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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme mit veränderlichem
Nockenwellentiming (VCT). Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf
eine unbegrenzt veränderliche
Nockenwellenindexiervorrichtung mit Regelungen im Zentrum des Rotors.
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Es
gibt heutzutage eine Vielzahl von VCTs vom Flügeltyp auf dem Markt, bei denen
ein herkömmliches
4-Wege-Ventil Verwendung findet, das in einem Ventilkörper montiert
ist, um den Phasensteller zu regeln. Der „Phasensteller" wird von sämtlichen
Teilen des Motors gebildet, die ein unabhängiges Laufen der Nockenwelle
von der Kurbelwelle ermöglichen.
Typischerweise ist der Ventilkörper
in das vordere Nockenlager integriert, was zu einer Leckagebahn
zwischen dem Phasensteller und dem Regelsystem führt. Dieses Lecken beeinflusst
das Betriebsverhalten und den Ölverbrauch
beträchtlich. Daher
besteht ein Bedarf im Stand der Technik zur Verringerung der Ölleckage,
um das Betriebsverhalten zu maximieren und den Ölverbrauch zu minimieren.
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Es
gibt eine Reihe von VCT-Systemen, die bisher patentiert worden sind.
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Die
US-PS 5 386 807 betrifft ein System, das von Drehmomenteffekten
bei hoher Drehzahl und vom Motordruck bei niedriger Drehzahl Gebrauch macht.
Das Regelventil befindet sich im Kern des Phasenstellers. Der Phasensteller
besitzt eine eingebaute Ölpumpe,
um Öldruck
bei geringen Drehzahlen zur Verfügung
zu stellen. Die Ölpumpe
wird vorzugsweise elektromagnetisch geregelt.
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Die
US-PS 6 053 138 beschreibt eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkeleinstellung
einer Welle gegenüber
einem Antriebsrad, insbesondere der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Diese
Vorrichtung besitzt Rippen oder Flügel, die auf nichtdrehbare
Weise mit der Welle verbunden sind. Die Rippen oder Flügel sind
in den Abteilen eines Abteile aufweisenden Rades angeordnet. Die
Abteile des Rades und die Rippen und/oder Flügel erzeugen Druckkammern, über deren
hydraulisches Unterdrucksetzen die beiden Elemente relativ zueinander gedreht
werden können.
Um eine unerwünschte
Drehung zu vermeiden, wenn ein unzureichender Einstell- oder Haltedruck
vorliegt, arbeitet eine gemeinsame Endfläche des mit den Abteilen versehenen Rades
und der Rippen und/oder Flügel
mit einem Ringkolben zusammen, der eine aufhebbare Klemmkraft auf
die Teile aufbringt, die relativ zueinander drehbar sind.
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Die
hiermit verwandte US-PS 6 085 708 zeigt eine Vorrichtung zum Verändern des
Drehwinkels zwischen der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine und
deren Antriebsrad. Diese Vorrichtung besitzt ein inneres Teil, das
mit Rippen oder Flügeln
verbunden ist, welche in einem Abteile aufweisenden Rad drehbeweglich
angeordnet sind. Das angetriebene Rad hat eine Vielzahl von Abteilen,
die um den Umfang herum angeordnet und jeweils durch Rippen oder Flügel in zwei
Druckkammern unterteilt sind. Durch ihr Unterdrucksetzen wird eine Änderung
im Drehwinkel erzeugt. Um den Einfluss von sich überlappenden alternierenden
Drehmomenten auf den Ventilantrieb der Brennkraftmaschine zu minimieren,
ist in diese Vorrichtung eine Dämpfungskonstruktion
integriert, um die Änderung
der Drehlage hydraulisch zu dämpfen.
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Bei
der Überprüfung des
Hintergrundes der vorliegenden Erfindung ist die Betrachtung der
nachfolgenden amerikanischen Patentschriften von Vorteil.
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Die
US-PS 5 002 023 beschreibt ein VCT-System auf dem Gebiet der Erfindung,
bei dem die Systemhydraulik ein Paar von entgegengesetzt wirkenden
Hydraulikzylindern mit geeigneten Hydraulikdurchflusselementen aufweist,
um wahlweise Hydraulikmittel v on einem der Zylinder zum anderen oder
umgekehrt zu übertragen
und auf diese Weise die Umfangsposition einer Nockenwelle relativ
zu einer Kurbelwelle vorzubewegen oder zu verzögern. Bei dem Regelsystem findet
ein Regelventil Verwendung, bei dem ein Ausstoß von Hydraulikmittel von dem
einen oder dem anderen entgegengesetzt wirkenden Zylinder ermöglicht wird,
indem ein Schieber im Ventil aus seiner zentrierten Position oder
Nullposition in der einen oder der anderen Richtung bewegt wird.
Die Bewegung des Schiebers tritt in Abhängigkeit von einem Anstieg
oder einer Abnahme des hydraulischen Regeldrucks Pc auf
ein Ende des Schiebers und der Beziehung zwischen der hydraulischen Kraft
auf dieses Ende und einer entgegengesetzt ge richteten mechanischen
Kraft auf das andere Ende, die aus einer hierauf wirkenden Druckfeder
resultiert, auf.
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Die
US-PS 5 107 804 beschreibt eine andere Art eines VCT-Systems auf dem Gebiet
der Erfindung, bei dem die Systemhydraulik einen Flügel mit Nocken
innerhalb eines umschlossenen Gehäuses aufweist, die die entgegengesetzt
wirkenden Zylinder der vorstehend genannten US-PS 5 002 023 ersetzen.
Der Flügel
ist relativ zum Gehäuse
hin- und herbewegbar, wobei geeignete hydraulische Durchflusselemente
Hydraulikmittel im Gehäuse
von einer Seite eines Nockens zur anderen oder umgekehrt übertragen,
um auf diese Weise den Flügel
relativ zum Gehäuse
in der einen Richtung oder der anderen hin- und herzubewegen. Hierdurch
wird die Position der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle vorbewegt
oder verzögert.
Das Regelsystem dieses VCT-Systems ist identisch mit dem der US-PS
5 002 023, wobei die gleiche Art von Schieberventil Verwendung findet, das
auf die gleiche Art von hierauf einwirkenden Kräften anspricht.
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Die
US-PS'en 5 172 659
und 5 184 578 lösen beide
die Probleme der vorstehend genannten Arten von VCT-Systemen, die
durch den Versuch hervorgerufen werden, die gegen ein Ende des Schiebers ausgeübte hydraulische
Kraft und die gegen das andere Ende ausgeübte mechanische Kraft auszugleichen.
Das in beiden US-PS'en
5 172 659 und 5 184 578 offenbarte verbesserte Regelsystem macht
von einer hydraulischen Kraft Gebrauch, die auf beide Enden des
Schiebers einwirkt. Die hydraulische Kraft auf ein Ende resultiert
aus dem direkt von der Motorölgalerie
bei vollem Hydraulikdruck PS direkt aufgebrachten
Hydraulikmittel. Die hydraulische Kraft auf das andere Ende des
Schiebers stammt aus einem Hydraulikzylinder oder einem anderen
Kraftvervielfacher, der hierauf in Abhängigkeit vom Systemhydraulikmittel
unter reduziertem Druck Pc von einem PWM-Solenoid
einwirkt. Da die Kraft auf jedes der gegenüberliegenden Enden des Schiebers
einen hydraulischen Ursprung besitzt und auf dem gleichen Hydraulikmittel
basiert, gleichen sich Druck- oder Viskositätsänderungen des Hydraulikmittels
selbst aus und beeinflussen nicht die zentrierte Position oder Nullposition
des Schiebers.
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Gemäß der US-PS
5 361 735 besitzt eine Nockenwelle einen an einem Ende befestigten
Flügel zur
Durchführung
einer nicht-schwingenden
Drehung. Die Nockenwelle trägt
ferner eine von einem Steuerriemen angetriebene Riemenscheibe, die
sich zusammen mit der Nockenwelle drehen kann, jedoch auch relativ
zu dieser hin- und herschwingen kann. Der Flügel besitzt gegenüberliegende
Nocken, die in gegenüberliegenden
Ausnehmungen der Riemenscheibe angeordnet sind. Die Nockenwelle
neigt zur Veränderung
in Reaktion auf Drehmomentimpulse, denen sie während ihres Normalbetriebes
ausgesetzt ist, und kann durch wahlweises Blockieren oder Ermöglichen
des Zuflusses von Motoröl
aus den Ausnehmungen vorbewegt oder verzögert werden, indem die Position
eines Schiebers in einem Ventilkörper
eines Regelventils in Abhängigkeit
von einem Signal von einer Motorregeleinheit geregelt wird. Der Schieber
wird in einer vorgegebenen Richtung durch eine Einrichtung zum Überführen einer
Drehbewegung in eine Linearbewegung, die von einem Elektromotor,
vorzugsweise vom Schrittmotortyp, gedreht wird, gedrückt.
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Die
US-PS 5 497 738, auf der der Oberbegriff von Patentanspruch 1 basiert,
zeigt ein Regelsystem, das die auf ein Ende eines Schiebers einwirkende
hydraulische Kraft, die aus dem direkt aufgebrachten Hydraulikmittel
aus der Motorölgalerie
bei vollem Hydraulikdruck Ps resultiert
und bei vorhergehenden Ausführungsformen
des VCT-Systems Verwendung findet, eliminiert. Die auf das andere
Ende des ventilierten Schiebers ausgeübte Kraft resultiert aus einer
elektromechanischen Betätigungseinheit, vorzugsweise
vom Solenoidtyp mit veränderlicher Kraft,
die in Abhängigkeit
von einem elektronischen Signal, das von einer Motorregeleinheit
(ECU) abgegeben wird, die diverse Motorparameter überwacht, direkt
auf den ventilierten Schieber einwirkt. Die ECU empfängt Signale
von Sensoren, die den Nockenwellen- und Kurbelwellenpositionen entsprechen,
und benutzt diese Information, um einen relativen Phasenwinkel zu
berechnen. Ein Feedback-System mit geschlossener Schleife, das jeden
Phasenwinkelfehler korrigiert, findet vorzugsweise Verwendung. Durch
den Einsatz eines Solenoids mit veränderlicher Kraft wird das Problem
eines trägen
dynamischen Ansprechens gelöst.
Eine solche Vorrichtung kann so ausgebildet werden, dass sie so
schnell reagiert wie ein mechanisch ansprechendes Schieberventil,
und mit Sicherheit viel schneller als das herkömmliche (voll hydraulische)
Differenzdruckregelsystem. Durch das schnellere Ansprechen kann
eine geschlossene Schleife mit vergrößerter Verstärkung Anwendung
finden, die das System weniger empfindlich gegenüber Toleranzen der Komponenten
und der Betriebsumgebung macht.
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Bei
sämtlichen
vorstehend beschriebenen Systemen sind die Regelvorrichtungen für das Nockenwellentiming
in der No ckenwelle selbst oder abstromseitig der Nockenwelle angeordnet,
wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Leckens erhöht wird, wenn sich das Hydraulikmittel
vom Schieberventil in die Flügel
des Rotors bewegt. Daher besteht ein Bedarf im Stand der Technik
nach einer unbegrenzt veränderlichen
VCT-Multipositionsnockenindexiervorrichtung,
mit der die Leckage während
des Betriebes verringert wird.
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Erfindungsgemäß wird ein
Phasensteller zum Einstellen des Timings zwischen einer Nockenwelle
und einem Timingzahnrad, das mit einer Kurbelwelle eines Motors
gekoppelt ist, zur Verfügung gestellt,
der umfasst: einen Rotor mit ersten und zweiten in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten Flügeln
und einer zentralen zylindrischen Ausnehmung, die entlang einer
Drehachse angeordnet ist, wobei der Rotor mit der Nockenwelle verbindbar ist,
um sich hiermit zu drehen; ein Gehäuse, das mit dem Timingzahnrad
verbindbar ist, um sich hiermit zu drehen, und einen den Rotor koaxial
umgebenden Korpus aufweist, der eine erste Ausnehmung und eine zweite
Ausnehmung im Umfangsabstand aufweist, um den ersten Flügel und
den zweiten Flügel des
Rotors aufzunehmen und eine Drehbewegung der Flügel hierin zu ermöglichen,
wobei jeder der ersten und zweiten Flügel jeweils die erste Ausnehmung und
die zweite Ausnehmung in einen ersten Abschnitt und einen zweiten
Abschnitt unterteilt und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt
der Ausnehmungen in der Lage sind, Strömungsmitteldruck aufrechtzuerhalten,
so dass die Einführung
eines unter Druck stehenden Strömungsmittels
in den ersten Abschnitt bewirkt, dass sich der Rotor in einer ersten Drehrichtung
relativ zum Gehäuse
dreht, und die Einführung
eines unter Druck stehenden Strömungsmittels in
den zweiten Abschnitt bewirkt, dass sich der Rotor in einer entgegengesetzten
Drehrichtung relativ zum Gehäuse
bewegt; einen in der zylindrischen Ausnehmung des Rotors angeordneten
Schieber, der entlang der Drehachse des Rotors gleitend bewegbar
ist und eine Vielzahl von Stegen aufweist, die eine Vielzahl von
Kanälen
im Rotor blockieren und verbinden, so dass durch gleitendes Bewegen
des Schiebers in der zylindrischen Ausnehmung des Rotors der Strömungsmittelfluss
von einem Strömungsmitteleinlass
in den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt geregelt wird,
was eine Veränderung
der Drehbewegung des Gehäuses
relativ zum Rotor zur Folge hat; und ein im Rotor angeordnetes Einlassrückschlagventil,
das einen Rückfluss
von Strömungsmittel,
das in den Strömungsmitteleinlass
eindringt, steuert; dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber eine
Länge und
einen ersten Steg sowie einen zweiten Steg besitzt, die entlang
der Länge
voneinander beabstandet sind, so dass der erste Steg und der zweite
Steg einen Umfang besitzen, der für eine strömungsmittelblockierende Passung
in der zylindrischen Ausnehmung sorgt, wobei die Länge einen
geringeren Umfang als der erste Steg und zweite Steg besitzt, damit
Strömungsmittel
fließen
kann; und dass die zylindrische Ausnehmung des Rotors in beabstandeter
Beziehung entlang der Länge
der zylindrischen Ausnehmung von einem ersten Ende derselben, das
am weitesten von der Nockenwelle entfernt ist, bis zu einem zweiten
Ende der zylindrischen Ausnehmung, das zur Nockenwelle am nächsten angeordnet
ist, umfasst: einen ersten Auslass, der die zylindrische Ausnehmung
mit der Atmosphäre
verbindet; eine erste Rückführleitung,
die den ersten Abschnitt mit der zylindrischen Ausnehmung verbindet; eine
Leitung für
die erste Bewegung, die die zylindrische Ausnehmung mit dem ersten
Abschnitt verbindet; eine zentrale Einlassleitung, die eine zentrale Stelle
in der zylindrischen Ausnehmung mit einer Strömungsmittelquelle verbindet;
eine Leitung für
die zweite Bewegung, die die zylindrische Ausnehmung mit dem zweiten
Abschnitt verbindet; eine zweite Rückführleitung, die den zweiten
Abschnitt mit der zylindrischen Ausnehmung verbindet; einen zweiten Auslass,
der die zylindrische Ausnehmung mit der Atmosphäre verbindet; wobei der erste
Auslass, der zweite Auslass, die erste Rückführleitung, die zweite Rückführleitung,
die Leitung für
die erste Bewegung, die Leitung für die zweite Bewegung und die
zentrale Einlassleitung entlang der Länge der zylindrischen Ausnehmung
voneinander beabstandet sind und der erste Steg und der zweite Steg
eine ausreichende Länge
und einen ausreichenden Abstand voneinander besitzen, so dass dann,
wenn sich der Schieber in einer zentralen Position zwischen dem
ersten Ende der zentralen Ausnehmung und dem zweiten Ende der zentralen
Ausnehmung befindet, der erste Steg die erste Rückführleitung und die Leitung für die erste
Bewegung und der zweite Steg die Leitung für die zweite Bewegung und die
zweite Rückführleitung blockiert,
wenn sich der Schieber in einer Position näher zum ersten Ende der zentralen
Ausnehmung befindet, die Leitung für die erste Bewegung und die zweite
Rückführleitung
nicht blockiert sind, Strömungsmittel
von der zentralen Einlassleitung in die Leitung für die erste
Bewegung und den ersten Abschnitt fließt und Strömungsmittel vom zweiten Abschnitt
in die zweite Rückführleitung
und den zweiten Auslass fließt,
und, wenn sich der Schieber in einer Position näher am zweiten Ende der zentralen
Ausnehmung befindet, die Leitung für die zweite Bewe gung und die
erste Rückführleitung
nicht blockiert sind, Strömungsmittel
von der zentralen Einlassleitung in die Leitung für die zweite
Bewegung und den zweiten Abschnitt fließt und Strömungsmittel vom ersten Abschnitt
in die erste Rückführleitung
und den ersten Auslass fließt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine unbegrenzt veränderliche
Nockenwellentimingvorrichtung (Phasensteller) mit einem im Rotor
angeordneten Regelventil. Da sich das Regelventil im Rotor befindet,
muss die Nockenwelle nur einen einzigen Kanal zur Zuführung von
Motoröl
oder Hydraulikmittel zur Verfügung
stellen und benötigt keine
Mehrfachkanäle
zum Regeln des Phasenstellers, wie dies beim Stand der Technik der
Fall ist. Der Hauptvorteil in Bezug auf die Anordnung des Schiebers
im Rotor besteht in einer Verringerung der Leckage und einer Verbesserung
des Ansprechverhaltens des Phasenstellers. Diese Konstruktion ermöglicht kürzere Strömungsmittelkanäle im Vergleich
zu einem Regelsystem, das am Nockenlager montiert ist.
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Der
Rotor ist mit der Nockenwelle verbunden, und das Außengehäuse und
das Zahnrad bewegen sich relativ zum Rotor und zur Nockenwelle.
von einer Ölquelle
stammendes Öl
wird durch die Mitte der Nockenwelle zugeführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
dringt das Öl
durch ein Einlassrückschlagventil
und wird zur Mitte des Schieberventils geführt. Das Einlassrückschlagventil
verhindert, dass Öl
während
einer Drehmomentumkehr zurück zur
Quelle fließt.
Durch die Position des Schieberventils wird festgelegt, ob der Phasensteller
vorbewegt oder verzögert
wird.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr eine beispielhafte Ausführungsform
derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen
erläutert.
Hiervon zeigen:
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1 eine
auseinandergezogene Seitenansicht der Nockenwelle bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Ansicht der Nockenwelle der 1 von oben
nach unten;
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3 eine
weniger detaillierte Ansicht der Nockenwelle der 1 von
oben nach unten;
-
4 eine
Teilansicht der Nockenwelle entlang Linie A-A in 3;
-
5 eine
Teilansicht der Nockenwelle entlang Linie B-B in 3;
-
6 eine
Nockenindexiervorrichtung mit einem mittleren Schieber und einem
Einlassrückschlagventil
in der Nullposition einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
-
7 eine
Nockenindexiervorrichtung mit einem mittleren Schieber und einem
Einlassrückschlagventil
in der vorgerückten
Position einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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8 eine
Nockenindexiervorrichtung mit einem mittleren Schieber und einem
Einlassrückschlagventil
in der Verzögerungsposition
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
die 1 bis 5 zeigen, besitzt eine Brennkraftmaschine
eine Kurbelwelle, die von den Pleuelstangen der Kolben angetrieben
wird, und eine oder mehrere Nockenwellen, die die Einlass- und Auslassventile
auf den Zylindern betätigen.
Ein Steuerzahnrad auf der Nockenwelle ist über einen Steuerantrieb, wie
einen Riemen, eine Kette oder Zahnräder, mit der Kurbelwelle verbunden.
Obwohl in den Figuren nur eine Nockenwelle 9 dargestellt
ist, versteht es sich, dass es sich bei der Nockenwelle 9 um die
einzige Nockenwelle eines Motors mit einer einzigen Nockenwelle
vom oben liegenden Typ oder vom im Block-Typ oder um eine von zwei
Nockenwellen (der Einlassventilbetätigungsnockenwelle oder der Auslassventilbetätigungsnockenwelle)
eines Motors mit zwei Nockenwellen oder um eine Nockenwelle von
vier Nockenwellen eines V-Motors mit oben liegenden Nockenwellen,
zwei für
jede Zylinderreihe, handeln kann.
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In
einem veränderlichen
Nockenwellentimingsystem (VCT) ist das Timing- bzw. Steuerzahnrad
auf der Nockenwelle durch eine Kupplung mit veränderlichem Winkel ersetzt,
die als „Phasensteller" bekannt ist und
einen Rotor, der mit der Nockenwelle verbunden ist, sowie ein Gehäuse besitzt,
das mit dem Timingzahnrad verbunden ist (oder dieses bildet), so
dass sich die Nockenwelle unabhängig vom
Timingzahnrad innerhalb von Winkelgrenzen drehen kann, um das Timing
der Nockenwelle und Kurbelwelle relativ zueinander zu verändern. Der
hier verwendete Begriff „Phasensteller" umfasst das Gehäuse und
den Rotor und sämtliche
Teile zum Regeln der relativen Winkellage des Gehäuses und
Rotors, um das Timing der Nockenwelle gegenüber dem der Kurbelwelle zu
versetzen. Bei Motoren mit mehreren Nockenwellen versteht es sich,
dass jeweils ein Phasensteller an einer Nockenwelle angeordnet ist,
wie dies bekannt ist.
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Ein
Rotor 1 ist mit Hilfe eines Montageflansches 8,
an dem er (und eine Rotorfrontplatte 4) über Schrauben 14 befestigt
ist, fest an der Nockenwelle 9 angeordnet. Der Rotor 1 besitzt
ein diametral gegenüberliegendes
Paar von radial nach außen
vorstehenden Flügeln 16,
die in Ausnehmungen 17 im Gehäusekörper 2 gepasst sind.
Die Innenplatte 5, der Gehäusekörper 2 und die Außenplatte 3 sind
mit Schrauben um den Montageflansch 8, den Rotor 1 und
die Rotorfrontplatte 4 aneinander befestigt, so dass die
Ausnehmungen 17, die die Flügel 16 halten und
von der Außenplatte 3 und
der Innenplatte 5 umschlossen sind, strömungsmitteldichte Kammern bilden.
Das Timingzahnrad 11 ist über Schrauben 12 mit
der Innenplatte 5 verbunden. Zusammen werden die Innenplatte 5,
der Gehäusekörper 2,
die Außenplatte 3 und
das Timingzahnrad 11 hier als das „Gehäuse" bezeichnet.
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Die
Flügel 16 des
Rotors 1 sind in die radial nach außen vorstehenden Ausnehmungen 17 des Gehäusekörpers 2 eingepasst,
wobei die Umfangsausdehnung einer jeden Ausnehmung 17 etwas
größer ist
als die Umfangsausdehnung des Flügels 16, der
in einer derartigen Ausnehmung angeordnet ist, um eine begrenzte
Schwingbewegung bzw. Hin- und Herbewegung des Gehäuses relativ
zum Rotor 1 zu ermöglichen.
Die Flügel 16 sind
mit Flügelspitzen 6 in Aufnahmeschlitzen 19 versehen,
die durch lineare Expansionsvorrichtungen 7 nach außen vorgespannt werden.
Die Flügelspitzen 6 hindern
Motoröl
daran, zwischen der Innenseite der Ausnehmungen 17 und den
Flügeln 16 herauszulecken,
so dass jede Ausnehmung in gegenüberliegende
Kammern 17a und 17b unterteilt wird. Daher ist
jede der Kammern 17a und 17b des Gehäuses 2 in
der Lage, Hydraulikdruck aufrechtzuerhalten. Durch die Aufbringung
von Druck auf die Kammern 17a wird daher der Rotor im Uhrzeigersinn
relativ zum Rotor 1 bewegt, während die Aufbringung von Druck
auf die Kammern 17b den Rotor gegen den Uhrzeigersinn relativ
zum Rotor 1 bewegt.
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Wie
die 4 und 5 zeigen, ist der Schieber 27 des
Schieberventils 20 im Rotor 1 in einer zylindrischen
Ausnehmung 25 entlang dessen Mittelachse 26 angeordnet.
Kanäle
führen Öl vom Schieberventil
zu den Kammern 17a, 17b, wie nachfolgend in schematischer
Form erläutert.
Das Motoröl oder
ein anderes Betriebsfluid dringt in die Seite des Montageflansches 8 und
in den Rotor 1 durch den Kanal 21 ein. Da sich
das Schieberventil 20 im Rotor 1 und nicht in
der Nockenwelle 9 befindet, kann die Nockenwelle 9 viel
einfacher hergestellt werden, da Strömungsmittel nur durch den Phasensteller
in das Schieberventil 20 im Rotor 1 strömen muss
und keine arbeitsaufwendigen Kanäle
in die Nockenwelle 9 eingearbeitet werden müssen sowie
keine extern montierten Ventile erforderlich sind. Durch die Anordnung des
Schieberventils 20 im Rotor 1 wird die Leckage verringert
und das Ansprechverhalten des Phasenstellers verbessert. Diese Konstruktion
ermöglicht kürzere Strömungsmittelkanäle im Vergleich
zu einem am Nockenlager montierten Regelsystem.
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Wie
man ferner den 6 bis 8 entnehmen
kann, strömt
das Phasenstellerbetriebsmittel 122, das in der Form von
Motorschmieröl
dargestellt ist, in die Ausnehmungen 17a (die mit „A" zur Vorwärtsbewegung
bezeichnet sind) und 17b (die mit „R" zur Verzögerung bezeichnet sind) mit
Hilfe einer gemeinsamen Einlassleitung 110. Bei der in
den 6–8 gezeigten
bevorzugten Ausführungsform
verhindert ein Einlassrückschlagventil 105 einen
Rückfluss
des Hydraulikmittels in die Motorölversorgung. Die Erfindung
funktioniert jedoch auch ohne das Einlassrückschlagventil 105,
ohne von der erfindungsgemäßen Lehre
abzuweichen. Die Einlassleitung 110 endet mit dem Eindringen
in das Schieberventil 109. Das Schieberventil 109 besteht
aus einem Schieber 104 und einem zylindrischen Element 115. Der
Schieber 104, bei dem es sich vorzugsweise um einen ventilierten
Schieber handelt, kann vor und zurück gleiten. Er besitzt Schieberstege 104a und 104b auf
gegenüberliegenden
Enden, die mit enger Passung im zylindrischen Element 115 angeordnet
sind. Die Schieberstege 104a und 104b sind vorzugsweise zylindrische
Stege und haben vorzugsweise drei Positionen, wie nachfolgend in
größeren Einzelheiten erläutert.
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Die
Regelung der Position des Schiebers 104 im Element 115 geschieht
in direkter Ansprache auf ein Solenoid 103 mit veränderlicher
Kraft. Dieses Solenoid 103 mit veränderlicher Kraft ist vorzugsweise
eine elektromechanische Betätigungseinheit 103. Die
US-PS 5 497 738 mit dem Titel „VCT
Control with a Direct Electromechanical Actuator" vom 12.
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März 1996
offenbart die Verwendung eines Solenoids mit veränderlicher Kraft. Kurz gesagt,
bei der bevorzugten Ausführungsform
wird elektrischer Strom über
ein Kabel durch das Solenoidgehäuse
in eine Solenoidspule eingeführt,
die einen Anker 117 in der elektromagnetischen Betätigungseinheit 103 abstößt oder "drückt". Der Anker 117 ist
gegen eine Verlängerung 104c des
Schiebers 104 gelagert und bewegt somit den Schieber 104 nach
rechts. Wenn die Kraft der Feder 116 mit der vom Anker 117 in
der entgegengesetzten Richtung ausgeübten Kraft im Gleichgewicht
ist, verbleibt der Schieber 104 in seiner Nullposition
oder zentrierten Position. Somit wird der Schieber 104 in
jeder Richtung bewegt, wenn der der Solenoidspule zugeführte elektrische
Strom erhöht
oder verringert wird, je nach Bedarf. Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Konfiguration der elektromagnetischen Betätigungseinheit 103 umgekehrt
sein, wobei die auf die Schieberverlängerung 104c ausgeübte Kraft
von einer Druckkraft in eine Zugkraft verändert wird. Diese Alternative
erfordert eine Umgestaltung der Funktion der Feder 116,
damit diese der Kraft in der neuen Richtung der Bewegung des Ankers 117 entgegenwirkt.
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Die
elektromechanische Betätigungseinheit 103 mit
veränderlicher
Kraft ermöglicht,
dass das Schieberventil inkrementell bewegt wird und nicht nur zu
einer vollständigen
Bewegung bis zu dem einen oder dem anderen Ende der Bewegungsbahn
in der Lage ist, wie dies bei herkömmlichen Nockenwellentimingvorrichtungen
der Fall ist. Durch die Verwendung eines Solenoids mit veränderlicher
Kraft wird ein langsames dynamisches Ansprechen vermieden. Durch
das raschere Ansprechen wird eine höhere Verstärkung der geschlossenen Schleife
erreicht, was das System weniger empfindlich gegenüber Toleranzen
der Komponenten und der Betriebsumgebung macht. Auch bewegt sich
der Anker eines Solenoids mit veränderlicher Kraft nur über eine
kurze Distanz und wird durch den Strom von der Motorregeleinheit
(ECU) 102 geregelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
liefert ein elektronischer Schnittstellenmodul (EIM) Elektronik
für den
VCT. Die EIM bildet die Schnittstelle zwischen der Betätigungseinheit 103 und
der ECU 102.
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Da
die erforderliche Bewegung kaum zu Extremen führt, wird ein Zittern bzw.
Vibrieren vermieden, so dass das System virtuell geräuschfrei
ist. Vielleicht der bedeutendste Vorteil gegenüber dem herkömmlichen
Differenzdruckregelsystem ist die verbesserte Regelung des Basissystems.
Ein Solenoid mit veränderlicher
Kraft sorgt für
ein stark verbessertes Vermögen,
einem Eingangsbefehl der VCT-Phase rasch und genau zu folgen.
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Bevorzugte
Typen von Solenoiden mit veränderlicher
Kraft umfassen einen zylindrischen Anker oder ein Solenoid mit veränderlicher
Fläche
und einen flachflächigen
Anker oder ein Solenoid mit veränderlichem
Spalt, sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Die verwendete elektromechanische
Betätigungseinheit
kann auch über
eine pulsbreitenmodulierte Versorgung betätigt werden. Alternativ dazu können auch
andere Betätigungseinheiten,
wie hydraulische Solenoide, Schrittmotoren, Schnecken- oder Schraubenradmotoren
oder rein mechanische Betätigungseinheiten,
eingesetzt werden, um das Schieberventil gemäß den Lehren der Erfindung
zu betätigen.
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Um
einen Phasenwinkel aufrechtzuerhalten, wird der Schieber 104 auf
seine Nullposition gesetzt, wie in 6 gezeigt.
Die Nockenwelle 9 wird in einer ausgewählten Zwischenlage relativ
zur Kurbelwelle des zugehörigen
Motors gehalten, die als „Nullposition" des Schiebers 104 bezeichnet
wird. Ergänzungsöl von der
Versorgung füllt
beide Kammern 17a und 17b. Wenn sich der Schieber 104 in
der Nullposition befindet, blockieren die Schieberstege 104a und 104b sowohl
die Rückführleitungen 112 und 114 als auch
die Einlassleitungen 111 und 113.
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Da
das Hydraulikmittel 122 im wesentlichen im mittleren Hohlraum 119 des
Schieberventils 109 eingefangen ist, wird der Druck aufrechterhalten
und dringt das Hydraulikmittel 122 nicht in die Kammern 17a und 17b ein
oder verlässt
diese. Unvermeidbar tritt jedoch ein Lecken aus den Kammern 17a und 17b auf.
So wird das Schieberventil mit einem „Zittersignal" beaufschlagt, um
eine geringe Bewegung zu ermöglichen.
Mit anderen Worten, der Schieber 104 bewegt sich in ausreichender
Weise vor und zurück, so
dass dann, wenn die Vorschubkammer 17a und Verzögerungskammer 17b beginnen,
Druck zu verlieren, Ergänzungsströmungsmittel 122 den
Druck wiederherstellt. Die Bewegung ist jedoch nicht ausreichend,
um Strömungsmittel
aus den Auslassöffnungen 106, 107 herauszulassen.
Der mittlere Hohlraum 119 ist vorzugsweise an den Rändern konisch ausgebildet,
um eine leichterte Förderung
von Ergänzungsströmungsmittel
während
der Zitterbewegung zu ermöglichen.
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Da
die Kraft des Ankers 117 dem elektrischen Strom entspricht,
der der Solenoidspule zugeführt
wird, und auch die Kraft der Feder 116 vorhersagbar ist
(in Bezug auf die Federposition), ist die Position des Schiebers 104 ohne
weiteres allein auf der Basis des Solenoidstromes ermittelbar. Durch
die ausschließliche
Ausnutzung von Ungleichgewichten zwischen einer elektrisch erzeugten
Kraft an einem Ende 104b des Schieber 104 und
einer Federkraft am anderen Ende 104a zur Bewegung in die
eine oder die andere Richtung (im Gegensatz zur Ausnutzung von Ungleichgewichten
zwischen hydraulischen Belastungen von einer gemeinsamen Quelle an
beiden Enden) ist das Regelsystem vollständig unabhängig vom hydraulischen Systemdruck.
Es ist somit nicht erforderlich, ein Kompromisssystem auszubilden,
das in einem potentiell breiten Spektrum von Öldrücken arbeitet, wie sie mit
den individuellen Eigenschaften von speziellen Motoren einhergehen. Diesbezüglich ist
es durch die Ausbildung eines Systems, das innerhalb eines engeren
Bereiches von Parametern wirkt, möglich, den Schieber 104 rasch und
genau in seiner Nullposition zu positionieren, um eine verbesserte
Funktionsweise eines VCT-Systems zu erreichen.
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Wie
in 7 gezeigt, wird zur Vorbewegung des Phasenstellers
Hydraulikmittel 122 von der Hydraulikquelle zur Vorschubkammer 17a geführt, indem
das Schieberventil 104 nach links verschoben wird. Gleichzeitig
wird die Verzögerungskammer 17b zur
Atmosphäre,
d.h. einem Bereich mit niedrigerem Druck, geöffnet, so dass das Strömungsmittel
zur Strömungsmittelquelle
zurück
recycelt werden kann. In den meisten Fällen bedeutet „Atmosphäre" eine Stelle, bei
der das Motoröl
zurück
in die Ölwanne
am Boden des Motors geführt
werden kann, beispielsweise in die Abdeckung der Timingkette oder
in eine mit der Ölwanne
in Verbindung ste hende Rückführleitung.
Bei dieser Konfiguration blockiert der Steg 104b den Eintritt
des Hydraulikmittels in die Einlassleitung 113 der Verzögerungskammer.
Der Hohlraum 119 wird nunmehr mit der Einlassleitung 111 der
Vorschubkammer in Verbindung gebracht, so dass zusätzliches
Hydraulikmittel 122 in die Verzögerungskammer 17a eindringen
kann. Der Steg 104a blockiert den Austritt von Hydraulikmittel 122 aus
der Rückführleitung 112 der
Vorschubkammer. Der Hohlraum 121 ermöglicht den Austritt des Hydraulikmittels 122 durch
die Rückführleitung 114 der
Verzögerungskammer
und aus dem Auslass 107 der Verzögerungskammer zur Atmosphäre.
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Wie
in 8 gezeigt, wird zur Verzögerung des Phasenstellers das
Schieberventil 104 nach rechts bewegt und Hydraulikmittel 122 von
der Hydraulikmittelquelle zur Verzögerungskammer 17b geführt. Das
in der Vorschubkammer 17a befindliche Hydraulikmittel 122 wird
zur Atmosphäre
abgegeben. Bei dieser Konfiguration blockiert der Steg 104b den Austritt
des Hydraulikmittels aus der Rückführleitung 114 der
Verzögerungskammer.
Der Hohlraum 119 wird nunmehr mit der Einlassleitung 113 der
Verzögerungskammer
in Verbindung gebracht, so dass Hydraulikmittel 122 in
die Verzögerungskammer 17b fließen kann.
Der Steg 104a blockiert den Eintritt von Hydraulikmittel 122 in
die Einlassleitung 111 der Vorschubkammer. Der Hohlraum 120 ermöglicht die
Abführung
von Hydraulikmittel 122 durch die Rückführleitung 112 der
Vorschubkammer und aus dem Auslass 106 der Vorschubkammer
zur Atmosphäre.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Verriegelungsmechanismus für den Start vorgesehen, wenn
ein unzu reichender Öldruck
vorhanden ist, um den Phasensteller in Position zu halten. Beispielsweise
kann ein eine einzige Position einnehmender Stift in ein Loch eingesetzt
werden, um den Rotor und das Gehäuse
miteinander zu verriegeln, oder es kann eine andere bekannte Verschiebungs- und
Verriegelungsstrategie Anwendung finden.
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Es
versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
lediglich beispielhaft sind für
die Anwendung der Lehren der Erfindung. Die Bezugnahme auf Einzelheiten
der dargestellten Ausführungsformen
soll in keiner Weise den Umfang der Patentansprüche beschränken, in denen selbst diejenigen
Merkmale aufgeführt
sind, die als wesentlich für
die Erfindung angesehen werden.