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Die
Erfindung betrifft einen kraftfahrzeugtauglichen Hydraulikkreis,
insbesondere mit einem Nockenwellenversteller, und entsprechende
Steuerelemente.
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In
Hydraulikkreisen von Kraftfahrzeugen werden Hydraulikkolben eingesetzt,
um die Position eines angeschlossenen mechanischen Elements, wie
zum Beispiel einer Nockenwelle, zu verändern. Ein Typ eines Hydraulikkolbens
kann ein schwenkmotorartiger Drehkolben oder auch Radialkolben,
auch bekannt als Hydraulikmotor, sein, der innerhalb eines bestimmten
Winkelbereichs rotatorisch seine Position verändern kann.
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Der
Kolben bewegt sich innerhalb eines Gehäuses, wobei der Kolben beidseitig
hydraulische Räume bildet,
die gegenläufig
verändert
werden. Das bedeutet, wenn durch eine Positionsveränderung
des Hydraulikkolbens die eine Hydraulikkammer anwachst, reduziert
sich in einem korrespondierenden Maße die entsprechende dem Kolben
gegenüberliegende
Kammer und umgekehrt. Bekanntermaßen sind die Hydraulikkammern
gleichartig gestaltet, so dass das volumenmäßige Anwachsen der einen Hydraulikammer
zu der gleichen volumenmäßigen Reduktion
der korrespondierenden anderen Kammer beiträgt. In diesem Fall sind die
Veränderungen
des Volumens betragsmäßig äquivalent
oder sogar identisch.
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Ein
sehr wichtiger hydraulischer Kraftfahrzeugkreis ist der im Motorsumpf
startende Nockenwellenverstellerkreis, der über entsprechende Ventile und
einem schwenkmotorartigen Nockenwellenversteller die relative Lage
der Nockenwelle gegenüber
einer antreibenden Welle, wie zum Beispiel der Kurbelwelle oder
einer weiteren Nockenwelle, verstellt. Die Verstellungen erfolgen
in Richtung auf einen früheren
oder einen späteren Zeitpunkt
in Bezug auf den Drehwinkel der antreibenden Welle oder in Bezug
auf die Position des Kolbens. Ein solches System wird im Gegensatz
zu zum Beispiel abgeschlossenen Systemen mit einem einzigen Hydraulikkreislauf,
so wie bekannte Kraftfahrzeuggetriebe aufgebaut sind, als offenes
System betrachtet, das mit veränderlichen Ölvolumina
arbeitet, weil mehrere Hydraulikkreise im Motorsumpf startend in
der Verbrennungskraftmaschine vorhanden sind.
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Andere
bekannte hydraulische Kreise im Kraftfahrzeug können zum Beispiel Getriebesteuerungen sein,
die entweder an dem zentralen, mit Motoröl versorgten Hydraulikkreis
oder einem unabhängigen,
selbstständig
abgeschlossenen Hydraulikkreis hängen.
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Insbesondere
bei mehrfachen, hydraulischen Belastungen durch ein aufgefädeltes Hydrauliksystem fordern
Automobilhersteller eine möglichst
geringe Belastung der hydraulischen Pumpe, die alle Verbraucher versorgen
muss. Hierdurch werden die parasitären Belastungen der Verbrennungskraftmaschine
gesenkt, was wiederum zur Wirkungsgradsteigerung beiträgt.
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Zahlreiche
Ausführungsformen,
wie die Überversorgung
der hydraulischen Verbraucher reduziert werden können, ist der
US 2005/0072397 A1 entnehmbar,
die vorrangig bei den Fördermengen
des Hydraulikkreises ansetzt. Nach einem Aspekt der dort beschriebenen
Erfindung werden drehzahlabhängige
Fördermengen einer
mechanisch direkt mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Ölpumpe durch
zusätzliche
Förder- oder
Speichereinrichtungen mengenmäßig reduziert.
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Eine
weitere wichtige Forderung von Verbrennungsmotorenherstellern ist
der Wunsch, möglichst schnelle
Nockenwellenversteller in den Verbrennungsmotor einbauen zu können. In
der Regel wird die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwellenversteller
durch entsprechend große Ölfördermengen
erhöht.
Viele Kraftfahrzeughersteller fordern Versteller mit Verstellgeschwindigkeiten
von 100°/sec.
In der Literatur findet man häufig
Versteller, deren Verstellgeschwindigkeit mit einem einzigen Extremwert
angegeben werden. Wichtig ist aber die Verstellgeschwindigkeit über alle
Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, die möglichst konstant bzw. linear
sein soll. So werden teilweise punktuelle Verstellgeschwindigkeit
von mehr als 200°/sec beschrieben,
die bei näherer
Untersuchung einen reinen singulären
Charakter in Bezug auf die Drehzahl aufweisen. Betrachtet man die
Angaben näher,
so ist festzustellen, dass diese Angaben sich häufig auf hohe Drehzahlen mit
niedrigen Öltemperaturen
beziehen. Durch Einbau einer größeren Ölpumpe erhält man zwar einen
schnellen Nockenwellenversteller, der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz
der Verbrennungskraftmaschine sinkt aber.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 388 244 A1 ist ein System bekannt, das vollständig abgeschlossen
mit zwei antiparallelen Verschaltungen über ein Ventil die Relativlage
einer angetriebenen Welle durch Ölausgleich
eines insgesamt konstanten Ölvolumens
von einer Kammer auf die zweite Kammer gegenüber einer antreibenden Welle
verstellt. Die Lehre der Druckschrift, die zum Beispiel im Hauptanspruch
und den
3 und
7 zusammengefasst
ist, ist eher theoretisch zu betrachten, denn bekannter Weise treten
Leckagen im Nockenwellenverstellerhydraulikkreis auf.
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In
der Fachliteratur, insbesondere in dem Artikel „A camschaft torque acutated
vane style VCT phaser" der
Autoren Frank Smith und Roger Simpson, abgedruckt als SAE-Artikel
2005-01-0764, wird zum Beispiel vorgeschlagen, die Pumpe des Hydraulikkreises
dadurch zu entlasten, dass die Pumpe nur noch Leckagen des Verstellers
ausgleicht, während
zwischen den beiden gegenläufigen
Kammern des Verstellers ein normaler Weise abgeschlossenes, hydraulisches
Ausgleichssystem vorliegt. Die in den Diagrammen vorgestellten Verstellgeschwindigkeiten
lassen vermuten, dass das vorgestellte System nur mit entsprechend
großen Ölmengen
im Hydraulikkreis des Verstellers arbeitet. Bei klassischen Motoren
von Kleinkraftfahrzeugen, vor allem bekannt in Westeuropa und in
Japan, dürfte
das beschriebene System wenig Anwendung finden, weil solche Motoren
auch mit deutlich geringeren Befüllmengen
auskommen sollen (häufig
unter 5 Litern Motoröl).
Ein in die gleiche Kategorie gehörendes
Patent kann in der
US 5 657 725 erblickt
werden.
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Die
Nutzung des von der Nockenwelle auf den Nockenwellenversteller eingeleiteten
Moments zur Verstellung des Nockenwellenverstellers in eine Frühposition
ist aus der
DE 101
58 530 A1 und der
DE 10 2005 023 056 A1 bekannt. Während die
DE 101 58 530 A1 die
Technik verwenden will, um zügiger
in die Frühposition
zu gelangen, wenn der Motor aus einer Heißlaufphase in einen niedrigen
Drehzahlbereich abfällt,
will die
DE 10
2005 023 056 A1 vor allem bei einem Versorgungspumpenausfall
sicherstellen, dass die Nockenwelle in eine solchen Position verdreht
wird, in der ein Weiterbetrieb in der Frühstellung möglich ist. Hierzu verwendet
die
DE 101 58 530
A1 ein Rückschlagsventil
mit einem Druckausgleichsventil im Nockenwellenversteller selber,
während
die
DE 10 2005
023 056 A1 mehrere Rückschlagsventile
um die Pumpe herum anordnen möchte.
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Die
DE 602 07 308 T2 schlägt vor,
ein Ventil bzw. einen Umschalter zu verwenden, der zwischen zwei Zuständen unterscheidet,
nämlich
zwischen einem Hochdrehzahlbereich, in dem eine öldruckbetätigte Nockenwellenverstellung
stattfindet, und einem Niederdrehzahlbereich, in dem eine nockenwellenmomentbetätigte Nockenwellenverstellung stattfindet.
Der Umschalter schaltet zwischen den beiden Zuständen betriebsabhängig hin- und her.
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Wie
zu erkennen ist, lehrt der Stand der Technik die Nutzung von Nockenwellenmomente
für bestimmte
Betriebsweisen und Betriebsarten. Die hydraulischen Schaltungen
sind entsprechend für
die Aufgabenstellung ausgelegt worden.
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Zur
Verbesserung der Verstellgeschwindigkeit ist aus der
DE 102 05 415 A1 bzw. ihrem
US-Familienmitglied US 6 941 912 B2 ,
basierend auf hausinternen Entwicklungen der Anmelderin, bekannt,
eine Gruppe von Ventilen, insbesondere vier mit Kolben arbeitenden
Ventilen, zusammenzuschalten, um eine Bypassleitung freizugeben,
durch die Hydraulikmedium von einer Kammer in die andere Kammer
zur Verstellgeschwindigkeitserhöhung
umgeladen werden kann. Ansonsten handelt es sich um ein offenes
System, das aus einer Förderpumpe
versorgt wird. Aus einem der Ausführungsbeispiele ist ersichtlich,
dass mittels ineinandergeschachtelte Doppelkolbenanordnung der hydraulischen
Weiche eine Bypass-Anordnung realisierbar ist. Nach diesem Ausführungsbeispiel
ist die Bypass-Anordnung von der Weiche abgekoppelt eigenständig mit
einer mehrere Kolben umfassende sich bildende Ventilgruppe in der
rückwärtigen Wand
des Nockenwellenverstellers angeordnet.
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Bei
vorliegender Erfindung wurde also ein Ansatz gesucht, ein hydraulisches
System zu entwerfen, dass eine hohe und auch nahezu gleichbleibende
Verstellgeschwindigkeit, möglichst
unabhängig
von den Betriebsparametern, des hydraulischen Kolbens bietet, gleichzeitig
eine gute Regelgüte
anbietet, eine geringe Belastung für die Ölpumpe der Verbrennungskraftmaschine
darstellt und auch bei kleinvolumigen Motoren, z. B. 1,3 oder 1,8
Litermaschinen, eingebaut werden können, die weniger Gaswechselventilrückstellfedern
aufweisen als zum Beispiel der V6-Motor des oben beschriebenen Fachartikels.
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Die
Regelgüte
wird bei Nockenwellenverstellern unter anderem in Winkelgrad angegeben,
in denen der Nockenwellenversteller pendelt, obwohl eine definierte,
gleichbleibende Position gem. Druckbeaufschlagung aus der Versorgungspumpe
gewünscht
ist. Die Abweichung von der theoretisch eingestellten Position in Winkelgrad
wird dann als Regelgüte
bezeichnet.
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Geeignete
kraftfahrzeugtaugliche Hydraulikkreise können den Ansprüchen 1 und
2 entnommen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Im
Gegensatz zu der Nutzung eines reinen Wechselmoments, das zum Beispiel
aus den Gaswechselventilrückstellfedern
und der Nockenwelle bei einem Nockenwellenversteller stammt, bzw.
durch eine reine Fremdverstellung mittels druckbeaufschlagtem Hydraulikmedium,
wird erfindungsgemäß ein Hydrauliksystem vorgeschlagen,
das sowohl mit schwellenden als auch mit reinen Wechselmomenten
auskommen kann. Je nach Belastung sich zwar betragsmäßig verändern, jedoch über einen
längeren
Zeitraum von mehreren Millisekunden im gleichen Vorzeichenbereich
der Momentenkennlinie verbleiben.
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Auf
den Kraftfahrzeughydraulikkreis mit einem gegenläufigen Hydraulikkolben mit
wenigstens zwei Hydraulikkammern wirkt ein äußeres Moment, das entweder
wechselnd oder schwellend einwirkt. Der Hydraulikkreis führt durch
unterschiedliche Druckbeaufschlagung, die einer Hydraulikpumpe entnehmbar
ist, der gegenläufigen
Hydraulikkammern eine Positionsveränderung durch. Neben einer
hydraulische Weichenverstellung, vorzugsweise durch ein Ventil verkörpert, die
die Druckbeaufschlagung auf das Hydraulikmedium auf den Kolben leitet,
wird der negative Anteil des Wechselmoments genutzt, um den Hydraulikkolben
in seiner Position zu verändern.
Der schwellende Anteil des Moments wird hingegen durch weitere Mittel,
wie zum Beispiel Rückschlagsventile,
ausgeblendet. Die selektive Nutzung von Momenten, insbesondere durch
die Freigabe über
Rückschlagsventile,
führt zu
einer Linearisierung der Verstellgeschwindigkeit über die
Drehzahl des Motors, während
die fortdauernde Nutzung einer möglichst
kleinen Hydraulikversorgung aus einer Pumpe zur Verstellung des
Kolbens auch bei reinen Schwellanteilen des Moments die hohe Verstellgeschwindigkeit
sicherstellt.
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Wird
der Kraftfahrzeughydraulikkreis im Rahmen eines Nockenwellenverstellers
aufgebaut, so ist der Kraftfahrzeughydraulikkreis ein mit Motoröl operierender
Hydraulikkreis einer Verbrennungskraftmaschine, deren Hydraulikkolben
ein schwenkmotorartiger bzw. schrägverzahnter Nockenwellenversteller
ist, in den die Momente von wenigstens einer Nockenwelle eingeleitet
werden.
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Die
Größe der Gaswechselventilfedern
und deren Anzahl hat einen Einfluss auf die Häufigkeit und Art der eingeleiteten
Momente aus der Nockenwelle auf den Nockenwellenversteller. Ein
Hersteller von Nockenwellenverstellern ist aufgefordert, Nockenwellenversteller
für Verbrennungskraftmaschinen
anzubieten, die möglichst
universell einsetzbar sein sollen. Häufig möchte ein Kraftfahrzeughersteller
ein und den gleichen Nockenwellenversteller für unterschiedliche Motoren
verschiedener Baureihen verwenden können. Der Nockenwellenverstellerhersteller
darf jedoch Vorgaben bezüglich
des Hydraulikkreises machen, so dass es möglich ist, das Verhalten des
Nockenwellenverstellers durch die Auswahl eines geeigneten Ventils
oder einer geeigneten Ventilbaugruppe und einem Versteller zusammen
mit der hydraulischen Verschaltung zu verbessern.
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Im
Falle der Verwendung von schwenkmotorartigen Nockenwellenverstellern
wird anstelle von Kräften die
Momentenschwankungen, das Wechselmoment und das schwellende Moment,
die von der Nockenwelle auf den Nockenwellenversteller eingeleitet
werden, näher
betrachtet, so dass in diesen Fällen
anstelle der Kraft vom Moment gesprochen wird. Nach gängigen Kenntnissen
jedes Physikers oder Maschinenbauers kann aus dem Moment M die Kraft
F ermittelt werden, und aus der Kraft F kann der entsprechende Hydraulikdruck P
abgeleitet werden, wobei r den Radius des schwenkmotorartigen Nockenwellenverstellers
darstellt und x und y die Fläche
beschreiben. Die Formeln hierzu sind:
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Die
Funktion der Rückschlagsventile
kann als Bypass bezeichnet werden, die nur den negativen Anteil der
wechselnden Kraft vor der Weiche wieder einspeisen. Nach einem Ausführungsbeispiel
ist ein geeigneter Ort der Wiedereinspeisung der P-Anschluss, der
dauerdruckbeaufschlagte Anschluss der Weiche. Das Rückschlagsventil
bzw. wenn mehrere Rückschlagsventile
vorhanden sind, die Rückschlagsventile,
wird dann so angeordnet, dass nur in Richtung auf die Druckseite
der Weiche eine Durchleitung des Hydraulikdrucks, der aus den Kammern
des Kolbens stammt, ermöglicht
wird. Durch den Einsatz von Rückschlagsventilen
im Rahmen des Bypassaufbaus ist eine technisch elegante Lösung gefunden
worden, wie zum Beispiel mit der Lehre, die in der
DE 10 2005 013 085 näher beschrieben
wird, zuverlässig über lange
Zeit funktionierende Rückschlagsventile
mit wenigen Bauteilen bei Cartridge-Ventilen aufgebaut werden können.
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Die
Umleitetätigkeit
in dem Kraftfahrzeughydraulikkreis funktioniert, wenn der Betrag
des aus der Wechselkraft entstehenden Drucks den anderen Druck in
einer der Zuführleitungen
zu der sich vergrößernden Kammer
des Kolbens überschreitet
und dann das zur Richtungsbestimmung vorhandene Rückschlagsventil frei
schaltet. Die Rückschlagsventile
können
so angeordnet sein, dass die beiden Hydraulikkammern des Kolbens
mittelbar in Verbindung stehen. In diesem Falle ist eine Verbindung über die
Weiche zu nehmen, um von einer Kammer zur anderen Kammer zu gelangen.
Eine andere Variante ist die unmittelbare Verbindung, bei der bei
einem Öffnen
des Rückschlagsventils
eine direkte hydraulische Verbindung von einer Hydraulikkammer auf
die andere geschaffen wird. Welche von den beiden Varianten zu wählen ist,
hängt von
den jeweiligen Rahmenbedingungen für den zu schaffenden Kraftfahrzeughydraulikkreis
ab. Bietet der Zylinderkopf, in dem die Weiche angeordnet wird,
ausreichend Platz, um mehrfach hydraulische Leitungen aufzubauen,
kann nach einer Ausführungsvariante
eine mittelbare Verbindung über
die hydraulische Weiche entworfen werden. Sollte es erwünscht sein,
eine möglichst
schnelle Umladung, wenn möglich
mit wenig Leckage, zu ermöglichen,
ist eine unmittelbare Verbindung über die Rückschlagsventile von einer
Kammer des Kolbens auf die andere Kammer zu wählen.
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Die
Hydraulikweiche ist vorgespannt. Geeignete Lösungen zur Erzeugung der Vorspannung
können sein:
eine
hydraulische, eine mechanische, eine mechanisch-hydraulische Kombination,
eine elektrische, eine magnetische oder eine elektro-magnetische
Kombination. Hydraulische Vorspannungen werden gewählt, wenn mit
mehr Hydraulikmengen gearbeitet werden kann. Mechanische Vorspannungen
werden in der Regel einmal eingestellt, sie sind danach nicht weiter
zu kalibrieren. Elektrische und magnetische Vorspannungen können gut
auf das Kraftfahrzeugsteuergerät
der Verbrennungskraftmaschine geleitet werden. Hierdurch wird eine Software-mäßige Beeinflussung
ermöglicht.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eines der Rückschlagsventile so in Sperrrichtung
angeordnet, dass von der Hydraulikdruck beaufschlagten Eingangsseite
der Hydraulikweiche auf eine Ausgangsseite der Hydraulikweiche eine
Verbindung hergestellt werden kann. Die Ausgangsseite der Hydraulikweiche
steht nach dieser Ausführungsform
mit einer der Hydraulikkammern des Kolbens in Verbindung. Die vorgeschlagene
Ausführungsform
ist eine recht kompakte Variante. Sie besticht durch ihre Einfachheit
und Schlichtheit.
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Nach
einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Richtungswahl des Hydraulikkolbens durch ein hydraulisch
gesteuertes Ventil verstellt werden. Im Rahmen der hydraulischen
Geschwindigkeiten ergibt sich ein hydraulisch sehr stabiles System
durch seine Rückkopplungsschleifen.
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Nach
einer weiterhin vorteilhaften Weiterbildung dient ein hydraulisch
gesteuertes Ventil dazu, die Druckbeaufschlagung einer der Hydraulikkammern
auf die andere Hydraulikkammer zu verbinden. Auch hier sorgen die
hydraulischen Abhängigkeiten
für eine
Stabilisierung des Hydraulikkreises.
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Mit
der unveröffentlichten
Erkenntnis aus der
DE
10 2005 013 085 A1 im Bewusstsein ist es möglich, ein
integriertes Bauteil zu schaffen, das die Rückschlagsventile mit der hydraulischen
Weiche durch eingebaute Bänder
verbindet.
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Noch
weiter zu integrieren ist die gesamte Anordnung, wenn das Ventil
und der Nockenwellenversteller zu einem Nockenwellenversteller mit
Zentralventilen zusammengefasst werden. Das Zentralventil wird hierbei
entweder in der axialen Mitte des Nockenwellenverstellers angeordnet
oder als axiale Verlängerung
des Nockenwellenverstellers. Das Zentralventil bzw. die Anordnung
umfasst ein Druckreduzierventil, ein Rückschlagsventil oder ein Zweiwegeventil.
Mit der Offenbarung dieser Erfindung ist es einem Kraftfahrzeugtechniker
oder Hydrauliker möglich,
die geeigneten Bauteile auszuwählen,
um wahlweise mit zum Beispiel einem Druckreduzierventil und drei
Rückschlagsventilen
im Nockenwellenversteller die Erfindung zu realisieren.
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Nach
einer günstigen
Weiterbildung kann der Hydraulikkreis einen Teilhydraulikkreis umfassen,
der aus drei hydraulisch gesteuerten Ventilen aufgebaut ist. Die
drei Ventile übernehmen
die Aufgabe, wechselweise zwei Zuleitungen und zwei Rückleitungen
zu versperren oder frei zu schalten.
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Der
Hydraulikkreis kann so gestaltet werden, dass das wesentliche Bauteil
ein Ventil ist. Es handelt sich dann um ein Ventil für ein Kraftfahrzeughydraulikkreis.
Das Ventil soll insbesondere bei einem schwenkmotorartigen Nockenwellenversteller
die Momentenschwankungen, die sowohl als Wechselmomente als auch als
schwellende Momente auftreten können,
mit dem Hydraulikdruck, der aus der Druckquelle, die an dem druckbeaufschlagten
Anschluss des Ventils weitergegeben werden, durchreichen. Ein typisches
Ventil für
Nockenwellenversteller kann ein Ventil mit vier Anschlüssen sein.
Ein Anschluss ist der Anschluss, der direkt oder indirekt auf die
Dauerdruckquellen geschaltet wird. Es ist der P-Anschluss. Ein weiterer
Anschluss ist der Tankanschluss, der in der Regel in den Motorsumpf
führt.
Arbeitsanschlüsse,
die auf die Kammern des Hydraulikkolbens (ihren, werden je nach
Schaltstellung eines Hydraulikkolbens innerhalb des Ventils wechselweise durchgeschaltet
bzw. unterbrochen. Ohne Momentenschwankungen leitet das Ventil den
Hydraulikdruck zeitweilig in eine der Kammern des Schwenkmotors.
In dem Hydraulikkreis entsteht ein weiterer Hydraulikdruck, der
aus dem negativen Anteil des Wechselmoments stammt. Der Hydraulikdruck,
der aus dem negativen Anteil des Wechselmoments herrührt, ist
immer wenigstens über
ein Rückschlagsventil
ausleitbar. Der ausgeleitete Druck wird auf den zweiten Arbeitsanschluss
durchgereicht. Der beschriebene Zustand ist ein ungewöhnlicherer,
bzw. Sonderzustand, weil die meiste Zeit die Druckbeaufschlagung,
die vom druckbeaufschlagten Anschluss der hydraulischen Weiche bzw.
des Ventils stammt, zu dem entsprechenden Arbeitsanschluss weitergeleitet
wird. Es findet eine weitergehende Nutzung von Drücken innerhalb
des Hydraulikkreises über
den Dauerdruck hinaus statt. Die sich aus dem Rückschlagsventil ergebende Bypassleitung
nützt das
negative Moment, während
die Standardverstellung durch die gewählte Standardposition des Hydraulikkolbens
sichergestellt wird. Neben einer vorteilhaften energetischen Nutzung
von zusätzlichen
Druckressourcen wird durch diese Rückkopplung die Regelgüte und sogar
die Verstellgeschwindigkeit vergleichmäßigt oder verbessert.
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Insbesondere
für das
Durchreichen des negativen Anteils des Wechselmoments werden zwei
Rückschlagsventile
verwendet. Die Rückschlagsventile
sind so angeordnet, dass sie einen Hydraulikmittelfluss von dem
druckbeaufschlagten Anschluss des Ventils auf dem Arbeitsanschluss
verhindern, wenn der sich aus dem Betrag des negativen Anteils des
Wechselmoments ergebende Druck, nach obigen Formeln berechenbar,
absolut den Druck des druckbeaufschlagten Anschlusses übersteigt.
Die Ventile funktionieren sozusagen als Richtungsdrosseln. Mit dieser
Betrachtungsweise gelten auch Ventile mit zwei Schaltzuständen als
erfindungsgemäße Rückschlagsventile,
wenn sie die gleiche Funktion realisieren sollen. Anstelle eines
besonders vorteilhaften Bandes können
auch technisch nachgeordnete Lösungen
gewählt
werden, ohne aus dem Äquivalenzbereich
bzw. dem Sinn des Begriffs Rückschlagsventils
hinauszufallen.
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Eine
geeignete Maßnahme
ist es, das Ventil insbesondere mit einer Feder vorzuspannen und
das gesamte Ventil als Cartridge-Ventil aufzubauen. Das Cartridge-Ventil
wird für
einen Nockenwellenversteller als Nockenwellencartridge-Ventil bezeichnet.
Besonders geeignet sind Rückschlagsventile,
die ein Rückschlagsband
darstellen. Das Band ist zu einem Ring geformt. Durch die Selbsthaltung
des Bandes öffnen
die Ventile in die eine Richtung und schließen in die andere Richtung.
Das gesamte Cartridge-Ventil bildet so ein integriertes Bauteil
mit Rückschlagsventilen.
Sämtliche
Querverbindungen innerhalb des Cartridge- Ventils werden durch Querbohrungen und
Ausnehmungen in der Hülse
und in dem Kolben realisiert.
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Der
Hydraulikkolben kann zwei oder drei Schaltstellungen einnehmen.
Tatsächlich
liegen physikalisch Schaltstellungsbereiche vor. Das Ventil ist
als Wegeventil ausgestaltet. In der ersten Stellung, die sich durch eine
Vorspannung ergibt, jedoch keine aktive Ansteuerung des Kolbens
benötigt,
liegt eine Öffnungsstellung vor.
Es handelt sich um eine Parallelverschaltung. Eine Parallelverschaltung
wird so verstanden, dass der druckbeaufschlagte Anschluss P auf
den ersten Arbeitsanschluss A leitet. Der zweite Arbeitsanschluss
führt auf
den Tankanschluss. Liegt eine Verbindung vom P-Anschluss auf den
zweiten Anschluss B vor, und eine Verbindung von dem ersten Arbeitsanschluss
A auf den Tankanschluss T, so wird von einer kreuzverschalteten Öffnungsstellung
gesprochen. Die Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung und die Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung stellen zwei der zwei oder drei vorhandenen
dar. Die dritte Stellung kann eine unterbrochene oder geschlossene
Stellung sein. Sie kann am Kolben so angeordnet werden, dass die
unterbrochene Stellung zwischen der ersten und der zweiten Öffnungsstellung
liegt. Natürlich
können
auch Ventile eingesetzt werden, die mehr als drei Stellungen entlang
ihres Kolbens aufweisen.
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Nach
einer Ausgestaltung ist das erste Rückschlagsventil so angeordnet,
dass Druckspitzen des ersten Arbeitsanschlusses durch das Rückschlagsventil
durchgeleitet werden. Unterdessen ist das zweite Rückschlagsventil
so angeordnet, dass Druckspitzen des zweiten Arbeitsanschlusses über dieses
Rückschlagsventil
durchgeleitet werden können.
Ein drittes Rückschlagsventil
ist als Pumpenschutzventil ausgestaltet. Zum Schutz für die Pumpe
werden ein oder zwei Rückschlagsventile
in umgekehrter Richtung, sozusagen gegensperrlich, in das Ventil
eingebracht. Somit kann immer nur eines der beiden zum Pärchen zusammengefassten Rückschlagsventile öffnen. Das
Ventil kann im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine oder auch
im Nockenwellenversteller selber eingebaut werden.
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Entgegen
schon bekannter Bypassrealisierungen, in denen geschachtelte Kolbenanordnungen
aufzubauen sind, wird vorliegend eine Bypassleitung über die
Weiche oder ein gesondert bestimmtes Ventil geführt. Diese Realisierung reduziert
den Bauteilaufwand erheblich und sorgt für leicht zu realisierende Kolbenanordnung
innerhalb des Ventils. Ohne einen Schieber in einem Schieber, wie
in anderen hausinternen Lösungen schon
untersucht, zu realisieren, ist ein System geschaffen worden, das
passiv angesprochen werden kann. Das System arbeitet ohne äußere Einflussnahme,
wobei das System auch so realisiert werden kann, dass wunschgemäß eine äußere Einflussnahme,
z. B. über
ein separates Steuerventil, möglich
ist. Der absolute Betrag der Druckspitzen, der sich aus der Kraft
oder dem Moment ergibt, hat keinen Einfluss auf die konkrete Regelbarkeit.
Die Tatsache steigert die Regelgüte.
Auch sind die Druckdifferenzen im System von nachgeordneter Bedeutung.
Im Sinne dieser Erfindung wird als Rückschlagsventil neben dem zuvor
offenbarten auch jede andere geeignete Anordnung verstanden, die
im Ergebnis eine Richtungsbeeinflussung hat.
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Die
vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, unter
Bezugnahme auf die im Folgenden näher beschriebenen Ausführungsbeispiele,
auf die aber die Erfindung nicht beschränkt ist. Hierbei zeigt
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1 eine
Momentenkennlinie, von der aus startend die Erfinder zu den Ausführungsbeispielen
der 2 bis 6 eines Hydraulikkreises gelangt
sind, und
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7 zeigt
einen gängigen
Nockenwellenversteller mit axialer Verlängerung der Zentralachse zur
Aufnahme eines Teilhydraulikkreises, und
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die 8a bis 8c stellen
ein mögliches
Ventil mit Rückschlagsbändern in
drei unterschiedlichen Schaltstellungen dar, und
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die 9 bis 12 offenbaren
weitere geeignete Ausführungsbeispiele
für eine
erfindungsgemäße hydraulische
Weiche.
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Wie
in 1 zu sehen ist, schwanken die Momente, die, wie
zum Beispiel stilisiert dargestellt, so am Nockenwellenversteller
gemessen werden können.
Auf der X-Achse ist die Zeit aufgetragen, in vorliegenden Beispiel
also 40 ms. Auf der Y-Achse ist das Moment in Zehnerpotenzen in
Nm aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass das Moment nicht konstant
ist, sondern sich nahezu permanent verändert, bedingt durch Schwingverhalten,
Stellung der Nockenwelle, Zündzeitpunkte
der Verbrennungskraftmaschine, Öffnungspunkte
der Gaswechselventile u. a.. Das gesamte Moment M setzt sich aus
einem negativen Anteil Mund einem positiven Anteil M+ zusammen.
Bei einer Verbrennungskraftmaschine treten auch die Zustände auf,
dass nur ein schwellendes Moment vorliegt, dann findet kein Vorzeichenwechsel
statt. Somit wird in dem Falle eines Schwellendrehmomentes nur die
(M+) oder die (M–)-Kennlinie
am Nockenwellenversteller gemessen. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine
treten sowohl Phasen eines schwellenden Momentes (nur M+ oder nur
M–) als
Phasen eines Wechselmomentes M, bei dem sowohl mal negative als
auch mal positive Anteile auftreten können, auf. Solange der Versteller
im schwellenden Zustand verharrt, kann das Moment (bzw. die Kraft)
nicht zur Verbesserung der Regelgüte genutzt werden. Jedoch bei
einem Vorzeichenwechsel des Moments kann nun das gegenläufige Moment
erfolgreich genutzt werden. Es ist also eine Schaltung erwünscht, die
ohne aktive Beeinflussung von sich aus möglichst günstig das entgegengerichtete
Moment nutzen kann, damit hieraus der Druck 250 ausgeleitet
werden kann.
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In
den 2 bis 6 werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele
der Erfindung offenbart, wobei es von den konkreten Rahmenbedingungen
beim Entwurf des Kraftfahrzeughydraulikkreises, insbesondere des
Nockenwellenhydraulikkreises abhängt,
welche der dargestellten Hydraulikpläne angewendet werden können. Ähnliche
Bauteile bzw. Bauteile mit ähnlichen
Funktionen sind in allen Ausführungsbeispielen
der 2 bis 6 mit den gleichen Bezugszeichen
aufgeführt
worden. Aus Lesbarkeitsgründen
werden nicht alle ähnlichen
Teile in jedem Ausführungsbeispiel
einzeln benannt, sondern für
das nähere
Verständnis
wird auf ähnliche
Ausfürungsformen
verwiesen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 2 ist ein Kraftfahrzeughydraulikkreis 1 mit
einem Hydraulikkolben 3, der ein Nockenwellenversteller 100 sein
kann, dargestellt. Ein Nockenwellenversteller 100 hat wenigstens
zwei Kammern A und B. In der Regel treten diese Kammern mehrfach
wechselweise auf. Zwei Zuführleitungen 28, 30 reichen
von der Sekundärseite
der hydraulischen Weiche 10 an dem Nockenwellenversteller
heran. Die Leitungen können
beliebig kurz oder lang gewählt
werden, es hängt
davon ab, ob die hydraulische Weiche 10 weit entfernt an
einem anderen Ort in der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist,
oder ob die Weiche 10 und der Nockenwellenversteller 100 zu
einem Bauteil integriert sind. Primärseitig hat die hydraulische
Weiche 10, die durch die Feder 32 federvorgespannt
ist, und elektrisch über
den elektrisch gesteuerten Stößel 64 verstellbar
ist, einen druckbeaufschlagten Anschluss P und einen Tankanschluss
T, der in den Motorsumpf 7 führt. An dem Druckanschluss
P führt
die Druckversorgungsleitung 34. Auf der Sekundärseite der hydraulischen
Weiche 10 an den Arbeitsanschlüssen A1, B1 sind zum Beispiel
mittels Stichleitungen oder quergebohrter Leitungen eine erste und
zweite Rückschlagsleitung 16, 18 angeschlossen.
Die erste Rückschlagsleitung
weist ein erstes Rückschlagsventil 12 auf,
die zweite Rückschlagsleitung 18 weist
ein zweites Rückschlagsventil 14 auf.
Die Rückschlagsventile
führen
auf die Druckversorgungsleitung 34. Die erste Rückschlagsleitung 16 greift
an den ersten Arbeitsanschluss A1 an, die zweite Rückschlagsleitung 18 greift
an den zweiten Arbeitsanschluss B1 an. In der Druckversorgungsleitung 34 ist
ein Summationspunkt vorhanden, auf dem sowohl die Rückschlagsventile 12, 14 als
auch ein Pumpenschutzventil führen.
Das Pumpenschutzventil 44 und die Rückschlagsventile 12, 14 sind
in Bezug auf dem Knotenpunkt freischaltend angeordnet. Auf der zuführenden
Seite zum Pumpenschutzventil 44 ist eine weitere Druckversorgungsleitung 36 vorgesehen,
die mit der Hydraulikpumpe 5 in Verbindung steht. Im vorliegenden
Beispiel ist ein 4/3-Wegeventil 60 gewählt worden, das eine Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50, eine Sperrstellung 52 und
eine Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54 aufweist. Ohne Bestromung des
elektrisch gesteuerten Stößels 64 drückt die
Feder 32 den Hydraulikkolben des Ventils 10 in
die Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54. Alternativ kann auch eine erste
andere Stellung, je nach Aufbau des Ventils, gewählt werden. Arbeitet die Pumpe 5 einwandfrei, öffnet im
hydraulikölfreien
Zustand das Pumpenschutzventil 44 und Hydraulikmedium strömt aus dem
Motorsumpf oder der Ölwanne 7 über das
Ventil 10 in die erste Hydraulikkammer A, die anwachst
und hierdurch die zweite Hydraulikkammer B verringert. Wenn der
elektrisch gesteuerte Stößel 64 den
Hydraulikkolben des Ventils 10 verstellt und die Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50 eingestellt ist, wird das Hydraulikmedium
aus der Kammer A über
den Arbeitsanschluss A1 zum Tankanschluss T abgeleitet, während neues
Hydraulikmedium, gefördert
von der Hydraulikpumpe 5, in die zweite Hydraulikkammer
B eingeleitet wird. Die Hydraulikkammer B vergrößert sich dadurch, während die
Hydraulikkammer A sich entsprechend verkleinert. Erfährt der Nockenwellenversteller
neben der normalen Verstellung eine Momenten- oder Krafteinleitung,
und verstärkt diese
Einleitung die Verstellung, so wird das jeweilige Rückschlagsventil 12, 14 geöffnet. Durch
einen ansteigenden Druck im Druckknotenpunkt sperrt das Pumpenschutzventil 44 während das
Rückschlagsventil 12 oder
das Rückschlagsventil 14 durch
die Krafteinleitung geöffnet
ist. Aufgrund der hydraulischen Strecken erfolgt keine augenblickliche
aber nahezu sofortige wechselweise Umschaltung zwischen den Typen
der Ventile.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydraulikkreises
ist in 3 zu sehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch als
hydraulische Weiche ein Ventil 10 gewählt worden, das aber unmittelbar über eine
Druckversorgungsleitung 36 mit der Hydraulikpumpe 5 in
Verbindung steht, während
ein anderer Anschluss des Ventils 10, das ein 4/3-Wegeventil 60 ist,
auf den Motorsumpf 7 führt.
Das 4/3-Wegeventil 60 hat einen ersten Zustand, die Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54, die durch eine Federvorspannung
der Vorspannfeder 32 im unbestromten oder niedrig bestromten
Zustand des elektrisch gesteuerten Stößels 64 eingenommen
wird, eine Sperrstellung 52 und eine Öffnungsstellung 50 in
Kreuzverschaltung. Sekundärseitig
ist das Ventil auf Rückschlagsventile 44, 46,
die als Pumpenschutzventile arbeiten, auf der einen Seite geführt und
auf hydraulisch gesteuerte Stößelanschlüsse 66 eines
weiteren Ventils, das ein 4/2-Wegeventil 62 mit zwei Stellungen
ist. Die Drossel 38, 40 stellen Versorgungsdrosseln
dar. Die Verbindung durch die Versorgungsdrosseln 38, 40 von
dem Ventil 10 erfolgt über
Verteilleitungen 70, 72. Die Pumpenschutzventile 46, 47 weisen
zusammen mit Rückschlagsventilen 12, 14 auf
einen P-Anschluss
des 4/2-Wegeventils 62. Die vier Anschlüsse des Ventils 62 sind
der P-Anschluss für
die Druckversorgung, der T-Anschluss für den Tank, ein erster Arbeitsanschluss
A1 und ein zweiter Arbeitsanschluss B1. Die Arbeitsanschlüsse A1,
B1 führen über Zuführleitungen 28, 30 auf
die Hydraulikkammern A, B des Hydraulikkolbens 3 bzw. des
Nockenwellenverstellers 100, die mit der Nockenwelle 102 mechanisch
fest verbunden sind. Die Hydraulikkammern A, B sind auch mit Rückschlagsleitungen 16, 18 verbunden,
in denen die Rückschlagsventile 12, 14 zueinander
entgegengerichtet eingebaut sind. Leckagedrosseln 42 in
den Zuführleitungen
weisen auf die Wanne im Motorsumpf 7. Der Hydraulikkreis 1 umfasst
somit neben vier Rückschlagsventilen
ein 4/3-Wegeventil 60 und ein 4/2-Wegeventil 62,
wobei das 4/3-Wegeventil mechanisch vorgespannt und elektrisch verstellbar
ist und das 4/2-Wegeventil 62 einen beidseitig hydraulisch
eingespannten Stößel 66 aufweist. Über die
Weiche 10 und ihre drei Stellungen 50, 52, 54 wird
die Position des Nockenwellenverstellers gewählt. Ist die gewählte Früh- oder
Spätposition
der Nockenwelle gegenüber
der Kurbelwelle oder einer weiteren Nockenwelle eingestellt, verharrt
das Ventil in der Sperrstellung 52. Der Hydraulikkreis
jenseits der Versorgungsdrosseln 38, 40 ist von
der Hydraulikpumpe 5 abgekoppelt. Die Pumpenschutzventile 44, 46 bleiben
im gesperrten Zustand. Durch eine Integration des Nockenwellenverstellers
mit dem Teilhydraulikkreis jenseits der Versorgungsdrosseln 38, 40 treten durch
das Sperren der Pumpenschutzventile auch nahezu keine Leckagen über die
Leckagedrosseln 42 auf. Wenn eine Einlenkung eines äußeren Momentes
der Nockenwelle 102 auf den Nockenwellenversteller 100 stattfindet, öffnet eines
der beiden Rückschlagsventile 12, 14 und
sorgt für
eine gegengerichtete Umladung des Hydraulikmediums von der einen
Kammer auf die andere Kammer. Über
das 4/2-Wegeventil 62 und der durch die hydraulische Vorspannung
eingestellte Stößelstellung
ergibt sich ein mögliches
hydraulisches Entlasten einer der beiden Kammern A, B.
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Die 4 und 5 zeigen
zwei recht ähnliche,
erfindungsgemäße Ausführungsformen
eines Hydraulikkreises 1 mit einem Nockenwellenversteller 100,
der als Hydraulikkolben 3 dargestellt ist. Der Hydraulikkreis 1 in
der 4 zeigt schematisch einen Hydraulikkreis für einen
Hydraulikkolben 3 bzw. einen Nockenwellenversteller 100,
der die Nockenwelle 102 in einer relativen Phase verstellt.
Der Nockenwellenversteller 100 hat mehrfach gegenläufige Kammern
A und B, die über
die Zuführleitung 28 für die Hydraulikkammer
B und über
die Zuführleitung 30 für die Hydraulikkammer
A mit einem Hydraulikmedium hydraulisch auf unterschiedliche Druckniveaus
beladen werden können,
um die Nockenwelle 102 in eine Früh- oder eine Spätposition
zu verstellen. Eine Zuführleitung
fü mehrere
Hydraulikkammern A, B reduziert die Leckagen und damit die Druckverluste
im System des Hydraulikkreises 1. Von den ausgangsseitigen
Anschlüssen
A1 und B1 in den Zuführleitungen 28, 30 weisen
Rückschlagsleitungen 16, 18,
in die Rückschlagsventile 12, 14 in
Sperrrichtung eingebaut sind, um ein passives, selbsttätiges Umladen
von einer Kammer auf die korrespondierende Gegenkammer zu erlauben.
Die hydraulische Weiche 10 ist ein mit einer Feder 32 vorgespanntes
4/2-Ventil, dass zwischen einer Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50 im Ruhezustand und einer Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54 eine wechselnde Stellung einnehmen
kann. Der Stößel des
Ventils wird hydraulisch über ein
Druckreduzierventil 22 oder einem ähnlich wirkenden zweiten Druckreduzierventil 24 betätigt. Die
Drehdurchführungen
in dem Beispiel nach 4 sind durch die Versorgungsdrosseln 38, 40 dargestellt,
die zwischen Druckerzeuger, die Hydraulikpumpe 5, und Druckreduzierventil 24 auf
der einen Seite und der Weiche mit den angebundenen Versorgungsleitungen 16, 18, 28, 30 und
dem Nockenwellenversteller 100 angeordnet sind. Rückflüsse des
Systems werden an dem Druckreduzierventil 24 (Ausführungsbeispiel
der 4) bzw. Druckreduzierventil 22 (Ausführungsbeispiel
der 5), an den Leckagestellen 42 und an der
hydraulischen Weiche 10 in die Wanne 7 des Tanks
des Motorsumpfs zurückgeleitet.
Das Druckreduzierventil 24 kann durch eine Feder 33 vorgespannt
sein. Das Rückschlagsventil 44 schützt die
Pumpe 5. Vor allem das Ausführungsbeispiel nach 4 integriert
Bauteile wie die hydraulische Weiche 10, das 4/2-Ventil,
und zahlreiche Rückschlagsventile 12, 14, 44 in
den Nockenwellenversteller, vorzugsweise an der nockenwellenentfernten
Seite.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 4 ist die hydraulische Weiche 10 als
4/2-Ventil, auch als 4/2-Wegeventil bezeichnet, das einseitig durch
die Vorspannfeder 32 vorgespannt ist, dargestellt. Die
beiden Zustände
des 4/2-Wegeventils 62 sind die Öffnungsstellung in Parallelverschaltung 54 und
die Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50. Der Stößel des Ventils 62 ist
ein hydraulisch gesteuerter Stößel 66.
Der P-Anschluss mündet
in die Ölwanne 7 der
Verbrennungskraftmaschine. Die beiden Arbeitsanschlüsse A1 und
B1, die über die
beiden Zuführleitungen 28, 30 zu
den Hydraulikkammern A, B des Hydraulikkolbens 3 führen, sind über die Rückschlagsleitungen 16, 18 mit
den beiden Rückschlagsventilen 12, 14 auf
einen hydraulischen Summationspunkt der Druckversorgungsleitung 34 zurückgeführt, die
auf den P-Anschluss des 4/2-Wegeventils 62 weist. In dem
Hydraulikplan des Hydraulikkreises 1 ist ein weiteres Rückschlagsventil 44 zu
sehen, das als Pumpenschutzventil nockenwellenverstellerseitig vor
der Leckagedrossel 42 und der Versorgungsdrossel 38 in
der Druckversorgungsleitung 36 angeordnet ist. Von der
Druckversorgungsleitung 36 führt eine Verteilleitung 70 zu
dem Druckreduzierventil 24, das mit einer verstellbaren
Vorspannfeder 33 in einer Ruhestellung vorgespannt gehalten
wird. Sowohl die Verteilleitung 70 als auch die Druckversorgungsleitung 36 werden
von der Hydraulikpumpe 5 versorgt. Das Druckreduzierventil 24 ist
motorblockseitig angeordnet, hydraulisch folgend in Richtung auf
den hydraulisch gesteuerten Stößel 66 wirkt
eine Versorgungsdrossel 40 und eine Leckagedrossel 42.
Die Leckagedrossel 42 münden
ebenfalls in die Ölwanne 7.
Der Hydraulikkreis 1 weist somit vier Stellen auf, an denen Öl in die
Hydraulikwanne 7 entschwinden kann: am 4/2-Wegeventil 62,
hinter der ersten Versorgungsdrossel 38; hinter der zweiten
Versorgungsdrossel 40, jeweils über die Leckagedrossel 42;
am Druckreduzierventil 24. Das 4/2-Wegeventil 62 hat
nur zwei Stellungen, es entfällt
die Sperrstellung 52. Wird ein Moment auf den Nockenwellenversteller 100 eingeleitet,
so dass sich die Hydraulikkammer B bzw. die Hydraulikkammern B verringern,
wird das überschüssige Hydraulikmedium über die
Zuführleitung 28,
die Rückschlagsleitung 18,
das Rückschlagsventil 14 in
den Summationspunkt der Druckversorgungsleitung 34 eingeleitet.
Ungefähr
gleichzeitig schließt
das Pumpenschutzventil 44, und koppelt so die Hydraulikpumpe 5 ab.
Die Druckspitze kann nicht auf die Hydraulikpumpe 5 beschädigend durchschlagen,
sondern wird über
das 4/2-Wegeventil 62 bzw.
die hydraulische Weiche 10 je nach Stellung des hydraulisch
gesteuerten Stößels 66 entweder
in die Kammer A oder zurück
in die Kammer B geleitet. Somit kann über die Einstellung des Druckreduzierventils
die Regelgüte
eingestellt werden.
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Aus
der 5 ist ein sehr ähnlicher Hydraulikkreis 1 wie
nach 4 ersichtlich, ein Unterschied stellt das Druckreduzierventil 22 dar,
das einseitig federvorgespannt über
die Vorspannfeder 32 ist, und das elektrisch verstellt
werden kann, in dem der elektrisch gesteuerte Stößel 64 angesprochen
wird. Auch hier reagiert der Hydraulikkreis ähnlich zu der Beschreibung
zu 4, mit der Ausnahme, dass elektrisch aus dem Fahrzeugsteuergerät oder dem
Motorsteuergerät
eine Ventilposition gewählt
werden kann. Für
die übrigen
identischen Bauteile des Hydraulikkreises 1 wird auf die
Figurenbeschreibung zu 4 verwiesen.
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6 zeigt
einen weiteren, erfindungsgemäßen Hydraulikreis 1,
der als integrierte Komponenten in dem Nockenwellenversteller 100 so ähnlich angeordnet
sein kann, wie es in dem Konstruktionsbeispiel nach 7 offenbart
ist. An Hand der Drehdurchführungen,
die als Versorgungsdrosseln 38, 40 mit ihren dazugehörigen, aber
häufig
unerwünschten,
Leckagedrosseln 42, zur Ölwanne 7 ableitend,
dargestellt sind, kann der Fachmann erkennen, dass in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
nach 6 bis auf die hydraulische Weiche 10,
alle Bauteile in dem Nockenwellenversteller 100 eingebaut
sind. Von der hydraulischen Weiche 10, die ein 4/3-Ventil
mit einer Federvorspannung zur definierten Ruhelageneinnahme durch
die Feder 32 ist, führen an
den Nockenwellenversteller 100 zwei Verteilleitungen 70, 72 heran,
die sich in dem Nockenwellenversteller 100 in zwei Steuerleitungen 74, 76 vor
den Rückschlagsventilen 46, 47 und
zwei weiterführenden
Leitungen aufteilen. Das 4/3-Ventil weist eine Öffnungsstellung in Kreuzverschaltung 50,
eine Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54 und eine Sperrstellung 52 auf,
wobei in der Ruhelage die Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung eingenommen wird. Auf Grund der hydraulischen
Ankoppelung zwischen den Ventilen 26 ist wechselweise eine
Zuströmrichtung
von der Druckversorgung der Hydraulikpumpe 5 in eine der
Kammern A, B des Nockenwellenverstellers 100 geöffnet, während das
andere Ventil eine Ablassrichtung zu der Wanne 7 erlaubt. Das
Druckausgleichsventil 56 ist beidseitig hydraulisch eingespannt,
so dass je nach Versorgungsstellung der Weiche 10 eine
der beiden Leitungen 16, 18, die gleichzeitig
ein Teil der Rückschlagsleitungen
sind, die druckversorgte Kammer A, B durchschalten kann. Die Rückschlagsventile 13, 15 zusammen
mit dem Druckausgleichsventil 56 geben bei Drucküberschreitungen über den
Versorgungsdruck in den Leitungen zu den Kammern eine hydraulische
Strecke frei, um Entladungen unter Druck- oder Momentenimpulsen
aus der Nockenwelle aus der sich verringernden Kammer in die sich
vergrößernde Kammer
zu erlauben. In der 7 wird eine konstruktive Variante
des Hydaulikkreises 1 eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 100 mit
einer Nockenwelle 102 dargestellt. In der zur Nockenwelle
entgegengesetzten Richtung befindet sich eine axiale Verlängerung 20 des
Nockenwellenverstellers 100, insbesondere des Rotors 108.
Der Rotor 108 geht in ein Rotorlager 114 über, das
mit einem geringeren Durchmesser gestaltet ist, als der Rotor 108 mit
seinen Flügeln 104 und
der axialen Verlängerung 20.
In dem Rotorlager 114 sind Drehdurchführungen integriert, die in
den Schaltplänen
als Versorgungsdrosseln 38 dargestellt sind. Die Öffnungen
der Drehdurchführungen,
des lagestarren Rotorlagers 114, gehen in Ölkanäle über, die
die Steuerleitungen 74, 76 und die Versorgungsleitungen 70, 72 sind.
Einige Versorgungsleitungen und Steuerleitungen wenden sich von
den Flügeln 104 ab
und führen zunächst in
die axiale Verlängerung 20.
Die axiale Verlängerung 20 ist
kappenartig als zylinderförmiger,
kreisrunder Bauabschnitt gestaltet, der ungefähr mittig, vorzugsweise in
dem Schwerpunkt des Rotors 108 angeordnet, Bauraum bietet,
um solche Bauteile wie Rückschlagsventile 46, 47 und
Zweiwegeventile 26 aufzunehmen. Gem. dem Hydraulikplan 1 der 6 gehen
Leitungen von der Kappe zu den Flügeln 104 und den Kammern
A, B. In einigen Flügeln 104 sind
Rückschlagsventil 13, 15 angeordnet,
die die Umladestrecken von der Kammer des ersten Typs zu den Kammern
des zweiten Typs des Nockenwellenverstellers 100 jeweils,
insbesondere zusammen mit dem Druckausgleichsventil 56,
freigeben. In anderen Flügeln 104 können Verriegelungsöffnungen 106 angeordnet
werden. Ein dritter Typ Flügel
weist keinerlei weitere Funktionen auf, er ist massiv ausgestaltet.
Schlagen die Flügel 104 gegen
eine Seitenwand der Stege 110, wobei der Begriff „schlagen" in dem Sinne zu
verstehen ist, dass keine tatsächliche
Berührung
wegen einer Dämpfungshydraulikkammer 116 und
einem Schmutzsammelbereich 118 gegeben ist, so ist eine
der Kammern, z. B. die Kammer A, in ihrer maximalen Ausdehnung.
Bei Flügelpositionen
abweichend von der maximalen Auslenkung kann das Hydraulikmedium
des einen Kammertyps, z. B. Kammertyp B, in die Kammern des anderen
Typs, z. B. Kammertyp A, über
das zugehörige
Rückschlagsventil,
z. B. Rückschlagsventil 15,
umgeladen werden, indem das Rückschlagsventil
dem Überdruck
nachgibt und so den Weg freimacht, gegebenenfalls über ein
Druckausgleichsventil 56, das zum Beispiel in der axialen
Verlängerung 20 liegen
kann, den eingelenkten Impuls aus der Nockenwelle 102 und
ihren Gaswechselrückschlagsventilen
(nicht dargestellt) zu nutzen, um die Energie in der hydraulischen
Flüssigkeit
zu einer Regelgütenverbesserung
zu verwenden.
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Die
weitere Ausführungsvariante
für einen
hydraulischen Kolben 3, insbesondere einen Nockenwellenversteller 100 mit
einer Nockenwelle 102, gem. der 6 stellt
eine integrative Anordnungsvariante näher dar. Die Versorgungsdrosseln 38, 40 und
die Leckagedrosseln 42 sind oberhalb der hydraulischen
Weiche 10, die im vorliegenden Beispiel ein 4/3-Wegeventil 60 ist,
dargestellt. Normalerweise wird die Position des Nockenwellenverstellers 100 durch
die elektrische Ansteuerung des elektrisch gesteuerten Stößels 64 des 4/3-Wegeventils 60 gegen
die Vorspannkraft der Vorspannfeder 32 eingestellt. Je
nach gewählter
Stellung, Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50, Sperrstellung 52 und Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54, kann der Druck über das
Hydraulikmedium aus der Hydraulikpumpe 5 in die Hydraulikkammer
A oder in die Hydraulikkammer B des Nockenwellenverstellers 100 über eines
der beiden hydraulisch gesteuerten Zweiwegeventile 26 geleitet
werden. Die beiden Zweiwegeventile 26 sind wechselweise
auf und befinden sich in der Durchleitungsstellung. Findet eine
hydraulische Durchleitung durch das eine Zweiwegeventil statt, so
findet eine hydraulische Sperre durch das andere Hydraulikventil
zum gleichen Zeitpunkt statt. Zur Positionseinstellung des Stößels dienen
die Steuerleitungen 74, 76, die jeweils an einer
Verteilleitung 70, 72 angeschlossen sind. Die
Steuerleitung 74, 76 sind vor den Pumpenschutzventilen 46, 47 und
hinter den Versorgungsdrosseln 38, 40 angeschlossen.
Das Druckausgleichsventil 56 ist ebenfalls ein Zweiwegeventil,
dessen Kolben durch die Steuerleitung 74, 76 beidseitig
eingespannt ist. Je nach den Druckverhältnissen in den Steuerleitungen
findet eine Verbindung über
entweder die eine Rückschlagsleitung 16 oder
die zweite Rückschlagsleitung 18 statt.
Auf der anderen Seite des Druckausgleichsventils 56 sind
zwei antiparallel geschaltete Rückschlagsventile 13, 15 angeordnet,
die Druckspitzen aus den Hydraulikkammern A und B bzw. mehrfach
A und B des Nockenwellenverstellers 100 gerichtet in die
jeweilige andere Kammer umladen lassen. Die drei Ventile 26 und 56 sind
zusammen mit den Rückschlagsventilen 46, 47, 13, 15 nockenwellenverstellerseitig
verbaut. Als hydraulische Weiche kann ein gängiges 4/3-Wegeventil 60, das jedem Fachmann
geläufig
ist, eingesetzt werden. Die Regelgüteverbesserung erfolgt über den
Nockenwellenversteller, insbesondere über die Rückschlagsventile 13, 15 und
die zugehörigen
hydraulischen Weichen.
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7 zeigt
eine komplette konstruktive Umsetzung des nockenwellenverstellerseitigen
Anteils des Hydraulikkreises
1 der
6. In dem
Nockenwellenversteller
100 ist ein Rotor
108 zu
sehen, dessen axiale Mitte zylindrisch verlängert ist, um die hydraulische
Anordnung der Ventile
26,
56,
46 und
47 aufnehmen
zu können.
Der Rotor
108 bewegt sich schwenkartig in seinem Stator
112.
In den Flügeln
104 des
Rotors
108 sind Bauteile eingebracht. Zwei der Flügel
104 weisen
die Rückschlagsventile
13,
15 auf.
Ein dritter Flügel
hat eine Verriegelungsöffnung
106 für einen
bekannten Verriegelungsstift, wie zum Beispiel aus der
DE 10 2005 004 281 A1 (Hydraulik-Ring
GmbH) bekannt. In dem Rotor
108 des Nockenwellenverstellers
100 sind
zahlreiche Kanäle
vorgesehen, um die Rückschlagsleitungen
16,
18,
die Steuerleitungen
74,
76 und die Verteilleitungen
70,
72 in
den Rotor
108 einzubauen. Die Pumpenschutzventile
46,
47,
die Zweiwegeventile
26 und das Druckausgleichsventil
56 sind
in der axialen Verlängerung
20 angeordnet.
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Anstelle
der Anordnung der Rückschlagsventile
und der Hilfsventile in dem Nockenwellenversteller 100 selber
kann eine große
Funktionalitätsgruppe
in einem Ventil 200 gemäß den 8a bis 8c realisiert werden.
Das konstruktiv dargestellte Ventil der 8a ist ähnlich zu
einer schematischen Darstellung der 9. Die 8a bis 8c bilden
das gleiche Ventil mit verschiedenen Stößel- und Kolbenstellungen in Schnittzeichnungen
ab. Das Ventil 200 umfasst einen Magnetteil 218 und
einen Hydraulikteil 220. Zur Realisierung einer Ausführungsvariante
der Erfindung ist auf einen bekannten Magnetteil 218 ein
angepasster Hydraulikteil 220 gesetzt worden. Der wahlweise
hydraulisch oder elektrisch gesteuerte Stößel, hier zum Beispiel ein
elektrisch gesteuerter Stößel 64,
verschiebt den Hydraulikkolben 202 gegen die Vorspannfeder 32.
Die Vorspannfeder 32 ist ölgebadet, durch sie strömt das Öl zur Wanne 7 über den
Anschluss T. Das Öl
gelangt in den Hohlraum 226 des Kolbens 202 über Abströmöffnungen 224.
Die Anschlüsse
für die
Hydraulikkammern A, B weisen in jeweils zwei Durchbrechungsöffnungen
A1 bzw. B1. Eine der in der Hülse
vorhandenen Durchbrechungen A1, B1 ist mit einem bandförmigen Rückschlagsventil 204, 208 unterlegt.
Aufgrund der Ablaufkanten an dem Hydraulikkolben 202 ist
wechselweise eine der Durchbrechungen durchgeschaltet. An dem ungefähr mittig
vorhandenen P-Anschluss des Hydraulikteils 220 des Ventils 200 ist
außen
an der Hülse 210 ein
Filter 216 angeordnet, vorzugsweise permanent eingelegt,
unter dem ein weiterer bandgeformter Ring 206 platziert ist,
der ebenfalls als Rückschlagsventil
wie die beiden Bänder 204, 208 funktioniert.
Bei einer Druckspitze über den
Anschluss A auf den bandgeformten Ring 208 gibt das Rückschlagsventil
den Weg zum Hydraulikkolben 202 frei, während das aus dem bandgeformten
Ring 206 bestehende Pumpenschutzventil 404 die
Druckquelle an dem Anschluss P abkoppelt. Die Bänder 204, 208, 206 sind
unterhalb der Oberfläche 212 platziert.
Stattdessen kann je nach Stellung des Hydraulikkolbens 202,
der entlang eines wesentlichen Teils seines Außenradius ausgenommen ist,
um einen zusammenhängenden
Kanal zu bilden, die Druckspitze vom Anschluss A auf den Anschluss
B umgeladen werden. Diese sehr kompakte Realisierung eines Ventils 200,
schematisch in 9 dargestellt, zeigt eine elegante
Realisierung der Erfindung in Form eines Cartridgeventils 214,
das in bekannte Öffnungen
von Zylinderköpfen
gängiger
Verbrennungskraftmaschinen eingeschraubt werden kann.
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Das
4/3-Wegeventil 62 der 9 kann unter
Bezugnahme auf die 2 bis 6, in denen ähnliche Teile
schon beschrieben worden sind, durch Betrachtung leicht verstanden
werden, wenn hilfsweise 8a bis 8c hinzugezogen
wird.
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10 offenbart
ein 4/3-Wegeventil 60 mit den vier Anschlüssen P,
T, A1 und B1. Die drei Zustände die Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50, die Sperrstellung 52 und
die Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung 54. Einseitig ist das Ventil federvorgespannt
durch die Vorspannfeder 32. Der Kolben des Ventils kann
durch den elektrisch gesteuerten Stößel 64 gegen die Feder
verschoben werden. Mit der Kenntnis, wie mittels Bänder 204, 206, 208 Rückschlagsventile 12, 14 und
Pumpenschutzventile 46, 47 realisiert werden können, ist
eine ähnliche
Umsetzung wie nach 8 aufgrund des
schematisch dargestellten Ventils in 10 möglich. Pumpenschutzventile 46, 47 und
die Rückschlagsventile 12, 14 weisen
in entgegengesetzte Strömungsrichtungen.
Die Rückschlagsventile 12, 14 stellen
eine Verbindung zwischen den Anschlüssen A1 und B1 her, wenn auf
der nicht druckversorgten Seite, sondern der druckentlasteten Seite
T, eine Druckspitze auftritt. In dem Moment schließen die
Pumpenschutzventile 46 oder 47. Die Hydraulikquelle,
zum Beispiel in Form der Hydraulikpumpe 5, ist abgekoppelt
und zwischen den Kammern A und B des Nockenwellenverstellers 100 findet
ein Ausgleich über
eines der Rückschlagsventile 12, 14 statt.
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Das
4/3-Wegeventil 60 mit der Vorspannfeder 32 und
dem elektrisch gesteuerten Stößel 64 der 11 ist ähnlich zu
dem Ventil der 10, wobei die die Strömungsrichtung
begrenzenden einseitig öffnenden
Ventile 12, 14 und 44 aus dem eigentlichen
Kolbenbereich 202 herausgelegt worden sind und als dem
Ventil vorgeschaltet gelten. Es ist zu erkennen, dass ein solcher
Hydraulikkolben 202 mehr Querbindungen zwischen den Anschlüssen A1,
B1, P und T aufbieten muss. In den verbindungsbildenden Stellungen,
dem ersten und dem dritten Zustand, ist der P-Anschluss auf wenigstens
zwei ausgangsseitige Anschlüsse
geführt.
Zwei weitere Anschlüsse,
ein P- und ein T-Anschluss sind ebenfalls auf die andere Seite des
Ventils bzw. auf die Arbeitsanschlüsse A1, B1 geführt.
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In
der 12 ist ebenfalls ein 4/3-Wegeventil 60 dargestellt,
dessen Rückschlagsventile 12, 14 nicht auf
der Arbeitsanschlussseite positioniert worden sind, sondern auf
der Druckversorgungsseite des Anschlusses P vorgesehen sind. Wird 11 mit 12 verglichen,
ist zu erkennen, dass die andernorts gewählte Anordnung der Rückschlagsventile,
bei Beibehaltung des Pumpenschutzventils 44 am P-Anschluss,
eine anderweitige interne Verbrückung über die
Kantenwahl des Hydraulikkolbens 202 des Ventils 200 zur
Folge hat. Das Ventil zeigt, jeweils von den Arbeitsanschlüssen A1,
B1 her betrachtet, eine doppelt verbundene Anbindung an die Anschlüsse P und
T. Hier lassen sich dann die Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung 50 und die Öffnungsstellung in Parallelverschaltung 54 in
einzelnen Stellungen neben der Sperrstellung 52 wiederfinden.
Auf die Realisierung nach 11 sind
die oben definierten Stellungen nicht so direkt anzuwenden.
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In
einer Figur könnte
die Regelabweichung eines klassischen Nockenwellenverstellersystems
(oberste Kennlinie) zu den unterschiedlichen erfindungsgemäßen Systemen
dargestellt werden. Die Regelabweichung ist auf der y-Achse zu notieren.
Die Motordrehzahl ist auf der x-Achse zu notieren. Es sind verschiedene Betriebsdrehzahlen
der Verbrennungskraftmaschine, nämlich
ca. 750 U/min, 1000 U/min, 2000 U/min und 4000 U/min, abgebildet.
Nur bei relativ hohen Drehzahlen weicht die Regelabweichung in Bezug
auf die Nockenwelle auf gerade einmal 2° gegenüber 1° in den übrigen Fällen ab. Ohne Rückkoppelung über Rückschlagsventile
in Sperrrichtung verharrt die Regelabweichung auf so hohen Werten
wie zum Beispiel 6°.
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Die
dargelegte Lehre zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele, wie mittels
günstig
platzierter Rückschlagsventile
innerhalb eines Nockenwellenverstellers oder eines Nockenwellenverstellerventils
und einigen Rückschlagsleitungen
ein passiv operierendes Nockenwellenverstellersystem aufgebaut werden
kann, das durch schnelle Umladungen, hervorgerufen durch eingeleitete
Drehmomente oder eingeleitete Fremdkräfte, das Nockenwellenverstellersystem
insgesamt stabilisiert. Es wird nur eine geringe Anzahl sich bewegender Teile
benötigt.
Die absolute Druckwerte sind nachrangig. Es wird mit relativen Druckdifferenzen
gegenüber
der Druckversorgung gearbeitet. Aufgrund der kurzen Wege, insbesondere
bei einer Integration oder einer Teilintegration in dem Nockenwellenversteller,
sind keine zusätzlichen
erheblichen Ölmengen
vorzuhalten. Die dargestellten Hydraulikkreise vergleichmäßigen die
Winkelverstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers mit der Weiche
integrierbar ist. Es ist ein fehlertolerantes, leicht aufzubauendes
System entworfen worden, das mit wenig sich bewegenden Teilen auskommt.
Daher lässt
sich die Erfindung auf ein Ventil und einen geeigneten Hydraulikkreis,
insbesondere für
Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine, anwenden,
in dem eine Anzahl Rückschlagsventile
bzw. wie Rückschlagsventile
funktionierende Zweiwegeventile platziert werden, um einen schnellen
Nockenwellenversteller mit hoher Regelgüte zu schaffen. Bezugszeichenliste
| Bezugszeichen | Bezeichnung |
| 1 | Kraftfahrzeughydraulikkreis |
| 3 | Hydraulikkolben |
| 5 | Hydraulikpumpe |
| 7 | Wanne
als Motorsumpf |
| 9 | axialer
Mitte |
| 10 | Weichenverstellung/Ventil |
| 12 | Rückschlagventil |
| 13 | Rückschlagventil |
| 14 | Rückschlagventil |
| 15 | Rückschlagventil |
| 16 | Rückschlagsleitung |
| 18 | Rückschlagsleitung |
| 20 | axiale
Verlängerung |
| 22 | Druckreduzierventil |
| 24 | Druckreduzierventil |
| 26 | Zweiwegeventil |
| 28 | Zuführleitung |
| 30 | Zuführleitung |
| 32 | Vorspannfeder |
| 33 | Vorspannfeder,
verstellbar |
| 34 | Druckversorgungsleitung |
| 36 | Druckversorgungsleitung |
| 38 | Versorgungsdrossel |
| 40 | Versorgungsdrossel |
| 42 | Leckagedrossel |
| 44 | Pumpenschutzventil |
| 46 | Pumpenschutzventil,
erstes |
| 47 | Pumpenschutzventil,
zweites |
| 50 | Öffnungsstellung
in Kreuzverschaltung |
| 52 | Sperrstellung |
| 54 | Öffnungsstellung
in Parallelverschaltung |
| 56 | Druckausgleichsventil |
| 60 | 4/3-Wegeventil |
| 62 | 4/2-Wegeventil |
| 64 | elektrisch
gesteuerter Stößel |
| 66 | hydraulisch
gesteuerter Stößel |
| 70 | Verteilleitung |
| 72 | Verteilleitung |
| 74 | Steuerleitung,
erste |
| 76 | Steuerleitung,
zweite |
| 100 | Nockenwellenversteller |
| 102 | Nockenwelle |
| 104 | Flügel |
| 106 | Verriegelungsöffnung |
| 108 | Rotor |
| 110 | Steg |
| 112 | Stator |
| 114 | Rotorlager |
| 116 | Dämpfungshydraulikkammer |
| 118 | Schmutzsammelbereich |
| 200 | Ventil |
| 202 | Hydraulikkolben |
| 204 | bandgeformter
Ring |
| 206 | bandgeformter
Ring |
| 208 | bandgeformter
Ring |
| 210 | Hülse |
| 212 | Oberfläche |
| 214 | Cartridgeventil |
| 216 | Filter |
| 218 | Magnetventil |
| 220 | Hydraulikteil |
| 224 | Abströmöffnung |
| 226 | Hohlraum |
| 250 | Hydraulikdruck |
| 404 | Pumpenschutzventil |
| A, B | Hydraulikkammern |
| F/F+/F– | äußere Kraft |
| P | Eingangsseite/druckbeaufschlagter
Anschluss |
| A1/B1 | Ausgangsseite/Arbeitsanschluss |
| M+/M– | Momentenschwankungen |
| M+ | schwellender Moment |
| T | Tankanschluss |
