DE102010005604A1

DE102010005604A1 - Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010005604A1
Application number: DE201010005604
Authority: DE
Inventors: Michael 91074 Busse; Rüdiger 96114 Herzog
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammern (4a, 4b), einer Druckmittelpumpe, einem Druckmittelreservoir und einem Mehrwegeventil (7) umfassend ein Gehäuse (12) mit mehreren den Arbeitskammern (4a, 4b), der Druckmittelpumpe und dem Druckmittelreservoir zugeordneten Öffnungen (18, 19, 20, 21, 22), durch die eine Zu- und/oder Abströmung eines Druckmittels ermöglicht ist, einem Ventilkörper (11), der in dem Gehäuse (12) zwischen zwei Endstellungen (S1, S2) verschiebbar geführt ist, und in Abhängigkeit von der Stellung mit an dem Gehäuse (12) anliegenden Steuerkanten (23, 24, 25, 26, 27, 28) den Durchfluss des Druckmittels durch die Öffnungen (18, 19, 20, 21, 22) in dem Gehäuse (12) sperrt oder ermöglicht, und einem in dem Ventilkörper (11) angeordneten einen Durchfluss (V1, V2) des Druckmittels in zwei unterschiedliche Richtungen ermöglichenden Doppelrückschlagventil (13), wobei die Steuerkanten (23, 24, 25, 26, 27, 28) derart angeordnet sind, dass in den Endstellungen (S1‚ S5) des Ventilkörpers (11) der Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe und zu einer ersten Arbeitskammer (4a, 4b), und durch das Doppelrückschlagventil (13) ein Durchfluss des Druckmittels von einer zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeitskammer (4a, 4b) zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Systeme zur Verstellung des Winkels einer Nockenwelle von einer Brennkraftmaschine. Ein bewährtes System basiert auf dem Flügelzellenprinzip, beim dem ein Rotor mit radial sich erstreckenden Flügeln in einem Stator angeordnet ist und mit den Flügeln vorhandene Kammern in dem Stator in jeweils zwei gegenüberliegende Arbeitskammern unterteilt. Die Arbeitskammern sind über ein Hydrauliksystem mit einem Druckmittel beaufschlagbar, wobei bei einer Druckbeaufschlagung einer Arbeitskammer das Druckmittel aus der gegenüberliegenden Arbeitskammer verdrängt wird. In Abhängigkeit von der Druckbeaufschlagung der Arbeitskammern wird der Rotor dann gegenüber dem Stator in eine Drehrichtung verstellt. Da der Rotor mit der Nockenwelle und der Stator mit der Kurbelwelle verbunden ist, ändert sich dabei auch der Drehwinkel der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle. Zur Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle können entweder die auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomente genutzt werden, wobei das Druckmittel aus einer Arbeitskammer durch die auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomente in die jeweils andere Arbeitskammer verdrängt wird, dieser Vorgang wird auch als CTA-Camshaft Torque Actuated bezeichnet. Alternativ kann die Arbeitskammer auch durch eine externe Druckmittelzufuhr mit einem Druck beaufschlagt und das Druckmittel aus der gegenüberliegenden Arbeitskammer in ein Druckmittelreservoir abgeführt werden, dieser Vorgang wird auch als OPA-Oil Pressure Actuated bezeichnet. Der Vorteil des CTA ist darin zu sehen, dass zur Verstellung der Nockenwelle nur ein sehr geringer von extern zugeführter Druckmittelstrom benötigt wird, während das OPA eine gute Regelbarkeit insbesondere auch bei kleinen Verstellsprüngen mit kleinen Verstellgeschwindigkeiten bietet, dafür aber einen verhältnismäßig großen über eine Druckmittelpumpe extern zugeführten Druckmittelstrom erfordert. Der wesentlich geringere von extern zugeführte Druckmittelstrom bei der Verstellung nach dem CTA Prinzip wird ausschließlich zum Ausgleich der inneren Leckage zwischen den Arbeitskammern in dem Versteller benötigt, da zur Volumenvergrößerung und Verkleinerung der Arbeitskammern das Druckmittel aus einer Arbeitskammer in die jeweils andere Arbeitskammer verdrängt wird. Außerdem können mittels einer Verstellung nach dem CTA Prinzip bei großen auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomenten wesentlich höhere Verstellgeschwindigkeiten erzielt werden, als dies mit einer Verstellung nach dem OPA Prinzip möglich ist. Bei niedrigen Wechselmomenten können dagegen mit einer Verstellung nach dem OPA Prinzip höhere Verstellgeschwindigkeiten erzielt werden. Ein geringer Druckmittelstrom ist im Allgemeinen aber erstrebenswert, da das Hydrauliksystem damit insgesamt kleiner ausgeführt werden kann.
Aus der DE 10 2006 045 005 A1 ist eine gattungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung bekannt, mittels derer die Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle verstellbar ist. Die dort beschriebene Nockenwellenverstelleinrichtung weist ein Hydrauliksystem mit einem Mehrwegeventil zur Druckbeaufschlagung von mehreren Arbeitskammern auf, bei dem in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers in dem Mehrwegeventil die Arbeitskammern unterschiedlich mit einem Druck beaufschlagt und die Nockenwelle daraufhin in die unterschiedlichen Drehrichtungen gegenüber der Kurbelwelle verstellt wird. Ferner ist in dem Ventilkörper des Mehrwegeventils ein Rückschlagventil mit zwei federbelasteten Ventilkörpern vorgesehen, durch das in bestimmten Stellungen des Ventilkörpers eine Strömungsverbindung zwischen den Arbeitskammern geschaffen wird. Aufgrund des vorgesehenen Rückschlagventils in Verbindung mit dem Mehrwegeventil kann der Rotor in den Endlagen des Ventilkörpers nach dem OPA Prinzip und in den Mittellagen nach dem CTA Prinzip verstellt werden. Nachteilig bei einer solchen Art der Verstellung ist, dass die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle in den Mittellagen des Ventilkörpers zwar verhältnismäßig hoch ist, aber zu den Endlagen des Ventilkörpers hin wieder abnimmt. Insgesamt können sich dadurch Probleme hinsichtlich der Verstellgenauigkeit und der Verstellgeschwindigkeit auf einen vorbestimmten Rotor- bzw. Nockenwellendrehwinkel ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nockenwellenverstelleinrichtung zu schaffen, welche eine Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle mit einer möglichst hohen Verstellgenauigkeit bei einer hohen Verstellgeschwindigkeit ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Steuerkanten derart angeordnet sind, dass in den Endstellungen des Ventilkörpers der Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe und zu einer ersten Arbeitskammer, und durch das Doppelrückschlagventil ein Durchfluss des Druckmittels von einer zu der ersten Arbeitskammer entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeitskammer zu der ersten Arbeitskammer ermöglicht ist. Der Vorteil, der sich aus der erfindungsgemäßen Lösung ergibt, besteht darin, dass in den Endstellungen des Ventilkörpers bewusst ein Durchfluss des Druckmittels sowohl von der Druckmittelpumpe als auch von der entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammer in die mit Druckmittel beaufschlagte Arbeitskammer geschaffen ist, so dass die Verstellung der Nockenwelle in den Endstellungen des Ventilkörpers mit einer besonders hohen Geschwindigkeit bzw. mit einem besonders hohen Druckmittelstrom erfolgt, wobei der erforderliche Volumenstrom des von der Druckmittelpumpe extern zugeführten Druckmittels durch den Zufluss des Druckmittels von der entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammer deutlich reduziert ist. Die Nockenwellenverstelleinrichtung arbeitet demnach in den Endstellungen des Ventilkörpers nach einer Kombination des OPA und des CTA Prinzips, und benötigt trotz des hohen in die mit Druckmittel beaufschlagte Arbeitskammer zugeführten Volumenstromes an Druckmittel nur einen geringen über eine Druckmittelpumpe zuzuführenden Druckmittelstrom. Da die Nockenwellenverstelleinrichtung aber auch in diesem Bereich zu einem Teil nach dem OPA Prinzip arbeitet, ist trotz der hohen Verstellgeschwindigkeit dennoch eine hohe Verstellgenauigkeit gegeben. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verstellung ergibt sich bei einer Verstellung der Nockenwelle bei einem Start der Brennkraftmaschine, bei der die Nockenwelle aus einer Anschlagstellung des Rotors an dem Stator möglichst schnell in eine für die Brennkraftmaschine optimale Drehlage verstellt werden soll.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Steuerkanten derart angeordnet sind, dass sie wenigstens in einer Zwischenstellung des Ventilkörpers zwischen den Endstellungen einen Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe zu der ersten Arbeitskammer und von einer zu der ersten Arbeitskammer entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeitskammer zu dem Druckmittelreservoir ermöglichen. Durch die geschaffene Abströmung des Druckmittels in das Druckmittelreservoir aus der zweiten Arbeitskammer und den Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe in die erste Arbeitskammer ist ein Bereich geschaffen, in dem die Nockenwellenverstelleinrichtung in der Stellung des Ventilkörpers zwischen den Endlagen nach dem OPA Prinzip arbeitet, so dass der Drehwinkel der Nockenwelle in diesem Bereich mit einer sehr hohen Verstellgenauigkeit verstellt werden kann. Für den Fall, dass die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle wieder erhöht werden soll, muss der Ventilkörper dann nur wieder in die jeweilige Endstellung bewegt werden. Da die Verstellung der Nockenwelle nur in einem begrenzten Bereich allein nach dem OPA Prinzip erfolgt, und zwar in einem Zwischenbereich, in dem nur ein geringer Volumenstrom des Druckmittels erforderlich ist, müssen die Druckmittelpumpe und das Hydrauliksystem auch nur für diesen Druckmittelstrom bemessen werden und können dadurch wesentlich kleiner ausgeführt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Doppelrückschlagventil durch zwei Ventilhälften zusammengesetzt ist, zwischen denen eine einen Durchfluss des Druckmittels in unterschiedliche Richtungen ermöglichende Ventileinrichtung angeordnet ist. Durch die vorgeschlagene Lösung kann eine Ventileinrichtung für beide Durchflussrichtungen des Druckmittels verwendet werden, wodurch sowohl die Kosten für die Herstellung als auch für den Zusammenbau der Nockenwellenverstelleinrichtung gesenkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dadurch verwirklicht werden, indem in den Ventilhälften jeweils zwei getrennte Druckmittelkanäle vorgesehen sind, die sich beim Zusammensetzen der Ventilhälften zu zwei Druckmittelkanälen ergänzen. Das Doppelrückschlagventil umfasst damit sowohl die Druckmittelkanäle als auch die Ventileinrichtungen, kann also als fertig vormontiertes Zusammenbauteil in dem Ventilkörper angeordnet werden.
Eine einfache Gestaltung der Druckmittelkanäle kann dadurch erzielt werden, indem das Doppelrückschlagventil einen durch ein Hohlprofil gebildeten Grundkörper aufweist, und die Druckmittelkanäle durch eine Unterteilung des Hohlprofils mit einem Mittelsteg gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Druckmittelkanäle sehr einfach und kostengünstig herzustellen sind. Ein weiterer sich aus der Lösung ergebender Vorteil ist darin zu sehen, dass der Mittelsteg nicht nur die Druckmittelkanäle voneinander trennt, sondern auch zur Versteifung des Hohlprofils dient.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Ventileinrichtung durch eine zwischen den Ventilhälften eingespannte Membran gebildet ist. Die vorgeschlagene Membran ist sehr kostengünstig in großen Stückzahlen herzustellen, und weist bereits wesentliche erforderliche Merkmale auf, wie z. B. Elastizität und Dichtheit, welche für die Funktionsfähigkeit der Ventileinrichtung wichtig sind.
In diesem Fall wird weiter vorgeschlagen, dass die Membran zwei Abschnitte aufweist, mit denen sie jeweils einseitig und auf unterschiedlichen Seiten an den Ventilhälften an einer Unterstützungsfläche anliegt. Dadurch kann sich die Membran mit den Abschnitten nur in vorbestimmte Richtungen bewegen, welche letztlich die Durchflussrichtung des Druckmittels darstellen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Membran an einer der Ventilhälften über zwei in die Membran hineinragende Stifte verdrehgesichert gehalten ist. Durch die Sicherung der Membran über die Stifte ist diese an einer der Ventilhälften vorfixiert und kann in dem Montageprozess nicht mehr verrutschen oder sich verdrehen.
Ferner sollte das Doppelrückschlagventil eine mechanische Codierung zur Verbindung der Ventilhälften in einer vorbestimmten Ausrichtung aufweisen, so dass sie bei der Montage nicht in einer falschen Ausrichtung zusammengesetzt werden können.
Ein einfacher konstruktiver Aufbau kann dadurch erzielt werden, indem der Ventilkörper rohrförmig ausgebildet ist, und das Doppelrückschlagventil durch einen in dem Ventilkörper angeordneten zylindrischen Einsatz gebildet ist.
Damit das Doppelrückschlagventil nach der Montage auch während des Betriebes der Nockenwellenverstelleinrichtung in der vorbestimmten Ausrichtung verbleibt, sollte es in den Ventilkörper verschiebefest eingepresst sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Figuren sind im Einzelnen zu erkennen:
1: Mehrwegeventil mit Doppelrückschlagventil
2: Doppelrückschlagventil
3a, b: Doppelrückschlagventil in zwei verschiedenen perspektivischen Ansichten
4: Doppelrückschlagventil mit zwei Ventilhälften vor dem Zusammenbau
5: Mehrwegeventil aus 1 mit Ventilkörper in der Endstellung S1
6: Mehrwegeventil aus 1 mit Ventilkörper in der Zwischenstellung S2
7: Mehrwegeventil aus 1 mit Ventilkörper in der Mittelstellung S3
8: Mehrwegeventil aus 1 mit Ventilkörper in der Zwischenstellung S4
9: Mehrwegeventil aus 1 mit Ventilkörper in der Endstellung S5
10: Öffnungs- und Schließzustände der Strömungsverbindungen zwischen den Druckmittelleitungen entlang des Verschiebeweges des Ventilkörpers
11: Kennlinie des in die Arbeitskammern zugeführten Druckmittelstromes über dem Erregerstrom des Aktuators
12: Nockenwellenversteller nach dem Flügelzellenprinzip mit einem über Druckmittelleitungen mit den Arbeitskammern verbundenen Mehrwegeventil
In der 12 ist eine druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Mehrwegeventil 7, einem mit einer Nockenwelle 1 verbundenen Flügelzellenrotor 2 und einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antreibbaren Stator 3 zu erkennen. Der Stator 3 stützt sich mit radial nach innen gerichteten Vorsprüngen 6 auf dem Flügelzellenrotor 2 ab und unterteilt dadurch den Ringraum zwischen dem Flügelzellenrotor 2 und dem Stator 3 in mehrere voneinander getrennte Hohlräume 4. Die Hohlräume 4 werden durch die in die Hohlräume 4 hineinragenden Flügel 5 des Flügelzellenrotors 2 in jeweils zwei entgegengesetzt wirkende Arbeitskammern 4a und 4b unterteilt, welche über zu dem Mehrwegeventil 7 führende Druckmittelleitungen A und B mit Druckmittel beaufschlagbar sind. Durch die Druckmittelzufuhr zu einer der Arbeitskammern 4a oder 4b über die Druckmittelleitungen A oder B wird deren Volumen vergrößert, und das Volumen der jeweils auf der anderen Seite des Flügels 5 befindlichen Arbeitskammer 4a oder 4b entsprechend verkleinert; die Arbeitskammern 4a und 4b wirken dementsprechend entgegengerichtet. Je nach der Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer 4a oder 4b wird dann die Drehwinkellage des Flügelzellenrotors 2 und damit der Nockenwelle 1 gegenüber dem Stator 3 und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in unterschiedliche Richtungen verstellt. Das Mehrwegeventil 7 ist ferner mit zwei Druckmittelleitungen T1 und T2 versehen, über die das Druckmittel in ein Druckmittelreservoir ablassbar ist. Ferner ist das Mehrwegeventil 7 über eine Druckmittelleitung P mit einer Druckmittelpumpe verbunden, über die das Druckmittel aus dem Druckmittelreservoir wieder zuführbar ist. Zur Verstellung des Mehrwegeventils 7 ist dieses mit einem elektrisch betätigbaren Aktuator 8 versehen, welcher extern angesteuert wird.
In der 1 ist das Mehrwegeventil 7 geschnitten zu erkennen. Das Mehrwegeventil 7 ist mit einem Gehäuse 12 versehen, in dem mehrere Öffnungen 18, 19, 20, 21 und 22 vorgesehen sind, an die die Druckmittelleitungen T1, A, P, B und T2 angeschlossen sind. In der Druckmittelleitung P ist ein Rückschlagventil vorgesehen, so dass das Druckmittel durch die Druckmittelleitung P ausschließlich zuströmen kann. Ferner sind an dem Gehäuse 12 ein Flansch 9 und eine Dichtung 10 vorgesehen, mittels derer das Mehrwegeventil 7 an der Brennkraftmaschine gedichtet befestigbar ist.
In dem rohrförmigen Gehäuse 12 ist ein Ventilkörper 11 verschieblich geführt, der mit dem elektrisch betätigbaren Aktuator 8 in Verschieberichtung kraftschlüssig verbunden ist. Der Ventilkörper 11 wird über eine sich über einen Federteller 15 und einen Sicherungsring 16 an dem Gehäuse 12 abstützende Druckfeder 43 federbelastet, so dass der Ventilkörper 11 bei deaktiviertem Aktuator 8 in eine Endstellung S1 gedrängt wird, in der der Ventilkörper 11 an der inneren dem Aktuator 8 zugewandten Wandung des Gehäuses 12 anliegt, wie z. B. in der 1 oder 5 zu erkennen ist. Zur Ankoppelung der Druckfeder 43 an den Ventilkörper 11 ist ein Koppelstück 17 vorgesehen, welches mit einer Seite in den rohrförmigen Ventilkörper 11 und mit der anderen Seite in die schraubenförmige Druckfeder 43 eingeführt ist.
In dem Ventilkörper 11 ist ferner ein Doppelrückschlagventil 13 verschiebefest eingepresst, so dass es auch bei einer Druckbeaufschlagung durch das Druckmittel nicht verschoben wird. An seiner Radialaußenseite ist der Ventilkörper 11 mit Steuerkanten 23, 24, 25, 26, 27 und 28 versehen, die an der Innenseite des Gehäuses 12 im Wesentlichen druckmitteldicht anliegen.
In den 2, 3a, 3b und 4 ist das Doppelrückschlagventil 13 vergrößert zu erkennen. Das Doppelrückschlagventil 13 weist zwei Ventilhälften 29 und 30 auf, zwischen denen eine Ventileinrichtung 14 in Form einer Membran eingeklemmt ist. Die Membran ist mit zwei Öffnungen 42 versehen, mit denen diese auf zwei an der Ventilhälfte 30 vorgesehene Stifte 41 aufgesteckt wird. Einerseits bilden die Stifte 41 eine mechanische Codierung, die eine Anordnung der Membran nur in einer vorbestimmten Stellung ermöglichen, und andererseits bilden die Stifte 41 eine Vorfixierung der Membran für die Montage und eine Verdrehsicherung für die Membran im eingebauten Zustand. In den Ventilhälften 29 und 30 sind jeweils zwei Druckmittelkanäle 31 und 34 und 32 und 33 vorgesehen, welche sich beim Zusammensetzen der Ventilhälften 29 und 30 zu durchgehenden Druckmittelkanälen ergänzen. Die Druckmittelkanäle 31 und 34 und 32 und 33 sind dadurch gebildet, indem die rohrförmigen Ventilhälften 29 und 30 jeweils durch einen Mittelsteg 37 und 38 unterteilt sind. Die Mittelstege 37 und 38 haben daneben die Aufgabe, die Ventilhälften 29 und 30 zu versteifen und als Klemmfläche für die Membran zu wirken. Ferner sind an den Ventilhälften 29 und 30 jeweils zwischen den Mittelstegen 37 und 38 und dem Rand der Ventilhälften 29 und 30 Unterstützungsflächen 39 und 40 in Form von Verbindungsstreben vorgesehen, welche die Membran einseitig gegenüber den Druckmittelkanälen 31 und 33 unterstützen und verhindern, dass sich die daran anliegenden Abschnitte der Membran bei einer Druckbeaufschlagung der Druckmittelkanäle 32 und 34 in die Druckmittelkanäle 31 und 33 hinein verformen. Ferner sind an den Ventilhälften 29 und 30 den Druckmittelkanälen 32 und 34 zugeordnete radiale Austrittsöffnungen 35 und 36 vorgesehen. In dem zusammengesetzten Zustand der Ventilhälften 29 und 30 ergeben sich ein durchgehender Druckmittelkanal gebildet durch die Druckmittelkanäle 31 und 32 für eine Druckmitteldurchströmung in Richtung V1 und ein durchgehender Druckmittelkanal gebildet durch die Druckmittelkanäle 33 und 34 für eine Druckmitteldurchströmung in Richtung V2. Die Druckmitteldurchströmung wird dabei durch das Verschwenken der Membran in die mit 14 gekennzeichnete Stellung ermöglicht, eine Durchströmung der Druckmittelkanäle 31, 32, 33 und 34 entgegen der Richtungen V1 und V2 ist durch das Anliegen der Membran an den Unterstützungsflächen 39 und 40 verhindert. Aufgrund der Ventileinrichtung 14 können die Druckmittelkanäle 31, 32, 33 und 34 auch in Druckmittelkanäle 31 und 33, in denen das Druckmittel zuströmt, und Druckmittelkanäle 32 und 34, in denen das Druckmittel abströmt, unterteilt werden.
In den 5 bis 9 ist die Durchströmung des Mehrwegeventils 7 in unterschiedlichen Stellungen des Ventilkörpers 11 dargestellt. In 10 sind die Öffnungs- und Schließzustände der Strömungsverbindungen zwischen den Druckmittelleitungen A, B, P, T1, T2 nochmals über dem Verschiebeweg S des Ventilkörpers 11 dargestellt, wobei die Stellungen des Ventilkörpers 11 in den 5 bis 9 mit S1, S2, S3, S4 und S5 gekennzeichnet sind. In der 11 ist der in die mit Druckmittel beaufschlagten Arbeitskammern 4a oder 4b strömende Volumenstrom Q des Druckmittels über dem Erregerstrom I des Aktuators 8 dargestellt, welcher auch in einer festen Beziehung zu dem Verschiebeweg S des Ventilkörpers 11 steht.
In der 5 ist der Ventilkörpers 11 in der Endstellung S1 bei deaktiviertem Aktuator 8 und nicht verschobenem Ventilkörper 11 (entspricht also S = 0 in 10) zu erkennen. Die Steuerkante 25 gibt einen Teil der Öffnung 19 zu der Arbeitskammer 4b über die Druckmittelleitung B frei, so dass das Druckmittel von der Druckmittelpumpe über die Druckmittelleitung P durch die Öffnung 20 und den Ringraum zwischen Ventilkörper 11 und Gehäuse 12 in die Arbeitskammer 4b strömen kann. Diese Druckmittelbeaufschlagung entspricht dem OPA Prinzip und ermöglicht eine Verstellung der Nockenwelle 1 mit einer hohen Genauigkeit. Ferner gibt die Steuerkante 27 einen Teil der Öffnung 21 frei, so dass das Druckmittel aus der Arbeitskammer 4a durch die Druckmittelleitung A, das Doppelrückschlagventil 13 in Richtung V1, die radiale Austrittsöffnung 35, die Öffnung 19 und die Druckmittelleitung B in die Arbeitskammer 4b entweichen kann. Diese Strömung des Druckmittels von der Arbeitskammer 4a in die Arbeitskammer 4b entspricht der Verstellung der Nockenwelle 1 nach dem CTA Prinzip. In der Endstellung S1 arbeitet die Nockenwellenverstelleinrichtung demnach nach einer Kombination aus dem CTA und dem OPA Prinzip und kombiniert demnach die Vorteile des CTA Prinzips einer hohen Verstellgeschwindigkeit mit der des OPA Prinzips einer hohen Verstellgenauigkeit. Außerdem wird durch die Strömung des Druckmittels von der Arbeitskammer 4a in die Arbeitskammer 4b ein wesentlich höherer Volumenstrom Q des Druckmittels in die Arbeitskammer 4b ermöglicht, als durch die Druckmittelpumpe zugeführt werden muss. Der hohe Volumenstrom Q des Druckmittels in die Arbeitskammer 4b in der Endstellung S1 des Ventilkörpers 11 ist in der 11 in Stellvertretung durch den Erregerstrom I = 0 abzulesen. Die Strömungsverbindungen zu den Öffnungen 22 und 18, den Druckmittelleitungen T1 und T2 und zu dem Druckmittelreservoir sind in dieser Stellung des Ventilkörpers 11 unterbrochen, so dass das Druckmittel nicht abfließen kann. (siehe auch 10)
In der 6 ist der Erregerstrom I des Aktuators auf einen Wert I = 12 erhöht worden, wodurch der Ventilkörper 11 in eine Zwischenstellung S2 verschoben wurde. In dieser Stellung des Ventilkörpers 11 kann das Druckmittel von der Druckmittelleitung P durch die Öffnung 20, den Ringspalt zwischen dem Ventilkörper 11 und dem Gehäuse 12 und den Spalt zwischen der Steuerkante 25 und der Öffnung 19 in die Arbeitskammer 4b strömen. Ferner kann das Druckmittel aus der Arbeitskammer 4a durch die Öffnung 21, an den Steuerkanten 27 und 28 vorbei durch die Öffnung 22 und die Druckmittelleitung T1 in das Druckmittelreservoir abfließen. Die Nockenwellenverstelleinrichtung arbeitet in dieser Stellung des Ventilkörpers 11 allein nach dem OPA Prinzip mit der bekannt hohen Verstellgenauigkeit. Der Volumenstrom Q des in die Arbeitskammer 4b einströmenden Druckmittels ist in dieser Stellung des Ventilkörpers 11 wesentlich geringer als der in der Endstellung S1, wie auch in der 11 zu erkennen ist.
In der 7 ist das Mehrwegeventil 7 mit dem Ventilkörper 11 in einer Mittelstellung S3 zu erkennen, in der die Steuerkanten 24, 25, 26 und 27 die Öffnungen 19 und 21 zu den Druckmittelleitungen A und B verschließen, so dass weder ein Zufluss noch ein Abfluss von Druckmittel aus oder zu den Arbeitskammern 4a und 4b möglich ist. In dieser Mittelstellung S3 kann das Druckmittel zwischen den Arbeitskammern 4a und 4b nur durch innere Leckage strömen, und der Volumenstrom Q entspricht einem Minimum, wie in 11 zu erkennen ist.
Um den Ventilkörper 11 weiter in die in der 8 dargestellte Zwischenstellung S4 und in die in 9 dargestellte Endstellung S5 zu verschieben, wurde der Erregerstrom I des Aktuators 8 weiter auf einen Wert I4 bzw. I5 erhöht. In der in 8 dargestellten Zwischenstellung S4 arbeitet die Nockenwellenverstelleinrichtung entsprechend der Zwischenstellung S2 allein nach dem OPA Prinzip; das Druckmittel strömt von der Druckmittelleitung P durch die Öffnung 20 an der Steuerkante 26 vorbei durch die Öffnung 21 in die zu der Arbeitskammer 4a führende Druckmittelleitung A. Ferner wird das Druckmittel aus der Arbeitskammer 4b durch zwischen den Steuerkanten 23 und 24 und den Öffnungen 18 und 19 vorhandene Spalte und die Druckmittelleitung T2 in das Druckmittelreservoir abgelassen. Das Wirkprinzip ist in diesem Fall identisch zu dem in der Zwischenstellung S2 beschriebenen Prinzip, nur dass die Nockenwelle in dieser Stellung in die andere Drehrichtung gegenüber der Kurbelwelle verstellt wird.
In der 9 ist das Mehrwegeventil 7 mit dem Ventilkörper 11 in der zu der Endstellung S1 entgegengesetzten Endstellung S5 zu erkennen, in der das Druckmittel sowohl von der Druckmittelpumpe zu der Arbeitskammer 4a als auch von der Arbeitskammer 4b in die Arbeitskammer 4a strömen kann. Die Nockenwellenverstelleinrichtung arbeitet auch in dieser Stellung sowohl nach dem OPA wie auch nach dem CTA Prinzip, wie in der zu der 5 zugehörigen Beschreibung bereits beschrieben ist, mit dem Unterschied, dass die Verstellrichtung der Nockenwelle 1 nun entgegengesetzt zu der Verstellrichtung der Nockenwelle 1 mit der in der 5 gezeigten Stellung des Ventilkörpers 11 ist. Wichtig ist auch in dieser Stellung, dass durch das Doppelrückschlagventil 13 eine Durchströmung des Druckmittels durch die Druckmittelkanäle 33 und 34 in der Richtung V2 von der Öffnung 19 zu der Öffnung 21 ermöglicht ist.
In der 10 sind die Öffnungs- und Schließzustände der Strömungsverbindung zwischen den Druckmittelleitungen A, B, P, T1 und T2 über dem Verschiebeweg S des Ventilkörpers 11 dargestellt. In den Bereichen I und V arbeitet die Nockenwellenverstelleinrichtung nach einer Kombination des OPA und des CTA Prinzips, es ist ein hoher Volumenstrom Q möglich, wie auch anhand der mit 1 gekennzeichneten Bereiche in der 11 zu erkennen ist. Es sind jeweils die Strömungsverbindungen von P nach B und A nach B bzw. von P nach A und von B nach A geöffnet. In den Bereichen II und IV arbeitet die Nockenwellenverstelleinrichtung allein nach dem OPA Prinzip, die Strömungsverbindungen von P nach B und von A nach T1 bzw. von P nach A und von B nach T2 sind geöffnet. Der Volumenstrom Q ist entsprechend geringer, wie auch anhand des Bereichs 2 in der 11 zu erkennen ist. Der geringe Volumenstrom Q in den Bereichen II und IV ist insoweit ausreichend, da die Nockenwelle 1 in diesem Mittenbereich während der warmgelaufenen Brennkraftmaschine nur um geringfügige Winkel verstellt wird. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine kann es dagegen passieren, dass die Nockenwelle 1 mit dem Flügelzellenrotor 5 in einer Endanschlagslage an dem Stator 3 anliegt, so dass sie aus dieser Endanschlagslage möglichst schnell in eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine optimale Drehwinkellage verstellt werden muss. In diesem Fall kann die Verstellung der Nockenwelle 1 mit einer hohen Verstellgeschwindigkeit und Genauigkeit dadurch erzielt werden, indem die Nockenwellenverstelleinrichtung aus einer Kombination des CTA und des OPA Prinzips verstellt wird, der Ventilkörper 11 demnach in einen der Bereiche I oder V verschoben wird.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Flügelzellenrotor
3: Stator
4: Hohlraum
4a, 4b: Arbeitskammer
5: Flügel
6: Vorsprung
7: Mehrwegeventil
8: Aktuator
9: Flansch
10: Dichtung
11: Ventilkörper
12: Gehäuse
13: Doppelrückschlagventil
14: Ventileinrichtung
15: Federteller
16: Sicherungsring
17: Koppelstück
18: Öffnung
19: Öffnung
20: Öffnung
21: Öffnung
22: Öffnung
23: Steuerkante
24: Steuerkante
25: Steuerkante
26: Steuerkante
27: Steuerkante
28: Steuerkante
29: Ventilhälfte
30: Ventilhälfte
31: Druckmittelkanal
32: Druckmittelkanal
33: Druckmittelkanal
34: Druckmittelkanal
35: Austrittsöffnung
36: Austrittsöffnung
37: Mittelsteg
38: Mittelsteg
39: Unterstützungsfläche
40: Unterstützungsfläche
41: Stift
42: Öffnung
43: Druckfeder
A: Druckmittelleitung
B: Druckmittelleitung
P: Druckmittelleitung
T1: Druckmittelleitung
T2: Druckmittelleitung
S: Verschiebeweg des Ventilkörpers 11
S1: Stellung des Ventilkörpers 11
S2: Stellung des Ventilkörpers 11
S3: Stellung des Ventilkörpers 11
S4: Stellung des Ventilkörpers 11
S5: Stellung des Ventilkörpers 11
Q: Volumenstrom des Druckmittels Erregerstrom des Aktuators 8
V1, V2: Richtung der Durchströmung des Druckmittels durch das Doppelrückschlagventil 13

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006045005 A1 [0003]

Claims

Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammern (4a, 4b), einer Druckmittelpumpe, einem Druckmittelreservoir und einem Mehrwegeventil (7) umfassend ein Gehäuse (12) mit mehreren den Arbeitskammern (4a, 4b), der Druckmittelpumpe und dem Druckmittelreservoir zugeordneten Öffnungen (18, 19, 20, 21, 22), durch die eine Zu- und/oder Abströmung eines Druckmittels ermöglicht ist, einem Ventilkörper (11), der in dem Gehäuse (12) zwischen zwei Endstellungen (S1‚ S2) verschiebbar geführt ist, und in Abhängigkeit von der Stellung mit an dem Gehäuse (12) anliegenden Steuerkanten (23, 24, 25, 26, 27, 28) den Durchfluss des Druckmittels durch die Öffnungen (18, 19, 20, 21, 22) in dem Gehäuse (12) sperrt oder ermöglicht, und einem in dem Ventilkörper (11) angeordneten einen Durchfluss (V1, V2) des Druckmittels in zwei unterschiedliche Richtungen ermöglichenden Doppelrückschlagventil (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkanten (23, 24, 25, 26, 27, 28) derart angeordnet sind, dass in den Endstellungen (S1, S5) des Ventilkörpers (11) der Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe und zu einer ersten Arbeitskammer (4a, 4b), und durch das Doppelrückschlagventil (13) ein Durchfluss des Druckmittels von einer zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeitskammer (4a, 4b) zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) ermöglicht ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkanten (23, 24, 25, 26, 27, 28) derart angeordnet sind, dass sie wenigstens in einer Zwischenstellung (S2, S4) des Ventilkörpers (11) zwischen den Endstellungen (S1, S5) einen Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) und von einer zu der ersten Arbeitskammer (4a, 4b) entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeitskammer (4a, 4b) zu dem Druckmittelreservoir ermöglichen.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelrückschlagventil (13) durch zwei Ventilhälften (29, 30) zusammengesetzt ist, zwischen denen eine einen Durchfluss des Druckmittels in unterschiedliche Richtungen (V1, V2) ermöglichende Ventileinrichtung (14) angeordnet ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ventilhälften (29, 30) jeweils zwei getrennte Druckmittelkanäle (31, 32, 33, 34) vorgesehen sind, die sich beim Zusammensetzen der Ventilhälften zu zwei durchgehenden Druckmittelkanälen (31, 32, 33, 34) ergänzen.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelrückschlagventil (13) einen durch ein Hohlprofil gebildeten Grundkörper aufweist, und die Druckmittelkanäle (31, 32, 33, 34) durch eine Unterteilung des Hohlprofils mit einem Mittelsteg (37, 38) gebildet sind.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (14) durch eine zwischen den Ventilhälften (29, 30) eingespannte Membran gebildet ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zwei Abschnitte aufweist, mit denen sie jeweils einseitig und auf unterschiedlichen Seiten an den Ventilhälften (29, 30) an einer Unterstützungsfläche (39, 40) anliegt.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran an einer der Ventilhälften (29, 30) über zwei in die Membran hineinragende Stifte (41) verdrehgesichert gehalten ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelrückschlagventil (13) eine mechanische Codierung zur Verbindung der Ventilhälften (29, 30) in einer vorbestimmten Ausrichtung aufweist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (14) durch die mechanische Codierung verdrehgesichert an dem Doppelrückschlagventil (13) gehalten ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (11) rohrförmig ausgebildet ist, und das Doppelrückschlagventil (13) durch einen in dem Ventilkörper (11) angeordneten zylindrischen Einsatz gebildet ist.
Druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelrückschlagventil (13) in den Ventilkörper (11) verschiebefest eingepresst ist.