DE10339856A1

DE10339856A1 - Hydraulische Stellvorrichtung für eine Nockenwelle an einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10339856A1
Application number: DE2003139856
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Meintschel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Stellvorrichtung (1) für eine Nockenwelle an einer Brennkraftmaschine, wobei die Stellvorrichtung (1) einen Flügelzellenversteller umfasst, der über einen hydraulischen Steuerkreis mit einer drehrichtungsumkehrbaren Hydraulikpumpe (17) und einem selbsttätig durch den Förderdruck der Hydraulikpumpe (17) beaufschlagten Steuerventil (19) mittels Hydraulikflüssigkeit gesteuert wird. Dabei erfolgt der Antrieb der Hydraulikpumpe (17) durch einen Elektromotor unabhängig von der Brennkraftmaschine. DOLLAR A Eine derartige Stellvorrichtung ist relativ einfach im Aufbau, kostengünstiger als ein vergleichbarer elektrischer Nockenwellenversteller und kann motorunabhängig betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Stellvorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle an einer Brennkraftmaschine gegenüber der sie antreibenden Kurbelwelle mit einem zwischen einem Antriebsrad und der Nockenwelle angeordneten Steller mit einem Stellergehäuse, welches durch mindestens ein mit der Nockenwelle drehfest gekoppeltes Kraftübertragungselement in mindestens zwei Steuerkammern unterteilt ist, die über je eine Hydraulikleitung mit einem Vorratsbehälter verbunden sind, wobei jede Hydraulikleitung einen Anschluss zu einer Hydraulikpumpe besitzt, von der wahlweise Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in mindestens eine der Steuerkammern förderbar ist, wobei ferner jede Hydraulikleitung ein Rückschlagventil aufweist, das in Abhängigkeit vom Förderdruck der Hydraulikpumpe steuerbar ist.

Eine derartige hydraulische Stellvorrichtung ist aus der DE 42 27 001 A1 bekannt. Durch die Verwendung eines Kolben-Zylinder-Aggregates als Stellelement müssen unterschiedliche Ölmengen zu und aus den Steuerkammern gesteuert werden, wodurch im Hydrauliksystem besondere Steuerventile erforderlich werden. Ferner sind zur Steuerung der Ölmengen zu und aus den Steuerkammern besondere Drucksteuerventile notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine im Aufbau einfache Stellvorrichtung zu schaffen, mit der gleichzeitig eine hohe Stellgeschwindigkeit erreicht werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung eines Flügelzellenverstellers als Stellvorrichtung ergeben sich gleichgroße Steuerkammern zwischen dem Stellergehäuse und dem Flügelzellenrad. Hierdurch sind die jeweils in oder aus den Steuerkammern zu steuernden Ölmengen ebenfalls gleich. Dadurch können besondere Steuerventile zum Ausgleich der unterschiedlichen zu steuernden Ölmengen entfallen.

Die Steuerung der Ölmengen erfolgt über ein passiv vom Steueröl beaufschlagtes und als Freikolben-Ventil ausgebildetes Steuerschieber. Dies führt zu einem einfachen und kostengünstigen Aufbau der Stellvorrichtung und gleichzeitig zu hohen Stellgeschwindigkeiten, da für die Steuerung der Ölmenge keine gesonderten Schaltvorgänge erforderlich sind.

Durch die Ausgestaltung des Steuerventils mit einem Steuerschieber, der zwei Steuerkolben mit einem dazwischen liegenden Ringkanal als Steuerabschnitt aufweist, können alle erforderlichen Schaltungen über das Steuerventil erfolgen. Je nach Beaufschlagung eines Steuerkolbens mit Hydraulikflüssigkeit, wird dieser so verstellt, das eine der Steuerkammern mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, während die andere Steuerkammer gleichzeitig mit dem Vorratsbehälter verbunden ist.

Darüber hinaus wird vom dem Steuerventil die Stellvorrichtung für eine konstante Phasenlage der Nockenwelle blockiert, in dem der Steuerschieber von den beiden Rückstellfedern in eine Neutralstellung verschoben wird, in der beide Steuerkammern sowohl untereinander als auch gegenüber den Hydraulikleitungen abgesperrt sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Dabei zeigen:
1 den Aufbau der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung in einem schematischen Querschnitt mit dem Steuerschieber in einer Sperrstellung;
2 die Stellvorrichtung aus 1 mit einer Schaltstellung des Steuerschiebers zur Verstellung der Nockenwelle im Uhrzeigersinn;
3 die Stellvorrichtung aus 1 mit dem Steuerschieber in einer Schaltstellung zur Verstellung der Nockenwelle entgegen dem Uhrzeigersinn.
Mit 1 ist eine hydraulische Stellvorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle an einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine bezeichnet. Die Stellvorrichtung 1 umfasst zur Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einen Steller 2, der als an sich bekannter Drehflügelversteller ausgebildet ist und ein Stellergehäuse 3 zur Aufnahme eines Flügelzellenrades 4 umfasst. Während das Stellergehäuse 3 am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine in axialer Verlängerung der Nockenwelle angeflanscht ist, ist das Flügelzellenrad 4 innerhalb des Gehäuses verschwenkbar angeordnet und drehfest mit der Nockenwelle verbunden.
Das Flügelzellenrad 4 besitzt drei von einer Nabe 5 mit etwa gleichem Abstand von einander radial abstehende Flügel 6a, 6b und 6c, die quasi dichtend an der Innenseite der Gehäusewand des Stellergehäuses 4 anliegen. Diese Flügel bilden zusammen mit drei vom Stellergehäuse 4 radial nach innen bis zur Nabe 5 vorstehenden und an dieser ebenfalls quasi dichtend anliegenden Kammerwände 7a, 7b und 7c hydraulische Steuerkammern 8 bis 13.
Jede dieser hydraulischen Steuerkammern 8 bis 13 ist über eine Hydraulikleitung bzw. innerhalb des Stellergehäuses 4 liegende und nicht dargestellte Hydraulikkanäle an einen hydraulischen Steuerkreis 14 angeschlossen.
Der Steuerkreis 14 kann getrennt vom Schmierölkreis der Brennkraftmaschine ausgeführt sein und mit einer eigenen Hydraulikflüssigkeit betrieben werden. Üblich ist jedoch, wie auch in diesem Ausführungsbeispiel, das der Steuerkreis 14 mit Schmieröl aus dem Schmierölvorrat der Brennkraftmaschine als Hydraulikflüssigkeit betrieben wird.
Dieser hydraulische Steuerkreis 14 umfasst hauptsächlich zwei Hydraulikleitungen 15 und 16, eine Hydraulikpumpe 17, einen Vorratsbehälter 18 für Hydraulikflüssigkeit sowie ein hydraulisches Steuerventil 19 zur Steuerung der Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulikpumpe 17 in die Steuerkammern 8 bis 13 bzw. den Rücklauf der Hydraulikflüssigkeit aus den Steuerkammern 8 bis 13 in den Vorratsbehälter 18.
Die Hydraulikpumpe 17 dient ausschließlich zum Antrieb des hydraulischen Nockenwellenverstellers und ist damit – wie auch der dazugehörige Steuerkreis 14 – weitgehend unabhängig vom Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine, der eine eigene Schmierölförderpumpe besitzt.
Aus diesem Grunde wird die Hydraulikpumpe 17 von einem von der Brennkraftmaschine unabhängigen Antrieb, z.B. einem Elektromotor angetrieben.
Lediglich der Vorratsbehälter 18 ist der zum Schmierölkreislauf gehörenden Motorölwanne, an welche der Steuerkreis 14 angeschlossen ist. Denkbar wäre es auch, den Vorratsbehälter 18 getrennt von der Motorölwanne auszuführen und zusammen mit den Leitungen des Steuerkreises 14, der Hydraulikpumpe 17 sowie dem Steller 2 als eine Motoranbaukomponente auszuführen.
Innerhalb des hydraulischen Steuerkreises 14 sind die Steuerkammern 8, 10 und 12 über die Hydraulikleitung 15 mit dem Vorratsbehälter 18 und über einen Anschluss 20 mit der Hydraulikpumpe 17 verbunden, während die Steuerkammern 9, 11 und 13 über die Hydraulikleitung 16 mit dem Vorratsbehälter 18 und über einen Anschluss 21 ebenfalls mit der Hydraulikpumpe 17 verbunden sind.
Das Steuerventil 19 ist im Verlauf der Hydraulikleitungen 15 und 16 zwischen der Hydraulikpumpe 17 und den Steuerkammern 8 bis 13 angeordnet und setzt sich aus einem Steuergehäuse 22 mit einem darin verschiebbaren Steuerschieber 23 sowie zwei Rückstellfedern 24 und 25 zusammen. Die als Schraubenfedern ausgebildeten baugleichen Rückstellfedern 24, 25 sind beiderseits des Steuerschiebers 23 angeordnet und stützen sich am Steuergehäuse 22 sowie an den Stirnseiten des Steuerschiebers 23 ab. Dadurch wird der Steuerschieber 23 bei Nullförderung der Hydraulikpumpe 17 in eine mittlere Neutralstellung eingestellt. Der Steuerschieber 23 besteht selbst aus zwei durch einen Ringkanal 26 von einander getrennten Steuerkolben 27 und 28.
Ausgehend von der in 1 gezeigten Nullförderstellung des Steuerventils 19 ist der Anschluss der Hydraulikleitungen 15 und 16 am Steuergehäuse 22 so festgelegt, dass die von der Hydraulikpumpe 17 ausgehenden Leitungsabschnitte 15a und 16a jeweils seitlich neben den Steuerkolben 27 und 28 münden und damit die Stirnseiten der Steuerkolben von der geförderten Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden, während die Steueröffnungen der vom Steuergehäuse 22 zu den Steuerkammern 8 bis 13 abführenden Leitungsabschnitte 15b und 16b von den beiden Steuerkolben 27 und 28 verschlossen sind.
Für den Rücklauf der aus den Steuerkammern 8 bis 13 verdrängter Hydraulikflüssigkeit ist im Steuergehäuse 22 im Bereich des Ringkanals 26 eine Rücklauföffnung 29 vorgesehen, von der eine nicht weiter dargestellte und mit dem Vorratsbehälter 18 verbundene Rücklaufleitung abführt.
Als Hydraulikpumpe 17 ist eine Zahnradpumpe vorgesehen, die von einem nicht gezeigten drehrichtungsumkehrbaren Elektromotor angetrieben wird. Dadurch ist eine Förderung von Hydraulikflüssigkeit wechselweise über beide Hydraulikleitungen 15 und 16 möglich, so dass in Abhängigkeit einer gewünschten Nockenwellenverstellung im Sinne eines früheren Ventilöffnungszeitpunktes oder eines späteren Ventilschließzeitpunktes das Flügelzellenrad 4 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verstellt werden kann. Zwischen den Anschlüssen 20, 21 der Hydraulikpumpe 17 und den Hydraulikleitungen 15 und 16 ist jeweils ein in Richtung des Vorratsbehälters 18 schließendes Rückschlagventil 30 bzw. 31 eingebaut.
1 zeigt die hydraulische Stellvorrichtung 1 in der Stellung bei konstanter Phasenlage der Nockenwelle, wenn also keine Verstellung erforderlich ist. In dieser Stellung befindet sich die Hydraulikpumpe 17 im Stillstand. Der Steuerkreis 14 ist drucklos, weshalb der Steuerschieber 23 von den beiden Rückstellfedern 24 und 25 in die mittlere Neutralstellung eingestellt wird. In dieser Stellung werden von den Steuerkolben 27 und 28 die Leitungsabschnitte 15b und 16b gesperrt. Die Stellvorrichtung 1 ist somit hydraulisch verblockt. Der Elektromotor kann stromlos bleiben und somit Energie eingespart werden. Lediglich Leckverluste müssen durch kurzfristiges Einschalten der Hydraulikpumpe 17 ausgeglichen werden.
Gemäß 2 befindet sich die Stellvorrichtung 1 in der Stellung für eine angenommene Vorverlegung (Frühverstellung) eines Ventil-Öffnungszeitpunktes". Die Hydraulikpumpe 17 wird vom Elektromotor so angetrieben, dass Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 18 über einen Abschnitt 16a der Hydraulikleitung 16 angesaugt und anschließend in die Hydraulikleitung 15 gefördert wird. Dabei wird durch den Saugdruck das Rückschlagventil 31 geöffnet und durch den Förderdruck das Rückschlagventil 30 zum Vorratsbehälter 18 geschlossen. Infolge des Förderdruckes in der Hydraulikleitung 15 wird der Steuerschieber 23 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 25 nach rechts verschoben und dabei vom Steuerkolben 27 die Leitungsabschnitte 15a und 15b mit einander verbunden. Gleichzeitig wird vom Steuerkolben 28 der Leitungsabschnitt 16a freigegeben, so dass die Steuerkammern 9, 11 und 13 mit dem Vorratsbehälter 8 verbunden sind. Die geförderte Hydraulikflüssigkeit kann somit in die Steuerkammern 8, 10 und 12 einströmen, wobei das Flügelzellenrad 4 im Uhrzeigersinn verdreht wird und dabei gleichzeitig die in den Steuerkammern 9, 11 und 13 vorhandene Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsbehälter 8 verdrängt wird. Sobald die Verstellung abgeschlossen ist wird die Hydraulikpumpe 17 abgeschaltet. Von der vorgespannten Rückstellfeder 25 wird der Steuerschieber 23 in seine mittlere Neutralstellung zurückgestellt, wobei die dabei verdrängte Hydraulikflüssigkeit aus dem Leitungsabschnitt 15b über die Hydraulikpumpe 17 und einen Teil des Leitungsabschnittes 16a in den Vorratsbehälter 18 zurückgefördert wird.
In 3 ist die hydraulische Stellvorrichtung in der Stellung für einen späten „Ventil-Schließzeitpunkt" dargestellt. Die Hydraulikpumpe 17 wird vom Elektromotor in umgekehrter Drehrichtung angetrieben, so dass Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulikpumpe 17 über einen Teil des Leitungsabschnittes 15a angesaugt und in den Leitungsabschnitt 16a gefördert wird. Die Rückschlagventile 30, 31 verhalten sich dabei umgekehrt wie im Ausführungsbeispiel der 2. Durch den Förderdruck wird der Steuerschieber 23 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 24 nach links verschoben, so dass die Hydraulikflüssigkeit nunmehr in die Steuerkammern 9, 11 und 13 und gleichzeitig durch die offene Verbindung der Steuerkammern 8, 10 und 12 zum Vorratsbehälter 18 die Hydraulikflüssigkeit aus diesen in den Vorratsbehälter 18 verdrängt werden kann. Sobald die Verstellung der Nockenwelle abgeschlossen ist wird die Hydraulikpumpe 17 abgeschaltet. Der Steuerschieber 23 wird von der Rückstellfeder 24 in die mittlere Neutralstellung gedrängt, in der die Stellvorrichtung wieder hydraulisch blockiert ist.

Claims

Hydraulische Stellvorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle an einer Brennkraftmaschine gegenüber der sie antreibenden Kurbelwelle mit einem zwischen einem Antriebsrad und der Nockenwelle angeordneten Steller mit einem Stellergehäuse, welches durch mindestens ein mit der Nockenwelle drehfest gekoppeltes Kraftübertragungselement in mindestens zwei Steuerkammern unterteilt ist, die über je eine Hydraulikleitung mit einem Vorratsbehälter verbunden sind, wobei jede Hydraulikleitung einen Anschluss zu einer Hydraulikpumpe besitzt, von der wahlweise Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in eine der Steuerkammern förderbar ist, wobei ferner jede Hydraulikleitung ein Rückschlagventil aufweist, das in Abhängigkeit vom Förderdruck der Hydraulikpumpe steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (2) ein Drehflügelversteller ist, der als Kraftübertragungselement ein mit der Nockenwelle drehfest verbundenes Flügelzellenrad (4) umfaßt, das in einem Stellergehäuse (3) mit gleichgroßen Steuerkammern (8 bis 13) zwischen den Flügeln (6a, 6b, 6c) des Flügelzellenrades (4) und dem Stellergehäuse (3) angeordnet ist, dass ferner die Rückschlagventile (30, 31) im Bereich der Anschlüsse (20, 21) zwischen Hydraulikpumpe (17) und den Hydraulik leitungen (15, 16) angeordnet sind und das in Abhängigkeit von der Förderung von Hydraulikfüssigkeit in die Steuerkammern (8, 10, 12 bzw. 9, 11, 13), das in der Hydraulikleitung (15) zu den Steuerkammern (8, 10, 12) liegende Rückschlagventil (30) die Verbindung zum Vorratsbehälter (18) absperrt, während das Rückschlagventil (31) in der anderen Hydraulikleitung (16) zur Förderung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (18) zur Hydraulikpumpe (17) geöffnet ist.
Hydraulische Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Hydraulikleitungen (15, 16) in Wirkverbindung mit einem Steuerventil (19) stehen, von dem aus in Abhängigkeit von der Förderrichtung der Hydraulikpumpe (17) die Steuerkammern (8, 10, 12) mit der Hydraulikleitung (15) und gleichzeitig die Steuerkammern (9, 11, 13) über die Hydraulikleitung (16) mit dem Vorratsbehälter (18) und umgekehrt verbindbar ist.
Hydraulische Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (19) einen Steuerschieber (23) mit zwei Steuerkolben (27, 28) umfasst, von denen der Steuerkolben (24) die Hydraulikleitung (15) und der Steuerkolben (28) die Hydraulikleitung (16) steuert, wobei zwischen beiden Steuerkolben (27, 28) ein Steuerungsabschnitt mit einem Ringkanal (26) liegt, über den jeweils die Steuerkammern (8, 10, 12 oder 9, 11, 13) mit dem Vorratsbehälter (18) verbindbar ist.
Hydraulische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (23) innerhalb des Steuerventils zwischen Rückstellfedern (24, 25) geführt ist, der in der Art eines Freikolbens ausschließlich druckabhängig und selbsttätig verstellbar ist.
Hydraulische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Hydraulikpumpe (17) von einem von der Brennkraftmaschine unabhängigen Antrieb, insbesondere einem in seiner Drehrichtung umkehrbaren Elektromotor angetrieben wird.