位置に対応することが好ましい確定した位置に、パイロット弁６０を切り替えることである。したがって、例えばエンジンの停止が長くなると、パイロット弁は、双安定性の弁なので、不確定な位置または未知の位置にある可能性がある。始動中にガス交換弁２０が不意に起動するのを避けるため、電子制御装置が所定のパルスを弁ドライバに送信し、これがパイロット弁を確定した位置に切り替える。これはガス交換システムの場合、閉位置であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス交換システムの例示的実施形態の一部概略一部断面図である。
【図１Ａ】拡大図での図１の詳細である。
【図２】大型ディーゼル・エンジンの断面図である。
【図３】パイロット弁の非常に概略的な図である。
【図４】パイロット弁の起動を示すグラフである。
【符号の説明】
１  大型ディーゼル・エンジン
２  シリンダ
３  クランクシャフト
３ａ  クランクシャフト・ギア
４  歯車
５  高圧ポンプ
６  ライン
７  燃料アキュムレータ
８  ポンプ
１０  ガス交換システム
２０  出口弁
２１  弁体
２２  駆動ピストン
２２ａ  大きい方のピストン
２２ｂ  小さい方のピストン
２３  空気ばね
２４  当て
２５  通路測定センサ
２６  測定コーン
２７  板ばね
３０  第１流体システム
３１  圧力ライン
３２  供給ライン
３３  閉止弁
４０  第２流体システム
４１  蓄圧器
４２  ライン
４３  供給ライン
４３ａ  枝路
４３ｂ  枝路
４４  閉止弁
４５  閉止弁
４７  ライン
４９  戻りシステム
５０  主制御弁
５２  制御入口
５３  第１接続部
５４  第２接続部
５５  戻り流開口
５６  制御ピストン
５７  ばね要素
６０  パイロット弁
６１  ハウジング
６２  磁気弁スライダ
６３  供給通路
６４  戻り通路
６５  ライン
６６  消費通路
６７ａ  電磁石
６７ｂ  電磁石
７０  媒体分離器
７１  チャンバ
７２  分離ピストン
７３  ハウジング
７４  開口
９０  中央ユニット
９１  制御モジュール
６２１  逃げ穴
６４１  横穴
７２１  上端面
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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