DE102020125949A1

DE102020125949A1 - Nockenwellenverstellsystem und Verfahren zum Betreiben dieses Nockenwellenverstellsystems

Info

Publication number: DE102020125949A1
Application number: DE102020125949.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Romanez; Gerhard Scheidig; Enno Schmitt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem (1) mit einem, zumindest eine Arbeitskammer (2) aufweisenden, hydraulischen Nockenwellenversteller (3), wobei die zumindest eine Arbeitskammer (2) zwischen einem Antriebsteil (4) und einem relativ zu dem Antriebsteil (4) verdrehbaren, zum Befestigen an einer Nockenwelle (5) vorbereiteten Abtriebsteil (6) des Nockenwellenverstellers (3) wirkend eingesetzt ist sowie derart in eine erste Teilkammer (7a) und eine entgegen der ersten Teilkammer (7a) wirkende zweite Teilkammer (7b) unterteilt ist, dass die erste Teilkammer (7a) bei Erfahren einer Volumenvergrößerung das Abtriebsteil (6) relativ zu dem Antriebsteil (4) in eine Spätstellung drängt und die zweite Teilkammer (7b) bei Erfahren einer Volumenvergrößerung das Abtriebsteil (6) relativ zu dem Antriebsteil (4) in eine Frühstellung drängt, wobei eine mittels eines Aktuators (8) unabhängig von einer hydraulischen Ansteuerung des Nockenwellenverstellers (3) aktivierbare Freilaufeinheit (9) vorhanden ist, und wobei die Freilaufeinheit (9) derart eingesetzt ist, dass sie in ihrem aktivierten Zustand eine Verdrehung des Abtriebsteils (6) Richtung Frühstellung freigibt und eine Verdrehung des Abtriebsteils (6) Richtung Spätstellung blockiert. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines an einer Verbrennungskraftmaschine (14) angebrachten Nockenwellenverstellsystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem mit einem, zumindest eine Arbeitskammer aufweisenden, hydraulischen Nockenwellenversteller, wobei die zumindest eine Arbeitskammer zwischen einem Antriebsteil und einem relativ zu dem Antriebsteil (in einem begrenzt Winkelbereich) verdrehbaren, zum Befestigen an einer Nockenwelle vorbereiteten Abtriebsteil des Nockenwellenverstellers wirkend eingesetzt ist sowie derart in eine erste Teilkammer und eine entgegen der ersten Teilkammer wirkende zweite Teilkammer unterteilt ist, dass die erste Teilkammer bei Erfahren einer Volumenvergrößerung (der ersten Teilkammer) das Abtriebsteil relativ zu dem Antriebsteil in eine Spätstellung drängt und die zweite Teilkammer bei Erfahren einer Volumenvergrößerung (der zweiten Teilkammer) das Abtriebsteil relativ zu dem Antriebsteil in eine Frühstellung drängt.
Gattungsgemäße Nockenwellenverstellsysteme sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 11 2014 000 742 T5 ein System mit einem Nockenwellenversteller mit zwei Verriegelungsstiften für eine Verriegelung in einer Zwischenphasen-Winkelposition oder einer voll vorgelaufenen Position. Ein ähnlicher Stand der Technik ist aus der DE 11 2014 000 585 T5 bekannt. Die DE 10 2013 219 075 A1 offenbart eine Multiverriegelung eines Nockenwellenverstellers sowie ein Verfahren zum Betrieb des Nockenwellenverstellers.
Aus dem Stand der Technik sind somit bereits verschiedene hydraulische Nockenwellenversteller bekannt, die unterschiedliche Verriegelungsstrategien mit Stiften umsetzen. Dabei hat es sich für einen Einsatz in hybriden Antriebssträngen jedoch herausgestellt, dass bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine häufig der geforderte Systemdruck für einen effizienteren Startvorgang noch nicht vorliegt, weshalb der Bedarf nach einer vom Systemdruck unabhängig funktionierenden Entriegelungslösung am Nockenwellenversteller besteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Aufbau möglichst einfach gehaltenes Nockenwellenverstellsystem zur Verfügung zu stellen, das auch bei einem Kaltstart einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Nockenwellenverstellsystem zusätzlich eine mittels eines Aktuators unabhängig von einer hydraulischen Ansteuerung des Nockenwellenverstellers aktivierbare Freilaufeinheit aufweist, wobei die Freilaufeinheit derart eingesetzt ist, dass sie in ihrem aktivierten Zustand eine Verdrehung des Abtriebsteils Richtung Frühstellung (d.h. bis hin zu der Frühstellung oder zu einer zwischen der Frühstellung und der Spätstellung definierten Zwischenstellung) freigibt und eine Verdrehung des Abtriebsteils Richtung Spätstellung blockiert.
Durch die Freilaufeinheit werden die aus dem Ventiltrieb beim Motorstart entstehenden Momente unmittelbar als Energiequelle zur Verstellung des Nockenwellenverstellers in die Frühstellung oder Zwischenstellung genutzt. Eine Verstellung bei einem Kaltstart erfolgt folglich weitestgehend ohne hydraulische Unterstützung.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Von Vorteil ist es demnach auch, wenn die Freilaufeinheit als eine mechanische (reibungsbasierte) Freilaufeinheit umgesetzt ist. Dadurch ist die Freilaufeinheit möglichst einfach herstellbar.
Als zweckmäßig hat es sich diesbezüglich zudem herausgestellt, dass die Freilaufeinheit als Keil-Freilauf / Klemmkörper-Freilauf, bevorzugt mit symmetrischen, weiter bevorzugt mit asymmetrischen Klemmkörpern, oder mit einem Federwickel / einer Schlingfeder umgesetzt ist.
Alternativ hierzu ist es von Vorteil, wenn die Freilaufeinheit als eine hydraulische Freilaufeinheit oder eine mechanisch-hydraulische Freilaufeinheit, vorzugsweise dann in Kombination mit einem Druckspeicher, umgesetzt ist. Dadurch lassen sich noch bauraumsparendere Freilaufeinheiten realisieren.
Des Weiteren ist es zweckdienlich, wenn die Freilaufeinheit stufenlos umgesetzt ist.
Zudem ist es von Vorteil, wenn die Freilaufeinheit mittels des Aktuators zwischen dem aktivierten Zustand und einem deaktivierten Zustand, in dem die Freilaufeinheit (in jeglicher Relativdrehrichtung zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil) funktionslos / wirkungslos ist, umschaltbar ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Ansteuerung der Freilaufeinheit.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Freilaufeinheit ein erstes Ringelement aufweist, das so ausgebildet ist und durch den Aktuator verstellbar ist, dass es wahlweise mit dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil (d.h. mit einem Teil aus der Gruppe aufweisend das Abtriebsteil und das Antriebsteil) form- und/oder kraftschlüssig verbindbar ist, und/oder ein zweites Ringelement aufweist, das permanent mit dem Abtriebsteil oder dem Antriebsteil (d.h. mit einem anderen Teil aus der Gruppe aufweisend das Abtriebsteil und das Antriebsteil) drehverbunden ist. Somit ist das erste Ringelement in dem aktivierten Zustand der Freilaufeinheit form- und/oder kraftschlüssig mit dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil drehverbunden und in einem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit von dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil drehentkoppelt ist. Dadurch ist die Freilaufeinheit mit möglichst einfachen Mittel zwischen dem aktivierten und dem deaktivierten Zustand umschaltbar.
Als zweckmäßig hat es sich in diesem Zusammenhang auch herausgestellt, wenn das erste Ringelement als ein radial außerhalb des als Innenring ausgebildeten zweiten Ringelementes angeordneter Außenring ausgebildet ist. Dadurch ist das erste Ringelement möglichst direkt mit dem Antriebsteil koppelbar.
Alternativ hierzu ist es auch von Vorteil, wenn das erste Ringelement als ein radial innerhalb des als Außenring ausgebildeten zweiten Ringelementes angeordneter Innenring ausgebildet ist. Dadurch ist das erste Ringelement möglichst direkt mit dem Abtriebsteil koppelbar.
Diesbezüglich hat es sich für einen robusten Aufbau der Freilaufeinheit auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn das erste Ringelement eine Verzahnung aufweist, die mit einer Gegenverzahnung des Antriebsteils oder des Abtriebsteils in Wirkverbindung bringbar ist. Dadurch ist der Aufbau der Freilaufeinheit ebenfalls möglichst einfach gehalten.
Folglich ist es zudem von Vorteil, wenn das erste Ringelement in dem aktivierten Zustand der Freilaufeinheit form- und/oder kraftschlüssig mit dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil drehverbunden ist und in einem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit von dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil drehentkoppelt ist. Dadurch ist die Freilaufeinheit für den Start der Verbrennungskraftmaschine effizient wirkend eingesetzt, wohingegen sie im (Normal-) Betrieb der Verbrennungskraftmaschine deaktiviert ist und somit keinem Verschleiß unterliegt.
Die beiden Ringelemente sind auf übliche Weise mittels verschiedener in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Klemmkörper (wie Keile oder Rollen) oder Klemmkörperabschnitte wirkverbunden.
Alternativ zu der Ansteuerung des erste Ringelementes durch den Aktuator ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Aktuator derart auf zumindest Klemmkörperabschnitt (oder Klemmkörper) der Freilaufeinheit, weiter bevorzugt mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Klemmkörperabschnitte (oder Klemmkörper), einwirkt, dass er in dem aktivierten Zustand eine Klemmfunktion des zumindest einen Klemmkörperabschnittes / aller Klemmkörperabschnitte (oder Klemmkörper/-s) freigibt und in dem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit eine Klemmfunktion des Klemmkörperabschnittes / aller Klemmkörperabschnitte (oder Klemmkörper/-s) aufhebt / neutralisiert. Dadurch wird eine möglichst geschickte Anbindung der Freilaufeinheit ermöglicht.
In diesem Zusammenhang ist es demnach zweckmäßig, wenn das erste Ringelement permanent mit dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil (d.h. mit einem Teil aus der Gruppe aufweisend das Abtriebsteil und das Antriebsteil) drehverbunden ist und das zweite Ringelement permanent mit dem Abtriebsteil oder dem Antriebsteil (d.h. mit einem anderen Teil aus der Gruppe aufweisend das Abtriebsteil und das Antriebsteil) drehverbunden ist.
Für die Ansteuerung des Nockenwellenverstellers ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn eine erste Halteeinrichtung derart vorgesehen und ausgebildet ist, dass bei Unterschreiten eines hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers das Abtriebsteil bei Erreichen seiner Spätstellung durch ein selbsttätiges Verriegeln der ersten Halteeinrichtung relativ zu dem Antriebsteil drehfest abgestützt ist. Die erste Halteeinrichtung ist vorzugsweise ferner derart ausgebildet, dass diese unmittelbar durch eine Bewegung der Freilaufeinheit von ihrem deaktivierten Zustand in ihren aktivierten Zustand entriegelt wird. Dadurch ist eine einfache Ansteuerbarkeit der ersten Halteeinrichtung ermöglicht.
Von Vorteil ist es auch, wenn eine zweite Halteeinrichtung derart vorgesehen und ausgebildet ist, dass bei Unterschreiten eines hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers das Abtriebsteil bei Erreichen der Frühstellung oder der Zwischenstellung relativ zu dem Antriebsteil drehfest abgestützt ist. Dadurch ist der Nockenwellenversteller auch in der Frühstellung oder der Zwischenstellung verrastbar, um etwa bei dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine in der Frühstellung oder der Zwischenstellung abgestützt zu werden, bis ein ausreichender hydraulischer Druck im Nockenwellenversteller aufgebaut ist und der Nockenwellenversteller anschließend nach entsprechenden ECU-Vorgaben verstellbar ist.
Wenn die zweite Halteeinrichtung zudem als ein vorzugsweise einseitig wirkender Rastmechanismus (in Form eines Endanschlags) umgesetzt ist, ist die zweite Halteeinrichtung ebenfalls möglichst einfach herstellbar. Der Rastmechanismus umfasst weiter bevorzugt einen in dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil schwenkbar aufgenommenen Sperrkörper, der in eine keilförmige Ausnehmung des anderen Teils (Abtriebsteil oder Antriebsteil) einschiebbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines an einer Verbrennungskraftmaschine angebrachten erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystems nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungen während eines Starts der Verbrennungskraftmaschine, wobei das Antriebsteil rotatorisch mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt / verbunden ist und das Abtriebsteil mit einer als Einlassnockenwelle eingesetzten Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst:

a) Aktivieren einer Zündung der Verbrennungskraftmaschine, woraufhin der Aktuator die Freilaufeinheit in ihren aktivierten Zustand verbringt,
b) Entriegeln einer das Abtriebsteil in der Spätstellung relativ zu dem Antriebsteil abstützenden ersten Halteeinrichtung, und
c) Andrehen der Kurbelwelle und folglich der Nockenwelle, wodurch das Abtriebsteil relativ zu dem Antriebsteil Richtung Frühstellung verdreht wird und schließlich durch eine zweite Halteeinrichtung in der Frühstellung oder einer zwischen der Spätstellung und der Frühstellung definierten Zwischenstellung gehalten wird.

Des Weiteren ist es in Bezug auf das Verfahren von Vorteil, wenn im Anschluss an den Schritt c) nach Überschreiten eines bestimmten hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers die Freilaufeinheit in ihren deaktivierten Zustand verbracht wird und die zweite Halteeinrichtung deaktiviert / entriegelt wird. So kann der Nockenwellenversteller auf beliebige Weise zwischen der Spätstellung und der Frühstellung im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine verstellt werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein möglichst variables Flexstart-Verstellersystem umgesetzt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
2a eine perspektivische Darstellung einer in 1 zwischen einem Antriebsteil und einem Abtriebsteil des Nockenwellenverstellers eingesetzten Freilaufeinheit,
2b eine perspektivische Darstellung eines in 1 mit dem Abtriebsteil fest verbundenen (zweiten) Ringelementes,
2c eine perspektivische Darstellung eines zwischen einem ersten Ringelement und einem zweiten Ringelement der Freilaufeinheit nach 2a eingesetzten Klemmrings, sowie
3 eine Längsschnittdarstellung eines Bereiches des in dem Nockenwellenverstellsystem nach 1 eingesetzten Nockenwellenverstellers, womit eine zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil eingesetzte (zweite) Halteeinrichtung gut zu erkennen ist.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen daher ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Mit 1 ist ein erfindungsgemäßes Nockenwellenverstellsystem 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Das Nockenwellenverstellsystem 1 ist bereits seitens einer teilweise abgebildeten Verbrennungskraftmaschine 14 eingesetzt. In Bezug auf die Verbrennungskraftmaschine 14 sind zumindest eine Kurbelwelle 15 und eine als Einlassnockenwelle umgesetzte Nockenwelle 5 dargestellt. Ein Nockenwellenversteller 3 des Nockenwellenverstellsystems 1 ist auf übliche Weise zwischen der Kurbelwelle 15 und der Nockenwelle 5 wirkend eingesetzt. Die Verbrennungskraftmaschine 14 ist ferner Bestandteil eines vorzugsweise hybridischen Kraftfahrzeuges, weshalb sich an die Verbrennungskraftmaschine 14 entlang eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeuges auf typische Weise auch zumindest eine elektrische Antriebsmaschine anschließt, auf dessen Abbildung hier der Übersichtlichkeit halber verzichtet ist.
Der Nockenwellenversteller 3 ist des Weiteren als ein hydraulischer Nockenwellenversteller 3 des Flügelzellentyps umgesetzt. In Bezug auf den näheren Aufbau des Nockenwellenverstellers 3 wird auf die DE 10 2013 219 075 A1 verwiesen, wobei der Aufbau des Nockenwellenverstellers dieser DE 10 2013 219 075 A1 für den gegenständlichen Nockenwellenversteller 3 als hierin integriert gelten soll. In alternativen Ausführungen ist der hydraulische Nockenwellenversteller 3 jedoch auch mit einem anderen Aufbau umgesetzt.
Der Nockenwellenversteller 3 weist folglich ein auch als Stator bezeichnetes Antriebsteil 4 auf. Das Antriebsteil 4 ist im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 mit der Kurbelwelle 15, beispielsweise über einen als Kette oder Riemen ausgebildeten Endloszugmitteltrieb, rotatorisch gekoppelt. Neben dem Antriebsteil 4 weist der Nockenwellenversteller 3 ein auch als Rotor bezeichnetes Abtriebsteil 6 auf. Das Abtriebsteil 6 ist in einem begrenzten Verdrehwinkelbereich relativ zu dem Antriebsteil 4 verdrehbar. Das Abtriebsteil 6 ist drehfest mit der Nockenwelle (sowie koaxial zur Nockenwelle 5) verbunden.
Gemäß der Ausführung des Nockenwellenverstellers 3 in Flügelzellenbauweise weist der Nockenwellenversteller 3 mehrere, beispielsweise vier, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Arbeitskammern auf, die durch einen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Flügel an dem Abtriebsteil 6 sowie zwei entsprechenden der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Radialstegen an dem Antriebsteil 4 in zwei entgegengesetzt wirkende Teilkammern 7a, 7b unterteilt sind. Eine erste Teilkammer 7a ist in 1 mit dem Großbuchstaben A, eine zweite Teilkammer 7b mit dem Großbuchstaben B angedeutet.
Die erste Teilkammer 7a, die auf einer ersten Umfangsseite des Flügels des Abtriebsteils 6 ausgebildet ist, ist derart umgesetzt, dass sie bei Erfahren einer Volumenvergrößerung (durch Erhöhung eines hydraulischen Drucks relativ zu der zweiten Teilkammer 7b) das Abtriebsteil 6 relativ zu dem Antriebsteil 4 in eine Spätstellung drängt. Ferner ist die zweite Teilkammer 7b, die auf einer der ersten Umfangsseite entgegengesetzten zweiten Umfangsseite des Flügels des Abtriebsteils 6 derselben Arbeitskammer 2 angeordnet ist, derart umgesetzt, dass sie bei Erfahren einer Volumenvergrößerung (durch Erhöhung eines hydraulischen Drucks relativ zu der ersten Teilkammer 7a) das Abtriebsteil 6 relativ zu dem Antriebsteil 4 in eine Frühstellung drängt.
Auf übliche Weise werden die Teilkammern 7a, 7b im Betrieb über ein Ventil 18 angesteuert und in Abhängigkeit einer Stellung des Ventils 18 mit hydraulischem Druck / Systemdruck beaufschlagt. Das Ventil 18 ist in dieser Ausführung axial außerhalb des Nockenwellenverstellers 3 umgesetzt. Gemäß weiteren Ausführungen ist es jedoch auch zweckmäßig, dieses Ventil 18 axial innerhalb des Nockenwellenverstellers 3, vorzugsweise als Zentralventil radial innerhalb des Abtriebsteils 6, umzusetzen.
Erfindungsgemäß ist eine Freilaufeinheit 9 vorhanden, die zwischen das Antriebsteil 4 und das Abtriebsteil 6 schaltbar ist. Die Freilaufeinheit 9 ist über einen Aktuator 8 zwischen ihrem aktivierten Zustand und ihrem deaktivierten Zustand verstellbar. In dem deaktivierten Zustand ist die Freilaufeinheit 9 vollständig von dem Bestandteil des Nockenwellenverstellers 3 entkoppelt und daher funktionslos / wirkungslos. In dem aktivierten Zustand ist die Freilaufeinheit 9 zwischen das Antriebsteil 4 und das Abtriebsteil 6 geschaltet und demnach in Abhängigkeit einer Relativdrehrichtung schaltbar.
Die Freilaufeinheit 9 ist in einer beispielhaften Ausführung als mechanische Freilaufeinheit 9 ausgebildet. In diesem Zusammenhang sei auch auf die 2a bis 2c verwiesen, die jene Ausführung der mechanischen Freilaufeinheit 9 näher erkennen lassen. Der Freilauffunktion wird mittels eines Aktuators zugeschaltet.
Die Freilaufeinheit 9 weist in dem dargestellten Ausführungebeispiel ein erstes Ringelement 10 auf, das über eine Verzahnung 19 (Außenverzahnung) verfügt. Das erste Ringelement 10 ist mit der Verzahnung 19 mit einer entsprechenden, der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellten Gegenverzahnung des Antriebsteils 4 in Eingriff bringbar. In dem aktivierten Zustand der Freilaufeinheit 9 befindet sich die Verzahnung 19 in formschlüssigem und/oder kraftschlüssigem Drehverbund mit der Gegenverzahnung des Antriebsteils 4. In dem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit 9 ist das erste Ringelement 10 derart axial aus dem Antriebsteil 4 herausgeschoben, dass es von dem Antriebsteil 4 drehentkoppelt ist. In dem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit 9 ist die Funktion des Freilaufs folglich deaktiviert.
Zum Verstellen der Freilaufeinheit 9 zwischen seinem aktivierten Zustand und seinem deaktivierten Zustand / des ersten Ringelementes 10 zwischen der dem aktivierten Zustand entsprechenden Stellung und der dem deaktivierten Zustand entsprechenden Stellung ist der Aktuator 8 eingesetzt. Der Aktuator 8 ist als ein elektrischer Aktuator 8 umgesetzt, der über ein PWM-Signal ansteuerbar ist. Der Aktuator 8 ist exemplarisch als ein Zentralmagnetaktuator, d.h. mit konzentrisch zu der Nockenwelle 5 ausgerichtetem Anker 20 / Stößel umgesetzt. Gemäß weiterer Ausführungen ist der Aktuator 8 jedoch auch auf andere Weise, bspw. als ein übliches Schaltventil, umgesetzt.
Zurückkommend auf die 2a bis 2c ist des Weiteren zu erkennen, dass die Freilaufeinheit 9 neben dem ersten Ringelement 10 ein radial innerhalb des ersten Ringelementes 10, konzentrisch zu dem ersten Ringelement 10 angeordnetes, zweites Ringelement 11 aufweist. Dieses zweite Ringelement 11 ist als ein Nabenkörper umgesetzt, der im Betrieb unmittelbar drehfest mit dem Abtriebsteil 6 verbunden ist. Es ist zu erkennen, dass das zweite Ringelement 10 auf seiner radialen Außenseite eine Formschlussverzahnung 21 (auch als Klemmverzahnung bezeichnet) aufweist, die mit einem radial zwischen dem ersten Ringelement 10 und dem zweiten Ringelement 11 eingesetzten Klemmring 22 zusammenwirkt. Der Klemmring 22 ist in Form eines Keil-Freilaufs realisiert, dessen in Umfangsrichtung verteilte Klemmkörperabschnitte 16 (Keilsegmente) über Federstege 23 (in Umfangsrichtung) miteinander gekoppelt sind. Der Klemmring 22 wirkt mit seinen Klemmkörperabschnitten 16 auf typische Weise zum Umsetzen der Freilaufeinheit 9 als Überholkupplung / One-Way-Clutch derart mit den Ringelementen 10, 11 zusammen, dass die Ringelemente 10, 11 bei ihrer Verdrehung in einer ersten Relativdrehrichtung frei / drehmomentübertragungsfrei relativ zueinander verdrehbar sind und in einer dazu entgegengesetzten zweiten Relativdrehrichtung drehfest aneinander abgestützt sind.
Diesbezüglich sei wiederum darauf hingewiesen, dass die Freilaufeinheit 9 in weiteren Ausführungen auch auf andere Weise umsetzbar ist, bspw. als eine andere mechanische Freilaufeinheit 9 mit symmetrischen oder asymmetrischen Klemmkörpern / Klemmkörperabschnitten oder bspw. einem Federwickel. Auch ist es möglich die Freilaufeinheit 9 rein hydraulisch und/oder mechanisch-hydraulisch umzusetzen.
Die Freilaufeinheit 9 ist dabei stets derart in dem Nockenwellenverstellsystem 1 eingesetzt, dass mittels des Aktuators 8 unabhängig von einer hydraulischen Ansteuerung des Nockenwellenverstellers 3 (d. h. eines in dem Ventil 18 vorhandenen Drucks / Systemdrucks) die Freilaufeinheit 9 aktivierbar ist, sodass sie in ihrem aktivierten Zustand eine Verdrehung des Abtriebsteils 6 bis in die Frühstellung oder alternativ eine zwischen der Spätstellung und der Frühstellung definierte Zwischenstellung freigibt und eine Verdrehung des Abtriebsteils 6 in die Spätstellung (d.h. zurück in die Spätstellung) blockiert.
In weiteren, der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das erste Ringelement 10 als radialer Innenring ausgebildet und somit radial innerhalb des dann als radialer Außenring ausgebildeten zweiten Ringelementes 11 angeordnet. Das erste Ringelement 10 ist dann über den Aktuator 8 wahlweise mit dem Abtriebsteil 6 koppelbar, während das zweite Ringelement 11 permanent mit dem Antriebsteil 4 drehverbunden ist. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise entspricht dann wiederum dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Diesbezüglich sei auch darauf hingewiesen, dass in weiteren, der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen das erste Ringelement 10 permanent mit dem mit dem Antriebsteil 4 drehverbunden ist und das zweite Ringelement 11 permanent mit dem mit dem Abtriebsteil 6 drehverbunden ist. Der Aktuator 8 wirkt dann unmittelbar auf die Klemmkörperabschnitte 16 / den Klemmring 22 verstellend ein. Der Aktuator 8 wirkt dann derart auf die Klemmkörperabschnitte 16 / den Klemmring 22 ein, dass in dem aktivierten Zustand der Freilaufeinheit 9 die Klemmkörperabschnitte 16 in ihrer Klemmfunktion freigegeben sind und demnach die Freilaufeinheit 9 als drehrichtungsabhängig wirkender Freilauf wirkt und in dem deaktivierten Zustand der Freilaufeinheit 9 die Klemmfunktion der Klemmkörperabschnitte 16 blockiert / aufgehoben / neutralisiert ist, sodass unabhängig von der Relativdrehrichtung zwischen Antriebsteil 4 und Abtriebsteil 6 diese beiden Teile stets drehentkoppelt sind.
Zurückkommend auf das mit 1 dargestellte Ausführungsbeispiel, ist des Weiteren zu erkennen, dass der Nockenwellenversteller 3 zwei in 1 lediglich schematisch in Bezug auf ihre prinzipielle Position angedeutete Halteeinrichtungen 12, 13 (/ Verriegelungseinrichtungen) aufweist. Eine erste Halteeinrichtung 12 ist derart eingesetzt und ausgebildet, dass bei Unterschreiten eines hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers 3 das Abtriebsteil 6 bei Erreichen seiner Spätstellung durch ein selbsttätiges Verriegeln der ersten Halteeinrichtung 12 relativ zu dem Antriebsteil 4 drehfest abgestützt ist. Die erste Halteeinrichtung 12 weist bspw. einen verschiebbaren Verriegelungsstift auf. Die erste Halteeinrichtung 12 ist ferner derart ausgebildet, dass sie unmittelbar durch die Freilaufeinheit 9, nämlich durch ein Verschieben / Verstellen der Freilaufeinheit 9 von dem deaktivierten Zustand in den aktivierten Zustand entriegelt wird. Die erste Halteeinrichtung 12 wird daher vorzugsweise ebenfalls mechanisch entriegelt.
Die zweite Halteeinrichtung 13 ist ferner derart eingesetzt und ausgebildet, dass bei Unterschreiten des hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers 3 das Abtriebsteil 6 bei Erreichen seiner Frühstellung (oder der Zwischenstellung) relativ zu dem Antriebsteil 4 drehfest abgestützt ist. Die zweite Halteeinrichtung 13 dient vorzugsweise als einseitig wirkender Rastmechanismus, der zugleich einen Endanschlag bildet.
In Bezug auf die zweite Halteeinrichtung 13 sei zudem auf 3 verwiesen, die einen exemplarischen Aufbau der zweiten Halteeinrichtung 13 zeigt. Die zweite Halteeinrichtung 13 weist in dieser Ausführung einen schwenkbar in dem Abtriebsteil 6 aufgenommenen Sperrkörper 17 (Klinkenkörper) auf, der zu dem Antriebsteil 4, etwa zu einem Deckel 24 des Antriebsteils 4, vorgespannt ist. Der Sperrkörper 17 ist vorzugsweise mittels einer Feder 25 vorgespannt. Der Sperrkörper 17 wirkt mit einer keilförmigen, das heißt in einer Drehrichtung des Abtriebsteils 6 von der Frühstellung / Zwischenstellung hin zu der Spätstellung sich keilförmig abflachenden Ausnehmung 26 zusammen.
In Verbindung mit 1 sei zudem auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 14 nach 1 verwiesen. Demnach werden bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 14 folgende Verfahrensschritte bevorzugt nacheinander umgesetzt: a) Aktivieren einer Zündung der Verbrennungskraftmaschine 14, woraufhin der Aktuator 8 die Freilaufeinheit 9 in ihren aktivierten Zustand verbringt; b) Entriegeln der das Abtriebsteil 6 in der Spätstellung relativ zu dem Antriebsteil 4 abstützenden ersten Halteeinrichtung 12, und c) Andrehen der Kurbelwelle 15 (durch einen Startermotor) und folglich der Nockenwelle 5, wodurch das Abtriebsteil 6 relativ zu dem Antriebsteil 4 in Richtung Frühstellung verdreht wird und schließlich durch die zweite Halteeinrichtung 13 in der Frühstellung (oder der Zwischenstellung) gehalten wird.
Ferner wird im Anschluss an den Schritt c), nach Überschreiten eines bestimmten hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers 3, die Freilaufeinheit 9 in ihren deaktivierten Zustand verbracht und die zweite Halteeinrichtung 13 deaktiviert.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Nockenwellenverstellsystem 1 umgesetzt, das durch eine Kombination von einem hydraulischen Versteller (Nockenwellenversteller 3; Basis in Spät, mit HIPE oder Zentralventil (Ventil 18)) mit mindestens einem mechanischen, reibungsbasierten Freilauf (Freilaufeinheit 9; idealerweise stufenlos) und einem extra Aktuator 8, ein Verstellen nach FRÜH für den Kaltstart idealerweise ohne hydraulische Unterstützung ermöglicht. Die Lösung nutzt die Momente aus dem Ventiltrieb beim Motorstart für den Verstellvorgang als Energiequelle.
Im warmen Betriebszustand ist eine klassische Funktion des Nockenwellenverstellers 3 realisiert. Bei einem Stopp der Verbrennungskraftmaschine 14 erfolgt folgender Ablauf: Die Zündung wird ausgeschaltet; daraufhin nimmt die Drehzahl ab; es erfolgt die Stellung des HIPE (zurück zu Basis SPÄT / Spätstellung); der Nockenwellenversteller 3 erreicht den Endanschlag, woraufhin die (erste) Haltevorrichtung 12 verriegelt.
Bei einem Start der Verbrennungskraftmaschine 14, ebenfalls in dem warmen Betriebszustand, erfolgt folgender Ablauf: Die Zündung wird angeschaltet; daraufhin liegt unmittelbar der notwendige Öldruck an; der Pin (der ersten Haltevorrichtung 12) entriegelt; das HIPE übernimmt die Kontrolle; der Nockenwellenversteller 3 erreicht die Zielposition (Einlassnockenwelle) nach ECU-Vorgabe.
Im kalten Betriebszustand ist die Funktion des Stopps der Verbrennungskraftmaschine 14 gleich, die Unterschiede ergeben sich jedoch beim Start der Verbrennungskraftmaschine 14. Demnach erfolgt folgender Ablauf beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 14: Die Zündung wird angeschaltet; daraufhin aktiviert der Aktuator 8 den Freilauf; danach wird die (erste) Halteeinrichtung 12 aus SPÄT / der Spätstellung entriegelt; anschließend wird die Kurbelwelle 15 gedreht (über Ritzelstarter); somit werden die Nockenwellen 5 der Verbrennungskraftmaschine 14 gedreht; der Nockenwellenversteller 3 gelangt folglich in die FRÜH-Zielposition / Frühstellung (Einlassnockenwelle); dabei wird der Nockenwellenversteller 3 durch die (zweite) Halteeinrichtung 13 in der Zielposition gehalten und es wird auf den Aufbau des Öldrucks gewartet. Dann wird der Aktuator 8 deaktiviert, woraufhin der Freilauf deaktiviert wird. Schließlich liegt ein ausreichend hoher Öldruck (oberhalb Mindestdruck) an und die Halteeinrichtung 13 wird wieder deaktiviert. Daraufhin übernimmt das HIPE die Kontrolle, sodass der Nockenwellenversteller 3 eine Zielposition (Einlassnockenwelle) nach ECU-Vorgabe erreicht.
Zu dem Aktuator 8 und dem Freilauf sei zudem folgendes erwähnt: Es ist mindestens ein Aktuator 8 vorhanden. Als Aktuator ist im ersten Ansatz ein Zentralmagnet angedacht, der mittels PWM-Signal angesteuert wird. Alternativ wäre ein Schaltventil einsetzbar, das nur einen Ein- / Aus-Zustand realisiert. Der Entfall von Proportionalität führt zu einem Kosteneinsparungspotential. Die Aktuatorwahl erfolgt je nach Ausgestaltung der Freilaufaktivierung.
Eine mögliche Lösung für den Freilauf ist ein Keil-Freilauf (wedge clutch). Es sind aber auch Freilauflösungen z.B. symmetrische, asymmetrische Klemmkörper, sowie Schlingfeder als mechanische Freiläufe denkbar. Theoretisch wären neben mechanischen auch z.B. hydraulische Ausführungsformen in Kombination mit einem Druckspeicher möglich.
Eine Kopplung zwischen dem Aktuator 8 und der Verstelleinheit könnte wie folgt aussehen: Der Aktuator 8 drückt den Außenring (erstes Ringelement 10) des Freilaufs in eine lagerichtige Kraft-Formschluss-Verbindung mit dem Stator des Nockenwellenverstellers 3. Hierdurch wird der Freilauf aktiviert Außenring ist in Verbindung mit Stator und Innenring (zweites Ringelement 11) mit dem Rotor / der Einlassnockenwelle. Der Freilauf wird folglich nur bei Bedarf aktiviert, wodurch der Strombedarf am Aktuator 8 gering ist.
Zu der Entriegelung aus Spät (beim Kaltstart) ist zudem anzumerken, dass der ÖIdruck in diesen Betriebszustand nicht vorliegt. Damit ist eine Entriegelung der Halteeinrichtung 12 mittels Öl nicht möglich. Daher erfolgt eine mechanische Entriegelung mittels elektromagnetischem Aktuator (entspricht Aktuator 8 der Freilaufeinheit 9 oder einem weiteren Aktuator).
Zu der Wechselwirkung der Systemkomponenten und der Erreichung der Zielposition ist folgendes festzuhalten: Der Freilauf ermöglicht die Nutzung von Frühmomenten und die Neutralisierung von Spätmomenten. Durch die lagerichtige Positionierung des Freilaufs ist es zielführend, einen Endanschlag im Freilauf für die FRÜH-Position / Frühstellung zu integrieren und so den Versteller positionsgenau zu stoppen. Eine mögliche Ausführung wäre ein Rastmechanismus, welcher idealerweise einseitig wirkt (3).
2a bis 2c zeigen mögliche Lösungen des Freilaufs als Keil-Freilauf (wedge clutch). Es sind jedoch auch symmetrische, asymmetrische Klemmkörper, sowie Federwickel-Freiläufe denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenverstellsystem
2: Arbeitskammer
3: Nockenwellenversteller
4: Antriebsteil
5: Nockenwelle
6: Abtriebsteil
7a: erste Teilkammer
7b: zweite Teilkammer
8: Aktuator
9: Freilaufeinheit
10: erstes Ringelement
11: zweites Ringelement
12: erste Halteeinrichtung
13: zweite Halteeinrichtung
14: Verbrennungskraftmaschine
15: Kurbelwelle
16: Klemmkörperabschnitt
17: Sperrkörper
18: Ventil
19: Verzahnung
20: Anker
21: Formschlussverzahnung
22: Klemmring
23: Federsteg
24: Deckel
25: Feder
26: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112014000742 T5 [0002]
DE 112014000585 T5 [0002]
DE 102013219075 A1 [0002, 0031]

Claims

Nockenwellenverstellsystem (1) mit einem, zumindest eine Arbeitskammer (2) aufweisenden, hydraulischen Nockenwellenversteller (3), wobei die zumindest eine Arbeitskammer (2) zwischen einem Antriebsteil (4) und einem relativ zu dem Antriebsteil (4) verdrehbaren, zum Befestigen an einer Nockenwelle (5) vorbereiteten Abtriebsteil (6) des Nockenwellenverstellers (3) wirkend eingesetzt ist sowie derart in eine erste Teilkammer (7a) und eine entgegen der ersten Teilkammer (7a) wirkende zweite Teilkammer (7b) unterteilt ist, dass die erste Teilkammer (7a) bei Erfahren einer Volumenvergrößerung das Abtriebsteil (6) relativ zu dem Antriebsteil (4) in eine Spätstellung drängt und die zweite Teilkammer (7b) bei Erfahren einer Volumenvergrößerung das Abtriebsteil (6) relativ zu dem Antriebsteil (4) in eine Frühstellung drängt, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels eines Aktuators (8) unabhängig von einer hydraulischen Ansteuerung des Nockenwellenverstellers (3) aktivierbare Freilaufeinheit (9) vorhanden ist, wobei die Freilaufeinheit (9) derart eingesetzt ist, dass sie in ihrem aktivierten Zustand eine Verdrehung des Abtriebsteils (6) Richtung Frühstellung freigibt und eine Verdrehung des Abtriebsteils (6) Richtung Spätstellung blockiert.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinheit (9) als eine mechanische, hydraulische oder mechanisch-hydraulische Freilaufeinheit (9) umgesetzt ist.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinheit (9) mittels des Aktuators (8) zwischen dem aktivierten Zustand und einem deaktivierten Zustand, in dem die Freilaufeinheit (9) funktionslos ist, umschaltbar ist.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinheit (9) ein erstes Ringelement (10) aufweist, das so ausgebildet ist und durch den Aktuator (8) verstellbar ist, dass es wahlweise mit dem Antriebsteil (4) oder dem Abtriebsteil (6) form- und/oder kraftschlüssig verbindbar ist und/oder ein zweites Ringelement (11) aufweist, das permanent mit dem Abtriebsteil (6) oder dem Antriebsteil (4) drehverbunden ist.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ringelement (10) als ein radial außerhalb des als Innenring ausgebildeten zweiten Ringelementes (11) angeordneter Außenring ausgebildet ist oder als ein radial innerhalb des als Außenring ausgebildeten zweiten Ringelementes (11) angeordneter Innenring ausgebildet ist.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (8) derart auf zumindest einen Klemmkörperabschnitt (16) der Freilaufeinheit (9) einwirkt, dass er in dem aktivierten Zustand eine Klemmfunktion des zumindest einen Klemmkörperabschnittes (16) freigibt und in dem deaktivierten Zustand eine Klemmfunktion des Klemmkörperabschnittes (16) aufhebt.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Halteeinrichtung (12) derart vorgesehen und ausgebildet ist, dass bei Unterschreiten eines hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers (3) das Abtriebsteil (6) bei Erreichen seiner Spätstellung durch ein selbsttätiges Verriegeln der ersten Halteeinrichtung (12) relativ zu dem Antriebsteil (4) drehfest abgestützt ist.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Halteeinrichtung (13) derart vorgesehen und ausgebildet ist, dass bei Unterschreiten eines hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers (3) das Abtriebsteil (6) bei Erreichen seiner Frühstellung oder Zwischenstellung relativ zu dem Antriebsteil (4) drehfest abgestützt ist.
Verfahren zum Betreiben eines an einer Verbrennungskraftmaschine (14) angebrachten Nockenwellenverstellsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 während eines Starts der Verbrennungskraftmaschine (14), wobei das Antriebsteil (4) rotatorisch mit einer Kurbelwelle (15) der Verbrennungskraftmaschine (14) gekoppelt ist und das Abtriebsteil (6) mit einer als Einlassnockenwelle eingesetzten Nockenwelle (5) der Verbrennungskraftmaschine (14) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Aktivieren einer Zündung der Verbrennungskraftmaschine (14), woraufhin der Aktuator (8) die Freilaufeinheit (9) in ihren aktivierten Zustand verbringt, b) Entriegeln einer das Abtriebsteil (6) in der Spätstellung relativ zu dem Antriebsteil (4) abstützenden ersten Halteeinrichtung (12), und c) Andrehen der Kurbelwelle (15) und folglich der Nockenwelle (5), wodurch das Abtriebsteil (6) relativ zu dem Antriebsteil (4) Richtung Frühstellung verdreht wird und schließlich durch eine zweite Halteeinrichtung (13) in der Frühstellung oder einer zwischen der Spätstellung und der Frühstellung definierten Zwischenstellung gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner im Anschluss an den Schritt c) nach Überschreiten eines bestimmten hydraulischen Mindestdrucks des Nockenwellenverstellers (3) die Freilaufeinheit (9) in ihren deaktivierten Zustand verbracht wird und die zweite Halteeinrichtung (13) deaktiviert wird.