DE102014212617A1

DE102014212617A1 - Mittenverriegelung für einen Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102014212617A1
Application number: DE102014212617.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Busse
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: DE102014212617B4; CN106460589A; WO2016000692A1; US10094302B2; US20170159579A1; CN106460589B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller (1) zur Steuerzeitenveränderung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, aufgebaut als ein Flügelzellen-Nockenwellenversteller, – wobei in dem Flügel (5, 6, 7) eine Steuereinrichtung (23, 24, 25) eingebracht ist, die zum selektiven Freigeben und Unterbrechen einer Strömungsverbindung (38, 39, 40) zwischen den Arbeitskammern (11, 12; 13, 14; 15, 16) ausgelegt ist, – wobei eine Verriegelungseinrichtung (29) eine Relativbewegung zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) unterbindet, indem der Rotor (3) am Stator (2) bei einer Flügelstellung fixiert ist, bei der die zusammenwirkenden Arbeitskammern (11, 12, 13, 14; 15, 16) ein übereinstimmendes Volumen aufweisen, – wobei das drei Arbeitsporte (20, 21, 22), einen P-Port (18) und einen T-Port (19) aufweisende Schaltventil (17) über ein Stellelement (27) in unterschiedliche Steuerpositionen (47a, 47c, 47d, 47e) verstellbar ist, – wobei in der Steuerposition (47a) der P-Port (18) über den A-Port (20) mit den Arbeitskammern (11, 13, 15) kommuniziert, der mit den Arbeitskammern (12, 14, 16) in Verbindung stehende B-Port (19) am Schaltventil (17) gesperrt ist und der T-Port (19) über den C-Port (22) mit der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5, 6, 7) kommuniziert, – wobei als Startstrategie für das Schaltventil (17) eine Steuerposition (47b) vorgesehen ist, bei der der A-Port (20) mit dem P-Port (18) und den Arbeitskammern (11, 13, 15), der B-Port (21) mit dem T-Port (19) und den Arbeitskammern (12, 14, 16) sowie der C-Port (22) mit der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5,6,7) und dem T-Port (19) kommuniziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Derartige Nockenwellenversteller werden eingesetzt, um die Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine während des Motorbetriebs zu verändern, um die Verbrauchswerte und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Eine in der Praxis bewährte Ausführungsform ist ein als Flügelzellenversteller aufgebauter Nockenwellenversteller mit einem Stator und einem Rotor, welche einen Ringraum begrenzen, der durch Flügel in jeweils zwei Arbeitskammern unterteilt ist. Die Arbeitskammern sind wahlweise mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbar, welches in einem Druckmittelkreislauf über eine Druckmittelpumpe aus einem Druckmittelreservoir in die Arbeitskammern an einer Flügelseite des Rotors zugeführt und aus den Arbeitskammern der jeweils anderen Flügelseite in das Druckmittelreservoir zurückgeführt wird. Die Arbeitskammern, deren Volumen dabei vergrößert wird, weisen eine Wirkrichtung auf, welche der Wirkrichtung der zugehörigen gegenüberliegenden Arbeitskammer entgegengesetzt ist. Durch die Wirkrichtung kann eine Verdrehung des Rotors entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem Stator ausgelöst werden. Die Steuerung des Druckmittelflusses und damit der Verstellbewegung des Nockenwellenverstellers schließt ein hydraulisches Mehrwege-Schaltventil ein, über das in Abhängigkeit von einer Stellung eines Ventilkörpers Durchströmöffnungen geschlossen oder freigegen werden.
Ein Problem dieser Nockenwellenversteller besteht darin, dass diese in einer Startphase noch nicht vollständig mit Druckmittel gefüllt oder leer gelaufen sind. Bei Motorstart, wenn der Öldruck innerhalb der Brennkraftmaschine noch nicht aufgebaut ist, können dadurch die von der Nockenwelle ausgeübten Wechselmomente unkontrollierte Bewegungen des Rotors gegenüber dem Stator auslösen, welche zu einem erhöhten Verschleiß und zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen können. Zur Vermeidung dieses Problems ist es bekannt, zwischen dem Rotor und dem Stator eine Verriegelungseinrichtung vorzusehen, welche den Rotor beim Abstellen der Brennkraftmaschine in einer für den Start günstigen Drehwinkelposition gegenüber dem Stator verriegelt.
Derartige Verriegelungseinrichtungen umfassen bevorzugt federbelastete Verriegelungsstifte, welche bei einer Verdrehung des Rotors sukzessiv in an dem Dichtdeckel oder dem Stator vorgesehenen Verriegelungskulissen verriegeln. Dabei ist vor dem Erreichen einer Mittenverriegelungsposition jeweils eine Verdrehung des Rotors in Richtung der Mittenverriegelung möglich, aber eine Verdrehung des Rotors in die entgegengesetzte Richtung blockiert. Nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine und/oder dem vollständigen Befüllen des Nockenwellenverstellers mit Druckmittel werden die Verriegelungsstifte druckmittelbetätigt aus den Verriegelungskulissen verdrängt, so dass der Rotor anschließend bestimmungsgemäß zur Verstellung der Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber dem Stator verdrehbar ist.
Ferner ist eine den Flügeln zugeordnete Steuereinrichtung bekannt, deren Steuerstifte in dem die Arbeitskammern trennenden Flügel positioniert sind. Mithilfe dieser Steuereinrichtung kann eine strömungstechnische Verbindung zweier entgegengesetzt wirkender Arbeitskammern hergestellt werden. Dabei werden die Steuerstifte durch Druckmittelbeaufschlagung entgegen einer Federkraft bewegt. Die Steuerstifte können so angeordnet werden, dass bei einer Druckmittelbeaufschlagung eine strömungstechnische Verbindung zwischen den Arbeitskammern unterbrochen ist. Beim Abstellen der Brennkraftmaschine werden sowohl die federbelasteten Verriegelungsstifte der Verriegelungseinrichtungen als auch die Steuerstifte der Steuereinrichtung durch die Federkraft von einer Entriegelungsposition in eine drucklose Verriegelungsposition gebracht.
Aus dem Dokument US 6 684 835 B2 ist ein hydraulischer, als Flügelzellenversteller aufgebauter Nockenwellenversteller bekannt, dessen Mittenverriegelung beim Abstellen des Motors erfolgt. Eine elektronische Steuereinheit erfasst ein Signal, das beim Abstellen des Motors erzeugt wird und Signale, die den Stand von Stator relativ zum Rotor wiedergeben. Ein elektrisches Steuerventil umfasst fünf Ports, von denen ein Port den Ölzufluss aus dem Schmierölkreislauf des Motors oder der Druckmittelpumpe aufnimmt, ein Port das Magnetventil mit allen Verriegelungskolben oder Verriegelungspins verbindet sowie zwei Ports das Magnetventil mit den Arbeitskammern A bzw. B des Nockenwellenverstellers verbinden und ein Port Tank für den Ölabfluss aus dem Magnetventil vorgesehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für die Brennkraftmaschine eine Startstrategie anzubieten, die es ermöglicht, auch bei einer aktiven Druckmittelverstellung den Nockenwellenversteller in der Mittenverriegelungsposition zu verriegeln.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe eine Startstrategie der Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die eine hydraulische Schaltung vorsieht, bei der für das Schaltventil eine zusätzliche, eine fünfte Steuerposition vorgesehen ist. In der weiteren Steuerposition besteht eine Strömungsverbindung zwischen dem A-Port und dem P-Port und folglich zwischen der Druckpumpe und den Arbeitskammern A. Der B-Port kommuniziert mit dem T-Port und folglich mit dem Ölbzw. dem Druckmittelreservoir und den Arbeitskammern B. Der C-Port verbindet die Steuereinrichtung der Flügel mit dem T-Port. Für das erfindungsgemäße Schaltventil mit fünf Anschlüssen bzw. Ports sind somit fünf auch als Kolbenpositionen zu bezeichnende Steuerpositionen vorgesehen. Ein P-Port oder Zulaufport steht mit einer Druckpumpe in Verbindung und ein T-Port oder Ablaufport ist einem Tank oder Druckmittelreservoir zugeordnet. Der A-Port bildet einen Anschluss für die Arbeitskammern und der B-Port steht mit den Arbeitskammern in Kontakt. Der weitere C-Port ist für die Steuereinrichtung der Flügel bestimmt. Die zusätzliche, zweite Steuerposition des Steuerventils folgt der ersten Steuerposition, welche bei Motorstopp angefahren wird, und befindet sich vor der dritten Steuerposition, bei welcher der Nockenwellenversteller nach FRÜH verstellt werden kann.
In dieser ergänzten zweiten Steuerposition ist übereinstimmend mit der ersten Steuerposition der C-Port mit dem T-Port bzw. dem Tank verbunden. Somit bleibt die Verriegelungskulisse der Verriegelungseinrichtung drucklos und mindestens ein Verriegelungspin kann in der Verriegelungskulisse einrasten. Abweichend zu der ersten Steuerposition des Schaltventils ist jedoch der B-Port mit dem T-Port verbunden. Die zusätzliche Steuerposition des Schaltventils nimmt positiven Einfluss auf die Kennlinie von dem Volumenstrom des Hydraulikmittels. In der zweiten Steuerposition strömt noch kein Öl bzw. Hydraulikmittel in die mit dem C-Port verbundene Hydraulikleitung. Andererseits ist die Arbeitskammer bereits mit dem T-Port verbunden, wodurch das Öl aus der Arbeitskammer verdrängt werden kann. Folglich bewirkt der vorhandene Hydraulikdruck in der Arbeitskammer eine Verstellung in Richtung FRÜH.
Vorteilhaft zeichnet sich die erfindungsgemäße Startstrategie dadurch aus, dass die mit dem C-Port verbundene Hydraulikleitung in der zusätzlichen Steuerposition drucklos geschaltet ist, wodurch die Verriegelungspins ungehindert in die Verriegelungskulisse verrasten. Außerdem wird ein nachteiliges Verstellen des Verstellers über die Mittenverriegelungsposition in Richtung FRÜH hinaus wirksam verhindert. Mit der Startstrategie gemäß der Erfindung kann primär während des Abstellvorganges der Brennkraftmaschine der hydraulische Nockenwellenversteller in die Mittenverriegelungsposition verstellt und dort verriegelt werden.
Sollte der Motor abgewürgt worden oder die Mittenverriegelung aus physikalischen Gründen nicht möglich sein, beispielsweise aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen und die damit verbundene hohe Ölviskosität, gewährleistet die erfindungsgemäße Startstrategie, die gewünschte Mittenverriegelung während des folgenden Starts der Brennkraftmaschine zu erreichen. Dafür sind die Hydraulikleitungen des Leitsystems so geschaltet, dass das Druckmittel aus einem Druckmittelraum, der zur Beaufschlagung der Steuer- und Verriegelungsstifte dient, in das Druckmittelreservoir abfließen kann. Im drucklosen Zustand der Hydraulikleitungen kann der Nockenwellenversteller in die Verriegelungsstellung gebracht und dort verriegelt werden.
In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Startstrategie angewendet werden, wenn in einer Startphase der Brennkraftmaschine der Nockenwellenversteller nicht in einer Mittenverriegelungsposition (MVP) verriegelt und sich eine Winkelposition zwischen einem SPÄT-Endanschlag und der Mittenverriegelungsposition einstellt. In der Startphase kann beispielsweise über Sensoren in Verbindung mit einem Steuergerät der Brennkraftmaschine spätestens nach einer Nockenwellenumdrehung die Winkelposition der Nockenwelle bestimmt werden. Befindet sich dann beispielsweise der Nockenwellenversteller in der Winkelposition zwischen dem SPÄT-Endanschlag und der Mittenverriegelungsposition, wird automatisch die erfindungsgemäße Startstrategie eingeleitet. Ein Schaltelement, insbesondere ein Elektromagnet des Schaltventils, wird dann so bestromt, dass dieses einen Kolben des Schaltventils in die zweite Steuerposition verschiebt.
Weiter wird erfindungsgemäß eine Anordnung der Arbeitsporte an dem Schaltventil vorgeschlagen, nach der mittig der B-Port platziert ist, der A-Port rechtsseitig und der C-Port linksseitig dazu angeordnet. Diese Portanordnung gewährleistet in der zweiten Steuerposition eine Druckbeaufschlagung der Arbeitskammern, wodurch der Nockenwellenversteller in Richtung FRÜH verstellt. Im Unterscheid dazu wurde bei der bisherigen Portanordnung in Verbindung mit den vier Steuerpositionen des Schaltventils der Nockenwellenversteller in der zweiten Steuerposition nach SPÄT verstellt und damit nicht in Richtung der Mittenverriegelungsposition.
Als Maßnahme, um die Stellbewegungen des Flügels klar zu begrenzen, ist ferner vorgesehen, dass die Verriegelungseinrichtung sowohl für eine Frühverriegelung als auch für eine Spätverriegelung getrennte Verriegelungspins aufweist. Damit kann sowohl eine ungewollte Stellbewegung des Flügels in die FRÜH-Arbeitskammer als auch in die SPÄT-Arbeitskammer wirksam verhindert werden.
Für die Funktion der Verriegelungseinrichtung ist von Vorteil, wenn der für die Frühverriegelung bestimmte Verriegelungspin in einer aus dem Rotor ausgefahrenen Position eine Hydraulikleitung trennt und folglich einen Hydraulikstrom in Richtung der Arbeitskammer A unterbindet. Entsprechend trennt auch der für die Spätverriegelung bestimmte Verriegelungspin in einer aus dem Rotor ausgefahrenen Position eine Hydraulikleitung und unterbricht damit einen die Arbeitskammer B beaufschlagenden Hydraulikstrom.
Ferner ist vorgesehen, dass alle Verriegelungspins der Verriegelungseinrichtung federbelastet eingesetzt sind. Vorzugsweise eignen sich dazu Druckfedern, deren jeweilige Federkraft bei Ausbleiben einer Gegenkraft den betreffenden Verriegelungspin aus dem Rotor in die Verriegelungskulisse drängt. Diese Maßnahme gewährleistet auch bei Wegfall des Systemdrucks bzw. des Öldrucks eine ausfallsichere Verstellung des Nockenwellenverstellers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass einer einem Flügel zugeordneten Hydraulikleitung ein erstes Rückschlagventil zugeordnet ist, um einen Hydraulikstrom von einer Arbeitskammer in die weitere Arbeitskammer zu unterbinden. Vorzugsweise für einen Hydraulikstrom von der FRÜH-Arbeitskammer in die SPÄT-Arbeitskammer. Alternativ oder ergänzend dazu kann ein zweites Rückschlagventil für die Hydraulikleitung eines weiteren Flügels vorgesehen werden mit einer zum ersten Rückschlagventil umgekehrten Wirkrichtung. Im ersten der beiden Fälle wird mit Hilfe des Rückschlagventils ein Weiterhangeln des Flügels in Richtung FRÜH erreicht, wobei im zweiten der beiden Fälle ein Weiterhangeln in Richtung SPÄT gewährleistet wird.
Ein bevorzugter Aufbau des Nockenwellenverstellers in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Maßnahme schließt zur Erzielung einer optimalen Kraftverteilung möglichst vier oder mehr Flügel ein, die symmetrisch umfangsverteilt an dem Rotor angeordnet und den Druckräumen zugeordnet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren im Einzelnen:
1 einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller in einer schematischen Darstellung;
2 einen Graph der Steuerungscharakteristik und Schaltstellungen eines Magnetventils für eine Startstrategie einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung; und
3 einen Ablaufplan zu der Startstrategie gemäß der Erfindung.
In 1 ist ein Nockenwellenversteller 1 mit einem bekannten Grundaufbau schematisch dargestellt, welcher einen von einer Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine antreibbaren Stator 2 und einen drehfest mit einer Nockenwelle (nicht gezeigt) verbundenen Rotor 3 mit einer Rotornabe 4 und mehreren sich davon radial ausgerichteten Flügeln 5, 6, 7 umfasst. Durch die Flügel 5, 6, 7 werden Druckräume 8, 9, 10 in Arbeitskammern 11 bis 16 unterteilt. Die obere Darstellung von 1 zeigt den Flügelzellenversteller in einer Abwicklung, während links unten schematisch ein Ausschnitt der Rotornabe 3 des Rotors 2 mit einer Verriegelungseinrichtung 29 abgebildet ist und rechts unten schematisch ein als Mehrwege-Schaltventil aufgebautes Schaltventil 17 zur Steuerung des Druck- oder Hydraulikmittels des Nockenwellenverstellers 1. Das erfindungsgemäße Schaltventil 17 ist ein Proportionalventil mit fünf Anschlüssen bzw. Ports sowie mit fünf Steuer- oder Kolbenpositionen 47a bis 47e. Ein P-Port 18 oder Zulaufport steht mit einer Druckpumpe in Verbindung und ein T-Port 19 oder Ablaufport ist einem Tank oder Druckmittelreservoir zugeordnet. Ein A-Port 20 bildet einen Anschluss für die Arbeitskammern 11, 13, 15 und der B-Port 21 steht mit den Arbeitskammern 12, 14, 16 in Kontakt. Der weitere C-Port 22 ist für die Steuereinrichtungen 23, 24, 25 der Flügel 5, 6, 7 bestimmt. Alle Ports sind entsprechend der Steuerposition des Schaltventils 17 entweder geöffnet oder verschlossen geschaltet. Das Schaltventil 17 ist von einem Federelement 26 druckbeaufschlagt und über ein bevorzugt als Elektromagnet ausgeführtes Stellelement 27 ist ein integrierter Kolben bedarfsgerecht in die jeweilige Steuer- oder Kolbenposition verstellbar.
Die 1 zeigt ferner einen Hydraulik- oder Druckmittelkreislauf mit einer Vielzahl von Druckmittelleitungen, die ein hydraulisches Leitsystem 28 zwischen dem Schaltventil 17 und den Druckräumen 8, 9, 10 sowie der Verriegelungseinrichtung 29 darstellt. Eine Hydraulikleitung 30 verbindet den A-Port 20 unmittelbar mit den Arbeitskammern 13, 15. Zur Arbeitskammer 11 ist ein Abzweig der Hydraulikleitung 30 über die Verriegelungseinrichtung 29 geführt. Die Hydraulikleitung 31 stellt eine Verbindung her zwischen dem B-Port 21 und den Arbeitskammern 12 und 16. Zu der weiteren Arbeitskammer 14 verläuft die Hydraulikleitung 31 über die Verriegelungseinrichtung 29. Weiterhin verbindet die Hydraulikleitung 32 den C-Port 22 mit allen Steuereinrichtungen 23 bis 25 der Flügel 5 bis 7.
Der Drehwinkel der Nockenwelle zu der Kurbelwelle im Normalbetrieb z.B. in Richtung FRÜH kann dadurch verstellt werden, dass die Arbeitskammern 11, 13, 15 über die Hydraulikleitung 30 mit Druckmittel beaufschlagt werden, wodurch sich ihr Volumen vergrößert, während gleichzeitig das Druckmittel aus den Arbeitskammern 12, 14, 16 verdrängt und folglich das Kammervolumen verringert wird. Die Richtung FRÜH ist in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet, die Richtung SPÄT verläuft entgegen der Pfeilrichtung. Die Arbeitskammern 11, 13, 15, deren Volumen sich bei der Verstellbewegung in Richtung FRÜH jeweils gruppenweise vergrößert, werden als Arbeitskammern einer Wirkrichtung bezeichnet. Die Volumenänderung der Arbeitskammern 11, 13, 15 führt dazu, dass der Rotor 3 mit den Flügeln 5, 6, 7 gegenüber dem Stator 2 verdreht wird. Das Volumen der Arbeitskammern 12, 14, 16 kann durch eine Druckmittelbeaufschlagung über den B-Port 21 des Schaltventils 17 in Verbindung mit der Hydraulikleitung 31 vergrößert werden, während sich das Volumen der Arbeitskammern 11, 13, 15 gleichzeitig durch Zurückströmen des Druckmittels über den A-Port 20 verkleinert. Diese Volumenänderung führt zu einer Verdrehung des Rotors 3 gegenüber dem Stator 2, entgegen der Pfeilrichtung in Richtung SPÄT.
Die Verriegelungseinrichtung 29 umfasst zwei auch als Verriegelungsstifte zu bezeichnende Verriegelungspins 33, 34, welche linear verschiebbar und federbelastet in einer Aufnahme 35 der Rotornabe 4 eingesetzt sind. Die Verriegelungsstifte 33, 34 sind in Richtung einer Verriegelungskulisse 36 von einem Federelement 43 federbelastet angeordnet. Um die Verstellung des Rotors 3 gegenüber dem Stator 2 zu ermöglichen, wird die Verriegelungseinrichtung 29 gelöst. Dies erfolgt, indem die Verriegelungskulisse 36 mit Druckmittel beaufschlagt wird, wozu bei entsprechender Steuerposition des Schaltventils 17 Druckmittel von dem C-Port 22 über die Hydraulikleitung 32 sowie eine weitere Hydraulikleitung 37 zugeführt wird. Durch die Druckmittelbeaufschlagung werden die Verriegelungspins 33, 34 aus der Verriegelungskulisse 36 herausgedrängt, so dass der Rotor 3 gegenüber dem Stator 2 frei drehbar ist.
In den Flügeln 5, 6, 7 sind jeweils Strömungsverbindungen 38, 39, 40 eingebracht, wobei den Strömungsverbindungen 38, 39 ein Rückschlagventil 41, 42 zugeordnet ist, welches ein Überströmen des Druckmittels bzw. Hydraulikmittels aus der Arbeitskammer 12 in die Arbeitskammer 11 bzw. aus der Arbeitskammer 13 in die Arbeitskammer 14 ermöglicht. Der Durchfluss des Druckmittels durch die Strömungsverbindungen 38, 39, 40 kann jeweils durch schaltbare, federkraftbeaufschlagte Steuerstifte 44, 45, 46 freigegeben oder gesperrt werden. Die schaltbaren, der Steuereinrichtung 23, 24, 25 zugeordneten, federkraftbeaufschlagten Steuerstifte 44, 45, 46 sind jeweils über die Hydraulikleitung 32 mit Druckmittel beaufschlagbar und sind von einer Verriegelungsposition in eine Entriegelungsposition verstellbar. In der Entriegelungsposition ist der Durchfluss durch die Strömungsverbindung 38, 39, 40 gesperrt, so dass die Arbeitskammern 11, 12; 13, 14 und 15, 16 voneinander getrennt sind.
Gemäß der in 1 gezeigten ersten Steuerposition 47a des Schaltventils 17 verrastet der Verriegelungspin 33 unterstützt durch das Federelement 43 in die Verriegelungskulisse 36, wobei diese Position einer Anschlagstellung FRÜH entspricht, bei der der Verriegelungspin 33 einen Leitungsabschnitt der Hydraulikleitung 30 und damit eine Strömungsverbindung zu der Arbeitskammer 11 unterbindet. Gleichzeitig öffnet der eingerückte Verriegelungspin 34 einen Durchgang, so dass sich über die angeschlossene Hydraulikleitung 31 eine strömungstechnische Verbindung zur Arbeitskammer 14 einstellt. Das erfindungsgemäße Schaltventil 17 kann durch eine entsprechende Bestromung des Stellelementes 27 in fünf Steuerpositionen 47a bis 47e verstellt werden, wodurch der Nockenwellenversteller 1 in unterschiedliche Positionen, beispielsweise in Richtung einer FRÜH-Verstellung oder einer SPÄT-Verstellung, verstellbar ist.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Startstrategie ist für den Fall vorgesehen, dass in einer Startphase der Brennkraftmaschine der Nockenwellenversteller 1 nicht in einer Mittenverriegelungsposition (MVP) verriegelt. In der Startphase erkennt die Steuerung der Brennkraftmaschine kurzzeitig, spätestens nach einer Nockenwellenumdrehung, die Winkelposition der Nockenwelle. Ist der Nockenwellenversteller 1 dabei nicht in der Mittenverriegelungsposition (MVP) verriegelt, sondern beispielsweise in einer Winkelposition zwischen einem SPÄT-Endanschlag und der Mittenverriegelungsposition, wird automatisch die erfindungsgemäße Startstrategie eingeleitet. Das Schaltventil 17 wird dabei so bestromt, dass dessen Kolben die Steuerposition 47b, die zweite Position anfährt. Nach kurzer Motorstillstandzeit baut sich in der Brennkraftmaschine relativ schnell ein Öldruck auf, so dass Öl als Hydraulikmittel vom P-Port 18 zum A-Port 20 und über die Hydraulikleitung 30 die Arbeitskammern 13, 15 beaufschlagt. Gleichzeitig sind die Arbeitskammern 14, 16 über die Hydraulikleitung 31, den B-Port 21 und den T-Port 19 mit dem Tank bzw. dem Druckmittelreservoir verbunden. Wie in der Steuerposition 47c, der dritten Kolbenposition, wird der Nockenwellenversteller 1 in der Steuerposition 47c in Pfeilrichtung, d.h. in Richtung FRÜH, verstellt.
Im Gegensatz zur Steuerposition 47c, aber in Übereinstimmung mit der Steuerposition 47a, ist der C-Port 22 in der Steuerposition 47b mit dem T-Port 19 verbunden, mit der Folge einer drucklosen Hydraulikleitung 32 und drucklosen Verriegelungskulisse 36, wodurch der Verriegelungspin 33 in der Verriegelungskulisse 36 eingerastet bleibt. Abweichend zu der Steuerposition 47a, der ersten Kolbenposition, die einen geschlossenen B-Port 21 vorsieht, ist in der Steuerposition 47b der B-Port 21 über den T-Port 19 ebenfalls mit dem Tank verbunden. In der ersten Steuerposition 47a ist der B-Port 21 geschlossen, damit beim Befüllen des Nockenwellenverstellers 1 in der Startphase der Brennkraftmaschine das Öl nicht aus dem Nockenwellenversteller 1 in den Tank zurückströmt. Dies führt zu einer erhöhten Druckmittel- bzw. Ölleckage, die einen notwendigen kurzfristigen Druckaufbau innerhalb der Brennkraftmaschine verhindert. Im Vergleich zu bisherigen Lösungen ist für die erfindungsgemäße Startstrategie der A-Port 20 und der B-Port vertauscht, damit der Nockenwellenversteller 2 in der zweiten Steuerposition 47b des Schaltventils 17 nach FRÜH verstellt. Bei der bisherigen Schaltung hätte der Nockenwellenversteller 1 nach SPÄT verstellt und damit nicht in Richtung der Mittenverriegelungsposition (MVP).
Der Nockenwellenversteller 1 kann aufgrund der neuen Startstrategie nur bis zur Mittenverriegelungsposition verstellen, wo er dort durch Einrasten des Verriegelungspins 34 verriegelt. Anschließend kann die Brennkraftmaschine gestartet werden. Bei längerer Stillstandzeit kann sich der Öldruckaufbau innerhalb der Brennkraftmaschine verlängern, wodurch sich der Verstellervorgang geringfügig verzögert. Die erfindungsgemäße Startstrategie kann aber auch hier angewendet werden, da ein verzögerter Öldruckaufbau keinen negativen Einfluss auf den Startvorgang hat.
Die 2 zeigt eine Ventilkennlinie des erfindungsgemäßen Schaltventils 17. In der grafischen Darstellung ist auf der Abszisse der Magnetstrom (A) des zur Verstellung des Schaltventils 17 eingesetzten Stellelementes 27 und auf der Ordinate der Volumenstrom (l/min) von dem als Hydraulik- bzw. Druckmittel bezeichneten Öls aufgetragen. Aufgrund der zusätzlichen Steuerposition 47b stellt sich eine veränderte Volumenstromkennlinie des Hydraulikmittels ein. In der Steuerposition 47b fließt noch kein Öl in den C-Port 22 und in die damit in Verbindung stehende Hydraulikleitung 32. Gleichzeitig steht der B-Port 21 mit dem T-Port 19 in Verbindung und ermöglicht über die Hydraulikleitung 31, dass Öl aus den Arbeitskammern 12, 16 in das Reservoir bzw. in den Tank verdrängt werden kann. Folglich kann der vorhandene, an dem A-Port 20 anstehende Druck über die Hydraulikleitung 30 auf die Arbeitskammern 13, 15 übertragen werden, um eine Verstellung des Nockenwellenverstellers 1 und folglich die Steuerzeiten der Gaswechselventile in Richtung FRÜH auszulösen.
In der 3 ist ein Ablaufplan der Startstrategie einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung graphisch gezeigt. Dabei sind drei unterschiedliche Liniendiagramme vertikal so übereinander zusammengefasst, dass die Abszisse eine Zeitachse für alle Diagramme bildet. Das untere Liniendiagramm zeigt ein Tastverhältnis (%) bezogen auf die unterschiedlichen Steuerpositionen 47a bis 47e des Schaltventils 17. Der Kurvenverlauf des mittleren Diagramms bezieht sich auf die Winkelposition des Verstellsystems der Nockenwelle (° NW). Das obere Diagramm zeigt den Drehzahlverlauf (U/min) der Brennkraftmaschine
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Stator
3: Rotor
4: Rotornabe
5: Flügel
6: Flügel
7: Flügel
8: Druckraum
9: Druckraum
10: Druckraum
11: Arbeitskammer
12: Arbeitskammer
13: Arbeitskammer
14: Arbeitskammer
15: Arbeitskammer
16: Arbeitskammer
17: Schaltventil
18: P-Port
19: T-Port
20: A-Port
21: B-Port
22: C-Port
23: Steuereinrichtung
24: Steuereinrichtung
25: Steuereinrichtung
26: Federelement
27: Stellelement
28: Leitsystem
29: Verriegelungseinrichtung
30: Hydraulikleitung
31: Hydraulikleitung
32: Hydraulikleitung
33: Verriegelungspin
34: Verriegelungspin
35: Aufnahme
36: Verriegelungskulisse
37: Hydraulikleitung
38: Strömungsverbindung
39: Strömungsverbindung
40: Strömungsverbindung
41: Rückschlagventil
42: Rückschlagventil
43: Federelement
44: Steuerstift
45: Steuerstift
46: Steuerstift
47a: Steuerposition
47b: Steuerposition
47c: Steuerposition
47d: Steuerposition
47e: Steuerposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6684835 B2 [0007]

Claims

Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) zur Steuerzeitenveränderung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, aufgebaut als ein Flügelzellen-Nockenwellenversteller, mit – einem Stator (2), der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und einem im Stator (2) drehbar gelagerten, mit einer Nockenwelle verbindbaren Rotor (3), – einem Leitsystem (28), das Hydraulikmittel unter Zwischenschaltung eines Schaltventils (17) sowie mit Druckmittelleitungen in zumindest zwei Druckräume (8, 9, 10) zuführt und/oder abführt, die jeweils von einem rotorfesten Flügel (5, 6, 7) in getrennte, gegeneinander wirkende Arbeitskammern (11, 12; 13, 14; 15, 16) aufgeteilt sind, wodurch eine Phasenlage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle gehalten oder gezielt verändert werden kann, – wobei in dem Flügel (5, 6, 7) eine Steuereinrichtung (23, 24, 25) eingebracht ist, die zum selektiven Freigeben und Unterbrechen einer Strömungsverbindung (38, 39, 40) zwischen den Arbeitskammern (11, 12; 13, 14; 15, 16) ausgelegt ist, – wobei eine Verriegelungseinrichtung (29) eine Relativbewegung zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) unterbindet, indem der Rotor (3) am Stator (2) bei einer Flügelstellung fixiert ist, bei der die zusammenwirkenden Arbeitskammern (11, 12; 13, 14; 15, 16) ein übereinstimmendes Volumen aufweisen, – wobei die Verriegelungseinrichtung (29) wenigstens einen Verriegelungspin (33, 34) aufweist, welcher bei einer Verdrehung des Rotors (2) aus Richtung einer Anschlagstellung FRÜH oder SPÄT in einer Mittenverriegelungsposition der Verriegelungskulisse (36) verriegelt, – wobei der Verriegelungspin (33, 34) durch eine Druckmittelbeaufschlagung von einer ersten Schaltstellung entgegen einer Federkraft in eine zweite Schaltstellung bewegbar ist, – wobei das drei Arbeitsporte (20, 21, 22) sowie als Zulauf einen P-Port (18) und als Ablauf einen T-Port (19) aufweisende hydraulische Schaltventil (17) über ein Stellelement (27) in unterschiedliche Steuerpositionen (47a, 47c, 47d, 47e) verstellbar ist, – wobei in der Steuerposition (47a) der P-Port (18) über den A-Port (20) mit den Arbeitskammern (11, 13, 15) kommuniziert, der mit den Arbeitskammern (12, 14, 16) in Verbindung stehende B-Port (19) am Schaltventil (17) gesperrt ist und der T-Port (19) über den C-Port (22) mit der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5, 6, 7) kommuniziert, – wobei in der Steuerposition (47c) der P-Port (21) über den A-Port (20) mit den Arbeitskammern (11, 13, 15), der B-Port (21) mit den Arbeitskammern (12, 14, 16) und dem T-Port (19) sowie der C-Port (22) mit der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5, 6, 7) und dem T-Port (19) kommuniziert, – wobei in der Steuerposition (47d) der A-Port (20) und der B-Port (21) an dem Schaltventil (17) gesperrt sind und der C-Port (22) mit dem T-Port (19) und der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5, 6, 7) kommuniziert, und – in der Steuerposition (47e) der A-Port () mit dem T-Port (19) und den Arbeitskammern (11, 13, 15), der B-Port (21) mit dem P-Port (18) und den Arbeitskammern (12, 14, 16) sowie der C-Port (22) mit dem P-Port (18) und der Steuereinrichtung (13, 14, 15) der Flügel (5, 6, 7) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Startstrategie vorgesehen ist, in der das Schaltventil (17) in eine Steuerposition (47b) schaltbar ist, wobei der A-Port (20) mit dem P-Port (18) und den Arbeitskammern (11, 13, 15), der B-Port (21) mit dem T-Port (19) und den Arbeitskammern (12, 14, 16) sowie der C-Port (22) mit der Steuereinrichtung (23, 24, 25) der Flügel (5, 6, 7) und dem T-Port (19) kommuniziert.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startstrategie anwendbar ist, für den Fall, dass in der Startphase der Brennkraftmaschine der Nockenwellenversteller (1) nicht in einer Mittenverriegelungsposition (MVP) verriegelt ist und sich eine Winkelposition zwischen der Mittenverriegelungsposition und einem SPÄT-Endanschlag einstellt.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der B-Port (21) des Schaltventils (17) mittig platziert ist und der A-Port (20) rechtsseitig sowie der C-Port (22) linksseitig von dem B-Port (21) positioniert ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (29) getrennte Verriegelungspins (33, 34) umfasst, wobei für eine Verriegelung in Richtung FRÜH der Verriegelungspins (33) und für eine Verriegelung in Richtung SPÄTH der Verriegelungspins (34) vorgesehen ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine Verriegelung in Richtung FRÜH bestimmte Verriegelungspin (33) in einer aus dem Rotor (3) ausgefahrenen Position eine Druckmittelströmung einer Hydraulikleitung (30) zu der Arbeitskammer (11) unterbricht.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine Verriegelung in Richtung SPÄTH bestimmte Verriegelungspin (34) in einer aus dem Rotor (3) ausgefahrenen Position eine Druckmittelströmung einer Hydraulikleitung (31) zu der Arbeitskammer (14) unterbricht.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (43) den Verriegelungspin (33, 34) der Verriegelungseinrichtung (29) aus dem Rotor (3) verschiebt, sobald eine den Verriegelungspin (33, 34) beaufschlagende Gegenkraft ausbleibt.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (2) mehr als zwei Flügel (5, 6, 7) umfasst, die jeweils symmetrisch verteilt den Druckräumen (8, 9, 10) zugeordnet sind.