DE102013219075A1 - Multiverriegelung eines Nockenwellenverstellers und Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller (1) des Flügelzellentyps, mit einem Stator (2) und mit einem im Regelbetrieb darin verdrehbar angeordeten Rotor (3), wobei der Rotor (3) und der Stator (2) wenigstens zwei zwischen ihnen angeordnete und durch einen rotorfesten Flügel (5) getrennte Arbeitskammern (6) ausbilden, die von einer Hydraulikmittelversorgungseinrichtung mit Hydraulikmittel befüllbar sind, wobei zumindest ein Verriegelungspin (28) vorhanden ist, der im Verriegelungszustand den Rotor (3) drehfest zum Stator (2) festlegt, wobei der Verriegelungspin (28) mit einem ihn im Bedarfsfall auslenkenden aktiven Druckspeicher (9) verbunden ist, wobei der aktive Druckspeicher (9) unterhalb einer Rotationsachse (10) an einer mit dem Rotor (2) verbindbaren Nockenwelle (17) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verriegeln eines Rotors (3) eines hydraulischen Nockenwellenverstellers (1) relativ zu einem Stator (2) des Nockenwellenverstellers (1), wobei über wenigstens einen Verriegelungspin (28) der Rotor (3) zum Stator (2) in einer Mittenposition und zusätzlich in einer Früh-/ oder Spätposition verriegelbar ist und ein Hydraulikmittel eines von einer zum Befüllen von Arbeitskammern (6) zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) vorgegebenen Hydraulikmittelvorsorgungseinrichtung separaten aktiven Druckspeichers (9) zum Einwirken auf eine Drehbewegung des Rotors (3) genutzt wird.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps, mit einem Stator und mit einem im Regelbetrieb darin verdrehbar angeordneten Rotor, wobei der Rotor und der Stator zwischen ihnen angeordnete, wenigstens zwei durch einen rotorfesten Flügel getrennte Arbeitsräume, d. h. Arbeitskammern, ausbilden, die von einer Hydraulikmittelversorgungseinrichtung (etwa einer Ölpumpe) mit Hydraulikmittel (wie Öl) befüllbar sind, wobei zumindest ein Verriegelungspin vorhanden ist, der im Verriegelungszustand den Rotor drehfest zum Stator festlegt, wobei der Verriegelungspin mit einem ihn im Bedarfsfall auslenkenden aktiven Druckspeicher verbunden ist, der vorzugsweise separat von der Hydraulikmittelversorgungseinrichtung ist.
• Aus dem Stand der Technik, etwa der WO 20121171670 A1 , ist bereits ein Nockenwellenversteller für eine Nockenwelle in einem Kraftfahrzeug, wie einem PKW, einem LKW oder einem ähnlichen Nutzfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine bekannt.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verriegeln eines Rotors eines hydraulischen Nockenwellenverstellers relativ zu einem Stator des Nockenwellenverstellers.
• Ähnliche Verfahren sind bereits aus der DE 10 2004 048 070 A1 bekannt. Dort ist beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulisch betätigten Nockenwellenverstellvorrichtung oder einer hydraulisch betätigten Vorrichtung zum Verändern der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs bekannt, wobei die Verbrennungskraftmaschine durch eine Fahrzeugelektrik bzw. Fahrzeugelektronik gesteuert bzw. geregelt wird und wobei die Vorrichtung mindestens ein elektrisch angesteuertes hydraulisches Ventil zur Beeinflussung des Flusses von Hydrauliköl durch die Vorrichtung aufweist, wobei ferner das mindestens eine Ventil beim Start der Verbrennungskraftmaschine bereits vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl mit einem vorgegebenen Strom (I_A) beaufschlagt wird.
• Aus dem Stand der Technik sind auch Mittenverriegelungskonzepte für Nockenwellenversteller bekannt, die mit zwei Pins, also zwei Verriegelungspins, arbeiten. Die Pins können auch als Zapfen, Bolzen oder allgemein als Sperrelemente bezeichnet werden.
• Bisherige Mittenverriegelungskonzepte oder Endanschlagskonzepte ermöglichen immer nur eine definierte Startposition. in modernen Verbrennungskraftmaschinen/Motoren können abhängig vom Startzustand des Motors aber verschiedene Startpositionen notwendig sein, was bisher nicht oder nicht einfach möglich war. Während es bisher nur bekannt war, entweder in einer Früh- oder einer Spät- oder in einer Zwischenposition, nämlich der Mittenverriegelungsposition, den Nockenwellenversteller zu verriegeln, sollen nun wenigstens zwei oder besser drei Verriegelungspositionen erreicht werden können. Eine dafür geeignete Ansteuerung ist ebenfalls gewünscht.
• Es soll möglich werden, von einem Mittenverriegelungskonzept vor dem Start abzuweichen, um Ventilsteuerzeiten der Verbrennungskraftmaschine so einzustellen, dass Brennverfahren nach dem Miller- oder Atkinson-Prinzip möglich werden. Beim Atkinson-Prinzip schließt das Einlassventil sehr spät, während es hingegen beim Miller-Prinzip sehr früh schließt, nämlich noch während des Ansaugens. Dies führt in beiden Fällen zu einer verringerten Zylinderfüllung und durch den kürzeren wirksamen Verdichtungshub zu einer Effizienzsteigerung in beiden Kreisprozessen. Nun ist eine Verbrennungskraftmaschine mit so verringerter Verdichtung allerdings nicht immer unter allen Betriebsbedingungen startfähig. Hier kann Abhilfe geboten werden.
• Insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht hat, also das Kühlwasser noch nicht zwischen 80°C und 100°C erreicht hat, soll trotzdem eine gute Startleistung des Motors erreicht werden. Ferner soll der Motor mit nur geringem Emissionsausstoß zündbar sein. Andererseits soll auch ein gutes Startverhalten bei bereits üblichen Start/Stopp-Systemen gewährleistet sein.
• Letztlich sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden und ein Einsatz in modernen Verbrennungskraftmaschinen, welche immer öfter mit Start/Stopp-Automatiken ausgestattet sind, ein Startvorgang im kalten Zustand (Key an Start) ermöglicht werden, beispielsweise unter Vorwahl einer Mittenverriegelungsposition, aber auch bei einem Kaltstart. Es soll immer eine ausreichende Kompression im Brennraum erzeugt werden.
• Während die ideale Startposition bei einem automatischen Start/Stopp-Start im warmen Zustand eine Startposition in der Spätposition oder der Frühposition, also der entsprechenden Verriegelungsposition, erforderlich macht, sollen Mittel vorgehalten werden, um hier einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. In Abhängigkeit vom Temperaturzustand des Motors sollte deshalb erst bei der Startphase der Verbrennungskraftmaschine die beste Startposition erreicht werden.
• Verschiedene Startpositionen sollen somit in Abhängigkeit von dem Zustand der Verbrennungskraftmaschine vorwählbar sein. Es soll somit ein Nockenwellenversteller zur Verfügung gestellt werden, der im Startfall, gesteuert durch die Steuerelektronik des Motors, eine gewünschte von mindestens zwei Verriegelungspositionen einnehmen kann.
• Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemßen hydraulischen Nockenwellenversteller erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der aktive Druckspeicher unterhalb einer Rotationsachse einer mit dem Rotor verbindbaren Nockenwelle angeordnet ist. Unter dem Begriff „unterhalb” wird eine solche Anordnung verstanden, die von der Schwerkraft definiert ist.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind durch die Unteransprüche beansprucht.
• So ist es von Vorteil, wenn der Verriegelungspin und der aktive Druckspeicher so in Wechselbeziehung miteinander stehen, dass der Verriegelungspin am Drehfestlegen des Rotors relativ zum Stator gehindert ist.
• Es ist von Vorteil, wenn der aktive Druckspeicher einen, etwa mittels eines verformbaren Kolbens verkleinerbaren Vorratsraum für Hydraulikmittel, wie Öl, aufweist, aus dem über eine Druckmittelleitung das Hydraulikmittel in das Innere eines Rotors verbringbar ist, beispielsweise durch das Innere der Nockenwelle hindurch.
• Es ist auch von Vorteil, wenn ein Ausgang des Vorratsraums, und vorzugsweise auch der Vorratsraum selbst, unterhalb eines Ausgangs der Druckmittelleitung, etwa unterhalb einer Unterkante der Nockenwelle, insbesondere im Bereich der Zuführung des Hydraulikmittels zur Nockenwelle, angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein Leerlaufen des aktiven Druckspeichers verhindert werden und ein schnelles Anspringen der Verstellkinematik erzwungen werden.
• Es ist insbesondere von Vorteil, wenn nicht nur ein Verriegelungspin, sondern zwei Verriegelungspins oder sogar mehr Verriegelungspins eingesetzt werden. Es ist dann nicht notwendig, beim Verriegeln eine Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator abzubremsen. Ein präziseres Verriegeln ist die Folge.
• Wenn der aktive Druckspeicher so ausgebildet ist, dass er zum Ausstoßen von Hydraulikmittel aufgrund eines Steuersignals, etwa eines von einem Schaltventil gewandelten elektrischen Signals, vorbereitet ist, so kann das Verriegeln effizient geregelt oder gesteuert werden.
• Es ist ferner von Vorteil, wenn der Vorratsraum ein Volumen V₁ aufweist, das größer als das Volumen V_Leitung der Leitungsstrecke vom Ausgang des Vorratsraums bis zu den Arbeitsräumen zuzüglich des Volumens V_{VCP Chamber} der Arbeitsräume ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass immer ausreichend Öl für ein Verdrehen des Rotors relativ zum Stator bzw. zum Verriegelungspin-Einfahren-Verhindern vorhanden ist, selbst wenn die Verbrennungskraftmaschine nicht läuft. Die Ölleitung zwischen dem aktiven Druckspeicher und dem Versteller sollte möglichst kurz sein, da ein gering gehaltenes Ölvolumen, die Leitung schneller befüllen lässt. Zum restlichen Schmiersystem sollte die Leitung während des Motorstarts abgegrenzt sein, z. B. mittels eines Rückschlagventils in der eigentlichen Zuflussleitung.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn ein Zentralventil in den Rotor eingesetzt ist, durch welches Hydraulikmittel des aktiven Druckspeichers den Arbeitsräumen und/oder einer zur Aufnahme des Verriegelungspins ausgelegten Kulisse zuführbar ist. Einerseits kann eine Rotation des Rotors dadurch erzwungen werden und andererseits ein Überspringen einer Verriegelungsposition, wie der Mittenverriegelungsposition, durch den oder die Verriegelungspins erreicht werden. Ein Übergang von einer Frühverriegelungsposition zu einer Spätverriegelungsposition ist somit ebenfalls möglich.
• Wenn zwei Verriegelungspins vorhanden sind, die in eine Kulisse einfahrbar sind, beispielsweise in eine Mittenverriegelungskulisse, so kann einfach eine Mittenverriegelungsposition durch die Pins fixiert werden.
• Dabei ist auch von Vorteil, wenn zusätzlich oder alternativ einer von diesen Verriegelungspins in eine weitere Kulisse einfahrbar gelagert ist, wobei die Kulissen voneinander getrennt sind. Diese weitere Kulisse kann eine Spätverriegelungskulisse oder eine Frühverriegelungskulisse sein, also eine Spätverriegelungsposition oder eine Frühverriegelungsposition realisieren. Die Mittenverriegelungsposition wird auch als MLP (Midlock Position) verstanden, wobei die durch die Spätverriegelungsposition bestimmte Position als Retard Position verstanden wird. Die Frühverriegelungsposition kann auch als Advance Position bezeichnet werden.
• Um eine gute Regelbarkeit/Steuerbarkeit des Nockenwellenverstellers zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn zwischen den Arbeitsräumen und dem aktiven Druckspeicher ein 5/5-Wegeventil oder ein 4/3-Wegeventil und ein 3/2-Wegeventil eingesetzt ist.
• Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor relativ zum Stator in einer Früh- und/oder Spät- und/oder Mittenposition drehfest über die Verriegelungspins festlegbar ist.
• Dabei ist es von Vorteil, wenn der Rotor in einer wenigstens 5 Grad von der Spätposition verdrehten Position am Stator drehfest verriegelbar ist oder verriegelt ist.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verriegeln eines Rotors eines hydraulischen Nockenwellenverstellers relativ zu einem Stator des Nockenwellenverstellers, wobei über wenigstens einen Verriegelungspin der Rotor zum Stator in einer Mittenposition und zusätzlich in einer Früh- oder Spätposition verriegelbar ist und ein Hydraulikmittel eines von einer zum Befüllen von Arbeitskammern zwischen dem Rotor und dem Stator vorgesehenen Hydraulikmittelversorgungseinrichtung separaten aktiven Druckspeichers zum Einwirken auf eine Drehbewegung des Rotors genutzt wird.
• Es ist ferner von Vorteil, wenn in einem solchen Verfahren der erfindungsgemäße hydraulische Nockenwellenversteller eingesetzt ist.
• Ferner ist es von Vorteil, wenn das Hydraulikmittel des aktiven Druckspeichers zum Einwirken auf eine Längsbewegung des Verriegelungspins und/oder zum Verhindern des Einfahrens des Verriegelungspins oder mehrerer Verriegelungspins in eine Mittenverriegelungskulisse genutzt wird.
• Mit anderen Worten wird ein Nockenwellenversteller-Design vorgestellt, welches zwei oder mehr Verriegelungspositionen erlaubt, und eine Strategie im Motorsteuergerät vorgestellt, welche durch Zuhilfenahme eines aktiven Druckspeichers eine Veränderung der Position beim Motorstart ermöglicht. Probleme beim Entriegeln, wie sie bei Nockenwellenverstellern auftreten, die einen einzigen konischen Pin nutzen, werden verhindert. Insbesondere ist der Einsatz von zwei Verriegelungspins hier von Vorteil, auch wenn immer ein Minimalspiel vorhanden bleibt. Die Verriegelungspins können über den Umfang verteilt werden. Allerdings sollten sich die Verriegelungspins nicht um exakt 180 Grad gegenüberliegen, da sonst Nachteile bei zu großem Verriegelungsspiel auftreten. Dies ist dadurch bedingt, dass sich die Fertigungstoleranzen summieren. Trotzdem sollten die beiden Verriegelungspins wenigstens einen gewissen Abstand voneinander über den Umfang gesehen aufweisen.
• Zwei Verriegelungspins, die federbedingt axial in eine Mittenverriegelungskulisse einrasten, wenn der Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator dies zulässt, sind dabei von Vorteil. In diesem eingerasteten Zustand blockieren diese beiden Verriegelungspins die Bewegung des Rotors in Richtung Entfernung von der Mittenposition/Mittenverriegelungsposition.
• Einer dieser beiden Verriegelungspins kann weiterhin in eine Verriegelungskulisse einriegeln, die am Spätanschlag des Verstellbereichs liegt, oder alternativ kann der andere Verriegelungspin in eine Verriegelungskulisse einriegeln, die am Frühanschlag des Verstellbereichs liegt.
• Die Hydraulikmittelversorgung, beispielsweise die Ölversorgung, zu der Mittenverriegelungskulisse wird über ein 5/5-Wegeventil gesteuert. Die Ölversorgung zu der Spätverriegelungskulisse wird über eine sogenannte A-Kammer des Verstellers gesteuert. Dies wäre alternativ auch für die Verriegelungskulisse in Früh möglich, wie auch die Versorgung aus einer B-Kammer.
• Um beim Motorstart/Verbrennungskraftmaschinenstart während der Anlassphase eine Veränderung der Verriegelungsposition entweder von der Mitte nach Spät/Früh oder von Spät/Früh in die Mitte zu ermöglichen, nutzt die Erfindung einen aktiven Druckspeicher, der so gestaltet ist, dass er Motoröl auch während einer längeren Stillstandphase speichern kann und beim Motorstart entriegelt wird, womit dieses gespeicherte Ölvolumen die Aktivierung der Entriegelung in einer Position und die Bewegung hin zur anderen Position ermöglicht.
• Zu Ansteuerung des Entriegelungs-, Bewegungs- und erneuten Verriegelungsvorgangs ist eine Strategie zur Bestromung des Stellglieds, etwa eines Magneten, möglich, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
• Um ein Rückhalten einer ausreichenden Ölmenge im Druckspeicher zu gewährleisten, sollte der Druckspeicher unterhalb der Nockenwellenachse angeordnet sein und sollten alle Zufuhr- und Abfuhrleitungen von oben zum Druckspeicher führen, um ein Leerlaufen des Druckspeichers zu verhindern. Das Volumen des Druckspeichers muss so gewählt werden, dass genügend Öl verbleibt, um die leergelaufenen Arbeitskammern/Arbeitsräume (Variable Camshaft Phaser-Kammern) und deren Zufuhrkanäle zu füllen, Leckagen auszugleichen und wenigstens eine komplette Verstellbewegung zu ermöglichen. Ist der aktive Druckspeicher unterhalb eines Zuführbereiches eines Nockenwellenverstellers, insbesondere einer Nockenwelle, vorhanden, kann auf Dichtungen verzichtet werden, womit im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine das Öl nicht an der gleichen Steile austritt und der aktive Druckspeicher nicht leerläuft.
• Mit anderen Worten wird eine Integration eines aktiven und zu- sowie abschaltbaren Druckspeichers in ein Nockenwellenverstellsystem vorgestellt. Beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine/des Motors soll durch die Strategie des Steuergeräts der Nockenwellenversteller nach Früh verfahren werden. Wenn die Verbrennungskraftmaschine wieder gestartet wird, schleppt die Reibung der Nockenwelle den Nockenwellenversteller in Richtung der Spätposition. Dabei wird nun, wenn der Druckspeicher nicht eingeschaltet ist, und der Verriegelungsmechanismus an der Mittenverriegelungsposition angekommen ist, dort einrasten.
• Wenn der Druckspeicher, der über Kanäle mit den Einrastvertiefungen/Kulissen für die Verriegelungspins/Riegelpins verbunden ist, eingeschaltet ist, hindert das von ihm ausströmende Öl die Verriegelungspins daran, in der Mittenposition einzurasten. Die Mittenposition wird „überfahren”, wodurch der Nockenwellenversteller ganz durchfährt und erst im Spätanschlag dort verriegelt.
• Die Verbindung der Riegelpineinrastvertiefungen mit einem „normal” C-Ölkanal kann dabei durch ein Schaltventil freigegeben werden.
• Letztlich werden mindestens zwei Verriegelungspositionen vom Nockenwellenversteller eingenommen, wovon eine eine Spätverriegelungsposition ist. Der aktive Druckspeicher ist vom Motorölsystem aufladbar und von einer elektrischen Steuerung zu- oder abschaltbar. Es kann ein Schaltventil eingesetzt werden, welches den vom Kontrollsystem des Nockenwellenverstellers zur Kontrolle des Verriegelungspins gesteuerten Ölfluss zu- und abschalten kann.
• Ein Ersatz eines elektrischen Nockenwellenverstellers kann erreicht werden, wodurch die Kosten in Relation zu diesem um ein Vielfaches reduziert werden. Es können nun in großen Stückzahlen effiziente Nockenwellenversteller produziert werden und an Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
• 1 die Anordnung eines aktiven Druckspeichers in einem erfindungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenversteller in einer Längsschnittdarstellung,
• 2 die Verschaltung eines 5/5-Wegeventils mit zwei Arbeitskammern, die eine durch einen Flügel unterteilte Druckkammer bilden,
• 3 die Verschaltung aus 2, wobei jedoch der Flügel in einer Spätposition angekommen ist,
• 4 ein Volumenstrom-/elektrischer Regelstrom-Diagramm, welches der Ansteuerung des 5/5-Wegeventils, wie es in dem Ausführungsbeispiel nach 2 eingesetzt ist, zugrunde gelegt ist,
• 5 eine perspektivische Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenversteller eingesetzten Zentralventils,
• 6 ein Hydraulikmitteldurchflussmittel-/elektrischer Steuerstrom-Diagramm, ähnlich dem Diagramm aus 4, welches eingesetzt wird, um das Zentralventil aus 5 mit Öl zu versorgen,
• 7 ein aus drei Teildiagrammen zusammengesetztes Gesamtdiagramm für eine Mittenverriegelungsstrategie bei Stop der Verbrennungskraftmaschine, zu welchem Zeitpunkt eine Verriegelung in der Spätposition realisiert wird, und bei einem dem Abkühlen der Verbrennungskraftmaschine über einen langen Zeitraum die Spätverriegelungsposition verlassen wird und beim Neustart eine Mittenverriegelungsposition aufgesucht wird,
• 8 eine zur 7 vergleichbare Darstellung eines Gesamtdiagramms, wobei jedoch der Motor nicht abkühlt und eine übliche Start/Stop-Wiederstartsituation vorliegt, wobei eine beim Verbrennungskraftmaschinenabstellen erreichte Mittenverriegelungsposition aufgelöst wird und zum Motorstart eine Spätverriegelungsposition vorgewählt wird,
• 9 bis 12 den Übergang aus einer Frühposition in eine Spätverriegelungsposition unter Übergehen einer Mittenverriegelungsposition beim Motorstart, und
• 13 bis 16 die Abfolge des Abstellens des Motors in einer Frühposition und Verbringen des Rotors in eine Mittenverriegelungsposition für den Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine.
• Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenverstellers 1 dargestellt. Der Nockenwellenversteller ist ein solcher hydraulischer Nockenwellenversteller, der vom Flügelzellentyp ist, also einen Stator 2 und einen Rotor 3 aufweist, zwischen denen Flügelzellen oder Druckkammern 4 ausgebildet sind. Diese Druckkammern 4 sind in 1 nicht zu erkennen. Eine der Druckkammern 4 ist jedoch in den 2 und 3 zu erkennen. Dort ist auch zu erkennen, dass jede Druckkammer durch einen Flügel 5, der am Rotor 3 drehfest angebracht ist, unterteilt ist. Dadurch werden Arbeitskammern 6 gebildet. Dabei wird eine Arbeitskammer 6 als Spätarbeitskammer A und die andere als Früharbeitskammer B bezeichnet. Die Arbeitskammer 6 kann auch als Arbeitsraum bezeichnet werden.
• Zurückkommend auf 1 wird erläutert, dass in den Rotor 3 ein Zentralventil 7 eingeschraubt ist. Das Zentralventil 7 wird über einen Zentralmagneten 8, nämlich ein Proportionalmagneten, angesteuert. Durch die Ansteuerung werden Ölversorgungskanäle für die Arbeitskammern 6 freigegeben. Von einem nicht dargestellten Pumporgan einer nicht dargestellten Hydraulikmittelversorgungseinrichtung, wie einer Ölpumpe, kann dann Öl in die Arbeitskammern 6 verbracht werden oder Öl aus den Arbeitskammern 6 entfernt werden. Dafür ist auch ein Aufnahmeorgan, wie ein Tank oder eine Ölwanne, angeschlossen.
• Zusätzlich ist jedoch hier auch ein aktiver Druckspeicher 9 vorgesehen. Der Druckspeicher 9 ist unterhalb einer Nockenwellenrotationsachse 10 angeordnet. Die Nockenwellenrotationsachse 10 kann auch kurz als Rotationsachse bezeichnet werden.
• Der aktive Druckspeicher 9 weist einen Kolben 11 auf, der über eine Feder 12 vorgespannt ist. Die Feder 12 spannt den Kolben 11 in Richtung eines Vorratsraums 13 vor. Der Vorratsraum 13 weist ein Volumen V₁ auf. Ein Aktor 14 ist vorgesehen, um den aktiven Druckspeicher 9 zu entriegeln oder verriegeln. Der Aktor 14 kann als Schaltventil 15 ausgebildet sein. Er kann auch als Magnetventil 16 ausgebildet sein. Der Aktor 14 bewirkt bei Bestromung ein Entriegeln des zur Kompression dienenden Kolbens 11.
• Eine Nockenwelle 17 ist vorgesehen, um mit dem Rotor 3 drehfest verbunden zu sein. An einer Gleitlagerstelle 18 ist ein Ventil 19 vorgesehen, um eine Ölzufuhr von der Ölpumpe zu unterbrechen. Eine Druckmittelleitung 20 ist vorhanden, um einen Ausgang 21 des Vorratsraums 13 mit der Gleitlagerstelle 18 zu verbinden und einen Ölzugang in das Innere der Nockenwelle 17 zu ermöglichen. Das Öl aus dem Inneren der Nockenwelle kann dann in das Innere des Zentralventils 17 dringen und durch die im Bedarfsfall geöffneten Zugänge die Arbeitskammern A oder B erreichen. Die Zufuhr von der Ölpumpe P ist insbesondere von oben (aber auch aus anderen Richtung möglich), also auf der Oberseite der Nockenwelle 17 am Gleitlager bzw. an der Gleitlagerstelle 18, während die Zufuhr vom aktiven Druckspeicher 9 unten an der Gleitlagerstelle 18 ist.
• Es ist auch eine Entlüftung 22 vorgesehen, um Luft aus einem Federraum 23 entfernen zu können – bzw. wieder in den Federraum nachsaugen zu können, wenn der Kolben Öl aus dem Speicher 9 drückt.
• In 2 ist der Einsatz eines 5/5-Wegeventils 24 dargestellt. Das 5/5-Wegeventil 24 hat fünf Zu-/Abgänge und fünf Positionen, die es beim Verstellen einnehmen kann. Die Zu-/Abgänge führen zu der Hydraulikmittelversorgungseinrichtung P, einem Tank T, der Arbeitskammer A, einer Mittenverriegelungskulisse 31 und der Arbeitskammer B. In 2 ist die Mittenverriegelungsposition (MLP) dargestellt. Es ist eine Verbindung 25 zwischen der Arbeitskammer A und einer Spätverriegelungskulisse 26 vorhanden. Dazu weist die Arbeitskammer A einen extra Öffnungsbereich 27 auf.
• Während in 2 die Mittenverriegelungsposition dargestellt ist, ist in 3 die Spätverriegelungsposition dargestellt. Es sind zwei Verriegelungspins 28 vorhanden. Der eine der beiden Verriegelungspins 28 wird als erster Verriegelungspin 29 bezeichnet und der andere der beiden Verriegelungspins 28 als zweiter Verriegelungspin 30. In der Situation in 2 sind beide Verriegelungspins 29 und 30 in einer Mittenverriegelungskulisse 31 eingeriegelt. In dem Zustand in 3 ist der erste Verriegelungspin 29 in der Spätverriegelungskulisse 26 eingeriegelt und der zweite Verriegelungspin 30 in der Mittenverriegelungskulisse 31 eingeriegelt. Es besteht also an den Positionen der beiden Kulissen 26 und 31 mit dem jeweiligen Verriegelungspin 29 bzw. 30 ein Formschluss.
• In 4 ist ein Durchfluß-/Strom-Diagramm dargestellt, wobei auf der Horizontalachse der elektrische Strom I eingetragen ist und auf der Vertikalachse der Hydraulikmitteldurchfluss Q eingetragen ist. Am ganz linken Ende des Diagramms ist die Hydraulikmittelversorgungseinrichtung P, welche ein vom aktiven Druckspeicher 9 separates Bauteil ist, mit der Arbeitskammer B verbunden, wohingegen die Arbeitskammer A mit dem Tank verbunden ist. Am ganz rechten Diagrammrand ist die Hydraulikmittelversorgungseinrichtung P mit der Arbeitskammer A verbunden und die Arbeitskammer B mit dem Tank verbunden.
• Es sind fünf Bereiche 1, 2, 3, 4 und 5 im Diagramm erkennbar, die auch in 6 dargestellt sind. In den Bereichen 1 und 5 liegt ein Verriegelungskommando/ein Verriegelungsbefehl vor. In den Abschnitten 2 und 4 ist keine Verriegelung erreicht und auch keine hydraulische Einspannung des Flügels 5 bewirkt. Die hydraulische Einspannung des Flügels 5 ist allerdings bei einem Bereich 3 erzwungen.
• Diese Bereiche 1 bis 5 werden durch die Schaltstellungen des 5/5-Wegeventils 24, wie in 2 dargestellt, vorgegeben.
• Eine Mittenverriegelungsposition ohne eingefahrene Verriegelungspin 29 und 30 ist in den Einstellungen 1 und 5 des 5/5-Wegeventils 26 bewirkt.
• Separat zum 5/5-Wegeventil 24 ist auch ein 4/3-Wegeventil zusätzlich zu einem 3/2-Wegeventil möglich. Ein separates Ventil wird also zur Versorgung der als Langloch ausgebildeten Mittenverriegelungskulisse 31 eingesetzt.
• In 5 sind das Zentralventil 7, Öffnungen 32 darin dargestellt. Es sind auch die Versorgung der Arbeitskammern A und B der Druckmittelleitung PP, des Tanks T und die Zufuhr von der Hydraulikmittelversorgungseinrichtung P angedeutet. Die Volumendurchflusskurve 33 an Hydraulikfluid durch die Arbeitskammern ist mit dem Bezugszeichen 33 markiert, wohingegen die (Volumen-)Durchflusskurve durch den Kanal PP an die Druckmittelleitung 20 mit dem Bezugszeichen 34 versehen ist. In Abhängigkeit von der Durchflusskurve 34 ist somit die Aktivierung der Verriegelungspins 28 vorgebbar.
• In 7 sind die auf der Horizontalachse eingetragene zeitliche Abfolge der Kurbelwellengeschwindigkeit (oberster Teil des Diagramms), das Tastverhältnisses/Pulsbreitenmodulationszustands, kurz PWM, im mittleren Teil und die Winkelposition des Nockenwellenverstellers (Phaser Position) im unteren Bereich dargestellt. Die Kurbelwellengeschwindigkeit ist mit der Linie 35 gekennzeichnet. Das Tastverhältnis ist mit der Linie 36 gekennzeichnet. Der Verriegelungszustand ist mit der Linie 37 gekennzeichnet.
• Dabei ist ein Zustand im Verriegeln einer Mittenposition MLP, einer Retard-Position (Ret.), d. h. Spätposition, und einer Advance-Position (Adv.), d. h. Frühposition, möglich. Zu dem Zeitpunkt (t), an dem der Zündschlüssel gedreht wird und die Verbrennungskraftmaschine abgestellt wird, nämlich dem Zeitpunkt 38, verändert sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Zum Zeitpunkt 39 steht die Verbrennungskraftmaschine still. Zum Zeitpunkt 40 ist kein Stromfluss mehr vorhanden, das heißt, kein elektrischer Strom fließt mehr. Zum Zeitpunkt 41, ca. 10 Minuten oder sogar acht oder mehr Stunden nach dem Zeitpunkt 40, findet ein Drehen des Zündschlüssels statt, wobei gleichzeitig im aktiven Druckspeicher 9 gespeichertes Öl in das Zentralventil 7 geleitet wird. Zum Zeitpunkt 42 wird die Entriegelungsstrategie, wie bereits vorgestellt, durchlaufen. Zum Zeitpunkt 43 wird die Mittenverriegelungsposition erreicht, weil dort zu diesem Zeitpunkt dann die beiden Verriegelungspins 29 und 30 verriegelnd eingreifen.
• Erst zum Zeitpunkt 44 findet eine Zündung statt. Dies ist der Zeitpunkt der sogenannten „First Ignition”, d. h. Erstzündung.
• In 8 ist ein anderer Zustand dargestellt, nämlich ein solcher Zustand, bei dem zwischen den Zeitpunkten 39 und 41 weniger als etwa acht Stunden Zeit vergangen sind, zumindest so viel Zeit, dass der Motor bzw. die Verbrennungskraftmaschine noch nicht abgekühlt ist, zumindest nicht unter 100°C oder 80°C abgekühlt ist. Dies ist der Zustand normalen Start/Stopp-Agierens.
• In 9 ist ein aktiver Druckspeicher 9 über die Druckmittelleitung 20 (PP) mit der Mittenverriegelungskulisse 31 in einem Verriegelungsdeckel 45 ausgebildet. Die Mittenverriegelungskulisse 31 ist auf der anderen Seite eines Dichtdeckels 46, vom Rotor 3 aus gesehen. Die Verriegelungspins 29 und 30 sind in den Rotor 3 über Federn 47 und 48 vorgespannt eingesetzt. Der Flügel 5 ist in seiner Frühposition, so dass die Arbeitskammer A maximal groß ausgebildet ist. Ein Schaltventil 49 ist mit der Hydraulikmittelversorgungseinrichtung P (Port C) verbunden. Allerdings ist das Schaltventil 49 in einer solchen Position, dass ein Zufluss von P zum aktiven Druckspeicher 9 und auch zur Druckmittelleitung 20 unterbrochen ist. Diesbezüglich ist ein Steuergerät 50 eingesetzt.
• In 9 ist der Rotor 3 in einer Frühposition vor dem Motorstart. In 10 ist der Rotor bereits in einer Mittenposition, wobei Öldruck über die Druckmittelleitung 20 in der Kulisse 31 durch den aktiven Druckspeicher 9 zur Verfügung gestellt wird.
• Während in 9 der Druckspeicher 9 nicht zugeschaltet ist (also Off), ist er in dem Zustand der 10 zugeschaltet (also On).
• in dem Ausführungsbeispiel des zeitlichen Zustands nach 11 ist der Rotor 3 bereits in seiner Spätposition angelangt. Die Verriegelungskulisse 31 wurde somit „überfahren”. In 12 ist der Zustand dargestellt, wie nun der Verriegelungspin 29 in die Verriegelungskulisse 26 verriegelnd eingreift.
• in einer zweiten Variante ist in 13 der Rotor 3 in seiner Frühposition vor dem Motorstart dargestellt. Der Rotor ist wieder zwischen dem Verriegelungsdeckel 45 und dem Dichtdeckel 46 angeordnet. Der aktive Druckspeicher 9 ist noch nicht über die Druckmittelleitung 20 (PP) zugeschaltet. Er ist also noch „Off”. In dem in 14 dargestellten Zustand ist der Rotor 3 zwischen seiner Frühposition und der Mittenposition. Der erste Pin 29 ist jedoch bereits in die Verriegelungskulisse 31 eingefahren. Er greift dort verriegelnd ein. Der aktive Druckspeicher 9 ist immer noch „Off Allerdings ist nicht, ebenfalls wie in 13 dargestellt, das Schaltventil 49 mit dem Port C, d. h. der Pumpe P, verbunden. In 15 ist der zeitlich nachfolgende Zustand dargestellt, in dem nun auch der zweite Verriegelungspin 30 in die Verriegelungskulisse 31 einfährt.
• In 16 ist der zweite Verriegelungspin 30 nun auch verriegelnd in die Kulisse 31 eingefahren, so dass nun der Rotor 3 in seiner Mittenposition durch die Verriegelungspins 28 verriegelt ist. Das Schaltventil 49 kann auch durchgeschaltet sein, wenn statt eines 5/5-Wegeventils in der Position 1 auch die bereits offenbarte Variante der 4/3- und 3/2-Wegeventilnutzung gewünscht ist.
• Bezugszeichenliste

1

Nockenwellenversteller

2

Stator

3

Rotor

4

Flügelzelle/Druckkammer

5

Flügel

6

Arbeitskammer (Spätarbeitskammer A/Früharbeitskammer B)

7

Zentralventil

8

Zentralmagnet

9

aktiver Druckspeicher

10

Nockenwellenrotationsachse

11

Kolben

12

Feder

13

Vorratsraum

14

Aktor/Aktuator

15

Schaltventil

16

Magnetventil

17

Nockenwelle

18

Gleitlagerstelle

19

Ventil

20

Druckmittelleitung

21

Ausgang des Vorratsraums

22

Entlüftung

23

Federraum

24

5/5-Wegeventil

25

Verbindung

26

Spätverriegelungskulisse

27

Öffnungsbereich

28

Verriegelungspin

29

erster Verriegelungspin

30

zweiter Verriegelungspin

31

Mittenverriegelungskulisse

32

Öffnung

33

Volumendurchflusskurve

34

Durchflusskurve

35

Kurbelwellengeschwindigkeit

36

Tastverhältnis

37

Verriegelungszustand

38

Zündung aus

39

Motor aus

40

Strom aus

41

Zündung an

42

Entriegel-Strategie

43

MLP erreicht

44

Zündung

45

Verriegelungsdeckel

46

Dichtdeckel

47

Feder

48

Feder

49

Schaltventil

50

Steuergerät

• 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
• WO 20121171670 A1 [0002]
• DE 102004048070 A1 [0004]

Claims (10)

1. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) des Flügelzellentyps, mit einem Stator (2) und mit einem im Regelbetrieb darin verdrehbar angeordeten Rotor (3), wobei der Rotor (3) und der Stator (2) wenigstens zwei zwischen ihnen angeordnete und durch einen rotorfesten Flügel (5) getrennte Arbeitskammern (6) ausbilden, die von einer Hydraulikmittelversorgungseinrichtung mit Hydraulikmittel befüllbar sind, wobei zumindest ein Verriegelungspin (28) vorhanden ist, der im Verriegelungszustand den Rotor (3) drehfest zum Stator (2) festlegt, wobei der Verriegelungspin (28) mit einem ihn im Bedarfsfall auslenkenden aktiven Druckspeicher (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Druckspeicher (9) unterhalb einer Rotationsachse (10) an einer mit dem Rotor (2) verbindbaren Nockenwelle (17) angeordnet ist.
2. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Druckspeicher (9) einen Vorratsraum (13) für Hydraulikmittel aufweist, aus dem über eine Druckmittelleitung (20) das Hydraulikmittel in das Innere des Rotors (3) verbringbar ist.
3. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (21) des Vorratsraums (13) unterhalb eines Ausgangs der Druckmittelleitung (20) angeordnet ist.
4. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Druckspeicher (9) so ausgebildet ist, dass er zum Ausstoßen von Hydraulikmittel aufgrund eines Steuersignals vorbereitet ist.
5. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsraum (13) ein Volumen V₁ aufweist, das größer als das Volumen V_Leitung der Leitungsstrecke vom Ausgang (21) des Vorratsraums (13) bis zu den Arbeitskammern (6) zuzüglich des Volumens V_{VCP Chamber} der Arbeitskammern (6) ist.
6. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentralventil (7) in den Rotor (3) eingesetzt ist, durch welches Hydraulikmittel des aktiven Druckspeichers (9) den Arbeitskammern (6) und/oder einer zur Aufnahme des Verriegelungspins (28) ausgelegten Kulisse (31) zuführbar ist.
7. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verriegelungspins (29, 30) vorhanden sind, die in eine Kulisse (31) einfahrbar sind, und/oder einer von diesen in eine weitere Kulisse (26) einfahrbar gelagert ist, wobei die beiden Kulissen (26, 31) voneinander getrennt sind.
8. Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Arbeitskammern (6) und dem aktiven Druckspeicher (9) ein 5/5-Wegeventil (24) oder ein 4/3-Wegeventil und ein 3/2-Wegeventil eingesetzt ist.
9. Verfahren zum Verriegeln eines Rotors (3) eines hydraulischen Nockenwellenverstellers (1) relativ zu einem Stator (2) des Nockenwellenverstellers (1), wobei über wenigstens einen Verriegelungspin (28) der Rotor (3) zum Stator (2) in einer Mittenposition und zusätzlich in einer Früh-/ oder Spätposition verriegelbar ist und ein Hydraulikmittel eines von einer zum Befüllen von Arbeitskammern (6) zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) vorgegebenen Hydraulikmittelvorsorgungseinrichtung separaten aktiven Druckspeichers (9) zum Einwirken auf eine Drehbewegung des Rotors (3) genutzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikmittel des aktiven Druckspeichers (9) zum Einwirken auf eine Längsbewegung des Verriegelungspins (28) genutzt wird und/oder das Hydraulikmittel des aktiven Druckspeichers (9) zum Verhindern des Einfahrens des Verriegelungspins (28) oder mehrerer Verriegelungspins (29, 30) in eine Mittenverriegelungskulisse (31) genutzt wird.

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