DE60027259T2 - Steuerventilstrategie für einen variablen Drehflügel einer Nockenwellenzeitsteuerungseinrichtung - Google Patents

Steuerventilstrategie für einen variablen Drehflügel einer Nockenwellenzeitsteuerungseinrichtung Download PDF

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend aufgezeigten Probleme des Standes der Technik zu überwinden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nunmehr anhand von einigen beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur veränderlichen Nockenwellensteuerung (VCT) gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Phasenverschiebung in eine Voreilposition zeigt;
  • 2 eine schematische Darstellung gemäß 1, die eine Phasenverschiebung in eine Verzögerungsposition zeigt;
  • 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;
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Brennkraftmaschine mit mindestens einer Nockenwelle (40) mit einem Flügel-Phasenversteller (12), der umfasst: ein Gehäuse (20) mit einem Außenumfang zur Aufnahme einer Antriebskraft und eine Nabe (30) zur Verbindung mit der Nockenwelle (40), die koaxial im Gehäuse (20) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (20) und die Nabe (30) mindestens einen Flügel (22) bilden, der eine Vielzahl von Kammern im Gehäuse (20) in Voreilkammern (28A) und Verzögerungskammern (28R) unterteilt und sich drehen kann, um die relative Winkellage zwischen dem Gehäuse (20) und der Nabe (30) zu verschieben, und mit einem Steuersystem zum Steuern der Schwingung des Phasenverstellers (12), das einen Voreilkanal (44) und einen Versorgungskanal (46) aufweist, gekennzeichnet durch ein Voreil-Dreiwegesolenoidsteuerventil (50) zum Regulieren des Motoröldrucks zu und von den Voreilkammern (28A), das aufweist: eine Voreilzuführöffnung (52), eine Voreilsteueröffnung (56), die mit der Voreilzuführöffnung (52) und dem Vor eilkanal (44) in Verbindung steht, wobei der Voreilkanal (44) Motoröldruck zwischen dem Voreil-Dreiwegesolenoidsteuerventil (50) und den Voreilkammern (28A) leitet, und eine Voreilauslassöffnung (54), die mit der Voreilzuführöffnung (52) und der Voreilsteueröffnung (56) in Verbindung steht, und durch ein Verzögerungs-Dreiwegesolenoidsteuerventil (60) zum Regulieren des Motoröldrucks zu und von den Verzögerungskammern (28R), das umfasst: eine Verzögerungszuführöffnung (62), eine Verzögerungssteueröffnung (66), die mit der Verzögerungszuführöffnung (62) und dem Verzögerungskanal (46) in Verbindung steht, wobei der Verzögerungskanal (46) Motoröldruck zwischen dem Verzögerungs-Dreiwegesolenoidsteuerventil (60) und den Verzögerungskammern (28R) leitet, und eine Verzögerungsauslassöffnung (64), die mit der Verzögerungszuführöffnung (62) und der Verzögerungssteueröffnung (66) in Verbindung steht.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die des weiteren eine Motorsteuereinheit (70) zum Verändern des Leistungszyklus des Voreil-Dreiwegesolenoidsteuerventils (50) und des Leistungszyklus des Verzögerungs-Dreiwegesolenoidsteuerventils (60) aufweist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Phasenversteller (12) in einer vollständig vorgeeilten Position, einer vollständig verzögerten Position und in einer Vielzahl von Zwischenpositionen verriegelt werden kann.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des weiteren einen Verriegelungsmechanismus (78) zum Verriegeln des Phasenverstellers (12) in einer vollständig vorgeeilten Position, einer vollständig verzögerten Position und einer Vielzahl von Zwischenpositionen aufweist, wobei der Verriegelungsmechanismus (78) auf Motoröldruck reagiert.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, bei der der Verriegelungsmechanismus (78) einen Verriegelungskolben (90) aufweist, der unter der Vorspannung einer Rückzugsfeder (94) mit dem Phasenversteller (12) in Eingriff bringbar ist.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, bei der der Verriegelungsmechanismus (78) des weiteren ein EIN/AUS-Solenoidsteuerventil (80) und einen Kanal in der Nockenwelle (40), der sich vom EIN/AUS-Solenoidsteuerventil (80) bis zum Verriegelungskolben (90) erstreckt, um Motoröldruck zum Lösen des Verriegelungskolbens (90) vom Gehäuse (20) des Phasenverstellers (12) zu verteilen, aufweist.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Voreilkanal (44) und der Verzögerungskanal (46) weder ein Rückschlagventil noch ein Schieberventil aufweisen.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die sechs Voreilkammern (28A) und sechs Verzögerungskammern (28R) besitzt.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Flügel-Phasenversteller (12) in einem Bereich von nicht weniger als 30° hin- und herschwingen kann.
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