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Die
Erfindung geht aus von einer Steuereinrichtung zum Verstellen des
Drehwinkels einer Nockenwelle nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist schon eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels
einer Nockenwelle aus der
DE
102 24 446 A1 bekannt, mit einer Phasenverstellvorrichtung
zur relativen Verdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle.
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Nachteilig
ist, dass als Phasenverstellvorrichtung ein Getriebe vorgesehen
ist, da dessen Herstellungskosten außerordentlich hoch sind. Außerdem geht
in dem Getriebe Energie verloren, so dass die durch die Nockenwellenverstellung
u.a. bewirkte Kraftstoffersparnis verringert wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Steuereinrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend erzielt
wird, dass die Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel einer Kurbelwelle mit weniger Energieverlust und kostengünstiger
erreicht wird, indem die Phasenverstellvorrichtung eine elektromagnetische
Kupplung ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Steuereinrichtung möglich.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
weist die elektromagnetische Kupplung einen Anker, eine elektrische
Spule und eine zwischen dem Anker und der elektrischen Spule angeordnete
Kupplungsfeder auf.
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Sehr
vorteilhaft ist, wenn an der Nockenwelle ein Antriebsrad angeordnet
ist, das mit der Nockenwelle und der Kurbelwelle wirkverbunden ist.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn der Anker auf der Nockenwelle axial verschiebbar
und drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist und die Kupplungsfeder den
Anker in Richtung des Antriebsrades drückt, da auf diese Weise eine
lösbare
formschlüssige und/oder
reibschlüssige
Verbindung zwischen dem Antriebsrad und dem Anker erreicht wird.
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Des
weiteren vorteilhaft ist, wenn bei unbestromter elektrischer Spule
eine reibschlüssige und/oder
formschlüssige
Verbindung zwischen dem Antriebsrad und dem Anker besteht. Bei unbestromter
Spule sind die Kurbelwelle und die Nockenwelle daher fest miteinander
gekoppelt. Bei bestromter elektrischer Spule wird die Verbindung
zwischen dem Antriebsrad und dem Anker zumindest teilweise gelöst, so dass
durch eine Verstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle variable
Ventilsteuerzeiten einstellbar sind.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Nockenwelle bei bestromter elektrischer
Spule mittels von auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomenten und/oder
mittels eines Aktors gegenüber
der Kurbelwelle verdrehbar ist. Durch das Ausnutzen der Wechselmomente
kann der Aktor zur Einstellung der Phasenverstellung eingespart
oder zumindest kleiner ausgebildet werden, so dass möglichst
wenig Energie für
die Phasenverstellung aufgewendet werden muss. Die Wechselmomente
entstehen durch Ventilfedern, die in rückstellender Weise mit den
sogenannten Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine zusammenwirken
und deren Federkräfte
beschleunigend oder verzögernd
auf die Nockenwelle wirken.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist der Aktor als ein Elektromotor ausgebildet.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn der Aktor über zumindest
ein Triebmittel auf die Nockenwelle wirkt, da das Drehmoment des
Aktors auf diese Weise besonders einfach in die Nockenwelle eingeleitet
wird.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn ein erster Sensor an der Nockenwelle und ein
zweiter Sensor an der Kurbelwelle vorgesehen ist, die den Drehwinkel der
Nockenwelle bzw. der Kurbelwelle erfassen und an ein elektronisches
Steuergerät
leiten, das die elektrische Spule der elektromagnetischen Kupplung und/oder
den Aktor in Abhängigkeit
von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und der Differenz
der beiden Drehwinkel steuert.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, wenn die Relativverdrehung der Nockenwelle gegenüber dem
Antriebsrad und der Kurbelwelle mechanisch auf einen vorbestimmten
Verstellbereich begrenzt ist, da auf diese Weise eine unzulässig große Verstellung
der Nockenwelle verhindert wird, die zu einer Kollision der Einlass-
und Auslassventile mit dem Kolben führen wurde.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung
zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle und 2 eine
elektromagnetische Kupplung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung
zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle.
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Die
Steuereinrichtung dient dazu, den Drehwinkel zumindest einer Nockenwelle
variabel gegenüber
dem Drehwinkel einer Kurbelwelle zu verstellen.
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Eine
Kurbelwelle 1 einer Brennkraftmaschine treibt über einen
Primärtrieb 2,
der beispielsweise als eine Kette, ein Zahnriemen oder eine Folge
von Zahnrädern
ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen 3 an. Dazu
ist an jeder Nockenwelle 3 ein Antriebsrad 4 befestigt,
das entsprechend dem Primärtrieb 2 beispielsweise
als Riemenscheibe oder Kettenrad ausgebildet ist und über den
Primärtrieb 2 mit
der Kurbelwelle 1 zusammenwirkt. Das Antriebsrad 4 ist,
wie bei Viertaktmotoren üblich,
derart ausgeführt,
dass sich zwischen der Kurbelwelle 1 und der Nockenwelle 3 ein
Untersetzungsverhältnis
von zwei zu eins ergibt. Die Drehzahl der Nockenwelle 3 ist
auf diese Weise halb so groß ausgelegt
wie die der Kurbelwelle 1.
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Die
Brennkraftmaschine weist Einlass- und Auslassventile 5 auf,
die von Nocken 8 mit exzentrisch bezüglich der Nockenwelle 3 ausgebildeten
Nockenflanken der zumindest einen Nockenwelle 3 geöffnet oder
geschlossen werden. Es ist möglich,
dass die Einlass- und
Auslassventile 5 von einer gemeinsamen Nockenwelle 3 betätigt oder
dass die Einlassventile 5 von einer Einlassnockenwelle 3 und
die Auslassventile 5 separat von einer Auslassnockenwelle 3 gestellt
werden. Die Einlass- und Auslassventile 5, die auch als
Gaswechselventile bezeichnet sind, werden jeweils von einer Ventilfeder 9 in
Richtung eines Ventilsitzes 10 gedrückt. Im geschlossenen Zustand
liegen die Einlass- und Auslassventile 5 jeweils an ihrem
Ventilsitz 10 an.
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Die
Nocken 8 haben einen etwa dreieckförmigen Querschnitt mit einer
ersten Nockenflanke und einer zweiten Nockenflanke. Die erste aufsteigende Nockenflanke
der Nocken 8 wirkt über
eine Mechanik auf die jeweiligen Einlass- und Auslassventile 5 und verschiebt
diese in einer vom Ventilsitz 10 abgewandten Öffnungsrichtung
entgegen der Federkräfte der
zugeordneten Ventilfedern 9. Bei der zweiten absteigenden
Nockenflanke der Nocken 8 bewegen die Ventilfedern 9 die
jeweiligen Einlass- und Auslassventile 5 wieder an den
zugeordneten Ventilsitz 10 zurück. Durch die Ventilfedern 9 wirken
bei aufsteigender Nockenflanke verzögernde Drehmomente und bei
absteigender Nockenflanke beschleunigende Drehmomente auf die Nockenwelle 3,
da die Ventilfedern 9 bei aufsteigender Nockenflanke zusammengedrückt werden
und sich bei absteigender Nockenflanke wieder ausdehnen. Diese durch
die Ventilfedern 9 verursachten wechselnden Drehmomente
treten kontinuierlich und in rascher Folge auf und werden im folgenden
als CTA-Drehmomente (Cam-Torque-Actuated-Drehmomente) bezeichnet.
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Zwischen
dem Antriebsrad 4 und der Nockenwelle 3 ist eine
Phasenverstellvorrichtung 11 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die
Phasenverstellvorrichtung 11 als eine elektromagnetische Kupplung
ausgebildet.
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Die
Phasenverstellvorrichtung 11 ist beispielsweise an der
Nockenwelle 3 benachbart zum Antriebsrad 4 angeordnet.
Die Phasenverstellvorrichtung 11 in Form einer elektromagnetischen
Kupplung ist in 2 schematisch gezeigt und weist
beispielsweise einen Anker 14, eine elektrische Spule 15 und eine
zwischen dem Anker 14 und der elektrischen Spule 15 angeordnete
Kupplungsfeder 16 auf. Bei der elektromagnetischen Kupplung
nach 2 sind die gegenüber der Steuereinrichtung nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der
Anker 14 der elektromagnetischen Kupplung 11 ist
unmittelbar mit der Nockenwelle 3 verbunden und auf der
Nockenwelle 3 axial verschiebbar und drehfest mit der Nockenwelle 3 ausgeführt.
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Das
Antriebsrad 4 ist beispielsweise stirnseitig mit einer
Schraube 17 an der Nockenwelle 3 befestigt. Das
Antriebsrad 4 ist gegenüber
dem Anker 14 und der Nockenwelle 3 verdrehbar
gelagert, beispielsweise mittels eines ersten Drehlagers 18.
Die Verdrehung des Antriebsrades 4 relativ zum Anker 14 und
zur Nockenwelle 3 oder umgekehrt ist durch eine mechanische
Sperre auf einen vorbestimmten Verstellbereich begrenzt. Die mechanische
Sperre ist beispielsweise durch einen Stehbolzen gebildet, der an
dem Antriebsrad 4 angeordnet ist und mit einer in dem gegenüberliegenden
Anker 14 vorgesehenen teilringförmigen Nut im Eingriff steht.
Der Stehbolzen kann selbstverständlich
auch an dem Anker 14 angeordnet und die teilringförmige Nut
an dem Antriebsrad 4 vorgesehen sein. Der vorbestimmte
Verstellbereich beträgt
beispielsweise 40 Grad.
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Zwischen
der Kupplungsfeder 16 und dem Anker 14 ist beispielsweise
eine Scheibe 19 und ein zweites Drehlager 20 vorgesehen,
um eine geringe Reibung zwischen dem rotierenden Anker 14 und
der nicht rotierenden Umgebung des Ankers 14 zu erreichen.
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Die
Kupplungsfeder 16 drückt
den Anker 14 in Richtung des Antriebsrades 4,
so dass bei unbestromter elektrischer Spule 15 eine reibschlüssige und/oder
formschlüssige
Verbindung zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Anker 14 besteht,
die keine relative Drehbewegung zwischen dem Antriebsrad 4 und
dem Anker 14 zulässt.
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Die
elektromagnetische Kupplung 11 lässt nach einer Entriegelung
eine Relativverdrehung der Nockenwelle 3 gegenüber dem
Antriebsrad 4 und der Kurbelwelle 1 zu.
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Bei
der elektromagnetischen Kupplung 11 wird die Entriegelung
beispielsweise erreicht, indem die elektrische Spule 15 bestromt
wird, so dass der Anker 14 in vom Antriebsrad 4 abgewandter
axialer Richtung gezogen und die reibschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung
zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Anker 14 zumindest
teilweise gelöst wird.
Nach dem Lösen
der reibschlüssigen
und/oder formschlüssigen
Verbindung zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Anker 14 ist
der Anker 14 und die mit dem Anker 14 drehfest
gekoppelte Nockenwelle 3 in dem vorbestimmten Verstellbereich
relativ zu dem Antriebsrad 4 verdrehbar.
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Die
CTA-Drehmomente können
bei der Steuereinrichtung mit elektromagnetischer Kupplung 11 zur
stufenlosen Verstellung der Nockenwelle 3 um einen vorbestimmten
Drehwinkel gegenüber
dem Drehwinkel der Kurbelwelle 1 genutzt werden. Dies ist
energetisch sehr günstig,
da keine zusätzliche
Energie zur Verstellung der Nockenwelle 3 aufgewandt werden
muss.
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Durch
das Verstellen der Nockenwelle 3 gegenüber der Kurbelwelle 1 kann
der sogenannte Ladungswechsel in den Brennräumen optimal an den Betriebszustand
der Brennkraftmaschine angepasst werden. Die sogenannten Ventilsteuerzeiten,
also die Zeitpunkte, zu denen die Einlass- und Auslassventile 5 geöffnet oder
geschlossen werden, sind nicht fest durch die Kurbelwelle 1 vorgegeben,
sondern durch die Verstellung der Nockenwelle 3 variabel
einstellbar. Durch die Verstellung der Nockenwelle 3 werden u.
a. eine höhere
Leistung, geringere Schadstoffemissionen und ein geringerer Kraftstoffverbrauch
als bei Brennkraftmaschinen mit festen Ventilsteuerzeiten erreicht.
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Bei
hohen Drehzahlen sind die CTA-Drehmomente ausreichend groß, aber
die zur Verfügung stehenden
Verstellzeiten sehr gering, während
bei geringen Drehzahlen die zur Verfügung stehenden Verstellzeiten
ausreichend, die CTA-Drehmomente für eine Verstellung aber zu
gering sind.
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Erfindungsgemäß ist daher
vorgesehen, abhängig
von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein zusätzliches
Drehmoment auf die Nockenwelle 3 zur Drehverstellung des
Antriebsrades 4 relativ zur Nockenwelle 3 auszuüben. Das
zusätzliche
Drehmoment wird mittels eines Aktors 21 (1) erzeugt,
der beispielsweise ein Elektromotor ist und an der Brennkraftmaschine
befestigt ist.
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Der
Aktor 21 ist erfindungsgemäß über zumindest ein Triebmittel 22 mit
der Nockenwelle 3 wirkverbunden. Das Triebmittel 22 ist
beispielsweise ein Zahnradpaar mit einem treibenden ersten Zahnrad 23,
das von dem Aktor 21 angetrieben wird, und mit einem zweiten
Zahnrad 24, das drehfest auf der Nockenwelle 3 sitzt
und von dem ersten Zahnrad 23 getrieben wird. Das Triebmittel 22 kann
aber selbstverständlich
auch als ein Kettentrieb, ein Riementrieb oder ähnliches ausgebildet sein.
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Zwischen
dem Aktor 21 und dem Triebmittel 22 kann beispielsweise
eine Verstellkupplung 26 zwischengeschaltet sein, so dass
der Aktor 21 von der Wirkverbindung mit der Nockenwelle 3 getrennt
werden kann, wenn kein zusätzliches
Verstellmoment von dem Aktor in die Nockenwelle 3 eingeleitet
werden soll. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Aktor 21 ständig von
der Nockenwelle 3 getrieben mitlaufen zu lassen. Dabei
kann der Aktor 21 entweder abgeschaltet oder, um die Reibung
des Aktors 21 zu verringern, mit geringer Leistung eingeschaltet sein
und mit der Nockenwelle 3 mitlaufen, ohne ein zusätzliches
Drehmoment auf die Nockenwelle 3 zu übertragen.
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Der
Aktor 21 wird beispielsweise bei Bedarf eingeschaltet, übt abhängig von
dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein zusätzliches
verzögerndes
oder beschleunigendes Drehmoment auf die Nockenwelle 3 aus
und verstärkt
auf diese Weise die CTA-Drehmomente.
Auf diese Weise wird das auf die Nockenwelle 3 wirkende
verstellende Drehmoment vergrößert, so
dass die Verstellung der Nockenwelle 3 sowohl bei hohen
als auch bei niedrigen Drehzahlen zuverlässig und innerhalb der erforderlichen
Verstellzeit erfolgt.
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Wenn
die stoffschlüssige
und/oder formschlüssige
Verbindung zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Anker 14 gelöst ist und
der Aktor 21 in Drehrichtung der Kurbelwelle 1 wirkt,
wird die Nockenwelle 3 innerhalb des vorbestimmten Verstellbereiches gegenüber dem
Antriebsrad 4 und der Kurbelwelle 1 in Drehrichtung
der Kurbelwelle 1 vorverstellt. Nach der Verstellung der
Nockenwelle 3 wird die Nockenwelle 3 wieder über die
elektromagnetische Kupplung 11 mit dem Antriebsrad 4 und
der Kurbelwelle 1 verbunden. Durch den Aktor 21 werden
kürzere
Verstellzeiten erreicht als beim Verstellen der Nockenwelle 3 nur
mittels der CTA-Drehmomente.
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Wenn
die elektromagnetische Kupplung 11 gelöst wird und kein Drehmoment
auf die Nockenwelle 3 wirkt, wird die Nockenwelle 3 entgegen
der Drehrichtung der Kurbelwelle 1 verdreht, da die Nockenwelle 3 bis
zum Wirken der Sperre zur Begrenzung des Verstellbereiches nicht
von der Kurbelwelle 1 angetrieben ist. Durch das Einwirken
der CTA-Drehmomente und der Aktor 21 entgegen der Drehrichtung der
Kurbelwelle 1 wird das Verstellen der Nockenwelle 3 entgegen
der Richtung der Kurbelwelle 1 beschleunigt, so dass kürzere Verstellzeiten
erreicht werden.
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An
der Nockenwelle 3 ist beispielsweise ein erster Sensor 25 angeordnet,
der den jeweiligen Drehwinkel der Nockenwelle 3 erfasst
und über
eine erste Signalleitung 27 an ein elektronisches Steuergerät 28 leitet.
Auch an der Kurbelwelle 1 ist beispielsweise ein zweiter
Sensor 32 angeordnet, der den jeweiligen Drehwinkel der
Kurbelwelle 1 erfasst und über eine zweite Signalleitung 33 an
das Steuergerät 28 leitet.
Durch einen Vergleich der Signale des ersten Sensors 25 und
des zweiten Sensors 32 kann ein Verstellwinkel der Nockenwelle 3 gegenüber der Kurbelwelle 1 ermittelt
werden.
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Das
Steuergerät 28 steuert
den Aktor 21 über
eine erste Steuerleitung 29 und die elektrische Spule 15 der
elektromagnetischen Kupplung 11 über eine zweite Steuerleitung 30 in
Abhängigkeit
von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und von der Differenz
der beiden ermittelten Drehwinkel der Nockenwelle 3 und
der Kurbelwelle 1.
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Wenn
die Nockenwelle 3 verstellt werden soll, wird der Aktor 21 über die
Steuerleitung 29 eingeschaltet bzw. die Leistung des Aktors 21 erhöht, gegebenenfalls
der Aktor 21 über
die Verstellkupplung 26 mit der Nockenwelle 3 verbunden
und die Verriegelung der elektromagnetischen Kupplung 11 durch
das Bestromen der elektrischen Spule 15 gelöst. Nach
der Verstellung wird die elektromagnetische Kupplung 11 wieder
verriegelt, um die Nockenwelle 3 wieder drehfest mit dem
Antriebsrad 4 und der Kurbelwelle 1 zu verbinden
und eine ungewollte Verstellung der Nockenwelle 3 zu vermeiden.