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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell eine Brennkraftmaschine
mit einem hydraulischen Steuersystem zum Steuern der Funktionsweise
eines Mechanismus zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung (VCT) eines Typs, bei dem die Position der Nockenwelle
in Umfangsrichtung relativ zur Position einer Kurbelwelle in Abhängigkeit
vom Motoröldruck verändert wird.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein elektrohydraulisches
VCT-Steuersystem, bei dem ein Paar von Solenoidsteuerventilen Anwendung
findet, um wahlweise die Position der Nockenwelle vorzubewegen,
zu verzögern
oder aufrechtzuerhalten.
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Es
ist bekannt, dass das Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine
durch die Verwendung von zwei Nockenwellen verbessert werden kann,
von denen eine zur Betätigung
der Einlassventile der verschiedenen Zylinder der Brennkraftmaschine
und die andere zur Betätigung
der Auslassventile dient. Typischerweise wird eine dieser Nockenwellen
von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über ein Kettenrad und einen
Kettenantrieb oder einen Riemenantrieb angetrieben, während die
andere Nockenwelle von der ersten über ein zweites Kettenrad und
einen Kettenantrieb oder zweiten Riemenantrieb angetrieben wird.
Alternativ dazu können
auch beide Nockenwellen über
einen einzigen, von der Kurbelwelle angetriebenen Kettenantrieb
oder Riemenantrieb angetrieben werden. Es ist ferner bekannt, dass
das Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine mit zwei Nockenwellen
oder nur einer einzigen Nockenwelle verändert werden kann, indem die
Lagebeziehung einer Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verändert wird.
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Es
ist darüber
hinaus bekannt, dass das Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine
mit einer Nockenwelle oder mehreren Nockenwellen insbesondere in
bezug auf die Leerlaufqualität,
den Kraftstoffverbrauch, das Emissionsverhalten oder ein erhöhtes Drehmoment
verbessert werden kann. Beispielsweise kann die Nockenwelle „verzögert" werden, um das Schließen der
Einlassventile im Leerlauf aus Stabilitätsgründen und bei hohen Motordrehzahlen
zum Erzielen einer erhöhten
Leistung zu verzögern.
In entsprechender Weise kann die Nockenwelle „vorbewegt" werden, um ein vorzeitiges Schließen der
Einlassventile während
eines Betriebes im mittleren Bereich zu erreichen und dadurch eine
höhere volumetrische
Effizienz mit entsprechend höheren Drehmomentniveaus
zu erzielen. Bei einem Motor mit zwei Nockenwellen wird das Verzögern oder
Vorbewegen der Nockenwelle erreicht, indem die Lagebeziehung von
einer der Nockenwellen, üblicherweise
der Nockenwelle, die die Einlassventile des Motors betätigt, relativ
zur anderen Nockenwelle und zur Kurbelwelle verändert wird. Daher wird durch
das Verzögern
oder Vorbewegen der Nockenwelle das Timing des Motors in bezug auf
die Betätigung
der Einlassventile relativ zur Betätigung der Auslassventile oder
in bezug auf die Betätigung
der Ventile relativ zur Position der Kurbelwelle verändert.
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Viele
bekannte VCT-Systeme weisen eine Hydraulik auf, die einen hin- und
herschwingbaren Flügel
mit gegenüberliegenden
Nocken besitzt, der an einer Nockenwelle innerhalb eines geschlossenen Gehäuses befestigt
ist. Ein derartiges VCT-System besitzt oft Strömungsmittelkreise mit Rückschlagventilen,
einem Schieberventil und Federn sowie elektromechanischen Ventilen,
um Strömungsmittel
innerhalb des Gehäuses
von einer Seite eines Flügelnockens
zur anderen oder umgekehrt zu übertragen und
auf diese Weise den Flügel
relativ zum Gehäuse in
der einen oder anderen Richtung schwingen zu lassen. Durch eine
derartige Schwingung wird die Position der Nockenwelle relativ zur
Kurbelwelle vorbewegt oder verzögert.
Diese VCT-Systeme sind typischerweise „selbstangetrieben" und besitzen ein Hydrauliksystem,
das in Abhängigkeit
von Drehmomentimpulsen durch die Nockenwelle betätigt wird.
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Bedauerlicherweise
können
die vorstehend erläuterten
VCT-Systeme diverse
Nachteile aufweisen. Ein Nachteil eines derartigen VCT-Systems besteht
darin, dass ein Satz von Rückschlagventilen und
das Schieberventil erforderlich sind. Die Rückschlagventile sind erforderlich,
um einen Rückfluss von Öldruck während Perioden
von Drehmomentimpulsen von der Nockenwelle zu verhindern. Das Schieberventil
ist erforderlich, um den Fluss von einer Strömungsmittelkammer zur anderen
im Gehäuse
umzuleiten. Die Verwendung dieser Ventile bringt den Einsatz von
vielen teuren Teilen hoher Präzision mit
sich, die des weiteren eine teure Präzisionsbearbeitung der Nockenwelle
erforderlich machen.
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Des
weiteren können
diese Präzisionsteile
in einfacher Weise durch Verunreinigungen, die für Hydrauliksysteme inhärent sind,
verschmutzt oder blockiert werden. Relativ große Schmutzpartikel lagern sich
oft zwischen den Stegen am Schieberventil und den Stegen am Ventilgehäuse an,
so dass das Ventil blockiert und das VCT-System außer Betrieb
gesetzt wird. In entsprechender Weise können sich relativ kleine Verunreinigungspartikel
zwischen dem Außenumfang
des Rückschlag-
oder Schieberventils und dem Innenumfang des Ventilgehäuses ablagern,
so dass das Ventil in entsprechender Weise blockiert wird. Derartige
Verunreinigungsprobleme sollen typischerweise gelöst werden,
wenn man ein „Nullverunreinigungsniveau" im Motor anstrebt
oder auf strategische Weise unabhängige Siebfilter im Hydraulikkreis
des Motors anordnet. Es ist bekannt, dass derartige Lösungen relativ
teuer sind und nur eine geringe Wirksamkeit zur Reduzierung von
Verunreinigungen besitzen.
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Ein
anderes Problem von derartigen VCT-Systemen ist die Unfähigkeit,
die Position des Schiebers während
der Startphase des Motors richtig zu steuern. Wenn der Motor zuerst
startet, dauert es einige Sekunden, bis sich der Öldruck entwickelt. Während dieser
Zeit ist die Position des Schieberventils unbekannt. Da die Systemlogik
keine bekannte Quantität
in bezug auf die Position besitzt, mit der die erforderlichen Berechnungen
durchzuführen sind,
wird das Steuersystem daran gehindert, in wirksamer Weise die Po sition
des Schieberventils zu steuern, bis der Motor seine normale Betriebsdrehzahl
erreicht.
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Schließlich wurde
festgestellt, dass derartige Typen von VCT-Systemen zur Verwendung
mit sämtlichen
Arten und Größen von
Motoren nicht optimiert sind. Größere Motoren
mit höherem
Drehmoment, wie V8-Motoren, erzeugen Drehmomentimpulse, die ausreichend
groß sind,
um das Hydrauliksystem von derartigen VCT-Systemen zu betätigen. Bedauerlicherweise
können
jedoch kleinere Motoren mit geringerem Drehmoment, wie Vier- und
Sechszylindermotoren, keine ausreichend großen Drehmomentimpulse erzeugen,
um das VCT-Hydrauliksystem zu betätigen.
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Andere
VCT-Systeme besitzen eine Systemhydraulik mit einer Nabe mit einer
Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Flügeln, die mit einem umschlossenen
Gehäuse
mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Wänden zusammenwirken.
Die Flügel
und die Wände
bilden zusammen eine Vielzahl von Strömungsmittelkammern, und die
Flügel
unterteilen die Kammern in eine erste und zweite Sektion. Beispielsweise
lehrt die US-PS 4 858 572 die Verwendung eines derartigen Systems
zum Einstellen einer Winkelphasendifferenz zwischen der Kurbelwelle
und der Nockenwelle eines Motors. Die Veröffentlichung lehrt ferner,
dass die in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Wände des Gehäuses die
Umfangsbewegung eines jeden Flügels
innerhalb jeder Kammer begrenzen.
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Die
vorstehend genannte Veröffentlichung offenbart
Strömungsmittelkreise
mit Rückschlagventilen,
einem Schieber ventil und Federn sowie elektromechanische Ventile
zur Übertragung
von Strömungsmittel
im Gehäuse
von der ersten Sektion zur zweiten Sektion oder umgekehrt, um auf
diese Weise die Flügel
und Nabe relativ zum Gehäuse
in der einen Richtung oder der anderen Richtung hin- und herschwingen
zu lassen. Die Veröffentlichung
offenbart des weiteren eine erste Verbindungseinrichtung zum Verriegeln
der Nabe und des Gehäuses,
wenn jeder Flügel
gegen eine der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Wände einer
jeden Kammer stößt. Eine
zweite Verbindungseinrichtung ist vorgesehen, um die Nabe und das
Gehäuse
miteinander zu verriegeln, wenn sich jeder Flügel im Anschlag mit der anderen
Wand der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Wände einer
jeden Kammer befindet. Derartige Verbindungseinrichtungen halten
die Nockenwellenposition entweder in der vollständig vorgerückten oder vollständig verzögerten Position
relativ zur Kurbelwelle.
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Bedauerlicherweise
hat der Gegenstand dieser Veröffentlichung
diverse Nachteile. Als erstes treten die vorstehend erwähnten Probleme
durch die Verwendung eines Schieberventils und von Rückschlagventilen
auf. Als zweites ist diese Anordnung offenbar insgesamt auf nur
15° einer
Phaseneinstellung zwischen der Kurbelwellenposition und der Nockenwellenposition
beschränkt.
Je größer jedoch
der Winkel der Nockendrehung ist, desto größer ist die Möglichkeit
für Verbesserungen
der Effizienz und der Leistung. Somit begrenzt eine Einstellung
von nur 15° beträchtlich
die Effizienz- und Leistungsverbesserung im Vergleich zu anderen
Systemen, bei denen beispielsweise eine Nockendrehung von 30° erreicht wird.
Als drittes handelt es sich bei dieser Anordnung nur um eine zwei
Positionen aufweisende Konstruktion, bei der lediglich eine Positionierung
in der vollständig
vorgerückten
oder vollständig
verzögerten Position
und keine Positionierung dazwischen erreichbar ist. Eine derartige
Konstruktion begrenzt die Effizienz- und Leistungsverbesserung im
Vergleich zu anderen Systemen, die eine kontinuierlich veränderliche
Winkeleinstellung innerhalb der Phasenbegrenzungen ermöglichen.
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Ein
anderer Versuch zum Steuern eines Nockenwellen-Phasenverstellers
vom Flügeltyp
betrifft die Verwendung eines Vierwege-Porportionalsteuerventils
zum Steuern des Ölflusses
zu den Strömungsmittelkammern
des Gehäuses
und von diesen weg. Diese Ventile besitzen zwei Steueröffnungen, eine
Zuführöffnung und
eine Auslassöffnung.
Eine erste Steueröffnung
beschickt die Vorbewegungsseite einer jeden Strömungsmittelkammer, während eine
zweite Steueröffnung
die Verzögerungsseite
einer jeden Strömungsmittelkammer
beschickt. Während
die Vorbewegungsseiten mit Öl
gefüllt
werden, werden die Verzögerungsseiten
entleert. Wenn einmal die gewünschte
Position der Nockenwelle erreicht ist, bewegt sich das Ventil in
eine Nullposition, in der beide Steueröffnungen mit einer sehr kleinen Ölmenge beaufschlagt
werden. Hierdurch wird der Flügel-Phasenversteller
in einer festen Position gehalten, während ein Verriegelungsmechanismus
aktiviert wird, um den Flügel-Phasenversteller
in seiner Position zwangszuverriegeln.
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Bedauerlicherweise
neigen jedoch Motoren mit einer einzigen obenliegenden Nockenwelle (SOHC),
die drei Ventile pro Zylinder besitzen, dazu, außerordentlich hohe Nockenwellen torsionskräfte zu erzeugen,
die Probleme für
Vierwege-Proportionalventile bereiten. Ein solches Problem des Vierwegeventils
besteht darin, dass in der Nullstellung der Strömungsmittelfluss zu den Kammern
unzureichend klein ist und in einfacher Weise überwunden werden kann. Folglich
bewirken die hohen Nockenwellentorsionskräfte, dass der Phasenversteller
hin- und herschwingt und somit für
einen fehlerhaften Motorbetrieb sorgt. Mit anderen Worten, es ist
schwierig für ein
Vierwegeventil, die Zitterbewegung des Phasenverstellers auf Null
zu steuern. Da darüber
hinaus die Ölzufuhr
zur ersten Steueröffnung
den gleichen Strömungsquerschnitt
besitzt wie die zweite Steueröffnung
zum Strömungsmittelablassen,
ist das Ansprechverhalten des Phasenverstellers nur so schnell,
wie sich die Vorbewegungsseite füllen
kann und wie schnell die Verzögerungsseite
das Strömungsmittel
abführen
kann. Schließlich
ist diese Art von Ventil besonders teuer und erfordert den Einsatz einer
relativ komplizierten Elektronik.
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Es
wird daher ein VCT-System benötigt,
mit dem die mit Anordnungen zur veränderlichen Nockenwellensteuerung
des Standes der Technik verbundenen Probleme beseitigt werden können, indem ein
System zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung vorgesehen wird, das bei allen Arten und Größen von
Motoren ein gutes Betriebsverhalten zeigt, sich mindestens so kompakt
wie VCT-Hardware des Standes der Technik unterbringen lässt, Rückschlagventile
und Schieberventile eliminiert, auf kontinuierliche Weise für eine veränderliche
Nockenwellen-Kurbelwellen-Phasenverstellung innerhalb seiner Betriebsgrenzen
sorgt, relativ einfache und billige Steuerventile verwendet und
wesentlich mehr als 15° der Phasenverstellung
zwischen der Position der Kurbelwelle und der Position der Nockenwelle
erreicht.
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Die
DE-A-10018910, auf der der Oberbegriff von Patentanspruch 1 basiert,
betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Ventiltimings, die eine
drehbare Welle, die in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
drehbar montiert ist, ein um die Umfangsfläche der Drehwelle montiertes
Drehkraftübertragungselement,
das sich relativ zur Welle innerhalb eines vorgegebenen Bereiches
dreht, um eine Drehkraft von einer Kurbelwelle zu übertragen,
einen Flügel,
der entweder auf der Drehwelle oder dem Drehkraftübertragungselement
vorgesehen ist, eine Druckkammer, die zwischen der Drehwelle und
dem Drehkraftübertragungselement
ausgebildet ist und vom Flügel
in eine Voreilkammer und eine Verzögerungskammer unterteilt wird,
einen ersten Strömungsmittelkanal
zum Zuführen
eines Strömungsmittels
zur Voreilkammer und zum Abführen
desselben von der Voreilkammer, einen zweiten Strömungsmittelkanal
zum Zuführen
eines Strömungsmittels
zur Verzögerungskammer
und zum Abführen desselben
von der Verzögerungskammer,
einen Verriegelungsmechanismus zum Halten der Beziehung zwischen
der Drehwelle und dem Drehkraftübertragungselement
in einer mittleren Position des vorgegebenen Bereiches, wenn die
Brennkraftmaschine startet, und einen Steuermechanismus zum Beschränken des
Drehkraftübertragungselementes
derart, dass sich dieses um die Drehwelle in einem Bereich zwischen
der Mittelposition und einer Endposition des vorgegebenen Bereiches
dreht, umfasst.
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Erfindungsgemäß wird eine
Brennkraftmaschine mit mindestens einer Nockenwelle vorgesehen,
die umfasst: einen Phasenversteller, der aufweist: ein Gehäuse mit
einem Außenumfang
zur Aufnahme von Antriebskraft; eine Nabe zur Verbindung mit der
Nockenwelle, die koaxial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei
das Gehäuse
und die Nabe mindestens einen Flügel
bilden, der eine Vielzahl von Kammern im Gehäuse in Voreilkammern und Verzögerungskammern
trennt, und wobei sich der Flügel
drehen kann, um die relative Winkellage des Gehäuses und er Nabe zu verschieben;
und ein Steuersystem zum Steuern der Schwingung des Phasenverstellers,
das einen Voreilkanal und einen Verzögerungskanal aufweist, gekennzeichnet
durch ein Voreil-Dreiwegesolenoidsteuervenil zum Regulieren des
Motoröldrucks
zu und von den Voreilkammern, das umfasst: eine Voreilzuführöffnung,
eine Voreilsteueröffnung,
die mit der Voreilzuführöffnung und
dem Voreilkanal in Verbindung steht, wobei der Voreilkanal Motoröldruck zwischen
dem Voreil-Dreiwegesolenoidsteuerventil und den Voreilkammern leitet,
und eine Voreilauslassöffnung,
die mit der Voreilzuführöffnung und
der Voreil-Steueröffnung
in Verbindung steht, und durch ein Verzögerungs-Dreiwegesolenoidsteuerventil
zum Regulieren des Motoröldrucks
zu und von den Verzögerungskammern,
das umfasst: eine Verzögerungszuführöffnung,
eine Verzögerungssteueröffnung,
die mit der Verzögerungszuführöffnung und
dem Verzögerungskanal
in Verbindung steht, wobei der Verzögerungskanal Motoröldruck zwischen
dem Verzögerungs-Dreiwegesolenoidsteuerventil
und den Verzögerungskammern
leitet, und eine Verzögerungsauslassöffnung,
die mit der Verzögerungszuführöffnung und
Verzögerungssteueröffnung in
Verbindung steht.
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Ein
System zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung (VCT) gemäß der vorliegenden
Erfindung überwindet
die Probleme, die bei den Anordnungen zur veränderlichen Nockenwellensteuerung des
Standes der Technik auftreten. Das VCT-System der vorliegenden Erfindung
weist bei allen Arten und Größen von
Motoren ein gutes Betriebsverhalten auf, lässt sich mindestens genau so
kompakt wie VCT-Hardware des Standes der Technik unterbringen, benötigt keine
Rückschlagventile
und Schieberventile, sorgt auf kontinuierliche Weise für eine veränderliche
Nockenwellen-Kurbelwellen-Phasenverstellung innerhalb seiner Betriebsgrenzen,
benutzt relativ einfache und billige Steuerventile und sorgt für eine wesentlich
größere Phasenverstellung
zwischen der Nockenwellenposition und der Kurbelwellenposition als
15°. Des
weiteren sieht die vorliegende Erfindung zusätzlich einen anderen Zwangsverriegelungsmechanismus
zum Verriegeln des VCT-Systems in Position vor.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle
und einer Nabe, die an der Nockenwelle befestigt ist, um sich mit
dieser zu drehen, vorgesehen. Ein Gehäuse umgibt die Nabe und ist
mit dieser drehbar, und die Nockenwelle kann ferner relativ zur
Nabe und Nockenwelle hin- und herschwingen. Antriebsflügel sind radial
innerhalb des Gehäuses
angeordnet und wirken mit der Nabe zusammen. In entsprechender Weise
sind angetriebene Flügel
radial außerhalb
in der Nabe angeordnet, um mit dem Gehäuse zusammenzuwirken, und wechseln
sich in Umfangsrichtung mit den Antriebsflügeln ab, um in Umfangsrichtung
abwechselnd Voreil- und Verzögerungskammern
zu bilden. Es ist eine Konstruktion zum Steuern der Schwingung des
Gehäuses
relativ zur Nabe vorgesehen, die eine elektronische Motorsteuereinheit
und ein Voreil-Dreiwegesolenoidsteuerventil, das auf die elektronische
Motorsteuereinheit anspricht, aufweist. Das Voreil-Dreiwegesolenoid
reguliert den Motoröldruck
zu und von den Voreilkammern. In entsprechender Weise reguliert
ein Verzögerungs-Dreiwegesolenoid,
das auf die elektronische Motorsteuereinheit anspricht, den Motoröldruck zu
und von den Verzögerungskammern.
Ein Voreilkanal leitet den Motoröldruck
zwischen dem Voreil-Dreiwegesolenoid und den Voreilkammern, während ein
Verzögerungskanal den
Motoröldruck
zwischen dem Verzögerungs-Dreiwegesolenoid
und den Verzögerungskammern
leitet.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend aufgezeigten
Probleme des Standes der Technik zu überwinden.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein VCT-System zu schaffen,
das keine Schieberventile, Rückschlagventile
und Vierwege-Proportionalventile benötigt und stattdessen ein einfacheres
und billigeres Schwingungssteuersystem zum Schwingenlassen oder
Verändern
der Phase des VCT-Systems verwendet.
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Noch
ein anderes Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung eines VCT-Systems,
das sich so kompakt wie VCT-Systeme des Standes der Technik unterbringen
lässt,
indem dünne
Stahlflügel
verwendet werden, die eine Unterbringung von sechs Strömungsmittelkammern
und eine Nockenverstellung von mindestens 30° ermöglichen.
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Noch
ein anderes Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung eines VCT-Systems
mit einem Schwingungssteuersystem, das die Voreil- und Verzögerungskammern
unabhängig
und separat steuert, um eine schnellere, genauere Phasensteuerung
zu ermöglichen,
und das auf kontinuierliche Weise für eine veränderliche Phasenverstellung
innerhalb seiner Betriebsgrenzen sorgt.
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Noch
ein weiteres Ziel betrifft die Schaffung eines VCT-Systems, das weniger
empfänglich
ist für den
Einfluss von Nockenwellentorsionskräften und somit bei sämtlichen
Arten und Größen von
Motoren ein gutes Betriebsverhalten aufweist.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird diese nunmehr anhand von einigen beispielhaften
Ausführungsformen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Systems zur veränderlichen Nockenwellensteuerung (VCT)
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine Phasenverschiebung in eine
Voreilposition zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung gemäß 1,
die eine Phasenverschiebung in eine Verzögerungsposition zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung gemäß 1, die
die VCT-Aufrechterhaltungsposition zeigt;
-
4 eine
schematische Darstellung eines anderen Systems zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung gemäß einer
anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wobei eine Phasenverschiebung in eine Voreilposition
gezeigt ist;
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5 eine
schematische Darstellung gemäß 4,
die eine Phasenverschiebung in eine Verzögerungsposition zeigt; und
-
6 eine
schematische Darstellung gemäß 4,
die das VCT-System in einer verriegelten Position zeigt.
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Generell
wird ein hydraulisches Steuersystem zum Verändern der Phase eines Drehelementes relativ
zu einem anderen Drehelement vorgesehen. Genauer gesagt sieht die
vorliegende Erfindung ein Mehrpositionssystem zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung (VCT) vor, das durch Motoröl angetrieben wird, um das
Timing einer Nockenwelle eines Motors relativ zu einer Kurbelwelle
eines Motors zu verändern
und auf diese Weise eine oder mehrere Betriebseigenschaften des
Motors zu verbessern. Obwohl die vorliegende Erfindung im einzelnen
in Verbindung mit Brennkraftmaschinen beschrieben wird, ist das
VCT-System auch für
andere Anwendungsfälle
geeignet, bei denen hydraulische Steuervorrichtungen Verwendung
finden. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf Brennkraftmaschinen beschränkt. Wenn
man nunmehr im einzelnen auf die Figuren eingeht, so ist in 1 ein
System 10 zur veränderlichen
Nockenwellensteuerung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Flügel-Phasenversteller 12 umfasst
ein Gehäuse 20 mit
Kettenradzähnen 24,
die in Umfangsrichtung um seinen Umfang angeordnet sind. Das Gehäuse 20 umgibt
eine Nabe 30 und bildet einen Ringraum 26 hierzwischen.
Es weist Antriebsflügel 22 auf,
die sich radial nach innen erstrecken, zur Nabe 30 hin
federvorgespannt sind und mit der Nabe 30 in Verbindung
stehen, um den Ringraum 26 in sechs Strömungsmittelkammern 28 zu
unterteilen. In entsprechender Weise besitzt die Nabe 30 angetriebene
Flügel 32,
die sich radial nach außen
erstrecken, in Richtung auf das Gehäuse 20 federvorgespannt
sind und mit dem Gehäuse 20 in
Verbindung stehen. Die angetriebenen Flügel 32 sind in Umfangsrichtung
unter den Antriebsflügeln 22 verteilt,
so dass die Strömungsmittelkammern 28 des weiteren
in sechs Voreilkammern 28A und sechs Verzögerungskammern 28R unterteilt
werden, die auf strömungsmitteldichte
Weise voneinander getrennt sind. Daher kann sich das Gehäuse 20 mit
der Nabe 30 drehen und relativ zu dieser hin- und herschwingen.
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Die
Nabe 30 ist mit einer Nockenwelle 40 verkeilt
oder in anderer Weise mechanisch hieran befestigt, so dass sie sich
mit der Nockenwelle drehen, jedoch nicht relativ zu dieser hin-
und herschwingen kann, und steht in Strömungsmittelverbindung mit der
Nockenwelle 40, wie dies bekannt ist. Die Nockenwelle 40 besitzt
ein Nockenwellenlager 42, das in Umfangsrichtung daran
montiert ist. Das Nockenwellenlager 42 steht in Strömungsmittelverbindung mit
einer Zuführöff nung 52 eines
Drehwege-Solenoidvoreilsteuerventils 50 und einer Zuführöffnung 62 eines
Drehwege-Solenoidverzögerungssteuerventils 60.
Die Voreil- und Verzögerungssteuerventile 50 und 60 besitzen
jeweils eine Auslassöffnung 54 und 64.
Das Voreilsteuerventil 50 hat eine Voreilsteueröffnung 56,
die in Strömungsmittelverbindung
mit einem Voreilkanal 44 steht, der durch die Nockenwelle 40 in die
Voreilkammern 28A verläuft.
In entsprechender Weise besitzt das Verzögerungssteuerventil 60 eine Verzögerungssteueröffnung 66 in
Strömungsmittelverbindung
mit einem Verzögerungskanal 46,
der durch die Nockenwelle 40 in die Verzögerungskammern 28R verläuft. Eine
elektronische Motorsteuereinheit 70 ist an die Voreil-
und Verzögerungssteuerventile 50 und 60 elektronisch
angeschlossen.
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Im
Betrieb wird die Einheit, die die Nockenwelle 40 mit der
Nabe 30 und dem Gehäuse 20 umfasst,
durch das auf das Gehäuse 20 von
einem Endlosriemen (nicht gezeigt), der mit den Kettenradzähnen 24 in
Eingriff steht, so dass der Endlosriemen von einer sich drehenden
Kurbelwelle (ebenfalls nicht gezeigt) gedreht wird, aufgebrauchte
Drehmoment in Drehungen versetzt. Die Verwendung eines Zahnriemens
zum Antreiben des Gehäuses 20 wird ebenfalls
vorgeschlagen. Die Drehung wird vom Gehäuse 20 über die
Antriebsflügel 22 des
Gehäuses 20,
die die angetriebenen Flügel 32 der
Nabe 30 drehbar antreiben, auf die Nabe 30 übertragen.
Die angetriebenen Flügel 32 der
Nabe 30 können
in bezug auf die Antriebsflügel 22 des
Gehäuses 20 verzögert oder
vorbewegt werden. Daher dreht sich das Gehäuse 20 zusammen mit
der Nockenwelle 40 und ist in bezug auf die Nockenwelle 40 hin- und herschwingbar,
um die Phase der Nockenwelle 40 relativ zur Kurbelwelle
zu verändern.
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Um
die Phase der Nockenwelle 40 zu verändern, ist eine Schwingungssteuerkonfiguration
erforderlich. Wenn der Motor gestartet wird, beginnt unter Druck
stehendes Motoröl
durch das Nockenwellenlager 42 in das Voreil- und Verzögerungssteuerventil 50 und 60 zu
fließen.
Die elektronische Motorsteuereinheit 70 verarbeitet Eingangsinformationen
von diversen Quellen im Motor und anderswo und sendet dann Ausgangsinformationen
an das Voreil- und Verzögerungssteuerventil 50 und 60.
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Wie
in 1 gezeigt, kann die Nockenwelle 40 in
Phase in Richtung auf eine vollständig vorgeeilte Position verschoben
werden. Hierbei signalisiert die elektronische Motorsteuereinheit 70 dem
Verzögerungssteuerventil 60,
die Zuführöffnung 62 zu drosseln
und die Auslassöffnung 64 zu öffnen, damit auf
diese weise Motoröl
aus den Verzögerungskammern 28R durch
den Verzögerungskanal 46 aus
der Auslassöffnung 64 abgegeben
werden kann. Die elektronische Motorsteuereinheit 70 variiert
den Leistungszyklus des Verzögerungssteuerventils 60,
so dass auf diese Weise das Schließen der Zuführöffnung 62 umgekehrt
proportional zum Öffnen
der Auslassöffnung 64 variiert
wird. Beispielsweise ist in einem Extrem die Zuführöffnung 62 vollständig geschlossen,
während
die Auslassöffnung 64 vollständig geöffnet ist.
Dieser Zustand erzeugt die maximale Betätigungsrate des Flügel-Phasenverstellers 12,
da die Richtung und Rate der Betätigung
durch die Ölmenge
gesteuert wird, die aus den Verzögerungskammern 28R austreten
kann. Die Verzögerungskammern 28R können so
entleert werden, dass sich der Flügel-Phasenversteller 12 in
die Voreilposition verschiebt, da die Voreilkammern 28A mit
der gleichen Rate und in entsprechender Weise gefüllt werden
wie die Verzögerungskammern 28R entleert
werden.
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Wie
in 2 gezeigt, kann auch die Nockenwelle 40 in
Phase in Richtung auf eine vollständig verzögerte Position verschoben werden.
Hierbei signalisiert die elektronische Motorsteuereinheit 70 dem Verzögerungssteuerventil 50,
die Zuführöffnung 52 zu
drosseln und die Auslassöffnung 54 zu öffnen, so dass
auf diese Weise Motoröl
von den Voreilkammern 28A durch den Voreilkanal 44 durch
die Auslassöffnung 44 entweichen
kann. Die elektronische Motorsteuereinheit 70 variiert
den Leistungszyklus des Voreilsteuerventils 50, so dass
auf diese Weise das Schließen
der Zuführöffnung 52 umgekehrt
proportional zum Öffnen
der Auslassöffnung 54 variiert
wird. In einem Extrem ist die Zuführöffnung 52 vollständig geschlossen,
während
die Auslassöffnung 54 vollständig geöffnet ist.
Dieser Zustand erzeugt die maximale Betätigungsrate des Flügel-Phasenverstellers 12,
da die Richtung und Rate der Betätigung
durch die Ölmenge
gesteuert werden, die von den Voreilkammern 28A abgegeben
wird. Dabei werden die Voreilkammern 28A entleert, so dass
sich der Flügel-Phasenversteller 12 in
die verzögerte
Position verschiebt, da die Verzögerungskammern 28R mit der
gleichen Rate und in der gleichen Weise gefüllt werden wie die Voreilkammern 28A entleert
werden.
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Wie
in 3 gezeigt, kann der Flügel-Phasenversteller 12 seine
Position irgendwo in einer Vielzahl von Zwischen positionen zwischen
der vollständig
vorgeeilten und verzögerten
Position halten. Zum Halten seiner Position ist ein Kräftegleichgewicht
zwischen dem auf die Voreilkammern 28A und Verzögerungskammern 28R einwirkenden Öldruck vorhanden.
Daher besitzen die Steuerventile 50 und 60 eine hohe
Durchflusskapazität
und wird der Ausgangsdruck beider Steuerventile 50 und 60 auf
gleichen vollständigen
Druck erhöht.
Um den vollen Druck aufrechtzuerhalten, sind die Voreil- und Verzögerungssteuerventile 50 und 60 normalerweise
offen.
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Wie
man 1 entnehmen kann, wird für eine maximale Voreilbetätigungsgeschwindigkeit
voller Druck auf die Voreilkammern 28A aufgebracht, während die
Verzögerungskammern 28R zum
Entleeren vollständig
geöffnet
werden. Durch Einstellung der Auslassströmung kann jedoch die Betätigungsgeschwindigkeit
des Flügel-Phasenverstellers 12 eingestellt
werden. Der Auslassstrom wird durch Erhöhung oder Erniedrigung des
Leistungszyklus eingestellt. Daher nimmt der Druck auf die Kammern 28A und 28R ab,
wenn der Leistungszyklus der Steuerventile 50 und 60 erhöht wird,
und umgekehrt. Dieses Steuerschema führt dazu, dass die abgeschalteten
Solenoidsteuerventile 50 und 60 trotzdem noch vollen
Druck zur Verfügung
stellen.
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4 zeigt
einen Verriegelungs-VCT-Mechanismus 110 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Hierbei besitzt der Verriegelungs-VCT-Mechanismus 110 sämtliche
der vorstehend erwähnten
konstruktiven und funktionalen Eigenschaften und weist zusätzlich einen
separaten Verriegelungsmechanismus 78 auf. Dieser Verriegelungs mechanismus 78 ist
schematisch dargestellt und besitzt ein EIN/AUS-Solenoidsteuerventil 80,
das in elektronischer Verbindung mit der elektronischen Motorsteuereinheit 70 steht.
Bei dem EIN/AUS-Solenoidsteuerventil 80 handelt es sich vorzugsweise
um ein pulsbreitenmoduliertes Ventil, das auch in Strömungsmittelverbindung
mit einem Verriegelungskanal 48 steht, der sich durch die
Nockenwelle 40 erstreckt und mit einem Verriegelungskolben 90 in
Verbindung steht. Der Veriegelungskolben 90 ist mit dem
Gehäuse 20 in
Eingriff bringbar, um die Nabe 30 und das Gehäuse 20 in
bekannter Weise miteinander zu verriegeln.
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In
Betrieb funktioniert der Verriegelungs-VCT-Mechanismus 110 in
entsprechender Weise wie der VCT-Mechanismus 10 der 1 bis 3.
Während
der Phasenverschiebung in die Voreilposition oder der Phasenverschiebung
in die Verzögerungsposition
führt das
EIN/AUS-Solenoidsteuerventil 80 Motoröl durch eine Zuführöffnung 82 und aus
einer Verriegelungsöffnung 86 heraus,
wie in den 4 und 5 gezeigt.
Das Öl
fließt
durch den Verriegelungskanal 48 und baut Druck auf der
Rückseite 92 des
Verriegelungskolbens 90 auf, um die Kraft einer Rückzugsfeder 94 auf
der Vorderseite 96 des Verriegelungskolbens 90 zu überwinden,
damit der Verriegelungskolben 90 vom Gehäuse 20 gelöst werden
kann. Daher kann der Flügel-Phasenversteller 12 frei
zwischen der vollständig
vorgeeilten und vollständig
verzögerten
Position schwingen. Hierbei hält jedoch
der Flügel-Phasenversteller 12 eine
andere Position als bei dem VCT-Mechanismus 10 der
bevorzugen Ausführungsform
aufrecht.
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Wie
in 6 gezeigt, leitet das EIN/AUS-Steuersolenoid 80 Motoröl durch
die Zuführöffnung 82 und
aus der Auslassöffnung 84 heraus
um, so dass auf diese weise Öl
vom Verriegelungskolben 90 durch den Verriegelungskanal 48 in die
Verriegelungsöffnung 86 und
zurück
aus der Auslassöffnung 84 heraus
abgezogen wird. Hierdurch wird bewirkt, dass der Verriegelungskolben 90 mit dem
Gehäuse 20 in
Eingriff tritt und auf diese Weise das Gehäuse 20 mit der Nabe 30 verriegelt,
um eine Relativdrehung hierzwischen in der vollständig vorgeeilten,
vollständig
verzögerten
oder irgendeiner Zwischenposition zu verhindern. Was die Aufrechterhaltung
der Position des Flügel-Phasenverstellers 12 anbetrifft,
so wird dies hierbei über
eine mechanische Zwangsverriegelungskonfiguration im Gegensatz zu der
hydraulischen Ausgleichskonfiguration der bevorzugten Ausführungsform
erreicht.
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Der
Auslassstrom wird wiederum durch Erhöhen oder Erniedrigen des Leistungszyklus
eingestellt. Daher steigt der Druck auf die Kammern 28A und 28R an,
wenn der Leistungszyklus der Steuerventile 50 und 60 ansteigt,
und umgekehrt. Dieses Steuerschema führt dazu, dass die Solenoidsteuerventile 50 und 60 nur
eingeschaltet werden, um vollständigen
Druck zur Änderung
der Phase des Verriegelungs-VCT-Mechanismus 110 aufzubringen,
während
der Verriegelungskolben 90 außer Eingriff steht. Wenn der
Verriegelungskolben 90 wieder in Eingriff tritt, werden
die Solenoidsteuerventile 50 und 60 ausgeschaltet,
so dass der Druck auf die Kammern 28A und 28R abnimmt.
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Aus
obigem kann man entnehmen, dass ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden
Erfindung darin besteht, dass eine weniger komplizierte Elektronik und
weniger komplizierte Ventile erforderlich sind, um eine besserer
Genauigkeit und höhere
Geschwindigkeit zu erzielen, als dies vorher möglich war.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil besteht darin, dass das Steuersystem der vorliegenden Erfindung
weniger elektrischen Strom benötigt
und den Ölverbrauch für den Phasenversteller
reduziert, da die Solenoidsteuerventile strategisch so ausgebildet
sind, dass sie sich öfter
im AUS-Modus befinden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einer bevorzugten
Ausführungsform
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Ausführungsformen
vom Fachmann eingesetzt werden können.
Beispielsweise kann die Anzahl der Voreil- und Verzögerungssteuerkammern
verschieden sein, und es können
andere Arten von Steuerventilen Verwendung finden.