DE102006020320A1

DE102006020320A1 - Ventil für einen Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102006020320A1
Application number: DE200610020320
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Busse; Andreas Dipl.-Ing. Röhr; Sebastian Dipl.-Ing. Schubert; Michael Dipl.-Ing. Hauser
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-11-08
Also published as: WO2007125050A2; WO2007125050A3

Abstract

Es wird ein Ventil für einen Nockenwellenversteller geschaffen, aufweisend ein Ventilgehäuse mit einem ersten Fluid-Port und mit zumindest einem zweiten Fluid-Port. Außerdem weist das Ventil einen Steuerkolben auf. Der Steuerkolben weist einen axialgeschlossenen Hohlkörper, eine Steuerkante, eine erste Ringnut und eine zweite Ringnut auf, wobei in einem ersten Betriebszustand, der einem Ruhezustand entspricht, der erste Fluid-Port mittels der Steuerkante abgedichtet ist. Ein ungewolltes Entriegeln eines Verriegelungsbolzens kann damit verhindert werden. In einem zweiten Betriebszustand sind der erste Fluid-Port und der zweite Fluid-Port mittels der ersten Ringnut und mittels der zweiten Ringnut über eine Wirkverbindung gekoppelt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Nockenwellenversteller. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil für einen Nockenwellenversteller und ein Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Nockenwellenverstellers mittels eines Ventils.
Zur Steuerung eines Gaswechsels wird bei einem Viertaktverbrennungsmotor eine Nockenwelle oder Steuerwelle mit der halben Motordrehzahl der Kurbelwelle angetrieben. Die Nockenwelle öffnet mit ihren Nocken die für das Ausschieben der verbrauchten Gase und Ansaugen der Frischgase separat ausgelegten Gaswechselventile gegen den Druck in dem Zylinder und gegen die Kräfte der Ventilfedern. Das Betätigen der Ventile erfolgt hierbei indem die Nocken mechanisch die Ventile betätigen. Dazu ist die Nockenwelle in dem Verbrennungsmotor derart angebracht, dass die auf ihr angebrachten Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebeln, anliegen, die wiederum mit den Ventilen in einer Wirkverbindung stehen.
Die Kopplung einer Nockenwelle mit der Kurbelwelle wird über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen hergestellt. Durch diese im Wesentlichen starre Kopplung besteht eine feste Phasenbeziehung zwischen der Drehung der Nockenwelle und der Drehung der Kurbelwelle.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es für den Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und der Erhöhung der Leistung, vorteilhaft sein kann, diese feste Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle während des Betriebs des Motors einzustellen. Mittels hydraulischer oder elektrischer Nockenwellenverstellsysteme ist es möglich, die Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle bei Bedarf einzustellen. Ein hydraulisches Nockenwellenverstellsystem weist einen Nockenwellenversteller und ein Ventil auf. Der Nockenwellenversteller arbeitet nach dem Flügelzellenprinzip und ist zwischen dem Steuertrieb und der zu verstellenden Nockenwelle platziert. Für den Fall dass kein Öldruck im Verbrennungsmotor vorhanden ist, z. b. beim Motorstart, besitzt der Nockenwellenversteller noch eine mechanische Verriegelung. Die Verriegelungsposition befindet sich in einer Winkelposition innerhalb des Verstellbereichs des Nockenwellenversteller. – Das Ventil in Form eines Zentralventils steuert den Austausch des Öles zwischen Nockenwellenversteller und Ölkreislauf des Motors. Es ist im Zentrum des Rotors angeordnet.
Sobald das Zentralventil von Öl umströmt wird, wird eine Verriegelung, die einen Stator und einen Rotor des Nockenwellenverstellsystems verbindet, ungewollt gelöst, wodurch sich der Rotor, welcher mit der Kurbelwelle verbunden ist, gegenüber dem Stator, welcher über den Steuertrieb mit der Kurbelwelle verbunden ist, verdrehen kann. Bei einer unkontrollierten Öffnung der Verriegelung, der so genannten Mittenverriegelung, kommt es auch zu unerwünschten Geräuschen in dem Nockenwellenverstellsystem, welche dem Fahrkomfort des Fahrzeugs negativ beeinflussen.
Ein Ventil für eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeit einer Brennkraftmaschine ist aus der Druckschrift DE 10 2004 038 252 A1 bekannt. Variable Ventilzeitverhaltensteuereinrichtungen sind darüber hinaus aus den Druckschriften US 2002/0124821 A1 und US 2003/0010303 A1 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizient betreibbares Ventil anzugeben.
Demgemäß wird ein Ventil für einen Nockenwellenversteller und ein Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Nockenwellenverstellers mittels eines Ventils geschaffen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil für einen Nockenwellenversteller bereitgestellt, der ein Ventilgehäuse und einen Steuerkolben aufweist. Das Ventilgehäuse weist einen ersten Fluid-Port und zumindest einen weiteren Fluid-Port auf. Der Steuerkolben weist zumindest eine Steuerkante auf. Ferner weist der Steuerkolben eine erste Ringnut und eine zweite Ringnut auf wobei der Steuerkolben axial geschlossen ist. In einem ersten Betriebszustand, einem Ruhezustand, wird der erste Fluid-Port des Ventilgehäuses mittels der ersten Steuerkante abgedichtet.
In einem zweiten Betriebszustand, beispielsweise während dem Normalbetrieb eines Motors mit einer normalen Betriebsdrehzahl, sind der erste Fluid-Port und der zweite Fluid-Port mittels der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut des Steuerkolbens über eine Wirkverbindung gekoppelt. Die Kopplung der Ports kann mittels eines Fluids erfolgen, welches mit einem Druck beaufschlagt an dem ersten Fluid-Port bereitgestellt wird und das druckbeaufschlagt an dem zweiten Fluid-Port zur Verfügung steht.
Hierbei soll axial geschlossen bedeuten, dass der Steuerkolben eine Symmetrieachse aufweist, die eine axiale Richtung vorgibt. Der Steuerkolben kann um die Symmetrieachse drehbar ausgebildet sein. Der Steuerkolben mag in axialer Richtung verschiebbar sein, kann allerdings in axialer Richtung einen Ver schluss aufweisen. Der Verschluss kann verhindern, dass ein Fluid in axialer Richtung in den Steuerkolben eindringt und er kann verhindern dass das Fluid in axialer Richtung aus dem Steuerkolben austritt.
Der Ruhezustand soll einen energielosen Zustand des Nockenwellenverstellers beschreiben. Dem Nockenwellenversteller wird hierbei keine Energie oder Leistung von Außen zugeführt. Eine Energiezufuhr könnte in Form eines elektrischen Stroms oder einer mechanischen Kraft erfolgen. Intern kann das System jedoch eine Energie gespeichert haben. So kann eine Energie in der Kompression oder Expansion einer Feder gespeichert sein. Allerdings kann der erste Betriebszustand ein stabiler Zustand sein, der ohne der Zufuhr einer externen Energie oder Leistung aufrecht erhalten werden kann. Der Ruhezustand kann auch einen Abschnitt eines Motorstartvorganges bezeichnen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Nockenwellenverstellers, insbesondere der Hydraulikkammern eines Nockenwellenverstellers, mittels eines Ventils angegeben. Dazu wird zunächst ein Betriebszustand eingestellt oder ein Betriebszustand erkannt und in Abhängigkeit des Betriebszustandes wird der Fluss eines Fluids durch den Nockenwellenversteller beeinflusst. Das Fluid wird an dem ersten Fluid-Port mit einem Druck beaufschlagt bereitgestellt. In einem ersten Betriebszustand erfolgt mittels der Steuerkante des Steuerkolbens ein Abdichten des ersten Fluid-Ports. Folglich wird der Fluss des Fluids durch den ersten Fluid-Port verhindert.
In dem ersten Betriebszustand befindet sich der Nockenwellenversteller, insbesondere das Ventil in einem Ruhezustand oder einer Motorstartphase. Ein axialer Fluß des Fluids in den Steuerkolben hinein und aus dem Steuerkolben heraus wird von stirnseitig angebrachten axialen Verschlüssen an dem Hohlkörper des Steuerkolbens verhindert.
In einem zweiten Betriebszustand wird der erste Fluid-Port mit dem zweiten Fluid-Port mittels der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut über eine Wirk verbindung verbunden. Die Wirkverbindung kann beispielsweise ein mit Druck beaufschlagtes Fluid sein. Die Wirkverbindung kann beispielsweise im Inneren des Hohlkörpers des Steuerkolbens verlaufen. Es ist möglich, dass die Wirkverbindung mittels eines mit Druckbeaufschlagten Fluids oder aber auch über eine mechanische Kopplung ausgebildet ist.
Flüssigkeiten können im Wesentlichen nicht komprimiert werden. Dadurch können sie einen Druck, der auf sie ausgeübt wird, weiterreichen und dadurch eine Wirkverbindung schaffen.
Hydraulische Nockenwellenverstellsysteme können einen Nockenwellenversteller mit einer Mittenverriegelung und einem Zentralventil aufweisen. Der Nockenwellenversteller kann mindestens eine Hydraulikkammer aufweisen, die in zwei Hydraulikunterkammern aufgeteilt ist. Die beiden Hydraulikunterkammern können bei entsprechender Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids oder Öles expandiert oder kontrahiert werden. Die Hydraulikkammer kann mittels eines Trennelementes in die beiden Teilkammern, beispielsweise die Kammer A und die Kammer B, aufgeteilt sein kann.
Durch Beaufschlagung der Kammer A mit einem Druck kann ein Kräfteungleichgewicht gegenüber der Kammer B hervorgerufen werden. Das Kräfteungleichgewicht kann eine Expansion des Volumens in der Kammer A bewirken. Der dabei entstehende Druck kann mittels einer Trennwand zwischen Kammer A und Kammer B weitergegeben werden. Da die gesamte Kammer, in der die Kammer A und die Kammer B liegen in ihrem Volumen nicht veränderbar sein kann, kann die Vergrößerung des Volumens der Kammer A zu einer Verkleinerung des Volumens der Kammer B führen. Dadurch kann ein Phasenwinkel eines Rotors, der mit einer entsprechenden Trennwand in Verbindung steht, gegenüber dem Stator, also beispielsweise einem Kammergehäuse, eingestellt werden.
Die Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator kann mittels einer Mittenverriegelung in dem Nockenwellenverstellsystem unterbunden werden. Eine Mit tenverriegelung kann mittels zweier axialer Verriegelungskolben im Rotor des Nockenwellenverstellers realisiert sein, wobei die Kolben in Verriegelungskulissen eines Verriegelungsdeckels eingreifen oder in Eingriff gehen und somit den Nockenwellenversteller in der Verriegelungsposition halten können.
Die Verriegelungskolben können mittels einer Federkraft in die Verriegelungskulissen gedrückt werden. Zum Lösen der Verriegelungskulissen können die Verriegelungskolben von einem Öl durchflossen werden, wobei mittels des herrschenden Öldrucks die Verriegelungskolben aus den Verriegelungskulissen herausgedrückt oder gelöst werden können. Dadurch kann der Nockenwellenversteller, insbesondere der Rotor, freigegeben werden. D. h. dass nach dem Lösen der Mittenverriegelung oder nach dem Lösen der Verriegelungskolben eine Verdrehung des Nockenwellenverstellerrotors gegenüber dem Nockenwellenverstellerstator ermöglicht werden kann. Durch die Lösung der Verriegelung kann der Nockenwellenversteller freigegeben sein, um Änderungen des Verstellwinkels durchzuführen. Bei einer Einspannung des Nockenwellenverstellers mittels der Verriegelungsbolzen kann man von einer mechanischen Einspannung sprechen, während man bei einer Steuerung mittels der Druckverteilung in der Kammer A und der Kammer B von einer hydraulischen Einspannung sprechen kann.
Es kann beispielsweise eine Entriegelung in Richtung einer Position „spät" durch einen Öldruck aus der Kammer B erreicht werden. Eine Entriegelung in Richtung „früh" kann durch einen Öldruck aus der Kammer A erreicht werden. Die Bezeichnung oder Position „spät" bedeutet dabei eine Rückstellung des Phasenwinkels, also eine Verdrehung des Rotors derart, dass die Nocken die Ventile gegenüber einer Normalstellung später betätigen. Hingegen bedeutet die Position „früh" eine Einstellung eines Phasenwinkels gegenüber einem Bezugsphasenwinkel zwischen dem Rotor und dem Stator des Nockenwellenverstellers, und somit auch eine Einstellung eines Phasenwinkels zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle derart, dass die Betätigung der Ventile gegenüber einer Normalstellung früher erfolgen können.
Die Auslösung der Verriegelung, also das Lösen der Verriegelung, kann schon bei einem leichten Öldruck erfolgen. In anderen Worten bedeutet es, dass bereits bei einem Motorstartvorgang das Zentralventil und insbesondere der Fluidkreislauf durch das Nockenwellenverstellsystem mit einem zwar geringen Öldruck beaufschlagt sein kann. Durch diesen geringen Öldruck können die Verriegelungsbolzen bereits gelöst werden, obwohl der geringe Druck noch nicht ausreicht, um einen Phasenwinkel zwischen dem Rotor und dem Stator des Nockenwellenverstellsystems einzustellen.
Aufgrund des geringen Drucks in den Kammern und aufgrund des gelösten Verrigelungsbolzens kann es zu einer unkontrollierten Bewegung des Nockenwellenverstellerrotors gegenüber dem Nockenwellenverstellerstator kommen. Diese unkontrollierte und unkontrollierbare Bewegung kann zu Geräuschen beim Starten des Motors führen. Mittels der Abdichtung eines Ports eines Zentralventils kann dabei eine zu frühzeitige Ölströmung durch den Fluidkreislauf des Nockenwellenverstellsystems vermieden werden.
Bei einem Zentralventil oder Ventil für den Nockenwellenversteller kann es sich um ein Proportionalventil mit Anschlüssen für ein Drucköl, für eine Ölsammelwanne, für einen ersten Arbeitsport oder für einen zweiten Arbeitsport handeln. Allgemein kann ein Port eine Öffnung oder ein Anschluss sein, über welche dem Ventil ein Arbeitsmittel wie ein Drucköl zugeführt werden kann oder über welche das Arbeitsmittel wieder abgeführt werden kann.
An dem Druckölport kann ein mit Druck beaufschlagtes Fluid bereitgestellt werden, das über das Zentralventil selektiv einer ersten Hydraulikkammer A oder einer zweiten Hydraulikkammer B zugeführt werden kann. Über diese Wirkverbindung kann eine Druckübertragung des Drucköls auf die Hydraulikkammer A und die Hydraulikkammer B erfolgen. Durch die Veränderung der Drücke in den Kammern A und B kann der Phasenwinkel der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eingestellt werden. Überflüssiges Öl kann über die Tankports an eine Ölwanne oder einen Tank abgegeben werden.
Durch das Abdichten eines Fluid-Ports, beispielsweise des Druckölports, kann verhindert werden, dass in einem ersten Betriebszustand, also beispielsweise einer Motorstartphase oder einer Ruhephase, in dem Nockenwellenverstellsystem ein Druck aufgebaut wird. Durch die Verriegelung des Fluid-Ports in dem ersten Betriebszustand kann auch ein frühzeitiges Lösen der Verriegelung und somit ein Geräusch des Motors vermieden werden. Der erste Betriebszustand kann auch ein entspannter d.h. energieloser Zustand sein, der sich beispielsweise in einer Notlaufsituation einstellt.
Die Druckbeaufschlagungen der beiden Hydraulikkammern A und B kann durch den Verschluss des Druckmittel-Zufuhr-Ports kontrolliert erfolgen. alternativ kann auch der Arbeitsport A oder der Arbeitsport B verschlossen werden, so dass der Druck nicht in eine der Druckkammern gelangen kann und ungewollt die Verriegelung mittels eines Pins lösen kann.
Es kann insbesondere verhindert werden, dass ein Volumenstrom von dem Druckölport P zu dem Arbeitsport B fließt und somit die Kammer B mit Druck beaufschlägt. Es kann somit auch das ungewollte Verstellen in die Nockenwellenverstellsystemstellung "spät" schon während der Motorstartphase verhindert werden. Ein gesperrter Druckölport P kann folglich einen Volumenstrom zwischen dem P-Port und dem B-Port verhindern, wodurch keine selbstständige Entriegelung des Verriegelungskolbens stattfindet.
In einem zweiten Betriebszustand, also bei Erreichen einer gewünschten Drehzahl, insbesondere einer Arbeitsdrehzahl, kann durch Verändern des Zentralventils oder Ventils ein Fluidstrom zwischen dem ersten Fluid-Port und dem zweiten Fluid-Port über eine in Position gebrachte erste Ringnut und eine zweite Ringnut erfolgen. Dazu ist eine Wirkverbindung zwischen der ersten und zweiten Ringnut erwünscht. Die Wirkverbindung kann beispielsweise mittels des druckbeaufschlagten Fluids, welches an der ersten Ringnut bereitgestellt werden kann und an die zweite Ringnut weitergegeben werden kann, erfolgen.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil geschaffen, wobei das Ventilgehäuse weiter einen dritten Fluid-Port und einen vierten Fluid-Port aufweist. Befindet sich das Ventil in dem zweiten Betriebszustand kann gleichzeitig zu der Wirkverbindung zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut eine Wirkverbindung zwischen dem dritten Fluid-Port und dem vierten Fluid-Port herrschen. Dadurch kann der dritte Fluid-Port und der vierte Fluid-Port über eine Wirkverbindung gekoppelt sein. Diese Wirkverbindung kann beispielsweise mittels dem Durchströmen des dritten Fluid-Ports und des vierten Fluid-Ports von einem Druck beaufschlagten Öl erfolgen. Für diese Wirkverbindung kann das Ventil eine Verbindung zwischen dem dritten und dem vierten Fluid-Port schaffen.
Durch die Wirkverbindung zwischen dem dritten Fluid-Port und dem vierten Fluid-Port kann ein Ablass eines Öles aus einer der Hydraulikkammern des Nockenwellenverstellers gesteuert werden. Beispielsweise kann der dritte Fluid-Port einen Zugang zu der Hydraulikkammer A schaffen, während der vierte Fluid-Port mit einer Ölwanne oder einem Tank verbunden sein kann. Somit kann während des zweiten Betriebszustandes über den Druckölport P und über die erste und zweite Ringnut des Ventil ein mit Druck beaufschlagtes Öl in die Kammer B gelangen. Somit kann sich das Volumen der Kammer B vergrößern, indem das in der Kammer A vorhandene Öl derart komprimiert wird, dass das Öl über den Arbeitsport A, insbesondere über den dritten Fluid-Port, und über den Tankanschluss, insbesondere über den vierten Fluid-Port, abgeführt wird.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der vierte Fluid-Port an einer Stirnseite des Ventilgehäuses angeordnet. Durch die stirnseitige Lage des vierten Fluid-Ports kann eine kurze Verbindungsstrecke zwischen dem dritten Fluid-Port und dem vierten Fluid-Port bereitgestellt werden, da ein direkter Weg für den Ablauf gewählt werden kann.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil geschaffen, bei dem in einem dritten Be triebszustand der erste Fluid-Port mit dem dritten Fluid-Port mittels der ersten Ringnut und mittels der zweiten Ringnut über eine Wirkverbindung gekoppelt sind. Außerdem ist in dem dritten Betriebszustand der zweite Fluid-Port mit einem fünften Fluid-Port über eine Wirkverbindung gekoppelt.
Der dritte Betriebszustand kann einer Lage des Steuerkolbens in einem Ventilgehäuse entsprechen. Der erste Fluid-Port kann wiederum ein Druckölport sein, an dem ein mit Druck beaufschlagtes Fluid oder Öl bereitgestellt wird. Dieses Öl kann zu der zweiten Ringnut gelangen, da die erste Ringnut und die zweite Ringnut über eine Wirkverbindung in dem Hohlkörper des Steuerkolbens gekoppelt sind. An der zweiten Ringnut kann das Fluid aus dem Steuerkolben beispielsweise durch eine Öffnung ausdringen und zu dem dritten Fluid-Port gelangen. Während im zweiten Betriebszustand ein Abfluss über den dritten Fluid-Port, beispielsweise dem Arbeitsport A erfolgen kann, kann in dem dritten Betriebszustand ein Druck, insbesondere ein mit einem Druck beaufschlagtes Öl, über die zweite Ringnut und den dritten Fluid-Port in die Kammer A gelangen. Dadurch kann sich der Druck des Öles in der Kammer A erhöhen, wodurch sich das Volumen der Kammer A vergrößern kann und das in der Kammer B vorhandene Öl verdrängen kann.
Die Verdrängung des Öls in Kammer B kann ermöglicht werden, da in dem dritten Betriebszustand mittels einer Wirkverbindung des zweiten Fluid-Ports und des fünften Fluid-Port das Öl in den Tank abgelassen werden kann. Der zweite Fluid-Port mag in dem dritten Betriebszustand mit der Kammer B verbundern sein, während der zweite Fluid-Port mit dem Tank verbunden sein kann.
Es kann folglich die Flussrichtung eines Fluids bzw. eines Öles durch das Nockenwellenverstellsystem durch Einstellen des Betriebszustandes gesteuert werden. Die Betriebszustände können Lagen des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses bezeichnen. Durch gezieltes Anfahren dieser Lagen kann folglich eine Verstellung des Phasenwinkels des Nockenwellenverstellers gesteuert werden.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil angegeben, wobei die Wirkverbindung zwischen dem zweiten Fluid-Port und dem fünften Fluid-Port eine dritte Ringnut ist.
Durch Vorsehen der Wirkverbindung an einer Steuerkolbenaußenseite kann durch die Verstellung des Steuerkolbens eine Verbindung des zweiten Fluid-Ports und des fünften Fluid-Ports hergestellt werden.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Steuerkante des Steuerkolbens eine Ausdehnung auf, welche größer ist als die Öffnungsfläche eines der Fluid-Ports.
So kann beispielsweise die Steuerkante eine Ausdehnung aufweisen, die größer ist als die Öffnungsfläche des ersten Fluid-Ports. Dabei kann die Öffnungsfläche aus mehreren kleinen Öffnungen, insbesondere Öffnungsflächen, welche den ersten Fluid-Port bilden zusammengesetzt sein. Dadurch kann eine Abdichtung des ersten Fluid-Ports erfolgen, so dass eine Fluid- oder Ölversorgung des Nockenwellenversteller durch den Fluid-Port verhindert werden kann.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Steuerkolben in dem Ventilgehäuse axial gleitend angeordnet. Die Verstellung zwischen dem ersten, zweiten oder dritten Betriebszustand kann durch eine Linearbewegung erfolgen, weil der Steuerkolben in dem Ventilgehäuse linear gleitend angeordnet ist. Das Ventilgehäuse kann als Zylinder ausgebildet sein, in dem sich der Steuerkolben bewegen kann. Die Innenwand des Zylinders kann mit einer Mantelfläche, die auch durch die Ringnut unterbrochen sein kann, in Verbindung stehen. Diese Verbindung kann eine Führung für den Steuerkolben bereitstellen. Bei einer formschlüssigen Einpassung des Steuerkolbens in das Ventilgehäuse kann eine Dichtung erfolgen, wodurch die Ringnuten voneinander durch die Steuerkante oder durch weitere Ringflansche getrennt werden können.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Steuerkolben mit einem Elektromagneten gekoppelt sein oder koppelbar sein. Dabei ist der Elektromagnet eingerichtet, den Steuerkolben axial in dem Ventilgehäuse zu bewegen. Der Elektromagnet kann einen Pin aufweisen, wobei der Pin an den Steuerkolben koppelbar ist. Der Pin kann dazu ein kugelförmiges Ende aufweisen.
Durch Einstellen eines Tastverhältnisses kann ein Ausschlag eines Pins eines Elektromagneten eingestellt werden. Ein Tastverhältnis kann dabei mittels dem Ein- und Ausschaltens einer Spannung während einer bestimmten Dauer während eines Zeitintervalls sein. Durch die prozentuale Verteilung der Ein- gegenüber der Ausschaltdauer kann insbesondere eine zugeführte Energie oder Leistung, zu dem Elektromagneten gesteuert werden. Ein Elektromagnet, der mit einem Steuerkolben gekoppelt ist, kann die Eintauchtiefe des Kolbens in den Zylinder einstellen. So lassen sich beispielsweise mittels dreier Betriebszustände drei Ventilstellungen unterscheiden. Die Eintauchtiefe kann beispielsweise durch den Abstand einer Stirnfläche des Steuerkolbens von der Stirnfläche des Ventilgehäuses bestimmt werden.
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist einem Betriebszustand des Ventils ein Tastverhältnis des Elektromagneten zuordenbar. Durch diese Zuordnung lassen sich die Eintauchtiefen des Kolbens in den Zylinder während der unterschiedlichen Betriebszustände gezielt einstellen.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Ventil ein Rückstellelement auf, wobei das Rückstellelement ausgebildet ist, bei einer Abweichung von dem ersten Betriebszustand den ersten Betriebszustand wieder herzustellen. Der erste Betriebszustand kann beispielsweise während einer Motorstartphase oder Notlaufphase des Motors herrschen, wobei während der Motorstartphase möglicherweise noch keine Energie für den Betrieb des Elektromagnet zur Verfügung steht.
Folglich kann der erste Betriebszustand auch während einer Startphase eingenommen werden, während der ein Abdichten des ersten Fluid-Ports erfolgen soll. Das Rückstellelement kann beispielsweise eine Feder sein, die zwischen einer Stirnfläche des Ventilgehäuses und der Stirnfläche des Steuerkolbens angeordnet ist. Dadurch kann eine Eintauchtiefe eines Steuerkolbens in ein Sackloch oder das Ventilgehäuse oder den Ventilzylinder erfolgen. Der Steuerkolben kann einen becherförmigen Hohlraum aufweisen, der mit einem Deckel abgeschlossen sein kann. Dadurch kann ein axiales Strömen des Fluids in den Steuerkolben hinein und aus dem Steuerkolben heraus verhindert werden.
Anschaulich bedeutet das, dass das Ventil oder Zentralventil außen am Ventilgehäuse ein Gewinde aufweist und axial in eine Nockenwelle geschraubt wird, bis der Bund am Ventilgehäuse des Zentralventils innenseitig an der Stirnseite der Nockenwelle anliegt. Das Gewinde kann als Linksgewinde oder als Rechtsgewinde ausgebildet sein. Im Zentralventil kann sich ein Ventilkolben oder Steuerkolben befinden, welcher über einen Pin eines koaxial angeordneten Magneten über das in den Kolben eingepresste Druckstück, das mit dem Elektromagneten gekoppelt ist, gegen die Federkraft einer Druckfeder axial verschoben werden kann. Damit der Ventilkolben während der Montage nicht aus dem Ventilgehäuse herausfällt, kann dieser durch einen Sicherungsring axial gesichert sein. Auf der anderen Seite des Ventilkolbens kann sich ein Federrückhaltering befinden, an dem sich die Druckfeder abstützt.
Bei einem Motorstart, wenn das Zentralventil und insbesondere der Elektromagnet unbestromt ist, kann der P-Port mittels der Steuerkante verschlossen werden und der A-Port mit dem T-Port verbunden werden. Dabei kann in den B-Port kein Volumenstrom fließen. Bei dem Motorstart erfolgt keine Verbindung zwischen dem P-Port und dem B-Port und somit kann sich in einer an den B-Port angeschlossenen B-Kammer kein Öldruck aufbauen, welcher zum selbstständigen Entriegeln des Verriegelungskolbens in die Richtung „spät" führt.
Nach dem Motorstart kann das Zentralventil bestromt und die örtliche Lage des Steuerkolbens bezüglich dem unbestromten Fall verändert sein. Somit können der P-Port und der B-Port verbunden sein und zugleich kann der A-Port mit dem T-Port verbunden sein. Ist ein Tastverhältnis des Elektromagneten größer als das Mittentastverhältnis, so können im bestromten Fall der P-Port und der A-Port verbunden sein und gleichzeitig der B-Port mit dem T-Port. Mittels des Ventils kann eine kostengünstige Lösung für die Abdichtung des T-Ports geschaffen werden.
Viele Fortbildungen der Erfindung wurden bezugnehmend auf das Ventil beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Nockenwellenverstellers mittels eines Ventils.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der folgenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Ventil in einem unbestromten Zustand gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Ventil in einem bestromten Zustand gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibung der 1 und 2 werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet.
1 zeigt das Ventilgehäuse 100, in dem der Steuerkolben oder Ventilkolben 101 angeordnet ist. Sowohl das Ventilgehäuse 100 als auch der Ventilkolben 101 sind als rundes Drehteil ausgestaltet. Die Ausgestaltung als rundes zylinderförmiges Drehteil erleichtert es, das Ventil 102 axial in einer Nockenwelle, die in 1 nicht gezeichnet ist, unterzubringen. Zur Unterbringung in einer Nockenwelle kann das Ventil 102, welches das Ventilgehäuse 100 und den Ventilkolben 101 umfasst, axial eingeführt werden und mit dem Gewinde 103 an der Mantelseite des Ventilgehäuses in ein Innengewinde der Nockenwelle geschraubt werden, bis der Bund 104 des Ventilgehäuses 100 an der Stirnseite der Nockenwelle anliegt.
Das Ventilgehäuse 100 weist einen ersten Port, den Druckölport P, auf, der mit einer in 1 nicht gezeichneten Öldruckleitung zur Bereitstellung eines mit Druck beaufschlagten Fluids verbunden ist. Ferner weist das Ventilgehäuse 100 einen zweiten Fluid-Port, den Arbeitsport B, auf, welcher mit einer ebenfalls in 1 nicht gezeichneten Hydraulikkammer B eines Nockenwellenversteller verbunden ist. Darüber hinaus weist das Gehäuse 100 den mit der Druckkammer A des Nockenweilenversteller verbundenen dritten Fluid-Port A auf, welcher dirket neben dem Fluid-Port B angeordnet ist.
Die dem Bund 104 gegenüberliegende Stirnseite des Ventilgehäusezylinders 100 ist mittels dem Federrückhaltering 105 zumindest teilweise verschlossen. Bei dem Federrückhaltering 105 handelt es sich um ein Formpressteil, welches an der Innenwandung des Gehäuses 100 eingepresst ist. Der Federrückhaltering 105 weist einen axialen oder axial angeordneten vierten Fluid-Port T_a auf, welcher mit einem Tank oder einer Ölwanne verbunden ist. Zwischen dem Druckölport P und dem Arbeitsport B ist der fünfte Fluid-Port T_b radial angeordnet, welcher ebenfalls mit dem Tank oder der Ölwanne verbunden ist.
Die Fluid-Ports P, T_b, B, A sind als Ringnuten in dem zylinderförmigen Ventilgehäuse 100 ausgebildet. Die Ringnuten P, T_b, B, A weisen die Durchbrüche 106, 107, 108 und 109 auf, die eine Verbindung zwischen der Außenseite des Gehäuse-Hohlzylinder 100 und der Innenseite des Gehäuse 100 erlauben. Entlang des Umfanges der Ringnuten P, T_b, B, A können sich dabei mehrere Durchbrüche 106, 107, 108 und 109 befinden. Die Durchbrüche 106, 107, 108, 109 weisen eine rechteckige Form mit abgerundeten Kanten auf.
Über die Durchbrüche 106, 107, 108 und 109 kann Drucköl in den Zylinderinnenraum gelangen. Dabei wird der Zylinderinnenraum von einem Kolben 101 teilweise ausgefüllt. Der Steuerkolben 101 ist zylinderförmig und weist in seinem Inneren einen becherförmigen Hohlraum auf. Die Mantelfläche und insbe sondere die Mantelfläche der Ringflansche 118, 119, 120 des Steuerkolbens 101, liegt an der Innenwandung des Ventilgehäuses 100 dicht an. Lediglich die Ringnute 110, 111 und 112 teilen das Innenvolumen des Ventilgehäuses 100 in die Kammern 110, 111 und 112 auf. Da die Länge des Kolbens 101 kürzer als die Länge des Ventilgehäuses 100 ist, wird an der Stirnseite des Ventilgehäuses 101 eine zusätzliche Kammer 113, die über den Tankport T_a zugänglich ist, ausgebildet.
Der Kolben 101 weist einen Hohlraum 114 auf, welcher von der linken Stirnseite des Steuerkolbens bis zur rechten Steuerkante 120 der zweiten Ringnut 112 erstreckt ist. Dieser Hohlraum ist mit dem auf der in 1 dargestellten linken Seite angeordneten eingepressten Druckstück 115 verschlossen. Das Druckstück 115 ist in den Kolben eingepresst. In der ersten Ringnut 110 sind mehrere fensterförmige Durchlässe 116 angeordnet, die eine Verbindung von der Ringnutkammer 110 in das Kolbeninnere 114 zulassen. Gleichfalls erlaubt das Fenster 117 eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 114 und der zweiten Ringnut 112. Folglich sind die Ringnutkammern 110 und 112 kommunizierend miteinander verbunden.
Die Steuerkante 118 ist derart ausgebildet, dass sie in dem in 1 dargestellten unbestromten Betriebszustand oder Ruhezustand den P-Port abdichtet. Die B-Steuerkante 119 dichtet den B-Port teilweise ab, so dass in dem unbestromten Zustand eine Verbindung von dem B-Port B in das Kolbeninnere 114 geschaffen werden kann. Die A-Steuerkante 120 verdeckt den A-Port 109 in dem in 1 dargestellten unbestromten Zustand nur teilweise, so dass eine Verbindung des A-Ports mit der Kammer 113 und dem Tankport T_a hergestellt werden kann.
Das Rückstellelement oder die Rückstellfeder 121 drückt den Ventilkolben 101 gegen den Sicherungsring 122, der den Ventilkolben gegen ein Herausfallen sichert. Zur Kraftaufbringung ist die Feder 121 zwischen dem Federrückhaltering 105 und der Kolbenwand 123 angeordnet. Mit dem Pin 124 ist der Elektromagnet 125 koaxial zu dem Ventilkolben mit dem Druckstück 115 gekoppelt.
Mittels des Pins 124 kann der Elektromagnet 125 gegen die Rückstellfeder 121 eine Kraft auf den Ventilkolben 101 ausüben, so dass der Ventilkolben 101 axial in dem Zylinder 100 in Richtung des Sicherungsrings 105 gleitet.
1 zeigt den unbestromten Zustand, der sich nach dem Ausschalten einer Versorgungsspannung für den Elektromagneten 125 einstellt. Da die Spannung abgeschaltet ist, wird von außen keine Energie zugeführt. Energie ist nur in der teilweise gespannten Feder 121 gespeichert. Das System befindet sich folglich in einem stabilen Zustand.
Mittels des Elektromagneten 125 lassen sich verschiedene Betriebszustände des Ventils einstellen. Zum Ein- und Ausfahren des Pins wird ein Strom an den Elektromagneten 125 angelegt, indem der Magnet 125 mit einer Spannung versorgt wird und aufgrund eines einstellbaren Tastverhältnisses der Bestromung des Magneten wird der Betriebszustand bestimmt.
In 2 ist ein bestromter Betriebszustand des Ventils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 2 ist der Elektromagnet 125 bestromt, wie es beispielsweise in einem Betriebszustand nach dem Motorstart der Fall ist. Im Vergleich zu 1 ist der Abstand zwischen der Gehäusewand 123 und dem Sicherungsring 105 geringer. Folglich ist der Pin 124 weiter als in 1 ausgefahren, wodurch das Rückstellelement 121 weiter komprimiert ist. Durch die Kompression der Feder 121 erfolgt eine Rückstellkraft durch die Feder 121 Der Ventilkolben ist dabei derart verschoben, dass die linke Kante a der Steuerkante 118 eine Verbindung zwischen dem Durchbruch 106 und dem Fenster 116 ermöglicht. Diese Verbindung erfolgt über die Ringnutkammer 110.
Ein an den Port P mit Druck herangeführtes Fluid kann folglich entlang des Pfeiles 200 in den Innenraum des Kolbens 114 gelangen. Da der Innenraum stirnseitig durch die Kolbenwand 123 und das Druckstück 115 und außerdem radial durch die Wand des Kolbens 101 begrenzt wird, breitet sich das Fluid in Richtung des Durchbruchs 117 aus. Über den Durchbruch 117 gelangt das Fluid in die Ringnut 112 und da mittels Steuerkante 119 der Port B nur teilweise abgedichtet wird, gelangt das Fluid entlang des Pfeiles 201 in die an Port B angeschlossene Hydraulikkammer B. Das in die Hydraulikkammer B eindringende Öl verdrängt Öl aus der Hydraulikkammer A, wobei das verdrängte Öl entlang des Pfeiles 202 in die von der Steuerkante 120 nur teilweise verschlossene Kammer 113 gelangt. Das aus Kammer A verdrängte Öl wird schließlich über den Ausgangsport T_a an die Ölwanne weitergeleitet.
Der in 2 dargestellte Fall zeigt eine Bestromung des Elektromagneten 125 mit einem Tastverhältnis zwischen 5 % und dem Mittentastverhältnis von ca. 50 %. Das Motorsteuergerät errechnet aus einer vorhandenen Motordrehzahl und einem vorhandenen Lastzustand den Sollwinkel. Weicht der Istwinkel vom Sollwinkel ab, ändert ein Regler in der Motorsteuerung das Tastverhältnis, sodass die Differenz zwischen Soll- und Istwinkel kleiner wird bis eine Übereinstimmung vorhanden ist. Das Tastverhältnis wird durch die Temperatur im Elektromagneten beeinflusst. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist der innere Widerstand und desto größer ist das tatsächliche Tastverhältnis für eine bestimmte Ventilkolbenposition. Bei einer Erhöhung des Tastverhältnisses über das Mittentastverhältnis, d. h. in einem Bereich des Tastverhältnisses des Elektromagneten von 50 % bis 100 %, wird der Kolben derart in den Zylinder gegen die Rückstellfeder 121 gedrückt, dass die Steuerkante 119 den Austritt des Öles aus dem Kolbeninneren 114 statt an den Port B dem Port A zuführt. Somit wird Druck auf die Kammer A gegeben, wodurch Öl aus der Hydraulikkammer B über den Port B und den Durchbruch 108 an die Ringnutkammer 111 abgibt. Das Öl breitet sich in der Ringnutkammer 111 aus und gelangt über den Durchbruch 107 an den Tankport T_b. Dadurch ist ein Abfluss des Öls zur Ölwanne ermöglicht.
Folglich lässt sich durch Einstellen des Tastverhältnisses des Elektromagneten 125 die örtliche Lage des Ventilkolbens 101 in dem Zylinder 100 einstellen. Durch die Einstellung wird ein Betriebszustand eingestellt. In dem ersten Betriebszustand ist der Zugangsport P verschlossen, wodurch weder Druck an die Kammer B noch an die Kammer A weitergegeben wird. Dementsprechend ist es auch möglich den Port A oder den Port B zu verschließen.
Wird der zweite Betriebszustand eingestellt und wird an den Port P eine Flüssigkeit mit einem entsprechenden Druck zugeführt, wird in dem zweiten Betriebszustand der Kammer B der Druck zugeführt. Schließlich kann durch Einstellen des dritten Betriebszustandes der Druck von Kammer B abgezogen und in Richtung Kammer A gelenkt werden und somit lässt sich die Phasenlage des Nockenwellenverstellers steuern.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ventil, für einen Nockenwellenversteller, aufweisend: ein Ventilgehäuse (100), mit einem ersten Fluid-Port (P) und mit zumindest einem zweiten Fluid-Port (B); und einen Steuerkolben (101); wobei der Steuerkolben (101) eine Steuerkante (118) aufweist; wobei der Steuerkolben (101) eine erste Ringnut (110) aufweist; wobei der Steuerkolben (101) eine zweite Ringnut (112) aufweist; wobei der Steuerkolben (101) als axial abgeschlossener Hohlkörper ausgebildet ist; wobei in einem ersten Betriebszustand der erste Fluid-Port (P) mittels der Steuerkante (118) abgedichtet ist; wobei der erste Betriebszustand ein Ruhezustand ist; wobei in einem zweiten Betriebszustand der erste Fluid-Port (P) und der zweite Fluid-Port (B) mittels der ersten Ringnut (110) und mittels der zweiten Ringnut (112) über eine Wirkverbindung gekoppelt sind.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ventilgehäuse (100) ferner aufweist: einen dritten Fluid-Port (A); einen vierten Fluid-Port (T_a); und wobei in dem zweiten Betriebszustand der dritte Fluid-Port (A) mit dem vierten Fluid-Port (T_a) mittels einer Wirkverbindung gekoppelt ist.
Ventil nach Anspruch 2, wobei der vierte Fluid-Port (T_a) an einer Stirnseite des Ventilgehäuses (100) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 2 oder 3, wobei in einem dritten Betriebszustand der erste Fluid-Port (P) und der dritte Fluid-Port (A) mittels der ersten Ringnut (110) und der zweiten Ringnut (112) über eine Wirkverbindung gekoppelt sind; und wobei in dem dritten Betriebszustand der zweite Fluid-Port (B) mit einem fünften Fluid-Port (T_b) über eine Wirkverbindung gekoppelt ist.
Ventil nach Anspruch 4, wobei die Wirkverbindung eine dritte Ringnut (111) ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerkante (118) eine Ausdehnung aufweist, welche größer ist als die Öffnungsfläche eines der Fluid-Ports (P, B, A, T_b).
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Steuerkolben (101) in dem Ventilgehäuse (100) axial gleitend angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 7, wobei der Steuerkolben (101) mit einem Elektromagneten (125) gekoppelt ist; wobei der Elektromagnet (125) eingerichtet ist, den Steuerkolben (101) axial in dem Ventilgehäuse (100) zu bewegen.
Ventil nach Anspruch 8, wobei einem Betriebszustand ein Tastverhältnis des Elektromagneten (125) zuordenbar ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend: ein Rückstellelement (121); wobei das Rückstellelement (121) ausgebildet ist, bei einer Abweichung vom ersten Betriebszustand, den ersten Betriebszustand herzustellen.
Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Nockenwellenverstellers mittels eines Ventils nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das Verfahren aufweisend: Einstellen eines Betriebszustandes; Abdichten des ersten Fluid-Ports (P) mit der Steuerkante (118) des Steuerkolbens (101) in einem ersten Betriebszustand; wobei der erste Betriebszustand ein Ruhezustand ist; und wobei der Steuerkolben (101) als axial abgeschlossener Hohlkörper ausgebildet ist; Koppeln des ersten Fluid-Ports (P) und des zweiten Fluid-Ports (B) mittels der ersten Ringnut (110) und der zweiten Ringnut (112) über eine Wirkverbindung in einem zweiten Betriebszustand; Bereitstellen eines mit einem Druck beaufschlagten Fluids an dem ersten Fluid-Port (P).
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Koppeln des dritten Fluid-Ports (A) mit dem vierten Fluid-Port (T_a) mittels einer Wirkverbindung in dem zweiten Betriebszustand.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Koppeln des dritten Fluid-Ports (A) mit dem vierten Fluid-Port (T_a) mittels der dritten Ringnut in dem zweiten Betriebszustand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner aufweisend: Koppeln des ersten Fluid-Port (P) mit dem dritten Fluid-Port (A) in einem dritten Beriebszustand; und Koppeln des zweiten Fluid-Ports (B) mit dem fünften Fluid-Port (T_b) über eine Wirkverbindung; Bereitstellen eines mit einem Druck beaufschlagten Fluids an dem ersten Fluid-Port (P).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner aufweisend: axiales Bewegen des Steuerkolbens (101) in dem Ventilgehäuse (100).
Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend: axiales Bewegen des Steuerkolbens (101) mittels eines Elektromagneten (125).