DE4402586C2 - Einstellbare Ventilsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine einstellbare Ventilsteuerung für einen Motor, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Ventilsteuerung ist aus der US-PS 5 067 450 bekannt. Diese Ventilsteuerung hat eine von dem Motor angetriebene Riemenscheibe, die an einer Nockenwelle gehalten und gegenüber dieser drehbar ist. Ein Flansch ist mit der Nockenwelle drehfest verbunden. Zwischen der Riemenscheibe und dem Flansch ist ein mit Schrägverzahnungen versehener, gegenüber der Nockenwelle axial verschiebbarer Kolben vorgesehen, der über die Schrägverzahnungen sowohl mit der Riemenscheibe als auch mit dem Flansch in Eingriff ist. Eine Axialverschiebung des Kolbens ruft eine Relativdrehung zwischen der Riemenscheibe und dem Flansch hervor, so daß sich die Winkelstellung dieser beiden Teile relativ zueinander und damit die Winkelstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle des Motors einstellen läßt. Zwischen der Riemenscheibe und dem Flansch ist ein Dämpfer vorgesehen, der an einer Nockenwelle auftretende Drehmomentschwankungen dämpft. Dieser Dämpfer hat ein Labyrinth an der Riemenscheibe und an dem Flansch, das mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt ist, die die Relativbewegungen zwischen Riemenscheibe und Flansch durch Scherung der viskosen Flüssigkeit im Labyrinth dämpft. Um die Flüssigkeit im Dämpfer dicht einzuschließen, ist ein Dichtungsbauteil vorgesehen, das am Flansch und an der Riemenscheibe anliegende O-Ringe hat. Diese herkömmliche Ventilsteuerung hat jedoch den Nachteil, daß die O-Ringe stets im reibenden Eingriff mit den relativ zueinander zu drehenden Teilen sind, so daß die Überwindung dieser Reibungskräfte das Ansprechverhalten der Ventilsteuerung verschlechtert.

Folglich ist es Aufgabe der Erfindung, eine einstellbare Ventilsteuerung zu schaffen, deren Ansprechverhalten verbessert ist.

Die Aufgabe wird mit einer Ventilsteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen einstellbaren Ventilsteuerung.

Fig. 2 ist eine Querschnittdarstellung einer Phasendifferenz- Einstellvorrichtung, die in der einstellbaren Ventilsteuerung aus Fig. 1 verwendet wird.

Fig. 3 ist eine Querschnittdarstellung eines Dämpfers, der einen wesentlichen Hauptabschnitt der Phasendifferenz- Einstellvorrichtung aus Fig. 2 bildet.

Gemäß den Fig. 1 und 2, enthält ein Motor 11 eine Kurbelwelle 12, auf der eine Riemenscheibe 15 angebracht ist, die von der Kurbelwelle 12 eine Antriebskraft erhält, eine erste Nockenwelle 13A, auf der eine Riemenscheibe 16 angebracht ist und die mit einem Ventilmechanismus in Wirkverbindung steht (nicht dargestellt), und eine zweite Nockenwelle 13B, auf der eine Riemenscheibe 17 angebracht ist und die mit einem anderen Ventilmechanismus in Wirkverbindung steht (nicht gezeigt). Über die Riemenscheiben 15 bis 17 ist ein gemeinsamer Riemen 14 gespannt. Die Winkellage der Kurbelwelle 12 und die Winkellage der Nockenwelle 13A werden kontinuierlich jeweils durch einen ersten Sensor 18 und einen zweiten Sensor 19 erfaßt. Die daraus resultierenden Lagesignale werden jeweils vom ersten Sensor 18 und vom zweiten Sensor 19 in eine ECU oder elektronische Steuerungseinheit 20 weitergeleitet oder eingespeist, die in Form eines Mikroprozessors oder einer CPU vorliegt. In Abhängigkeit dieser Signale gibt die ECU 20 einen Steuerstrom an ein Fluiddrucksteuerungsventil 21 ab.

Das Fluiddrucksteuerungsventil 21, das nachfolgend erläutert wird, soll einen Fluiddruck steuern, der an eine Phasendifferenz-Einstelleinrichtung 22 geliefert werden soll, und es arbeitet auf eine solche Art und Weise, daß, wenn eine Änderung einer Phasendifferenz erwünscht ist, das Fluiddrucksteuerungsventil 21 Fluiddruck an die Phasendifferenz-Einstelleinrichtung 22 liefert, indem eine Fluidverbindung zwischen einer Pumpe 23 und der Phasendifferenz-Einstelleinrichtung 22 hergestellt wird.

Wenn dagegen eine Phasendifferenz nicht verändert werden soll, läßt das Fluidsteuerungsventil 21 den Fluiddruck von der Phasendifferenz-Einstelleinrichtung 22 ab, indem eine Fluidverbindung zwischen einem Abflußkreislauf 24 und der Phasendifferenz-Einstelleinrichtung 22 hergestellt wird.

Wie am besten in Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Nockenwelle 13 an einem ihrer Endabschnitte mit der Phasendifferenz- Einstelleinrichtung 22 versehen, die so konstruiert ist, daß die Rotationsphase der Nockenwelle 13 geändert oder eingestellt wird. Am Endabschnitt der Nockenwelle 13 ist die Riemenscheibe 16 so angebracht, daß sie relativ zur Nockenwelle 13 bewegbar ist. Die Riemenscheibe 16 enthält einen ersten Abschnitt 16a und einen zweiten Abschnitt 16b, die durch einen gemeinsamen Zapfen 25 miteinander verbunden sind, damit eine Relativverdrehung dazwischen verhindert wird. Der zweite Abschnitt 16b der Riemenscheibe 16 hat eine Nabe 31 und eine auf der äußeren Oberfläche der Nabe 31 vorgesehene erste spiralförmige Keilwellennut 32. Eine Innenfläche und eine Außenfläche eines Kolbens 33, der eine zylindrische Form hat, sind jeweils mit einer zweiten spiralförmigen Keilwellennut 34 und einer dritten spiralförmigen Keilwellennut 35 versehen. Die zweite spiralförmige Keilwellennut 34 ist mit der ersten spiralförmigen Keilwellennut 32 in Eingriff. Ein tassenförmiges Gehäuse 36 ist vorgesehen, mit einer vierten spiralförmigen Keilwellennut 37 an seiner Innenfläche, die in ineinandergreifendem Eingriff mit der dritten spiralförmigen Keilwellennut 35 steht. Das Gehäuse 36 ist an seinem Mittenabschnitt durch eine Kombination eines Bolzens 38 und eines Zapfens 39 an der Nockenwelle 13 befestigt. Somit ist die Riemenscheibe 16 mit dem Kolben 33 in Eingriff und relativ dazu beweg- oder drehbar. Der Kolben 33 ist mit dem Gehäuse 36 in Eingriff und ist relativ dazu beweg- oder drehbar.

Der Kolben 33 wird dazu gebracht, sich innerhalb eines Raumes, der zwischen der Nabe 31 der Riemenscheibe 16 und dem Gehäuse 36 gebildet ist in Axialrichtung hin- und herzubewegen, in Übereinstimmung mit dem Eingriff zwischen der ersten spiralförmigen Keilwellennut 32 und der zweiten spiralförmigen Keilwellennut 34 und dem Eingriff zwischen der dritten spiralförmigen Keilwellennut 35 und der vierten spiralförmigen Keilwellennut 37. Im Inneren des Raumes ist an einer linken Seite des Kolbens 33 eine Druckkammer 40 abgegrenzt und eine Feder 42 ist zwischen der Riemenscheibe 16 und einer Ringnut 41, die auf einer rechten Seite des Kolbens 33 ausgebildet ist, eingelegt. Die Druckkammer 40 steht über eine Passage 43 in der Nockenwelle 13 und eine Passage 44 im Motor 11 in Fluidverbindung mit dem Fluiddrucksteuerventil 21. Ein Raum 45, in dem die Feder 42 untergebracht ist, steht über eine Abflußpassage 46 in der Riemenscheibe 16 und einer Abflußpassage 47 im Motor 11 in Fluidverbindung mit der Abflußpassage 24.

Um die Außenfläche des Gehäuses 36 ist eine tassenförmige Abdeckung 49 mit einem kleinen Spalt oder Abstand 48 angebracht, in dem eine Menge zähflüssiges Fluid gespeichert ist. Somit ist ein Dämpfer gebildet. Eine Vielzahl sich axial erstreckender Nuten 54 (hier ist nur eine gezeigt) ist in der Außenfläche des Gehäuses 36 ausgebildet. Die Abdeckung 49 ist mit einer Dichtung 60 im ersten Abschnitt 16a der Riemenscheibe eingepaßt. Zwischen der Außenseite des Gehäuses 36 und der Innenseite der Abdeckung 49 ist ein erstes Dichtungsbauteil oder ein Ring 55 mit einem X-förmigen Querschnitt angeordnet. Das gesamte erste Dichtungsbauteil 55 besteht aus einem elastischem Material wie Kunstharz oder Gummi. Ein zweites Dichtungsbauteil 56 ist zwischen der linken Seite des Gehäuses 36 und der rechten Seite der Abdeckung 49 angeordnet. Die Dichtungsbauteile 55 und 56 dienen zur Verhütung einer Leckage von zähflüssigem Fluid. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, enthält das zweite Dichtungsbauteil 56 einen Metallkern 56c, der im wesentlichen U-förmig ist und einen elastischen Abschnitt mit einer ersten Lippe 56a mit einer fluiddichtenden Funktion und einer zweiten Lippe 56b mit einer staubabhaltenden Funktion hat. Der elastische Abschnitt ist aus einem elastischem Material wie Kunstharz oder Gummi hergestellt.

Wenn der Motor 11 in Betrieb gesetzt wird, wird die Kurbelwelle 12 gedreht und die daraus resultierende Drehung wird über den Riemen 14 auf die Riemenscheiben 16 und 17 übertragen. Da die erste Nockenwelle 13A, die mit der Riemenscheibe 16 verbunden ist, und die zweite Nockenwelle 13B, die mit der Riemenscheibe 17 verbunden ist, jeweils in Eingriff mit den Einlaßventilen (nicht gezeigt) und den Auslaßventilen (nicht gezeigt) sind, erfolgt eine Öffnungs- und Schließsteuerung eines jeden Einlaßventils und Auslaßventils. Somit wird ein Luft/Kraftstoffgemisch an jeden Zylinder des Motors 11 geliefert und ein Abgas davon ausgestoßen.

Die Rotations-Phasendifferenz zwischen der Riemenscheibe 16 und der Nockenwelle 13 ist im allgemeinen festgelegt, um auf einem Wert gehalten zu werden. Da der Drehzahlbereich des Motors 11 von einem niedrigen Drehzahlbereich bis zu einem hohen Drehzahlbereich variiert, gibt es für jeden Drehzahlbereich eine passende oder optimale Zeitsteuerung der Öffnung und des Schließens des Ventils. Folglich soll die Zeitsteuerung durch die einstellbare Ventilsteuerung in Abhängigkeit eines jeden Drehzahlbereichs eingestellt werden.

Genauer gesagt, wenn die ECU 20 eine Information vom ersten Sensor 18 erhält, der anzeigt, daß sich der Motor 11 in einem bestimmten Drehzahlbereich R1 wie einem Leerlauf- Drehzahlbereich oder einem Hochgeschwindigkeits- Drehzahlbereich befindet, ordnet die ECU 20 das Fluiddrucksteuerventil 21 an, den Fluiddruck in der Druckkammer 40 nicht aufzubauen, wozu die Fluidverbindung zwischen der Abflußpassage 24 und der Druckkammer 40 hergestellt wird, um die Druckkammer 40 von der Pumpe 23 zu trennen. Somit ist die Phasendifferenz- Einstellvorrichtung 22 in einer Position, wie sie in Fig. 2 zu sehen ist, wobei der Kolben 33 durch die Feder 42 in die linke Richtung gedrängt wird, und deshalb hat die Druckkammer 40 ein Minimalvolumen. In einer solchen Situation wird das Drehmoment, das vom Riemen 14 auf die Riemenscheibe 16 einwirkt, über die erste spiralförmige Keilwellennut 32, die zweite spiralförmige Keilwellennut 34, den Kolben 33, die dritte spiralförmige Keilwellennut 35, die vierte spiralförmige Keilwellennut 37 und das Gehäuse 36 auf die Nockenwelle 13 übertragen. Das daraus resultierende Drehmoment läßt die Nockenwelle 13 jeden Öffnungs- und Schließbetrieb eines jeden Ventilmechanismus betätigen.

Wenn der Motor 11 in einen anderen Drehzahlbereich R2 wie einen Drehzahlbereich mit niedrigen Drehzahlen oder einen Bereich mittlerer Drehzahlen kommt, ordnet die ECU 20 das Fluiddrucksteuerventil 21 an, die Fluidverbindung zwischen der Druckkammer 40 und der Pumpe 23 herzustellen, so daß die Druckkammer 40 mit Fluiddruck beaufschlagt wird. Somit wird der tassenförmige Kolben 33 gemäß Fig. 2 nach rechts bewegt entgegen der Vorspannkraft der Feder 42, was das Maximalvolumen der Druckkammer 40 zur Folge hat. Während dieses Verfahrens bewirken die dritte spiralförmige Keilwellennut 35 und die vierte spiralförmige Keilwellennut 37 eine Relativverdrehung zwischen dem Gehäuse 36 und dem tassenförmigen Kolben 33, während die erste Keilwellennut 32 und die zweite Keilwellennut 34 eine Relativverdrehung zwischen der Riemenscheibe 16 und dem tassenförmigen Kolben 33 bewirken. Somit entsteht eine Relativverdrehung zwischen der Nockenwelle 13 und der Riemenscheibe 16 und die Nockenwelle 13 rückt relativ zur Riemenscheibe 16 um den Rotations- Phasenwinkel vor, wodurch ein Vorrücken der Zeitsteuerung eines jeden Öffnungs- und Schließbetriebs des Ventilmechanismus erfolgt. Wenn der Drehzahlbereich des Motors 11 in den Drehzahlbereich R1 zurückkehrt, ordnet das ECU 20 das Fluiddrucksteuerventil 21 an, die Druckkammer 40 mit der Abflußpassage 24 zu verbinden, um den Fluiddruck darin zu verringern. Somit wird der tassenförmige Kolben 33 durch die Vorspannkraft der Feder 42 nach links bewegt, woraus folgt, daß die dritte spiralförmige Keilwellennut 35 und die vierte spiralförmige Keilwellennut 37 eine umgekehrte Relativverdrehung zwischen dem Gehäuse 36 und dem tassenförmigen Kolben 33 bewirken, während die erste spiralförmige Keilwellennut 32 und die zweite spiralförmige Keilwellennut 34 eine umgekehrte Relativverdrehung zwischen der Riemenscheibe 16 und dem Kolben 33 bewirken.

Es soll angemerkt werden, daß zusätzlich zur Motordrehzahl zumindest eine oder mehrere Drosselöffnungen, eine Motortemperatur, ein Arbeitszustand einer Klimaanlage und andere Informationen berücksichtigt werden können, um die ECU 20 zur Steuerung der Phasendifferenz- Einstellvorrichtung 22 aufzufordern.

Bekanntermaßen, ungeachtet des Drehzahlbereichs des Motors 11, erhält die Nockenwelle 13 Momentschwankungen durch (nicht gezeigte) Federn, die mit den Ventilen in Eingriff sind. Die positiven und die negativen Komponenten dieser Drehmomentschwankun­ gen wirken auf die Nockenwelle 13, um diese jeweils vorzurücken und nach hinten zu verschieben. Die resultierende Drehmomentenveränderung verursacht unerwünschte Effekte wie Lärm infolge des Spiels zwischen den spiralförmigen Keilwellennuten 32 und 34, und infolge des Spiels zwischen den spiralförmigen Keilwellennuten 35 und 37, aber dieser Nachteil infolge der Relativverdrehung zwischen dem Gehäuse 36 und der Riemenscheibe 16 kann durch einen Dämpfer 53 vermieden werden, der die Drehmomentenveränderung absorbiert, indem die vorgenannte Relativverdrehung auf ein zähflüssiges Fluid wirkt, das im Dämpfer 53 enthalten ist, um dadurch eine Scherkraft zu erzeugen.

Es soll besonders hervorgehoben werden, daß bei einer hohen Drehzahl des Motors 11 die Temperatur der Phasendifferenz-Einstellvorrichtung 22 ebenfalls hoch ist. Somit sind das zähflüssige Fluid und die Luft im Dämpfer 53 ausgedehnt, wodurch der Druck im Dämpfer ansteigt. Jedoch wirkt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, während dieser hohen Drehzahl des Motors 11 eine hohe Zentrifugalkraft auf die erste Lippe 56a des zweiten Dichtungsbauteils 56, die eine fluiddichtende Funktion erfüllt. Durch die hohe Zentrifugalkraft wird die Lippe 56a von der linken Seite des Gehäuses 36 wegbewegt. Die Lippe 56b des zweiten Dichtungsbauteils 56 hat nur eine staubabhaltende Funktion, aber keine fluidabdichtende Wirkung. Somit wird die Innenseite des Dämpfers 53, d. h. der Raum zwischen der Abdeckung 49 und dem Gehäuse 36, auf einem im wesentlichen atmosphärischen Druckniveau gehalten, wodurch keine unnötigen Kräfte auf die Dichtungsbauteile 55 und 56 aufgebracht werden, so daß eine ruhige oder reibungsverminderte Relativverdrehung zwischen dem Gehäuse 36 und der Riemenscheibe 16 erreicht wird. Folglich ist eine schnelle Einstellung der Zeitsteuerung des Öffnens und des Schließens des Ventils möglich. Zusätzlich ermöglicht die vorgenannte reibungsverminderte Relativverdrehung einen relativ geringen Fluiddruck zum Bewegen des Kolbens 33. In Anbetracht der Tatsache, daß der Fluiddruck zum Bewegen des Kolbens 33 niedrig sein kann und der Auslaßdruck der Pumpe 23 niedrig ist, kann ein stabiler Betrieb der Phasendifferenz Einstellvorrichtung 22 gewährleistet werden.

Claims (10)

1. Einstellbare Ventilsteuerung in einem Motor (11), mit

• - einer rotierenden Nockenwelle (13),
• - einer durch den Motor (11) angetriebenen Riemenscheibe (16),
• - einem Kolben (33), der mit der Riemenscheibe (16) so in Eingriff ist, daß er in einer Winkelrichtung relativ zu ihr verschiebbar ist,
• - einem tassenförmigen Gehäuse (36), das auf dem Kolben (33) so angebracht ist, daß es in einer Winkelrichtung relativ zu ihm verschiebbar ist, und das auf der Nockenwelle (13) befestigt ist,
• - einer tassenförmigen Abdeckung (49), die das tassenförmige Gehäuse (36) mit einem Luftspalt (48) umfaßt, und die mit der Riemenscheibe (16) verbunden ist,
• - einem Dämpfer (53), der eine bestimmte Menge zähflüssiges Fluid enthält, das sich in dem Luftspalt (48) befindet,
• - einem ersten Dichtungsbauteil (55), das an einem Ende des Luftspalts (48) angeordnet ist, und
• - einem zweiten Dichtungsbauteil (56), das am anderen Ende des Luftspalts (48) angeordnet ist,
  dadurch gekennzeichnet,

daß bei zunehmender Drehzahl der Nockenwelle (13) die Abdichtung des Luftspalts (48) zwischen dem ersten (55) und dem zweiten (56) Dichtungsbauteil dadurch vermindert wird, daß das zweite Dichtungsbauteil (56) seine Abdichtfunktion infolge der auf dieses zweite Dichtungsbauteil (56) einwirkenden, gestiegenen Zentrifugalkraft verliert.

2. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtungsbauteil (56) einen ersten (56a) und einen zweiten (56b) Lippenabschnitt aufweist, daß der erste Lippenabschnitt (56a) durch die gestiegene Zentrifugalkraft von seiner Abdichtfläche abgehoben wird und daß das tassenförmige Gehäuse (36) einen schrägen Oberflächenabschnitt hat, auf den sich der zweite Lippenabschnitt (56) stützt.

3. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtungsbauteil (56) aus einem elastischen Material hergestellt ist.

4. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material ein Gummi ist.

5. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material ein Kunstharz ist.

6. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtungsbauteil (56) in seinem Innern einen Kern (56c) aufweist.

7. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtungsbauteil (56) einen hohlen Abschnitt aufweist, der zur tassenförmigen Abdeckung (49) hin geöffnet ist.

8. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kern (56c) aufweist, der in den hohlen Abschnitt eingepaßt ist.

9. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (56c) aus Metall besteht.