EP1825106B1

EP1825106B1 - Steuerventil

Info

Publication number: EP1825106B1
Application number: EP05803918A
Authority: EP
Inventors: Jens Hoppe; Martin Stief; Markus Kinscher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: CN101072927B; DE102004058767A1; KR20070085766A; EP1825106A1; KR101239610B1; JP4982868B2; JP2008523294A; WO2006061071A1; CN101072927A; US20080245324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil (101) zur Steuerung einer hydraulischen Vorrichtung (1) zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuerventil (101) in einer Ventilaufnahme 106 aufgenommen ist und an dessen axialem Ende ein elastisches Dichtelement (124) vorgesehen ist. Der Einsatz des elastischen Dichtelements (124) verhindert funktionssicher Leckageströme zwischen den Druckmittelkanälen (113) und den Druckmittelkanälen (113) und dem Ablaufanschluss (T). Weiterhin ist ein als Dichtring ausgeführtes elastisches Dichtelement (124) mit zwei konischen Bereichen (129, 131) vorgeschlagen.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine steuerventilanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Steuerung des Zu- und Abflusses von Druckmittel zu einer Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine .

Hintergrund der Erfindung

In Brennkraftmaschinen werden zur Betätigung der Gaswechselventile Nockenwellen eingesetzt. Nockenwellen sind in der Brennkraftmaschine derart angebracht, dass auf ihnen angebrachte Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebeln, anliegen. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgern ab, die wiederum die Gaswechselventile betätigen. Durch die Lage und die Form der Nocken sind somit sowohl die Öffnungsdauer als auch die Öffnungsamplitude aber auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile festgelegt.
Moderne Motorkonzepte gehen dahin, den Ventiltrieb variabel auszulegen. Einerseits sollen Ventilhub und Ventilöffnungsdauer variabel gestaltbar sein, bis hin zur kompletten Abschaltung einzelner Zylinder. Dafür sind Konzepte wie schaltbare Nockenfolger oder elektrohydraulische oder elektrische Ventilbetätigungen vorgesehen. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Einfluss auf die Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile nehmen zu können. Dabei ist es insbesondere wünschenswert auf die Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Einlass- bzw. Auslassventile getrennt Einfluss nehmen zu können, um beispielsweise gezielt eine definierte Ventilüberschneidung einzustellen. Durch die Einstellung der Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Gaswechselventile in Abhängigkeit vom aktuellen Kennfeldbereich des Motors, beispielsweise von der aktuellen Drehzahl bzw. der aktuellen Last, können der spezifische Treibstoffverbrauch gesenkt, das Abgasverhalten positiv beeinflusst, der Motorwirkungsgrad, das Maximaldrehmoment und die Maximalleistung erhöht werden.
Die beschriebene Variabilität der Gaswechselventilsteuerzeiten wird durch eine relative Änderung der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle erreicht. Dabei steht die Nockenwelle meist über einen Ketten-, Riemen-, Zahnradtrieb oder gleichwirkende Antriebskonzepte in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle. Zwischen dem von der Kurbelwelle angetriebenen Ketten-, Riemen- oder Zahnradtrieb und der Nockenwelle ist eine Vorrichtung zur Änderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine, im folgenden auch Nockenwellenversteller genannt, angebracht, die das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle überträgt. Dabei ist diese Vorrichtung derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Phasenlage zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle sicher gehalten und, wenn gewünscht, die Nockenwelle in einem gewissen Winkelbereich gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden kann.
In Brennkraftmaschinen mit je einer Nockenwelle für die Einlass- und die Auslassventile können diese mit je einem Nockenwellenversteller ausgerüstet werden. Dadurch können die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlass- und Auslassgaswechselventile zeitlich relativ zueinander verschoben und die Ventilüberschneidungen gezielt eingestellt werden.
Der Sitz moderner Nockenwellenversteller befindet sich meist am antriebsseitigen Ende der Nockenwelle. Der Nockenwellenversteller kann aber auch auf einer Zwischenwelle, einem nicht rotierenden Bauteil oder der Kurbelwelle angeordnet sein. Er besteht aus einem von der Kurbelwelle angetriebenen, eine feste Phasenbeziehung zu dieser haltenden Antriebsrad, einem in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle stehenden Abtriebsteil und einem das Drehmoment vom Antriebsrad auf das Abtriebsteil übertragenden Verstellmechanismus. Das Antriebsrad kann im Fall eines nicht an der Kurbelwelle angeordneten Nockenwellenverstellers als Ketten-, Riemen- oder Zahnrad ausgeführt sein und wird mittels eines Ketten-, eines Riemen- oder eines Zahnradtriebs von der Kurbelwelle angetrieben. Der Verstellmechanismus kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen hydraulisch verstellbarer Nockenwellenverstellern stellen die sogenannten Axialkolbenversteller und Rotationskolbenversteller dar.
Bei den Axialkolbenverstellern steht das Antriebsrad mit einem Kolben und dieser mit dem Abtriebsteil jeweils über Schrägverzahnungen in Verbindung. Der Kolben trennt einen durch das Abtriebsteil und das Antriebsrad gebildeten Hohlraum in zwei axial zueinander angeordnete Druckkammern. Wird nun die eine Druckkammer mit Druckmittel beaufschlagt, während die andere Druckkammer mit einem Tank verbunden wird, so verschiebt sich der Kolben in axialer Richtung. Die axiale Verschiebung des Kolbens wird durch die Schrägverzahnungen in eine relative Verdrehung des Antriebsrades zum Abtriebsteil und damit der Nockenwelle zur Kurbelwelle übersetzt.
Eine zweite Ausführungsform hydraulischer Nockenwellenversteller sind die sogenannten Rotationskolbenversteller. In diesen ist das Antriebsrad drehfest mit einem Stator verbunden. Der Stator und ein Rotor sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Rotor kraft-, form- oder stoffschlüssig, beispielsweise mittels eines Presssitzes, einer Schraub- oder Schweißverbindung mit einer Nockenwelle, einer Verlängerung der Nockenwelle oder einer Zwischenwelle verbunden ist. Im Stator sind mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete Hohlräume ausgebildet, die sich ausgehend vom Rotor radial nach außen erstrecken. Die Hohlräume sind in axialer Richtung durch Seitendeckel druckdicht begrenzt. In jeden dieser Hohlräume erstreckt sich ein mit dem Rotor verbundener Flügel, der jeden Hohlraum in zwei Druckkammern teilt. Durch gezieltes Verbinden der einzelnen Druckkammern mit einer Druckmittelpumpe bzw. mit einem Tank kann die Phase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle eingestellt bzw. gehalten werden.
Zur Steuerung des Nockenwellenverstellers erfassen Sensoren die Kenndaten des Motors wie beispielsweise den Lastzustand und die Drehzahl. Diese Daten werden einer elektronischen Kontrolleinheit zugeführt, die nach Vergleich der Daten mit einem Kenndatenfeld der Brennkraftmaschine einen Sollwert des relativen Phasenwinkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ermittelt. Über Sensoren, beispielsweise Hallsensoren, wird der Istwert des Phasenwinkels und eine Abweichung des Ist-Werts vom Sollwert ermittelt. Anschließend wird ein Steuerbefehl an eine Stelleinheit des Steuerventils geleitet, das Zu- und den Abfluss von Druckmittel zu den verschiedenen Druckkammern und damit die Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle steuert.
Um die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu verstellen wird in hydraulischen Nockenwellenverstellern eine der zwei gegeneinander wirkenden Druckkammern eines Hohlraums mit einer Druckmittelpumpe und die andere mit dem Tank verbunden. Der Zulauf von Druckmittel zur einen Kammer in Verbindung mit dem Ablauf von Druckmittel von der anderen Kammer verschiebt den die Druckkammern trennenden Kolben in axiale Richtung, wodurch in Axialkolbenverstellern über die Schrägverzahnungen die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verdreht wird. In Rotationskolbenverstellern wird durch die Druckbeaufschlagung der einen Kammer und die Druckentlastung der anderen Kammer eine Verschiebung des Flügels und damit direkt eine Verdrehung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirkt. Um die Phasenlage zu halten werden beide Druckkammern entweder mit der Druckmittelpumpe verbunden oder sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Tank getrennt.
Die Steuerung der Druckmittelströme zu bzw. von den Druckkammern erfolgt mittels eines Steuerventils, meist ein 4/3-Proportionalventil. Ein Ventilgehäuse ist mit je einem Anschluss für die Druckkammern (Arbeitsanschluss), einem Anschluss zur Druckmittelpumpe und mindestens einem Anschluss zu einem Tank versehen. Innerhalb des im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben angeordnet. Der Steuerkolben kann mittels einer Stelleinheit, beispielsweise einer elektromagnetischen oder hydraulischen Stelleinheit, entgegen der Federkraft eines Federelements axial in jede Position zwischen zwei definierte Endstellungen gebracht werden. Der Steuerkolben ist weiterhin mit Ringnuten und Steuerkanten versehen, wodurch die einzelnen Druckkammern wahlweise mit der Druckmittelpumpe oder dem Tank verbunden werden können. Ebenso kann eine Stellung des Steuerkolbens vorgesehen sein, in der die Druckmittelkammern sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Druckmitteltank getrennt sind.
Derartige Steuerventile können als Zentralventil oder als Einsteckventil ausgeführt sein. Im Falle eines Zentralventils ist dieser innerhalb der Nockenwelle oder einer Verlängerung der Nockenwelle im Bereich des Nockenwellenverstellers angeordnet. Im Falle eines Einsteckventils ist eine Umgebungskonstruktion der Brennkraftmaschine mit einer Ventilaufnahme versehen, in die das Steuerventil eingesteckt wird. In der Mantelfläche der meist als Bohrung ausgeführten Ventilaufnahme sind Druckmittelleitungen ausgebildet, welche mit den Druckmittelanschlüssen des Steuerventils kommunizieren. Eine derartige Umgebungskonstruktion kann beispielsweise ein Zylinderkopf oder ein Zylinderkopfdeckel sein.
In der DE 102 23 431 B4 ist eine derartige Vorrichtung mit einem Steuerventil in Einsteckausführung dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einer nockenwellenfesten Abtriebseinheit, einer von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebseinheit und zwei Seitendeckeln. Die Antriebseinheit ist koaxial zur Abtriebseinheit angeordnet und mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Ausnehmungen versehen. Die Ausnehmungen werden von der Antriebseinheit, der Abtriebseinheit und den Seitendeckeln druckdicht verschlossen und bilden somit Druckräume aus. In jeden Druckraum erstreckt sich ein Flügel, wobei jeder Flügel in einer an der Abtriebseinheit ausgebildeten Flügelnut angeordnet ist. Jeder Flügel unterteilt einen Druckraum in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern. Die Druckkammern kommunizieren über in einen Nockenwelle eingebrachte Druckmittelleitungen mittels Drehdurchführungen mit in einem Zylinderkopf bzw. einen Zylinderkopfdeckel eingebrachten weiteren Druckmittelleitungen.
Die weiteren Druckmittelleitungen können mittels eines Steuerventils, in diesem Fall einem 4/3-Wegeventil, wahlweise mit einem Druckmittelreservoir oder einer Druckmittelpumpe verbunden werden. Das Steuerventil besteht aus einer Stelleinheit und einem Ventilkörper. Der Ventilkörper wird von einer Adapterhülse umgeben, wobei diese in einer Bohrung eines Zylinderkopfdeckels angeordnet ist. In der Adapterhülse sind drei axial und in Umfangsrichtung zueinander beabstandete Radialöffnungen eingebracht, welche als Druckmittelanschlüsse dienen. Ein vierter Druckmittelanschluss ist in axialer Richtung an der von der Stelleinheit abgewandten Stirnseite des Ventilkörpers ausgebildet. Jede Radialöffnung ist über jeweils einen Steigkanal mit einer Druckmittelleitung verbunden. Druckmittel gelangt über eine Druckmittelleitung zu der in axialer Richtung mittleren Radialöffnung, von dort in das Innere der Hülse wobei der Druckmittelfluss abhängig von der Steuerstellung des Steuerventils zu einer der beiden anderen Radialöffnungen geleitet wird. Von dort gelangt das Druckmittel über eine weitere Steigleitung zu einer Druckmittelleitung, welche mit einer der Drehdurchführungen und im Weiteren mit einer ersten Gruppe von Druckkammern kommuniziert.
In analoger Weise gelangt Druckmittel von einer zweiten Gruppe von Druckkammern über die Drehdurchführung und Druckmittelleitungen zu einer weiteren Steigleitung, welche in die dritte Radialöffnung mündet. Von dort gelangt das Druckmittel über das Steuerventil zu dem axialen Ablaufanschluss. Die Steigleitungen sind als in die Bohrung im Zylinderkopfdeckel ausgebildetem, zur Adapterhülse offenen Nuten ausgebildet. Weiterhin sind die Steigleitungen gegeneinander dadurch abgedichtet, dass der Außendurchmesser der Adapterhülse dem Innendurchmesser der Bohrung angepasst ist. Die mit den Steigleitungen kommunizierenden Druckmittelleitungen sind in dieser Ausführungsform als in den Zylinderkopfdeckel eingebrachte, zum Zylinderkopf offene Nuten ausgebildet. Um ein Abfließen des aus den Druckkammern verdrängten Druckmittels zu ermöglichen ist der Zylinderkopf mit einer zu der im Zylinderkopfdeckel ausgebildeten Bohrung koaxialen Abflussbohrung versehen.
Um Leckage zwischen den Steigleitungen und der Abflussbohrung zu vermeiden, sind die Innendurchmesser der Bohrung und der Abflussbohrung identisch und die Adapterhülse erstreckt sich zumindest teilweise in die Adapterbohrung. Die Adapterhülse liegt nun dichtend an der Mantelfläche der Abflussbohrung an, wodurch ein Abfließen des Druckmittels von den Steigleitungen über die Abflussbohrung in das Innere des Zylinderkopfs verhindert wird. Geringer Versatz der Bohrungen bewirkt Beschädigung der Adapterhülse während der Montage, was zum Verlust der Dichtwirkung zwischen den Bauteilen führen kann.
Die Ventilaufnahmen stehen über geradlinig verlaufende, horizontale Querkanäle an der Unterseite des Zylinderkopfdeckels mit dem Druckanschluss in Fluidverbindung.
Um die Dichtfunktion zwischen den Steigkanälen und der Ablaufbohrung zu gewährleisten ist eine genaue koaxiale Ausrichtung der Bohrung zur Ablaufbohrung und ein exaktes Anpassen des Adapterhülsendurchmessers an den Innendurchmesser der Ablaufbohrung nötig. Dies ist aufgrund der im Fertigungsprozess der einzelnen Bauteile unweigerlich auftretenden Toleranzen nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Die US-A-3 921 660 offenbart ein Dreiwege / Zweistellungsventil, bei dem ein Druckanschluss in einer ersten Schaltstellung und ein Abflussanschluss in einer zweiten Schaltstellung geöffnet sind. Zur Vermeidung von Leckagen zwischen Druck- und Ablaufkanal bei Ventilzwischenstellungen fungieren Teile des Ventils als Buchsenventil. Eine vergleichbare Anordnung ist auch aus der US-A-4 887 643 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein Dichtkonzept für ein Steuerventil vorzuschlagen, welches unanfällig gegenüber in dem System auftretenden Toleranzen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine
Steuerventilanordung gemäβ Anspruch 1 gelöst.
Ein Steuerventil zur Steuerung des Zu- und Abflusses von Druckmittel zu einer Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine besteht unter anderem aus einem im Wesentlichen zylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse, an dem Druckmittelanschlüsse ausgebildet sind und einem innerhalb des Ventilgehäuses angeordneten, axial verschiebbaren Steuerkolben. Dabei ist abhängig von der Stellung des Steuerkolbens eine Verbindung zwischen den verschiedenen Druckmittelanschlüssen herstell- bzw. trennbar. Das Ventilgehäuse ist innerhalb einer Ventilaufnahme angeordnet, wobei die Einstecktiefe des Ventilgehäuses in die Ventilaufnahme durch einen in der Ventilaufnahme ausgebildeten Axialanschlag begrenzt ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein derartiges Steuerventil besteht aus einem zylindrischen Ventilgehäuse und einem in dem Ventilgehäuse axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben. Das Ventilgehäuse ist mit Radialöffnungen versehen, die als Druckmittelanschlüsse dienen. Mittels einer Stelleinheit kann der Steuerkolben innerhalb des Ventilgehäuses in eine beliebige Stellung zwischen zwei Endanschlägen gebracht werden. Dabei verbindet bzw. trennt der Steuerkolben abhängig von der relativen Stellung zum Ventilgehäuse verschiedene Druckmittelanschlüsse. Der Steuerkolben kann in direktem Kontakt mit dem Ventilgehäuse stehen. Eine weitere Möglichkeit besteht, wie in der DE 102 23 431 dargestellt, darin zwischen dem Ventilgehäuse und dem Steuerkolben eine hohl ausgeführte Steuerhülse vorzusehen. Der Innendurchmesser der Steuerhülse ist dem Außendurchmesser des Steuerkolbens und der Außendurchmesser der Steuerhülse ist dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses angepasst. Weiterhin ist die Außenmantelfläche der Steuerhülse mit mehreren Ringnuten versehen, die einerseits mit den Druckmittelanschlüssen und andererseits über Radialöffnungen mit dem Inneren der Steuerhülse kommunizieren. Durch axiales Verschieben des Steuerkolbens können Verbindungen zwischen den Ringnuten, und damit den Druckmittelanschlüssen, und gegebenenfalls mit einem axialen Druckmittelanschluss hergestellt oder getrennt werden.
Derartige Steuerventile sind in Ventilaufnahmen angeordnet, in denen Druckmittelkanäle ausgebildet sind, die mit den Druckmittelanschlüssen kommunizieren. Über die Druckmittelkanäle werden die Druckkammern des Nockenwellenverstellers wahlweise mit einer Druckmittelpumpe oder einem Druckmittelreservoir verbunden. Derartige Ventilaufnahmen können beispielsweise in einem Zylinderkopf oder einem Zylinderkopfdeckel ausgebildet sein. In diesem Fall spricht man von einem Einsteckventil. Eine weitere Möglichkeit ist das Steuerventil als Zentralventil zu nutzen. In diesem Fall ist es in einer Ventilaufnahme in der Nockenwelle angeordnet und rotiert während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit der Nockenwelle.
In beiden Fällen ist die Ventilaufnahme als zylindrische Bohrung ausgeführt. Der Außendurchmesser des Ventilgehäuses ist dem Innendurchmesser der Bohrung angepasst, wodurch die Druckmittelanschlüsse gegeneinander abgedichtet sind. Innerhalb der Bohrung ist ein Axialanschlag für das Ventilgehäuse vorgesehen. Der Axialanschlag kann als eine die Bohrung begrenzende Wand ausgeführt sein. Ebenso denkbar ist eine Durchmesserverengung der Bohrung. In diesem Fall ist die Bohrung im Querschnitt stufenförmig ausgebildet, wodurch ein Ringabschnitt ausgebildet wird, der als Axialanschlag für das Ventilgehäuse dient. Weiterhin ist zwischen dem Axialanschlag und dem Ventilgehäuse ein Dichtring vorgesehen, der Leckageströme in axialer Richtung verhindert.
Durch diesen Ansatz wird die in der DE 102 23 431 beschriebene radiale Ringdichtstelle in die axiale Richtung verlegt, wodurch die Auswirkungen durch Toleranzen in den Abmessungen des Steuerventils unkritischer werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das axialanschlagsseitige Stirnende des Ventilgehäuses mit einem im Außendurchmesser verringerten Bereich ausgebildet ist, wobei das Dichtelement zumindest teilweise in dem im Außendurchmesser verringerten Bereich angeordnet ist. Weiterhin ist das Dichtelement als Dichtring mit einer Außen- und einer Innenmantelfläche ausgeführt.
Der im Außendurchmesser verringerte Bereich erleichtert die Montage des Dichtelements und des Steuerventil in der Ventilaufnahme. Der Innendurchmesser des als Dichtring ausgeführten Dichtelements ist dem Außendurchmesser des im Außendurchmesser verringerten Bereichs angepasst. Der Dichtring wird in diesem Bereich auf das Steuerventil aufgesteckt und mit ihm zusammen in der Ventilaufnahme positioniert. Somit wird, auf Grund der Führung und Zentrierung, die das Dichtelement mittels des Steuerventils erfährt, eine Fehlmontage vermieden und die Dichtwirkung prozesssicher hergestellt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement aus einem Elastomer besteht. Der Dichtring liegt im Falle eines Ventilgehäuses mit einem im Außendurchmesser verringerten Bereich am axialanschlagseitigen Ende an der äußeren Mantelfläche dieses Bereichs an. Weiterhin wird er in axialer Richtung vom Ventilgehäuse und dem Axialanschlag eingespannt. Während der Montage wird der Dichtring vom Ventilgehäuse gegen den Axialanschlag gepresst. Dabei verformt sich dieser elastisch, wobei eine Verformung radial nach innen durch das Ventilgehäuse verhindert wird. Die elastische Verformung erhält so eine "Vorzugsrichtung", nämlich radial nach außen, gegen die Innenmantelfläche der Ventilaufnahme. Dadurch wird die Dichtwirkung erhöht bzw. deutlich früher erreicht. Ein weiterer Vorteil in der Benutzung eines elastischen Dichtrings ist darin zu sehen, dass durch dessen Verformbarkeit Axialtoleranzen ausgeglichen werden können.
Das Elastomer kann beispielsweise ein Flour-Kautschuk oder ein Acrylnitril-Butadien Kautschuk sein. Diese Materialien sind auf Grund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungseinflüssen in Brennkraftmaschinen, wie hohen Temperaturen, und im Kontakt mit Motoröl, sehr gut geeignet.
Gemäß der Erfindung setzt sich die Ventilaufnahme aus einer ersten und einer zweiten Bohrungen zusammen, wobei die Bohrungen in unterschiedlichen Umgebungskonstruktionen ausgebildet, zumindest annähernd koaxial angeordnet und aneinander anschließend ausgeführt sind. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist die in der DE 102 23 431 dargestellte Ventilaufnahme. In einem Zylinderkopf und einem Zylinderkopfdeckel ist jeweils eine Bohrung ausgeführt. Die beiden Bohrungen sind derart angeordnet, dass sie zumindest annähernd koaxial zueinander stehen, wenn der Zylinderkopfdeckel auf dem Zylinderkopf montiert ist.
Der Axialanschlag ist an der Grenzfläche der beiden Umgebungskonstruktionen ausgebildet.
Der Innendurchmesser der zweiten Bohrung ist geringer ausgeführt, als der der ersten Bohrung. An der Grenzfläche zwischen den beiden Bohrungen ist also eine Stufe ausgebildet. Der Vorteil dieser Variante liegt in den geringen Herstellungskosten, da die Stufe durch das Aneinanderreihen von zwei Bohrungen unterschiedlichen Innendurchmessers realisiert wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Axialanschlag derart angeordnet und das Dichtelement derart ausgebildet ist, dass das Dichtelement an der Grenzfläche der beiden Umgebungskonstruktionen an der Ventilaufnahme anliegt. Eventuell vorhandene Leckagewege, hervorgerufen durch von der rechtwinkligen Form abweichenden Kanten, werden so durch die elastische Verformung des Dichtelements zuverlässig versperrt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Übergangsbereich des Ventilgehäuses zum durchmesserverringerten Bereich zumindest teilweise konisch ausgeführt. Weiterhin ist das Dichtelement an dessen Innenmantelfläche mit einem ersten konischen Bereich versehen, wobei dieser dem Übergangsbereich des Ventilgehäuses angepasst ist.
Das Ventilgehäuse besteht aus einem ersten und einem zweiten zylindrischen Bereich. Der erste zylindrische Bereich liegt dichtend an der Innenwandung der ersten Bohrung an. Bei dem zweiten Bereich handelt es sich um den im Außendurchmesser verringerten Bereich. Am Übergang vom ersten zum zweiten Bereich ist ein konischer Übergangsbereich ausgebildet. Dabei kann die gesamte
Durchmesserverringerung mittels des konischen Bereichs überbrückt werden. Ebenso denkbar ist, dass ausgehend vom ersten Bereich das Ventilgehäuse stufenartig radial nach innen verläuft, bevor es in den konischen Bereich ühergeht, der in dem im Außendurchmesser verringerten Bereich ausläuft. Der Dichtring ist in diesem Übergangsbereich angeordnet, wobei dessen am Ventilgehäuse anliegende Kontur der Kontur des Ventilgehäuse, insbesondere des konischen Bereichs, angepasst ist. Während der Montage des Steuerventils in der Ventilaufnahme übt das Ventilgehäuse eine Kraft auf den Dichtring aus. Aufgrund der nicht parallel zum Axialanschlag laufenden Druckfläche wird der Dichtring sowohl in axialer als auch in radialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt. Als Folge wird eine bessere Dichtwirkung in radialer Richtung erzielt.
In einer Vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenmantelfläche des Dichtelements an dem am Axialanschlag anliegenden Stirnende mit einem zweiten konischen Bereich versehen ist, so dass ein ringförmiger Hohlraum zwischen dem Dichtelement und dem Axialanschlag entsteht. Müssen beispielsweise größere Axialtoleranzen ausgeglichen und somit das Ventil weiter innerhalb der Ventilaufnahme positioniert werden, so kann der Dichtring unter Beibehaltung seiner Dichtfunktion in den Hohlraum ausweichen. Größere Fertigungstoleranzen könne ausgeglichen und damit Kosten eingespart werden.
Weiterhin wird ein Dichtelement in Form eines Dichtrings zur Abdichtung eines axialen Stirnendes eines Steuerventils einer Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen mit einer Innenmantelfläche und einer Außenmantelfläche vorgeschlagen. Die innen- und die Außenmantelfläche ist an jeweils einer derer Ringkanten mit einem konischen Bereich versehen. Dabei sind die zwei konischen Bereiche an in axialer Richtung zueinander versetzten Ringkanten des Dichtrings ausgebildet. Einer der konischen Bereiche ist zur Anlage an einem konischen Bereich eines Bauteils vorgesehen, das der Dichtring gegen ein zweites Bauteil abdichten soll. Dabei ist speziell an eine dichtende Montage eines Bauteils innerhalb einer Bohrung gedacht, wobei der Dichtring mit einer axial gerichteten Kraft beaufschlagt wird. Die konische Anpressfläche des Bauteils übersetzt die axial gerichtete Kraft in eine radiale und eine axiale Kraftkomponente, wodurch der Dichtring in radialer Richtung verformt und so die Dichtwirkung erhöht wird. Durch die konische Ausbildung einer weiteren Ringkante wird ein ringförmiger Hohlraum vorgehalten, in den der Dichtring unter Krafteinwirkung ausweichen kann. Durch diesen Hohlraum können somit große Axialtoleranzen ausgeglichen werden, ohne die Dichtwirkung zu beeinträchtigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1: einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit Druckmittelkreislauf,
Figur 2: einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie II-II,
Figur 3: einen Längsschnitt durch ein in einer Ventilaufnahme montiertes Steuerventil gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Dichtkon- zepts,
Figur 4: einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV aus Figur 3,
Figur 5: einen Längsschnitt durch ein in einer Ventilaufnahme montiertes Steuerventil gemäß eines zweiten erfindungsgemäßen Dichtkon- zepts,
Figur 6: einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI aus Figur 5,
Figur 7: einen Längsschnitt durch einen Dichtring,
Figur 8: einen Querschnitt entlang Linie VIII-VIII der Figur 7.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 1 zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Stator 2 und einem konzentrisch dazu angeordneten Rotor 3. Ein Antriebsrad 4 ist drehfest mit dem Stator 2 verbunden und in der dargestellten Ausführungsform als Kettenrad ausgebildet. Ebenso denkbar sind Ausführungsformen des Antriebsrads 4 als Riemen oder Zahnrad. Der Stator 2 ist drehbar auf dem Rotor 3 gelagert, wobei an der Innenmantelfläche des Stators 2 in der dargestellten Ausführungsform fünf in Umfangsrichtung beabstandete Ausnehmungen 5 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 5 werden in radialer Richtung vom Stator 2 und dem Rotor 3, in Umfangsrichtung von zwei Seitenwänden 6 des Stators 2 und in axialer Richtung durch einen ersten und einen zweiten Seitendeckel 7, 8 begrenzt. Jede der Ausnehmungen 5 ist auf diese Weise druckdicht verschlossen. Der erste und der zweite Seitendeckel 7, 8 sind mit dem Stator 2 mittels Verbindungselementen 9, beispielsweise Schrauben, verbunden.
An der Außenmantelfläche des Rotors 3 sind axial verlaufende Flügelnuten 10 ausgebildet, wobei in jeder Flügelnut 10 ein sich radial erstreckender Flügel 11 angeordnet ist. In jede Ausnehmung 5 erstreckt sich, ausgehend von der jeweiligen Flügelnut 10, ein Flügel 11, wobei die Flügel 11 in radialer Richtung am Stator 2 und in axialer Richtung an den Seitendeckeln 7, 8 anliegen. Jeder Flügel 11 unterteilt eine Ausnehmung 5 in zwei gegeneinander arbeitende Druckkammern 12, 13. Um ein druckdichtes Anliegen der Flügel 11 am Stator 2 zu gewährleisten, sind zwischen den Nutgründen 14 der Flügelnuten 10 und den Flügeln 11 Blattfederelemente 15 angebracht, die den Flügel 11 in radialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagen.
Mittels ersten und zweiten Druckmittelleitungen 16, 17 können die ersten und zweiten Druckkammern 12, 13 über ein Steuerventil 18 mit einer Druckmittelpumpe 19 oder einem Tank 20 verbunden werden. Dadurch wird ein Stellantrieb ausgebildet, der eine Relatiwerdrehung des Stators 2 gegenüber dem Rotor 3 ermöglicht. Dabei ist vorgesehen, dass entweder alle ersten Druckkammern 12 mit der Druckmittelpumpe 19 und alle zweiten Druckkammern 13 mit dem Tank 20 verbunden werden bzw. die genau entgegen gesetzte Konfiguration. Werden die ersten Druckkammern 12 mit der Druckmittelpumpe 19 und die zweiten Druckkammern 13 mit dem Tank 20 verbunden, so dehnen sich die ersten Druckkammern 12 auf Kosten der zweiten Druckkammern 13 aus. Daraus resultiert eine Verschiebung der Flügel 11 in Umfangsrichtung, in der durch den Pfeil 21 dargestellten Richtung. Durch das Verschieben der Flügel 11 wird der Rotor 3 relativ zum Stator 2 verdreht.
Der Stator 2 wird in der dargestellten Ausführungsform mittels eines an seinem Antriebsrad 4 angreifenden, nicht dargestellten Kettentriebs von der Kurbelwelle angetrieben. Ebenso denkbar ist der Antrieb des Stators 2 mittels eines Riemen- oder Zahnradtriebs. Der Rotor 3 ist kraft-, form- oder stoffschlüssig, beispielsweise mittels Presssitz oder durch eine Schraubverbindung mittels einer Zentralschraube, mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verbunden. Aus der Relatiwerdrehung des Rotors 3 relativ zum Stator 2, als Folge des Zu- bzw. Ableitens von Druckmittel zu bzw, aus den Druckkammern 12, 13, resultiert eine Phasenverschiebung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle. Durch gezieltes Ein- bzw. Ableiten von Druckmittel in die Druckkammern 12, 13 können somit die Steuerzeiten der Gaswechselventile der Brennkraftmaschine gezielt variiert werden.
Die Druckmittelleitungen 16, 17 sind in der dargestellten Ausführungsform als Kanäle innerhalb des Rotors 3 ausgeführt, die sich von einer Zentralbohrung 22 des Rotors 3 zur dessen äußerer Mantelfläche erstrecken. Innerhalb der Zentralbohrung 22 kann ein nicht dargestelltes Zentralventil angeordnet sein, über welches die Druckkammern 12, 13 gezielt mit der Druckmittelpumpe 19 bzw. dem Tank 20 verbunden werden können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, innerhalb der Zentralbohrung 22 einen Druckmittelverteiler anzuordnen, der die Druckmittelleitungen 16, 17 über Druckmittelkanäle und Ringnuten mit Druckmittelanschlüssen A, B, P ,T eines extern angebrachten Steuerventils 18 verbindet.
Die im Wesentlichen radial verlaufenden Seitenwände 6 der Ausnehmungen 5 sind mit Ausformungen 23 versehen, die in Umfangsrichtung in die Ausnehmungen 5 hineinreichen. Die Ausformungen 23 dienen als Anschlag für die Flügel 11 und gewährleisten, dass die Druckkammern 12, 13 mit Druckmittel versorgt werden können, selbst wenn der Rotor 3 eine seiner beiden Extremstellungen relativ zum Stator 2 einnimmt, in denen die Flügel 11 an einer der Seitenwände 6 anliegen.
Bei ungenügender Druckmittelversorgung der Vorrichtung 1, beispielsweise während der Startphase der Brennkraftmaschine, wird der Rotor 3 aufgrund der Wechsel- und Schleppmomente, die die Nockenwelle auf diesen ausübt unkontrolliert relativ zum Stator 2 bewegt. In einer ersten Phase drängen die Reaktionsdrehmomente der Nockenwelle den Rotor 3 relativ zum Stator 2 in eine Umfangsrichtung, die entgegengesetzt zur Drehrichtung des Stators 2 liegt, bis diese an den Seitenwänden 6 anschlagen. Im Folgenden führen die Wechselmomente, die die Nockenwelle auf den Rotor 3 ausübt zu einem Hin- und Herschwingen des Rotors 3 und damit der Flügel 11 in den Ausnehmungen 5, bis zumindest eine der Druckkammern 12, 13 vollständig mit Druckmittel befüllt ist. Dies führt zu höherem Verschleiß und zu Geräuschentwicklungen in der Vorrichtung 1. Um dies zu verhindern ist in der Vorrichtung 1 ein Verriegelungselement 24 vorgesehen. Dazu ist in einer Axialbohrung 25 des Rotors 3 ein topfförmiger Kolben 26 angeordnet, welcher durch eine erste Feder 27 in axialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt wird. Die erste Feder 27 stützt sich in axialer Richtung auf der einen Seite an einem Entlüftungselement 28 ab und ist mit ihrem davon abgewandten axialen Ende innerhalb des topfförmig ausgeführten Kolbens 26 angeordnet. Im ersten Seitendeckel 7 ist eine Kulisse 29 derart ausgebildet, dass der Kolben 26 in mindestens einer relativen Position des Rotors zum Stator in diese eingreifen kann. In dieser Stellung wird der Kolben 26 bei ungenügender Druckmittelversorgung der Vorrichtung 1 mittels der ersten Feder 27 in die Kulisse 29 gedrängt. In diesem Zustand ist der Rotor 3 relativ zum Stator 2 in dieser Position verriegelt. Vornehmlich entspricht die Verriegelungsposition der Position, die während des Starts der Brennkraftmaschine eingenommen werden soll. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um den Kolben 26 bei ausreichender Versorgung der Vorrichtung 1 mit Druckmittel in die Axialbohrung 25 zurückzudrängen und damit die Verriegelung aufzuheben. Dies wird üblicherweise mit Druckmittel bewerkstelligt, welches über nicht dargestellte Druckmittelleitungen in eine Aussparung 30 geleitet wird, welche am deckelseitigen Stirnende des Kolbens 26 ausgebildet ist. Um Leckageöl aus dem Federraum der Axialbohrung 25 ableiten zu können ist das Entlüftungselement 28 mit axial verlaufenden Nuten versehen, entlang derer das Druckmittel zu einer Bohrung im zweiten Seitendeckel 8 geleitet werden kann.
In Figur 1 ist zusätzlich der Druckmittelkreislauf 31 dargestellt. Aus einem Tank 20 wird mittels einer Druckmittelpumpe 19 ein Zulaufanschluss P eines Steuerventils 18 mit Druckmittel versorgt. Gleichzeitig wird über einen Ablaufanschluss T Druckmittel vom Steuerventil 18 in den Tank 20 geleitet. Das Steuerventil 18 besitzt weiterhin zwei Arbeitsanschlüsse A, B, wobei der erste Arbeitsanschlüsse A mit den ersten Druckkammern 12 und der zweite Arbeitsanschluss B mit den zweiten Druckkammern 13 kommuniziert. Mittels einer elektromagnetischen Stellvorrichtung 32, das gegen die Federkraft einer zweiten Feder 33 wirkt, kann das Steuerventil 18 in drei Stellungen gebracht werden. In einer ersten Stellung des Steuerventils 18, die einem unbestromten Zustand des Stellvorrichtung 32 entspricht, wird der erste Arbeitsanschluss A, und damit die ersten Druckkammern 12, mit dem Ablaufanschluss T verbunden. Gleichzeitig kommuniziert der Zulaufanschluss P mit dem zweiten Arbeitsanschluss B, und damit mit den zweiten Druckkammern 13. Während also Druckmittel von den ersten Druckkammern 12 abfließt wird Druckmittel zu den zweiten Druckkammern 13 geleitet, wodurch die Flügel 11 in Umfangsrichtung verschoben werden. Daraus resultiert eine Änderung der Phasenlage zwischen Rotor 3 und Stator 2 und damit zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle.
In einer mittleren Stellung sind sowohl der erste Arbeitsanschluss A als auch der zweite Arbeitsanschluss B sowohl vom Zulaufanschluss P als auch vom Ablaufanschluss T getrennt. Druckmittel kann zu den Druckkammer 12, 13 weder zu noch abflie0ßen und die Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle wird gehalten. Eine alternative Möglichkeit besteht darin beide Arbeitsanschlüsse A, B mit dem Zulaufanschluss P zu verbinden, um in der Vorrichtung 1 auftretende Leckage zu kompensieren.
In einer dritten Stellung des Steuerventils 18 ist der Zulaufanschluss P mit dem ersten Arbeitsanschluss A und folglich mit der ersten Druckkammer 12 verbunden, während die zweite Druckkammer 13 über den zweiten Arbeitsanschluss B mit dem Ablaufanschluss T verbunden ist. Analog zur ersten Steuerstellung des Steuerventils 18 wird die Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle geändert, nur in die entgegengesetzte Richtung.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuerventil 101, welches eine Stellvorrichtung 102, ein im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführtes Steuergehäuse 103, einen ebenfalls im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Steuerkolben 104 und ein ebenfalls im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführtes Ventilgehäuse 105 aufweist. Das Steuergehäuse 103 ist ortsfest innerhalb des Ventilgehäuses 105 angeordnet. Dabei ist der Innendurchmesser des Ventilgehäuses 105 dem Außendurchmesser des Steuergehäuses 103 angepasst. Weiterhin ist der Steuerkolben 104 axial verschiebbar innerhalb des Steuergehäuses 103 angeordnet, wobei der Außendurchmesser des Steuerkolbens 104 dem Innendurchmesser des Steuergehäuses 103 angepasst ist.
Das Ventilgehäuse 105 ist innerhalb einer Ventilaufnahme 106 angeordnet. Die Ventilaufnahme 106 setzt sich aus zwei Bohrungen 107, 108 zusammen, die in zwei Umgebungskonstruktionen 109, 110 ausgebildet sind. Die erste Umgebungskonstruktion 109 ist an der zweiten Umgebungskonstruktion 110 befestigt und die Bohrungen 107, 108 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass diese zueinander zumindest annähernd koaxial stehen. Der Innendurchmesser der zweiten Bohrung 108 ist in dieser Ausführungsform kleiner ausgeführt als der Innendurchmesser der ersten Bohrung 107. Dadurch entsteht an der Grenzfläche zwischen der ersten Umgebungskonstruktion 109 und der zweiten Umgebungskonstruktion 110 ein kreisringförmiger Axialanschlag 111, der die Einstecktiefe des Steuerventils 101 begrenzt.
Das Ventilgehäuse 105 ist an dessen axialanschlagseitigem Stirnende mit einem im Außendurchmesser verringerten Bereich 112 versehen, wobei der Außendurchmesser des im Außendurchmesser verringerten Bereichs 112 kleiner als der Innendurchmesser der zweiten Bohrung 108 ist. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform der Übergang zu dem im Außendurchmesser verringerten Bereich 112 stufenartig ausgeführt. Das Ventilgehäuse 105 durchgreift die erste Bohrung 107 und erstreckt sich mit dessen durchmesserverringertem Bereich 112 zumindest teilweise in die zweite Bohrung 108. Dabei ist der Außendurchmesser des Ventilgehäuses 105 dem Innendurchmesser der Ventilaufnahme 106 angepasst.
An der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Umgebungskonstruktion 109, 110 sind drei Druckmittelkanäle 113 ausgebildet. Die Druckmittelkanäle 113 sind in Form von Nuten ausgeführt die entweder in die Oberfläche der ersten oder zweiten Umgebungskonstruktion 109, 110 eingebracht sind. Jeder der Druckmittelkanäle 113 mündet in eine Steignut 114a, 114b, 114p die in der Mantelfläche der ersten Bohrung 107 ausgebildet sind. Die Steignuten 114a, 114b, 114p sind in Umfangsrichtung der ersten Bohrung 107 zueinander versetzt und verlaufen im Wesentlichen in axialer Richtung des Ventilgehäuses 105. Jede der Steignuten 114a, 114b, 114p kommuniziert über je eine in das Ventilgehäuse 105 eingebrachte Radialöffnung 115a, 115b, 115p, die als Arbeitsanschlüsse A, B und Zulaufanschluss P dienen, mit dem Inneren des Ventilgehäuses 105.
Die Außenmantelfläche des Steuergehäuses 103 ist mit drei axial zueinander versetzten Ringnuten 116a, 116b, 116p versehen. Dabei sind die Steignuten 114a, 114b, 114p, die Radialöffnungen 115a, 115b, 115p und die Ringnuten 116a, 116b, 116p derart angeordnet, dass die erste Steignut 116a mittels der ersten Radialöffnung 115a ausschließlich mit der ersten Ringnut 116a, die zweite Steignut 114b mittels der zweiten Radialöffnung 115b ausschließlich mit der zweiten Ringnut 116b und die dritte Steignut 114p mittels der dritten Radialöffnung 115p ausschließlich mit der dritten Ringnut 116p kommuniziert. Weiterhin kommuniziert jede der Ringnuten 116a, 116b, 116p mittels in deren Nutgrund ausgebildeten Öffnungen 117a, 117b, 117p mit dem Inneren des Steuergehäuses 103.
Der im Inneren des Steuergehäuses 103 angeordnete Steuerkolben 104, kann mittels einer Stellvorrichtung 102 über eine Stößelstange 119 gegen die Kraft eines ersten Federelements 120 innerhalb des Steuergehäuses 103 axial verschoben werden. Der Steuerkolben 104 ist mit zwei Steuerabschnitten 121 versehen, wobei der Außenumfang der Steuerabschnitte 121 dem Innenumfang des Steuergehäuses 103 angepasst ist. Die Steuerabschnitte 121 können als separate Bauteile gefertigt und am Steuerkolben 104 montiert oder wie in Figur 3 dargestellt einteilig mit diesem ausgebildet sein. Außerhalb der Steuerabschnitte 121 ist der Außendurchmesser des Steuerkolbens 104 kleiner ausgeführt. Die Steuerabschnitte 121 sind derart ausgebildet und am Steuerkolben 104 angeordnet, dass eine vierte Ringnut 122 ausgebildet wird, die je nach Stellung des Steuerkolbens 104 relativ zum Steuergehäuse 103 die erste oder die zweite Ringnut 116a, 116b mit der dritten Ringnut 116p verbindet. Weiterhin ist der Steuerkolben 104 an dessen stirnseitigem Ende, an dem das erste Federelement 120 angreift, offen ausgeführt. Dadurch wird eine Verbindung zwischen dem Inneren des Steuerkolbens 104 und der zweiten Bohrung 108 hergestellt und somit ein Ablaufanschluss T dargestellt. An dem stößelstangenseitigen Ende des Steuerkolbens 104 sind vierte Öffnungen 123 ausgebildet, wodurch das Innere des Steuerkolbens 104 hydraulisch mit dem Äußeren des Steuerkolbens 104 verbunden ist. Die vierten Öffnungen 123 befinden sich in der dargestellten Ausführungsform außerhalb der vierten Ringnut 122 in der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 104.
Mittels der Stellvorrichtung 102 kann der Steuerkolben 104 über die Stößelstange 119 innerhalb des Steuergehäuses 103 in jede beliebige Position zwischen zwei Maximalwerten verfahren werden. Dabei wirkt das erste Federelement 120 eine rückstellende Wirkung auf den Steuerkolben 104 aus. Als Stellvorrichtung 102 kommen beispielsweise hydraulische Stellvorrichtungen oder, wie in der dargestellten Ausführungsform, elektromagnetische Stellvorrichtungen in Frage. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 102 besteht aus einer Spule die in einem Magnetfeld eines oder mehrerer Permanentmagneten angeordnet ist. Der Spule ist eine Stromzuführungseinheit zugeordnet, über die diese mit einem elektrischen Strom erregt werden kann. Dabei sind mehrere Möglichkeiten der Erregung der Spule denkbar. Eine Möglichkeit wäre beispielsweise die Position der Spule innerhalb des Magnetfeldes durch variable Stromstärken zu variieren, wobei hohe Stromstärken einer hohen Auslenkung und niedrige Stromstärken einer niedrigen Auslenkung entsprechen. Ebenfalls denkbar ist die Spule mittels gepulsten Strömen anzuregen. Beispielsweise kann an die elektrischen Pole der Spule eine Rechteckspannung zwischen den Werten 0V und einer konstante Spannung V₀ angelegt werden. Die Auslenkung der Spule und damit des Steuerkolbens 104 wird nun durch das Verhältnis der Zeitintervalle bestimmt in denen die Spannung V₀ bzw. keine Potentialdifferenz an den elektrischen Polen anliegt. Je größer die spannungslosen Intervalle sind umso kleiner ist die Auslenkung der Spule. Je länger die Zeitintervalle sind in denen die Spannung V₀ anliegt umso größer ist die Auslenkung.
In der dargestellten Ausführungsform in Figur 3 und Figur 4 ist ein 4/3-Wegeventil mit vier Druckmittelanschlüssen A, B, P, T dargestellt, wobei sich der Steuerkolben 104 im Wesentlichen in drei Steuerzuständen befinden kann. Die Erfindung ist allerdings nicht auf ein derartiges Vier/Drei-Wegeventil beschränkt, sondern es sind auch durchaus Anwendungsbeispiele denkbar in denen beispielsweise ein 4/4-Wegeventil oder andere Ventile eingesetzt werden.
Im Folgenden soll beispielhaft die Funktion des 4/3-Wegeventils beschrieben werden. Über einen der Druckmittelkanäle 113 wird die dritte Steignut 114p mit Druckmittel beaufschlagt. In jeder Steuerstellung des Steuerventils 101 gelangt das Druckmittel über die dritte Radialöffnung 115p, die dritte Ringnut 116p und die dritten Öffnungen 117p in die vierte Ringnut 122.
In einem ersten Zustand des Steuerventils 101, die einem stromlosen Zustand der Stellvorrichtung 102 entspricht ist der Steuerkolben 104 mittels der Federkraft des ersten Federelements 120 in eine maximale Auslenkposition in Richtung der Stellvorrichtung 102 verschoben. In dieser Steuerstellung kommuniziert die vierte Ringnut 122 über die ersten Öffnungen 117a die erste Ringnut 116a und die ersten Radialöffnung 115a mit der ersten Steignut 114a, von wo aus das Druckmittel zu den ersten Druckkammern 12 geleitet wird.
In einer zweiten Steuerstellung des Steuerventils 101 in der die Stellvorrichtung 102 maximal bestromt ist, ist der Steuerkolben 104 maximal in Richtung des ersten Federelements 120 ausgelenkt. In diesen Fall kommuniziert die vierte Ringnut 122 sowohl mit den dritten Öffnungen 117p als auch mit den zweiten Öffnungen 117b. Druckmittel gelangt nun über die zweite Ringnut 116b, die zweite Radialöffnung 116b und die zweite Steignut 114b zu dem dazu korrespondierenden Druckmittelkanal 113 und von dort zu den zweiten Druckkammern 13.
In einem dritten Zustand befindet sich der Steuerkolben 104 in einer mittleren Stellung in der die vierte Ringnut 122 nur mit den dritten Öffnungen 117p kommuniziert. In diesen Fall wird der Druckmittelzufluss zu beiden Druckkammern 12, 13 unterbunden. Alternativ ist ebenso denkbar dass in dieser mittleren Stellung die vierte Ringnut 122 mit den ersten, den zweiten und den dritten Öffnungen 117a, 117b, 117p kommuniziert. Druckmittel wird in diesem Fall zu beiden Druckkammern 12, 13 geleitet, wodurch Leckage ausgeglichen und die Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle funktionssicher gehalten wird.
In der ersten und der zweiten Steuerstellung geben die Steuerabschnitte 121 die jeweiligen Öffnungen 117a, 117b vollständig frei, oder schließen diese vollständig. Natürlich kann der Steuerkolben 104 auch jede beliebige Position zwischen diesen beiden Extremalerten positioniert werden, wodurch die Öffnungen 117a, 117b nur teilweise geöffnet bzw. verdeckt werden. Dadurch kann der Durchflusswiderstand und damit das Ausmaß der Druckmittelversorgung der Druckkammern 12, 13 eingestellt werden.
Um zu verhindern dass Druckmittel von den Steignuten 114a, 114b, 114p direkt in die zweite Bohrung 108 abfließen kann und um Leckageströme zwischen den Steignuten 114a, 114b, 114p, insbesondere an der Grenzfläche zwischen den Umgebungskonstruktionen 109, 110, zu verhindern, ist zwischen dem Ventilgehäuse 105 und dem Axialanschlag 111 ein Dichtelement 124 vorgesehen. Das Dichtelement 124 ist in der dargestellten Ausführungsform als elastisch verformbarer Dichtring ausgeführt und vorzugsweise aus Flour-Kautschuk oder Acrylnitril-Butadien Kautschuk hergestellt. Vorteilhafterweise ist das Dichtelement 124 an dem im Außendurchmesser verringerten Bereich 112 des Ventilgehäuses 105 angeordnet. Während der Montage des Steuerventils 101 in der Ventilaufnahme 106 wird das Dichtelement 124 in dem im Außendurchmesser verringerten Bereich 112 des Ventilgehäuses 105 positioniert. Anschließend wird das Ventilgehäuse 105 in die Ventilaufnahme 106 eingebracht und befestigt. Durch die Anordnung auf dem im Außendurchmesser verringerten Bereich 112 erfährt das Dichtelement 124 eine Zentrierung und Führung während des Montageprozesses, wodurch Fehlmontagen sicher vermieden werden können. Durch Benutzung eines elastisch verformbaren Dichtelements 124 können Axialtoleranzen ausgeglichen werden.
Das Dichtelement 124 wird vom Ventilgehäuse 105 im eingebauten Zustand gegen den Axialanschlag 111 gepresst. Dabei wird es durch den Axialanschlag 111 und der Stufe des im Außendurchmesser verringerten Bereichs 112 des Ventilgehäuses 105 U-förmig umschlossen. Durch die Krafteinwirkung verformt sich das Dichtelement 124 elastisch und wird somit, aufgrund der U-förmigen Einspannung, gegen die Innenmantelfläche der Ventilaufnahme 106 gepresst. Dadurch wird eine optimale und frühzeitige Dichtwirkung in axialer Richtung sichergestellt.
Vorteilhafterweise ist das Dichtelement 124 derart angeordnet, dass es an der Grenzfläche zwischen den beiden Umgebungskonstruktionen 109, 110 an der Innenmantelfläche der Ventilaufnahme 106 zum Anliegen kommt. Dadurch werden eventuell vorhandene Spalten an dieser Grenzfläche geschlossen und die Dichtwirkung in Umfangsrichtung sichergestellt.
Durch die Ausbildung der zweiten Bohrung 108 mit einem geringeren Innendurchmesser im Vergleich zur ersten Bohrung 107 wird ein Axialanschlag 111 ausgebildet, der die Einstecktiefe des Steuerventil 101 in die Ventilaufnahme 106 begrenzt und im Zusammenspiel mit dem Dichtelement 124 als Dichtfläche wirkt. Das Steuerventil 101 greift nur mit seinem im Außendurchmesser verringerte Bereich 112 in die zweite Bohrung 108 ein. Da dieser Bereich 112 im Zusammenspiel mit der Innenmantelfläche der zweiten Bohrung 108 keine Dichtfunktion übernimmt, kann dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der zweiten Bohrung 108 ausgeführt sein, was das System unanfälliger gegenüber Toleranzen macht
Weiterhin sind weitere Dichtungen 125 an der Grenzfläche zwischen dem Steuergehäuse 103 und dem Ventilgehäuse 105 bzw. dem Ventilgehäuse 105 und der ersten Bohrung 107 vorgesehen, die Leckageströme in Richtung der Stellvorrichtung 102 und damit in den Motorraum verhindern.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist in weiten Teilen identisch zur ersten Ausführungsform, welche in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die zweite Bohrung 108 stufenförmig ausgebildet. Dabei ist der Innendurchmesser eines ersten Bereichs 126, der sich direkt an die erste Bohrung 107 anschließt, größer als der Innendurchmesser der ersten Bohrung 107 ausgeführt. Weiterhin ist der Innendurchmesser eines sich an den ersten Bereich 126 anschließenden zweiten Bereichs 127 kleiner ausgeführt als der Innendurchmesser der ersten Bohrung 107. Am Übergang vom ersten Bereich 126 zum zweiten Bereich 127 ist somit ein Axialanschlag 111 ausgebildet. Das Ventilgehäuse 105 durchgreift die erste Bohrung 107 der ersten Umgebungskonstruktion 109 und greift in die zweite Umgebungskonstruktion 110 ein. Auf Grund des größeren Innendurchmesser des ersten Bereichs 126 der zweiten Bohrung 108 ist dies selbst unter geringem Versetz der Bohrungen 107, 108 zueinander möglich. Der Übergangsbereich 128 des Ventilgehäuses 105 zum durchmesserverringerten Bereich 112 ist in dieser Ausführungsform nicht wie in der ersten Ausführungsform stufenartig, sondern zumindest teilweise konisch ausgeführt. Das Dichtelement 124 ist als Dichtring ausgeführt und im Übergangsbereich 128 angeordnet, wobei die Form des Dichtelements 124 der Form des Übergangsbereichs 128, insbesondere dessen Konizität, 127 angepasst ist. Die Innenmantelfläche 133 des Dichtelements 124 weist also einen ersten konischen Bereich 129 auf, wobei sich der Innendurchmesser in axialer Richtung von der Stirnseite ausgehend stetig verringert, bis er dem Außendurchmesser des im Außendurchmesser verringerten Bereichs 112 entspricht.
An einer Außenmantelfläche 134 des Dichtelements 124 ist ein zweiter konischer Bereich 131 ausgebildet, wobei dieser an der in axialer Richtung zum ersten konischen Bereich 129 versetzten Ringkante 130 ausgebildet ist. Der Außendurchmesser des Dichtelements 124 nimmt ausgehend von der Stirnseite in axialer Richtung zu, bis der maximale Außendurchmesser des Dichtelements 124 erreicht ist.
Die axiale Länge des ersten Bereichs 126, des im Außendurchmesser verringerten Bereichs 112 und des Dichtelements 124 ist derart ausgeführt, dass das Dichtelement 124 im Bereich der Grenzfläche zwischen der ersten Umgebungskonstruktion 109 und der zweiten Umgebungskonstruktion 110 sowohl an der ersten Bohrung 107 als auch an der zweiten Bohrung 108 anliegt.
Der in der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses 105 angebrachte konische Bereich bewirkt, dass das Dichtelement 124 druckdicht an der Mantelfläche der ersten Bohrung 107 und der Mantelfläche des ersten Bereichs 126 der zweiten Bohrung 108 anliegt. Aufgrund der Form des Dichtelements 124 ist zwischen der zweiten Bohrung 108 und dem Dichtelement 124 ein Hohlraum 132 ausgebildet. Dieser ermöglicht während der Montage den Ausgleich eventuell auftretenden Axialspiels. Das Ventilgehäuse 105 kann in diesem Fall Material des Dichtelements 124 in den Hohlraum 132 verdrängen, wodurch das Steuerventil 101 in axialer Richtung weiter in die Ventilaufnahme 106 eingeführt werden kann. Dieser Hohlraum 132 ermöglicht es in größerem Maße Axialtoleranzen auszugleichen, als es in durch das in der ersten Ausführungsform dargestellte Dichtelement 124 ermöglicht wird.
Selbstverständlich ist Das Dichtelement 124 der zweiten Ausführungsform auch in der Ventilaufnahme 106 der ersten Ausführungsform einsetzbar und umgekehrt. Weiterhin können beide Dichtelemente 124 und das Steuerventil 101 in einer einzigen, gestuften Bohrung, die als Ventilaufnahme 106 dient, Verwendung finden. Ebenfalls vorgesehen ist der Einsatz des Dichtelements 124 und des Steuerventils 101 in einer Bohrung, die durch eine kreisringförmige, sich in radialer Richtung erstreckende Wand begrenzt ist
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein Dichtelement 124 in Form eines Dichtrings. Je eine Ringkante 130 der Innen- 133 und der Außenmantelfläche 134 des Dichtelements 124 ist konisch ausgebildet. Die Konizität ist derart ausgebildet, dass die Teilquerschnittsform des Dichtelements 124 durch Materialabtrag von zwei Kanten einer rechteckigen Fläche erreicht wird. D.h. der erste konische Bereich 129 an der Innenmantelfläche 133 ist trichterartig und der zweite konisch Bereich 131 an der Außenmantelfläche 134 ist kegelstumpfartig ausgeführt.
Weiterhin besteht das Dichtelement 124 aus einem Elastomer. Dabei kann als Werkstoff beispielsweise ein Flour-Kautschuk oder ein Acrylnitril-Butadien Kautschuk verwendet werden.

Bezugszeichen

1: Vorrichtung
2: Stator
3: Rotor
4: Antriebsrad
5: Ausnehmungen
6: Seitenwand
7: erster Seitendeckel
8: zweiter Seitendeckel
9: Verbindungselement
10: Flügelnut
11: Flügel
12: erste Druckkammer
13: zweite Druckkammer
14: Nutgrund
15: Blattfederelement
16: erste Druckmittelleitung
17: zweite Druckmittelleitung
18: Steuerventil
19: Druckmittelpumpe
20: Tank
21: Pfeil
22: Zentralbohrung
23 -: Ausformungen
24: Verriegelungselement
25: Axialbohrung
26: Kolben
27: erste Feder
28: Entlüftungselement
29: Kulisse
30: Aussparung
31: Druckmittelkreislauf
32: Stellvorrichtung
33: zweite Feder

A: erster Arbeitsanschluss
B: zweiter Arbeitsanschluss
P: Zulaufanschluss
T: Ablaufanschluss

101: Steuerventil
102: Stellvorrichtung
103: Steuergehäuse
104: Steuerkolben
105: Ventilgehäuse
106: Ventilaufnahme
107: erste Bohrung
108: zweite Bohrung
109: erste Umgebungskonstruktion
110: zweite Umgebungskonstruktion
111: Axialanschlag
112: im Außendurchmesser verringerter Bereich
113: Druckmittelkanal
114a: erste Steignut
114b: zweite Steignut
114p: dritte Steignut
115a: erste Radialöffnung
115b: zweite Radialöffnung
115p: dritte Radialöffnung
116a: erste Ringnut
116b: zweite Ringnut
116p: dritte Ringnut
117a: erste Öffnung
117b: zweite Öffnung
117p: dritte Öffnung
119: Stößelstange
120: erstes Federelement
121: Steuerabschnitt
122: vierte Ringnut
123: vierte Öffnungen
124: Dichtelement
125: Dichtung
126: erster Bereich
127: zweiter Bereich
128: Übergangsbereich
129: erster konischer Bereich
130: Ringkante
131: zweiter konischer Bereich
132: Hohlraum
133: Innenmantelfläche
134: Außenmantelfläche

Claims

Steuerventilanordnung (101) zur Steuerung des Zu- und Abflusses von Druckmittel zu einer Vorrichtung (1) zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit
- einem im Wesentlichen zylindrisch, ausgeführten Ventilgehäuse (105), an dem Druckmittelanschlüsse (A, B, P, T) ausgebildet sind und

- mit einem innerhalb des Ventilgehäuses (105) angeordneten, axial verschiebbaren Steuerkolben (104),

- wobei abhängig von der Stellung des Steuerkolbens (104) eine Verbindung Zwischen den verschiedenen Druckmittelanschlüssen (A, B, P, T) herstell- bzw. trennbar ist,

- wobei das Ventilgehäuse (105) innerhalb einer Ventilaufnahme (106) angeordnet ist und,

- wobei die Einstecktiefe des Ventilgehäuses (105) in die Ventilaufnahme (106) durch einen in der Ventilaufnahme (106) ausgebildeten Axialanschlag (111) begrenzt ist, wobei der Axialanschlag (111) als kreis- oder kreisringförmige Wand ausgebildet ist, die sich ausgehend von einer Innenmantelfläche der Ventilaufnahme (106) radial nach innen erstreckt, wobei zwischen dem Ventilgehäuse (105) und dem Axialanschlag (111) der Ventilaufnahme (106) ein Dichtelement (124) angeordnet ist,

- dadurch gekennzeichnet, dass

- die Ventilaufnahme (106) sich aus einer ersten und einer zweiten Bohrung (107, 108) zusammensetzt, wobei die Bohrungen (107, 108) in unterschiedlichen Umgebungskonstruktionen (109, 110) ausgebildet, zumindest annähernd koaxial angeordnet und aneinander anschließend ausgeführt sind,

- wobei der Axialanschlag (111) an der Grenzfläche der beiden Umgebungskonstruktionen (109, 110) ausgebildet ist,

- wobei der Axialanschlag (111) derart angeordnet und das Dichtelement (124) derart ausgebildet ist, dass das Dichtelement (124) an der Grenzfläche der beiden Umgebungskonstruktionen (109; 110) an der Ventilaufnahme (106) anliegt

- und wobei an der Grenzfläche zwischen den beiden Umgebungskonstruktionen (109, 110) ein Druckmittelkanal 113 ausgebildet ist, der mit dem Inneren des Ventilgehäuses kommuniziert.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das axialanschlagsseitige Stirnende des Ventilgehäuses (105) mit einem im Außendurchmesser verringerten Bereich (112) ausgebildet ist, wobei das Dichtelement (124) zumindest teilweise in dem im Außendurchmesser verringerten Bereich (112) angeordnet ist.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (124) als Dichtring mit einer Außen- (134) und einer Innenmantelfläche (133) ausgeführt ist.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (124) aus einem Elastomer besteht.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer ein Fluor-Kautschuk oder ein Acrylnitril-Butadien Kautschuk ist.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangbereich (128) des Ventilgehäuses (105) zum durchmesserverringerten Bereich (112) zumindest teilweise konisch ausgeführt ist und das Dichtelement (124) an dessen Innenmantelfläche (133) mit einem ersten konischen Bereich (129) versehen ist, wobei dieser dem Übergangsbereich (128) des Ventilgehäuses (105) angepasst ist.
Steuerventilanordnung (101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das die Außenmantelfläche (134) des Dichtelements (124) an dem am Axialanschlag (111) anliegenden Stirnende mit einem zweiten konischen Bereich (131) versehen ist, so dass ein ringförmiger Hohlraum (132) zwischen dem Dichtelement (124) und dem Axialanschlag (111) entsteht.