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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Steuerventile, die gemeinsam mit Nockenwellenverstellern zu der Regelung des Betriebs eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Mit derartigen Vorrichtungen wird Einfluss auf den Vorgang genommen, der beim Ladungswechsel abläuft: Eine Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle ändert deren Position relativ zu der Phasenlage der Kurbelwelle; somit lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten von Gaswechselventilen zu einem früheren bzw. späteren Zeitpunkt des durchlaufenen Kreisprozesses verschieben. Das Ziel der Regelung besteht darin, den Betrieb des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung des Motorkennfelds dahingehend zu optimieren, dass Verbrauch und Emissionen reduziert werden. Die Güte der Regelung ist von der zuverlässigen Einstellung der relativen Phasenlage abhängig, woraus sich hohe Anforderungen an die Präzision des Steuerventils ergeben.
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Aus der
DE 10 2008 004 591 A1 ist ein Steuerventil bekannt, das ein Ventilgehäuse mit wenigstens einem Zulaufanschluss, wenigstens zwei Versorgungs- bzw. Arbeitsanschlüssen und wenigstens einem Ablaufanschluss enthält. Innerhalb des Ventilgehäuses ist ein hohl gestalteter und axial verschiebbarer Steuerkolben geführt, durch den der Zulaufanschluss positionsabhängig über wenigstens einen ersten Druckmittelpfad mit einem der Arbeitsanschlüsse verbindbar ist, während der andere Arbeitsanschluss über wenigstens einen zweiten Druckmittelpfad mit dem Ablaufanschluss verbindbar ist. Der wenigstens eine, nicht dem Ablaufanschluss zugewandte Arbeitsanschluss kann mit dem Ablaufanschluss über einen dritten Druckmittelpfad verbunden werden, dessen Verlauf teilweise durch das Innere des Steuerkolbens führt. Der dem Ablaufanschluss zugewandte Arbeitsanschluss hingegen kann direkt mit dem Ablaufanschluss in Verbindung gebracht werden, der Druckmittelpfad verläuft zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil anzugeben, welches eine besonders genaue Einstellung der Ventilkolbenlage ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kolben- und Hülsenöffnungen über den Umfang angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen den Achsen der Kolbenöffnungen sich unterscheidet von dem Winkel zwischen den Achsen der Hülsenöffnungen und wobei der von den Kolben- und Hülsenöffnungen zu der gleichen Zeit überdeckte gleiche Winkelbereich – in Abhängigkeit von der relativen Lage des Steuerkolbens zu der Steuerhülse in Umfangsrichtung – annähernd gleich bleibt.
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Nach Erkenntnis der Erfindung beeinflussen radial angeordnete Öffnungen am Steuerkolben den Kennlinienverlauf des bereitgestellten Hydraulikmittels, also dessen Volumenstrom in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils. Hydraulikmittel strömt in axialer Richtung entlang der Außenmantelfläche des Steuerkolbens, greift in radiale Öffnungen ein und ruft eine Strömungskraft hervor.
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Die Einflussnahme auf den Kennlinienverlauf wirkt aber nur mittelbar: Unmittelbar hängt der realisierte Verlauf von der axialen Stellung des Steuerkolbens relativ zu der Steuerhülse ab. Zum einen wird durch axiale Positionierung des Steuerkolbens eine – gewünschte – Schaltstellung verwirklicht. Zum anderen wird aber – unerwünscht – durch eine ungenaue Positionierung des Steuerkolbens die Charakteristik der Steuerabschnitte verändert. Ein ungleichmäßiger Verlauf der Kennlinie kann somit direkt auf die Positionier- und Wiederholgenauigkeit der Ansteuerung der verschiedenen Schaltpositionen zurückgeführt werden.
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Die Ansteuerung des Steuerkolbens erfolgt in der Regel mit Hilfe eines elektromagnetischen angetriebenen Aktors. Der Anker des Elektromagneten wird in Abhängigkeit von der Bestromung des Elektromagneten in axialer Richtung verschoben, über eine Stößelstange wird die Ankerbewegung in eine axiale Bewegung des Steuerkolbens umgesetzt. Die durch den Elektromagneten hervorgerufene und auf die Stößelstange übertragene Kraft wirkt wiederum gegen die Kraft einer Feder. Die axiale Postionierung des Steuerkolbens ist somit von einem Kräftegleichgewicht abhängig, das sich infolge der Ausrückkraft der Stößelstange und der entgegen gerichteten Federkraft einstellt. Die Stabilität der für das Gleichgewicht relevanten Kräfte bestimmt die Positionier- und Wiederholgenauigkeit.
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Radiale Öffnungen am Kolbenkopf beeinflussen das Kräftegleichgewicht. In Abhängigkeit von der Schaltstellung strömt Hydraulikmittel in axialer Richtung entlang der Außenmantelfläche des Steuerkolbens. Die Strömung greift in radiale Öffnungen des Steuerkolbens – die Kolbenöffnungen – ein und beaufschlagt den Steuerkolben mit einer Strömungskraft. Die Strömungskraft muss demnach bei der Bestimmung des Kräftegleichgewichts Berücksichtigung finden.
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Der Strom des Hydraulikmittels verläuft entlang definierter Kanäle, die durch die Hülsenöffnungen vorgegeben werden. Die Strömung ist demnach nicht gleichmäßig über den Umfang des Steuerkolbens verteilt. Bei der Bestimmung des Kräftegleichgewichts muss daher die relative Lage des Steuerkolbens berücksichtigt werde, die sich zufällig gegenüber der Lage der Steuerhülse einstellt; der Steuerkolben ist nicht verdrehsicher zu der Lage der Steuerhülse festgelegt. Die zufällige Lage des Steuerkolbens und der Verlauf des Stroms entscheiden also darüber, ob der Hydraulikmittelstrom in eine radiale Öffnung am Kolbenkopf eingreift oder nicht. Die Strömungskraft, die in die radialen Öffnungen am Kolbenkopf eingreift, kann somit im voraus nicht bestimmt werden und kann unmittelbar zu einem ungleichmäßigen Verlauf der Kennlinie führen.
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Die Erfindung reduziert auf einfache Weise die Abhängigkeit des Kennlinienverlaufs, die in Bezug auf die relative Lage des Steuerkolbens in Umfangsrichtung und bezüglich des Strömungsverlaufs besteht. In Kenntnis dieser Abhängigkeit würde ein Fachmann versuchen, die Ursachen des ungleichmäßigen Kennlinienverlaufs direkt anzugehen – erstens kann die Lage des Steuerkolbens in Umfangrichtung festgelegt werden, alternativ wird die Ursache dadurch behoben, dass der Strömungsverlauf des Hydraulikmittels gleichmäßig über den Umfang des Steuerkolbens verteilt wird.
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Der direkte Weg führt jedoch zu Lösungen, die andere Eigenschaften des Steuerventils verschlechtern: Erstens würde eine Festlegung der Lage des Steuerkolbens in Umfangsrichtung, beispielsweise mit Hilfe einer Führung, weitergehende konstruktive Anpassungen bestehender Ausführungsformen erforderlich machen. Die Führung des Steuerkolbens verursacht im Vergleich zu der Erfindung einen höheren Herstellungsaufwand, weil sowohl die Steuerhülse als auch der Steuerkolben konstruktiv an die Führung angepasst werden müssen. Zudem zieht die Anpassung der Bauteile weitere Nachteile nach sich; beispielsweise greift eine Führung in den Verlauf einer Umfangsnut ein und beeinträchtigt somit die Vielseitigkeit des Steuerventils.
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Eine alternative Lösung könnte darin bestehen, den Strömungsverlauf des Hydraulikmittels gleichmäßig über den Umfang des Steuerkolbens zu verteilen. Somit wäre die Kraft, die aufgrund der Strömung auf den Steuerkolben wirkt, unabhängig von seiner relativen Lage in Umfangsrichtung. Aber auch diese Lösung ist nachteilig im Vergleich zu der Erfindung. Eine gleichmäßige Verteilung wäre konstruktiv zwangsläufig mit einem größeren axialen Abstand verbunden zwischen den Öffnungen am Kolbenkopf und den Öffnungen an der Steuerhülse. Mit der Erfindung dagegen werden diese Nachteile vermieden und ein annähernd gleichmäßiger Kennlinienverlauf erreicht bei gleichzeitig kompakter Bauweise des Steuerventils.
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Eine weitere Verbesserung der Kennliniengüte kann dadurch erreicht werden, dass die Anzahl der radial angeordneten Kolbenöffnungen und die Anzahl der radial angeordneten Hülsenöffnungen keinen gemeinsamen Teiler haben. Der Vorteil der Ausführungsform besteht in einer besonders gleichmäßig verlaufenden Strömungskraft. Über den gesamten Bereich der möglichen Lage des Steuerkolbens in Umfangsrichtung – relativ zu der Lage der Steuerhülse – überdecken sich höchstens eine Kolben- und eine Hülsenöffnung; weitere Öffnungen überdecken sich nur teilweise.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Anzahl der radial angeordneten Kolbenöffnungen um eine Öffnung größer oder kleiner zu wählen als die Anzahl der radial angeordneten Hülsenöffnungen.
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In vorteilhafter Weise kann die Erfindung ausgestaltet werden, indem am Kolbenkopf drei oder fünf radial angeordnete Kolbenöffnungen ausgebildet sind und an der Steuerhülse vier radial angeordnete Hülsenöffnungen ausgebildet sind. Der Erfindungsgedanke kann in dieser Ausführungsform mit minimalem Bearbeitungsaufwand verwirklicht werden. Das gleiche gilt für den Fall, dass an der Steuerhülse drei oder fünf radial angeordnete Hülsenöffnungen ausgebildet sind und am Kolbenkopf vier radial angeordnete Kolbenöffnungen ausgebildet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können die radial angeordneten Kolbenöffnungen und die radial angeordneten Hülsenöffnungen axial versetzt angeordnet sein. Das Problem des Eingreifens einer Strömungskraft besteht zwar nach wie vor; es kann aber eine weitere Verbesserung der Kennliniengüte erreicht werden, wenn infolge eines axialen Versatzes Einfluss auf den Strömungsverlauf genommen wird, indem die Strömung über größere Flächen der Außenmantelfläche des Steuerkolbens verteilt wird. Gleichzeitig kann eine kompakte Bauweise des Steuerventils weitestgehend beibehalten werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Steuerhülse und ein Druckmittelleiteinsatz einstückig ausgebildet. In diesem Fall erfüllen der Druckmittelleiteinsatz und die Steuerhülse die Funktion der Steuerhülse gemeinsam.
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Das Steuerventil kommt bevorzugt in einem Nockenwellenversteller zum Einsatz. Sofern das Steuerventil in einem Nockenwellenversteller eingesetzt wird, sind die radial angeordneten Öffnungen am Kolbenkopf und an der Steuerhülse Ablauföffnungen oder Zulauföffnungen für ein Hydraulikmittel.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Gleichwirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
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1: einen Längsschnitt eines Steuerventils. Die Zeichnung veranschaulicht ein besonders für Nockenwellenversteller geeignetes Ausführungsbei spiel;
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2: eine perspektivische Ansicht eines Steuerkolbens des Steuerventils aus 1;
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3: einen Querschnitt des Steuerkolbens aus 2;
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4: eine perspektivische Ansicht einer Steuerhülse des Steuerventils aus 1 und
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5: einen Querschnitt der Steuerhülse aus 4.
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In
1 ist ein besonders für Nockenwellenversteller geeignetes Ausführungsbeispiel des Steuerventils
1 gezeigt. Das Steuerventil
1 ist in Form eines Zentralventils ausgestaltet, das in eine Zentralbohrung des Rotors eines Nockenwellenverstellers in Flügelzellenbauart eingesetzt werden kann (nicht gezeigt). Die prinzipielle Art des Zusammenwirkens zwischen Steuerventil und Nockenwellenversteller ist dem Fachmann aus der
DE 10 2005 052 481 A1 bekannt, in der auch die Anbindung an das Hydrauliksystem beschrieben wird. Auf die Offenbarung der genannten Druckschrift wird ausdrücklich Bezug genommen.
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1 veranschaulicht ein Steuerventil 1 mit einem Ventilgehäuse 2, einem Druckmittelleiteinsatz 3 und einer Steuerhülse 4 sowie mit einem Steuerkolben 5. Das Steuerventil 1 enthält ferner ein Federelement 6, eine Rückschlagventileinheit 7 und einen Sicherungsring 8.
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Das Ventilgehäuse 1 umfasst einen sich stufenförmig erweiternden Gehäuserumpf 9 mit einem Gehäuseschaft 10, der mit einem Außengewinde 11 versehen ist. Die Einheit aus Druckmittelleiteinsatz 3 und Steuerhülse 4 ist im Gehäusehohlraum 12 angeordnet und bildet eine axiale Führung für den Steuerkolben 5.
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Der Steuerkolben 5 weist (wie aus 2 hervorgeht) einen ersten Abschnitt 13 und einen zweiten Abschnitt 14 auf, die einen dritten Abschnitt 15 mit verringertem Durchmesser einschließen. Der dritte Abschnitt 15 formt mit der inneren Wandung der Steuerhülse eine Steuernut 16. Der Kolbenkopf 17a bildet einen der Gehäusehohlraumöffnung 17 zugewandten vierten Abschnitt, der einen im Vergleich zum Durchmesser des zweiten Abschnitts 14 verminderten Durchmesser aufweist. Am Kolbenkopf 16 befinden sich radial angeordnete Kolbenöffnungen 18. Weitere radial angeordnete Öffnungen befinden sich am Ventilgehäuse, an dem Druckmittelleiteinsatz und an der Steuerhülse, die einen ersten Radialdurchtritt 19, einen zweiten Radialdurchtritt 20 und die Hülsenöffnung 21 bilden. Der erste und der zweite Radialdurchtritt 19, 20 bilden den Versorgungs- bzw. Arbeitsanschlüsse A bzw. B.
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Über einen dritten Radialdurchtritt 22 – dem Zulauf bzw. Druckanschluss P – kann Druckmittel über eine nicht im Detail dargestellte Druckmittelleitung dem Steuerventil 1 zugeführt werden. Über eine Zentralöffnung 23 strömt das Druckmittel in Richtung Gehäusehohlraum 12 und passiert einen Ringfilter 24 und eine Rückschlagventileinheit 7. Die Rückschlagventileinheit 7 des dargestellten Steuerventils ist als Rückschlagventil mit Dichtscheibe ausgestaltet, eine Überdehnung der Dichtscheibe wird durch einen Anschlag 25 verhindert; es sind aber auch andere Ausführungsformen eines Rückschlagventils denkbar, z.B. ein aus einer Kugel geformtes Schließelement.
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Über eine Steuernutöffnung 26 gelangt der Druckmittelstrom in die Steuernut 16. Die Verbindung mit einem der Versorgungs- bzw. Arbeitsanschlüsse A oder B erfolgt über die axiale Positionierung des Steuerkolbens 5, die z.B. mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Stelleinheit (nicht dargestellt) gegen die Kraft eines Federelements 7 eingestellt wird. In Abhängigkeit von der axialen Lage des Steuerkolbens 5 fließt das Druckmittel über die Steuernut 16 entweder zum Versorgungs- bzw. Arbeitsanschluss A oder B. Der jeweils nicht mit dem Zulauf verbundene Arbeitsanschluss ist mit dem Ablauf verbunden, dem Tankanschluss T, der Ablauf erfolgt über die Gehäusehohlraumöffnung 17. Das ablaufende Druckmittel vom Arbeitsanschluss A tritt durch den ersten Radialdurchtritt 19 in den Gehäusehohlraum 17 und setzt seinen Weg zum Ablauf bzw. Tankanschluss T über den Kolbenhohlraum 27 fort. Der Austritt erfolgt über die Kolbenöffnungen 18.
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Der Ablauf des Druckmittels vom Arbeitsanschluss B nimmt einen anderen Weg. Aufgrund der axialen Stellung des Steuerkolbens 5 ist der direkte Weg zu der Gehäusehohlraumöffnung 17 freigegeben. Das Druckmittel fließt durch die Hülsenöffnung 21 in den Gehäusehohlraum 12, setzt seinen Weg entlang der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 5 fort und gelangt letztendlich zum Ablauf- bzw. Tankanschluss T. Während des Ablaufs greift der Druckmittelstrom in die Kolbenöffnungen 18 ein und erzeugt eine Strömungskraft. Durch die annähernd gleich großen Winkelbereiche (siehe 3, 5), die gleichzeitig von Kolben- und Hülsenöffnungen 18, 21 überdeckt werden, wird die Abhängigkeit der Strömungskraft von der relativen Stellung des Steuerkolbens 5 zur Steuerhülse 4 in Umfangsrichtung reduziert.
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Der Steuerkolben 5 aus 1 wird in 2 gezeigt. Veranschaulicht ist ein erster Abschnitt bzw. eine erste Steuerkante 13 und ein zweiter Abschnitt bzw. eine zweite Steuerkante 14, die einen dritten Abschnitt 15 mit reduziertem Durchmesser einschließen. An den ersten Abschnitt 13 schließt sich ein vierter Abschnitt an, der den Kolbenkopf 17a bildet. Der Steuerkolben weist an seinem Kolbenkopf 17a drei radial angeordnete Kolbenöffnungen 18 auf. Die Kolbenöffnungen 18 können im Wesentlichen kreisrund sein, aber auch durch eine andere geometrische Form verwirklicht werden.
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In 3 ist ein Querschnitt des Steuerkolbens 5 aus 2 dargestellt. Zwischen den Achsen der Kolbenöffnungen 18 ist ein Winkel eingezeichnet, der als Kolbenwinkel 28 bezeichnet wird. Die Kolbenwinkel 28 zwischen den Achsen der Kolbenöffnungen 18 ist in der dargestellten Ausführungsform zwischen allen Achsen gleich groß, die Kolbenöffnungen 18 sind demnach gleichmäßig über den Umfang des Kolbenkopfes 17a verteilt.
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Denkbar ist aber auch eine ungleichmäßige Verteilung der Kolbenöffnungen 18 über den Umfang des Kolbenkopfes 17a. In diesem Fall müssen die Winkel zwischen den Achsen der Kolbenöffnungen 18 sich sowohl allein als auch in ihrer schrittweise addierten Summe von den Winkeln zwischen den Achsen der Hülsenöffnungen 21 sowohl allein als auch in ihrer schrittweiseaddierten Summe mit Ausnahme des Vollwinkels unterscheiden.
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Die Steuerhülse 4 aus 1 ist in 4 gezeigt. An der Steuerhülse 4 sind ein erster Druckmitteldurchtritt 29, ein zweiter Druckmitteldurchtritt bzw. die vier Hülsenöffnungen 21 und die Steuernutöffnung 26 ausgebildet. Die vier Hülsenöffnungen 21 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und können als Schlitze ausgebildet sein, die sich in axialer Richtung erstrecken; es kann aber auch jede andere geometrische Form dem Ablauf eines Hydraulikmittels dienen.
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In 5 wird mittels eines Querschnitts der Steuerhülse 4 der Winkel zwischen den Achsen der Hülsenöffnungen veranschaulicht, der hier mit Hülsenwinkel 30 bezeichnet wird. Die Hülsenöffnungen 21 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. In Betracht kommt aber ebenso eine ungleichmäßige Verteilung; auch in diesem Fall müssen sich die Winkel zwischen den Achsen der Kolbenöffnungen 18 sowohl allein als auch in ihrer schrittweise addierten Summe von den Winkeln zwischen den Achsen der Hülsenöffnungen 21 sowohl allein als auch in ihrer schrittweise addierten Summe mit Ausnahme des Vollwinkels unterscheiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Druckmittelleiteinsatz
- 4
- Steuerhülse
- 5
- Steuerkolben
- 6
- Federelement
- 7
- Rückschlagventil
- 8
- Sicherungsring
- 9
- Gehäuserumpf
- 10
- Gehäuseschaft
- 11
- Außengewinde
- 12
- Gehäusehohlraum
- 13
- erster Abschnitt bzw. erste Steuerkante
- 14
- zweiter Abschnitt bzw. zweite Steuerkante
- 15
- dritter Abschnitt
- 16
- Steuernut
- 17
- Gehäusehohlraumöffnung
- 17a
- vierter Abschnitt bzw. Kolbenkopf
- 18
- Kolbenöffnung
- 19
- erster Radialdurchtritt
- 20
- zweiter Radialdurchtritt
- 21
- Hülsenöffnung bzw. zweiter Druckmitteldurchtritt
- 22
- dritter Radialdurchtritt
- 23
- Zentralöffnung
- 24
- Ringfilter
- 25
- Anschlag
- 26
- Steuernutöffnung
- 27
- Kolbenhohlraum
- 28
- Kolbenwinkel
- 29
- erster Druckmitteldurchtritt
- 30
- Hülsenwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008004591 A1 [0002]
- DE 102005052481 A1 [0025]