DE102015208456A1 - Cam Phaser System - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen ist eine Vorrichtung (1) zur Verstellung der relativen Winkellage zwischen zumindest einer Nockenwelle (2) und einer Kurbelwelle (3) einer Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle (2), einer Kurbelwelle (3) und einem Verstellmechanismus (4, 9, 15) zur Verstellung der relativen Winkellage zwischen zumindest einer Nockenwelle (2) und einer Kurbelwelle (3) einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Verstellmechanismus (4) an der Kurbelwelle (3) angeordnet ist.Proposed is a device (1) for adjusting the relative angular position between at least one camshaft (2) and a crankshaft (3) of an internal combustion engine having a camshaft (2), a crankshaft (3) and an adjusting mechanism (4, 9, 15) for Adjusting the relative angular position between at least one camshaft (2) and a crankshaft (3) of an internal combustion engine, characterized in that a first adjusting mechanism (4) on the crankshaft (3) is arranged.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der relativen Winkellage zwischen zumindest einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle.The invention relates to a device for adjusting the relative angular position between at least one camshaft and a crankshaft.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.Camshaft adjusters are used in internal combustion engines for varying the timing of the combustion chamber valves in order to make the phase relation between a crankshaft and a camshaft in a defined angular range, between a maximum early and a maximum late position, variable. Adjusting the timing to the current load and speed reduces fuel consumption and emissions. For this purpose, camshaft adjuster are integrated into a drive train, via which a torque is transmitted from the crankshaft to the camshaft. This drive train may be formed for example as a belt, chain or gear drive.
Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern aus, welche mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.In a hydraulic camshaft adjuster, the output element and the drive element form one or more pairs of mutually acting pressure chambers, which can be acted upon by hydraulic fluid. The drive element and the output element are arranged coaxially. By filling and emptying individual pressure chambers, a relative movement between the drive element and the output element is generated. The rotationally acting on between the drive element and the output element spring urges the drive element relative to the output element in an advantageous direction. This advantage direction can be the same or opposite to the direction of rotation.
Eine Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Der Rotor ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Der Stator und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Der Rotor ist koaxial zum Stator und innerhalb des Stators angeordnet. Der Rotor und der Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor bzw. dem Stator ausgebildet oder als „gesteckte Flügel“ in dafür vorgesehene Nuten des Rotors bzw. des Stators angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert. One type of hydraulic phaser is the vane phaser. The vane cell adjuster comprises a stator, a rotor and a drive wheel with an external toothing. The rotor is designed as a driven element usually rotatably connected to the camshaft. The drive element includes the stator and the drive wheel. The stator and the drive wheel are rotatably connected to each other or alternatively formed integrally with each other. The rotor is coaxial with the stator and located inside the stator. The rotor and the stator are characterized by their, radially extending wings, oppositely acting oil chambers, which are acted upon by oil pressure and allow relative rotation between the stator and the rotor. The wings are either formed integrally with the rotor or the stator or arranged as "inserted wings" in designated grooves of the rotor or the stator. Furthermore, the vane cell adjusters have various sealing lids. The stator and the sealing lids are secured together via several screw connections.
Eine andere Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt. Another type of hydraulic phaser is the axial piston phaser. Here, a displacement element is axially displaced via oil pressure, which generates a helical gear teeth relative rotation between a drive element and an output element.
Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor oder eine Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Eine Feder kann zusätzlich angeordnet werden, welche die Relativdrehung zwischen Antriebselement und Abtriebselement unterstützt oder zurückführt.Another design of a camshaft adjuster is the electromechanical camshaft adjuster having a three-shaft gear (for example, a planetary gear). One of the shafts forms the drive element and a second shaft forms the output element. About the third wave, the system by means of an adjusting device, such as an electric motor or a brake, rotational energy supplied or removed from the system. A spring may additionally be arranged, which supports or returns the relative rotation between the drive element and output element.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verstellung der relativen Winkellage zwischen zumindest einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle anzugeben, die eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.The object of the invention is to provide a device for adjusting the relative angular position between at least one camshaft and a crankshaft, which has an improved performance.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is solved by the features of
Der erfindungsgemäße Verstellmechanismus enthält die Bauteile der bekannten Nockenwellenversteller und gleich sich auch in der Funktion der Verstellung mit den bekannten Nockenwellenverstellern.The adjusting mechanism according to the invention contains the components of the known camshaft adjuster and the same also in the function of the adjustment with the known camshaft adjusters.
Hierdurch werden mehrere Effekte erzielt. Zum Einen können mehrere Nockenwellen mit einem einzigen Verstellmechanismus verstellt werden, wodurch die Anzahl der Verstellmechanismen und somit auch die Kosten reduziert werden. Zum Anderen kann mittels des an der Kurbelwelle angeordneten Verstellmechanismus ein Direktstart der Brennkraftmaschine realisiert werden. Der Motor wird beim Direktstart ohne Anlasser zum Laufen gebracht. Das Motorsteuergerät identifiziert mit Hilfe eines Sensors, in welchem Zylinder der Kolben die günstigste Position nach dem oberen Totpunkt (gemessen in Grad Kurbelwinkel) einnimmt. Dann wird in diesen Brennraum direkt eingespritzt und gezündet. Auf diese Weise entsteht genügend Drehmoment, um den Motor in Bewegung zu setzen.This achieves several effects. On the one hand several camshafts can be adjusted with a single adjustment mechanism, whereby the number of adjustment mechanisms and thus the costs are reduced. On the other hand, a direct start of the internal combustion engine can be realized by means of the adjusting mechanism arranged on the crankshaft. The engine is started up without a starter when starting directly. The engine control unit uses a sensor to identify in which cylinder the piston occupies the most favorable position after top dead center (measured in degrees crank angle). Then it is injected directly into this combustion chamber and ignited. In this way, enough torque is generated to set the engine in motion.
Sollte ein Kolben nicht exakt im oberen Totpunkt stehen, so kann die Kurbelwelle durch den Verstellmechanismus, welcher bspw. elektrisch angetrieben wird, im verriegelten Zustand gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung in die Position des oberen Totpunktes oder eines anderen für diese Zündung sinnvollen Position bewegt werden, um anschließend den obenstehenden Prozess zum Startvorgang der Brennkraftmaschine zu durchlaufen. Zur Unterstützung kann ein konventioneller – wenn auch ein kleiner und an den Direktstart angepasster – Startermotor vorhanden sein. Vorteilhafterweise kann so ein Start-Stopp-Betrieb sehr einfach und unter Reduzierung von Gewicht realisiert werden. If a piston is not exactly at top dead center, so the crankshaft can be moved in the locked state according to the device according to the invention in the position of top dead center or another meaningful for this ignition position by the adjusting mechanism, which, for example, electrically driven to then go through the above process to start the engine. To support a conventional - albeit a small and adapted to the direct start - starter motor may be present. Advantageously, such a start-stop operation can be realized very easily and with a reduction in weight.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstellmechanismus an einem Ende der Kurbelwelle angeordnet ist. Gegenüber der Anordnung des Verstellmechanismus zwischen den Kurbelgewichten, hat die endseitige Anordnung des Verstellmechanismus den Vorteil der einfachen Montage. Zudem ist der Zugang zum Steuertrieb erleichtert, um die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen in der Winkellage zur Kurbelwelle einzustellen.In one embodiment of the invention, the adjusting mechanism is arranged at one end of the crankshaft. Compared with the arrangement of the adjusting mechanism between the crank weights, the end-side arrangement of the adjusting mechanism has the advantage of easy installation. In addition, access to the control drive is facilitated to adjust the camshaft or the camshaft in the angular position to the crankshaft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verstellmechanismus einen Stator mit einem dazu drehfest angeordneten Zahnkranz auf, wobei der Zahnkranz im Eingriff mit dem Steuertrieb steht, welcher ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die zumindest eine Nockenwelle überträgt und der Verstellmechanismus einen zum Stator relativverdrehbar angeordneten Rotor aufweist, welcher mit der Kurbelwelle drehfest verbunden ist.In an advantageous embodiment, the adjusting mechanism has a stator with a toothed ring arranged thereon in a rotationally fixed manner, the toothed rim being in engagement with the control drive, which transmits a torque from the crankshaft to the at least one camshaft and the adjusting mechanism has a rotor arranged so as to be relatively rotatable relative to the stator, which is rotatably connected to the crankshaft.
Der Zahnkranz kann für der Eingriff mit einer Kette, einem Riemen oder einem Zahnrad ausgebildet sein. Der Steuertrieb kann folglich als Kettentrieb, Riementrieb oder Zahnradtrieb ausgebildet sein, womit das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle bzw. Nockenwellen übertragen werden kann. Eine Winkellagenverstellung zwischen dem Stator und dem Rotor, wobei entweder der Stator oder der Rotor mit der Kurbelwelle verbunden ist und das entsprechend andere Bauteil mit dem Zahnkranz drehfest verbunden ist, hat somit Auswirkungen auf die Winkellage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle bzw. der Nockenwellen. The sprocket may be designed for engagement with a chain, a belt or a gear. The timing drive can thus be designed as a chain drive, belt drive or gear drive, whereby the torque can be transmitted from the crankshaft to the camshaft or camshaft. An angular position adjustment between the stator and the rotor, wherein either the stator or the rotor is connected to the crankshaft and the corresponding other component with the ring gear is rotatably connected, thus affecting the angular position between the crankshaft and the camshaft and the camshaft.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Energiequelle des Verstellmechanismus zur Verstellung elektrisch, hydraulisch oder mechanisch. Sind mehrere Verstellmechanismen innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet, so können verschiedene Verstellmechanismen von verschiedenen Energiequellen betrieben werden, die die Verstellung der Winkellage bewirken. In a particularly preferred embodiment, the power source of the adjusting mechanism for adjusting electrically, hydraulically or mechanically. If a plurality of adjusting mechanisms are arranged within the device according to the invention, different adjusting mechanisms can be operated by different energy sources, which effect the adjustment of the angular position.
Der Einsatz hydraulisch betriebener Verstellmechanismen bietet sich bspw. an der Position der Kurbelwelle an, da die Ölwege zum Tank kurz sind. Das Öl muss somit nicht durch eine aufwändige Ölgalerie gepumpt werden und somit auch nicht unnötige Höhen innerhalb der Brennkraftmaschine überwinden. Der hydraulische Verstellmechanismus kann folglich sehr schnell angesteuert werden und reagiert demnach auch sehr schnell auf die Betriebsparameter. Gleichenfalls wird durch die kurzen Ölwege die Anreicherung mit Luft im Öl vermieden, da die Ölgalerie zur Versorgung des hydraulischen Verstellmechanismus einfacher und für diesen Zweck strömungsoptimiert gestaltet werden kann.The use of hydraulically operated adjustment mechanisms lends itself, for example, to the position of the crankshaft, since the oil paths to the tank are short. Thus, the oil does not have to be pumped through a complex oil gallery and thus not overcome unnecessary heights within the internal combustion engine. The hydraulic adjusting mechanism can therefore be controlled very quickly and therefore also reacts very quickly to the operating parameters. Likewise, the short oil paths avoid the accumulation of air in the oil since the oil gallery can be made simpler and flow-optimized to supply the hydraulic adjustment mechanism.
Elektromechanisch betriebene Verstellmechanismen beziehen ihre Energie zum Verstellen der Winkellage von einem Elektromotor, welcher über ein Verstellgetriebe den Stator gegenüber dem Rotor verdreht. Ein solcher Elektromotor kann, wie eingangs bereits beschrieben, für den Direktstart der Brennkraftmaschine genutzt werden. Electromechanically operated adjusting mechanisms draw their energy for adjusting the angular position of an electric motor, which rotates via an adjusting the stator relative to the rotor. Such an electric motor can, as already described, be used for the direct start of the internal combustion engine.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen weiteren Verstellmechanismus auf, der an der zumindest einen Nockenwelle angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann so der Verstellbereich zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle erhöht werden. Der weitere Verstellmechanismus, bzw. der zweite Verstellmechanismus, kann an der Einlassnockenwelle oder an der Auslassnockenwelle angeordnet sein. In one embodiment of the invention, the device has a further adjusting mechanism, which is arranged on the at least one camshaft. Advantageously, the adjustment range between crankshaft and camshaft can thus be increased. The further adjusting mechanism or the second adjusting mechanism can be arranged on the intake camshaft or on the exhaust camshaft.
In einer bevorzugten Ausbildung weist der Zahnkranz des Verstellmechanismus eine unrunde Form auf. Vorteilhafterweise können mit einer gezielt winkelorientierten Anordnung eines unrunden Zahnkranzes am Verstellmechanismus die im Steuertrieb auftretenden Schwingungen, welche bspw. durch Nockenwellenwechselmomente entstehen, reduziert oder getilgt werden. Der Zahnkranz kann hierbei, wie oben beschrieben, für den Eingriff mit einer Kette, einem Riemen oder einem Zahnrad ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the ring gear of the adjusting mechanism has a non-circular shape. Advantageously, with a targeted angular arrangement of a non-circular sprocket on the adjusting the oscillations occurring in the timing drive, which arise, for example. By camshaft alternating torques can be reduced or eliminated. The sprocket can here, as described above, be designed for engagement with a chain, a belt or a gear.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zwei Nockenwellen, wobei zwei Verstellmechanismen an der Kurbelwelle angeordnet sind und jeder Verstellmechanismus die relative Winkellage zu einer der Nockenwellen einstellen kann. Vorteilhafterweise kann die axiale Baulänge an den jeweiligen Nockenwellen eingespart werden, wobei jede Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle in ihrer Winkellage eingestellt werden kann. Die beiden Verstellmechanismen an der Kurbelwelle können bevorzugterweise jeweils an dem Ende der Kurbelwelle angebracht werden.In a further embodiment of the invention, the device comprises two camshafts, wherein two adjusting mechanisms are arranged on the crankshaft and each adjusting mechanism can set the relative angular position to one of the camshafts. Advantageously, the axial length can be saved on the respective camshafts, each camshaft can be adjusted relative to the crankshaft in its angular position. The two adjusting mechanisms on the crankshaft may preferably be attached to the end of the crankshaft, respectively.
In einer Ausbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zwei Nockenwellen, wobei an jeder der Nockenwellen ein Verstellmechanismus angeordnet ist. In dieser Ausführung der Erfindung ist an jeder vorhandenen Nockenwelle ein Verstellmechanismus angeordnet. So wird die Steuerzeit zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle insgesamt durch den an der Kurbelwelle angeordneten Verstellmechanismus bestimmt, wobei zwischen der Einlassnockenwelle und der Auslassnockenwelle eine Steuerzeitenverschiebung bzw. eine Ventilhubüberschneidung realisiert werden kann.In one embodiment of the invention, the device comprises two camshafts, wherein an adjusting mechanism is arranged on each of the camshafts. In this embodiment of the invention is on each existing camshaft arranged an adjusting mechanism. Thus, the timing between the camshaft and the crankshaft as a whole is determined by the adjusting mechanism disposed on the crankshaft, and a timing shift or valve lift overlap can be realized between the intake camshaft and the exhaust camshaft.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung hat die Vorrichtung zumindest zwei Nockenwellen, wobei lediglich die Einlassventile in der Steuerzeit zur Kurbelwelle eingestellt werden können. Insbesondere bei V- oder W-Motoren sind mehrere Nockenwellen zur Betätigung der Einlassventile vorhanden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the device has at least two camshafts, wherein only the intake valves can be adjusted to the crankshaft in the control time. Especially with V or W engines, multiple camshafts are available to operate the intake valves.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zumindest zwei Nockenwellen, wobei lediglich die Auslassventile in der Steuerzeit zur Kurbelwelle eingestellt werden können. Insbesondere bei V- oder W-Motoren sind mehrere Nockenwellen zur Betätigung der Auslassventile vorhanden.In a further embodiment of the invention, the device comprises at least two camshafts, wherein only the exhaust valves can be adjusted in the control time to the crankshaft. Especially with V or W engines, there are multiple camshafts to operate the exhaust valves.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Verstellung von Steuerzeiten zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, wobei eine Nockenwelle sowohl Einlass als auch Auslassventile betätigt (gedrehter Ventilstern).The invention also relates to a device for adjusting control times between a camshaft and a crankshaft of the internal combustion engine, wherein a camshaft actuates both inlet and exhaust valves (rotated valve star).
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Bauraumersparnis im oberen Teil des Motors, eine Bauteilreduzierung und somit eine Kostenersparnis erreicht. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Direktstart ermöglicht.By the device according to the invention a space savings in the upper part of the engine, a component reduction and thus a cost saving is achieved. In addition, a direct start is made possible by the device according to the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.Embodiments of the invention are illustrated in the figures.
Es zeigen:Show it:
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die linke Seite der
Die Vorrichtung
Der Verstellmechanismus
Alternativ kann anstatt eines hydraulisch betätigbaren Verstellmechanismus
Das Abtriebselement
Das obere Diagramm auf der rechten Seite der
Die linke Seite der
Grundsätzlich baut das zweite Ausführungsbeispiel auf dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Das zweite Ausführungsbeispiel wurde um einen zweiten Verstellmechanismus
Durch den zusätzlichen zweiten Verstellmechanismus
Das obere Diagramm auf der rechten Seite der
Das untere Diagramm auf der rechten Seite der
Alternativ können die beiden Diagramme eine Steuerzeit abbilden, die sich von den oben genannten und beschriebenen jeweiligen Diagramm insofern unterscheidet, dass die durch den ersten Verstellmechanismus
Die linke Seite der
Grundsätzlich baut das dritte Ausführungsbeispiel auf dem zweiten Ausführungsbeispiel auf. Das dritte Ausführungsbeispiel wurde um einen dritten Verstellmechanismus
Durch den zusätzlichen dritten Verstellmechanismus
Das obere Diagramm auf der rechten Seite der
Das untere Diagramm auf der rechten Seite der
Alternativ können die beiden Diagramme eine Steuerzeit abbilden, die sich von den oben genannten und beschriebenen jeweiligen Diagramm insofern unterscheidet, dass die durch den ersten Verstellmechanismus
Die linke Seite der
Grundsätzlich ist die Wirkungsweise gleich der in der
Zusätzlich können weitere Verstellmechanismen analog zu den
Durch die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Durch die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung contraption
- 22
- Nockenwelle camshaft
- 33
- Kurbelwelle crankshaft
- 44
- erster Verstellmechanismus first adjustment mechanism
- 55
- Steuertrieb Timing
- 66
- Kettenrad Sprocket
- 77
- Abtriebselement output element
- 88th
- Antriebselement driving element
- 99
- zweiter Verstellmechanismus second adjustment mechanism
- 1010
- Ventilerhebungskurve EinlassValve lift curve inlet
- 1111
- Ventilerhebungskurve AuslassValve lift curve outlet
- 1212
- Verstellrichtungadjustment
- 1313
- Verstellrichtungadjustment
- 1414
- Verstellrichtungadjustment
- 1515
- dritter Verstellmechanismusthird adjustment mechanism
Claims (10)
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