DE102004061710A1 - Nockenwellenverstelleinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem hydraulischen Stellmittel (22) sowie einem Verriegelungselement (18) zur Kopplung eines nockenwellenfesten Bauteils (12) mit einem kurbelwellenfesten Bauteil (11) und einem mittels eines Elektromagneten (16) betätigbaren Hydraulikventils (24), welches das Stellmittel (22) druckbeaufschlagt. Eine Verriegelung und Entriegelung in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ist möglich, wenn Mittel (15, 20, 21) zur Betätigung des Verriegelungselements (18) unabhängig von einer Druckbeaufschlagung des Stellmittels (22) und abhängig von einer Bestromung des Elektromagneten (16) vorgesehen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Nockenwellenverstelleinrichtungen müssen bei Auftreten von Fehlern in der Elektronik, beim Abfallen von Kabeln, Ausfällen der Sensorik oder Aktorik, wie etwa beim Ausfall des Hydraulikventils, die Phasenlage der Nockenwelle in eine definierte Notlaufposition bringen, so dass der Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens mit Einschränkungen noch sichergestellt ist. Bei den im Einsatz befindlichen hydraulischen Stellern mit geringen Stellbereichen liegt diese Position in der Regel in einem Anschlag des Verstellmittels. Diese Verstellmittel laufen durch das mittlere Nockenwellenmoment ohne Ölzufuhr in der Regel in den Anschlag „Spät", was beispielsweise der Notlaufposition für eine Einlassseite der Brennkraftmaschine entspricht. Sollte der Anschlag „Früh" die einzustellende Notlaufposition sein, was beispielsweise der Notlaufposition für eine Auslassseite der Brennkraftmaschine entspricht, kommt in der Regel eine Rückstellfeder zwischen Kettenrad und Nockenwelle zum Einsatz. Die Steller werden in der Regel in den Anschlägen verriegelt, was Geräusch mindernd ist. Der im Kettenrad verschieblich gelagerte Verriegelungsbolzen wird durch eine Feder in eine Nut im mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Flügelrad des Verstellmittels gepresst. Entriegelt wird das Verstellmittel durch den Öldruck der Kammern des Flügelzellenmotors. Bei Überschreitung eines bestimmten Druckes wird der Verriegelungsbolzen gegen die Feder gedrückt und verschoben.
• Allerdings geht der Öldruck im Verstellmittel nur eine gewisse Zeit nach dem Stillstand der Brennkraftmaschine, abhängig von der Leckage des Flügelzellenmotors, auf Null zurück, so dass das Verstellmittel nur im Stand verriegelt werden kann. Entriegelt wird beim Start erst nach Aufbau des Öldrucks nach Brennkraftmaschinenstart, was mit großen zeitlichen Streuungen mehrere Sekunden dauert und beispielsweise von der Zeitdauer des vorherigen Abstellens der Brennkraftmaschine abhängig ist. In dieser Zeit können nicht die für niedrige Rohemissionen der Brennkraftmaschine erforderlichen Steuerzeiten angefahren werden.
• Aus der DE 199 29 383 A1 ist eine hydraulische Nockenwellenverstelleinrichtung bekannt, bei der ein pinartiges Verriegelungselement nach Abschaltung der Brennkraftmaschine eine mechanische Kopplung zwischen einem als Flügelrad ausgebildeten nockenwellenfesten Bauteil und einem als Antriebsrad ausgebildeten kurbelwellenfesten Bauteil herstellt. Das Verriegelungselement wird durch ein Federelement in eine Verriegelungsstellung innerhalb einer komplementären Aufnahme des Antriebsrads bewegt, die sich innerhalb der Druckmittelführung zu einem hydraulischen Arbeitsraum befindet. Beim Start der Brennkraftmaschine wird durch die Druckbeaufschlagung der hydraulischen Arbeitsräume gleichzeitig die Aufnahme des Verriegelungselements druckbeaufschlagt und dieses gegen der Kraft des Federelements hydraulisch in seine Entriegeltstellung gebracht. Um ein klemmfreies Bewegen des Verriegelungselements beim Druckaufbau in der Aufnahme zu ermöglichen, wird in der Startphase der Elektromagnet des Hydraulikventils mit hochfrequenten getakteten Intervallen so bestromt, dass der Ventilkolben des Hydraulikventils um seine Mittellage pulsiert. Auch hier ist ein Verriegeln nur bei abgestellter Brennkraftmaschine möglich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellenverstelleinrichtung anzugeben, die in beliebigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine verriegelbar ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß sind bei einer hydraulischen Nockenwellenverstelleinrichtung zur Kopplung eines nockenwellenfesten Bauteils mit einem kurbelwellenfesten Bauteil Mittel zur Betätigung des Verriegelungselements unabhängig von einer Druckbeaufschlagung des Stellmittels und abhängig von einer Bestromung des Elektromagneten vorgesehen. Die Mittel sind bevorzugt Federmittel, die entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen, von denen wenigstens eine in ihrer Wirkung durch einen Elektromagneten gesteuert wird. Durch die elektrische Bestromung des Elektromagneten kann das Verriegelungselement leicht gesteuert werden, indem etwa das eine Federelement freigegeben wird, das dann das Verriegelungselement in einen Anschlag bringen kann. Ferner kann das Verriegelungselement insbesondere auch bei laufender Brennkraftmaschine betätigt werden. Die Beeinflussung kann insbesondere über eine magnetische Kopplung erfolgen, indem etwa eine Spule bestromt wird, die einen Magneten bewegt, der das Verriegelungselement wenigstens phasenweise in seiner Bewegung mitnimmt. Eine Entriegelung kann unabhängig vom Öldruck der hydraulischen Nockenwellenverstelleinrichtung erfolgen, da die Bewegung des Verriegelungselements nicht durch den Öldruck erfolgt.
• Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Ist ein Mittel vorgesehen, um das Verriegelungselement bei bestromtem Elektromagnet eines Hydraulikventils in seine Entriegeltstellung zu bewegen, kann besonders vorteilhaft und preiswert ein bereits vorhandenes Element in Form eines Proportionalmagneten mehrfach genutzt werden. Vorzugsweise ist das Verriegelungselement von einem als Druckfeder ausgebildeten Federelement umgeben, das bei bestromtem Elektromagneten das Verriegelungselement aus seiner Verriegelungsstellung löst.
• Neben üblichen Positionen „Stellung nach früh", „Stellung nach spät" und „Halten" kann eine weitere Position des Proportionalmagneten „Verriegeln" eingeführt werden. Diese kann durch ein Federelement, insbesondere eine als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder an der Nockenwellenverstelleinrichtung bzw. dem Stellmittel, vorteilhaft im stromlosen Zustand des Elektromagneten angefahren werden. Insbesondere ist das Verriegelungselement mechanisch an ein bewegliches Element des Elektromagneten gekoppelt. Das System ist sehr einfach aufgebaut und erfordert nur geringe Mehrkosten.
• Bevorzugt ist das Verriegelungselement in seiner Längserstreckung parallel zu einem Steuerkolben des Stellmittels angeordnet. Durch ein bevorzugtes Übertragungselement kann ein vom Elektromagneten ausgehender Steuerkolben zur hydraulischen Beaufschlagung des Verstellmittels in Wirkverbindung mit dem Verriegelungselement stehen, wobei das Übertragungselement die mechanische Kopplung zwischen Elektromagnet und Verriegelungselement bewirkt. Das Übertragungselement überträgt dabei eine Axialbewegung des Steuerkolbens auf das Verriegelungselement, indem es in seiner Axialbewegung das Verriegelungselement mitnimmt. Das Verriegelungselement wird dabei in seine Verriegelungsstellung eingefahren und stellt eine formschlüssige Verbindung zwischen dem kurbelwellenfesten Bauteil und dem nockenwellenfesten Bauteil her. Der Steuerkolben wiederum wird durch einen axial beweglichen Anker des Elektromagneten bewegt. Ist der Elektromagnet unbestromt, bringt eine Druckfeder den Steuerkolben in seinen nockenwellenseitigen Anschlag. Ist der Elektromagnet bestromt, wird der Steuerkolben gegen die Federkraft der Druckfeder bewegt. Die Nockenwellenverstelleinrichtung kann auch bei Betrieb der Brennkraftmaschine verriegelt werden, was beispielsweise auch für eine Konstantfahrt des Fahrzeugs genutzt werden kann. Beim Abstellen kann vorteilhaft mit dem Restöldruck der abtourenden Brennkraftmaschine noch die Startstellung einer oder mehrerer Nockenwellen angefahren werden und verriegelt werden. Die eine oder mehrere Nockenwellen stehen so beim Starten der Brennkraftmaschine in der richtigen Position.
• Ein kompakter Aufbau ergibt sich, wenn das Verriegelungselement durch ein kurbelwellenfestes Gehäuse des Stellmittels in Einrastbohrungen des Stellmittels eingreift. Es ist vorzugsweise eine Mehrzahl von Einrastbohrungen auf einem Radius vorgesehen, damit das Verriegelungselement in verschiedenen Positionen einrasten kann.
• Zweckmäßigerweise wird das Verriegelungselement in einer Führung des Gehäuses geführt.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
• Dabei zeigen:
• 1 schematisch eine Nockenwelle mit Nockenwellenverstelleinrichtung und ein mit einem Elektromagneten eines Hydraulikventils wirkverbundenes Verriegelungselement, und
• 2 eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Nockenwellenverstelleinrichtung.
• Wie aus der schematischen Darstellung in 1 ersichtlich, weist eine bevorzugte Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem hydraulischen Stellmittel 22 sowie einem Verriegelungselement 18 zur Kopplung eines nockenwellenfesten Bauteils 13 mit einem kurbelwellenfesten Bauteil 11 einen Elektromagneten 16 auf, der mit dem Verriegelungselement 18 wirkverbunden ist. Der Elektromagnet 16 ist als üblicher Proportionalmagnet eines Hydraulikventils 24 ausgebildet, welches das hydraulische Stellmittel 22 mit einem Druckmedium aus einem Vorratstank 25 in an sich bekannter Weise versorgt. Eine Pumpe 26 pumpt das Druckmedium vom Vorratstank zu dem hydraulischen Stellmittel 22. Das Stellmittel 22 verstellt eine Phasenlage zwischen einer Nockenwelle 10 und einem kurbelwellenfesten Bauteil 11, das als Antriebsrad ausgebildet ist. Stellmittel 22, kurbelwellenfestes Bauteil 11 und Nockenwelle 10 sind koaxial angeordnet.
• 2 zeigt in Explosionsdarstellung eine bevorzugte Nockenwellenverstelleinrichtung im Detail. In den Figuren sind der Übersichtlichkeit wegen für funktionell gleiche Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
• Die Nockenwellenverstelleinrichtung weist eine Zentralschraube 27 auf, die der Befestigung eines hydraulischen Stellmittels 22 an der Nockenwelle 10 dient und die gleichzeitig in ihrem Inneren einen Steuerkolben 14 für das als Flügelzellenmotor ausgebildete Stellmittel 22 enthält. Der Steuerkolben 14 trägt an seinem der Nockenwelle 10 zugewandten Ende einen zylindrischen Anker 17, der durch einen fahrzeugfesten Elektromagneten 16 bewegt wird. Ein zwischen Anker 17 und Elektromagnet 16 verbleibender Luftspalt ermögliche eine reibungsfreie Relativbewegung des Ankers 17 in axialer Richtung zum Elektromagneten 16. Der Steuerkolben 14 wird bei unbestromtem Elektromagneten 16 durch eine als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder 15 in Richtung Nockenwelle 10 gedrückt und bei Bedarf durch den Elektromagneten 16 in die entgegen gesetzte Richtung bewegt.
• Dabei können in axialer Richtung mehrere Positionen eingenommen werden. Bei einer ersten Position bei unbestromtem Elektromagneten 16 ist der Steuerkolben 14 im Anschlag Richtung Nockenwelle 10, da die Rückstellfeder 15 den Steuerkolben in den Anschlag drückt. Eine zweite Position ist „Stellen nach früh" bzw. „Stellen nach spät" durch Befüllen einer der Kammerseiten und Entleeren der anderen Seite des als Flügelzellenmotor ausgebildeten Stellmittels 22. In einer dritten Position „Stellung halten" sind Zu- und Abläufe der Kammern verschlossen. In einer vierten Position „Stellen nach spät" bzw. „Stellen nach früh" wird eine Kammerseite des als Flügelzellenmotor ausgebildeten Stellmittels 22 befüllt und die andere Seite entleert.
• Ein als Bolzen ausgebildetes Verriegelungselement 18 befindet sich in einer Führung 23 in einem vorderen Deckel 12 eines insgesamt drehfest mit dem kurbelwellenfesten Bauteil 11 verbundenen Gehäuses des als Flügelzellenmotor ausgebildeten Stellmittels 22. Das Verriegelungselement 18 ist von einem als Druckfeder ausgebildeten Federelement 20 umgeben. Die Wirkrichtung des Federelements 20 ist der Wirkrichtung der Rückstellfeder 15 entgegen gesetzt. Ein oder mehrere Einrastbohrungen 19 sind im drehfest mit der Nockenwelle 10 als Flü gelrad ausgebildeten Bauteil 13 angeordnet. Die Einrastbohrungen 19 sind auf einem gemeinsamen Radius um die Zentralschraube 27 angeordnet. Das Verriegelungselement 18 kann die Nockenwellenverstelleinrichtung bzw. das Stellmittel 22 in jeder der durch die Einrastbohrungen 19 vorgegebenen diskreten Rastpositionen unabhängig vom Öldruck verriegeln. Denkbar ist auch eine kraftschlüssige Verriegelung mit einem Reibbelag oder dergleichen, um kontinuierlich ineinander übergehende Rastpositionen anfahren zu können.
• Bewegt sich entsprechend der ersten Position bei stromlosem Elektromagneten 16 der Steuerkolben 14 in Richtung Nockenwelle 10, dann wird das Verriegelungselement 18 durch ein als Hebel ausgebildetes Übertragungselement 21 in eine der Einrastbohrungen 19 eingefahren. Das Übertragungselement 21 ist so in Kontakt mit einer dem Elektromagneten 16 zugewandten Stirnseite 28 des als Bolzen ausgebildeten Verriegelungselements 18, dass bei einer Bewegung zur Nockenwelle 10 hin das als Bolzen ausgebildete Verriegelungselement 18 von dem Übertragungselements 21 mitgenommen wird. Die Nockenwellenverstelleinrichtung ist daraufhin blockiert. Bewegt sich der Steuerkolben 14 in eine der anderen Positionen, fährt das Verriegelungselement 18 durch sein als Druckfeder ausgebildetes Federelement 20 wieder aus, bis dessen Stirnseite 28 wieder mit dem Übertragungsmittel 21 in Kontakt gerät. Die Nockenwellenverstelleinrichtung ist wieder frei.

Claims (9)

1. Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem hydraulischen Stellmittel (22) sowie einem Verriegelungselement (18) zur Verriegelung eines nockenwellenfesten Bauteils (12) mit einem kurbelwellenfesten Bauteil (11) und einem mittels eines Elektromagneten (16) betätigbaren Hydraulikventils (24), welches das Stellmittel (22) druckbeaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (15, 20, 21) zur Betätigung des Verriegelungselements (18) unabhängig von einer Druckbeaufschlagung des Stellmittels (22) und abhängig von einer Bestromung des Elektromagneten (16) vorgesehen sind.
2. Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (20) vorgesehen ist, um das Verriegelungselement (18) bei bestromtem Elektromagneten (16) in seine Entriegeltstellung zu bewegen.
3. Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (18) von dem Federelement (20) umgeben ist.
4. Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellfeder (15) an dem Stellmittel (22) vorgesehen ist, um das Verriegelungselement (18) bei unbestromtem Elektromagneten (16) in seine Verriegelungsstellung einzufahren.
5. Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (15) und das Federelement (20) entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen.
6. Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (18) in seiner Längserstreckung parallel zu einem Steuerkolben (14) des Stellmittels (22) angeordnet ist.
7. Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Elektromagneten (16) ausgehender Steuerkolben (14) zur hydraulischen Beaufschlagung des Verstellmittels (22) ein Übertragungselement (21) aufweist, das wenigstens phasenweise in Wirkverbindung mit dem Verriegelungselement (18) steht.
8. Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (18) in seiner Verriegelungsstellung durch ein kurbelwellenfestes Gehäuse des Stellmittels (22) in Einrastbohrungen (19) des Stellmittels (22) eingreift.
9. Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (18) in einer Führung (23) des Gehäuses des Stellmittels (22) geführt ist.