DE102009054051A1 - Schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung mit passivem Zusatzdruckspeicher - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Brennkraftmaschinen und betrifft eine in einen Hohlraum einer Nockenwelle integrierte, schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine.
- Stand der Technik
- Aus der Patentschrift
EP 1197641 A2 ist ein Druckspeicher zum Unterstützen einer hydraulisch verstellbaren Nockenwelle bekannt, bei dem der Fluss von Hydraulikflüssigkeit in oder aus dem Druckspeicher durch Verwendung unterschiedlicher Magnetventile gesteuert wird. - Weiterhin ist ein Druckspeicher mit separatem Gehäuse aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 056 684 A1 der Anmelderin bekannt. - Aufgabe der Erfindung
- Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, herkömmliche Druckspeicher zur Druckversorgung von Verbrauchern in einer Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
- Lösung der Aufgabe
- Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
- Erfindungsgemäß ist eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung mindestens eines Verbrauchers einer Brennkraftmaschine gezeigt. Bei dem Verbraucher kann es sich insbesondere um einen hydraulischen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Phasenlage zwischen Kurbel- und Nockenwelle handeln. Denkbar ist jedoch auch, dass die Vorrichtung beispielsweise bei einer elektrohydraulischen Ventilbetätigungsvorrichtung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
- Die Vorrichtung zur Druckversorgung umfasst einen aktiven (schaltbaren) Druckspeicher und einen passiven (nicht-schaltbaren) Druckspeicher, die jeweils in einen Hohlraum einer Nockenwelle integriert sind.
- Der aktive Druckspeicher umfasst ein im Hohlraum angeordnetes erstes Verlagerungselement, das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist. Das erste Verlagerungselement weist eine erste Druckfläche auf, die gemeinsam mit einer Wand des Hohlraums einen mit dem Verbraucher fluidleitend verbindbaren oder verbundenen ersten Vorratsraum zumindest teilweise begrenzt. Das Verlagerungselement kann beispielsweise in Form eines Kolbens mit einer stirnseitigen Druckfläche ausgebildet sein.
- Der aktive Druckspeicher umfasst weiterhin einen ersten Kraftspeicher, der mit dem ersten Verlagerungselement so zusammenwirkt, dass das erste Verlagerungselement durch Druckbeaufschlagung des ersten Vorratsraums gegen die Kraft des ersten Kraftspeichers von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagert werden kann. Der erste Kraftspeicher ist beispielsweise als Federelement, insbesondere in Form einer Druckfeder, ausgebildet, wobei auch jeder andere geeignete Federtyp eingesetzt werden kann.
- Der aktive Druckspeicher umfasst weiterhin einen Verriegelungsmechanismus, durch den das erste Verlagerungselement in der zweiten Endstellung, in der der erste Kraftspeicher gespannt ist, lösbar verriegelt werden kann.
- Der aktive Druckspeicher umfasst weiterhin einen durch einen Aktuator betätigten Schaltmechanismus mit einem Schaltelement, das in wenigstens zwei Schaltstellungen gebracht werden kann, wobei das Schaltelement so mit dem Verriegelungsmechanismus zusammenwirkt, dass die Verriegelung des ersten Verlagerungselements in einer ersten Schaltstellung beibehalten und in einer zweiten Schaltstellung gelöst wird. In vorteilhafter Weise ist das Schaltelement durch einen von der Nockenwelle drehentkoppelten Aktuator zwischen den beiden Schaltstellungen verlagerbar.
- Der passive Druckspeicher umfasst ein im Hohlraum angeordnetes zweites Verlagerungselement, das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist. Dabei ist das zweite Verlagerungselement mit einer zweiten Druckfläche versehen, die gemeinsam mit der Wand des Hohlraums einen zweiten Vorratsraum zumindest teilweise begrenzt.
- Der passive Druckspeicher umfasst weiterhin einen mit dem zweiten Verlagerungselement zusammenwirkenden zweiten Kraftspeicher, wobei das zweite Verlagerungselement durch Druckbeaufschlagung des zweiten Vorratsraums gegen die Kraft des zweiten Kraftspeichers von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagerbar ist.
- In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommunizieren der erste Vorratsraum und der zweite Vorratsraum miteinander, d. h. sind in ständiger fluidleitender Verbindung und sind mit einer Druck- bzw. Druckmittelquelle fluidleitend verbindbar oder verbunden. Beispielsweise sind die beiden Vorratsräume an den Schmierölkreis der Brennkraftmaschine angeschlossen, wobei eine Ölpumpe als Druckquelle dient und Öl des Schmierölkreises als Druckmittel verwendet wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht bei vergleichsweise geringem Bauraumbedarf eine zuverlässige und sichere Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine, die unabhängig vom Druck im Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Dabei kann durch die beiden Vorratsräume ein relativ großes Druckmittelvolumen bereitgestellt werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich daraus, dass der passive Druckspeicher für die Druckversorgung von Verbrauchern während des Betriebs der Brennkraftmaschine eingesetzt wird, wohingegen der aktive Druckspeicher lediglich zum Starten der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann und während des Betriebs der Brennkraftmaschine für den nächsten Start geladen wird.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung ist der zweite Vorratsraum zwischen dem ersten Vorratsraum und dem Verbraucher angeordnet, so dass der Verbraucher, beispielsweise ein hydraulischer Nockenwellenversteller in einfacher Weise während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit Druck versorgt werden kann.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zweite Vorratsraum unter Zwischenschaltung mindestens einer Auslaufsicherung mit der Druckquelle und dem Verbraucher fluidleitend verbindbar oder verbunden. Die Auslaufsicherung ist so ausgebildet, dass sie den Durchfluss von mit Druck beaufschlagtem Druckmittel ermöglicht, wohingegen sie den Durchfluss von nicht mit Druck beaufschlagtem, lediglich dem hydrostatischen Druck unterliegendem Druckmittel sperrt. Somit kann durch die Auslaufsicherung ein Auslaufen des Vorratsraums bei Fehlen einer Druckspeisung durch die Druckquelle, beispielsweise bei fehlender Förderung der Ölpumpe, verhindert werden. Die Auslaufsicherung kann als Begrenzung des zweiten Vorratsraums dienen und kann insbesondere einen Anschlag für das zweite Verlagerungselement in der ersten Endstellung bilden. Der Aufbau einer solchen Auslaufsicherung ist dem Fachmann an sich bekannt und in der Patentliteratur beispielsweise in der
DE 19615076 beschrieben. - Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein mit der Nockenwelle starr verbundenes Stützelement angeordnet, an dem sich der zweite Kraftspeicher des zweiten Verlagerungselements abstützt. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn das Stützelement als Anschlag für das erste Verlagerungselement in der ersten Endstellung dient.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einer Durchgangsöffnung des Stützelements ein das zweite Verlagerungselement führendes hohles Führungselement aufgenommen, über dessen Hohlraum die beiden Vorratsräume miteinander kommunizieren. Das Vorsehen eines Stützelements, insbesondere mit Führungselement ermöglicht eine besonders einfache technische Realisierung der Vorrichtung zur Druckversorgung.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der aktive Druckspeicher einen mit der Nockenwelle starr verbundenen Kugelträger, der das Schaltelement umgibt. Der Kugelträger weist eine Mehrzahl Öffnungen auf, in denen jeweils eine Kugel radial frei beweglich aufgenommen ist. Dabei werden die Kugeln von einer vom Schaltelement geformten Stützfläche radial gestützt. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst sie weiterhin ein mit dem ersten Verlagerungselement starr verbundenes Verriegelungselement, das mit einem Verriegelungsabschnitt versehen ist, der in zweiter Endstellung des ersten Verlagerungselements in Eingriff mit den Kugeln gelangt, beispielsweise indem er diese hintergreift, um hierdurch das erste Verlagerungselement an der Nockenwelle zu arretieren. Andererseits gelangt das Verriegelungselement in erster Endstellung des ersten Verlagerungselements nicht in Eingriff mit den Kugeln, so dass das erste Verlagerungselement nicht verriegelt ist. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist des Weiteren ein erstes Rückstellelement vorgesehen, das so angeordnet ist, dass das Schaltelement gegen die Kraft des ersten Rückstellelements durch den Aktuator von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung relativ zum Kugelträger verlagerbar ist. Das erste Rückstellelement ist beispielsweise als Federelement, insbesondere in Form einer Druckfeder, ausgebildet, wobei auch jeder andere geeignete Federtyp einsetzbar ist. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Stützfläche des Schaltelements mit zumindest einer den Kugeln zugeordneten Ausnehmung versehen, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Kugeln in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements in der Ausnehmung zumindest teilweise aufgenommen werden können, so dass der Verriegelungsabschnitt außer Eingriff mit den Kugeln gelangt und die Arretierung des ersten Verlagerungselements gelöst wird. Andererseits werden die Kugeln von der Ausnehmung der Stützfläche in der ersten Schaltstellung des Schaltelements nicht aufgenommen, so dass die Verriegelung des ersten Verlagerungselements beibehalten wird.
- Diese Maßnahmen ermöglichen eine technisch besonders einfache Realisierung des Verriegelungs- und Schaltmechanismus des aktiven Druckspeichers, wobei sich die Vorrichtung zur Druckversorgung durch ein besonders gutes Ansprechverhalten auszeichnet.
- In obiger Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn ein Stülpelement vorgesehen ist, das durch das erste Verlagerungselement gegen die Kraft eines zweiten Rückstellelements verlagerbar ist, wobei das Stülpelement so ausgebildet ist, dass es sich in der ersten Endstellung des ersten Verlagerungselements um die Kugeln zu deren radialen Lagesicherung stülpt und diese in der zweiten Endstellung freigibt. Durch das Stülpelement wird somit eine Verliersicherung für die Kugeln geschaffen, wenn diese nicht in Eingriff mit dem Verriegelungsabschnitt des ersten Verriegelungselements sind. Das zweite Rückstellelement ist beispielsweise als Federelement, insbesondere in Form einer Druckfeder, ausgebildet, wobei auch jeder andere geeignete Federtyp einsetzbar ist.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung ist diese mit einem die Nockenwelle nach außen hin verschließenden Verschlusselement versehen, an dem sich der erste Kraftspeicher des ersten Verlagerungselements abstützt. Das Verschlusselement kann dabei insbesondere zur Lagesicherung des Kraftspeichers dienen.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Druckquelle über ein in Richtung zur Druckquelle sperrendes Rückschlagventil mit dem Verbraucher und den beiden Vorratsräumen fluidleitend verbindbar bzw. verbunden.
- In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es von Vorteil sein, wenn sie an den Schmierölkreis der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, so dass Öl aus dem Schmierölkreis als Druckmittel verwendet wird.
- Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Brennkraftmaschine, die mit zumindest einer wie oben beschriebenen schaltbaren Vorrichtung zur Druckversorgung mindestens eines Verbrauchers ausgerüstet ist.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleich wirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
-
1 eine schematische Übersichtsdarstellung, anhand derer der Anschluss der Vorrichtung zur Druckversorgung von1 an den Schmierölkreis einer Brennkraftmaschine veranschaulicht ist; -
2 eine schematische Axialschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung; -
3 einen vergrößerten Ausschnitt von2 zur Veranschaulichung des aktiven Druckspeichers der Vorrichtung zur Druckversorgung mit verriegeltem Schaltelement; -
4 einen vergrößerten Ausschnitt von2 zur Veranschaulichung des aktiven Druckspeichers der Vorrichtung zur Druckversorgung mit frei gegebenem Schaltelement; -
5 einen vergrößerten Ausschnitt von2 zur Veranschaulichung des passiven Druckspeichers der Vorrichtung zur Druckversorgung mit frei gegebenem Schaltelement. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine veranschaulicht. Die insgesamt mit der Bezugszahl
1 bezeichnete Vorrichtung umfasst eine beispielsweise gebaute Nockenwelle2 , welche eine Mehrzahl Nocken69 aufweist und an den Lagerstellen70 um eine zentrale Drehachse7 drehbar gelagert ist. Gleichermaßen wäre jedoch auch denkbar, dass die Nockenwelle2 im Schmiedeverfahren hergestellt ist. - In die Nockenwelle
2 sind ein aktiver (schaltbarer) Druckspeicher85 und ein passiver Druckspeicher86 integriert. Der aktive Druckspeicher85 ist in3 und4 vergrößert dargestellt, wobei3 einem geladenen (gespannten) Zustand entspricht und4 eine Momentaufnahme während des Entspannungsvorgangs veranschaulicht. In5 ist der passive Druckspeicher86 in einem geladenen Zustand vergrößert dargestellt. Für eine Integration der beiden Druckspeicher85 ,86 ist in der Nockenwelle2 ein Hohlraum3 ausgespart. - Zur Formung des aktiven Druckspeichers
85 ist im Hohlraum3 ein in Form eines ersten Kolbens4 ausgebildetes erstes Verlagerungselement axial verschiebbar aufgenommen. Zudem ist ein in Form eines Stufenzylinders ausgebildeter Verschlusskörper5 in den Hohlraum3 der Nockenwelle2 eingepresst, der sich von einem Ende der Nockenwelle2 her in den Hohlraum3 hinein erstreckt. Dabei kann der Verschlusskörper5 in einen endständigen ersten Abschnitt8 mit einem größeren Durchmesser und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt9 mit einem kleineren Durchmesser unterteilt werden, wodurch sich eine Ringstufe10 ergibt. An der Ringstufe10 des Verschlusskörpers5 stützt sich eine als erster Kraftspeicher dienende erste Kraftspeicherfeder (Schraubendruckfeder)11 mit ihrem einen Ende ab, welche mit ihrem anderen Ende dem ersten Kolben4 anliegt. - Weiterhin ist der mit der Nockenwelle
2 fest verbundene Verschlusskörper5 mit einer zentralen Axialbohrung6 versehen, in der eine Schaltstange12 axial verschiebbar aufgenommen ist. Die Schaltstange12 kann durch einen an einem Ende der Nockenwelle2 angeordneten, elektromagnetischen Aktuator17 betätigt werden, wobei zu diesem Zweck ein Stößel19 an einer stirnseitigen Stoßfläche18 der Schaltstange12 angreift. Die Schaltstange12 ist Teil eines Schaltmechanismus zum Lösen eines Verriegelungsmechanismus für den ersten Kolben4 , welcher weiter unten näher erläutert wird. - Zur Formung des passiven Druckspeichers
86 ist im Hohlraum3 der Nockenwelle2 ein in Form eines zweiten Kolbens76 ausgebildetes zweites Verlagerungselement axial verschiebbar aufgenommen. Des Weiteren ist ein in Form eines Stufenzylinders ausgebildeter Stützkörper71 in den Hohlraum3 der Nockenwelle2 eingepresst. Er kann in einen ersten Abschnitt72 mit einem größeren Durchmesser und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt73 mit einem kleineren Durchmesser unterteilt werden, wodurch sich eine Ringstufe74 ergibt. An der Ringstufe74 des Stützkörpers71 stützt sich eine als zweiter Kraftspeicher dienende, zweite Kraftspeicherfeder (Schraubendruckfeder)76 mit ihrem einen Ende ab, welche mit ihrem anderen Ende dem zweiten Kolben76 anliegt. In einer zentralen Durchgangsbohrung77 des Stützkörpers71 ist ein Hohlrohr78 aufgenommen, auf dem der zweite Kolben76 axial verschiebbar gelagert ist. Über ein Dichtelement84 liegt der zweite Kolben76 reibungsarm der Wand14 des Hohlraums3 der Nockenwelle2 an, wobei das Dichtelement84 für eine öldichte Verbindung zwischen dem zweiten Kolben76 und der Wand14 sorgt. Weiterhin ist zwischen dem ersten Abschnitt72 des Stützkörpers71 und der Wand14 eine Ringdichtung29 vorgesehen. - Der erste Kolben
4 weist eine stirnseitige erste Druckfläche13 auf, die gemeinsam mit einer (Innen-)Wand14 des Hohlraums3 der Nockenwelle2 und einer dem ersten Kolben4 zugewandten Stirnfläche80 des Stützkörpers71 einen ersten Vorratsraum15 für Drucköl28 begrenzt. Durch eine Mehrzahl Ringdichtungen29 ist der erste Vorratsraum15 nach außen hin öldicht verschlossen. Andererseits weist der zweite Kolben76 eine stirnseitige zweite Druckfläche82 auf, die gemeinsam mit der Wand14 des Hohlraums3 der Nockenwelle2 und einer Auslaufsicherung16 einen zweiten Vorratsraum83 für Drucköl28 begrenzt. Dabei kommuniziert der erste Vorratsraum15 über den Hohlraum79 des Hohlrohrs78 mit dem zweiten Vorratsraum83 . - Gegenüberliegend zum Aktuator
17 ist ein hydraulischer Nockenwellenversteller21 beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Zentralschraube an der Stirnseite der Nockenwelle2 befestigt. Wie üblich umfasst der hydraulische Nockenwellenversteller21 ein über ein Antriebsrad mit der Kurbelwelle in Antriebsverbindung stehendes Antriebsteil und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil, sowie einen zwischen An- und Abtriebsteil geschalteten hydraulischen Stellantrieb, welcher das Drehmoment vom An- auf das Abtriebsteil überträgt und eine Verstellung und Fixierung der Drehlage zwischen diesen ermöglicht. Der hydraulische Stellantrieb ist mit wenigstens einem gegeneinander wirkenden Druckkammerpaar versehen, das gezielt mit Drucköl beaufschlagbar ist, um durch Erzeugen eines Druckgefälles über die beiden Druckkammern eine Änderung der Drehlage zwischen An- und Abtriebsteil herbeizuführen. Hydraulische Nockenwellenversteller als solche sind dem Fachmann wohlbekannt und beispielsweise in den DruckschriftenDE 20 2005 008 264 U1 ,EP 1596040 A2 ,DE 10 2005 013 141 A1 ,DE 19908934 A1 undWO 2006/039966 - In der Zentralschraube zur Befestigung des Nockenwellenverstellers
21 an der Nockenwelle2 ist ein nicht näher dargestelltes Steuerventil zur Steuerung der Ölströme angeordnet, durch das die Druckkammern des Nockenwellenverstellers21 über Ölpfade26 wahlfrei mit einer in Form einer Ölpumpe22 ausgebildeten Druck- bzw. Druckmittelquelle oder mit einem Öltank23 fluidleitend verbunden werden können. Derartige Steuerventile sind dem Fachmann als solche wohlbekannt und beispielsweise in dem deutschen PatentDE 19727180 C2 , dem deutschen PatentDE 19616973 C2 , der europäischen PatentanmeldungEP 1 596 041 A2 und der deutschen OffenlegungsschriftDE 102 39 207 A1 der Anmelderin eingehend beschrieben, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. - Wie
2 entnommen werden kann, ist der zweite Vorratsraum83 über eine Druckleitung24 mit der Ölpumpe22 fluidleitend verbunden. Die Druckleitung24 mündet dabei stromaufwärts der Auslaufsicherung16 in Druckkanäle68 , welche über das Steuerventil mit den Ölpfaden26 und mit dem zweiten Vorratsraum83 in fluidleitender Verbindung stehen. Somit sind sowohl die beiden Vorratsräume15 ,83 als auch der hydraulische Nockenwellenversteller21 über die Druckleitung24 mit der Ölpumpe22 fluidleitend verbunden. Ein in der Druckleitung24 angeordnetes Rückschlagventil25 , das in Richtung zur Ölpumpe22 sperrt, verhindert ein Rücklaufen von Drucköl bei verminderter bzw. fehlender Förderleistung der Ölpumpe22 . - In der Brennkraftmaschine sind weitere Verbraucher stromaufwärts des Rückschlagventils
25 an die Druckleitung24 angeschlossen, wie Abstützelemente27 und die Lagerstellen70 der Nockenwelle2 , welche mit Drucköl28 versorgt werden müssen. - Wird nun der erste Vorratsraum
15 und der zweite Vorratsraum83 , welche über das Hohlrohr78 miteinander kommunizieren, über die Druckleitung24 mit Drucköl beaufschlagt, kann der erste Kolben4 durch Druckbeaufschlagung des ersten Vorratsraums15 entgegen der Federkraft der ersten Kraftspeicherfeder11 und der zweite Kolben76 durch Druckbeaufschlagung des zweiten Vorratsraums83 entgegen der Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 verschoben werden. Das Drucköl28 passiert hierbei die Auslaufsicherung16 , die für druckbeaufschlagtes Drucköl28 durchlässig ist. Dabei wird der zweite Kolben76 von einer ersten Endlage, bei der er der Auslaufsicherung16 anliegt, in eine zweite Endlage, in der die zweite Kraftspeicherfeder76 gespannt bzw. bei Vorliegen einer Vorspannung stärker gespannt ist, verschoben. Weiterhin wird der erste Kolben4 von einer ersten Endlage, in der er dem Stützkörper71 anliegt, in eine zweite Endlage verschoben, in der die erste Kraftspeicherfeder11 gespannt bzw. bei Vorliegen einer Vorspannung stärker gespannt ist. - Die Federkraft der ersten Kraftspeicherfeder
11 ist größer als die Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 , so dass bei Druckbeaufschlagung der kommunizierenden Vorratsräume15 ,83 die zweite Kraftspeicherfeder76 vorrangig vor der ersten Kraftspeicherfeder11 komprimiert wird. Die Federkraft der ersten Kraftspeicherfeder11 kann beispielsweise in Bezug auf einen maximalen Öldruck im Zylinderkopf ausgelegt sein, während sich die Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 aus dem Kennfeld des hydraulischen Nockenwellenverstellers21 ergeben kann. - Im Unterschied zum zweiten Kolben
76 kann der erste Kolben4 in der zweiten Endlage durch einen Verriegelungsmechanismus arretiert werden. Der Verriegelungsmechanismus umfasst einen in einen hülsenförmigen Endabschnitt30 des Verschlusskörpers5 eingepressten hülsenförmigen Kugelträger31 , der eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordneter, radialer Bohrungen32 aufweist, in denen jeweils eine Kugel33 aufgenommen ist. Dabei haben die Bohrungen32 jeweils einen größeren Durchmesser als die Kugeln33 , so dass diese in den Bohrungen32 radial frei beweglich sind. Der Kugelträger31 ist auf seiner vom Verschlusskörper5 abgewandten Seite mit einer Stirnfläche58 versehen. - Weiterhin ist in einen Hohlraum
35 des Kugelträgers31 ein Hülsenkörper36 eingepresst, der mit einer vom ersten Kolben4 abgewandten, ersten Stirnfläche59 einem Absatz39 des Verschlusskörpers5 anliegt, wobei Öldichtigkeit durch eine dazwischen liegende Ringdichtung29 sichergestellt ist. Eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche60 des Hülsenkörpers36 formt einen Endanschlag für einen mit der Schaltstange12 starr verbundenen Schaltpin37 . - Eine Außenmantelfläche
41 des Schaltpins37 ist mit einer im Axialschnitt kugelschalenförmigen Ringnut38 versehen, die den Kugeln33 zugeordnet ist. An seinem vom Hülsenkörper36 abgewandten Ende ist der Schaltpin37 mit einem hülsenförmigen Endabschnitt42 versehen, in dem eine Rückstellfeder43 aufgenommen ist. Die Rückstellfeder43 stützt sich mit ihrem einen Ende an einer vom Schaltpin37 geformten Ringstufe46 und mit ihrem anderen Ende an einem Stempel44 ab. In der in3 dargestellten arretierten Position des ersten Kolbens4 liegt der Stempel44 einer Innenfläche34 des ersten Kolbens4 an. Durch einen Sprengring45 ist der Stempel44 gegen Herausfallen aus dem Endabschnitt42 des Schaltpins37 gesichert. - Weiterhin ist auf einer Außenmantelfläche
40 des Kugelträgers31 ein zumindest annähernd hülsenförmiger Stülpkörper47 axial bewegbar zum Kugelträger31 angeordnet. Der Stülpkörper47 wird von einer Stülpfeder49 , die hier beispielsweise als Druckfeder ausgebildet ist, beaufschlagt. Zu diesem Zweck stützt sich die Stülpfeder49 mit einem Ende an einer Stirnfläche62 des Verschlusskörpers5 und mit ihrem anderen Ende an einer Ringstufe48 des Stülpkörpers47 ab, so dass der Stülpkörper47 durch die Federkraft der Stülpfeder49 in Richtung des Schaltpins37 beaufschlagt wird. Der beispielsweise aus Stahlblech gefertigte Stülpkörper47 ist mit einem Stülpabschnitt50 versehen, der sich in der in3 gezeigten arretierten Position über die Kugeln33 stülpt und somit als Verliersicherung dient. Dagegen gibt der Stülpabschnitt50 in der in4 gezeigten nicht arretierten Position des Kolbens4 die Kugeln33 frei. - Der erste Kolben
4 ist mit einem hülsenförmigen Verriegelungskörper53 verbunden. Der Verriegelungskörper53 ist zu diesem Zweck mit einem radial abstehenden Kragen54 versehen, der durch die erste Kraftspeicherfeder11 gegen einen Absatz52 des ersten Kolbens4 gedrückt wird, so dass der Verriegelungskörper53 kraftschlüssig mit dem ersten Kolben4 verbunden ist. Der Verriegelungskörper53 weist einen Verriegelungsabschnitt55 mit einer radial nach innen gerichteten Ringwulst56 auf, durch die eine Vertiefung57 gebildet wird. - Werden nun die beiden Vorratsräume
15 ,83 mit Drucköl28 beaufschlagt, so wird der zweite Kolben76 über seine zweite Druckfläche82 gegen die Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 verschoben, bis der zweite Kolben76 schließlich zur Anlage gegen zweite Stirnfläche81 des Stützkörpers71 gelangt, die als Anschlag für den zweiten Kolben76 dient. Zudem wird der erste Kolben4 über seine Druckfläche13 gegen die Federkraft der ersten Kraftspeicherfeder11 verschoben. Dabei gelangt eine Stirnfläche61 des Verriegelungskörpers53 zur Anlage gegen eine erste Stirnfläche63 des Stützkörpers47 und verschiebt diesen gegen die Federkraft der Stülpfeder49 bis sich die Kugeln33 im Bereich der Vertiefung57 befinden. Zudem gelangt die Innenfläche34 des ersten Kolbens4 zur Anlage gegen eine Stirnfläche65 des Stempels44 , wodurch der Schaltpin37 in der gleichen Richtung wie der Kolben4 verschoben wird. Dabei werden die Kugeln33 aus der Ringnut38 des Schaltpins37 in die Vertiefung57 hinein gedrückt. Diese Bewegung der Kugeln33 wird durch die Fliehkraft der sich drehenden Nockenwelle2 unterstützt. Die Kugeln33 liegen dann der Außenmantelfläche41 des Schaltpins37 an, wobei die Ringwulst56 die Kugeln33 hintergreift. Eine vom Stempel44 abgewandte Stirnfläche66 des Schaltpins37 gelangt dabei zur Anlage gegen die zweite Stirnfläche60 des Hülsenkörpers36 , die somit als Anschlag für den Schaltpin37 dient. Über den Schaltpin37 wird die Schaltstange12 in der zentralen Axialbohrung6 des Verschlussstücks5 verschoben. Schließlich gelangt die Innenfläche34 des ersten Kolbens4 zur Anlage gegen die Stirnfläche58 des Kugelträgers31 , der somit als Anschlag für den ersten Kolben4 dient. - Fällt der Druck im Schmierkreis während des Betriebs der Brennkraftmaschine ab, kann der Nockenwellenversteller
21 durch den passiven Druckspeicher86 mit Druck versorgt werden, wobei der zweite Kolben76 durch die Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 verschoben und Drucköl28 des zweiten Vorratsraums83 durch die Auslaufsicherung16 in den Nockenwellenversteller21 gepresst wird. Fördert die Ölpumpe22 ausreichend Drucköl28 , wird der passive Druckspeicher86 wieder geladen, indem der zweite Kolben76 entgegen der Federkraft der zweiten Kraftspeicherfeder76 verschoben wird. Die Auslaufsicherung16 umfasst hier beispielsweise drei drehfest miteinander verbundene Scheiben51 , die jeweils mit einer exzentrischen Bohrung versehen sind, wobei die drei Bohrungen jeweils um 120° zueinander versetzt sind. Zwischen den Scheiben51 sind jeweils Hohlräume, die einen Weitertransport des Drucköls28 ermöglichen. Dies erlaubt druckbeaufschlagtem Drucköl28 die Auslaufsicherung16 zu passieren und sperrt den Durchtritt von lediglich atmosphärischem bzw. hydrostatischem Druck ausgesetztem Drucköl28 . - Zusätzlich oder alternativ kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine oder während des Starts der Brennkraftmaschine der geladene aktive Druckspeicher
85 entladen werden. Zu diesem Zweck kann der verriegelte erste Kolben4 durch einen im Weiteren erläuterten Schaltmechanismus gelöst werden. Der erste Kolben4 kann entriegelt werden, indem die Schaltstange12 durch den an der Stoßfläche18 angreifenden Stößel19 gegen die Kraft der Rückstellfeder43 bewegt wird. Der Stößel19 ist an einem Magnetanker eines Elektromagneten20 des Aktuators17 starr befestigt und kann durch Bestromen des Magnetankers axial verschoben werden. Wird der Magnetanker nicht bestromt, wird die Schaltstange12 durch die Federkraft der Rückstellfeder43 rückgestellt. Zum Lösen der Arretierung werden die Schaltstange12 und der Schaltpin37 , welcher der Schaltstange12 anliegt, durch Einwirken des Stößels19 verschoben bis sich die Ringnut38 in Überdeckung mit den Bohrungen32 des Kugelträgers31 befindet. Dies hat zur Folge, dass die Kugeln33 in die Ringnut38 eintauchen, so dass die Ringwulst56 die Kugeln33 nicht mehr hintergreift bzw. die Kugeln33 aus der Vertiefung57 gelangen. Der Verriegelungsabschnitt53 des Verriegelungselements53 verliert somit seinen Eingriff mit den Kugeln33 , wodurch die Arretierung des ersten Kolbens4 gelöst wird. - Der erste Kolben
4 wird dann durch die Federkraft der ersten Kraftspeicherfeder11 verschoben und das im ersten Vorratsraum15 enthalte Drucköl28 wird über das Hohlrohr78 und die Auslaufsicherung16 zum Nockenwellenversteller21 ausgestoßen. Das Rückschlagventil25 verhindert, dass Drucköl28 zur Ölpumpe22 und den anderen Verbrauchern geleitet wird. Gleichzeitig wird der Stülpkörper47 durch die Federkraft der Stülpfeder49 verschoben, wobei sich der Stülpabschnitt50 über die Kugeln33 stülpt. Beim Verschieben des ersten Kolbens4 durch die erste Kraftspeicherfeder11 bildet die erste Stirnfläche80 des Stützkörpers71 einen Anschlag für den ersten Kolben4 . - Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit eine zuverlässige Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine, wobei durch den in die Nockenwelle integrierten aktiven (schaltbaren) Druckspeicher und den passiven Druckspeicher Drucköl unabhängig von der Ölversorgung der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. So können Verbraucher, wie der im Ausführungsbeispiel gezeigte hydraulische Nockenwellenversteller, auch dann mit Drucköl versorgt werden, wenn die motorseitige Ölversorgung nicht ausreicht. Wenn während des Betriebs der Brennkraftmaschine der Öldruck abfällt, beispielsweise im Zustand des Heißleerlaufs, bei dem typischer Weise sehr heißes Drucköl in Verbindung mit einer geringen Fördermenge der Ölpumpe zu einem Absinken des Öldrucks führt, können Verbraucher, wie der hydraulische Nockenwellenversteller, über den passiven Druckspeicher einfach und zuverlässig mit Drucköl versorgt werden. Dies kann auch dazu beitragen, die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers zu verbessern. Da die Ölpumpe andererseits nach dem Start der Brennkraftmaschine eine gewisse Zeit braucht um den erforderlichen Öldruck aufzubauen, kann durch den geladenen aktiven Druckspeicher sofort nach dem Start der Brennkraftmaschine eine Verstellung des Nockenwellenverstellers in Basisposition (Spät-, Mitten-, Frühstellung) erfolgen, was besonders geeignet in Verbindung mit Start/Stopp-Systemen ist. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann somit vornehmlich der passive Druckspeicher eingesetzt werden, um Öldruckschwankungen in Verbrauchern, wie dem hydraulischen Nockenwellenversteller auszugleichen. Der aktive Druckspeicher wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine aufgeladen, und kann bei Start der Brennkraftmaschine entladen werden, um den hydraulischen Nockenwellenversteller mit Öldruck zu versorgen und das Zeitintervall bis zur Verstellung des Nockenwellenverstellers durch die Ölpumpe zu verkürzen. Gleichermaßen ist es jedoch auch möglich, dass der aktive Druckspeicher während des Betriebs der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Die Anordnung des aktiven und passiven Druckspeichers in einem Hohlraum der Nockenwelle ergibt einen Bauraumvorteil gegenüber externen Druckspeichern.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Nockenwelle
- 3
- Hohlraum der Nockenwelle
- 4
- erster Kolben
- 5
- Verschlusskörper
- 6
- Axialbohrung
- 7
- Drehachse
- 8
- erster Abschnitt des Verschlusskörpers
- 9
- zweiter Abschnitt des Verschlusskörpers
- 10
- Ringstufe des Verschlusskörpers
- 11
- erste Kraftspeicherfeder
- 12
- Schaltstange
- 13
- erste Druckfläche
- 14
- Wand
- 15
- Vorratsraum
- 16
- Auslaufsicherung
- 17
- Aktuator
- 18
- Stoßfläche
- 19
- Stößel
- 20
- Elektromagnet
- 21
- Nockenwellenversteller
- 22
- Ölpumpe
- 23
- Öltank
- 24
- Druckleitung
- 25
- Rückschlagventil
- 26
- Ölpfad
- 27
- Abstützelement
- 28
- Drucköl
- 29
- Ringdichtung
- 30
- Endabschnitt des Verschlusskörpers
- 31
- Kugelträger
- 32
- Bohrung
- 33
- Kugel
- 34
- Innenfläche
- 35
- Hohlraum des Kugelträgers
- 36
- Hülsenkörper
- 37
- Schaltpin
- 38
- Ringnut
- 39
- Absatz des Verschlusskörpers
- 40
- Außenmantelfläche des Kugelträgers
- 41
- Außenmantelfläche des Schaltpins
- 42
- Endabschnitt des Schaltpins
- 43
- Rückstellfeder
- 44
- Stempel
- 45
- Sprengring
- 46
- Ringstufe des Schaltpins
- 47
- Stülpkörper
- 48
- Ringstufe des Stülpkörpers
- 49
- Stülpfeder
- 50
- Stülpabschnitt
- 51
- Scheibe
- 52
- Absatz des Kolbens
- 53
- Verriegelungskörper
- 54
- Kragen
- 55
- Verriegelungsabschnitt
- 56
- Ringwulst
- 57
- Vertiefung
- 58
- Stirnfläche des Kugelträgers
- 59
- erste Stirnfläche des Hülsenkörpers
- 60
- zweite Stirnfläche des Hülsenkörpers
- 61
- Stirnfläche des Verriegelungskörpers
- 62
- Stirnfläche des Verschlusskörpers
- 63
- erste Stirnfläche des Stülpkörpers
- 64
- zweite Stirnfläche des Stülpkörpers
- 65
- Stirnfläche des Stempels
- 66
- Stirnfläche des Schaltpins
- 67
- Verbindungsraum
- 68
- Druckkanal
- 69
- Nocken
- 70
- Lagerstelle
- 71
- Stützkörper
- 72
- erster Abschnitt des Stützkörpers
- 73
- zweiter Abschnitt des Stützkörpers
- 74
- Ringstufe des Stützkörpers
- 75
- zweite Kraftspeicherfeder
- 76
- zweiter Kolben
- 77
- Durchgangsbohrung
- 78
- Hohlrohr
- 79
- Hohlraum des Hohlrohrs
- 80
- erste Stirnfläche des Stützkörpers
- 81
- zweite Stirnfläche des Stützkörpers
- 82
- zweite Druckfläche
- 83
- zweiter Vorratsraum
- 84
- Dichtelement
- 85
- aktiver Druckspeicher
- 86
- passiver Druckspeicher
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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Claims (15)
- Schaltbare Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung mindestes eines Verbrauchers (21 ,27 ,70 ) einer Brennkraftmaschine, welche umfasst: einen innerhalb einer Nockenwelle (2 ) geformten Hohlraum (3 ), ein im Hohlraum (2 ) angeordnetes erstes Verlagerungselement (4 ), das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist, wobei das erste Verlagerungselement (4 ) mit einer ersten Druckfläche (13 ) versehen ist, die gemeinsam mit der Wand (14 ) des Hohlraums (2 ) einen ersten Vorratsraum (15 ) zumindest teilweise begrenzt, einen mit dem ersten Verlagerungselement (4 ) zusammenwirkenden ersten Kraftspeicher (11 ), wobei das erste Verlagerungselement (4 ) durch Druckbeaufschlagung des ersten Vorratsraums (15 ) gegen die Kraft des ersten Kraftspeichers (11 ) von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagerbar ist, einen Verriegelungsmechanismus, durch den das erste Verlagerungselement (4 ) in der zweiten Endstellung verriegelbar ist, einen durch einen Aktuator (17 ) betätigten Schaltmechanismus mit einem in wenigstens zwei Schaltstellungen bringbaren Schaltelement (12 ,37 ), das mit dem Verriegelungsmechanismus so zusammenwirkt, dass die Verriegelung des ersten Verlagerungselements (4 ) in einer ersten Schaltstellung beibehalten und in einer zweiten Schaltstellung gelöst wird, ein im Hohlraum (3 ) angeordnetes zweites Verlagerungselement (76 ), das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist, wobei das zweite Verlagerungselement (76 ) mit einer zweiten Druckfläche (82 ) versehen ist, die gemeinsam mit der Wand (14 ) des Hohlraums (2 ) einen zweiten Vorratsraum (83 ) zumindest teilweise begrenzt, einen mit dem zweiten Verlagerungselement (76 ) zusammenwirkenden zweiten Kraftspeicher (75 ), wobei das zweite Verlagerungselement (76 ) durch Druckbeaufschlagung des zweiten Vorratsraums gegen die Kraft des zweiten Kraftspeichers (75 ) von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagerbar ist, wobei der erste Vorratsraum (15 ) und der zweite Vorratsraum (83 ) miteinander kommunizieren und mit einer Druckquelle (22 ) fluidleitend verbindbar sind. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vorratsraum (83 ) zwischen dem ersten Vorratsraum (15 ) und dem Verbraucher (21 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vorratsraum (83 ) über eine bei vorhandener Druckbeaufschlagung durchlässige und bei fehlender Druckbeaufschlagung sperrende Auslaufsicherung (16 ) für Druckmittel mit dem Verbraucher (21 ,27 ,70 ) und der Druckquelle (22 ) fluidleitend verbindbar ist. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufsicherung (16 ) als Anschlag für das zweite Verlagerungselement (76 ) in der ersten Endstellung dient. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein mit der Nockenwelle (2 ) starr verbundenes Stützelement (71 ) umfasst, an dem sich der zweite Kraftspeicher (75 ) des zweiten Verlagerungselements (76 ) abstützt. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (71 ) als Anschlag für das erste Verlagerungselement (4 ) in der ersten Endstellung dient. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Durchgangsöffnung (77 ) des Stützelements (71 ) ein das zweite Verlagerungselement (76 ) führendes hohles Führungselement (78 ) aufgenommen ist, über dessen Hohlraum (79 ) die beiden Vorratsräume (15 ,83 ) miteinander kommunizieren. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch: einen mit der Nockenwelle (2 ) starr verbundenen Kugelträger (31 ), der das Schaltelement (12 ,37 ) umgibt, wobei der Kugelträger (31 ) eine Mehrzahl Öffnungen (32 ) aufweist, in denen jeweils eine Kugel (33 ) radial beweglich aufgenommen ist, die von einer vom Schaltelement (37 ) geformten Stützfläche (41 ) radial gestützt ist, ein mit dem ersten Verlagerungselement (4 ) starr verbundenes Verriegelungselement (53 ), das mit einem Verriegelungsabschnitt (55 ) versehen ist, der zur Arretierung des ersten Verlagerungselements (4 ) in zweiter Endstellung in Eingriff mit den Kugeln (33 ) gelangt, wobei das Schaltelement (12 ,37 ) gegen die Kraft eines ersten Rückstellelements (43 ) durch den Aktuator (17 ) von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung relativ zum Kugelträger (31 ) verlagerbar ist, wobei die Stützfläche (41 ) des Schaltelements (37 ) mit wenigstens einer Ausnehmung (38 ) versehen ist, derart, dass die Kugeln (33 ) in der zweiten Schaltstellung zumindest teilweise von der Ausnehmung (38 ) aufgenommen werden können, so dass der Verriegelungsabschnitt (55 ) außer Eingriff mit den Kugeln (33 ) gelangt. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Stülpelement (47 ), das durch das erste Verlagerungselement (4 ) gegen die Kraft eines zweiten Rückstellelements (49 ) verlagerbar ist, wobei das Stülpelement (47 ) so ausgebildet ist, dass es die Kugeln (33 ) in der ersten Endstellung des ersten Verlagerungselements (4 ) umstülpt und in der zweiten Endstellung freigibt. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Verschlusselement (5 ), an dem sich der erste Kraftspeicher (11 ) des ersten Verlagerungselements (4 ) abstützt. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelträger (31 ) mit dem Verschlusselement (5 ) starr verbunden ist. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftspeicher (11 ,75 ) jeweils als Federelement ausgebildet sind. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (22 ) über mindestens ein in Richtung Druckquelle sperrendes Rückschlagventil (25 ) mit den beiden Vorratsräumen (15 ,83 ) fluidleitend verbindbar ist. - Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Öl aus dem Schmierölkreis als Druckmittel verwendet wird. - Brennkraftmaschine, mit zumindest einer schaltbaren Vorrichtung (
1 ) zur Druckversorgung eines Verbrauchers nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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