DE102009056018A1

DE102009056018A1 - Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009056018A1
Application number: DE102009056018A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 90522 Scheidig
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-07-07
Also published as: CN102648338A; WO2011064231A1; EP2504535B1; US20120266834A1; EP2504535A1; CN102648338B; US8584638B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller 11 für eine Nockenwelle 35, durch die Zylinderventile 12 eines Verbrennungsmotors betätigt werden, wobei durch die Nockenwelle 35 bei auflaufenden Nocken Spät-Drehmomente in Richtung später Zylinderventilöffnungszeiten und bei ablaufenden Nocken entgegen gesetzte Früh-Drehmomente in Richtung früher Zylinderventilöffnungszeiten auf den Nockenwellenversteller 11 zurückwirken, wobei die Zu- und Abfuhr von Druckmittel durch eine Steuereinrichtung 20 steuerbar ist, wobei mittels der Steuereinrichtung 20 wahlweise ein Moment-Modus oder ein Pumpen-Modus einstellbar ist, wobei im Moment-Modus überwiegend Nockenwellenmomente zum Druckaufbau in der ersten Teilkammer A oder in der zweiten Teilkammer B genutzt werden, während im Pumpen-Modus der Druckaufbau in der ersten Teilkammer A oder in der zweiten Teilkammer B überwiegend mittels von einer Druckmittelpumpe P zur Verfügung gestellten Druckmittels erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Phasenstelleinrichtung, wobei die Phasenstelleinrichtung in Antriebsverbindung mit einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle bringbar ist und zumindest eine Frühverstellkammer und zumindest eine Spätverstellkammer aufweist, denen über Druckmittelleitungen Druckmittel zugeführt bzw. aus diesen abgeführt werden kann, wobei durch Druckmittelzufuhr zu den Verstellkammern eine Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verstellt werden kann.
Hintergrund der Erfindung
In modernen Brennkraftmaschinen werden Vorrichtungen zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen eingesetzt, um die Phasenlage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Zu diesem Zweck ist eine hydraulische Phasenstelleinrichtung der Vorrichtung in einen Antriebsstrang integriert, über welchen Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb realisiert sein. Wesentliche Kennzahlen derartiger Vorrichtungen sind die Phasenverstellgeschwindigkeit und der Bedarf an Druckmittel. Um die Phasenlage den unterschiedlichen Fahrsituationen optimal anpassen zu können sind hohe Phasenverstellgeschwindigkeiten wünschenswert. Des Weiteren wird im Rahmen von Verbrauchssenkungsmaßnahmen ein immer geringerer Druckmittelbedarf gefordert, um die Druckmittelpumpe der Brennkraftmaschine kleiner auslegen zu können oder die Fördermenge bei Einsatz von geregelten Druckmittelpumpen senken zu können.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 806 550 A1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Phasenstelleinrichtung in Flügelzellenbauweise mit einem Antriebselement, welches in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle steht, und einem Abtriebselement, das drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Innerhalb der Phasenstelleinrichtung sind mehrere Druckräume ausgebildet, wobei jeder der Druckräume mittels eines Flügels in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern unterteilt wird. Durch Druckmittelzufuhr zu bzw. Druckmittelabfuhr von den Druckkammern werden die Flügel innerhalb der Druckräume verschoben, wodurch eine Änderung der Phasenlage zwischen dem Abtriebselements und dem Antriebselement erfolgt. Dabei wird das zur Phasenverstellung benötigte Druckmittel von einer Druckmittelpumpe der Brennkraftmaschine bereitgestellt und mittels eines Steuerventils selektiv zu den Früh- bzw. Spätverstellkammern geleitet. Das aus der Phasenstelleinrichtung ausfließende Druckmittel wird in ein Druckmittelreservoir, den Ölsumpf der Brennkraftmaschine, geleitet. Die Phasenverstellung erfolgt somit mittels des von der Druckmittelpumpe der Brennkraftmaschine bereitgestellten Systemdrucks.
Eine weitere Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 5,107,804 A bekannt. In dieser Ausführungsform ist die Phasenstelleinrichtung ebenfalls in Flügelzellenbauart ausgebildet und mehrere Früh- bzw. Spätverstellkammer vorgesehen. Im Unterschied zu der EP 0 806 550 A1 erfolgt die Phasenverstellung nicht durch Druckmittelbeaufschlagung der Druckkammern durch eine Druckmittelpumpe, sondern es werden Wechselmomente ausgenutzt, die auf die Nockenwelle wirken. Die Wechselmomente werden durch das Abwälzen der Nocken auf den mit jeweils einer Ventilfeder vorgespannten Gaswechselventilen verursacht. Dabei wird die Rotationsbewegung der Nockenwelle während des Öffnens der Gaswechselventile gebremst und während des Schließens beschleunigt. Diese Wechselmomente werden auf die Phasenstelleinrichtung übertragen, so dass die Flügel periodisch in Richtung des Spät- und Frühanschlags mit einer Kraft beaufschlagt werden. Dadurch werden abwechselnd in den Frühverstellkammern und den Spätverstellkammern Druckspitzen erzeugt. Soll die Phasenlage konstant gehalten werden, so wird ein Abfließen von Druckmittel aus den Druckkammern verhindert. Im Falle einer Phasenverstellung in Richtung früherer Steuerzeiten wird ein Abfließen von Druckmittel aus den Frühverstellkammern verhindert, selbst in den Zeitpunkten, in denen in den Frühverstellkammern Druckspitzen erzeugt werden. Steigt auf Grund der Wechselmomente der Druck in den Spätverstellkammern an, so wird dieser Druck genutzt um Druckmittel aus den Spätverstellkammern unter dem Druck der generierten Druckspitze in die Frühverstellkammern zu leiten. Analog erfolg eine Phasenverstellung in Richtung späterer Steuerzeiten. Zusätzlich sind die Druckkammern mit einer Druckmittelpumpe verbunden, allerdings nur um Leckagen aus der Phasenstelleinrichtung auszugleichen. Die Phasenverstellung erfolgt somit durch das Umleiten von Druckmittel aus den zu entleerenden Druckkammern in die zu befüllenden Druckkammern unter dem Druck der generierten Druckspitze.
Eine weitere Vorrichtung ist aus der US 2009/0133652 A1 bekannt. In dieser Ausführungsform erfolgt eine Phasenverstellung bei geringen Wechselmomenten, analog zu der Vorrichtung aus der EP 0 806 550 A1 , durch Druckbeaufschlagung der Frühverstellkammern oder der Spätverstellkammern durch eine Druckmittelpumpe, bei gleichzeitigem Druckmittelabfluss von den anderen Druckkammern zu dem Ölsumpf der Brennkraftmaschine. Bei hohen Wechselmomenten werden, analog zu der Vorrichtung aus der US 5,107,804 A , diese genutzt, um das Druckmittel unter hohem Druck aus den Frühverstellkammern (Spätverstellkammern) in die Spätverstellkammern (Frühverstellkammern) zu leiten. Dabei wird das aus den Druckkammern ausgestoßene Druckmittel zu einem Steuerventil zurückgeführt, das die Druckmittelzufuhr zu bzw. den Druckmittelabfluss von den Druckkammern steuert. Dieses Druckmittel gelangt über Rückschlagventile innerhalb des Steuerventils zu dem Zulaufanschluss, der mit der Druckmittelpumpe verbunden ist, wobei ein Teil des Druckmittels in das Druckmittelreservoir der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird.
Die EP 2 075 421 A1 offenbart ein Ventil für einen Nockenwellenversteller. Das Ventil umfasst einen Ventilkolben, welcher drehbar in einem Ventilgehäuse angeordnet ist. Zu- und Abläufe für Drucköl, sind so angeordnet, dass durch Stellung des Ventilkolbens Drucköl zu den Verstellkammern und zu einem Verriegelungsmechanismus geleitet werden kann. Dabei kann der Verriegelungsmechanismus nicht nur in einer Endstellung des Nockenwellenverstellers, also in einem Anschlag in der Spät- oder Frühstellung aktiviert werden, sondern auch in einer Zwischenstellung. Hierdurch wird eine Mittenlagenverriegelung ermöglicht, die je nach Motoranwendung sinnvoll sein kann.
Die DE 198 50 947 zeigt eine Vorrichtung zur Steuerung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Antriebsmittel, wenigstens einer Nockenwelle mit Nocken, wenigstens einer hydraulisch betätigbaren Verstelleinrichtung zur Verstellung des Relativ-Verdrehwinkels zwischen dem Antriebsmittel und der Nockenwelle, wenigstens einer Hydraulikfluid-Versorgungseinrichtung zur Beaufschlagung der Verstelleinrichtung und wenigstens einer Zwangssteuerungs- Einrichtung, durch die die hydraulische Beaufschlagung der Verstelleinrichtung in Abhängigkeit von dem absoluten Verdrehwinkel der Nockenwelle und/oder der Nocken wenigstens zeitweise und/oder wenigstens teilweise beeinflussbar ist. Hierbei wird eine Strömungsverbindung zu den Verstellkammern gezielt dann unterbrochen, wenn durch Drehmomente verursachte Druckschwankungen entstehen, die von der Nockenwelle bei auf- oder ablaufenden Nocken auf die Verstellkammern zurückwirken würden.
Die US 6,186,104 B1 offenbart eine Ventilzeiten-Steuerungsvorrichtung in Flügelzellenbauweise für einen Verbrennungsmotor, bei dem zwischen die Druckzellen und dem diese ansteuernden Steuerventil eine Druckvertellungsvorrichtung geschaltet ist, durch welche störende Nockenwellenmomente ausgeblendet werden. Hierzu wird z. B. bei einer Spät-Verstellung die Ölzufuhr zu den Druckzellen dann unterbrochen, wenn ein Früh-Drehmoment auftritt. Umgekehrt wird bei einer Früh-Verstellung die Ölzufuhr zu den Druckzellen dann unterbrochen, wenn ein Spät-Drehmoment auftritt. Vergleichbar mit der DE 198 50 947 wird also ein Rückschwingen der Verstelleinrichtung aufgrund der Verstellung entgegengesetzter Nockenwellenmomente unterbunden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei bei einer hohen Phasenverstellgeschwindigkeit ein geringer Ölbedarf nötig sein soll.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe eines Nockenwellenverstellers für eine Nockenwelle, durch die Zylinderventile eines Verbrennungsmotors betätigt werden, wobei durch die Nockenwelle bei auflaufenden Nocken Spät-Drehmomente in Richtung später Zylinderventilöffnungszeiten und bei ablaufenden Nocken entgegen gesetzte Früh-Drehmomente in Richtung früher Zylinderventilöffnungszeiten auf den Nockenwellenversteller zurückwirken,
mit einer Druckkammer und einem in der Druckkammer angeordnetem Verstellmittel,
wobei das Verstellmittel die Druckkammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer unterteilt,
wobei der ersten und der zweiten Teilkammer Druckmittel zuführbar bzw. aus der ersten Teilkammer und zweiten Teilkammer Druckmittel abführbar ist, so dass durch einen Druckunterschied zwischen der ersten Teilkammer und zweiten Teilkammer das Verstellmittel bewegbar ist, wodurch sich eine Verdrehung der Nockenwelle ergibt,
wobei sich bei einem höheren Druck in der ersten Teilkammer eine Verdrehung der Nockenwelle in Richtung auf frühe Zylinderventilöffnungszeiten und bei einem höheren Druck in der zweiten Teilkammer eine Verdrehung der Nockenwelle in Richtung auf späte Zylinderventilöffnungszeiten ergibt
und wobei die Zu- und Abfuhr von Druckmittel durch eine Steuereinrichtung steuerbar ist,
wobei mittels der Steuereinrichtung wahlweise ein Moment-Modus oder ein Pumpen-Modus einstellbar ist,
wobei im Moment-Modus überwiegend Nockenwellenmomente zum Druckaufbau in der ersten Teilkammer oder in der zweiten Teilkammer genutzt werden, während im Pumpen-Modus der Druckaufbau in der ersten Teilkammer oder in der zweiten Teilkammer überwiegend mittels von einer Druckmittelpumpe zur Verfügung gestellten Druckmittels erfolgt.
Im Stand der Technik wurden bisher zwei Strategien für eine hydraulische Nockenwellenverstellung verfolgt: Einerseits eine Bereitstellung von Druckmittel über eine Druckmittelpumpe, in der Regel eine Ölpumpe eines Motorölschmierkreislaufs oder eine Ausnutzung von Nockenwellenmomenten zur Erzeugung des nötigen Verstelldrucks. Die erste Strategie wird auch als „Oil Pressure Actuated” (OPA) und die zweite als „Cam Torque Actuated” (CTA) bezeichnet. Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass jeweilige Vorteile der OPA und CTA Verfahren abhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors günstig miteinander kombinierbar sind. In Betriebszuständen, in denen ein hoher Pumpendruck der Druckmittelpumpe zur Verfügung steht wird günstigerweise der Pumpen-Modus, d. h. ein OPA Verfahren gewählt, während bei niedrigen Pumpendrücken aber hohen Nockenwellenmomenten der Moment-Modus, d. h. das CTA Verfahren zum Einsatz kommt. Dabei kann natürlich eine Verstellung im CTA Verfahren neben der Ausnutzung der Nockenwellenmomente durchaus von der Druckmittelpumpe unterstützt werden und umgekehrt.
Die Erfindung ist dabei nicht auf eine bestimmte Bauart des Nockenwellenverstellers beschränkt, es kann also z. B. ein Flügelzellenversteller zur Anwendung kommen, bei dem mehrere Paare von Teilkammern gebildet sind, wobei das Verstellmittel ein die Teilkammern trennender Flügel ist, der z. B. einstückig aus einem Rotor gebildet ist oder in diesen eingesteckt ist.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinrichtung einen in einem Ventilgehäuse angeordneten Ventilkolben, wobei der Ventilkolben gegenüber dem Ventilgehäuse drehbar und axial verschieblich ist, wobei durch axiale relative Verschiebung des Ventilkolbens gegenüber dem Ventilgehäuse der Moment-Modus oder der Pumpen-Modus einstellbar ist, während durch relative Drehung des Ventilkolbens gegenüber dem Ventilgehäuse die Zu- bzw. Abfuhr des Druckmittels zu den Teilkammern steuerbar ist.
Die Schaltstellungen für den Pumpen- bzw. Moment-Modus werden also in konstruktiv einfacher Weise durch eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens relativ zum Ventilgehäuse realisiert. In einer jeweiligen axialen Schaltstellung ist dann die eigentliche Regelung der Verstellung, also die Zu- und Abfuhr von Druckmittel zu den Teilkammern mittels einer Drehung des Ventilkolbens relativ zum Ventilgehäuse möglich. Vorteilhafterweise wird relativ zu einem ortsfesten Zylinderkopf der Ventilkolben für die axiale Verschiebung bewegt, z. B. mittels eines Magneten und einer Rückstellfeder, während die relative Drehung durch das Ventilgehäuse umgesetzt wird, welches sich etwa mit der Nockenwelle dreht. Diese Ausgestaltung kommt Insbesondere in einer bevorzugten Zentralventilausgestaltung zum Einsatz, bei der das aus Ventilkolben und Ventilgehäuse gebildete Steuerventil der Steuereinrichtung zentral im Nockenwellenversteller angeordnet ist und diesen weiter bevorzugt gleichzeitig als Schraube mit der Nockenwelle verbindet. In weiter bevorzugter Ausgestaltung wird die Rückstellfeder des Ventilkolbens als Druckfeder gegenüber dem Ventilgehäuse wälzgelagert oder als Zugfeder direkt oder indirekt mit dem Magneten verbunden.
Vorzugsweise sind erste Öffnungen und zweite Öffnungen im Ventilgehäuse um den Umfang des Ventilgehäuses verteilt angeordnet, wobei die ersten Öffnungen mit der zweiten Teilkammer und die zweiten Öffnungen mit der ersten Teilkammer korrespondieren und wobei durch die Oberfläche des Ventilkolbens eine Öffnungsabdeckung gebildet ist, so dass je nach axialer Lage und Winkellage des Ventilkolbens relativ zum Ventilgehäuse die ersten Öffnungen und zweiten Öffnungen zumindest teilweise durch die Öffnungsabdeckung verschließbar sind. Die Öffnungsabdeckung ist also z. B. eine radial gegenüber dem übrigen Ventilkolbenkörper weiter außen liegende Fläche, welche an das Ventilgehäuse angrenzt.
Weiter bevorzugt sind die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen zueinander am Umfang in einem Winkelabstand jeweils gleich beabstandet und bezüglich der Öffnungsabdeckung phasenrichtig so angeordnet, dass eine relative Drehung des Ventilkolbens gegenüber dem Ventilgehäuse um den Winkelabstand zu einer geometrisch gleichen Anordnung führt. Weiter bevorzugt kann die Öffnungsabdeckung so gestaltet sein, dass sie hinsichtlich einer asymmetrischen Verschiebung von Nockenwellenmomenten gegenüber der Nulllinie angepasst ist. Eine solche asymmetrische Verschiebung tritt insbesondere durch ein Reibmoment auf, welches winkelunabhängig auf die Nockenwelle in Richtung spät wirkt. Hierdurch wird die etwa sinusförmige Kurve des Nockenwellenverlaufs also um einen dem Reibmoment entsprechenden Betrag im Ganzen verschoben. Somit kann es vorteilhaft sein, die jeweiligen lokalen Breiten der Öffnungsabdeckung an die nunmehr verkürzten bzw. verlängerten effektiven Zeiten eines Früh- bzw. Spätdrehmomentes anzupassen. Z. B. würde dann eine „abgewickelt” dargestellte Öffnungsabdeckung nicht mehr einer symmetrischen Rechteckkurve mit gleich langen Maxima- und Minimaphasen entsprechen, sondern für die Maxima- bzw- Minimaphasen würden sich jeweils unterschiedliche Längen ergeben.
Durch diese Anordnung wird es insbesondere möglich, ohne weitere konstruktive Maßnahmen wie z. B. Rückschlagventile allein aus der geometrischen Anordnung von Ventilgehäuse und Ventilkolben ein auf die Nockenwellenmomente abgestimmtes Verstellverfahren durchzuführen. Da die Nockenwellenmomente über die Anordnung der Nocken in fester geometrischer Phasenlage auftreten, kann durch die entsprechende Anordnung der Öffnungen und Öffnungsabdeckung z. B. erreicht werden, dass in einem CTA Verfahrensmodus verstellrichtige Momente über freigegebene Öffnungen ausgenutzt und verstellfalsche Momente über gesperrte Öffnungen ausgeblendet werden.
Bevorzugt ist die Öffnungsabdeckung aus einer ersten Teilabdeckung für die ersten Öffnungen und einer zweiten Teilabdeckung für die zweiten Öffnungen gebildet wobei die erste Teilabdeckung und die zweite Teilabdeckung jeweils eine axial am Ventilkolben außen liegende Aussenkante und eine axial innen liegende Innenkante aufweisen, wobei die Innenkanten in Umfangsrichtung ein etwa kronenartiges Profil mit entlang des Umfangs wechselnder axialer Lage aufweisen.
Die Innenkanten verlaufen also in Umfangsrichtung z. B. zickzack-artig, kronen-artig oder in Form einer Rechteckkurve, d. h. die Innenkanten verlaufen abschnittsweise bei einer ersten axialen Position und in weiteren Abschnitten in einer axial beabstandeten Position. Hierdurch wird es möglich, mit der Öffnungsabdeckung abhängig von der relativen Verdrehung von Ventilkolben und Ventilgehäuse die Öffnungen im Ventilgehäuse ganz oder teilweise freizugeben bzw. zu sperren. Diese Freigabe bzw. Sperrung ist dabei, wie oben ausgeführt, an die Phasenlage der Nockenwellenmomente geometrisch gekoppelt.
Bevorzugtermaßen sind für die relative axiale Lage des Ventilkolbens fünf Schaltstellungen einstellbar, wobei
in einer ersten Lage der Pumpenmodus für eine Verstellung der Nockenwelle nach späten Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist,
in der zweiten, axial folgenden Schaltstellung der Moment-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle nach frühen Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist,
in der dritten, axial folgenden Schaltstellung eine Nockenwellenverstellung gesperrt ist,
in der vierten, axial folgenden Schaltstellung der Moment-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle nach späten Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist und
in der fünften, axial folgenden Schaltstellung der Pumpen-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle nach frühen Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist.
Mittels dieser fünf Schaltstellungen ergeben sich somit in der Regel bereits hinreichende Einstellmöglichkeiten angepasst an einen jeweiligen Motorbetriebszustand. Beispielsweise: Während bei ausreichendem Druck der Druckmittelpumpe eine Spätverstellung der Nockenwelle in Schaltstellung eins und eine Frühverstellung in Schaltstellung fünf erfolgt, kann bei geringem Druck über Ausnutzung der Nockenwellenmomente eine Spätverstellung in Schaltstellung zwei und eine Frühverstellung in Schaltstellung vier erfolgen. Die Mittelstellung, Schaltstellung drei, kann zu einer Sperrung der Verstellung genutzt werden.
Diese fünf Schaltstellungen sind bevorzugt wie folgt zu realisieren:
Vorzugsweise ist in der ersten Schaltstellung bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe freigegeben sind,
während die zweiten Öffnungen für einen Ablauf von Druckmittel geöffnet sind wobei bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe freigegeben sind, während die zweiten Öffnungen für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe und gleichzeitig für einen Ablauf von Druckmittel freigegeben sind.
Vorzugsweise ist in der zweiten Schaltstellung bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt, dass die zweiten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel aus der ersten Teilkammer freigegeben und die ersten Öffnungen für einen Ablauf von Druckmittel aus der ersten Teilkammer in die zweite Teilkammer geöffnet sind, wobei bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt ist, dass die zweiten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung gesperrt sind, während die ersten Öffnungen für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe weitgehend geöffnet sind
Bevorzugt ist in der dritten Schaltstellung eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung bei Auftreten von Früh-Drehmomenten und die zweiten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung bei Auftreten von Spät-Drehmomenten gesperrt sind.
Vorzugsweise ist in der vierten Schaltstellung bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel aus der zweiten Teilkammer freigegeben und die zweiten Öffnungen für einen Ablauf von Druckmittel aus der zweiten Teilkammer in die erste Teilkammer geöffnet sind, wobei bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung gesperrt sind, während die zweiten Öffnungen für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe weitgehend geöffnet sind.
Vorzugsweise ist in der fünften Schaltstellung bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt, dass die zweiten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe freigegeben sind, während die ersten Öffnungen für einen Ablauf von Druckmittel geöffnet sind und wobei bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse und Ventilkolben so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen durch die Öffnungsabdeckung für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe und gleichzeitig für einen Ablauf von Druckmittel freigegeben sind, während die zweiten Öffnungen für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe geöffnet sind.
Die für die obigen Schaltstellungen angegebene Eigenschaft, dass eine Öffnung überwiegend freigegeben wird, bedeutet, dass ihr überwiegender Querschnitt nicht von der Öffnungsabdeckung gesperrt wird. Dies entspricht einer starken Entdrosselung. Diese Ausgestaltung ist nicht zwingend erforderlich sondern lediglich eine bevorzugte Ausgestaltung insbesondere mit dem Vorteil, dass aufgrund des weitgehend ungehinderten Druckmitteldurchtritts nicht die Gefahr eines Luftansaugens besteht. Hierdurch wird eine hydraulische Steifigkeit sichergestellt und auch der Entstehung störender Geräusche vorgebeugt. Anders als bei herkömmlichen Systemen, bei denen in der Regel eine axiale Verschiebung eines Steuerkolbens eine Öffnung stetig vergrößernd entsprechend der axialen Stellbewegung freigegeben wird, ermöglicht die Drehung der Öffnungsabdeckung auf bzw. von eine vergleichsweise großen Öffnung im Ventilgehäuse die schlagartige Freigabe eines großen Querschnitts und damit die gewünschte Entdrosselung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1 nur sehr schematisch ein Verbrennungsmotor,
2 eine schematische Darstellung eines Steuerventils,
3 ein Ventilkolben und ein Ventilgehäuse,
4 eine Darstellung der Nockenwellenmomente in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Nockenwelle,
5–14 eine schematische Darstellung der verschiedenen Schaltstellungen bei OPA Verfahren,
15 eine Darstellung der Änderung der Durchflussmengen an verschiedenen Steuerkanten in Abhängigkeit von der Schaltstellung beim OPA Verfahren,
16 eine Darstellung der Öffnung der Steuerkanten in Abhängigkeit von der Schaltstellung beim OPA Verfahren,
17–20 eine schematische Darstellung der verschiedenen Schaltstellungen bei CTA Verfahren.
21 eine Darstellung der Änderung der Durchflussmengen an verschiedenen Steuerkanten in Abhängigkeit von der Schaltstellung beim CTA Verfahren,
22 eine Darstellung der Öffnung der Steuerkanten in Abhängigkeit von der Schaltstellung beim CTA Verfahren
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist eine Verbrennungsmotor 1 skizziert, wobei ein auf einer Kurbelwelle 2 sitzender Kolben 3 in einem Zylinder 4 angedeutet ist. Die Kurbelwelle 2 steht in der dargestellten Ausführungsform über je einen Zugmitteltrieb 5 mit einer Einlassnockenwelle 6 bzw. Auslassnockenwelle 7 in Verbindung, wobei ein erster und ein zweiter Nockenwellenversteller 11 zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen 9, 10 einer Brennkraftmaschine 1 für eine Relativdrehung zwischen Kurbelwelle 2 und den Nockenwellen 6, 7 sorgen können. Nocken 8 der Nockenwellen 6, 7 betätigen ein oder mehrere Einlassgaswechselventile 9 bzw. ein oder mehrere Auslassgaswechselventile 10. Die Einlassgaswechselventile 9 und die Auslassgaswechselventile 10 werden im Folgenden kurz Zylinderventile 12 genannt. Ebenso kann vorgesehen sein, nur eine der Nockenwellen 6, 7 mit einer Vorrichtung 11 auszustatten, oder nur eine Nockenwelle 6, 7 vorzusehen, welche mit einem Nockenwellenversteller 11 versehen ist. Einlassnockenwelle 6 und Auslassnockenwelle 7 werden im Folgenden unter dem Begriff Nockenwelle 35 zusammengefasst.
In 2 ist in einer schematischen Darstellung eine Steuereinrichtung 20 gezeigt. Die Steuereinrichtung 20 umfasst ein Ventilgehäuse 29 und einen darin angeordneten Ventilkolben 27. Das Steuerventil 20 ist im gezeigten Beispiel mit einem Ende in einer Nockenwelle 35 angeordnet. Dort wirkt eine Rückstellfeder 31 auf den Ventilkolben 27. Die Rückstellfeder 31 ist über eine Axiallagerung 33, ausgeführt als Wälzlager, gelagert. Der Ventilkolben 27 ist auf seinem der Nockenwelle 35 abgewandten Ende mit einem Magnetkolben 23 verbunden, welcher durch einen Elektromagnet 21 axial bewegbar ist. Eine Verdrehsicherung 25 verbindet den Magnetkolben 23 mit dem Ventilkolben 27 so, dass dieser sich nicht verdrehen kann. Natürlich ist auch denkbar, dass eine Axialbewegung durch das Ventilgehäuse 29 und eine Drehbewegung durch den Ventilkolben 27 mit entsprechend geänderter Umgebungskonfiguration erfolgt.
3 zeigt den Ventilkolben 27 und das Ventilgehäuse 29 in einer perspektivischen Ansicht. Das Ventilgehäuse 29 weist um seinen Umfang verteilt erste Öffnungen 41 auf. Axial zu den ersten Öffnungen 41 versetzt etwa in der Mitte des Ventilgehäuses 29 sind um den Umfang verteilt dritte Öffnungen 45 angeordnet. Wiederum axial versetzt folgen dann zweite Öffnungen 43, die in Umfangsrichtung an gleicher Position angeordnet sind, wie die ersten Öffnungen 41. In das hohle Ventilgehäuse 29 wird der Ventilkolben 27 drehrichtig eingefügt. Der Ventilkolben 27 weist auf seiner Oberfläche 53 eine Öffnungsabdeckung 51 auf, die durch einen radial erhöhten Teil der Oberfläche 53 gebildet ist. Die Öffnungsabdeckung weist an einem axialen Ende des Ventilkolbens 27 eine erste Teilabdeckung 51A und am gegenüberliegenden Ende eine zweite Teilabdeckung 51B auf. Beide Teilabdeckungen 51A, 51B sind kronenartig ausgebildet, d. h. sie bilden einen Ring um die Oberfläche 53 mit einem jeweiligen Außenrand BT, AT. Der Außenrand BT der ersten Teilabdeckung 51A bildet gleichzeitig das eine axiale Ende des Ventilkolbens 27, während der Außenrand AT der zweiten Teilabdeckung 51B gleichzeitig das andere axiale Ende des Ventilkolbens 27 bildet. Der jeweils axial auf die Mitte der Oberfläche 53 gerichtete Innenrand PB, PA der Teilabdeckungen 51A, 51B ist rechteckförmig gezackt. Dabei ist jeweils eine Kronenzacke 52 einer Teilabdeckung 51A, 51B in Umfangsrichtung so orientiert, dass sie zwischen zwei Kronenzacken 52 der anderen Teilabdeckung 51B, 51A liegt, wobei aber ein axialer Abstand zwischen den Innenrändern PB, PA liegt.
Der Ventilkolben 27 ist nun drehrichtig im Ventilgehäuse 29 anzuordnen, so dass die Öffnungsabdeckung 51 zur jeweils richtigen Phasenlage die ersten Öffnungen 41 und zweiten Öffnungen 43 freigibt bzw. versperrt. Damit wird eine Druckmittelzufuhr zu Teilkammern einer Druckkammer und damit auch die Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle gesteuert. Dies wird später im Detail erläutert.
4 zeigt den Verlauf der Nockenwellenmomente am Beispiel eines Vierzylindermotors, aufgetragen in y-Richtung gegen über der Drehlage der Nockenwelle, aufgetragen in x-Richtung. Ein aus der Reibung der Nockenwelle folgendes, bei gleicher Drehzahl konstantes Drehmoment ist hier nicht berücksichtigt. Nockenwellenmomente größer Null entsprechen einem Moment in Richtung einer Früh-Verstellung, d. h. in einer Richtung, in der es zu einer früheren Öffnung der Zylinderventile 12 kommt. Nockenwellenmomente kleiner Null entsprechen einem Moment in Richtung einer Spät-Verstellung, d. h. in einer Richtung, in der es zu einer späteren Öffnung der Zylinderventile 12 kommt. Man erkennt, dass die Nockenwellenmomente abhängig von der Drehlage der Nockenwelle einen etwa sinusförmigen Verlauf haben. Bei jeweils festen Winkellagen kommt es zu Früh-Drehmomenten, abwechselnd mit Spät-Drehmomenten. Dies wird nun gezielt bei der Verstellung der Nockenwelle ausgenutzt.
In 5 ist schematisch eine Schaltstellung zur Verstellung der Nockenwelle so aufgetragen, dass die Öffnungsabdeckung 51 des Ventilkolbens 27 in einer Ebene abgewickelt dargestellt ist. Es ergibt sich somit für die erste Teilabdeckung 51A ein Rechteckprofil mit der Innenkante PB und einer geraden Aussenkante BT. Gegenüberliegend ist dann die zweite Teilabdeckung 51B mit der Innenkante PA und der Aussenkante AT dargestellt. An der Aussenkante AT ist der Ventilkolben 27 mit der Rückstellfeder 31 verbunden, die den Ventilkolben 27 gegen einen hier nicht dargestellten Magneten 21 drückt.
Weiterhin schematisch dargestellt sind die ersten Öffnungen 41 und die zweiten Öffnungen 43, wie sie entsprechend der axialen Lage und Drehlage des Ventilgehäuses 29 relativ zum Ventilkolben 27 zur Öffnungsabdeckung 51 angeordnet sind. Die ersten Öffnungen 41 korrespondieren mit einer zweiten Teilkammer B und die zweiten Öffnungen 43 korrespondieren mit einer ersten Teilkammer A. Die Teilkammern A, B sind durch einen ein Verstellmittel 67 bildenden Flügel 67 getrennt, welcher eine Druckkammer 69 in die Teilkammern A, B unterteilt. Der Flügel 67 ist mit einem Rotor 65 eines Nockenwellenverstellers 11 verbunden. Die Druckkammer 69 ist in einem Stator 63 des Nockenwellenverstellers 11 gebildet. Ein erster Ölkanal 71 führt zur ersten Teilkammer A, ein zweiter Ölkanal 73 führt zur zweiten Teilkammer B. Gezeigt ist hier nur ein Ausschnitt des Nockenwellenverstellers 11. Der Nockenwellenversteller 11 ist als Flügelzellenversteller ausgeführt und weist mehrere Druckkammern, Teilkammern, Flügel und Zufuhrkanäle auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Eine Verstellung der Nockenwelle findet gemäß dem Beispiel von 5 in Richtung später Öffnungszeiten der Zylinderventile 12 statt: Drucköl wird der zweiten Teilkammer B zugeführt und aus der ersten Teilkammer A abgeführt. In der hier gezeigten Schaltstellung gibt dazu die erste Teilabdeckung 51A die ersten Öffnungen 41 über die Innenkante PB weitgehend frei, so dass Drucköl von einer Pumpe P über die dritten Öffnungen 45 im Ventilgehäuse 29 zur zweiten Teilkammer B gelangt. Gleichzeitig werden durch die Aussenkante AT der zweiten Teilabdeckung 51B die zweiten Öffnungen 43 leicht geöffnet, so dass Öl aus der ersten Teilkammer A in einen Tank T abgeführt werden kann. Der so entstehende Druckunterschied zwischen den Teilkammern A, B führt zu einer Kraft auf den Flügel 67 und damit auf den Rotor 65 in einer Drehrichtung nach links. Der Rotor 65 ist mit der Nockenwelle 35 verbunden. Somit kommt es zu einer Verdrehung der Nockenwelle 35 in Richtung „spät”.
Durch die weite Freigabe der ersten Öffnungen 41 wird eine starke Entdrosselung erreicht, wodurch die Gefahr eines Luftansaugens stark verringert wird. Mit der geringeren Freigabe der zweiten Öffnungen 43 zum Tank wird eine Ablaufsteuerung eingestellt.
5 zeigt rechts neben der schematischen Darstellung des Ventilkolbens 27 und den ersten und zweiten Öffnungen 41, 43 des Ventilgehäuses den aus 4 bekannten Verlauf der Nockenwellenmomente in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Nockenwelle 35. Das Ventilgehäuse 29 und damit die ersten und zweiten Öffnungen 41, 43 drehen sich nun definiert relativ zu diesem Nockenwellenverlauf, wie durch die Gegenüberstellung gezeigt. Somit sind die ersten und zweiten Öffnungen in 5 gerade synchron mit einem Spät-Nockenwellenmoment. Dies führt dazu, dass die zweiten Öffnungen 43 eine Druckspitze in Richtung einer Spätverstellung erhalten, wodurch das in der ersten Teilkammer A befindliche Öl schnell ausgeschoben werden kann. Zusätzlich wirkt der Öldruck der Pumpe P über die weit geöffneten, als stark entdrosselten ersten Öffnunegn 41 in die zweite Teilkammer B. Im Ergebnis ergibt sich eine sehr schnelle Verstellung der Nockenwelle 35. In entsprechender Weise wird auch eine schnelle Verstellung in Richtung früh bewirkt.
6 zeigt ein der 5 entsprechendes Bild, allerdings sind nun die ersten und zweiten Öffnungen 41, 43 gegenüber der Öffnungsabdeckung 51 verdreht. Zeitlich entspricht dies dem Auftreten eines Früh-Nockenwellendrehmomentes. Die ersten Öffnungen 41 sind durch die erste Teilabdeckung 51A nur wenig freigegeben, während die zweiten Öffnungen 43 zur Druckversorgung von der Pumpe P weit geöffnet sind. Die Pumpe P wirkt auf beide Teilkammern A, B. Bei Teilkammer B wirkt sie nun gegen ein Früh-Drehmoment, wodurch es im wesentlichen zu einer Kompensation kommt und keine Verstellung erfolgt. Die Teilkammer A wird von Druckmittel durchströmt und in den Tank T entleert.
Die 5 und 6 zeigen eine Schaltstellung für ein Verstellen nach „spät”, in dem ein Verstellverfahren nach dem „Oil Pressure Actuated” – Prinzip, kurz OPA, realisiert ist und zwar in eine Verstellrichtung spät. Diese Schaltstellung, die also überwiegend die Verstellkraft der Pumpe ausnutzt und wo Nockenwellenmomente nur unterstützend sind, wird durch die gezeigte axiale Stellung des Ventilkolbens 27 realisiert. Die axiale Schaltstellung wird mittels des Magneten 21 eingestellt. Im gezeigten Beispiel ist dies die Grundstellung, ohne eine Bestromung des Elektromagneten 21. Wie erläutert werden in der axialen Schaltstellung unterschiedliche Drehstellungen des Ventilkolbens 27 gegenüber dem Ventilgehäuse 29 realisiert und hierdurch zusätzlich die korrespondierenden Nockenwellenmomente ausgenutzt. Die 7 und 8 zeigen die entsprechende Darstellung für ein Verstellen nach „früh”. Hier sind die Wirkungen für die Teilkammern A, B vertauscht, im Übrigen gelten aber die Erläuterungen zu den 5 und 6 sinngemäß.
9 zeigt eine Mittelstellung, in der bei Auftreten eines Spät-Drehmomentes die zweiten Öffnungen 43 vollständig gesperrt sind. Hierdurch wird eine Verstellung blockiert. Entsprechend ist in 10 eine vollständige Sperrung der ersten Öffnungen 41 bei Auftreten eines Früh-Drehmomentes gezeigt. Die 9 und 10 geben somit eine axiale Schaltstellung des Ventilkolbens 27 wieder, in der eine Verstellung der Nockenwelle 35 verhindert, diese also bei einer gegebenen relativen Winkelposition zur Kurbelwelle gehalten werden soll.
In den 5 bis 10 sind Schaltstellungen beschrieben, in denen ein hoher Druck der Pumpe P zur Verfügung steht, also in der Regel ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors bei hohen Drehzahlen. Sollte nun aber der zur Verfügung stehende Druck der Pumpe P nicht hoch sein, insbesondere deutlich niedriger als der Druck, der durch Nockenwellenmomente ausgeübt wird, kann durch Wahl weiterer Schaltstellungen ein angepasstes OPA Verfahren eingestellt werden. Dies wird anhand der 11–14 beschrieben.
11 entspricht der 5. Es soll also in Richtung „spät” verstellt werden. Hier kommt das Spät-Drehmoment der Verstellung zugute. In 12, bei Auftreten eines Früh-Drehmomentes wird deutlich, dass aufgrund der nunmehr gegenüber 6 geänderten axialen Position des Ventilkolbens 27 es zu einer vollständigen Abdeckung der ersten Öffnungen 41 kommt. Während also in 6 noch ein hoher Pumpendruck zur Kompensation des Früh-Drehmomentes bei leicht geöffneten ersten Öffnungen 41 zur Verfügung stand, wird bei niedrigem Pumpendruck das Früh-Drehmoment durch eine vollständige Sperrung der ersten Öffnungen 41 ausgeblendet. Die 13 und 14 zeigen wieder die entsprechende Darstellung bei einer Verstellung nach „früh”.
Die bisher dargestellten Schaltstellungen lassen sich also wie folgt zusammenfassen: Es werden zwei OPA-Verstellverfahren bereitgestellt, eines bei niedrigem und eines bei hohem Pumpendruck. Die axialen Schaltstellungen können wie folgt abgekürzt werden:
Schaltstellung I: Hoher Pumpendruck, Verstellung nach spät, 5, 6
Schaltstellung II: Niedriger Pumpendruck, Verstellung nach spät, 11, 12
Schaltstellung III: Gesperrte Verstellung 9, 10
Schaltstellung IV: Niedriger Pumpendruck, Verstellung nach früh, 13, 14
Schaltstellung V: Hoher Pumpendruck, Verstellung nach früh, 7, 8
Der Vorteil dieser Einstellbarkeit liegt insbesondere darin, dass durch die bei hohem Pumpendruck und einem der gewünschten Stellrichtung entgegenwirkenden Moment die Zulauföffnungen 41 bzw. 43 zu den jeweiligen Teilkammern A, B nicht ganz geschlossen sind, wodurch die im Vergleich zum schwächeren Nockenwellenmoment höhere Pumpleistung trotz entgegengesetzt wirkendem Nockenwellenmoment trotzdem noch zur Verstellung genutzt werden kann. Es sind also auch die Zeiten, in denen entgegengesetzt wirkende Nockenwellenmomente auftreten, für die Verstellung ausnutzbar, wodurch sich eine schnelle Verstellung ergibt. Ist aber die Pumpleistung geringer als die Nockenwellenmomente, so werden die entgegengesetzt wirkenden Momente mittels der vollständig geschlossenen Öffnungen 41 bzw. 43 ausgeblendet, so dass keine Rückverstellung auftritt.
In 15 ist dargestellt, wie sich der Durchfluss an Druckmittel an den jeweiligen Innen- und Aussenkanten PA, PB, BT, AT in Abhängigkeit von der Schaltstellung ändert. Gestrichelt dargestellt sind dabei Verläufe zu Zeiten mit einem Nockenwellenmoment nach früh und durchgezogen bei Nockenwellenmomenten nach spät. Als Beispiel sei die Linie für die Innenkante der ersten Teilabdeckung 51A, PB erläutert: Bei Nockenwellenmomenten nach spät liegt der Durchfluss an der Innenkante PB zu allen axialen Stellungen hoch, während er bei Momenten nach früh von der Schaltstellung I bis zur Schaltstellung II und folgenden Schaltstellungen schnell auf Null abfällt.
16 zeigt für die Schaltstellungen I-V schematisch den Öffnungsgrad der Öffnungen 41, 43 betrachtet von den jeweiligen Innenkanten PB, PA und Aussenkanten BT, AT in Abhängigkeit der Schaltstellungen I-V und der Stellrichtung. Vollständig schraffierte Felder entsprechen einer vollständig gesperrten Öffnung 41, 43, vollständig weiße Felder entsprechen einer vollständig geöffneten Öffnung 41, 43 und teilweise schraffierte Felder entsprechen einer teilweise gesperrten Öffnung 41, 43.
Die bisherigen Ausführungen bezogen sich auf Verstellverfahren, bei dem überwiegend mittels dem von der Pumpe P gelieferten Druck verstellt wird und bei dem Druck, welcher durch Nockenwellenmomente erzeugt wird, in geeigneten Schaltstellungen unterstützend wirkt. Im Folgenden soll nun neben einem solchen Pumpen-Modus ein Moment-Modus beschrieben werden, in dem überwiegend die durch Nockenwellenmomente erzeugten Druckspitzen zur Verstellung genutzt werden, während der von der Pumpe P bereitgestellte Druck ggf. die Verstellung unterstützt.
In 17 ist eine den Darstellungen der 5–14 entsprechende Darstellung gewählt, um eine Verstellung nach spät mittels der Ausnutzung der Spät-Drehmomente zu erläutern. Die Öffnungsabdeckung 51 ist hier nun so mittels der axialen Position des Ventilkolbens 27 eingestellt, dass sich bei Auftreten eines Spät-Drehmomentes eine Verbindung der beiden Teilkammern A und B über die ersten und zweiten Öffnungen 41, 43 ergibt. dabei sind die ersten Öffnungen 41 weit geöffnet, so dass sich wieder eine starke Entdrosselung und damit eine geringe Gefahr von Luftansaugen ergibt. Die zweiten Öffnungen 43 sind gering geöffnet, um eine Ablaufsteuerung aus der ersten Teilkammer A einzustellen. Durch das nach spät drehende Nockenwellenmoment wird nun eine Druckspitze aufgebaut, die über die verschiedenen Öffnungsverhältnisse der ersten und zweiten Öffnungen 41, 43 in der ersten Teilkammer A einen höheren Druck erzeugt, als in der zweiten Teilkammer B und somit unter Verdrängung von Öl aus der ersten Teilkammer A in die zweite Teilkammer B eine Verschiebung des Flügels 67 und damit eine Verstellung der Nockenwelle 35 nach spät bewirkt. Öl von der Pumpe P, welches über die dritten Öffnungen 45 hinzutritt, unterstützt diese Verstellung und gleicht Leckageverluste aus.
18 zeigt die gleiche axiale Schaltstellung wie 17, nur das hier die relative Drehstellung zwischen Ventilkolben 27 und Ventilgehäuse 29 verändert ist, da nunmehr die Nockenwelle 35 in einer Drehposition ist, in der ein Früh-Drehmoment auftritt. Da ja weiterhin eine Verstellung nach spät erfolgen soll (unveränderte axiale Stellung des Ventilkolbens 27), muss dieses Früh-Drehmoment hinsichtlich seiner Verstellwirkung ausgeblendet werden. Hierzu sperrt die erste Teilabdeckung 51A die ersten Öffnungen 41 vollständig ab. Öl kann somit nicht aus der zweiten Teilkammer B entweichen und es erfolgt keine Verstellung. Die vollständige Absperrung unterbindet ein Rückschwingen. Über voll geöffnete zweite Öffnungen 43 und damit stark entdrosselt pumpt die Pumpe P verstellneutral Öl in die erste Teilkammer A. Hierdurch wird ein Luftsaugen verhindert.
Die 19 und 20 zeigen die den 18 und 19 entsprechenden Einstellungen, nur für die umgekehrte Stellrichtung nach früh.
Eine besonders günstige Folge von Schaltstellungen kann nunmehr dadurch aufgebaut werden, dass man axial aufeinander folgende Schaltstellungen wie folgt wählt:
Schaltstellung I: Pumpen-Modus (OPA), Verstellung nach spät, 5, 6
Schaltstellung II: Moment-Modus (CTA), Verstellung nach früh, 19, 20
Schaltstellung III: Gesperrte Verstellung 9, 10
Schaltstellung IV: Moment-Modus (CTA), Verstellung nach spät, 17, 18
Schaltstellung V: Pumpenmodus (OPA), Verstellung nach früh, 7, 8
Somit ist es möglich, je nach Vorliegen entweder eines dominierenden Drucks der Pumpe P oder von dominierenden Nockenwellenmomenten für die Nockenwellenverstellung entweder einen Pumpen-Modus oder einen Moment-Modus einzustellen. In 21 ist für diese Folge von Schaltstellungen wieder dargestellt, wie der Durchfluss von Druckmittel an den jeweiligen Steuerkanten, also Innen- und Aussenkanten PA, PB, AT, BT sich in Abhängigkeit von der axialen Position des Ventilkolbens 27 und des Ventilgehäuses 29, also den Schaltstellungen I-V ändert.
22 zeigt für die Schaltstellungen I-V schematisch den Öffnungsgrad der Öffnungen 41, 43 betrachtet von den jeweiligen Innenkanten PB, PA und Aussenkanten BT, AT in Abhängigkeit der Schaltstellungen I-V und der Stellrichtung. Vollständig schraffierte Felder entsprechen einer vollständig gesperrten Öffnung 41, 43, vollständig weiße Felder entsprechen einer vollständig geöffneten Öffnung 41, 43 und teilweise schraffierte Felder entsprechen einer teilweise gesperrten Öffnung 41, 43.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Kurbelwelle
3: Kolben
4: Zylinder
5: Zugmitteltrieb
6: Einlassnockenwelle
7: Auslassnockenwelle
8: Nocken
9: Einlassgaswechselventil
10: Auslassgaswechselventil
11: Nockenwellenversteller
12: Zylinderventil
20: Steuereinrichtung
21: Magnet
23: Magnetkolben
25: Verdrehsicherung
27: Ventilkolben
29: Ventilgehäuse
31: Rückstellfeder
33: Axiallagerung
35: Nockenwelle
41: erste Öffnungen
43: zweite Öffnungen
45: dritte Öffnungen
51: Öffnungsabdeckung
51A: erste Teilabdeckung
51B: zweite Teilabdeckung
52: Kronenzacken
53: Ventilkolbenoberfläche
63: Stator
65: Rotor
67: Flügel
69: Druckkammer
71: erster Ölkanal
73: zweiter Ölkanal
A: erste Teilkammer
B: zweite Teilkammer
P: Druckmittelpumpe
T: Tank
PA: Innenrand der zweiten Teilabdeckung 51B
PB: Innenrand der ersten Teilabdeckung 51A
AT: Aussenrand der zweiten Teilabdeckung 51B
BT: Aussenrand der ersten Teilabdeckung 51A

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0806550 A1 [0003, 0004, 0005]
US 5107804 A [0004, 0005]
US 2009/0133652 A1 [0005]
EP 2075421 A1 [0006]
DE 19850947 [0007, 0008]
US 6186104 B1 [0008]

Claims

Nockenwellenversteller 11 für eine Nockenwelle 35, durch die Zylinderventile 12 eines Verbrennungsmotors betätigt werden, wobei durch die Nockenwelle 35 bei auflaufenden Nocken Spät-Drehmomente in Richtung später Zylinderventilöffnungszeiten und bei ablaufenden Nocken entgegen gesetzte Früh-Drehmomente in Richtung früher Zylinderventilöffnungszeiten auf den Nockenwellenversteller 11 zurückwirken, • mit einer Druckkammer 69 und einem in der Druckkammer 69 angeordnetem Verstellmittel 67, • wobei das Verstellmittel 67 die Druckkammer 69 in eine erste Teilkammer A und eine zweite Teilkammer B unterteilt, • wobei der ersten und der zweiten Teilkammer B Druckmittel zuführbar bzw. aus der ersten Teilkammer A und zweiten Teilkammer B Druckmittel abführbar ist, • so dass durch einen Druckunterschied zwischen der ersten Teilkammer A und zweiten Teilkammer B das Verstellmittel 67 bewegbar ist, wodurch sich eine Verdrehung der Nockenwelle 35 ergibt, • wobei sich bei einem höheren Druck in der ersten Teilkammer A eine Verdrehung der Nockenwelle 35 in Richtung auf frühe Zylinderventilöffnungszeiten und bei einem höheren Druck in der zweiten Teilkammer B eine Verdrehung der Nockenwelle 35 in Richtung auf späte Zylinderventilöffnungszeiten ergibt • und wobei die Zu- und Abfuhr von Druckmittel durch eine Steuereinrichtung 20 steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass • mittels der Steuereinrichtung 20 wahlweise ein Moment-Modus oder ein Pumpen-Modus einstellbar ist, • wobei im Moment-Modus überwiegend Nockenwellenmomente zum Druckaufbau in der ersten Teilkammer A oder in der zweiten Teilkammer B genutzt werden, • während im Pumpen-Modus der Druckaufbau in der ersten Teilkammer A oder in der zweiten Teilkammer B überwiegend mittels eines von einer Druckmittelpumpe P zur Verfügung gestellten Druckmittels erfolgt.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung 20 einen in einem Ventilgehäuse 29 angeordneten Ventilkolben 27 umfasst, wobei der Ventilkolben 27 gegenüber dem Ventilgehäuse 29 drehbar und axial verschieblich ist, wobei durch axiale relative Verschiebung des Ventilkolbens 27 gegenüber dem Ventilgehäuse 29 der Moment-Modus oder der Pumpen-Modus einstellbar ist, während durch relative Drehung des Ventilkolbens 27 gegenüber dem Ventilgehäuse 29 die Zu- bzw. Abfuhr des Druckmittels zu den Teilkammern A, B steuerbar ist.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 2, bei dem erste Öffnungen 41 und zweite Öffnungen 43 im Ventilgehäuse 29 um den Umfang des Ventilgehäuses verteilt angeordnet sind, wobei die ersten Öffnungen 41 mit der zweiten Teilkammer B und die zweiten Öffnungen 43 mit der ersten Teilkammer A korrespondieren und wobei durch die Oberfläche 53 des Ventilkolbens 27 eine Öffnungsabdeckung 51 gebildet ist, so dass je nach axialer Lage und Winkellage des Ventilkolbens relativ zum Ventilgehäuse 29 die ersten Öffnungen 41 und zweiten Öffnungen 43 zumindest teilweise durch die Öffnungsabdeckung 51 verschließbar sind.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 3, bei dem die ersten Öffnungen 41 und die zweiten Öffnungen 43 zueinander am Umfang in einem Winkelabstand jeweils gleich beabstandet sind und bezüglich der Öffnungsabdeckung 51 phasenrichtig so angeordnet sind, dass eine relative Drehung des Ventilkolbens 27 gegenüber dem Ventilgehäuse 29 um den Winkelabstand zu einer geometrisch gleichen Anordnung führt.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 3, bei dem die Öffnungsabdeckung 51 aus einer ersten Teilabdeckung 51A für die ersten Öffnungen 41 und einer zweiten Teilabdeckung 51B für die zweiten Öffnungen 43 gebildet ist wobei die erste Teilabdeckung 51A und die zweite Teilabdeckung 51B jeweils eine axial am Ventilkolben 27 außen liegende Aussenkante AT, BT und eine axial innen liegende Innenkante PA, PB aufweisen, wobei die Innenkanten in Umfangsrichtung ein etwa kronenartiges Profil mit entlang des Umfangs wechselnder axialer Lage aufweisen.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 2, bei dem für die relative axiale Lage des Ventilkolbens 27 fünf Schaltstellungen einstellbar sind, wobei • in einer ersten Lage der Pumpenmodus für eine Verstellung der Nockenwelle 35 nach späten Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist, • in der zweiten, axial folgenden Schaltstellung der Moment-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle 35 nach frühen Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist, • in der dritten, axial folgenden Schaltstellung eine Nockenwellenverstellung gesperrt ist, • in der vierten, axial folgenden Schaltstellung der Moment-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle 35 nach späten Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist und • in der fünften, axial folgenden Schaltstellung der Pumpen-Modus für eine Verstellung der Nockenwelle 35 nach frühen Zylinderventilöffnungszeiten eingestellt ist.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 5 und 6, bei dem • in der ersten Schaltstellung bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen 41 durch die Öffnungsabdeckung 51 überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P freigegeben sind, • während die zweiten Öffnungen 43 für einen Ablauf von Druckmittel geöffnet sind, wobei • bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen 41 durch die Öffnungsabdeckung 51 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P freigegeben sind, • während die zweiten Öffnungen 43 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P und gleichzeitig für einen Ablauf von Druckmittel freigegeben sind.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 5 und 6, bei dem • in der vierten Schaltstellung bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen 41 durch die Öffnungsabdeckung 51 überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel aus der zweiten Teilkammer B freigegeben und • die zweiten Öffnungen 43 für einen Ablauf von Druckmittel aus der zweiten Teilkammer B in die erste Teilkammer A geöffnet sind, • wobei bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen 41 durch die Öffnungsabdeckung 51 gesperrt sind, • während die zweiten Öffnungen 43 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P weitgehend geöffnet sind.
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 5 und 6, bei dem • in der zweiten Schaltstellung bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die zweiten Öffnungen 43 durch die Öffnungsabdeckung 51 überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel aus der ersten Teilkammer A freigegeben und • die ersten Öffnungen 41 für einen Ablauf von Druckmittel aus der ersten Teilkammer A in die zweite Teilkammer B geöffnet sind, • wobei bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die zweiten Öffnungen 43 durch die Öffnungsabdeckung 51 gesperrt sind, • während die ersten Öffnungen 41 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P weitgehend geöffnet sind
Nockenwellenversteller 11 nach Anspruch 5 und 6, bei dem • in der fünften Schaltstellung bei Auftreten von Früh-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die zweiten Öffnungen 43 durch die Öffnungsabdeckung 51 überwiegend für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P freigegeben sind, • während die ersten Öffnungen 41 für einen Ablauf von Druckmittel geöffnet sind, wobei • bei Auftreten von Spät-Drehmomenten eine relative Winkellage von Ventilgehäuse 29 und Ventilkolben 27 so eingestellt ist, dass die ersten Öffnungen 41 durch die Öffnungsabdeckung 51 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P und gleichzeitig für einen Ablauf von Druckmittel freigegeben sind, • während die zweiten Öffnungen 43 für einen Zulauf von Druckmittel von der Druckmittelpumpe P geöffnet sind.