DE102010050813A1

DE102010050813A1 - Steuerkolben für ein Zentralventil eines Nockenwellenverstellers sowie ein Zentralventil und ein Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102010050813A1
Application number: DE201010050813
Authority: DE
Inventors: Jens Hoppe; Lars Buchmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Um einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird Luft auf einfache Weise aus dem Steuerkolben (14) eines Zentralventils (4) für einen Nockenwellenversteller (2) abgeführt, indem in einem mit Öl befüllbaren Hohlraum (16) des Steuerkolbens (14) eine Separationsstruktur (30) angeordnet ist, die luftdurchlässig und ölundurchlässig ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Steuerkolben für ein Zentralventil eines Nockenwellenverstellers. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Zentralventil mit einem solchen Steuerkolben sowie einen Nockenwellenversteller mit einem solchen Zentralventil.
Hintergrund der Erfindung
In Brennkraftmaschinen, insbesondere in benzinbetriebenen Kraftfahrzeugmotoren, werden zur Betätigung der so genannten Gaswechselventile Nockenwellen eingesetzt. Die Nocken der Nockenwellen liegen für gewöhnlich an Nockenfolgern an, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebeln. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgen ab, die wiederum die Gaswechselventile betätigen. Durch die Lage und die Form der Nocken sind somit sowohl die Öffnungsdauer als auch die Öffnungsamplitude, aber auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile festgelegt.
Die Winkelverschiebung der Nockenwelle in Bezug auf eine Kurbelwelle zur Erzielung optimierter Steuerzeiten für verschiedene Drehzahl- und Lastzustände wird als Nockenwellenverstellung bezeichnet. Eine konstruktive Variante eines Nockenwellenverstellers arbeitet beispielsweise nach dem so genannten Schwenkmotorprinzip. Hierbei sind ein Stator und ein Rotor vorgesehen, die koaxial zueinander liegen und relativ zueinander beweglich sind. Der Stator und der Rotor bilden zusammen Hydraulik- oder Druckkammern. Ein Kammerpaar ist hierbei jeweils von Stegen des Stators begrenzt und durch einen jeweiligen Flügel des Rotors in zwei zueinander gegenläufige Kammern unterteilt, deren Volumina durch eine Relativ-Drehbewegung des Rotors zum Stator gegenläufig verändert werden. In der maximalen Verstellposition liegt der jeweilige Flügel an einem der randseitigen Stege des Stators an.
Die Relativ-Drehbewegung des Rotors erfolgt durch eine Verstellung des Flügels, indem ein Hydraulikmedium, wie z. B. Öl, über Radialkanäle in die Kammern eingeleitet wird und den Flügel wegdrückt. Mit der Verstellung des Rotors wird die an den Rotor befestigte Nockenwelle beispielsweise Richtung Früh, d. h. einem früheren Öffnungszeitpunkt der Gaswechselventile, verstellt. Mit Verstellung des Rotors in entgegengesetzter Richtung wird die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle Richtung Spät, d. h. einem späteren Öffnungszeitpunkt der Gaswechselventile, verstellt. Das Hydraulikmedium wird dabei z. B. über eine zentrale Ölzuführung, die durch eine Zentralbohrung zur Aufnahme einer Zentralschraube zur Befestigung des Rotors an der Nockenwelle gebildet ist, in die Radialkanäle eingeleitet.
Zur Zufuhr und Verteilung des Öls in die Druckkammern ist in der Regel ein Zentralventil mit einem Steuerkolben vorgesehen. Ein Zentralventil für eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeit einer Brennkraftmaschine ist z. B. aus der DE 10 2004 038 252 A1 bekannt. Das Zentralventil ist im Zentrum des Rotors angeordnet und steuert den Austausch des Öls zwischen einem Nockenwellenversteller und einem Ölkreislauf eines Motors.
Generell besteht bei Ölkreisläufen in Verbrennungsmotoren das Problem, dass an Ölübertragungsstellen Luft ins Medium gerät. Dies führt dazu, dass die Ölsäule weich wird, d. h. z. B. die Oszillation des Nockenwellenverstellers zunimmt. Bei Zentralventilsystemen zum Verteilen des Öls in die entsprechenden Druckkammern des Nockenwellenverstellers, welche Systeme einen druckbeaufschlagten Steuerkolben umfassen, besteht darüber hinaus das Problem, dass sich die Luft, die in einem Hohlraum des Steuerkolbens enthalten ist, durch die Rotation der Nockenwelle und somit des Steuerkolbens, sich radial in der Mitte des Steuerkolbens sammelt. Diese Luft kann unter ungünstigen Bedingungen zu Kavitation im Hohlraum des Steuerkolbens führen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf eine einfache Weise die Luft aus dem Steuerkolben eines Zentralventils für einen Nockenwellenversteller abzuführen, um einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Steuerkolben für ein Zentralventil eines Nockenwellenverstellers, umfassend einen mit Öl befüllbaren Hohlraum, wobei im Hohlraum eine Separationsstruktur angeordnet ist, die luftdurchlässig und ölundurchlässig ist.
Die Erfindung wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Zentralventil für einen Nockenwellenversteller, umfassend einen solchen Steuerkolben sowie durch einen Nockenwellenversteller mit einem derartigen Zentralventil.
Das Zentralventil ist vorzugsweise ein 4/3-Wege-Zentralventil. Das Zentralventil weist ein Zentralventilgehäuse auf, in dem der Steuerkolben geführt ist. Mittels des Steuerkolbens können in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Fluid-Ports, d. h. Ein- oder Ausgänge eines Ventilgehäuses, miteinander gekoppelt werden. Ohne Einwirkung einer externen Energieversorgung nimmt der Steuerkolben einen Ruhezustand an. Unter der Wirkung eines Elektromagneten wird der Steuerkolben einen anderen Betriebszustand als den Ruhezustand annehmen. Ein Rückstellelement, das insbesondere nach Art einer Feder ausgebildet ist, wirkt gegen eine Abweichung von dem Ruhezustand des Steuerkolbens.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass ein störungsfreier Betrieb einer Brennkraftmaschine möglich ist, auch wenn Luft in den Ölkreislauf gerät, indem die Luft im Steuerkolben vom Öl getrennt wird und auf geeignete Weise aus dem Steuerkolben und aus dem Nockenwellenversteller abgeführt wird. Dadurch wird die Gefahr vor Kavitation im Steuerkolben minimiert. Durch das Abführen der Luft im Bereich des Steuerkolbens wird außerdem insbesondere vermieden, dass die Luft in die Druckkammern des Nockenwellenverstellers gelangt.
Für die Separation der Luft ist eine Separationsstruktur vorgesehen, die für Luft durchlässig, für Öl jedoch im Wesentlichen undurchlässig ist. Die Separationsstruktur wird insbesondere in der Nähe einer Innenwand oder einer Öffnung an der Innenwand des Steuerkolbens angeordnet, damit die Luft, welche die Separationsstruktur passiert, hinter der Separationsstruktur sich außerhalb des Steuerkolbens befindet. Die Separation der Luft durch die Separationsstruktur erfolgt dabei auf mikroskopischer Ebene und insbesondere auf Molekularebene.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Steuerkolben eine erste Stirnseite auf, die eine Auflagefläche für das Rückstellelement bildet, wobei die Separationsstruktur an der ersten Stirnseite befestigt ist und eine Wandung des Hohlraums bildet. Im Inneren des Ventilgehäuses ist anliegend an die Stirnseite ein Tankraum vorgesehen, in dem auch das Rückstellelement angeordnet ist. Dadurch, dass die Separationsstruktur eine Wandung zwischen dem Hohlraum des Steuerkolbens und dem Tankraum bildet, gelangt die Luft durch die Separationsstruktur in den Tankraum, von wo aus sie über Öffnungen in der Nockenwelle abgeführt wird.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung der Separationsstruktur ist diese bevorzugt ein ein- oder zweiteiliges Bauelement. Wenn die Separationsstruktur ein einteiliges Bauelement ist, besteht es insbesondere nur aus einem Material. Die Separationsstruktur ist somit kein komplexes Bauteil, das aufwändig zum Herstellen ist, sondern umfasst nur wenige Komponenten. Darüber hinaus ist die Separationsstruktur vorzugsweise ein im Wesentlichen flaches Bauelement. Durch eine solche flache Ausgestaltung der Separationsstruktur wird das Volumen des Hohlraums im Steuerkolben, in dem die Separationsstruktur angeordnet ist, nur unwesentlich verändert.
Nach einer bevorzugten Variante umfasst die Separationsstruktur eine Membran. Die Membran ist beispielsweise aus einem Polymer, insbesondere eine PTFE-Membran, die bereits Anwendung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie in der chemischen Industrie findet. Alternativ ist die Membran aus einem Metallschaum, einem Faservlies oder einem Gewebe aus Metall oder Glasfasern ausgebildet.
Nach einer weiteren bevorzugten Variante ist die Separationsstruktur ein gesinterter Metallfilter. Solche gesinterten Metallfilter werden heutzutage unter anderem in der Optoelektronik, Petrochemie oder in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.
Nach einer dritten bevorzugten Variante ist die Separationsstruktur eine Metallfolie mit Durchlassöffnungen insbesondere höchstens im Mikrometerbereich. Die Durchlassöffnungen sind derart klein ausgebildet, dass Luft, die eine viel geringere Viskosität als Öl aufweist, durch die Durchlassöffnungen aus dem Hohlraum des Steuerkolbens entweichen kann. Da die Durchlassöffnungen sehr klein sind, kann das Öl im Steuerkolben aufgrund seiner Fluideigenschaften wie Viskosität bzw. Oberflächenspannung praktisch durch diese nicht durchströmen. Die Durchlassöffnungen sind z. B. im Nano- oder im Mikrometerbereich.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläuter. Hierin zeigen:
1 in einem Längsschnitt einen Nockenwellenversteller mit einem Zentralventil,
2 in einem Längsschnitt einen Steuerkolben eines Zentralventils mit einer eingebauten luftdurchlässigen Membran, und
3 in einem Längsschnitt einen Steuerkolben eins Zentralventils mit einem eingebauten gesinterten Metallfilter.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist ein Nockenwellenversteller 2 mit einem Zentralventil 4 und einem Zentralmagneten 6 gezeigt. Der Nockenwellenversteller 2 ist fest an einer Nockenwelle 8 montiert, die Teil eines hier nicht näher gezeigten Verbrennungsmotors ist. Das Zentralventil 4 steuert dabei den Austausch des Öls zwischen dem Nockenwellenversteller 2 und dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors. Das Zentralventil 4 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein 4/3-Wege-Zentralventil, so dass das Zentralventil 4 vier Zugänge aufweist und drei Betriebszustände einnehmen kann. Die Zugangsöffnungen bzw. die Ausgänge des Zentralventils 4 sind in einem Ventilgehäuse 10 ausgebildet. Diese sind: ein Drucköl-Port P, ein Tank-Port T sowie zwei Arbeits-Ports A und B. Vom Zentralventil 4 aus wird das Öl über die Arbeits-Ports A und B und Radialkanäle 9a, 9b abwechselnd in gegenläufigen Druckkammern des Nockenwellenverstellers 2 zu- bzw. abgeführt.
In einem Innenraum 12 des Zentralgehäuses 10 wird ein Steuerkolben 14 geführt. Der Steuerkolben 14 ist als ein zylindrischer Körper mit einem Hohlraum 16 ausgebildet. Der Steuerkolben 14 ist über einen Pin 18 mit dem Elektromagneten 6 gekoppelt, wobei der Elektromagnet 6 dafür eingerichtet ist, den Steuerkolben 14 axial in dem Zentralventilgehäuse 10 zu bewegen. Das Zentralventil 4 weist außerdem ein Rückstellelement 19 auf, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Rückstellfeder, welche dafür ausgebildet ist, bei einer Abweichung des Steuerkolbens 14 von einem energielosen Ruhezustand den Steuerkolben 14 wieder in den Ruhezustand zurückzuführen.
Der detaillierte Aufbau des Steuerkolbens 14 ist aus den 2 und 3 ersichtlich. Der Steuerkolben 14 weist in einem Mantelbereich zwei Reihen von Durchbrüchen 20, 22 auf. Die meisten Durchbrüche 22 sind in beiden Figuren durch eine Blattfeder 24 verdeckt und deshalb nicht ersichtlich. In bestimmten Betriebszuständen kommunizieren die Durchbrüche 20, 22 mit den Ports P, T, A, B des Ventilgehäuses 10 strömungstechnisch, so dass über die Durchbrüche 20, 22 Öl in den Hohlraum 16 zu- bzw. abgeführt wird.
Der Steuerkolben 14 gemäß 1 befindet sich in einer geregelten Mittelposition. Durch den Pin 18 kann der Steuerkolben 14 axial nach links gemäß 1 verschoben werden, wobei diese Bewegung gegen die Rückstellkraft des Rückstellelements 19 im Innenraum 12 ausgeführt wird. Ohne die Einwirkung von externen Kräften überführt das Rückstellelement 19 den Steuerkolben 14 zurück in den energielosen Ruhezustand.
Eine erste Stirnseite 26 des Steuerkolbens 14, die im zusammengebauten Zustand dem Elektromagneten 6 abgewandt ist, dient als eine Auflagefläche für das Rückstellelement 19. Die gegenüberliegende Stirnseite 28 des Steuerkolbens 14 ist eine Betätigungsseite, auf welche der Pin 18 des Elektromagneten 6 wirkt.
Im Inneren des Steuerkolbens 14 ist ein Separationskörper oder eine Separationsstruktur 30 angeordnet, die für Luft durchlässig ist, jedoch ein Austreten von Öl verhindert. Mittels der Separationsstruktur 30 wird Luft, die mit dem Öl den Hohlraum 16 des Steuerkolbens 14 erreicht hat, aus dem Hohlraum 16 abgeführt, bevor sie in die Radialkanäle 9a, 9b und in die Druckkammern gelangt. Die Separationsstruktur 30 ist ein im Wesentlichen flaches, einstückiges Bauelement, das insbesondere nur aus einem Material besteht. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Separationsstruktur 30 eine Membran 32 aus einem Polymer und eine Halterung 33, in der die Membran 32 eingespannt ist. Die Membran 32 kann jedoch auch eine Metallschaum-, Vlies- oder Gewebemembran sein.
Alternativ ist die Separationsstruktur 30, wie in 3 gezeigt, ein gesinterter Metallfilter 34. Gemäß einer dritten, hier nicht näher gezeigten Ausführungsvariante ist die Separationsstruktur 30 eine dünne Metallfolie mit Durchlassöffnungen im Nano- oder Mikrometerbereich. Die als Poren ausgebildeten Durchlassöffnungen sind derart klein, dass nur die Luft aus dem Hohlraum 16 entweichen kann, während das Öl zurückgedrängt wird.
Bei allen diesen Ausführungsvarianten ist die Separationsstruktur 30 dicht an der Stirnseite 26 befestigt und bildet dabei eine Wandung zwischen dem Hohlraum 16 des Steuerkolbens 14 und einem Tankraum 31, der Teil des Innenraums 12 des Ventilgehäuses 10 ist. Wenn die Luft einmal im Tankraum 31 ist, strömt sie mit dem dort befindlichen Öl über Lüftungsbohrungen 36 an der Nockenwelle 8 (siehe 1) hinaus. Mittels der Separationsstruktur 30 ist es somit möglich, das Öl im Steuerkolben 14 zu entgasen, ohne unerwünschte hydraulische Verluste in Kauf zu nehmen.
Bezugszeichenliste

2: Nockenwellenversteller
4: Zentralventil
6: Elektromagnet
8: Nockenwelle
9a: Radialkanal im Rotor
9b: Radialkanal im Rotor
10: Zentralventilgehäuse
12: Innenraum d. Ventilgehäuses
14: Steuerkolben
16: Hohlraum
18: Pin
19: Rückstellelement
20: Durchbruch
22: Durchbruch
24: Blattfeder
26: erste Stirnseite
28: zweite Stirnseite
30: Separationsstruktur
31: Tankraum
32: Membran
33: Halterung
34: gesinterter Metallfilter
36: Lüftungsbohrung in der Nockenwelle
A: Arbeits-Port
B: Arbeits-Port
P: Drucköl-Port
T: Tank-Port

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004038252 A1 [0005]

Claims

Steuerkolben (8) für ein Zentralventil (4) eines Nockenwellenverstellers (2), umfassend einen mit einem Öl befüllbaren Hohlraum (16), wobei im Hohlraum (16) eine Separationsstruktur (30) angeordnet ist, die luftdurchlässig und ölundurchlässig ist.
Steuerkolben (8) nach Anspruch 1, mit einer ersten Stirnseite (26), die eine Auflagefläche für ein Rückstellelement (19) bildet, wobei die Separationsstruktur (30) an der ersten Stirnseite (26) befestigt ist und eine Wandung des Hohlraums (16) bildet.
Steuerkolben (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Separationsstruktur (30) ein ein- oder zweiteiliges Bauelement ist.
Steuerkolben (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Separationsstruktur (30) ein im Wesentlichen flaches Bauelement ist.
Steuerkolben (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Separationsstruktur (30) eine Membran (32) umfasst.
Steuerkolben (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Separationsstruktur (30) ein gesinterter Metallfilter (34) ist.
Steuerkolben (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Separationsstruktur (30) eine Metallfolie mit Durchlassöffnungen insbesondere höchstens im Mikrometerbereich ist.
Zentralventil (4) für einen Nockenwellenversteller (2), umfassend einen Steuerkolben (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Zentralventil (4) nach Anspruch 8, welches ein 4/3-Wegeventil ist.
Nockenwellenversteller (2) mit einem Zentralventil (4) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.