DE3210914C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Nockenwellensteuergerät nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Ein Nockenwellensteuergerät der beschriebenen Art ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 31 46 613 beschrieben. Dort erfolgt die Verstellung der Nockenwelle mittels eines Elektromotors. Der Elek­ tromotor muß von dem Steuergerät direkt angesteuert werden. Dies be­ deutet, daß ein hoher Regelaufwand zur Regelung bzw. Steuerung des Motorstroms erforderlich ist. Außerdem ist es schwierig , Elektromoto­ ren, die in diesem Fall eine vergleichsweise hohe Leistung erfordern, so auszulegen, daß sie innerhalb des zu erwartenden Temperaturbe­ reichs an einem Verbrennungsmotor einwandfrei arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung eines Nockenwel­ lensteuergeräts der genannten Art, daß die Verstellung der Hülse mit einem hydraulischen Antrieb erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die nicht vorveröffentliche DE-OS 31 27 766 beschreibt ein ähn­ liches Nockenwellensteuergerät mit einer schraubenden Verschiebung des Zahnrades auf einer Hülse mit einer komplementären Schraubenbahn.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als der Antrieb der Hülse über eine doppeltwirkende Hydraulikeinheit erfolgt. Da die Stellsignale Steuerventile für das Druckmittel betäti­ gen, ist nur eine vergleichsweise geringe Stelleistung aufzubringen. Die Stellsignale dienen zur Steuerung des Druckmittels, das mit hoher Leistung bzw. Stellkraft zur Verfügung steht. Die Erfindung vermei­ det, daß die Stellsignale unmittelbar eine große Stellkraft aufbrin­ gen müssen, wie dies etwa bei einer elektromotorischen Verstellung erforderlich wäre.

Nach einer Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ist eine unmittelbare Ansteuerung jeder Nockenwelle möglich. Die Rückmeldung für die Ist­ stellung kann durch Abfrage der Stellung der Zahnstange erfolgen.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß die Stellstange des dop­ peltwirkenden hydraulischen Stellgliedes quer zur Achse der jeweili­ gen Nockenwelle ausgerichtet ist und mit einem geneigt zur Längsrich­ tung der Stellstange verzahnten Abschnitt in eine entsprechende Schrägverzahnung der Hülse eingreift.

Mit der Ausführungsform nach Anspruch 4 ist eine gegensinnige, symmetrische Verstellung der Nockenwellen möglich. Man benötigt in diesem Fall nur ein Sollsignal als Stellsignal für beide Nockenwellen.

Die Ausführungsform nach Anspruch 5 ergibt eine besonders kompak­ te Bauweise, weil das gesamte Stellglied konzentrisch zur Nockenwelle angeordnet ist.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß der Istwertgeber die je­ weilige Lage der Stellstange erfaßt.

Die Ausführungsform nach Anspruch 7 ermöglicht eine Erfassung des Istwertes durch Abfühlung der Lage der Zahnstange oder durch Mes­ sung der Winkeldrehung der Nockenwelle mittels eines Zahnkranzsen­ sors, der das Zahnrad zum Antrieb der Nockenwelle abfühlt und die Winkelstellung desselben gegenüber einer Bezugsphase bestimmt.

Durch die Ausführungsform nach Anspruch 8 wird ein besonders wirksames hydraulisches Regelsystem zur Verfügung gestellt, in dem der Hydraulikkolben ständig durch Druck beaufschlagt wird, so daß Re­ gelschwingungen oder andere Störungen weitgehend ausgeschaltet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstel­ len

Fig. 1 eine schematische Stirnansicht eines Verbrennungsmotors,

Fig. 2 den elektronischen Teil des Nockenwellensteuergerätes,

Fig. 3 eine konstruktive Gestaltung des hydraulischen Antriebs für eine Verstellwelle,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 3,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise schematisierten Schnittdarstellung und

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Stirnansicht eines Verbrennungsmotors mit einer Kurbelwelle 2. Die Zylinderkammern und Ventile sind nicht darge­ stellt. Die Verbrennung kann durch Vergasung oder Einspritzung nach dem Ottoprinzip oder nach dem Dieselprinzip erfolgen. Die Ventile sind jeweils durch Nockenwellen 6, 7 gesteuert. Der Antrieb der Nockenwellen 6 und 7 erfolgt von der Kurbelwelle 2 aus, indem ein Zahnriemen 8 über eine Riemenscheibe 3 ein schrägverzahntes Zwischen­ rad 4 antreibt. Das Zwischenrad 4 kämmt mit einem Abtriebsrad 5 mit Schrägverzahnung. Dieses Antriebsrad 5 seinerseit kämmt mit Zahnrä­ dern 9 und 9′, die jeweils in Umfangsrichtung formschlüssig mit einer Nockenwelle 6 bzw. 7 gekoppelt sind; jedoch sind die Zahnräder 9 und 9′ in Axialrichtung auf der jeweiligen Nockenwelle 6, 7 verschiebbar. Dadurch laufen die Nockenwellen 6 und 7 synchron mit der Kurbelwelle 2 um. Eine taktrichtige Steuerung der Einlaßventile und Auslaßventile ist gewährleistet.

Auf der Kurbelwelle 2 sitzt ein Schwungrad 10 mit Zähnen 11. Die­ se Zähne 11 wirken mit einem Zahnkranzsensor 12 zusammen, der Zahnim­ pulse abgibt. Die Zahnimpulse sind ein Maß für die jeweilige Winkel­ stellung des Schwungrades 10. Außerdem erzeugt ein Bezugszahn unter den Zähnen 11 des Zahnkranzsensor 12 einen Bezugsimpuls. Nach Fig. 2 werden diese Impulse in einem Zündimpulsrechner 13 verarbeitet und geformt. Die geformten Zahnimpulse stehen am Zahnimpulsausgang 14 und die Bezugsimpulse am Bezugsimpulsausgang 15 zur Verfügung. Außerdem ist ein Lastfühler 16 vorhanden, der ein Drucksensor in der Ansauglei­ tung oder ein Drehmomentmesser sein kann. Der Lastzustand wird auf der Ausgangsschiene 17 durch ein 4-Bit-Lastsignal dargestellt. Der Zündimpulsrechner 13 gibt außerdem auf dem Ausgang 18 ein Zeitbasis­ signal ab, dessen Beginn jeweils mit einem Bezugsimpuls zusammenfällt und das eine feste Zeitdauer hat, die ein Bruchteil der bei der höch­ sten Motordrehzahl zur Ermittlung des Zündzeitpunktes zur Verfügung stehenden Gesamtzeitdauer ist.

Der Bezugsimpulsausgang 15 und der Zahnimpulsausgang beaufschla­ gen ein Adreßzähler 19, der durch jeden Bezugsimpuls auf den Null­ wert zurückgestellt wird. Der Adreßzähler 19 stellt auf der Ausgangs­ schiene 23 ein 6-Bit-Adreßsignal bereit, das ein Maß für die jeweili­ ge Winkelphase der Kurbelwelle 2 ist. Das 6-Bit-Adreßsignal und das 4-Bit-Lastssignal liegen an einem Sollwertspeicher 20 an, der matrixar­ tig angesteuert wird und in 1024 Speicherplätzen eine entsprechende Anzahl von Sollwerten für die Verstellung der Nockenwelle enthält. Der Gesamtdrehzahlbereich ist in 64 Drehzahlintervalle und der Lastbe­ reich in 16 Lastintervalle aufgeteilt. Die Intervalle können linear oder lichtlinear bemessen sein. Zweckmäßig wird der untere Gesamtdreh­ zahlbereich in schmalere Intervalle aufgeteilt, da dort genauere Kor­ rekturen erforderlich sind. Bevorzugt wird das untere Fünftel des Ge­ samtdrehzahlbereiches in 32 Drehzahlintervalle aufgeteilt. Man kann selbstverständlich auch eine größere Anzahl von Speicherplätzen und damit eine größere Anzahl von Sollwerten vorsehen. Auf der Ausgangs­ schiene 24 des Sollwertspeichers steht ein 8-Bit-Sollsignal zur Verfü­ gung.

Eine Signalleitung 25 macht weitere Speicherplätze des Sollwert­ speichers 20 zugänglich, z. B. zur Bereithaltung von Sollsignalen, die einer anderen Betriebstemperatur, einer anderen Treibstoffzusammenset­ zung oder einem anderen Betriebsparameter zugeordnet sind.

Die Ausgangsschiene 24 des Sollwertspeichers 20 führt zu einem Zwischenspeicher 21, der von dem Zahnimpulsausgang 14 getaktet wird. Eine Ausgangsschiene 26 des Zwischenspeichers 21 führt zu einem Stell­ wertspeicher 22, der durch das Zeitbasissignal auf der Leitung 18 ge­ taktet wird. Jeweils mit der Rückflanke des Zeitbasissignals wird das an dem Zwischenspeicher 21 anstehende Sollsignal für die Dauer einer Betriebsperiode der Kurbelwelle 2 in den Stellwertspeicher 22 übernom­ men. Der Ausgang des Stellwertspeichers 22 ist in Ausgangsteilschie­ nen 27 und 28 für die Nockenwellen der Einlaßventile und der Auslaß­ ventile aufgeteilt, damit die beiden Nockenwellen gesondert gesteuert werden können. Man hat so für jede Nockenwelle 6, 7 ein 4-Bit-Sollsi­ gnal das eine Verstellung in 16 Stufen ermöglicht. Die Nockenwellen lassen sich jeweils in beiden Richtungen um 40°, bezogen auf die Kur­ belwelle, verstellen. Damit läßt sich ein Überschneidungswinkel bis zu 90° einstellen.

Ein Spannungswandler 56 dient zur Spannungs- und Stromversorgung der Anordnung. Eine Nachlaufsteuerung 57 wird beim Abschalten des Motors wirksam und sorgt dafür, daß die Nockenwelle immer in einer Grundstellung verfahren wird, von der aus eine Verstellung beim Anlas­ sen des Motors erfolgt.

Für jede Nockenwelle 6 bzw. 7 ist ein Verstellregelkreis 29 bzw. 30 vorhanden. Da beide Verstellregelkreise funktionsmäßig gleich auf­ gebaut sind, wird nur ein Verstellregelkreis in Einzelheiten erläu­ tert.

Der Verstellregelkreis 29 umfaßt einen D/A-Wandler 32, der das 4-Bit-Sollsignal des Winkelsollwertes für die Nockenwellenverstellung in ein Analogsignal umwandelt. Ein Differenzkreis 33 erhält einerseits dieses Analogsignal als Sollwert für die Nockenwellenstellung und andererseits von einem Istwertgeber 34 ein Istsignal für die Iststel­ lung der Nockenwelle bzw. eines Stellgliedes. Der Differenzkreis 33 gibt auf den Leitungen 35 bzw. 36 Stellsignale für eine Verstellung in positiver oder negativer Richtung ab. Diese Stellsignale erregen jeweils ein Mehrwegeventil 37 eines Hydraulikkreises, das einerseits an die Druckmittelleitung 38 einer Druckmittelpumpe und andererseits an eine Rückflußleitung 40 angeschlossen ist. Auf der Ausgangsseite ist das Mehrwegeventil mit den beiden Kammern 41, 42 eines doppeltwir­ kenden Hydraulikzylinders 43 verbunden, in dem ein Kolben 44 mit einer Stellstange 45 verschiebbar ist. Der Istwertgeber 34 erfaßt die jeweilige Stellung dieser Stellstange 45 oder die Winkelstellung der Nockenwelle.

Fig. 3 bis 5 zeigen eine konstruktive Ausführung der Nockenwel­ lenverstellung. Das Stirnende einer Nockenwelle 6 weist Keilnuten 46 auf, in die entsprechende Elemente des Zahnrades 9 mit Schrägverzah­ nung 47 eingreifen. Infolgedessen ist dieses Zahnrad 9 in Axialrich­ tung der Nockenwelle 6 verschiebbar. Das Zahnrad 9 kämmt mit der Schrägverzahnung des Antriebsrades 5, wie bereits erläutert ist.

In einer Aufnahme 48, die einen Längsschlitz 63 hat, ist eine Hülse 49 geführt, die einen Abschnitt mit einer durch den Längs­ schlitz 63 vorstehenden Axialverzahnung 50 aufweist und mittels eines Kugellagers 51 drehbar mit dem Zahnrad 9 gekoppelt ist. Infolgedessen kann sich das Zahnrad 9 frei auf der Hülse 49 drehen, jedoch wird das Zahnrad 9 bei axialer Verschiebung der Hülse 49 mitgenommen. Das Ku­ gellager 51 ist als Axialdrucklager ausgebildet.

In die Axialverzahnung 50 greift eine Umfangsverzahnung 52 einer Stellwelle 53 ein. Die Stellwelle 53 besitzt eine weitere Umfangsver­ zahnung 54, in die eine Verzahnung 55 einer Zahnstange 58 eingreift. Die als Stellstange vorgesehene Zahnstange 58 weist an beiden Stirnen­ den Kolben 59 auf, die in Kammern 41 bzw. 42 eines doppeltwirkenden Hydraulikzylinders 43 sitzen. Die Kammern 41 und 42 sind über An­ schlußstutzen 60 und 61 mit den von dem Mehrwegeventil gesteuerten Druckleitungen verbunden. Beide Kammern 41 und 42 sind symmetrisch ausgebildet.

Mit der Stellwelle 53 ist ein Stellzapfen 62 eines Drehpotentio­ meters verbunden, das als Istwertgeber 34 für die Stellung der Stell­ welle 53 und damit für die Winkelverstellung der Nockenwelle dient.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das Istwertsignal des Istwertgebers 34 mit dem Sollsignal verglichen. Das Differenzsi­ gnal oder Stellsignal steuert das Mehrwegeventil 37, das eine Verstel­ lung der Stellstange 58 bewirkt, die seinerseits eine axiale Verstel­ lung der Hülse 49 und des Zahnrades 9 veranlaßt. Entsprechend erfolgt eine Winkelverstellung der Nockenwelle 6.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 6 sieht eine Stellstange 64 vor, die quer zu den Nockenwellen 6 und 7 ausge­ richtet ist. An einem Ende der Stellstange 64 ist ein doppeltwirken­ der Hydraulikzylinder 43 vorgesehen. Man kann auch an beiden Enden der Stellstange 64 jeweils einfach wirkende Hydraulikzylinder 43 vor­ sehen. Mit der Stellstange 64 ist ein Istwertgeber 65, z. B. in form eines Stellwiderstandes, gekoppelt. Die Stellstange 64 weist zwei Abschnitte 66 und 67 mit entgegengesetzt ausgerichteter Schrägverzah­ nung nach Art einer schrägverzahnten Zahnstange auf. In einer Aufnah­ me 48 ist die Hülse 49 verschiebbar, jedoch undrehbar gegenüber der Aufnahme 48 geführt. Die Hülse 49 weist mindestens in dem mit der Zahnstange in Verbindung stehenden Bereich eine Axialschrägverzahnung auf, die mit der jeweiligen Schrägverzahnung 66 bzw. 67 in Eingriff ist. Mit der Hülse 49 ist über ein Kugellager 51 das jeweilige Zahn­ rad 9 gekoppelt. Die Zahnräder 9 besitzen eine Schrägverzahnung, die mit dem Antriebsrad 5 kämmt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist nur ein Sollsignal für die Verstellung beider Nockenwellen 6 und 7 erforderlich. Bei der Verschiebung des Kolbens 68 mit der Stellstange 64 erfolgt eine gegen­ sinnige Verstellung der Hülsen 49 infolge der gegensinnigen Axial­ schrägverzahnung. Dadurch wird entsprechend der Überschneidungswinkel verstellt. Erforderlichenfalls kann man mit einer ähnlichen Anordnung selbstverständlich auch beide Nockenwellen einzeln ansteuern.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier trägt die Aufnahme 48 einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder 69, dessen ringförmige Zylinderkammer konzentrisch zur Nockenwelle 6 ange­ ordnet ist. Innerhalb der Zylinderkammer befindet sich ein Kolben 70, an dem die Hülse 49 sitzt. Die Hülse 49 ist über das Kugellager 51 mit dem Zahnrad 9 gekoppelt. Die Zähne des Zahnrades 9 tragen eine an sich bekannte Markierung. Dem Zahnrad 9 steht ein Zahnkranzsensor 71 gegenüber, der mit einer Auswerteelektronik zur Erfassung der Zahnim­ pulse und zur Ermittlung der Winkellage des Zahnrades 9 gekoppelt ist. Der Zahnkranzsensor 71 dient als Istwertgeber.

Wie man aus Fig. 7 erkennt, haben die beiden Kolbenflächen unter­ schiedliche Größe und zwar ist die Kolbenfläche innerhalb der Zylin­ derkammer 72 kleiner, die Kolbenfläche innerhalb der Zylinderkammer 73 größer. Die Anschlußleitung 74 der Zylinderkammer 72 ist ständig mit einer Druckleitung 75 eines Hydraulikkreises verbunden, die von einer Hydraulikpumpe 76 gespeist ist. Die Anschlußleitung 77 ist wahl­ weise über eines von zwei Absperrventilen 78 und 79 mit der Drucklei­ tung 75 bzw. mit einer Rückflußleitung 80 verbindbar. Die Absperrven­ tile 78 und 79 werden durch die Sollsignale auf den Leitungen 35 und 36 (Fig. 2) gesteuert. Im einen Fall ist die Anschlußleitung 77 mit der Druckleitung 75 verbunden, so daß sich der Kolben 70 mit der Hül­ se 49 nach links, bezogen auf Fig. 7, bewegt, weil die Kolbenfläche innerhalb der Zylinderkammer 73 größer ist. In andern Fall ist die Anschlußleitung 77 mit der Rückflußleitung 80 verbunden, so daß der Kolben 70 mit der Hülse 49 sich nach rechts, bezogen auf Fig. 7, be­ wegt. Die Sollsignale für eine positive oder negative Verstellung werden also hier zur Steuerung der beiden Absperrventile benutzt.

Claims (8)

1. Nockenwellensteuergerät zur drehzahl- und lastabhängigen Win­ kelverstellung mindestens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mit einer in Axialrichtung auf der Nockenwelle verschiebbaren Hülse, auf der ein zusammen mit der Hülse in Axialrichtung der Nockenwelle verschiebbares schrägverzahntes Zahnrad drehbar gelagert ist, wobei dieses Zahnrad in ein schrägverzahntes Antriebsrad eingreift, und wobei eine Verstellvorrichtung zur axialen Verstellung der Hülse vor­ gesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) ein zahnkranzgesteuerter Zündimpulsrechner (13) gibt Zahnimpulse ab, die jeweils einer Winkeldrehung der Kurbelwelle (2) ent­ sprechen, und außerdem Bezugsimpulse, die einer Bezugswinkelstel­ lung der Kurbelwelle entsprechen;
• b) ein Adreßzähler (19) wird jeweils durch die Bezugsimpulse auf Null gestellt und durch die Zahnimpulse geschaltet, so daß am Ausgang des Adreßzählers digitale Adreßsignale bereitstehen, die der je­ weiligen Winkelstellung der Kurbelwelle (2) entsprechen;
• c) ein Sollwertspeicher (20) nimmt einerseits die Ausgangssignale des Adreßzählers (19) und andererseits digitale Lastsignale auf und stellt am Ausgang ein Sollsignal für die Nockenwellenverstel­ lung bereit;
• d) ein Sollwertspeicher (22) wird durch ein Zeitbasissignal (18) ange­ steuert und nimmt während jeder Betriebsperiode ein entsprechendes Sollsignal auf;
• e) an einem Differenzkreis (33) eines Verstellregelkreises (29, 30) liegen als Vergleichssignale das in einem A/D-Wandler (32) analog gewandelte Sollsignal des Stellwertspeichers (22) und ein Istsi­ gnal eines Istwertgebers (34) an und der Differenzkreis gibt Stell­ signale für eine Verstellung in positiver oder negativer Richtung ab;
• f) die Stellsignale steuern Ventile (37) für den Druckmittelkreis eines doppeltwirkenden hydraulischen Stellgliedes (43), das die Hülse (49) auf der Nockenwelle (6) kraftschlüssig verstellt.

2. Nockenwellensteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Stellstange (58) des doppeltwirkenden hydraulischen Stellgliedes (43) als Zahnstange ausgebildet ist und in eine Umfangs­ verzahnung (54) einer Stellwelle (53) eingreift, die mit einer weite­ ren Umfangsverzahnung (52) in eine Axialverzahnung (50) der Hülse (49) eingreift.

3. Nockenwellensteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellstange (64) des doppeltwirkenden hydraulischen Stellgliedes (43) quer zur Achse der jeweiligen Nockenwelle (6, 7) ausgerichtet ist und jeweils mit einem geneigt zur Längsrichtung der Stellstange verzahnten Abschnitt (66, 67) in eine entsprechende Schrägverzahnung der betreffenden Hülse (49) eingreift.

4. Nockenwellensteuergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellstange (64) zwei Abschnitte (66, 67) mit jeweils entgegengesetzter Schrägverzahnung besitzt und daß die genannten Ab­ schnitte mit der Hülse (49) je einer Nockenwelle (6, 7) in Eingriff sind, wobei die Hülsen der beiden Nockenwellen entsprechend entgegen­ gesetzte Schrägverzahnungen aufweisen.

5. Nockenwellensteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß konzentrisch zu jeder Nockenwelle (6) ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder (69) mit einer Ringkammer vorgesehen ist, dessen Ringkolben (70) mit der Hülse (49) gekoppelt ist.

6. Nockenwellensteuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwertgeber (34) die jeweilige Lage der Stellstange (58) erfaßt.

7. Nockenwellensteuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem auf der Hülse (49) drehbaren Zahnrad (9) ein Zahnkranzsensor (71) zugeordnet ist, der die Zähne des Zahn­ rades abfühlt und mittels einer Auswerteelektronik die jeweilige Win­ kellage des Zahnrades erfaßt.

8. Nockenwellensteuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenflächen der beiden Kammern (72, 73) der doppeltwirkenden Zylindereinheit (69) unterschiedlich groß sind, daß die der kleineren Kolbenfläche zugeordnete Zylinderkammer (72) ständig mit einer hydraulischen Druckleitung (75) verbunden ist und daß die der größeren Kolbenfläche zugeordnete Zylinderkammer (73) über Absperrventile (78, 79) einerseits mit der Druckleitung (75) und andererseits mit einer Rückflußleitung (80) verbindbar ist.