DE3619956A1 - Einrichtung zur automatischen drehwinkelverstellung einer nockenwelle von brennkraftmaschinen, insbesondere fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur auto­ matischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer in Abhängigkeit von der jeweiligen Motorlast über ein elektronisches Steuer­ gerät angesteuerten elektrischen Verstellvorrichtung, die ein Steuerventil betätigt, welches mittels des Motoröldruckes über ein mechanisches Verstellglied eine Drehwinkelverstellung des Nockenwellen-Antriebsrades gegenüber der Nockenwelle ver­ anlaßt.

Derartige Nockenwellen-Verstelleinrichtungen bezwecken eine von der Motorlast abhängige Verstellung der Steuerzeit der Einlaßventile. Hierdurch läßt sich in den verschiedenen Dreh­ zahlbereichen eine Verbesserung des Füllungsvorgangs erzielen. Die jeweilige Motorlast kann z.B. durch Messung der angesaugten Luftmenge ermittelt werden.

Durch die DE-OS 33 16 162 ist eine Einrichtung der eingangs be­ zeichneten Art bekannt geworden. Hierbei dient als elektrische Verstellvorrichtung ein Elektromagnet, der seinen Steuerimpuls von einem elektronischen Steuergerät erhält. Das elektronische Steuergerät verarbeitet ein vom Luftmengenmesser erzeugtes elektrisches Signal, indem es dieses über ein Relais als Steuersignal an den Elektromagneten weiterleitet. Wenn die vom Motor angesaugte Luftmenge unter einem gewissen Wert liegt, ist der Elektromagnet nicht erregt. Die Steuerzeit des Ein­ laßventils bleibt in diesem Fall auf normalem Wert. Überschreitet jedoch die angesaugte Luftmenge einen festgelegten Wert, so wird der Elektromagnet erregt. Er verschiebt ein Steuerventil, welches - mittels des Motoröldruckes - einen auf einer Schräg­ verzahnung axial verschiebbaren Kolben betätigt, der seiner­ seits das Nockenwellen-Antriebsrad um einen definierten Winkel gegenüber der Nockenwelle verdreht.

Die bekannte Nockenwellen-Verstelleinrichtung arbeitet also nach dem Prinzip des "Ein-Aus"-Schalters. Die Verstellung der Ventilsteuerzeiten (Ventilüberschneidung) durch eine "Ein-Aus"- Schaltung bei einem bestimmten Betriebspunkt stellt aber nur einen Kompromiß in der Variierung der Ventil-Steuerzeiten dar. Durch einen zu großen Verdrehwinkelsprung des Nockenwellen- Antriebsrades kann es zu Nachteilen, z.B. hinsichtlich Kraft­ stoffverbrauch, Abgas, Leistungs- und Drehmomentcharakteristik und Schwingungsverhalten des Motors, kommen. Ist der Verdreh­ winkel dagegen zu klein, so sind z.B. entweder Nachteile im Leerlauf bei zu großem Voreinlaß oder Leistungseinbußen bei Vollast bei zu geringem Nacheinlaß zu erwarten.

Zwar ist durch die DE-OS 31 46 613 eine - allerdings gattungs­ fremde - Nockenwellen-Verstelleinrichtung bekannt geworden, bei der eine stufenlose Verstellung des Verdrehwinkels der Nockenwelle gegenüber ihrem Antrieb vorgesehen ist. Diese bekannte Nockenwellen-Verstelleinrichtung benötigt aber auf­ wendige Stellmotoren und Räderwerke, die durch hohen Kraftbe­ darf und starke Geräuschentwicklung gekennzeichnet sind und darüber hinaus mit einem schlechten mechanischen Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem handelt es sich hierbei um eine sehr teuere Lösung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Nockenwellen- Verstelleinrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so zu verbessern, daß mit relativ einfachen technischen Mitteln eine stufenlose Variierung der Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit von der Motorlast erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem elektronischen Steuergerät ein Kennfeld für Ventilsteuerzeiten gespeichert ist, das die optimalen Ventilsteuerzeiten über Last und Drehzahl enthält, und daß als elektrische Verstellvor­ richtung ein Elektromotor mit einer Stellspindel vorgesehen ist, die zur axialen Betätigung des Steuerventils dient.

Die Erfindung vermeidet einerseits die geschilderten Nachteile der bekannten "Ein-Aus-Steuerung" nach DE-OS 33 16 162. Anderer­ seits zeichnet sie sich gegenüber der bekannten stufenlosen Lösung nach DE-OS 31 46 613 durch besondere Einfachheit des Verstellmechanismus aus, da der vorhandene Öldruck des Motors zur Verstellung benutzt und auf diese Weise der mechanische Aufwand sehr gering gehalten wird. Mit dem erfindungsgemäßen kennfeldgesteuerten System zur Variierung der Ventilsteuerzeiten lassen sich für ein gegebenes Nockenprofil die für jeden Be­ triebspunkt des Motors optimalen Ventilsteuerzeiten einstellen. Daraus ergeben sich optimale Motorwerte, z.B. hinsichtlich Abgas, Leistung, Drehmoment, Laufruhe und Kraftstoffverbrauch.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Winkelverstellung des Kolbens und damit des auf ihm drehfest sitzenden Nockenwellen-Antriebsrades so, daß der durch den Motoröldruck axial verschiebbare Kolben auf einer "schiefen Ebene" der Nockenwelle angeordnet ist. Als "schiefe Ebene" kann hierbei in an sich bekannter Weise eine Schrägverzahnung dienen. Auch eine beliebige anderweitige geeignete Realisierung der "schiefen Ebene", z.B. in Form schräger Langlöcher, ist denkbar.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß am Steuerventil Steuerkanten so ausgestaltet sind, daß ein definierter Leckölstrom aufgebaut wird, der ein Kräftegleichge­ wicht zwischen dem den Kolben vorderseitig beaufschlagenden Motoröldruck und der rückseitig auf den Kolben wirkenden Feder­ kraft gewährleistet. Zur praktischen Verwirklichung dieses Ge­ dankens können die Steuerkanten einer Steuerausnehmung des Steuerventils tropfenförmig mit in Betätigungsrichtung weisender Spitze ausgebildet sein. Durch die jeweilige, kennfeldge­ steuerte Stellung des Steuerventils mit seinen Steuerkanten kann der Kolben in jeder benötigten Position gehalten werden. Dies bedeutet eine Verdrehung des Nockenwellen-Antriebsrades um den jeweils optimalen Winkel.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sollte eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Nockenstellung vorge­ sehen sein, die der jeweiligen Nockenstellung entsprechende Signale erzeugt und als Vergleichswerte dem im elektronischen Steuergerät eingespeicherten Kennfeld zuleitet, derart, daß dort ständig ein Soll-Ist-Vergleich vorgenommen werden kann. Durch diesen Soll-Ist-Vergleich lassen sich alle Toleranzen und Öl- bzw. Federdruckschwankungen kompensieren.

Die Erfindung ist nun anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung veranschaulicht und nachstehend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 - im vertikalen Längsschnitt - eine Teildarstel­ lung einer Nockenwelle für eine Kolbenbrennkraft­ maschine, und

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Darstellung eines Steuerventils.

Nach Fig. 1 bezeichnet 10 den Motorblock bzw. - im Falle oben­ liegender Nockenwellen - den Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraft­ maschine mit ventilgesteuertem Gaswechsel, z.B. für Kraftfahr­ zeuge. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Brennkraft­ maschine, bei der Gaseinlaß und -auslaß jeweils durch eine separate Nockenwelle gesteuert werden. Die in Fig. 1 teilweise dargestellte mit 11 bezifferte Einlaß-Nockenwelle ist bei 12 im Teil 10 drehbar gelagert. Am rechten Ende der Fig. 1 ist ein Steuernocken der Nockenwelle 11 angedeutet und mit 13 be­ zeichnet. Bohrungen 14, 15 und 16 in der Nockenwelle 11 bzw. im Motorgehäuse 10 sorgen für eine Schmiermittelversorgung des Nockenwellen-Lagers 12. Auf dem linken, sich in Abstufungen verjüngenden Ende der Nockenwelle 11 sitzt ein Hohllager 17, an dem sich stirnseitig eine Druckfeder 18 abstützt. Mit ihrem anderen Ende - bei 19 - beaufschlagt die Druckfeder 18 einen Kolben 20, der an seinem Außenumfang über eine Schrägverzahnung 21 mit einer Zahnhülse 22 drehfest verbunden, jedoch gegenüber dieser axial verschiebbar ist. Auf der Zahnhülse 22 sitzt ein mit einer Steuerkette 23 in Eingriff stehendes Steuerzahnrad 24. Die von der Kurbelwelle (nicht gezeigt) betätigte Steuerkette 23 bildet zusammen mit dem Steuerzahnrad 24 den Antrieb der Nocken­ welle 11. Das mit der Zahnhülse 22 drehfest verbundene Steuer­ zahnrad 24 ist durch eine Befestigungsmutter 25 auch axial gegenüber der Zahnhülse 22 fixiert. Das freie Ende der Zahn­ hülse 22 ist durch einen Deckel 26 abgeschlossen. Hierbei ist ein radialer Spalt 27 zwischen der Innenfläche des Deckels 26 und der linken Stirnfläche des Kolbens 20 ausgebildet.

Im Zentrum des Deckels 26, in einem hülsenartigen Fortsatz 28 desselben, ist ein insgesamt mit 29 bezeichnetes Steuerventil axial verschiebbar angeordnet, welches in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung gezeigt ist. Der hülsenartige Fortsatz 28 und da­ mit auch das Steuerventil 29 selbst ist von einem Hülsenteil 30 umschlossen, das eine radiale Steuerbohrung 31 besitzt. Das Steuerventil 29 ist hohl ausgebildet und weist eine Steueraus­ nehmung 32 auf, die mit der radialen Steuerbohrung 31 des Hülsenteils 30, wie weiter unten noch erläutert, zusammenwirkt. Fig. 2 läßt erkennen, daß die Steuerkanten der Steuerausnehmung 32 so ausgestaltet sind, daß sich insgesamt eine Tropfenform der Steuerausnehmung 32 ergibt. Am linken kolbenartigen Ende 33 des Steuerventils 29 ist eine Rückführungsbohrung ausgebildet und mit 34 bezeichnet. Sie verbindet den Hohlraum 35 des Steuer­ ventils 29 mit der (nicht dargestellten) Ölwanne der Brennkraft­ maschine.

Zur Betätigung des Steuerventils 29 (in Pfeilrichtung 36) dient ein mit 37 bezeichneter Elektromotor, der mittels einer Nut­ mutter 38 im Motorgehäuse fixiert ist. Der Elektromotor 37 ist bei 39 in nicht näher gezeigter Weise an eine geeignete elektrische Stromquelle, z.B. die Fahrzeugbatterie, angeschlossen. Der Elektromotor 37 betätigt eine Stellspindel 40, die mit dem kolbenartigen Ende 33 des Steuerventils 29 in Berührung steht.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Stellung korrespondiert die Steuer­ ausnehmung 32 des Steuerventils 29 mit der Steuerbohrung 31 im Hülsenteil 30. Das von der Ölwanne kommende, durch die (nicht gezeigte) Ölpumpe geförderte Motoröl gelangt über die Ölzuleitungen 16, 14, einen Radialspalt 41 und einen Axial­ kanal 42 in die Steuerbohrung 31, von wo es durch die Steuer­ ausnehmung 32 in den Hohlraum 35 des Steuerventils 29 eintreten kann. Von dort strömt das Motoröl schließlich durch die Rück­ führungsbohrung 34 wieder zurück zur Ölwanne.

Wird nun der Elektromotor 37 - etwa infolge erhöhter Motorlast - in Tätigkeit gesetzt, so erfolgt eine entsprechende Rotation der Stellspindel 40, die sich entsprechend ihrer Gewinde­ steigung in eine Axialbewegung (in Pfeilrichtung 36) umsetzt. Das Steuerventil 29 wird hierdurch entsprechend nach rechts verschoben, wobei die durch die Steuerbohrung 31 und die Steuer­ ausnehmung 32 bestehende Strömungsverbindung - wie durch die Tropfenform der Steuerausnehmung 32 (vgl. Fig. 2) vorgegeben - nach und nach unterbrochen wird. Hierdurch wird der Durchlaß zur Ölwanne über die Rückführungsbohrung 34 gesperrt. Der Druck des Motoröls, das nun nicht mehr über die Rückführungsbohrung 34 abfließen kann, baut sich daraufhin in dem radialen Spalt 27 zwischen Deckel 26 und Kolben 20 auf bis schließlich der Kol­ ben 20 um ein dem Öldruck entsprechendes Stück axial nach rechts (Pfeilrichtung 36) verschoben wird. Durch die Axial­ verschiebung des Kolbens 20 wird - über die oben erwähnte Schräg­ verzahnung - eine entsprechende Drehverstellung der Zahnhülse 22 und damit des auf dieser fest sitzenden Nockenwellen-Antriebs­ rades (Steuerzahnrad 24) bewirkt.

Läßt nun die Motorlast wieder nach, so wird der Elektromotor 37 in umgekehrter Richtung in Drehung versetzt, und die Stell­ spindel 40 zieht sich daraufhin entgegen der Pfeilrichtung 36 zurück. Durch den bei 41 aufgebauten Motoröldruck läßt sich nun auch das Steuerventil 29 entgegen der Pfeilrichtung 36 axial verschieben, z.B. wieder in die aus Fig. 1 ersichtliche Stel­ lung.

Wie für den beschriebenen Steuervorgang der Elektromotor 37 nun im einzelnen angesteuert werden muß, zeigt ebenfalls Fig. 1. Der Elektromotor 37 erhält seine Steuerimpulse (durch die er in der einen oder anderen Richtung in Drehung versetzt wird) durch ein elektronisches Steuergerät 43, in dem ein die hinsichtlich Motorlast und -drehzahl optimalen Ventilsteuer­ zeiten enthaltendes Kennfeld 44 gespeichert ist. In das elektronische Steuergerät 43, welches auch zur Steuerung der Motorzündung der Kraftstoffeinspritzung dient (vgl. Pfeile 45, 46), münden - bei 47 - die von geeigneten Sensoren (nicht dar­ gestellt) gelieferten Signale über die jeweils ermittelte Motor­ last und -drehzahl ein. Das Steuergerät 43 verarbeitet diese Signale mit Hilfe des Kennfeldes 44 und leitet sie - wie durch eine Linie 48 schematisch angedeutet - in Form geeigneter Impulse an den Elektromotor 37 weiter, der hierdurch - wie oben be­ schrieben - in Tätigkeit gesetzt wird.

An der Nockenwelle 11 - bei 49 - wird ständig die jeweilige Nockenstellung ermittelt und durch eine Signalleitung 50 als Vergleichswert zu den vom Steuergerät 43 erzeugten Steuerimpulsen dem Kennfeld 44 zugeleitet. Dort findet dann ein Soll-Ist-Ver­ gleich und - je nach Ergebnis dessselben - eine evtl. Korrektur der in den Elektromotor 37 eingespeisten Steuerimpulse statt. Durch diesen Soll-Ist-Vergleich können alle evtl. Toleranzen und Öl- bzw. Federdruckschwankungen kompensiert werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zur automatischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahr­ zeuge, mit einer in Abhängigkeit von der jeweiligen Motorlast über ein elektronisches Steuergerät angesteuerten elektrischen Verstellvorrichtung, die ein Steuerventil betätigt, welches mittels des Motoröldruckes über ein mechanisches Verstellglied eine Drehwinkelverstellung des Nockenwellen-Antriebsrades gegenüber der Nockenwelle veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektronischen Steuer­ gerät (43) ein Kennfeld (44) für Ventilsteuerzeiten ge­ speichert ist, das die optimalen Ventilsteuerzeiten über Last und Drehzahl enthält, und daß als elektrische Ver­ stellvorrichtung ein Elektromotor (37) mit einer Stell­ spindel (40) vorgesehen ist, die zur axialen Betätigung des Steuerventils (29) dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drehwinkelver­ stellung des Nockenwellen-Antriebsrades durch einen auf einer "schiefen Ebene" mittels des Motoröldruckes axial verschiebbaren Kolbens (20) erfolgt, welcher sich axial über Federmittel (18) an einem Hohllager (17) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß am Steuerventil (29) Steuer­ kanten so ausgestaltet sind, daß ein definierter Lecköl­ strom aufgebaut wird, der ein Kräftegleichgewicht zwischen dem den Kolben (20) vorderseitig beaufschlagenden Motor­ öldruck und der rückseitig auf den Kolben (20) wirkenden Federkraft (18) gewährleistet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten einer Steuer­ ausnehmung (32) des Steuerventils (29) tropfenförmig mit in Betätigungsrichtung (36) weisender Spitze ausge­ bildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung (49, 50) zur Ermittlung der Nockenstellung vorgesehen ist, die der jeweiligen Nockenstellung entsprechende Signale er­ zeugt und als Vergleichswerte dem im elektronischen Steuergerät (43) eingespeicherten Kennfeld (44) zuleitet, derart, daß dort ständig ein Soll-Ist-Vergleich vorge­ nommen werden kann.