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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellensteller, mit dem die relative Drehlage einer Nockenwelle gegenüber einer Drehbewegung der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors veränderbar ist, um die Zeitpunkte der Ventilöffnung oder Ventilschließung an einer Brennkammer des Verbrennungsmotors zu früheren oder späteren Zeitpunkten innerhalb des Arbeitsspiels zu verschieben. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Nockenwellensteller, der durch Öldruck-Aktuierung betätigt wird.
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Die in der Praxis bekannten Nockenwellensteller weisen einen im Wesentlichen steifen Hydraulikkreis zwischen einem Flussrichtungs-Steuerventil und einer Phasen-Steuerzelle des Nockenwellenstellers auf, in die mittels des Steuerventils zur Veränderung der relativen Drehlage das unter Druck stehende Fluid eingeführt wird.
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In der Praxis sind verschiedene Nockenwellensteller bekannt, bei denen ein Betriebsenergie-Akkumulator zwischen einer Druckquelle und dem Steuerventil angeordnet ist, wobei der Betriebsenergie-Akkumulator in der Regel während einer Haltephase, in der die relative Drehlage konstant gehalten wird, ein unter Druck zugeführtes Fluid und damit Energie einspeichert. Während einer Betätigungsphase des Nockenwellenstellers, in der die relative Drehlage durch Zufuhr eines unter Druck stehenden Fluids verändert werden soll, kann die in dem Betriebsenergie-Akkumulator gespeicherte Energie bzw. das eingespeicherte Fluidvolumen dem Nockenwellensteller bzw. einer Phasen-Steuerzelle zugeführt werden, insbesondere als Ersatz für eine Druckmittelzufuhr von einer Pumpe. Betriebsenergie-Akkumulatoren nehmen also während einer Haltephase eine Menge an Energie auf, die ausreicht, um eine Phasenverstellung durchzuführen, und geben diese während einer Betätigungsphase des Nockenwellenstellers wieder hab. Derartige Nockenwellensteller sind beispielsweise offenbart in
WO 2010/040617 A1 und
WO 2009/065728 A1 .
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Aus der
DE 10 2012 201 570 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, der in einem Außenrotor neben einer Flügelzelle einen Hohlraum als reines Fluid-Reservoir aufweist. Der Hohlraum hat starre Wandungen und dient als Volumenspeicher zum Aufnehmen einer Hydraulikflüssigkeit. Er ist über ein Rückschlagventil mit einer daneben angeordneten Flügelzelle verbunden, wobei das Rückschlagventil ausschließlich eine Strömung aus dem Hohlraum in die Flügelzelle erlaubt, um dort periodisch auftretende Unterdrücke auszugleichen. Läuft der Hohlraum mit zu viel Hydraulikflüssigkeit über, so wird der Überschuss an Hydraulikflüssigkeit über einem Tankanschluss an eine Ölwanne abgegeben. Der Hohlraum ist nicht dazu geeignet, potentielle Energie zu speichern.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Nockenwellensteller und ein zugehöriges Betriebsverfahren aufzuzeigen, durch die eine effizientere Nutzung der während einer Betätigungsphase zur Verfügung gestellten Energie in dem Nockenwellensteller bzw. ein besserer Wirkungsgrad ermöglicht wird. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale der eigenständigen Ansprüche.
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Der Nockenwellensteller gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Rotor und einem relativ dazu drehbar gelagerten zweiten Rotor. Darüber hinaus kann das Gehäuse ein oder mehrere weitere Gehäuseteile umfassen, beispielsweise Gehäusedeckel, die ein oder mehrere Räume oder Passagen in oder zwischen den Rotoren bevorzugt druckdicht verschließen.
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Der erste Rotor ist über ein Triebmittel von einer Kurbelwelle antriebbar. Er überträgt ein Drehmoment auf den zweiten Rotor, der mit einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar ist. Zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor sind eine oder mehrere Phasen-Steuerzellen gebildet.
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Mittels eines Flussrichtungs-Steuerventils (nachfolgend auch lediglich als Steuerventil bezeichnet) kann ein von einer Druckquelle zugeführtes Fluid in eine Vorlaufkammer oder eine Nachlaufkammer der Phasen-Steuerzelle eingeführt werden, während die jeweils andere Kammer druckentlastet ist. Hierdurch wird das Volumenverhältnis zwischen der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer unter Veränderung der relativen Drehlage vom ersten Rotor und zweiten Rotor verändert. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Nockenwellensteller, dessen relative Drehlage zwischen den Rotoren durch Öldruck-Aktuierung steuerbar ist.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird vorgeschlagen, dass der Nockenwellensteller zumindest einen Dämpfungs-Akkumulator aufweist, in welchem entgegen der Rückstellkraft einer elastischen Spannstruktur ein Fluidvolumen bzw. potentielle Energie speicherbar ist.
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Der Nockenwellensteller wird bevorzugt von einer Druckquelle gespeist, die einen Fluidstrom in Pulsen abgibt, d.h. in Volumenstrompulsen. Dies kann eine beliebige Pumpe sein, insbesondere eine Kolbenpumpe oder eine Flügelradpumpe. Die Ursache und Ausprägung der Volumenstrompulse können beliebig und mehrschichtig sein. Nachfolgend wird repräsentativ davon ausgegangen, dass eine Kolbenpumpe vorliegt, die üblicher Weise ein zyklisches Pumpverhalten mit einem Förderhub und einem Rückhub aufweist. Die Ausprägung der Volumenstrompulse (insb. Frequenz und Amplitude) können auch von dem Betrieb der Pumpe abhängen und sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors ändern. Wenn die Pumpe direkt oder indirekt über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben ist, wirkt sich das momentane Drehmoment aus der Verbrennung in der Bildung der Volumenstrompulse aus. Beispielsweise kann bei einer zeitweisen Zylinder-Deaktivierung eine Änderung des Frequenz- und Amplitudenverhaltens auftreten, das zu zweitweise stärkeren und zeitweise schwächeren Volumenstrompulsen führt. Die im Weiteren für eine Kolbenpumpe beschriebenen Phänomene und Anpassungen können auf beliebige andere Pumpen übertragen werden.
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Während einer Betätigungsphase des Nockenwellenstellers, in der die relative Drehlage verändert werden soll, werden mehrere Volumenstrompulse zugeführt. Durch den Dämpfungs-Akkumulator wird ein Teil der in einem Volumenpuls zugeführten Energie zwischengespeichert und in einem Folgezeitraum während der Betätigungsphase wieder abgegeben um die relative Drehlage weiter zu verändern. Dies hat verschiedene Vorteile.
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Einerseits wird die Elastizität des hydraulischen Systems zwischen dem Steuerventil und der jeweils zu befüllenden Vorlaufkammer oder Nachlaufkammer erhöht. Die Zufuhr einer bestimmten Fluidmenge während eines Volumenpulses kann somit bei einer geringeren Gegenkraft erfolgen und es werden weniger Druckspitzen erzeugt. In der Folge wird die Druckquelle, insbesondere eine Kolbenpumpe, weniger belastet, im Hydraulikkreislauf vorgesehene Rückschlagventile erfahren einen geringeren Verschleiß und der Verlustaustritt des zugeführten Fluids über Leckage wird vermindert.
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In dem Dämpfungs-Akkumulator erfolgt eine Pufferung von Energie bzw. Fluidvolumen im Mikro-Zeitbereich von einem Volumenpuls zu einem nächsten Volumenpuls. In den aus dem Stand der Technik bekannten Betriebsenergie-Akkumulatoren erfolgt hingegen eine Pufferung von Energie oder Volumen im Makro-Zeitbereich zwischen unterschiedlichen Betriebsphasen des Nockenwellenstellers, insbesondere von einer inaktiven Phase oder Haltephase, in welcher der Betriebsenergie-Akkumulator aufgeladen wird, zu einer Betätigungsphase.
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Der Dämpfungs-Akkumulator gemäß der vorliegenden Offenbarung wird während einer Betätigungsphase gemäß der Anzahl der Volumenpulse mehrfach unter Einspeicherung einer vergleichsweise geringen Energiemenge bzw. einem vergleichsweise geringen Volumen geladen und entladen (Vergleich bezogen auf Betriebsenergie-Akkumulatoren).
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Durch die Pufferung wird die in Pulsen zugeführte Pumparbeit vergleichmäßigt und möglichst kontinuierlich in Rotationsarbeit umgesetzt, sodass die Änderung der relativen Phasenlage nicht pulsierend sondern bei einem geglätteten Verlauf der Drehgeschwindigkeit verläuft, d.h. tendenziell gleichmäßig.
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Der Dämpfungs-Akkumulator ist bevorzugt schaltbar oder steuerbar ausgebildet. Er wird bevorzugt gemäß einem Verfahren betrieben, das die nachfolgenden Schritte umfasst.
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Das Steuerventil für die Zuführung des gepulsten Fluidstroms wird für die Dauer einer Betätigungsphase in einen Zustand versetzt, in dem zumindest eine Vorlaufkammer oder alternativ zumindest eine Nachlaufkammer mit dem Fluidstrom befüllt wird. Innerhalb der Betätigungsphase sind für eine gewünschte Veränderung der relativen Drehlage zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor des Nockenwellenstellers mehrere Volumenstrompulse erforderlich.
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Zeitlich überlappend mit der Betätigungsphase wird der Dämpfungs-Akkumulator aktiviert oder derart gesteuert, dass ein Teil der während eines Volumenstrompulses durch die Druckquelle verrichteten Pumparbeit in dem Dämpfungs-Akkumulator zwischengespeichert und in einem Zeitraum zwischen den Volumenstrompulsen für eine Änderung der relativen Drehlage bzw. für die Verrichtung der Rotationsarbeit wieder abgegeben wird.
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Außerhalb der Betätigungsphasen, insbesondere während Haltephasen, wird der Dämpfungs-Akkumulator bevorzugt deaktiviert oder in einen steifen Zustand geschaltet. Hierdurch wird erreicht, dass die von der Kurbelwelle her zu der Nockenwelle zu übertragenden Drehmomente im Wesentlichen direkt übertragen werden können, wodurch das exakte Halten der gewünschten relativen Drehlage begünstigt wird.
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Alternativ kann der Dämpfungs-Akkumulator auch außerhalb einer Betätigungsphase und insbesondere während einer Haltephase aktiviert sein, um beispielsweise an der Nockenwelle auftretende Wechselmomente zumindest soweit zu dämpfen, dass infolge der Wechselmomente auftretende Druckspitzen auf ein gewünschtes Maß begrenzt werden. Allerdings können außerhalb der Betätigungsphasen eine andere Elastizität und/oder ein anderer Dämpfungskoeffizient für den Dämpfungs-Akkumulator vorgesehen bzw. eingestellt sein.
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Das (Zu-)Schalten des Dämpfungs-Aktuators kann durch beliebige Mittel erfolgen, insbesondere durch Aktuatoren, durch welche die Elastizität und/oder der Dämpfungskoeffizient veränderbar sind, durch eine separate Schalteinrichtung, durch eine in das Steuerventil integrierte Schalteinrichtung oder durch einen Druckbegrenzer. Das Abschalten bzw. funktionale Deaktivieren kann dadurch erfolgen, dass die Elastizität des Dämpfungsaktuators auf einen sehr niedrigen Wert gesetzt wird, sodass auch bei hohem Druck nur eine sehr geringe Fluidmenge in dem Dämpfungs-Akkumulator aufgenommen wird. Alternativ kann das Abschalten bzw. funktionale Deaktivieren dadurch erfolgen, dass der Dämpfungskoeffizient auf einen sehr hohen Wert gesetzt wird, sodass starke Gegenkräfte schon bei einer geringen Fließgeschwindigkeit zu oder von dem Akkumulator bzw. der elastischen Spannstruktur auftreten. Beide Maßnahmen werden im Folgenden als „Steif-Schalten“ des Dämpfungs-Akkumulators bezeichnet. Sie können einzeln oder in Kombination genutzt werden.
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In den Unteransprüchen, den beigefügten Figuren sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Nockenwellenstellers gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2: eine Explosionsdarstellung eines Nockenwellstellers zur Erläuterung seiner Funktion;
- 3: eine Schemadarstellung eines hydraulischen Systems beim Betrieb eines konventionellen Nockenwellenstellers und Diagramme zur Erläuterung der hydraulischen Vorgänge;
- 4: Darstellungen gemäß Figur 3 für einen Nockenwellensteller gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 5: Eine Schemadarstellung eines Nockenwellenstellers mit einem Dämpfungs-Akkumulator in einer bevorzugten Ausführungsvariante.
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Der in 1 und 2 skizzierte Nockenwellensteller (10) umfasst ein Gehäuse (11) mit einem ersten Rotor (13) und einem zweiten Rotor (14). In dem gezeigten Beispiel sind der erste Rotor (13) ein Außenrotor und der zweite Rotor (14) ein Innenrotor. Alternativ kann eine beliebige andere Ausbildung der Rotoren (13,14) gewählt sein. Diese können beispielsweise in der Axialrichtung der Nockenwelle nebeneinander als linker Rotor und rechter Rotor ausgebildet sein. Nachfolgend wird beispielhaft von der in 1 und 2 gezeigten Ausbildung mit einem Außenrotor (13) und einem Innenrotor (14) ausgegangen, wobei alle weiteren Bestandteile des Nockenwellenstellers (10) entsprechend auf andere Ausführungsvarianten übertragbar sind.
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An den ersten Rotor (13) wird über ein Triebmittel (20) ein Drehmoment aufgebracht, das vorliegend als Eingangsmoment (TI) bezeichnet ist. Dieses Drehmoment wird über den zweiten Rotor (14) auf eine Nockenwelle (21) übertragen. Das abgegebene Drehmoment wird vorliegend als Ausgangsmoment (TO) bezeichnet.
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Zwischen dem ersten Rotor (13) und dem zweiten Rotor (14) sind eine oder mehrere Phasen-Steuerzellen (17) gebildet, die einen beliebigen Aufbau haben können. In der Praxis hat sich eine Ausbildung als Flügelzellen bewährt, weshalb nachfolgend beispielhaft von dieser Ausführungsart ausgegangen wird. In den Figuren weist der Nockenwellensteller (10) zwei Phasen-Steuerzellen (17) auf. Alternativ kann eine beliebige andere Anzahl vorgesehen sein, insbesondere drei, vier oder fünf Phasen-Steuerzellen (17), die bevorzugt gleichmäßig verteilt sind.
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Das Volumen der Phasen-Steuerzelle (17) ist gemäß den Darstellungen in 1 und 2 einerseits durch eine Fluidzelle (17a) und andererseits durch einen Flügel (17b) geteilt, der in die Flügelzelle (17a) rotatorisch verschieblich und umfangsdichtend eingesetzt ist. Der Flügel (17b) teilt die Fluidzelle (17a) in eine Vorlaufkammer (18) und einen Nachlaufkammer (19). Gemäß den Darstellungen ist die Fluidzelle (17a) am ersten Rotor (13) angeordnet und der Flügel (17b) ist am zweiten Rotor (14) angeordnet. Alternativ kann die Anordnung umgekehrt sein.
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Die relative Drehlage (phi) zwischen dem ersten Rotor (13) und dem zweiten Rotor (14) bestimmt die Phasenstellung des Nockenwellenstellers (10). Sie wird durch das Volumenverhältnis von Vorlaufkammer (18) und Nachlaufkammer (19) festgelegt. Wenn ein Fluid in die Vorlaufkammer (18) eingeführt wird, während die Nachlaufkammer druckentlastet ist, bewegt sich der zweite Rotor (14) gemäß der Darstellung in 1 im Uhrzeigersinn, wobei sich zu gleichen Anteilen das Volumen der Vorlaufkammer (18) vergrößert und das Volumen der Nachlaufkammer (19) verkleinert. Wird hingegen die Nachlaufkammer (19) mit einem unter Druck stehenden Fluid befüllt, während die Vorlaufkammer (18) druckentlastet ist, findet eine entsprechende Drehung im Gegenuhrzeigersinn stand. Die Geschwindigkeit (Änderung der relativen Phasenlage = dphi/dt) und die Beschleunigung (Beschleunigung der relativen Phasenlage = d2phi/dt2) hängen wesentlich von der Trägheit der zu bewegenden Massen (insb. Trägheitsmoment des zweiten Rotors (14) und Masse des zu bewegenden Fluids (24)) und dem (momentan und lokal veränderlichen) Druckunterschied über dem Flügel (17b) ab.
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Der Nockenwellensteller (10) weist ein Flussrichtungs-Steuerventil (15) auf oder ist mit einem solchen verbunden. Durch das Flussrichtungs-Steuerventil (15) wird der phasenbezogene Betrieb des Nockenwellenstellers (10) vorgegeben. D.h. das Steuerventil legt fest, ob der Nockenwellensteller (10) in einer Betätigungsphase ist, in der das unter Druck stehende Fluid in eine Vorlaufkammer oder eine Nachlaufkammer eingeführt wird, während die andere Kammer druckentlastet ist, oder ob der Nockenwellensteller in einer anderen Phase ist, insbesondere in einer Haltephase, in der ein Fluidstrom zu und von zumindest einer der Kammern (18, 19) blockiert ist.
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Das Flussrichtungs-Steuerventil (15) kann beliebig ausgebildet sein. Bevorzugt umfasst es einen beweglichen Schaltkörper (16), der zumindest folgende Zustände aufweist:
- • Verbinden von Steuerpassagen (31) zu den Vorlaufkammern (18) mit einer Druckquelle (23) und Entlasten von Nachlaufkammern (19) (Erste Betätigungsphase);
- • Verbinden von Steuerpassagen zu den Nachlaufkammern (18) mit der Druckquelle (23) und Entlasten von Vorlaufkammern (19) (Zweite Betätigungsphase);
- • Blockieren einer Fluidströmung zu und von den Kammern (18, 19) (Halte- oder Blockadephase).
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Es ist in der Praxis bekannt, für eine solche Steuerungsart (Öldruck-Aktuierung) bewegliche Schaltkörper bzw. Schaltspulen (
16) zu verwenden. Ein geeignetes Steuerventil ist beispielsweise aus
WO 2010/040617 A1 bekannt.
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Darüber hinaus können das Flussrichtungs-Steuerventil (15) bzw. der Schaltkörper (16) weitere Zustände bzw. Phasen ermöglichen.
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In 1 ist rein schematisch ein beweglicher Schaltkörper (16) gezeigt, der in drei Positionen anordenbar ist, um die verschiedenen Betriebsphasen für den Nockenwellensteller (10) vorzugeben. Wenn der mittlere Abschnitt des Schaltkörpers (16) gemäß der Darstellung in 1 in der Betriebsstellung ist, ist der Nockenwellensteller (10) in der ersten Betätigungsphase, in der die Vorlaufkammern (18) hydraulisch leitend mit der Druckquelle (23) verbunden sind, während die Nachlaufkammern (19) mit einer Drainageleitung verbunden sind, die zu einem Tank oder Ölsumpf hin mündet. An dem Ausgang der Drainageleitung liegt bevorzugt ein Atmosphärendruck an. Ist hingegen der linke Abschnitt des Schaltkörpers (16) in der Betriebsstellung, ist die Verschaltung umgekehrt, sodass die Nachlaufkammern (19) hydraulisch leitend mit der Druckquelle (23) und die Vorlaufkammern (18) mit der Drainageleitung verbunden sind, sodass sich der Nockenwellensteller (10) in der zweiten Betätigungsphase befindet. Wenn der rechte Abschnitt des Schaltkörpers (16) in der Betriebsstellung ist, sind die Leitungen zu den Kammern (18,19) blockiert und der Nockenwellensteller (10) befindet sich in einer Haltephase oder Blockadephase. Das Steuerventil (15) ist bevorzugt konzentrisch zur gemeinsamen Drehachse der Rotoren (13, 14) angeordnet. Der Schaltkörper (16) wird beispielweise durch ein Motorsteuergerät und einen davon gesteuerten elektrischen Aktuator (nicht dargestellt) entgegen einer Federkraft verschoben, um den gewünschten Abschnitt in die Betriebsstellung zu bringen.
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Gemäß der schematischen Darstellung links unten in 2 verbindet das Triebmittel (20) den ersten Rotor (13) direkt oder indirekt mit der Drehbewegung der Kurbelwelle (22b) eines Verbrennungsmotors (22). Die Bewegung der Kurbelwelle (22b) und der Nockenwelle (21) sind bevorzugt zueinander in einem vorgegebenen Verhältnis synchronisiert, bspw. im Verhältnis 1 zu 2 bei einem 4-Zylindermotor (Zwei Umdrehungen der Kurbelwelle führen zu einer Umdrehung der Nockenwelle). Ferner weist der erste Rotor (13) bevorzugt eine feste Phasenlage zur Kurbelwelle (22b) auf. Die Phasenlage der Nockenwelle (21) kann relativ zur Kurbelwelle (22b) durch die Betätigung des Nockenwellenstellers (10) verändert werden.
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Durch die Nockenwelle (21) werden Nocken (21a, 21b) angetrieben, die Zylinder-Ventile (22c) des Verbrennungsmotors öffnen und schließen. Das Öffnen und Schließen erfolgt mit einem bestimmten Zeitbezug zum Hebe- und Senkverhalten eines Kolbens (22a) des Verbrennungsmotors (22). Durch das Hebe- und Senkverhalten des Kolbens (22a), wird die Kurbelwelle (22b) in eine Drehbewegung versetzt. Die Kurbelwelle (22b) kann außerdem die Druckquelle (23) antreiben, die bevorzugt als Kolbenpumpe ausgeführt ist.
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3 skizziert beispielhaft das hydraulische System zwischen der pulsierend fördernden Druckquelle (23) und einer Phasen-Steuerzelle (17) bei einem konventionellen Nockenwellensteller. Weiter unten wird unter Bezugnahme auf 4 das entsprechende System unter Zuschaltung einer Dämpfungs-Akkumulators (25) erläutert. Es werden für die 3 und 4 im Wesentlichen übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Im Fall von Abweichungen ist als Hinweis auf die Zugehörigkeit zu dem konventionellen Nockenwellensteller ein * (Stern) an das Bezugszeichen angehängt.
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Die Druckquelle (23) ist in 3 und 4 als Kolbenpumpe skizziert. Der Pumpenstößel oder Pumpenkolben wird in einem Förderhub von einer maximal zurückgezogenen Lage zu einer maximal ausgefahrenen Lage um den Weg (xp) verschoben. Das während dem Förderhub verdrängte Fluidvolumen wird zu dem Steuerventil (15) hin ausgespeist. Bei einem Rückhub zieht die Kolbenpumpe aus einem Tank oder Ölsumpf (27) eine entsprechende Menge es Fluids (24) nach.
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Bei einem Förderhub schließt das zwischen der Kolbenpumpe (23) und dem Tank (27) dargestellte Rückschlagventil, während das zwischen Kolbenpumpe (23) und Steuerventil (15) gezeigte Rückschlagventil öffnet, sodass die aufgenommene Fluidmenge über die Zuführpassage (36) nur zu dem Steuerventil (15) hin gepumpt wird. Somit wird dem in 3 gezeigten hydraulischen System während eines Volumenpulses (VP) ein Volumen (vi) zugeführt, das im Wesentlichen dem Verdrängungsvolumen des Pumpenstößels während des Förderhubs entspricht.
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Es wird vorliegend davon ausgegangen, dass das Steuerventil (15) in einer Schaltposition für die erste Betätigungsphase ist und die Zuführpassage (36) mit der Steuerpassage (31) zu einer Vorlaufkammer (18) verbindet. Demensprechend wird das von der Kolbenpumpe (23) zugeführte Fluid über die Passagen (36, 31) zu der Vorlaufkammer (18) geführt.
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Das hydraulische System zwischen der Kolbenpumpe und der zu befüllenden Kammer (18, 19) weist mehrere Stellen auf, an denen es zu einem Verlustaustritt durch Leckage kommen kann. Hierzu zählen insbesondere das Steuerventil (15) sowie die Kontaktstellen zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor (13, 14) bzw. die Grenzfugen der zu befüllenden Kammer (18) gegenüber der druckentlasteten Kammer (19). Die durch Leckage ausgetretenen Volumina sind in 3 als (vleak*) und in 4 als (vleak) bezeichnet und unterscheiden sich erheblich. Der Grund für den geringeren Verlustaustritt wird nachfolgend phänomenologisch erläutert.
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Die Leckagerate, d.h. die Verlustaustrittsmenge pro Zeiteinheit, hängt wesentlich vom Differenzdruck über der Austrittsstelle und damit insbesondere vom momentanen (Innen-) Druck (p) in den fluidführenden Bestandteilen zwischen der Druckquelle (23) und der zu befüllenden Kammer (18, 19) ab. Je höher der momentane Druck (p) ansteigt, desto höher ist die Leckagerate und desto größer ist der Anteil des zugeführten Volumens (vi), der wegen des Verlustaustritts (vleak, vleak*) nicht für eine Vergrößerung der zu befüllenden Kammer (18,19) und somit nicht für eine Veränderung der relativen Drehlage (phi*, phi) nutzbar ist.
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In den Diagrammen von 3 und 4 sind die hydraulischen Folgen von zwei Volumenpulsen (VP) erläutert. Ein Volumenpuls (VP) tritt während eines Förderhubs der Pumpe in einer ersten Semiperiode (T1) auf. Während der nachfolgenden zweiten Semiperiode (T2) findet der Rückhub der Kolbenpumpe statt, in der kein Volumen zugeführt wird. Die Darstellung in 3 und 4 dient der Verdeutlichung der wesentlichen Vorgänge und ist nicht maßstabsgetreu.
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In dem konventionellen Nockenwellensteller gemäß 3 sind im Wesentlichen ausschließlich drucksteife hydraulische Komponenten mit steifen Wandungen vorgesehen. Das Fluid (24) ist in der Regel ein Schmieröl und weist eine sehr geringe Elastizität auf, d.h. das Ausmaß einer bei einem bestimmten Druck p hervorgerufenen Volumenänderung des Fluids ist gering.
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Die während eines Förderhubs in der ersten Semiperiode (T1) verrichtete Pumparbeit (WP) muss in dem Beispiel von 3 im Wesentlichen direkt in ebenfalls in der ersten Semiperiode (T1) umgesetzte Rotationsarbeit (WR) gewandelt werden. Das zur Veränderung der Drehlage (phi*) auf den Flügel (17b) aufzubringende Moment wirkt sich im Wesentlichen zeitgleich in einer Gegenkraft aus, die von der Kolbenpumpe (23) beim Förderhub überwunden werden muss. Also ist die Rückwirkung auf die Druckquelle (23) groß.
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Sobald die Kolbenpumpe (23) in der zweiten Semiperiode (T2) in den Rückhub übergeht, schließt (wegen des Unterdrucks in der Pumpkammer) das Rückschlagventil zwischen der Pumpe der Zuführpassage (36), sodass kein weiteres Fluid in die Zuführpassage (36) und die Steuerpassage (31) nachläuft. Somit kann kein weiteres Fluid in die Passagen (31, 36) nachlaufen und die Flussgeschwindigkeit in den Passagen (31, 36) geht in Richtung Null zurück. Aufgrund der steifen hydraulischen Auslegung endet hierdurch auch im Wesentlichen die Änderung der relativen Drehlage (phi*). Mit anderen Worten wird durch die gepulste Zuführung eines Fluidvolumens (vi) eine entsprechend gepulste Änderung der relativen Drehlage (phi*) erzwungen. Zwischen den Zeiten von Förderhub und Rückhub bzw. zwischen den Semiperioden (T1, T2) treten starke Druck- und Volumenstromschwankungen auf.
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Zur Änderung der relativen Drehlage (phi*) muss Trägheit überwunden werden, die insbesondere das Trägheitsmoment des zweiten Rotors (14) und die Masse des zu bewegenden Fluidvolumens umfasst. Infolge dieser Trägheit widersetzt sich das in den Passagen (36, 31) enthaltene Fluid (24) der von dem Pumpenstößel aufgezwungenen Bewegung. Mit anderen Worten wird das gemäß 3 und 4 in den Passagen (36, 31) und der Vorlaufkammer (18) enthaltene Fluid (24) immer wieder stark komprimiert oder expandiert, also zu einer Dehnung oder Stauchung gezwungen. Aufgrund der geringen Elastizität entsteht schon bei einer geringen Kompression ein hoher Druck (p).
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Insbesondere führt der Förderhub an dem Pumpenstößel zur Bildung von Druckwellen. Eine Druckwelle breitet sich mit deutlich schnellerer Geschwindigkeit in dem in den Passagen eingeschlossenen Fluidvolumen aus, als das Fluid in den Passagen (36, 31) selbst fließen kann. In den Druckwellen wird eine erhebliche Kompressionsarbeit aufgenommen.
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In dem Beispiel von 3 werden die Druckwellen über die Passagen (36,31) in die Vorlaufkammer (18) geleitet und am Flügel (17b) infolge der übergroßen Masse bzw. Trägheit des zweiten Rotors (14) und der starren Wandungen nahezu vollständig reflektiert. Sie laufen zurück in Richtung Druckquelle (23), wo sie erneut am Pumpenstößel oder am Rückschlagventil reflektiert werden und sich mit weiteren zwischenzeitlich erzeugten Druckwellen überlagern. Mit dem Lauf der Zeit wird die in den Druckwellen enthaltene Energie über innere Fluidreibung und Wärmeentwicklung dissipiert. Sie ist nicht als Rotationsarbeit (WR) nutzbar.
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Gemäß dem unteren Diagramm in 3 wird ein stark welliger Verlauf des momentanen Drucks (pp*) erzeugt. Die Spitzenwerte (lokale und absolute Peaks) des momentanen Drucks (pp*) führen infolge der Trägheit des zweiten Rotors (14) nur zu einem geringen Anteil zu einer Änderung der relativen Drehlage (phi*). Der wesentliche Energieanteil der Druckwellen bedingt vielmehr eine Vergrößerung des Verlustaustritts und damit eine Vergrößerung de nicht für die Veränderung der relativen Drehlage (phi*) nutzbaren Volumina (vleak*). Der für die Phasenstellung tatsächlich wirksame Verlauf des Drucks (pp*) ist in 3 als (peff*) bezeichnet. Der von dem zugeführten Volumen (vi) für eine Phasenstellung nutzbare Anteil ist als Volumenzuwachs (vg*) der Vorlaufkammer (18) dargestellt. Er ist um den Betrag des Verlustaustritts (vleak*) kleiner als das zugeführte Volumen (vi).
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Um das Verhältnis von genutztem Volumenzuwachs (vg*) einschätzbar zu machen, ist die bei idealer Energieübertragung durch einen Förderhub theoretisch zu erreichende Änderung der relativen Drehlage mit einer gestrichelten Linie dargestellt und als (ideal-phi) bezeichnet. Die demgegenüber geringer ausfallende tatsächliche Änderung der relativen Drehlage ist als (phi*) dargestellt.
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4 zeigt analoge Darstellungen für einen Nockenwellensteller (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Dieser weist einen Dämpfungs-Akkumulator (25) auf, in dem entgegen der Rückstellkraft einer elastischen Spannstruktur (26) ein Fluidvolumen (vac) speicherbar ist. Als elastische Spannstruktur (26) ist hier beispielhaft eine Kolbenfläche dargestellt, die durch eine Feder mit einer Elastizität (r) und einen Dämpfer mit einem Dämpfungskoeffizienten (d) belastet ist. Es handelt sich um eine repräsentative Darstellung. Die Spannstruktur (26) kann durch beliebige Mittel gebildet sein.
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Wenn in dem Dämpfungs-Akkumulator (25) ein Fluidvolumen (vac) aufgenommen wird, ändert sich die Lage (xac) einer Grenzkontur des Spannelements. Die Rückstellkraft wird gemäß der Elastizität (r) mit steigender Auslenkung (xac) größer.
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Durch die Elastizität (r) des Dämpfungs-Kondensators (25) bzw. der elastischen Spannstruktur (26) wird die Gesamtelastizität des hydraulischen Systems zwischen der Druckquelle (23) und der zu befüllenden Kammer (18, 19) gegenüber dem Beispiel in 3 erhöht. Gemäß den Darstellungen in den Erläuterungsdiagrammen wird in dem Dämpfungs-Akkumulator (25) während der ersten Haltperiode (T1), d.h. während eines Förderhubs der Pumpe (23), ein Anteil (vac) des zugeführten Volumens (vi) aufgenommen. Dementsprechend kommt es im Vergleich zu der Situation gemäß 3 zu einer geringeren Kompression des Fluids (24) in den Passagen (36, 31), sodass geringere lokale Drücke (pp) erzeugt werden. Andererseits wird durch die Pufferung erreicht, dass auch innerhalb der zweiten Semiperiode (T2) durch die Abgabe der in dem Dämpfungs-Akkumulator (25) gespeicherten Energie ein erhöhter Druck (pp) aufrechterhalten wird.
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Insbesondere können die während dem Förderhub erzeugten Druckwellen durch eine Bewegung der Grenzkontur der elastischen Spannstruktur (26) zu einem erheblichen Anteil absorbiert und damit nutzbar gemacht werden. Sie werden nicht vollständig reflektiert und somit sinkt der Anteil der dissipierten Pumparbeit. Aufgrund der Absorption treten schwächere lokale und absolute Peaks im Verlauf des Drucks (pp) auf. Insbesondere kann der maximale Druck (pmax), der während einer ersten Halbperiode (T1) auftritt erheblich gegenüber dem Beispiel in 3 gesenkt werden und die Belastung der Dichtungen wird reduziert. Somit fällt das durch Leckage austretende Fluidvolumen (vleak) erheblich geringer aus. Im Vergleich zu dem konventionellen Nockenwellensteller nach 3 wird also ein erheblich größerer Anteil des zugeführten Volumens (vi) für eine Volumenvergrößerung (vg) der zu befüllenden Kammer (18, 19) nutzbar gemacht. Der infolge geringerer Leckage (vleak) zusätzlich nutzbare Volumenzuwachs ist in 4 als (vg+) bezeichnet.
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Mit anderen Worten weist der Nockenwellensteller (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung einen besseren Wirkungsgrad auf.
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In dem Dämpfungs-Akkumulator (25) bzw. in der elastischen Spannstruktur (26) wird während der ersten Semiperiode (T1) potentielle Energie gespeichert, die in der zweiten Semiperiode (T2) für eine weitere Veränderung der relativen Drehlage (phi) nutzbar gemacht wird. Somit wird die in einem Volumenpuls (VP) eingebrachte Pumparbeit (WP) im Wesentlichen über mindestens eine gesamte Pumpperiode (Vorderhub und Rückhub/T1 + T2) als Rotationsarbeit (WR) nutzbar gemacht.
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Aus einem Vergleich der 3 und 4 ist ersichtlich, dass sich die relative Drehlage (phi) bei dem Nockenwellensteller (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung bei einem kontinuierlicheren Verlauf ändert.
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Wie sich aus der Darstellung der physikalischen Zusammenhänge nach 4 ergibt, braucht ein Dämpfungs-Akkumulator (25) keine große Kapazität (C) aufzuweisen.
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Wenn nur ein Dämpfungs-Akkumulator (25) an dem Nockenwellensteller (10) vorgesehen ist, kann die Speicherkapazität (C) in etwa gleich der Fluidmenge (vi) sein, die maximal während einem Volumenstrompuls (VP) zugeführt wird. Wenn zwei oder mehr Dämpfungs-Akkumulatoren (25) vorgesehen sind, insbesondere ein Dämpfungs-Akkumulator (25) pro Phasen-Steuerzelle (17), kann die jeweils einzelne Speicherkapazität (C) proportional kleiner gewählt sein.
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Der Betriebszustand eines Nockenwellenstellers (10) kann stark variieren. Beispielsweise ändern sich Viskosität und Kompressibilität (Elastizität) des Fluides (24) in Abhängigkeit von Temperatur, Alterung und etwaigem Eintrag von Fremdstoffen. Ferner können sich die Geschwindigkeit (Frequenz) und die Kraft, mit der die Druckquelle (23) betrieben wird, erheblich ändern.
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Wenn der Verbrennungsmotor (22) an einem Fahrzeug angeordnet ist, wird beispielsweise nach einem Kaltstart zunächst eine niedrige Drehzahl des Verbrennungsmotors (22) vorliegen und das Fluid (24) (Schmieröl des Verbrennungsmotors) wird eine geringe Temperatur haben. Demensprechend liegt eine geringe Antriebsfrequenz der Druckquelle (23) vor, die Viskosität des Fluids (24) ist hoch und die Elastizität des Fluids (24) ist gering. Also liegt ein hydraulisch vergleichsweise steifer Betriebszustand vor. Wird der Verbrennungsmotor (22) andererseits im warmgelaufenen Zustand unter Volllast betrieben, liegt eine hohe Betätigungsfrequenz der Druckquelle (23) vor, die Viskosität ist deutlich vermindert und die Elastizität des Fluids (24) ist erhöht. Also liegt ein vergleichsweise weicherer hydraulischer Zustand vor.
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Der Dämpfungs-Akkumulator (25) wird bevorzugt derart betrieben, dass seine Elastizität (r) und/oder sein Dämpfungskoeffizient (d) zur Kompensation der vorgenannten Änderungen des Betriebszustands angepasst werden. Die Anpassung kann insbesondere derart erfolgen, dass eine kritische Dämpfung für das Bewegungsverhalten der elastischen Struktur (26) erreicht wird, also ein Bewegungsverhalten, das die maximale Bewegungsgeschwindigkeit erlaubt, bei der kein wesentliches Überschwingen feststellbar ist. Eine stark überkritische Dämpfung (Bewegungsgeschwindigkeit dxac/dt geht gegen Null) kann allerdings genutzt werden, um den Dämpfungs-Akkumulator (25) steif zu schalten und somit funktional zu deaktivieren.
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Bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird eine nahezu ideale Pufferung der mit dem Volumenstrompuls (VP) zugeführten Energie erreicht, sodass die Pumpenarbeit (WP) aus der ersten Haltperiode (T1) genau auf die Gesamtperiode (T1 + T2) verteilt wird. Die Elastizität (r) und der Dämpfungskoeffizient (d) können im Wesentlichen stationär gewählt und vorgegeben sein, sodass sie beispielsweise zu einem mittleren Betriebszustand ideal und zu anderen Betriebszuständen näherungsweise passen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Elastizität (r) des Dämpfungs-Akkumulators (25) bzw. der Spannstruktur (26) und/oder der Dämpfungskoeffizient (d) des Dämpfungs-Akkumulators (25) einstellbar sind. Die Einstellbarkeit kann jeweils einerseits eine Schaltbarkeit und alternativ oder zusätzlich eine Steuerbarkeit umfassen.
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Gemäß einer einfachen Ausführung können Elastizität (r) und/oder Dämpfungskoeffizient (d) durch manuellen oder einmaligen Eingriff eingestellt werden, beispielsweise um den Betrieb des Nockenwellenstellers (10) grundsätzlich für einen bestimmten Verbrennungsmotor (22) und eine bestimmte Druckquelle (23) zu adaptieren.
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Alternativ und bevorzugt kann eine Einstellung der Elastizität (r) und/oder des Dämpfungskoeffizienten (d) mehrmals oder kontinuierlich während des Betriebs erfolgen, insbesondere auf Basis von Steuerkommandos eines Motorsteuergeräts oder eines Fahrzeugsteuergeräts. Es können eine oder mehrere (steuerbare) Aktuatoren (28, 30) vorgesehen sein, um die Elastizität (r) und/oder den Dämpfungskoeffizienten (d) zu verändern. Solche Aktuatoren (28,30) können beliebig ausgebildet sein. Weiter unten werden beispielhafte Ausführungsvarianten solcher Aktuatoren (28,30) beschrieben.
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In den 1 und 4 wurde gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante davon ausgegangen, dass ein Dämpfungs-Akkumulator (25) mit einer Steuerpassage (31) verbunden ist, die eine Vorlaufkammer (18) oder eine Nachlaufkammer (19) mit dem Steuerventil (15) verbindet. D.h. das Arbeitsvolumen (VW) des Dämpfungs-Akkumulators (25) ist zu dem Volumen der zu befüllenden Kammer (18, 19) parallel geschaltet. Gemäß einer anderen nicht dargestellten Ausführungsvariante kann ein Dämpfungs-Akkumulator (25) direkt mit einer Vorlaufkammer (18) oder einer Nachlaufkammer (19) verbunden sein, ohne dass eine Verbindung zur Steuerpassage (31) vorliegt. In diesem Fall wäre das Arbeitsvolumen (VW) des Dämpfungs-Akkumulator zu der zu befüllenden Kammer (18, 19) in Reihe geschaltet und im Hinblick auf die Strömungsrichtung des Fluids stromabwärts angeordnet. Ein Dämpfungs-Akkumulator (25) kann wiederum alternativ innerhalb einer Steuerpassage (31) eine Vorkammer zu der zu befüllenden Kammer (18, 19) bilden. Dies ist in 2 angedeutet. In diesem Fall ist das Arbeitsvolumen (VW) des Dämpfungs-Akkumulators zu dem Volumen der zu befüllenden Kammer (18, 19) in Reihe geschaltet und im Hinblick auf die Strömungsrichtung des Fluids stromaufwärts angeordnet. Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante kann ein Dämpfungs-Akkumulator (25) direkt mit dem Steuerventil (15) verbunden und nach Bedarf einer Vorlaufkammer (18) oder einer Nachlaufkammer (19) zugeschaltet werden. Diese Variante entspricht einer Parallel-Schaltung, wobei die Verzweigung zur Steuerpassage (31) im Steuerventil (15) gebildet wird.
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Eine besonders bevorzugte Variante sieht vor, dass ein Dämpfungs-Akkumulator (25) mittels des Steuerventils (15) ausschließlich während einer Betätigungsphase, in der die relative Drehlage (phi) durch eine Fluidzuführung von der Druckquelle (23) zu der Vorlaufkammer (18) oder der Nachlaufkammer (19) veränderbar ist, mit einer jeweiligen Steuerpassage (31) der zu befüllenden Kammer (18, 19) hydraulisch verbunden wird. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Dämpfungs-Akkumulator (25) in einer ersten Betätigungsphase zum Befüllen einer Vorlaufkammer mittels des Steuerventils (15) mit der Vorlaufkammer (18) verbunden ist und in einer zweiten Betätigungsphase zum Befüllen der Nachlaufkammer (19) mittels des Steuerventils (15) mit der Nachlaufkammer (19) verbunden ist. Mit anderen Worten kann durch das Steuerventil (15) ein Dämpfungs-Akkumulator (25) in unterschiedlichen Betätigungsphasen jeweils unterschiedlichen Kammern (18, 19) hydraulisch zugeschaltet werden.
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In 1 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass mehrere Dämpfungs-Akkumulatoren (25) an bzw. im ersten Rotor (13) angeordnet sind. Alternativ können eine Anordnung von einem oder mehreren Dämpfungs-Akkumulatoren (25) im zweiten Rotor (14) oder eine auf die Rotoren (13, 14) verteilte Anordnung vorgesehen sein.
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In den Figuren ist ferner beispielhaft angenommen, dass ein Dämpfungs-Akkumulator (25) jeweils an dem Rotor (13, 14) angeordnet ist, an dem auch eine Fluidzelle (17a) bzw. eine Steuerpassage (31) zum Befüllen einer jeweiligen Vorlaufkammer (18) oder einer Nachlaufkammer (19) angeordnet ist. Es ist jedoch ebenso möglich, einen Dämpfungs-Akkumulator (25) an dem jeweils anderen Rotor (14, 13) anzuordnen, also insbesondere an demjenigen Rotor (14, 13), an dem ein Flügel (17b) vorgesehen ist, der eine Fluidzelle (17a) in Vorlaufkammer (18) und die Nachlaufkammer (19) teilt.
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An bzw. hydraulisch stromaufwärts zu einem Dämpfungs-Akkumulator (25) kann ein Druckbegrenzer (34) vorgesehen sein. Der Druckbegrenzer (34) kann dazu dienen, den Dämpfungs-Akkumulator (25) nur in einem bestimmten Bereich des Drucks (pp) zuzuschalten. Mit anderen Worten kann der Druckbegrenzer (34) eine Verbindung zu dem Dämpfungs-Akkumulator (25) unterbrechen, wenn ein unterer Grenzdruck unterschritten und/oder ein oberer Grenzdruck überschritten ist. Ein Druckbegrenzer (34) stellt damit eine weitere Möglichkeit dar, einen Dämpfungs-Akkumulator (25) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Nockenwellenstellers (10) zu aktivieren bzw. zu schalten.
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Der obere sowie der untere Grenzdruck können jeweils einzeln oder gemeinsam als statische Werte festgelegt oder einstellbar sein. Ein statischer unterer Grenzdruck kann beispielsweise festgelegt sein, damit der Dämpfungs-Akkumulator (25) nur zugeschaltet wird, wenn ein Mindest-Betriebsdruck des Nockenwellenstellers (10) erreicht ist. Wenn beispielsweise bei einem längeren Stillstand des Verbrennungsmotors (22) dieser Mindest-Betriebsdruck unterschritten wird, wird infolge der Verbindungsunterbrechung durch den Druckbegrenzer ein Leerlaufen des Dämpfungs-Akkumulators (25) verhindert.
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Der Dämpfungs-Akkumulator (25) kann alternativ oder zusätzlich ein Entlastungs-Ventil (35) aufweisen, um ein im Dämpfungs-Akkumulator (25) gespeichertes Fluidvolumen oder einen gespeicherten Druck gesteuert in Richtung eines Tanks (27) oder einer Drainageleitung abzulassen. Ein solches Entlastungs-Ventil (35) kann insbesondere in Kombination mit dem vorerwähnten Druckbegrenzer (34) sinnvoll sein, damit der in dem Dämpfungs-Akkumulator (25) etwaig noch gespeicherte Druck vor der Durchführung von Revisions- oder Reparaturtätigkeiten abgelassen werden kann.
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5 zeigt beispielhaft einen solchen Dämpfungs-Akkumulator (25) mit einem Druckbegrenzer (34) und einem Entlastungs-Ventil (35). In 5 sind weiterhin zwei bevorzugte Ausführungsformen für einen Aktuator (28) zur Änderung und insbesondere Einstellung eines Dämpfungskoeffizienten (d) und eines Aktuators (30) zur Änderung und insbesondere Einstellung der Elastizität (r) skizziert.
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Der in 5 gezeigte Dämpfungs-Akkumulator (25) weist einen Doppelkammerkolben auf. Der Kolben ist durch die elastische Spannstruktur (26) belastet und steht über eine erste Grenzfläche in einer Wirkverbindung mit einem Arbeitsvolumen (VW), das gemäß der obigen Beschreibung mit der Druckquelle (23) und der zu befüllenden Kammer (18, 19) kommuniziert. Die zweite Fläche steht in einer Wirkverbindung mit einem Steuervolumen (VC), das von dem Arbeitsvolumen (VW) getrennt ist. Wenn der Kolben gemäß der Darstellung in 5 nach rechts verschoben wird, vergrößern sich sowohl das Arbeitsvolumen (VW) als auch das Steuervolumen (VC) und umgekehrt.
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Der erste Aktuator (28) ist als Dämpfungsventil bzw. steuerbare Drossel ausgeführt. Das Steuervolumen (VC) ist über eine Dämpfungs-Passage (32) mit dem Aktuator bzw. Dämpfungsventil (28) verbunden. Wenn der Kolben nach links verschoben wird, wird ein in dem Steuervolumen (VC) enthaltenes Fluid durch die Dämpfungs-Passage (32) zu dem Dämpfungsventil (28) geführt und umgekehrt. Das Dämpfungsventil (28) kann gemäß einer ersten Variante mit einem Ausgleichstank (29) verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Dämpfungsventil (28) über eine Kreislauf-Passage (33) mit einem Gegenvolumen zu dem Steuervolumen (VC) verbunden sein.
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An dem Dämpfungsventil (28) ist bevorzugt eine Drossel angeordnet, durch die ein effektiver Durchflussquerschnitt veränderbar ist, den ein Fluid passieren muss, der von oder zu dem Steuervolumen (VC) strömt. Je geringer der effektive Durchflussquerschnitt eingestellt wird, desto größer ist die Drosselung des Fluidstroms und damit der Dämpfungseffekt, der einer Bewegung des Kolbens entgegengesetzt wird. Gegebenenfalls kann für eine Flussrichtung zu und eine Flussrichtung von dem Steuervolumen jeweils ein separater Dämpfungseffekt vorgesehen sein.
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Das Dämpfungsventil (28) kann gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante in das Steuerventil (15) integriert sein. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass während einer Betätigungsphase zum Befüllen einer Vorlaufkammer (18) oder einer Nachlaufkammer (19) eine Kreislaufströmung zwischen dem Steuervolumen (VC), einem Dämpfungsventil im Steuerventil (15) und dem Gegenvolumen an der Rückseite des Kolbens stattfindet. Das in dem Steuerventil (15) integrierte Dämpfungsventil kann gegebenenfalls einen festgelegten effektiven Durchflussquerschnitt haben. Außerhalb der Betätigungsphase und insbesondere während einer Haltephase kann die Kreislaufströmung deutlich stärker beschränkt oder unterbrochen sein, beispielsweise indem durch das Steuerventil (15) die Dämpfungs-Passage (32) sowie die Kreislauf-Passage (33) blockiert werden.
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Wenn durch einen Aktuator, also beispielsweise durch das separat angeordnete Dämpfungsventil (28) oder das Steuerventil (15), eine Fluidströmung von oder zu der Dämpfungs-Passage (32) blockiert wird, kann das Steuervolumen (VC) nicht größer oder kleiner werden, sodass auch die Bewegung des Kolbens des Dämpfungs-Akkumulators (25) gemäß 5 blockiert ist. Also kann durch einen Aktuator, der den Dämpfungskoeffizienten (d) des Dämpfungs-Akkumulators (25) verändert, insbesondere durch das Dämpfungsventil (28) oder dessen Integration in das Schaltventil (15), ein Dämpfungs-Akkumulator (25) zugeschaltet bzw. funktional aktiviert und deaktiviert werden.
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Die Bewegung des Kolbens steht bei dem Dämpfungs-Akkumulator (25) gemäß 5 in gemeinsamer Wirkverbindung zu dem Steuervolumen (VC) und dem Arbeitsvolumen (VW). Eine Beschränkung der Vergrößerung oder Verkleinerung des Steuervolumens (VC) bewirkt damit auch eine Beschränkung der Vergrößerung oder Verkleinerung des Arbeitsvolumens (VW) und umgekehrt. Die Drosselung einer Fluidströmung durch die Dämpfungs-Passage (32) führt somit zu einer Dämpfung und insbesondere der einstellbaren Dämpfung der Bewegung des Doppelkolbens. Dieses Prinzip ist auf beliebige andere Ausführungsvarianten eines Dämpfungs-Akkumulators (25) übertragbar, die ein Arbeitsvolumen (WV) und ein dazu über die elastische Spannstruktur (26) gekoppeltes Steuervolumen (VC) aufweisen. Folglich kann der Dämpfungskoeffizient (d) eines Dämpfungsakkumulators (25), der ein Arbeitsvolumen (VW) und ein gekoppeltes Steuervolumen (VC) aufweist, verändert werden, indem ein Fluidstrom zu bzw. von dem Steuervolumen (VC) durch einen geeigneten Aktuator (28) gedrosselt und ggf. blockiert wird.
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Der Aktuator (30) in 5 ist als Vorspanneinrichtung ausgebildet, durch die das vom Kolben wegweisende Ende der elastischen Spannstruktur (26) zu dem Kolben hin oder von diesem weg bewegt werden kann. Eine solche Vorspanneinrichtung kann beispielsweise durch einen Hebel oder ein anderes Getriebe gebildet sein, das auf eine Feder wirkt. Daneben sind beliebige andere Vorspanneinrichtungen nutzbar.
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Die Elastizität (r) und der Dämpfungskoeffizient (d) werden bevorzugt in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Nockenwellenstellers (10) verändert. Der Betriebszustand kann insbesondere durch eine oder mehrere der folgenden Größen bestimmt sein:
- - Temperatur des Fluids (24);
- - Kompressibilität (Elastizität) des Fluids (24)
- - Viskosität des Fluids (24);
- - Drehzahl bzw. Lastzustand des Verbrennungsmotors (22);
- - Förderfrequenz der Druckquelle (23);
- - Fördervolumen (vi) der Druckquelle während eines Volumenpulses (VP);
- - Wechselmomente an der Nockenwelle (21).
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Alternativ oder zusätzlich können die Elastizität (r) und/oder der Dämpfungskoeffizient (d) des Dämpfungs-Akkumulators (10) auf einen Arbeitspunkt gesteuert oder geregelt werden, bei den die während eines Volumenstrompulses (VP) aufgenommene Energie in einem Zeitraum bis zum einem nächsten Volumenstrompuls (VP) im Wesentlichen vollständig wieder abgegeben wird. Dies kann insbesondere während einer Betätigungsphase erfolgen. Der Arbeitspunkt kann durch eine kritische Dämpfung gekennzeichnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können die Elastizität (r) und/oder der Dämpfungskoeffizient (d) eines Dämpfungs-Akkumulators (25) in Abhängigkeit von einer erfassten relativen Drehgeschwindigkeit (dphi/dt) und/oder einer erfassten relativen Drehbeschleunigung (d2phi/dt2) gesteuert werden. Die Steuerung kann mit anderen Worten derart erfolgen, dass eine möglichst kontinuierliche Änderung der relativen Drehlage (phi*) erreicht wird. Wenn ein Energieübertrag von einer ersten Semiperiode (T1) zu einer zweiten Semiperiode (T2) zu gering ist, ist die Elastizität (r) zu gering gewählt. Es tritt eine stark gepulste bzw. diskontinuierliche Drehgeschwindigkeit auf. In einem solchen Fall kann die Elastizität (r) erhöht werden. Wenn ein Dämpfungskoeffizient (d) zu gering gewählt ist, kann es zum Überschwingen der elastischen Spannstruktur (26), dessen Frequenz von der Förderfrequenz der Druckquelle (23) abweicht. Durch Erhöhung des Dämpfungskoeffizienten (d) kann dieses Überschwingen begrenzt oder eliminiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Elastizität (r) und/oder der Dämpfungskoeffizient (d) eines Dämpfungs-Akkumulators (25) in Abhängigkeit von einem erfassten Verlauf des Druck (p) in dem Nockenwellensteller (10) gesteuert oder geregelt werden. Eine Druckmessung kann bevorzugt durch mindestens einen Drucksensor (nicht dargestellt) erfolgen, der beispielsweise einen Druck in dem Arbeitsvolumen (VW) des Dämpfungs-Kondensators (25), in der zu befüllenden Kammer (18, 19) oder in einer Steuerpassage (31, 31 ‘) erfasst.
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Das Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellensteller gemäß der vorliegenden Offenbarung kann bevorzugt durch ein Motorsteuergerät oder ein Fahrzeugsteuergerät ausgeführt werden, das mit dem Steuerventil (15) und etwaig den Aktoren (28, 30) und/oder Messeinrichtungen zur Erfassung der relativen Drehlage (phi) und/oder einem Drucksensor verbunden ist. Es kann weiterhin in der Form von Anweisungen vorliegen, die in einem Softwareprodukt enthalten sind, das auf einem Steuergerät installiert oder installierbar ist.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den Ausführungsbeispielen gezeigten, beschriebenen oder in sonstiger Weise offenbarten Merkmale in beliebiger Weise kombiniert, vertauscht oder weggelassen werden.
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Bezugszeichenliste
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| 10 |
Nockenwellensteller |
Cam shaft angle shifter / Variable cam shaft timing device |
| 11 |
Gehäuse |
Housing |
| 12 |
Gehäuseteil / Deckel |
Housing part / Cover |
| 13 |
Erster Rotor / Außenrotor |
First Rotor / Outer rotor |
| 14 |
Zweiter Rotor / Innenrotor |
Second Rotor / Inner rotor |
| 15 |
Flussrichtungs- Steuerventil |
Flow direction control valve |
| 16 |
beweglicher Schaltkörper / Schaltspule |
Movable switching body / switching spool |
| 17 |
Phasen-Steuerzelle |
Phase control cell |
| 17a |
Fluidzelle |
Fluid cell |
| 17b |
Flügel |
Blade |
| 18 |
Vorlaufkammer |
Advance chamber |
| 19 |
Nachlaufkammer |
Retard chamber |
| 20 |
Triebmittel / Band / Kette / Zahntrieb |
Driving means / Belt / chain / sprocket drive |
| 21 |
Nockenwelle |
Cam shaft |
| 22 |
Verbrennungsmotor |
Internal combustion engine |
| 22a |
Kolben |
Piston |
| 22b |
Kurbelwelle |
Crank shaft |
| 22c |
Zylinder-Ventile |
Cylinder valves |
| 23 |
Druckquelle / Kolbenpumpe |
Pressure source / piston pump |
| 24 |
Fluid / Öl |
Fluid / Oil |
| 25 |
Dämpfungs-Akkumulator |
Damping accumulator |
| 26 |
Elastische Spannstruktur |
Elastic tension structure |
| 27 |
Tank / Ölsumpf |
Tank / oil sump |
| 28 |
Aktuator / Dämpfungsventil / Steuerbare Drossel |
Actuator / Damping valve / Controllable restrictor |
| 29 |
Ausgleichstank |
Surge tank |
| 30 |
Aktuator / Vorspanneinrichtung |
Actuator / Pre-tensioning device |
| 31 |
Steuerpassage zu Vorlaufkammer |
Control passage to advance chamber |
| 31' |
Steuerpassage zu Nachlaufkammer |
Control passage to retard chamber |
| 32 |
Dämpfungs-Passage |
Damping passage |
| 33 |
Kreislauf-Passage |
Circulation passage |
| 34 |
Druckbegrenzer |
Pressure limiter |
| 35 |
Entlastungs-Ventil |
Relieve valve |
| 36 |
Zuführ-Passage |
Supply passage |
| C |
Speicherkapazität |
Storage capacity |
| d |
Dämpfungskoeffizient |
Damping coefficient |
| r |
Elastizität |
Resiliency |
| T1 |
Erste Semiperiode |
First semi period |
| T2 |
Zweite Semiperiode |
Second semi period |
| TI |
Eingangsmoment |
Input torque |
| TO |
Ausgangsmoment |
Output torque |
| VC |
Steuervolumen |
Control volume |
| VP |
Volumenstrompuls |
Volume flow pulse |
| VW |
Arbeitsvolumen |
Working volume |
| WP |
Pumparbeit |
Pumping work |
| WR |
Rotationsarbeit |
Rotational Work |
| phi |
Drehlage |
Rotational position |
| p |
Druck |
Pressure |
| peff |
Wirksamer Druck für Phasenstellung |
Effective pressure for phasing control |
| pmax |
Maximaler Druck |
Maximum pressure |
| vac |
Volumen in Akkumulator |
Volume in accumulator |
| vg |
Volumenzuwachs in Kammer |
Volume gain in chamber |
| vi |
Zugeführtes Volumen an Pumpe |
Input volume at pump |
| vleak |
Leckage-Volumen durch Verlustaustritt |
Leakage volume by outflow loss |
| xac |
Lage Kontaktkörper |
Position of contact body |
| xp |
Lage Pumpenstößel |
Position of pump piston |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/040617 A1 [0003, 0031]
- WO 2009/065728 A1 [0003]
- DE 102012201570 A1 [0004]
