EP1550793A1

EP1550793A1 - Nockenwellenversteller mit teilweise unterbrochener Druckölzufuhr

Info

Publication number: EP1550793A1
Application number: EP04100003A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Kramer; Guido Bingen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2024-01-05
Also published as: DE502004009304D1; EP1550793B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) aus Nockenwelle (9) mit mindestens einem Nocken (10,11,12,13) und Nockenwellenaufnahme (2) zur Versorgung einer Vorrichtung (100) zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine mit Drucköl, bei dem die Nockenwelle (9) in der Art hohl ausgeführt ist, daß ein innerer Nockenwellenkanal (14) ausgebildet wird und einerseits dieser innere Nockenwellenkanal (14) mit der Verstellvorrichtung (100) in Verbindung steht und andererseits mindestens ein Nockenwellenverbindungskanal (15,16,17,18) von dem inneren Nockenwellenkanal (14) zur äußeren Mantelfläche (19) der Nockenwelle (9) führt, wobei die Nockenwellenaufnahme (2) über mindestens eine Zuleitung (5,6,7,8) verfügt, die zur inneren Mantelfläche (20) der Nockenwellenaufnahme (2) führt und über den Nockenwellenverbindungskanal (15,16,17,18) und den inneren Nockenwellenkanal (14) mit der Verstellvorrichtung (100) verbindbar ist und der Versorgung der Verstellvorrichtung (100) mit Hydrauliköl dient. Es soll ein derartiges System (1) bereitgestellt werden, mit welchem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen System (1) der gattungsbildenden Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß entweder in der äußeren Mantelfläche (19) der Nockenwelle (9) im Bereich des Nockenwellenverbindungskanals (15,16,17,18) oder in der inneren Mantelfläche (20) der Nockenwellenaufnahme (2) im Bereich der mindestens einen Zuleitung (5,6,7,8) mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut (21,22,23,24) vorgesehen ist, wobei die mindestens eine segmentartige Ringnut (21,22,23,24) in der Art ausgeführt und angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen der Zuleitung (5,6,7,8) und der Verstellvorrichtung (100) in der Kompressionsphase eines durch den mindestens einem Nocken (10,11,12,13) der Nockenwelle (9) komprimierten Ventilfederelementes (27) eines über die Nockenwelle (9) betätigten Ventiltriebs unterbrochen ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein System aus Nockenwelle mit mindestens einem Nocken und Nockenwellenaufnahme zur Versorgung einer Vorrichtung zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine mit Drucköl, bei dem die Nockenwelle in der Art hohl ausgeführt ist, daß ein innerer Nockenwellenkanal ausgebildet wird und einerseits dieser innere Nockenwellenkanal mit der Verstellvorrichtung in Verbindung steht und andererseits mindestens ein Nockenwellenverbindungskanal von dem inneren Nockenwellenkanal zur äußeren Mantelfläche der Nockenwelle führt, wobei die Nockenwellenaufnahme über mindestens eine Zuleitung verfügt, die zur inneren Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme führt und über den Nockenwellenverbindungskanal und den inneren Nockenwellenkanal mit der Verstellvorrichtung verbindbar ist und der Versorgung der Verstellvorrichtung mit Hydrauliköl dient.

Derartige Systeme sind erforderlich um eine Nockenwellenverstellung vornehmen zu können, mit der auf die Steuerzeiten der Steuerorgane eines Ventiltriebes Einfluß genommen werden kann. Die Variation der Steuerzeiten ist ein Lösungsansatz zur Verminderung des Kraftstoffverbrauches.

Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.

Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Der Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, das - sofern keine Direkteinspritzung vorliegt - durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so daß dem Arbeitsverfahren des Ottomotors - anders als beim Dieselmotor - eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.

Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aufgrund der Druckabsenkung und der damit verbundenen Drosselverluste thermodynamische Nachteile.

Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung nach dem Stand der Technik besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile, bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind, können diese den Verbrennungsprozeß und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zuläßt.

Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden, bei denen beispielsweise die Schließzeit des Einlaßventils verstellt werden kann.

Eine Möglichkeit, die Steuerzeiten der Ventile zu variieren, besteht in der Verwendung einer Nockenwellenverstellvorrichtung, mit welcher die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen gewissen Winkel verdreht werden kann, so daß die Steuerzeiten nach früh oder spät verschoben werden.

Derartige Verstellvorrichtungen werden üblicherweise hydraulisch betätigt bzw. gesteuert, wobei eine oder mehrere Druckkammern mit Hydrauliköl gezielt beaufschlagt werden oder aber entlastet werden.

Eine derartige Verstellvorrichtung 100 wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 50 947 A1 beschrieben und ist in Figur 1 wiedergegeben.

Wie Figur 1 zu entnehmen ist, ist ein Riemenrad 110 mit einem Gehäusedeckel 112 sowie einem ersten Zwischenelement 114 drehfest verbunden. Das Zwischenelement 114 weist radial innenliegend eine Verzahnung 116 auf, die eine an einer axial verschieblich gelagerten Kolbeneinrichtung 118 angeordnete Gegenverzahnung 120 kämmt. Die Kolbeneinrichtung 118 weist eine zweite Verzahnung 122 auf, die in eine an einem zweiten Zwischenelement 124 angeordnete zweite Gegenverzahnung 126 eingreift. Wenigstens ein Zahnradpaar 116, 120 bzw. 122, 126 ist schrägverzahnt. Das zweite Zwischenelement 124 steht drehfest mit der Nockenwelle 128 in Verbindung, so daß bei einer axialen Verschiebung der Kolbeneinrichtung 118 eine Verdrehung der Nockenwelle 128 gegenüber dem Riemenrad 110 und damit gegenüber der Kurbelwelle erfolgt.

Zur Verschiebung der Kolbeneinrichtung 118 sind zwei Verstellkammern 132,134 vorgesehen, wobei die Kolbeneinrichtung 118 die beiden Verstellkammern 132,134 voneinander trennt. Diese Kammern 132,134 werden zur axialen Verschiebung mit Drucköl über die Leitungen 136, 138 beaufschlagt d.h. gesteuert.

Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die beschriebene Verstellvorrichtung lediglich ein Beispiel einer Nockenwellenverstellvorrichtung darstellt.

In der US 4,858,572 wird eine Verstellvorrichtung beschrieben, die sich nicht - wie die beschriebene Vorrichtung - einer Kolbeneinrichtung bedient, um die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen vorgebbaren Winkel zu verdrehen, sondern zum Verstellen eine Flügelzellenpumpe einsetzt. Dabei wird bzw. werden eine bzw. mehrere Kammern mit einem unter Druck stehenden Fluid versorgt, weshalb diesem Flügelzellennockenwellen-Phasenversteller wie der Verstellvorrichtung, die in der DE 198 50 947 A1 beschrieben ist, ein hydraulisches Arbeitsverfahren zu Grunde liegt.

Um nun eine Verstellvorrichtung der beschriebenen Art gezielt mit Drucköl zu beaufschlagen, muß eine Druckölversorgung vorgesehen werden. Beispielsweise ein System der gattungsbildenden Art, wie es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Ein derartiges System ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 47 244 A1 offenbart und beschrieben.

Dabei muß eine Verstellung der Nockenwelle unter allen auftretenden Betriebsbedingungen mit einer hinreichenden Genauigkeit und einer hohen Verstellgeschwindigkeit realisiert werden können. Dies kann aber unter Betriebsbedingungen, die sich durch hohe Öltemperaturen oder niedrige Motorlasten auszeichnen, nicht immer gewährleistet werden, weil in diesen Betriebspunkten der Druck im Ölkreislauf der Brennkraftmaschine und damit in der Druckölversorgung der Verstellvorrichtung sinkt und gegebenenfalls zu niedrig ist, um hohe Verstellgeschwindigkeiten und ausreichende Verstellgenauigkeiten zu erzielen.

Begründet ist dies insbesondere durch den Umstand, daß die Nockenwelle durch das Zusammenwirken ihrer Nocken mit den Ventiltrieben der Brennkraftmaschine ein dynamisch belastetes Bauteil ist. So wird die Nockenwelle über ihre Nocken mit einem zusätzlichen Drehmoment belastet, wenn diese Nocken auf Stößel eines Ventiltriebes auflaufen und eine im Ventiltrieb vorgesehene Rückstellfeder komprimiert. Dieses Drehmoment wirkt der eigentlichen Nockenwellendrehung entgegen.

Hingegen wird nach Erreichen des maximalen Ventilhubes die in der Rückstellfeder gespeicherte Energie während der Expansionsphase der Feder wieder an die Nocken abgegeben. Dabei werden die Nocken mit einem Drehmoment belastet, das die eigentliche Nockenwellendrehung unterstützt, d.h. die Nockenwelle und das auf sie vom Ventiltrieb ausgeübte Drehmoment sind in der Schließphase des Ventils gleichgerichtet.

Die mit einer hydraulischen Verstellvorrichtung ausgestattete Nockenwelle stützt sich mittelbar über das in der Verstellvorrichtung befindliche Öl ab, weshalb das vom Ventiltrieb auf die Nockenwelle ausgeübte, dynamische Drehmoment zu Druckschwankungen des Hydrauliköls in der Verstellvorrichtung und den Zuleitungen führt.

Diese Druckschwankungen wiederum beeinflussen die Verstellgeschwindigkeit und die Verstellgenauigkeit, insbesondere unter Betriebsbedingungen mit niedriger Motorlast oder hoher Öltemperatur, bei denen der Öldruck im System prinzipbedingt ein niedriges Niveau hat, was die Sensibilität gegenüber Druckschwankungen erhöht. So wird bei einem auflaufenden Nocken durch das vom Ventiltrieb auf den Nocken ausgeübte Drehmoment der Öldruck im System erhöht und das Öl im denkbar ungünstigsten Szenario sogar in die Druckölversorgung zurückgedrückt.

Um dies zu verhindern, wird nach dem Stand der Technik vorgeschlagen, in der Druckölzuführung ein Ventil vorzusehen. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um ein Rückschlagventil handeln, welches selbststeuernd bei einer Rückströmung schließt. Dieses Rückschlagventil wird aber prinzipbedingt erst aktiviert, wenn sich eine Rückströmung einstellt, d.h. die Nockenwellenverdrehung bereits zum Erliegen gekommen ist. Außerdem kann bei einer Anregung im Bereich der Eignfrequenz die Dichtheit d.h. die Undurchlässigkeit des Ventils erheblich abnehmen.

Das Ventil kann auch ein steuerbares Ventil sein, welches gezielt während der Phase, in der der Nocken aufläuft, geschlossen wird. Ventile mit einem ausreichend schnellen Ansprechverhalten, die sich verzögerungsfrei und mit ausreichender Genauigkeit steuern lassen, sind nicht in großer Auswahl vorhanden und sehr kostenintensiv.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit dem eine optimierte Drückölversorgung einer Nockenwellenverstellvorrichtung realisiert werden kann und mit welchem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, wobei insbesondere den durch das dynamische Nockenwellendrehmoment verursachten Druckschwankungen im System begegnet wird, wodurch sich die nachteiligen Auswirkungen der Druckschwankungen auf die Verstellgeschwindigkeit und die Verstellgenauigkeit vermindern lassen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System aus Nockenwelle mit mindestens einem Nocken und Nockenwellenaufnahme zur Versorgung einer Vorrichtung zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine mit Drucköl, bei dem die Nockenwelle in der Art hohl ausgeführt ist, daß ein innerer Nockenwellenkanal ausgebildet wird und einerseits dieser innere Nockenwellenkanal mit der Verstellvorrichtung in Verbindung steht und andererseits mindestens ein Nockenwellenverbindungskanal von dem inneren Nockenwellenkanal zur äußeren Mantelfläche der Nockenwelle führt, wobei die Nockenwellenaufnahme über mindestens eine Zuleitung verfügt, die zur inneren Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme führt und über den Nockenwellenverbindungskanal und den inneren Nockenwellenkanal mit der Verstellvorrichtung verbindbar ist und der Versorgung der Verstellvorrichtung mit Hydrauliköl dient, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß entweder in der äußeren Mantelfläche der Nockenwelle im Bereich des Nockenwellenverbindungskanals oder in der inneren Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme im Bereich der Zuleitung mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut vorgesehen ist, wobei die mindestens eine segmentartige Ringnut in der Art ausgeführt und angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen der Zuleitung und der Verstellvorrichtung in der Kompressionsphase eines durch den mindestens einen Nocken der Nockenwelle komprimierten Ventilfederelementes eines über die Nockenwelle betätigten Ventiltriebs unterbrochen ist.

Mit der mindestens einen segmentartig ausgebildeten Ringnut verfügt das erfindungsgemäße System über eine Zwangsteuerung, die, ohne daß zusätzliche kostenintensive Bauteile vorgesehen werden müssen, für eine wirksame Unterbrechung der Verbindung zwischen der Zuleitung und der Verstellvorrichtung sorgt, wenn der Nocken auf den Stößel des Ventiltriebes aufläuft und eine im Ventiltrieb vorgesehene Rückstellfeder komprimiert wird.

Dabei muß die Unterbrechung der Verbindung nicht exakt mit der Auflaufphase des Nockens zusammenfallen. Die Verbindung kann einerseits bereits vor dem Auflaufen des Nockens auf den Stößel unterbrochen werden und muß andererseits nicht zwingend nach Erreichen des maximalen Ventilhubes wieder hergestellt werden. Das erfindungsgemäße System bietet genügend Freiraum für beliebige Steuerungen der Hydraulikölversorgung.

Da die Auflaufphase des Nockens - gemessen in Grad Nockenwellendrehwinkel ― in Abhängigkeit der Nockenkontur für verschieden geformte Nocken unterschiedlich lang sein kann, ist auch der Winkelbereich, in dem die Verstellvorrichtung von der Drückölzuleitung vorzugsweise zu trennen ist, unterschiedlich groß. Diesem Umstand kann durch entsprechende Ausgestaltung der mindestens einen Ringnut Rechnung getragen werden, wobei einerseits durch die Ausdehnung der Ringnut in Umfangsrichtung und andererseits durch die Anordnung der mindestens einen Ringnut relativ zu dem Nocken bzw. dem Nockenwellenverbindungskanal gezielt Einfluß auf die Steuerzeiten genommen werden kann, zu denen die Verbindung zwischen der Zuleitung und der Verstellvorrichtung getrennt und wieder hergestellt wird.

Erfindungsgemäß wird die Steuerung der Verstellvorrichtung bzw. der Ölversorgung in die Nockenwellenlagerung implementiert, wobei die hierfür erforderliche mindestens eine Ringnut entweder in der äußeren Mantelfläche der Nockenwelle oder in der inneren Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme angeordnet wird. Dabei werden in vorteilhafter Weise bereits vorhandene Bauteile und Versorgungsleitungen bzw. Kanäle genutzt. So wird die Ölzuleitung, welche zur Versorgung der Nockenwellenlagerung mit Öl vorgesehen ist, gleichzeitig als Versorgungsleitung für die Verstellvorrichtung verwendet. Entscheidend ist aber, daß die in der Nockenwellenaufnahme umlaufene Nockenwelle bzw. die Nockenwellendrehung als solche zur Steuerung der Ölversorgung verwendet wird.

Das erfindungsgemäße System erfüllt zum einen sämtliche Teilaufgaben eines herkömmlichen Druckölversorgungssystems, wie es in der DE 197 47 244 A1 beschrieben ist, nämlich die Lagerung der Nockenwelle und die Druckölversorgung der Verstellvorrichtung.

Zum anderen beinhaltet das erfindungsgemäße System durch die Anordnung der mindestens einen Ringnut einen Steuerschlitz bzw. eine Steuerung, mit der die Verstellvorrichtung von der Druckölversorgung in der Auflaufphase des Nockens getrennt werden kann. Daß heißt, es ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems nicht erforderlich, ein Ventil in der Zuleitung anzuordnen oder eine sonstige Steuereinheit vorzusehen oder die Verstellvorrichtung mit einer derartigen Steuerung auszustatten.

Durch die Ergänzung bzw. Ausstattung einer herkömmlichen Nockenwellenlagerung mit einem zusätzlichen konstruktiven Merkmal ― nämlich der mindestens einen Ringnut - wird eine Steuerung realisiert, die sich gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen dadurch auszeichnet, daß sie weitaus weniger komplex ist und damit weniger störanfällig und weniger kostenintensiv. Die erfindungsgemäße Steuerung mittels Ringnut gewährleistet exakte Steuerzeiten, verfügt somit über die geforderte Genauigkeit und weist zudem eine hervorragende Dichtheit bzw. Undurchlässigkeit auf.

In der Auflaufphase des Nockens auf den Stößel, wenn die Nockenwelle infolge der Ventilfederkraft entgegen ihrer Drehrichtung mit einem dynamischen Drehmoment belastet wird, wird ein Druckabfall in der Verstellvorrichtung und ein Zurückdrücken des Hydrauliköls in die Ölversorgungsleitung verhindert, indem die Verbindung zwischen Verstellvorrichtung und Versorgungsleitung getrennt wird.

Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine optimierte Drückölversorgung für eine Nockenwellenverstellvorrichtung bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der sich insbesondere die nachteiligen Auswirkungen von Druckschwankungen in der Ölversorgung auf die Verstellgeschwindigkeit und die Verstellgenauigkeit vermindern lassen Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen die Nockenwellenaufnahme zweigeteilt ist und einen im Zylinderkopf angeordneten Lagersattel und einen - im montierten Zustand - auf diesem Lagersattel angeordneten Lagerdeckel umfaßt.

Eine Lagerung der Nockenwelle in einer einteiligen Nockenwellenaufnahme ist zwar grundsätzlich möglich. Dies erfordert aber entweder eine gebaute Nockenwelle, wenn die Nockenwelle aufgrund ihrer Nocken ein Einschieben in die ringförmigen Nockenwellenaufnahme über ihr freies Ende nicht zuläßt, oder aber eine sogenannte Tunnelnockenwelle, die sich problemlos in die einteilige Nockenwellenaufnahme einschieben läßt.

Im Hinblick auf die Nachrüstung bzw. Umrüstung bereits auf dem Markt befindlicher Motoren, welche eine zweigeteilte Nockenwellenaufnahme aufweisen, werden Systeme bevorzugt, bei denen die Nockenwelle in der zweiteiligen Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Dabei wird die Nockenwelle in einem ersten Montageschritt in die Lagersättel eingelegt, welche einteilig mit dem Zylinderkopf ausgebildet sind. Sie sind bereits Teil des gegossenen Zylinderkopfrohlings und erhalten ihre endgültige Form im Rahmen einer Nachbearbeitung. In einem zweiten Montageschritt wird die Nockenwellenaufnahme durch einen Lagerdeckel komplettiert, wobei der Lagerdeckel gegenüber dem Lagersattel angeordnet und mit diesem verspannt wird.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen ein Lagerdeckel für eine Einlaßnockenwelle und ein benachbarter Lagerdeckel für eine Auslaßnockenwelle einteilig in Gestalt einer Lagerbrücke ausgebildet sind. Dies verringert die Anzahl der Bauteile und zwar nicht nur durch die Tatsache, daß zwei Lagerdeckel zu einem Lagerdeckel ― nämlich der Lagerbrücke - zusammengefaßt werden, sondern auch dadurch, daß für die Befestigung einer Lagerbrücke weniger Befestigungselemente vorgesehen werden müssen als für die Befestigung zweier Deckel.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen die Nockenwellenaufnahme ein Gleitlager zur Lagerung der Nockenwelle aufweist, welches von dem Lagersattel bzw. dem Lagerdeckel aufgenommen wird. Vorteilhaft ist diese Ausführungsform insbesondere dadurch, daß sie zahlreiche vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems ermöglicht, wie weiter unten noch zu sehen sein wird. Grundsätzlich ist aber die Lagerung in einem Gleitlager qualitativ hochwertiger als die direkte Lagerung der Nockenwelle im Lagersattel oder Lagerdeckel, da Gleitlager in Aufbau und Zusammensetzung gezielt den Anforderung, die an eine Lagerung gestellt werden, angepaßt werden können. Bei Verschleiß oder Defekt des Lagers kann ein Gleitlager auf einfache Weise ausgetaucht werden, was nicht möglich ist, falls eine direkte Lagerung der Nockenwelle im Lagersattel bzw. Lagerdeckel erfolgt.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen das Gleitlager eine - im montierten Zustand - einteilig ausgebildete Gleitlagerbuchse ist. Dabei wird eine gegebenenfalls vorgeformte Platine bei der Montage der Nockenwelle im Zylinderkopf im Rahmen dieses Montagevorganges in ihre endgültige, buchsenartige Form gebracht.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen das Gleitlager zwei Gleitlagerhalbschalen umfaßt. Jeweils eine Gleitlagerhalbschale wird im Lagersattel und im Lagerdeckel angeordnet.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen di e mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut im Gleitlager vorgesehen ist. Diese Ausführungsform gestattet die Nachrüstung herkömmlicher Systeme, wie sie in der DE 197 47 244 A1 beschrieben werden, in einfacher Weise. Dabei brauchen die üblicherweise verwendeten Gleitlager lediglich durch erfindungsgemäß ausgebildete, mit einer Ringnut versehene Gleitlager ersetzt werden. Ein weiterer Grund, die Ringnuten in den Gleitlagern anzuordnen, ist, daß das Einbringen der Nuten in das Gleitlager wesentlich einfacher und kostengünstiger ist als eine entsprechende Bearbeitung der Nockenwellenaufnahme bzw. der Nockenwelle. Dabei kann die Ringnut schon bei der Fertigung des Gleitlagers in einfacher Weise dadurch berücksichtigt werden, daß die Platine, aus der das Gleitlagers geformt wird, beispielsweise im Rahmen eines Stanzprozesses mit einem Fenster versehen wird, wobei das Fenster im montierten Zustand des erfindungsgemäßen Systems die Ringnut bildet.

Aber auch bei Systemen, die auf Gleitlager verzichten und die Nockenwelle direkt in den Lagersätteln und Lagerdeckeln lagern, ist eine Nachrüstung grundsätzlich durch Nachbearbeitung der Nockenwelle oder der Lagerdeckel und Lagersättel möglich. Dabei wird entweder in die äußere Mantelfläche der Nockenwelle im Bereich des Nockenwellenverbindungskanals oder in die innere Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme d.h. in die innere Mantelfläche des Lagersattels und/oder des Lagerdeckels im Bereich der Zuleitung mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut eingearbeitet.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Systems, bei denen der Lagersattel und/oder der Lagerdeckel der Nockenwellenaufnahme einen über den gesamten Umfang verlaufenden Ringkanal aufweist bzw. aufweisen, wobei der Ringkanal ― im montierten Zustand - mit der mindestens einen segmentartig ausgebildeten Ringnut im Gleitlager in Verbindung steht.

Der über den gesamten Umfang verlaufende Ringkanal ermöglicht bei Ausführungsformen, die über mehr als eine Ringnut verfügen, die Versorgung der Ringnuten über eine gemeinsame Zuleitung. Dabei gelangt das Hydrauliköl über die Zuleitung in den Ringkanal, der das Öl auf die einzelnen Ringnuten verteilt. Ohne Ringkanal muß für jede Ringnut eine einzelne Zuleitung in der Nockenwellenaufnahme vorgesehen werden.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen die Nockenwelle einen Nocken aufweist und eine segmentartig ausgebildete Ringnut vorgesehen ist, wobei die Ringnut in Umfangrichtung einen Winkel α < 320°, bzw. einen Winkel α < 285°, insbesondere einen Winkel α < 270° überstreicht.

Die Auflaufphase des Nockens auf den Stößel umfaßt zwischen 40° und 75° Nockenwellendrehwinkel (NWW). Folglich kann sich bei kurzen Auflaufphasen die Ringnut in Umfangrichtung über einen größeren Winkel α < 320° erstrecken, wobei einerseits die Verbindung zwischen der Zuleitung und der Verstellvorrichtung während der gesamten Kompressionsphase des Ventilfederelementes unterbrochen ist und andererseits ein möglichst großes Nockenwellenwinkelfenster für die Druckölversorgung und ―beaufschlagung der Verstellvorrichtung zur Verfügung gestellt wird.

Entsprechend der Nockenkontur der verwendeten Nocken und der damit verbundenen Länge der Auflaufphase wird die Ringnut in Umfangrichtung länger oder kürzer ausgebildet. Die Winkelangaben beziehen sich dabei auf eine Ausführungsform mit einem Nocken und einer Ringnut d.h. auf die Nockenwelle einer Ein-Zylinder-Brennkraftmaschine mit einem Einlaßventil und/oder einem Auslaßventil.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen die Nockenwelle vier Nockenwellenverbindungskanäle und vier bzw. acht paarweise hinter einander liegende, jeweils um 90° auf ihrem Umfang versetzte Nocken aufweist und vier segmentartig ausgebildete Ringnuten vorgesehen sind, wobei die Ringnuten in Umfangrichtung jeweils einen Winkel α < 50° überstreichen und regelmäßig beabstandet in der äußeren Mantelfläche der Nockenwelle oder in der inneren Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme angeordnet sind. Wenn die Ringnuten dabei nicht in dem Gleitlager, sondern direkt im Lagerdeckel und Lagersattel der Nockenwellenaufnahme angeordnet sind, müssen diese Ringnuten jeweils über eine eigene Zuleitung versorgt werden, also vier Zuleitungen vorgesehen werden.

Eine Nockenwelle der beschriebenen Art mit vier Nocken kommt beispielsweise bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor zum Einsatz, bei dem jeder Zylinder über ein Einlaßventil und/oder ein Auslaßventil verfügt.

Die Ausführungen gelten aber auch für Vier-Zylinder-Reihenmotoren, bei denen jeder Zylinder mit zwei Einlaßventilen und/oder zwei Auslaßventilen ausgestattet ist. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die zu verwendende Nockenwelle dann nicht über vier, sondern über acht Nocken verfügt, die paarweise um 90° versetzt angeordnet sind, wobei jeweils die zwei Nocken eines Zylinders hinter einander liegen.

Da die Nockenwellenaufnahmen über den inneren Nockenwellenkanal miteinander verbunden sind, muß die Ölversorgungsleitung von der Verstellvorrichtung getrennt werden, sobald einer der Nocken auf den ihm zugeordneten Stößel aufläuft. Anders als bei der oben beschriebenen Ein-Zylinder-Brennkraftmaschine beinhaltet eine vollständige Umdrehung der Nockenwelle vier Auflaufphasen, so daß insgesamt viermal die Verbindung zwischen Zuleitung und Verstellvorrichtung getrennt und wieder hergestellt werden muß.

Folglich müssen zur Ausbildung einer Zwangsteuerung vier Ringnuten vorgesehen werden.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Systems, bei denen jede Ringnut in Umfangrichtung einen Winkel α < 40° bzw. einen Winkel α < 25° überstreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von vier Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 5 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1: eine Verstellvorrichtung nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
Fig. 2a: eine erste Momentaufnahme einer ersten Ausführungsform des Systems im Querschnitt,
Fig. 2b: eine zweite Momentaufnahme der in Figur 2a dargestellten ersten Ausführungsform des Systems,
Fig. 3a: eine erste Momentaufnahme einer zweiten Ausführungsform des Systems im Querschnitt,
Fig. 3b: eine zweite Momentaufnahme der in Figur 3a dargestellten zweiten Ausführungsform des Systems,
Fig. 4: eine erste Momentaufnahme einer dritten Ausführungsform des Systems im Querschnitt, und
Fig. 5: eine vierte Ausführungsform des Systems in einer perspektivischen Darstellung.

Figur 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erläutert.

Die Figuren 2a und 2b zeigen eine erste Ausführungsform des Systems 1 im Querschnitt. Das System 1 weist eine Nockenwellenaufnahme 2 auf, die zweigeteilt ist und einen Lagerdeckel 3 und einen Lagersattel 4 umfaßt. In der Nockenwellenaufnahme 2 ist die Nockenwelle 9 angeordnet und gelagert, wobei die Nockenwelle 9 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Nocken 10 aufweist.

Dargestellt ist das System 1 in Figur 2a zu Beginn der Auflaufphase des Nockens 10 auf einen Stößel 26 eines - nicht dargestellten - Ventiltriebes, wohingegen Figur 2b das System 1 nach der Auflaufphase d. h. nach Überschreiten des maximalen Ventilhubes zeigt. Es handelt sich folglich bei Figur 2a um eine Momentaufnahme, die das System 1 zu Beginn der Kompressionsphase einer Ventilfeder 27, auf der sich der Stößel 26 abstützt, zeigt. Bei Figur 2b hingegen handelt es sich um eine Momentaufnahme, die das System 1 in der Expansionsphase der Ventilfeder 27 zeigt.

In der Kompressionsphase der Ventilfeder 27 wird die Nockenwelle 9 über den Nocken 10 mit einem dynamischen Drehmoment belastet, das der eigentlichen Drehbewegung der Nockenwelle 9 entgegengerichtet ist. Um nachteilige Auswirkungen dieses dynamischen Drehmoments auf die Druckölversorgung bzw. eine - nicht dargestellte - Verstellvorrichtung zu vermeiden, wird die Verbindung zwischen Druckölversorgung und Verstellvorrichtung in der Kompressionsphase der Ventilfeder 27 d. h. in der Auflaufphase des Nockens 10 - wie in Figur 2a dargestellt - getrennt.

Hierzu verfügt das System 1 über eine segmentartig ausgebildete Ringnut 21, die in der inneren Mantelfläche 20 der Nockenwellenaufnahme 2 im Bereich der Zuleitung 5 vorgesehen ist und sich in Umfangrichtung erstreckt. Wenn sich der Nocken 10 nicht in der Auflaufphase befindet, steht die Druckölversorgung mit der Verstellvorrichtung in Verbindung. Dabei wird - wie Figur 2b zu entnehmen ist - die Verstellvorrichtung über die Zuleitung 5, die Ringnut 21, den Nockenwellenverbindungskanal 15 und den inneren Nockenwellenkanal 14, der bis zur Verstellvorrichtung führt, mit Drucköl versorgt.

Die Zuleitung 5, die in der Nockenwellenaufnahme 2 angeordnet ist, ist dabei mit der Druckölversorgung bzw. Druckölquelle verbunden. Der Nockenwellenverbindungskanal 15, der von einem inneren Nockenwellenkanal 14, der in der hohl ausgeführten Nockenwelle 9 ausgebildet ist, bis zur äußeren Mantelfläche 19 der Nockenwelle 9 führt, steht mit der segmentartigen Ringnut 21 in Verbindung. Das Drucköl gelangt durch diesen Nockenwellenverbindungskanal 15 in das Innere der Nockenwelle 9 d. h. in den inneren Nockenwellenkanal 14 und von dort aus zur Verstellvorrichtung.

Die Ringnut 21 ist in der Art ausgeführt und angeordnet, daß die Verbindung zwischen der Zuleitung 5 und der Verstellvorrichtung in der Kompressionsphase der Ventilfeder 27 d. h. in der Auflaufphase des Nockens 10 getrennt wird. Bei dem in Rede stehenden Ausführungsbeispiel wird die Druckölversorgung über einen Nockenwellendrehwinkel von etwa 65° unterbunden. Die Trennung erfolgt dadurch, daß die Verbindung zwischen Ringnut 21 und Nockenwellenverbindungskanal 15 aufgehoben wird. Während der Auflaufphase des Nockens 10 wird der Nockenwellenverbindungskanal 15 an seinem auf der äußeren Mantelfläche 19 der Nockenwelle 9 liegenden Ende durch die innere Mantelfläche 20 der Nockenwellenaufnahme 2 verschlossen.

Die Figuren 3a und 3b zeigen eine zweite Ausführungsform des Systems 1 im Querschnitt. Dargestellt ist das System 1 in Figur 3a zu Beginn der Auflaufphase des Nockens 10 auf den Stößel 26, wohingegen Figur 3b das System 1 nach Überschreiten des maximalen Ventilhubes zeigt. Es handelt sich folglich bei Figur 3a um eine Momentaufnahme, die das System 1 zu Beginn der Kompressionsphase der Ventilfeder 27 zeigt, wohingegen es sich bei Figur 2b um eine Momentaufnahme handelt, die das System 1 in der Expansionsphase der Ventilfeder 27 zeigt.

Im Gegensatz zu der in den Figuren 2a und 2b dargestellten ersten Ausführungsform des Systems 1 ist die segmentartige Ringnut 22 bei der zweiten Ausführungsform in der äußeren Mantelfläche 19 der Nockenwelle 9 im Bereich des Nockenwellenverbindungskanals 15 angeordnet. Im übrigen wird bezug genommen auf die Figuren 2a und 2b und die im Zusammenhang mit diesen Figuren gemachten Ausführungen. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.

Figur 4 zeigt eine Momentaufnahme einer dritten Ausführungsform des Systems im Querschnitt. Dargestellt ist das System 1 zu Beginn der Kompressionsphase der Ventilfeder 27.

Im Gegensatz zu den beiden ersten Ausführungsformen des Systems 1 ist die dritte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Nockenwelle 9 vier Nockenwellenverbindungskanäle 15,16,17,18 und vier jeweils um 90° auf ihrem Umfang versetzte Nocken 10,11,12,13 aufweist und andererseits die Nockenwellenaufnahme mit vier Zuleitungen 5,6,7,8 und vier Ringnuten 21,22,23,24 versehen ist. Die vier segmentartig ausgebildete Ringnuten 21,22,23,24 sind dabei in der inneren Mantelfläche 20 der Nockenwellenaufnahme 2 angeordnet, wobei die Ringnuten 21,22,23,24 jeweils einen Winkel α < 30° überstreichen und in Umfangrichtung regelmäßig beabstandet sind.

Befindet sich einer der vier Nocken 10,11,12, 13 in der Auflaufphase ist die Verbindung zwischen der Druckölversorgung bzw. den vier Zuleitungen 5,6,7,8 und der Verstellvorrichtung getrennt.

Wären die Ringnuten 21,22,23,24 in einem Gleitlager angeordnet, könnten diese Ringnuten 21,22,23,24 über eine gemeinsame Zuleitung versorgt werden, indem ein Ringkanal in der Nockenwellenaufnahme 2 ausgebildet wird, der mit der gemeinsamen Zuleitung und den Ringnuten 21,22,23,24 im Gleitlager in Verbindung steht.

Im übrigen wird bezug genommen auf die Figuren 2a,2b,3a und 3b und die im Zusammenhang mit diesen Figuren gemachten Ausführungen. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.

Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des Systems 1 in einer perspektivischen Darstellung. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagerdeckel 3a für eine Einlaßnockenwelle und ein benachbarter Lagerdeckel 3b für eine Auslaßnockenwelle einteilig in Gestalt einer Lagerbrücke 25 ausgebildet sind. Dies verringert die Anzahl der Bauteile und erhöht die Steifigkeit des gesamten Systems.

Die Lagerbrücke 25 bildet zusammen mit zwei Lagersätteln 4 zwei Nockenwellenaufnahmen 2 aus, in deren inneren Mantelflächen 20 segmentartige Ringnuten 21 vorgesehen sind, die über Zuleitungen 5 mit Drucköl versorgt werden.

Bezugszeichen

1: System
2: Nockenwellenaufnahme
3: Lagerdeckel
3a: Lagerdeckel
3b: Lagerdeckel
4: Lagersattel
5: Zuleitung
6: Zuleitung
7: Zuleitung
8: Zuleitung
9: Nockenwelle
10: Nocken
11: Nocken
12: Nocken
13: Nocken
14: innerer Nockenwellenkanal
15: Nockenwellenverbindungskanal
16: Nockenwellenverbindungskanal
17: Nockenwellenverbindungskanal
18: Nockenwellenverbindungskanal
19: äußere Mantelfläche der Nockenwelle
20: innere Mantelfläche der Nockenwellenaufnahme
21: segmentartig ausgebildete Ringnut
22: segmentartig ausgebildete Ringnut
23: segmentartig ausgebildete Ringnut
24: segmentartig ausgebildete Ringnut
25: Lagerbrücke
26: Ventilstößel
27: Ventilfeder

Stand der Technik:

100: Verstellvorrichtung
110: Riemenrad
112: Gehäusedeckel
114: erstes Zwischenelement
116: Verzahnung
118: Kolbeneinrichtung
120: erste Gegenverzahnung
122: zweite Verzahnung
124: zweites Zwischenelement
126: zweite Gegenverzahnung
128: Nockenwelle
132: Verstellkammer
134: Verstellkammer
136: Leitung
138: Leitung

Claims

System (1) aus Nockenwelle (9) mit mindestens einem Nocken (10,11,12,13) und Nockenwellenaufnahme (2) zur Versorgung einer Vorrichtung (100) zur Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine mit Drucköl, bei dem die Nockenwelle (9) in der Art hohl ausgeführt ist, daß ein innerer Nockenwellenkanal (14) ausgebildet wird und einerseits dieser innere Nockenwellenkanal (14) mit der Verstellvorrichtung (100) in Verbindung steht und andererseits mindestens ein Nockenwellenverbindungskanal (15,16,17,18) von dem inneren Nockenwellenkanal (14) zur äußeren Mantelfläche (19) der Nockenwelle (9) führt, wobei die Nockenwellenaufnahme (2) über mindestens eine Zuleitung (5,6,7,8) verfügt, die zur inneren Mantelfläche (20) der Nockenwellenaufnahme (2) führt und über den Nockenwellenverbindungskanal (15,16,17,18) und den inneren Nockenwellenkanal (14) mit der Verstellvorrichtung (100) verbindbar ist und der Versorgung der Verstellvorrichtung (100) mit Hydrauliköl dient,
dadurch gekennzeichnet, daß
entweder in der äußeren Mantelfläche (19) der Nockenwelle (9) im Bereich des Nockenwellenverbindungskanals (15,16,17,18) oder in der inneren Mantelfläche (20) der Nockenwellenaufnahme (2) im Bereich der mindestens einen Zuleitung (5,6,7,8) mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut (21,22,23,24) vorgesehen ist, wobei die mindestens eine segmentartige Ringnut (21,22,23,24) in der Art ausgeführt und angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen der Zuleitung (5,6,7,8) und der Verstellvorrichtung (100) in der Kompressionsphase eines durch den mindestens einen Nocken (10,11,12,13) der Nockenwelle (9) komprimierten Ventilfederelementes (27) eines über die Nockenwelle (9) betätigten Ventiltriebs unterbrochen ist.
System (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nockenwellenaufnahme (2) zweigeteilt ist und einen im Zylinderkopf angeordneten Lagersattel (4) und einen - im montierten Zustand - auf diesem Lagersattel (4) angeordneten Lagerdeckel (3) umfaßt.
System (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Lagerdeckel (3) für eine Einlaßnockenwelle und ein benachbarter Lagerdeckel (3) für eine Auslaßnockenwelle einteilig in Gestalt einer Lagerbrücke (25) ausgebildet sind.
System (1) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nockenwellenaufnahme (2) ein Gleitlager zur Lagerung der Nockenwelle (9) aufweist, welches von dem Lagersattel (4) bzw. dem Lagerdeckel (3) aufgenommen wird.
System (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gleitlager eine - im montierten Zustand - einteilig ausgebildete Gleitlagerbuchse ist.
System (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gleitlager zwei Gleitlagerhalbschalen umfaßt.
System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens eine segmentartig ausgebildete Ringnut (21,22,23,24) im Gleitlager vorgesehen ist.
System (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lagersattel (4) und/oder der Lagerdeckel (3) der Nockenwellenaufnahme (2) einen über den gesamten Umfang verlaufenden Ringkanal aufweist bzw. aufweisen, wobei der Ringkanal ― im montierten Zustand - mit der mindestens einen segmentartig ausgebildeten Ringnut (21,22,23,24) im Gleitlager in Verbindung steht.
System (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nockenwelle (9) einen Nocken (10) aufweist und eine segmentartig ausgebildete Ringnut (21) vorgesehen ist, wobei die Ringnut (21) in Umfangrichtung einen Winkel α < 320° überstreicht.
System (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ringnut (21) in Umfangrichtung einen Winkel α < 285° überstreicht.
System (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ringnut (21) in Umfangrichtung einen Winkel α < 270° überstreicht.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nockenwelle (9) vier Nockenwellenverbindungskanäle (15,16,17,18) und vier bzw. acht paarweise hinter einander liegende, jeweils um 90° auf ihrem Umfang versetzte Nocken (10,11,12,13) aufweist und vier segmentartig ausgebildete Ringnuten (21,22,23,24) vorgesehen sind, wobei die Ringnuten (21,22,23,24) in Umfangrichtung jeweils einen Winkel α < 50° überstreichen, regelmäßig beabstandet in der äußeren Mantelfläche (19) der Nockenwelle (9) oder in der inneren Mantelfläche (20) der Nockenwellenaufnahme (2) angeordnet sind.
System (1) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ringnuten (21,22,23,24) in Umfangrichtung einen Winkel α < 40° überstreichen.
System (1) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ringnuten (21,22,23,24) in Umfangrichtung einen Winkel α < 25° überstreichen.