EP2220346B1 - Vorrichtung zur variablen einstellung der steuerzeiten von gaswechselventilen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur variablen einstellung der steuerzeiten von gaswechselventilen einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP2220346B1
EP2220346B1 EP08856902A EP08856902A EP2220346B1 EP 2220346 B1 EP2220346 B1 EP 2220346B1 EP 08856902 A EP08856902 A EP 08856902A EP 08856902 A EP08856902 A EP 08856902A EP 2220346 B1 EP2220346 B1 EP 2220346B1
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EP
European Patent Office
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control
connection
working
valve housing
control piston
Prior art date
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EP08856902A
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Jens Hoppe
Andreas Röhr
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
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    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34426—Oil control valves
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    • F01L2001/3445—Details relating to the hydraulic means for changing the angular relationship
    • F01L2001/34453—Locking means between driving and driven members

Definitions

  • the invention relates to a device for variably setting the timing of gas exchange valves of an internal combustion engine with a drive element, an output element, a rotation angle limiting device and a control valve, wherein at least two mutually acting pressure chambers are provided, wherein by pressurizing one of the pressure chambers while emptying the other pressure chamber a phase adjustment between the output element and the drive element, wherein the rotation angle limiting device prevents a change in the phase position in a locked state, wherein the rotation angle limiting device in a unlocked state allows a change in the phase position, wherein the rotation angle limiting device are transferred by the pressure medium from the locked to the unlocked state can, wherein the control valve has a valve housing and a control piston, wherein at The inlet housing with a pressure medium source, the outlet connection with a tank, the control connection with the rotation angle limiting device and the first and the second Working port is connected to each one of the pressure chambers and wherein the working ports are axially offset from one another and are not formed overlapping on the valve housing.
  • the device In modern internal combustion engines devices for variable adjustment of the timing of gas exchange valves are used to make the phase relation between the crankshaft and the camshaft in a defined angular range, between a maximum early and a maximum late position variable.
  • the device is integrated into a drive train, via which torque is transmitted from the crankshaft to the camshaft.
  • This drive train can be realized for example as a belt, chain or gear drive.
  • the device comprises at least two rotors rotatable relative to one another, one rotor being in driving connection with the crankshaft and the other rotor being connected in a rotationally fixed manner to the camshaft.
  • the device comprises at least one pressure chamber, which is subdivided by means of a movable element into two counteracting pressure chambers.
  • the movable element is in operative connection with at least one of the rotors.
  • the pressure medium inflow to, or the pressure drain from the pressure chambers is controlled by means of a control unit, usually a hydraulic directional control valve (control valve).
  • the control unit is controlled by means of a regulator which, with the aid of sensors, determines the actual and desired position of the camshaft relative to the crankshaft (phase position) and compares them with one another. If a difference is detected between the two positions, a signal is sent to the control unit which adapts the pressure medium flows to the pressure chambers to this signal.
  • the pressure in the pressure medium circuit of the internal combustion engine must exceed a certain value.
  • the pressure medium is usually provided by the oil pump of the internal combustion engine and the pressure thus provided increases synchronously with the speed of the internal combustion engine, below a certain speed of the oil pressure is still too low to change the phase position of the rotors specifically or keep. This may for example be the case during the starting phase of the internal combustion engine or during idling phases.
  • the device would make uncontrolled oscillations, resulting in increased noise emissions, increased wear, choppy running, and increased raw engine emissions.
  • mechanical locking devices can be provided which, during the critical operating phases of the internal combustion engine, couple the two rotors in a torque-proof manner with one another, wherein this coupling can be canceled by pressurizing the locking device.
  • the locking position may be provided in one of the end positions (maximum early position and the maximum late position) or between the end positions.
  • Such a device is for example from the US 6,684,835 B2 known.
  • the device is designed in vane-type construction, wherein an outer rotor is rotatably mounted on an inner rotor designed as an impeller.
  • two rotational angle limiting devices are provided, wherein a first rotational angle limiting device in the locked state allows an adjustment of the inner rotor to the outer rotor in an interval between a maximum late position and a defined center position (locking position).
  • the second rotation angle limiting device allows in the locked state, a rotation of the inner rotor to the outer rotor in an interval between the center position and the maximum early position. If both rotational angle limits are in the locked state, the phase angle of the inner rotor to the outer rotor is limited to the middle position.
  • Each of the rotational angle limiting devices consists of a spring-loaded locking pin, which is arranged in a receptacle of the outer rotor. Each locking pin is moved by a spring in the direction of Inner rotor loaded with a force. On the inner rotor a gate is formed, which faces the locking pins in certain operating positions of the devices. In these operating positions, the pins can engage in the backdrop. In this case, the respective rotation angle limiting device moves from the ent to the locked state. Each of the rotation angle limiting devices can be transferred by pressurizing the gate from the locked to the unlocked state. In this case, the pressure medium urges the locking pins back into their receptacle, whereby the mechanical coupling of the inner rotor to the outer rotor is canceled.
  • the pressure medium is applied to the pressure chambers and the gate by means of a control valve, wherein on the control valve, inter alia, two working ports which communicate with the pressure chambers, and a control port, which communicates with the locking groove, are formed.
  • Other such control valves are from the US 6,779,500 B2 known.
  • These control valves consist essentially of a conventional 4/3-way proportional valve, which directs the pressure medium flows to and from the pressure chambers, and a 2/2-way valve, which regulates the pressure medium flows to and from the rotation angle limiting devices, wherein the part valves are arranged in series.
  • the two part valves on a common control piston and a common valve housing.
  • control valves are not suitable for use as a central valve, which is arranged in a central receptacle of the inner rotor.
  • control valves on two inlet connections which must be supplied via the inner rotor of the device pressure medium. This increases the complexity and the susceptibility of the device to errors.
  • the device is designed to be wide in the axial direction, so that all five ports of the valve from the receptacle of the inner rotor be covered. This leads to increased costs in the manufacture of the device. Furthermore, their space requirements and their weight is increased.
  • the invention has for its object a device for variable adjustment of the timing of gas exchange valves of an internal combustion engine with a control valve to represent, with as simple and thus cost-effective design of the control valve to be achieved. In addition, the space requirement of the control valve should be minimized.
  • the object is achieved in that on the outer lateral surface of the control piston, a first control chamber is formed, via the two of the working ports, which are arranged directly adjacent, depending on the position of the control piston within the valve housing, optionally connected to the inlet port or separated from it can be. Directly adjacent connections are connections between which no further connection is arranged.
  • a first control chamber is formed, via which both the working port and the control port, depending on the position of the control piston within the valve housing, optionally connected to the inlet port or can be separated from this.
  • control piston can assume positions relative to the valve housing, in which communicate the directly adjacent working ports simultaneously with the first control chamber.
  • control piston can assume positions relative to the valve housing, in which the working port and the control port communicate simultaneously with the first control chamber. Furthermore, on the outer lateral surface of the control piston, a second control chamber may be formed, via which the working port, which is not directly communicates with the first control chamber, depending on the position of the control piston within the valve housing, optionally connected to the inlet port or can be separated from this.
  • ports axially offset from one another and in the order inlet port, first working port, drain port, second working port, control port or inlet port, control port, drain port, second working port, first working port (A) are arranged.
  • control piston and / or the valve housing may be formed substantially rotationally symmetrical.
  • the working ports and the control port may be formed as radial openings in the valve housing.
  • control valve is arranged in a central receptacle of the output element, wherein the inlet connection is arranged in the axial direction outside the output element and the drive element.
  • control piston is hollow and communicates the interior of the control piston at least with the inlet port and the first control chamber.
  • a third control chamber is formed, which opens into the interior of the control piston and communicates in each position of the control piston relative to the valve housing with the inlet connection.
  • control chambers can be designed as an annular groove on the outer circumferential surface of the control piston.
  • a fourth control chamber is formed, via which one of the adjacent working ports (A, B, S), and the working port (A, B, S), which does not communicate with the first control chamber , depending on the position of the control piston within the valve housing, optionally connected to the drain port (T) or can be separated from this.
  • the device comprises an adjusting device, which is designed as a hydraulic actuator, and a hydraulic system, which supplies the adjusting device with pressure medium.
  • the adjusting device may be formed, for example, as in the prior art in vane type or in axial piston design. In the latter type, a pressure piston, the two pressure chambers separated from each other by pressure medium applied in the axial direction. The movement of the pressure piston over two pairs of helical gears causes a relative phase rotation between the output element and the drive element.
  • mechanical means rotation angle limiting device
  • the coupling may for example be such that the possible phase angles are limited to an angular range or that a rotationally fixed coupling between the output element and the drive element can be produced in a defined phase position.
  • the rotation angle limiting device (s) may assume a locked state (coupling established) and an unlocked state (no coupling). The transition from the locked to the unlocked state takes place by applying pressure medium to the rotation angle limiting device (s).
  • the hydraulic system has a control valve with a valve housing and a control piston.
  • the valve housing can be made substantially hollow cylindrical.
  • the connections may be formed as openings in the cylindrical lateral surface.
  • a control piston occupy several positions relative to this, thereby several control positions can be realized.
  • the actuator may be, for example, electromagnetic or hydraulic nature. In each control position results in a defined connection of different connections.
  • the connections formed as openings on the lateral surface of the valve housing are arranged offset to one another.
  • the control piston and the valve housing may be formed substantially rotationally symmetrical, whereby the production can be considerably simplified.
  • the control piston has a plurality of control structures.
  • a first control chamber is provided, which communicates on the one hand in each position of the control piston with the inlet connection and on the other hand with one of the working ports and the control port (or the other working port) is connectable.
  • positions of the control piston can be provided, in which the first control chamber communicates exclusively with the working connection or the control connection (or other working connection).
  • positions may be provided in which the first control room communicates with both terminals.
  • the reduction in the number of necessary controls brings a reduction of the axial space with it, so that a use as a central valve is conceivable.
  • the desired control logic of the control valve can be defined.
  • control chambers can be formed, for example, as an annular groove on the outer circumferential surface of the control piston. Equally conceivable would be the formation of Operaringnuten.
  • connection between the first control chamber and the inlet connection can take place via the interior of the hollow control piston.
  • Pressure medium which enters via the inlet connection, can pass through piston openings into the interior of the control piston.
  • further piston openings be provided, which connect the first and / or the second control chamber with the interior of the piston.
  • the control valve By arranging the connections in the sequence inlet connection, working connection (or control connection), drain connection, working connection, control connection (or working connection), the control valve can be provided for central valve applications. Due to the sequence of connections, the pressure medium supply of the control valve can be arranged outside of the adjusting device. In this case, the control valve protrudes in the axial direction out of the inner rotor, wherein the inlet connection is outside the inner rotor. Thus, the width of the inner rotor only has to correspond to the maximum distance between the working ports, the control port and the drain port. The inner rotor and thus the adjusting device can thus be made narrower.
  • control valve can assume a first control position, in which the first working connection communicates exclusively with the tank, the second working connection exclusively with the inflow connection and the control connection exclusively with the tank.
  • a second control position may be provided, in which the first working connection communicates exclusively with the tank and the second working connection and the control connection exclusively with the inflow connection.
  • a third control position may be provided, in which the control port only communicates with the inflow port, while the working ports do not communicate with either the inflow port or the one of the outflow ports.
  • a fourth control position may be provided, in which the second working connection communicates exclusively with the tank and the first working connection and the control connection exclusively with the inflow connection.
  • control port and thus the rotational angle limiting device (s) are connected to the tank during the start of the internal combustion engine, in which the control valve assumes the first control position.
  • the control valve assumes the first control position.
  • FIG. 1 an internal combustion engine 1 is sketched, wherein a seated on a crankshaft 2 piston 3 is indicated in a cylinder 4.
  • the crankshaft 2 is connected to an intake camshaft 6 or an exhaust camshaft 7 via a traction mechanism drive 5, wherein a first and a second device 10 for a relative rotation between the crankshaft 2 and the camshafts 6, 7 can provide.
  • Cams 8 of the camshafts 6, 7 actuate one or more intake gas exchange valves 9a or one or more exhaust gas exchange valves 9b.
  • it may be provided to equip only one of the camshafts 6, 7 with a device 10, or to provide only one camshaft 6, 7, which is provided with a device 10.
  • FIGS. 2a and 2 B show an embodiment of a device 10 according to the invention in a plan view or in longitudinal section.
  • the device 10 has an adjusting device 11 and a hydraulic system 12.
  • the adjusting device 11 has a drive element (outer rotor 22), a drive element rotatably connected to the camshaft 6, 7 (inner rotor 23) and two side covers 24, 25.
  • the inner rotor 23 is designed in the form of an impeller and has a substantially cylindrically designed hub member 26, extend from the outer cylindrical surface in the illustrated embodiment, five wings 27 in the radial direction outwards. In this case, the wings 27 may be integrally formed with the hub member 26. Alternatively, the wings 27, as in FIG.
  • a plurality of projections 30 extend radially inwardly.
  • the projections 30 are formed integrally with the peripheral wall 29.
  • the outer rotor 22 is mounted by means of radially inner circumferential walls of the projections 30 relative to the inner rotor 23 rotatably mounted on this.
  • a sprocket 21 is formed, by means of which a torque can be transmitted from the crankshaft 2 to the outer rotor 22 via a chain drive, not shown.
  • the sprocket 21 may be formed as a separate component and rotatably connected to the inner rotor 23 or formed integrally therewith. Alternatively, a belt or gear drive can be provided.
  • each of the projections 30 an axial opening 31 is provided for this purpose, wherein each axial opening 31 is penetrated by a fastening element 32, for example a bolt or a screw, which serves for the rotationally fixed fixing of the side cover 24, 25 on the outer rotor 22.
  • a fastening element 32 for example a bolt or a screw
  • a pressure space 33 is formed, which in the circumferential direction of opposite, substantially radially extending boundary walls 34 adjacent projections 30, in the axial direction of the side covers 24, 25, radially inwardly of the hub member 26 and radially outwardly bounded by the peripheral wall 29.
  • a wing 27 In each of the pressure chambers 33 projects a wing 27, wherein the wings 27 are formed such that they abut both on the side walls 24, 25, and on the peripheral wall 29. Each wing 27 thus divides the respective pressure chamber 33 into two oppositely acting pressure chambers 35, 36.
  • the outer rotor 22 is rotatably arranged in a defined Winkelbreich to the inner rotor 23.
  • the angular range is limited in one direction of rotation of the inner rotor 23 in that each vane 27 comes into contact with a boundary wall 34 of the pressure space 33 designed as an early stop 34a (early control times).
  • the angular range in the other direction of rotation is limited by the fact that each vane 27 comes into contact with the other boundary wall 34 of the pressure chamber 33, which serves as a late stop 34b (late control times).
  • a rotation limiting device may be provided, which the rotation angle range of the outer rotor 22nd limited to the inner rotor 23.
  • the phase angle of the outer rotor 22 to the inner rotor 23 and thus the camshaft 6, 7, to the crankshaft 2 can be varied.
  • the phase position of the two rotors 22, 23 are kept constant to each other.
  • it can be provided to pressurize none of the pressure chambers 35, 36 during phases of constant phase position with pressure medium.
  • hydraulic pressure medium usually the lubricating oil of the internal combustion engine 1 is used.
  • a locking mechanism 41 is provided which establishes a mechanical connection between the two rotors 22, 23.
  • the locking position may lie in one of the end positions of the inner rotor 23 relative to the outer rotor 22.
  • a rotation angle limiting device 42 is provided, wherein arranged in one of the rotors 22, 23 a locking pin 44 and in the other rotor 22, 23, a link 45 is formed, which is adapted to the locking pin 44. If the inner rotor 23 is in the locking position, then the locking pin 44 can engage in the link 45 and thus produce a mechanical rotationally fixed connection between the two rotors 22, 23.
  • FIG. 2a Such a locking mechanism 41 is in FIG. 2a shown.
  • This consists of a first and a second rotational angle limiting device 42, 43.
  • each of the rotational angle limiting devices 42, 43 consists of an axially displaceable locking pin 44, wherein each of the locking pins 44 is received in a bore of the inner rotor 23.
  • 24 two scenes 45 are formed in the form of circumferentially extending grooves in the first side wall. These are in FIG. 2a indicated in the form of broken lines.
  • Each of the locking pins 44 is acted upon by means of a spring element 46 with a force in the direction of the first side cover 24. If the inner rotor 23 to the outer rotor 22 assumes a position in which a locking pin 44 faces in the axial direction of the associated link 45, this is forced into the link 45 and the respective rotational angle limiting device 42, 43 transferred from an unlocked to a locked state.
  • the link 45 of the first rotational angle limiting device 42 is designed such that the phase position of the inner rotor 23 is limited to the outer rotor 22, with locked first rotational angle limiting device 42, on a range between a maximum late and the locking position.
  • the locking pin 44 of the first rotation angle limiting device 42 bears against a stop formed in the circumferential direction by the link 45, thereby preventing any further adjustment in the direction of earlier control times.
  • the link 45 of the second rotational angle limiting device 43 is designed such that when locked second rotational angle limiting device 43, the phase angle of the inner rotor 23 is limited to the outer rotor 22 to a range between a maximum early position and the locking position.
  • a plurality of pressure medium lines 38a, b, control lines 48, a control valve 37, a pressure medium pump 47 and a tank 49 is provided.
  • first and second pressure medium lines 38a, 38b are provided inside the inner rotor 23 inside the inner rotor 23 inside the inner rotor 23.
  • the first pressure medium line 38a extending from the first pressure chambers 35 to a central receptacle 40 of the inner rotor 23.
  • the second pressure medium line 38b extending from the second pressure chambers 36 also to the central receptacle 40.
  • the pressure medium lines 38a, b are in FIG. 2a for reasons of clarity shown only for two pressure chambers 33.
  • control lines 48 are provided, which extend from a first annular groove 50 in the central receptacle 40 of the inner rotor 23 via the first side cover 24 to the scenes 45.
  • the first annular groove 50 communicates with the scenes 45 in every phase of the device 10.
  • a control valve 37 is arranged within the receptacle 40 of the inner rotor 23.
  • the control valve 37 is received in a hollow camshaft 6,7, which passes through the receptacle 40 of the inner rotor 23.
  • the inner rotor 23 for example by means of a non-positive or cohesive connection with the camshaft 6,7 rotatably connected.
  • the control valve 37 has a first and a second working port A, B, an inlet port P, a third working port (control port S) and drain ports T, T a .
  • the control valve 37 can be supplied with pressure medium from a pressure medium pump 47.
  • the first and second working ports A, B communicate with the first and second pressure medium lines 38a, b, respectively.
  • the control connection S communicates with the control lines 48. Via the outflow connections T, T a , pressure medium can be removed from the control valve 37 to a tank 49.
  • control valve 37 can be transferred into four control positions S1-S4 ( FIG. 2a ).
  • first control position S1 the second working port B communicates with the inflow port P, while both the first one Working port A and the control port S with the drain ports T, T a are connected.
  • This control position S1 is taken during the starting phase of the internal combustion engine 1. In this phase, the hydraulic clamping of the wings 27 is not guaranteed within the pressure chambers 33 due to low system pressure in general. Since the scenes 45 both rotational angle limiting devices 42, 43 via the control lines 48, and the control valve 37 are connected to the tank 49, both rotational angle limiting device 42, 43 take the locked state.
  • the inner rotor 23 is mechanically connected to the outer rotor 22, whereby the phase position is fixed in the locking position. Since in this position of the control valve 37, the rotation angle limiting devices 42, 43 are not connected to the pressure medium pump 47 but the tank 49, there is no risk of unwanted unlocking. Thereby, the starting ability of the internal combustion engine 1 is secured and at the same time the exhaust emissions are reduced.
  • the control positions S2-S4 of the control valve 37 represent the control positions of the device 10, in which an adjustment in the direction of later control times (second control position S2) or an adjustment in the direction of early control times (fourth control position S4) or the control times are kept constant (third Control position S3).
  • the scenes 45 of the rotation angle limiting devices 42, 43 are connected via the control lines 48 and the control valve 37 to the pressure medium pump 47.
  • system pressure is applied to the end face of the locking pins 44, as a result of which the rotational angle limiting devices 42, 43 assume the unlocked state and permit phase adjustment of the inner rotor 23 to the outer rotor 22.
  • both the second working port B and the control port S communicate with the inflow port P, while the first working port A is connected to the outflow port T.
  • 36 pressure medium from the pressure medium pump 47 is supplied via the control valve 37 and the second pressure medium lines 38b the second pressure chambers.
  • the wings 27 are moved within the pressure chambers 33 in the direction of the late stops 34b. This results in a relative change in the phase position of the camshaft 6, 7 to the crankshaft 2 in the direction of later timing.
  • both the first working port A and the control port S communicate with the inflow port P, while the second working port B is connected to the outflow port T.
  • pressure medium from the pressure medium pump 47 is supplied to the first pressure chambers 35 via the control valve 37 and the first pressure medium lines 38a.
  • the wings 27 are moved within the pressure chambers 33 in the direction of the early stops 34a. This results in a relative change in the phase angle of the camshaft 6, 7 to the crankshaft 2 in the direction of early timing.
  • the control valve 37 is in the FIGS. 3a-d shown. It consists of a not shown actuator and a hydraulic section 51.
  • the hydraulic section 51 consists of a substantially hollow cylindrical valve housing 52 and a control piston 54.
  • the valve housing 52 carries the terminals A, B, P, S, T, T a .
  • the connections A, B, P, S, T are designed as openings in the cylindrical wall of the valve housing 52, which open into annular grooves which are formed on the outer lateral surface of the valve housing 52.
  • the working ports A, B communicate via openings in the camshaft 6, 7 with the first and second pressure medium lines 38a, b.
  • the control connection S kom-resp. second pressure medium lines 38a, b.
  • the control port S communicates via openings in the camshaft 6, 7 with the first annular groove 50 of the inner rotor 23, in which the control lines 48 open.
  • the drain port T communicates via further openings in the camshaft 6, 7 with a second annular groove 53, which is formed in the receptacle 40 of the inner rotor 23.
  • the second annular groove 53 is connected via an axial bore 39 in connection with the exterior of the adjusting device 11
  • connections A, B, P, S, T are axially offset from one another and arranged in the sequence inlet connection P, first working connection A, discharge connection T, second working connection B, control connection S.
  • all connections are arranged within the receptacle 40 (FIG. FIG. 2b ).
  • the inlet connection P projects out of the adjusting device 11 in the axial direction.
  • the pressure medium outside the adjusting device 11 can be supplied to the control valve 37.
  • the architecture of the inner rotor 23 is considerably simplified.
  • the axial discharge port T a is formed as an axial opening of the valve housing 52.
  • the control piston 54 is designed substantially hollow cylindrical and disposed axially displaceable within the valve housing 52. In this case, the axial position of the control piston 54 can be adjusted continuously by means of the adjusting unit, not shown.
  • the actuator acts against the force of a spring 55 which moves the control piston 54 to an initial position when the actuator is inactive.
  • the spring 55 is supported on a spring plate 55a, which is fixed in the axial opening which forms the axial discharge port T a .
  • the actuator 50 may be formed, for example, as an electrical actuator.
  • the control piston 54 has four axially spaced control spaces 56a, b, c, d.
  • the control chambers 56a, b, c, d are formed in the illustrated embodiment as annular grooves in the outer circumferential surface of the control piston 54.
  • the control spaces 56a, b, c communicate with the interior of the control piston 54 via piston openings 57a, b, c.
  • the control spaces 56a-d are each bounded by two annular lands 58a-e.
  • the first annular web 58a limits the first control chamber 56a in the direction of the axial outlet port T a and the fifth annular web 58e the inlet port P in the direction of the actuating unit, not shown.
  • the second ring land 58b separates the first control space 56a from the fourth control space 56d.
  • the third ring land 58c separates the fourth control space 56d from the second control space 56b.
  • the fourth ring land 58d separates the second control space 56b from the third control space 56c.
  • control spaces 56a-d communicate with various ports A, B, P, S, T, T a .
  • the first control chamber 56a is arranged such that communication with the second working port B and the control port S can be established.
  • the second control chamber 56b is arranged such that communication with the first working port A can be established.
  • the third control chamber 56c communicates in each position of the control piston 54 with the inlet port P.
  • the fourth control chamber 56d is arranged such that communication with the second working port B or the first working port A can be established. In this case, the fourth control chamber 56d always communicates with the drain port T.
  • FIGS. 3a-d Based on FIGS. 3a-d the function of the control valve 37 will be explained.
  • the figures differ in the relative position of the control piston 54 relative to the valve housing 52 FIG. 3a the control valve 37 is shown in a state in which the actuator is inactive.
  • the spring 55 urges the control piston 54 in the starting position, in which this rests against a first stop 59.
  • the control piston 54 is offset relative to the valve housing 52 by an increasing distance against the force of the spring 55.
  • Pressure medium thus passes from the pressure medium pump 47 via the control valve 37 to the second pressure chambers 36, while pressure medium from the scenes 45 and the first pressure chambers 35 is discharged to the tank 49.
  • the rotation angle limiting devices 42, 43 are consequently in the locked state and thus prevent a phase adjustment of the inner rotor 23 relative to the outer rotor 22.
  • Pressure medium thus passes from the pressure medium pump 47 via the control valve 37 to the scenes 45, while the pressure chambers 35, 36 supplied neither pressure medium, nor discharged from these.
  • the adjusting device 11 is thus hydraulically clamped, i. there is no phase adjustment between the inner rotor 23 and the outer rotor 22.
  • control piston 54 is deflected relative to the valve housing 52 by the distance x 3 > x 2 against the force of the spring 55.
  • Pressure medium which is supplied to the control valve 37 via the inlet port P, passes via the interior of the control piston 54 to the first control chamber 56a and from there to the control port S.
  • the pressure medium passes through the interior of the control piston 54 and the second piston openings 57b in the second control chamber 56b and from there to the first working port A.
  • a connection between the inlet port P and the second working port B is blocked by the second annular web 58b.
  • a pressure medium flow from the first working port A to the drain port T is blocked by the third annular web 58 c.
  • the second working port B is connected to the drain port T by means of the fourth control chamber 56d.
  • the first ring land 58a further separates the control port S from the axial discharge port T a .
  • Pressure medium thus passes from the pressure medium pump 47 via the control valve 37 to the first pressure chambers 35 and the scenes 45, while pressure medium is discharged from the second pressure chambers 36 to the tank 49.
  • the rotation angle limiting devices 42, 43 are transferred to the unlocked state. At the same time takes place by the pressure medium flow to the first pressure chambers 35 and the pressure medium outflow from the second pressure chambers 36, a phase adjustment in the direction of later timing instead.
  • the control valve 37 shown serves, on the one hand, to regulate the phase position of the inner rotor 23 relative to the outer rotor 22. Furthermore, the locking states of the rotational angle limiting devices 42, 43 can be controlled via a separate control connection S. By the separation of the control terminal S from the working ports A, B, the risk of unwanted input or Entriegelns the rotational angle limiting devices 42, 43 is reduced. In addition, the control logic with respect to the control terminal S can be performed independently of those of the working ports A, B and thus tailored to the particular application. By the pressure medium supply to one of the working ports B and to the control port S via a common control chamber 56a, the structure of the control piston 54 is simplified.
  • control valve 37 has only four control chambers 56a-d with the same functionality. This leads to a significant simplification of the control piston 54. Furthermore, the number of costly to manufacture control edges (limitations of the control spaces 56a-d) is reduced to a minimum. Thus, the control piston 54 can be made cheaper and more reliable. Furthermore, the control piston 54 can be designed to be shorter in the axial direction, as a result of which the space requirement of the control valve 37, which is arranged in installation-critical areas of the internal combustion engine 1, is considerably reduced.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Antriebselement, einem Abtriebselement, einer Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung und einem Steuerventil, wobei zumindest zwei gegeneinander wirkende Druckkammern vorgesehen sind, wobei durch Druckmittelbeaufschlagung einer der Druckkammern bei gleichzeitiger Entleerung der andern Druckkammer eine Phasenverstellung zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement hervorgerufen werden kann, wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung in einem eingeriegelten Zustand eine Änderung der Phasenlage verhindert, wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung in einem entriegelten Zustand eine Änderung der Phasenlage zulässt, wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung durch Druckmittelbeaufschlagung von dem eingeriegelten in den entriegelten Zustand überführt werden kann, wobei das Steuerventil ein Ventilgehäuse und einen Steuerkolben aufweist, wobei an dem Ventilgehäuse zumindest jeweils ein Zulaufanschluss, ein Ablaufanschluss, ein erster und ein zweiter Arbeitsanschluss und ein dritter Arbeitsanschluss (Steueranschluss) ausgebildet sind, wobei der Zulaufanschluss mit einer Druckmittelquelle, der Ablaufanschluss mit einem Tank, der Steueranschluss mit der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung und der erste und der zweite Arbeitsanschluss mit jeweils einer der Druckkammern verbunden ist und wobei die Arbeitsanschlüsse axial zueinander versetzt und nicht überlappend an dem Ventilgehäuse ausgebildet sind.
    • Hintergrund der Erfindung
  • In modernen Brennkraftmaschinen werden Vorrichtungen zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung in einen Antriebsstrang integriert, über welchen Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb realisiert sein.
  • Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei gegeneinander verdrehbare Rotoren, wobei ein Rotor in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle steht und der andere Rotor drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Druckraum, welcher mittels eines bewegbaren Elementes in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern unterteilt wird. Das bewegliche Element steht mit mindestens einem der Rotoren in Wirkverbindung. Durch Druckmittelzufuhr zu den Druckkammern bzw. Druckmittelabfuhr von den Druckkammern wird das bewegliche Element innerhalb des Druckraums verschoben, wodurch eine gezielte Verdrehung der Rotoren zueinander und somit der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirkt wird.
  • Der Druckmittelzufluss zu, bzw. der Druckabfluss von den Druckkammern wird mittels einer Kontrolleinheit, in der Regel einem hydraulischen Wegeventil (Steuerventil), gesteuert. Die Kontrolleinheit wiederum wird mittels eines Reglers gesteuert, welcher mit Hilfe von Sensoren die Ist- und Sollposition der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle (Phasenlage) bestimmt und miteinander vergleicht. Wird ein Unterschied zwischen beiden Positionen festgestellt, wird ein Signal an die Kontrolleinheit gesandt, welche die Druckmittelströme zu den Druckkammern diesem Signal anpasst.
  • Um die Funktion der Vorrichtung zu gewährleisten, muss der Druck im Druckmittelkreislauf der Brennkraftmaschine einen bestimmten Wert übersteigen. Da das Druckmittel in der Regel von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird und der bereitgestellte Druck somit synchron zur Drehzahl der Brennkraftmaschine ansteigt, ist unterhalb einer bestimmten Drehzahl der Öldruck noch zu gering um die Phasenlage der Rotoren gezielt zu verändern bzw. zu halten. Dies kann beispielsweise während der Startphase der Brennkraftmaschine oder während Leerlaufphasen der Fall sein.
  • Während dieser Phasen würde die Vorrichtung unkontrollierte Schwingungen ausführen, was zu erhöhten Geräuschemissionen, erhöhten Verschleiß, unruhigeren Lauf und erhöhten Rohemissionen der Brennkraftmaschine führt. Um dies zu verhindern können mechanische Verriegelungseinrichtungen vorgesehen sein, die während der kritischen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine die beiden Rotoren drehfest miteinander koppeln, wobei diese Koppelung durch Druckmittelbeaufschlagung der Verriegelungseinrichtung aufgehoben werden kann. Dabei kann die Verriegelungsposition in einer der Endlagen (maximalen Frühposition und der maximalen Spätposition) oder zwischen den Endlagen vorgesehen sein.
  • Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 6,684,835 B2 bekannt. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung in Flügelzellenbauart ausgeführt, wobei ein Außenrotor drehbar auf einem als Flügelrad ausgebildeten Innenrotor gelagert ist. Des Weiteren sind zwei Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen, wobei eine erste Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung im eingeriegelten Zustand eine Verstellung des Innenrotors zum Außenrotor in einem Intervall zwischen einer maximalen Spätposition und einer definierten Mittenposition (Verriegelungsposition) erlaubt. Die zweite Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung erlaubt im eingeriegelten Zustand eine Verdrehung des Innenrotors zum Außenrotor in einem Intervall zwischen der Mittenposition und der maximalen Frühposition. Befinden sich beide Drehwinkelbegrenzungen im eingeriegelten Zustand so ist die Phasenlage des Innenrotors zum Außenrotor auf die Mittenposition beschränkt.
  • Jede der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen besteht aus einem federbeaufschlagtem Verriegelungsstift, welcher in einer Aufnahme des Außenrotors angeordnet ist. Jeder Verriegelungsstift wird mittels einer Feder in Richtung des Innenrotors mit einer Kraft beaufschlagt. An dem Innenrotor ist eine Kulisse ausgebildet, die den Verriegelungsstiften in bestimmten Betriebspositionen der Vorrichtungen gegenübersteht. In diesen Betriebspositionen können die Stifte in die Kulisse eingreifen. Dabei geht die jeweilige Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung vom ent- in den eingeriegelten Zustand über. Jede der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen kann durch Druckmittelbeaufschlagung der Kulisse vom eingeriegelten in den entriegelten Zustand überführt werden. In diesem Fall drängt das Druckmittel die Verriegelungsstifte in deren Aufnahme zurück, wodurch die mechanische Kopplung des Innenrotors zum Außenrotor aufgehoben wird.
  • Die Druckmittelbeaufschlagung der Druckkammern und der Kulisse erfolgt mittels eines Steuerventils, wobei an dem Steuerventil unter anderem zwei Arbeitsanschlüsse, die mit den Druckkammern kommunizieren, und ein Steueranschluss, welcher mit der Verriegelungsnut kommuniziert, ausgebildet sind. Weitere derartige Steuerventile sind aus der US 6,779,500 B2 bekannt. Diese Steuerventile bestehen im Wesentlichen aus einem herkömmlichen 4/3-Wegeproportionalventil, das die Druckmittelströme zu und von den Druckkammern lenkt, und einen 2/2-Wegeventil, das die Druckmittelströme zu und von den Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen regelt, wobei die Teilventile in Reihe angeordnet sind. Dabei weisen die beiden Teilventile einen gemeinsamen Steuerkolben und ein gemeinsames Ventilgehäuse auf.
  • Nachteilig an diesen Ausführungsformen ist der hohe Bauraumbedarf des Steuerventils, vor allem in axialer Richtung des Ventilgehäuses. Des Weiteren ist die hohe Anzahl an Steuerstrukturen, die an dem Steuerkolben ausgebildet werden müssen nachteilig. Dies führt zu erhöhten Kosten und höherem Bauraumbedarf. Ein weiterer Nachteil besteht darin dass sich diese Steuerventile nicht für den Einsatz als Zentralventil eignen, das in einer zentralen Aufnahme des Innenrotors angeordnet. Zum einen weisen die Steuerventile zwei Zulaufanschlüsse auf, denen über den Innenrotor der Vorrichtung Druckmittel zugeführt werden muss. Dies erhöht die Komplexität und die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung. Des Weiteren ist die Vorrichtung in axialer Richtung breit auszuführen, damit alle fünf Anschlüsse des Ventils von der Aufnahme des Innenrotors überdeckt werden. Dies führt zu erhöhten Kosten bei der Herstellung der Vorrichtung. Des Weiteren wird deren Bauraumbedarf und deren Gewicht erhöht.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Steuerventil darzustellen, wobei ein möglichst einfacher und damit kostengünstiger Aufbau des Steuerventils erreicht werden soll. Darüber hinaus soll der Bauraumbedarf des Steuerventils minimiert werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ein erster Steuerraum ausgebildet ist, über den zwei der Arbeitsanschlüsse, die direkt benachbart angeordnete sind, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses, wahlweise mit dem Zulaufanschluss verbunden oder von diesem getrennt werden können. Unter direkt benachbarten Anschlüssen sind Anschlüsse zu verstehen, zwischen denen kein weiterer Anschluss angeordnet ist.
  • In einer Konkretisierung ist vorgesehen, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ein erster Steuerraum ausgebildet ist, über den sowohl der Arbeitsanschluss als auch der Steueranschluss, abhängig von der Stellung des Steuerkolben innerhalb des Ventilgehäuses, wahlweise mit dem Zulaufanschluss verbunden oder von diesem getrennt werden kann.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass der Steuerkolben Stellungen relativ zum Ventilgehäuse einnehmen kann, in denen die direkt benachbarten Arbeitsanschlüsse gleichzeitig mit dem ersten Steuerraum kommunizieren.
  • In einer Konkretisierung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben Stellungen relativ zum Ventilgehäuse einnehmen kann, in denen der Arbeitsanschluss und der Steueranschluss gleichzeitig mit dem ersten Steuerraum kommunizieren. Des Weiteren kann an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ein zweiter Steuerraum ausgebildet sein, über den der Arbeitsanschluss, der nicht direkt mit dem ersten Steuerraum kommuniziert, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses, wahlweise mit dem Zulaufanschluss verbunden oder von diesem getrennt werden kann.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse axial zueinander versetzt und in der Reihenfolge Zulaufanschluss, erster Arbeitsanschluss, Ablaufanschluss, zweiter Arbeitsanschluss, Steueranschluss oder Zulaufanschluss, Steueranschluss, Ablaufanschluss, zweiter Arbeitsanschluss, erster Arbeitsanschluss (A) angeordnet sind.
  • Darüber hinaus kann der Steuerkolben und / oder das Ventilgehäuse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
  • Die Arbeitsanschlüsse und der Steueranschluss können als radiale Öffnungen in dem Ventilgehäuse ausgebildet sein.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erdfindung ist das Steuerventil in einer zentralen Aufnahme des Abtriebselements angeordnet, wobei der Zulaufanschluss in axialer Richtung außerhalb des Abtriebselements und des Antriebselements angeordnet ist.
  • In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben hohl ausgebildet ist und das Innere des Steuerkolbens zumindest mit dem Zulaufanschluss und dem ersten Steuerraum kommuniziert.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ein dritter Steuerraum ausgebildet ist, der in das Innere des Steuerkolbens mündet und in jeder Stellung des Steuerkolbens relativ zu dem Ventilgehäuse mit dem Zulaufanschluss kommuniziert.
  • Die Steuerräume können als Ringnut an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ausgebildet sein.
  • Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ein vierter Steuerraum ausgebildet ist, über den einer der benachbarten Arbeitsanschlüsse (A,B,S), und der Arbeitsanschluss (A,B,S), der nicht mit dem ersten Steuerraum kommuniziert, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses, wahlweise mit dem Ablaufanschluss (T) verbunden oder von diesem getrennt werden kann.
  • Die Vorrichtung weist eine Stellvorrichtung, die als hydraulischer Stellantrieb ausgebildet ist, und ein Hydrauliksystem auf, das die Stellvorrichtung mit Druckmittel versorgt. Die Stellvorrichtung kann beispielsweise wie im Stand der Technik in Flügelzellenbauart oder in Axialkolbenbauart ausgebildet sein. In letzterer Bauart wird ein Druckkolben, der zwei Druckkammern voneinander trennt durch Druckmittelbeaufschlagung in axialer Richtung verschoben. Dabei ruft die Bewegung des Druckkolbens über zwei Schrägverzahnungspaare eine relative Phasenverdrehung zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement hervor. Des Weiteren sind mechanische Mittel (Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung) vorgesehen, um das Abtriebselement mit dem Antriebselement mechanisch in einer bestimmten Phasenlage zu koppeln. Die Kopplung kann beispielsweise derart sein, dass die möglichen Phasenwinkel auf einen Winkelbereich beschränkt sind oder dass eine drehfeste Kopplung zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement in einer definierten Phasenlage hergestellt werden kann. Die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en) können einen eingeriegelten Zustand (Kopplung hergestellt) und einen entriegelten Zustand (keine Kopplung) einnehmen. Der Übergang von dem eingeriegelten zu dem entriegelten Zustand erfolgt durch Druckmittelbeaufschlagung der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en).
  • Durch Druckmittelbeaufschlagung der einen Druckkammer oder der einen Gruppe von Druckkammern bei gleichzeitiger Entleerung der anderen Druckkammer oder Druckkammern erfolgt eine Phasenverstellung des Innenrotors 23 relativ zu dem Außenrotor 22, wenn die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en) im entriegelten Zustand vorliegen. Im eingeriegelten Zustand der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en) erfolgt die Phasenverstellung nur in dem durch die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en) zugelassenen Bereich.
  • Das Hydrauliksystem weist ein Steuerventil mit einem Ventilgehäuse und einem Steuerkolben auf. Das Ventilgehäuse kann im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführt sein. Dabei können die Anschlüsse als Öffnungen in der zylindrischen Mantelfläche ausgebildet sein. Innerhalb des Ventilgehäuses kann ein Steuerkolben mehrere Positionen relativ zu diesem einnehmen, wobei dadurch mehrere Steuerstellungen realisiert werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Steuerkolben mittels einer Stelleinheit in axialer Richtung des Ventilgehäuses relativ zu diesem verschoben werden kann. Die Stelleinheit kann beispielsweise elektromagnetischer oder hydraulischer Natur sein. In jeder Steuerstellung ergibt sich eine definierte Verbindung der verschieden Anschlüsse. Die als Öffnungen an der Mantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildeten Anschlüsse sind zueinander versetzt angeordnet. Somit können der Steuerkolben und das Ventilgehäuse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein, wodurch die Produktion erheblich vereinfacht werden kann. Der Steuerkolben weist mehrere Steuerstrukturen auf. Dabei ist ein erster Steuerraum vorgesehen, der einerseits in jeder Stellung des Steuerkolbens mit dem Zulaufanschluss kommuniziert und andererseits mit einem der Arbeitsanschlüsse und dem Steueranschluss (oder dem anderen Arbeitsanschluss) verbindbar ist. Dabei können Stellungen des Steuerkolbens vorgesehen sein, in denen der erste Steuerraum ausschließlich mit dem Arbeitsanschluss oder dem Steueranschluss (bzw. anderen Arbeitsanschluss) kommuniziert. Des Weiteren können Stellungen vorgesehen sein, in denen der erste Steuerraum mit beiden Anschlüssen kommuniziert. Durch die Ansteuerung des Arbeitsanschlusses und des Steueranschlusses (oder des anderen Arbeitsanschlusses) mittels eines Steuerraums kann die Komplexität des Steuerkolbens gesenkt werden. Es werden weniger Steuerelemente benötigt, wodurch deren aufwändige Bearbeitung entfallen kann und somit die Herstellungskosten gesenkt werden können. Des Weiteren bringt die Reduzierung der Anzahl der nötigen Steuerelemente eine Verringerung des axialen Bauraums mit sich, so dass auch ein Einsatz als Zentralventil denkbar ist. Durch eine geeignete Anordnung der mit dem ersten Steuerraum zusammenwirkenden Steuerstrukturen an dem Ventilgehäuse kann die gewünschte Steuerlogik des Steuerventils definiert werden.
  • Die Steuerräume können beispielsweise als Ringnut an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ausgebildet sein. Ebenso denkbar wäre die Ausbildung von Teilringnuten.
  • Die Verbindung zwischen dem ersten Steuerraum und dem Zulaufanschluss kann über das Innere des hohl ausgebildeten Steuerkolbens erfolgen. Druckmittel, welches über den Zulaufanschluss eintritt, kann über Kolbenöffnungen in das Innere des Steuerkolbens gelangen. Des Weiteren können weitere Kolbenöffnungen vorgesehen sein, die den ersten und / oder den zweiten Steuerraum mit dem Inneren des Kolbens verbinden.
  • Durch die Anordnung der Anschlüsse in der Reihenfolge Zulaufanschluss, Arbeitsanschluss (bzw. Steueranschluss), Ablaufanschluss, Arbeitsanschluss, Steueranschluss (bzw. Arbeitsanschluss) kann das Steuerventil für Zentralventilanwendungen vorgesehen werden. Auf Grund der Reihenfolge der Anschlüsse kann die Druckmittelversorgung des Steuerventils außerhalb der Stellvorrichtung angeordnet werden. In diesem Fall ragt das Steuerventil in axialer Richtung aus dem Innenrotor heraus, wobei sich der Zulaufanschluss außerhalb des Innenrotors befindet. Somit muss die Breite des Innenrotors nur noch dem maximalen Abstand zwischen den Arbeitsanschlüssen, dem Steueranschluss und dem Ablaufanschluss entsprechen. Der Innenrotor und damit die Stellvorrichtung kann somit schmaler ausgebildet werden. Des Weiteren sind keine Druckmittelleitungen innerhalb des Innenrotors nötig um das Druckmittel zu dem oder den Zulaufanschlüssen zu leiten, wodurch die Architektur der Stellvorrichtung vereinfacht und damit die Herstellungskosten gesenkt werden. Die Zentralventillösung führt zu einer steiferen hydraulischen Einspannung des Flügels in dem Druckraum.
  • Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Steuerventil eine erste Steuerstellung einnehmen kann, in der der erste Arbeitsanschluss ausschließlich mit dem Tank, der zweite Arbeitsanschluss ausschließlich mit dem Zulaufanschluss und der Steueranschluss ausschließlich mit dem Tank kommuniziert. Darüber hinaus kann eine zweite Steuerstellung vorgesehen sein, in der der erste Arbeitsanschluss ausschließlich mit dem tank und der zweite Arbeitsanschluss und der Steueranschluss ausschließlich mit dem Zulaufanschluss kommuniziert. Darüber hinaus kann eine dritte Steuerstellung vorgesehen sein, in der der Steueranschluss ausschließlich mit dem Zulaufanschluss kommuniziert, während die Arbeitsanschlüsse weder mit dem Zulaufanschluss noch mit dem einem der Ablaufanschlüsse kommuniziert. Darüber hinaus kann eine vierte Steuerstellung vorgesehen sein, in der der zweite Arbeitsanschluss ausschließlich mit dem Tank und der erste Arbeitsanschluss und der Steueranschluss ausschließlich mit dem Zulaufanschluss kommuniziert.
  • Somit sind der Steueranschluss und damit die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung(en) während des Starts der Brennkraftmaschine, in der das Steuerventil die erste Steuerstellung einnimmt, mit dem Tank verbunden. Somit ist während des Starts die Kopplung zwischen Innenrotor und Außenrotor sichergestellt. Die Steuerstellungen zwei bis vier erlauben eine Phasenverstellung in Richtung früher bzw. später Steuerzeiten oder einer hydraulische Fixierung der Phasenlage.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
    • Figur 1
    nur sehr schematisch eine Brennkraftmaschine,
    Figur 2a
    eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ver- änderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brenn- kraftmaschine mit einem Hydraulikkreislauf, wobei das Steuerven- til nur schematisch dargestellt ist,
    Figur 2b
    einen Längsschnitt durch die Vorrichtung aus Figur 2a entlang der Linie II B-II B, mit dem Steuerventil,
    Figur 3a-3d
    jeweils einen Längsschnitt durch das Steuerventil aus Figur 2b in dessen verschiedenen Steuerstellungen.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 skizziert, wobei ein auf einer Kurbelwelle 2 sitzender Kolben 3 in einem Zylinder 4 angedeutet ist. Die Kurbelwelle 2 steht in der dargestellten Ausführungsform über je einen Zugmitteltrieb 5 mit einer Einlassnockenwelle 6 bzw. Auslassnockenwelle 7 in Verbindung, wobei eine erste und eine zweite Vorrichtung 10 für eine Relativdrehung zwischen Kurbelwelle 2 und den Nockenwellen 6, 7 sorgen können. Nocken 8 der Nockenwellen 6, 7 betätigen ein oder mehrere Einlassgaswechselventile 9a bzw. ein oder mehrere Auslassgaswechselventile 9b. Ebenso kann vorgesehen sein nur eine der Nockenwellen 6, 7 mit einer Vorrichtung 10 auszustatten, oder nur eine Nockenwelle 6, 7 vorzusehen, welche mit einer Vorrichtung 10 versehen ist.
  • Die Figuren 2a und 2b zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einer Draufsicht bzw. im Längsschnitt.
  • Die Vorrichtung 10 weist eine Stellvorrichtung 11 und ein Hydrauliksystem 12 auf. Die Stellvorrichtung 11 weist ein Antriebselement (Außenrotor 22), ein mit der Nockenwelle 6,7 drehfest verbundenes Abtriebselement (Innenrotor 23) und zwei Seitendeckel 24, 25 auf. Der Innenrotor 23 ist in Form eines Flügelrades ausgeführt und weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgeführtes Nabenelement 26 auf, von dessen äußerer zylindrischer Mantelfläche sich in der dargestellten Ausführungsform fünf Flügel 27 in radialer Richtung nach außen erstrecken. Dabei können die Flügel 27 einteilig mit dem Nabenelement 26 ausgebildet sein. Alternativ können die Flügel 27, wie in Figur 2a dargestellt, separat ausgebildet und in axial verlaufenden, an dem Nabenelement 26 ausgebildeten Flügelnuten 28 angeordnet sein, wobei die Flügel 27 mittels nicht dargestellter, zwischen den Nutgründen der Flügelnuten 28 und den Flügeln 27 angeordneten Federelementen radial nach außen mit einer Kraft beaufschlagt werden.
  • Ausgehend von einer äußeren Umfangswand 29 des Außenrotors 22 erstrecken sich mehrere Vorsprünge 30 radial nach innen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Vorsprünge 30 einteilig mit der Umfangswand 29 ausgebildet. Denkbar sind aber auch Ausführungsformen, in denen anstatt der Vorsprünge 30 Flügel vorgesehen sind, die an der Umfangswand 29 angebracht sind und sich radial nach innen erstrecken. Der Außenrotor 22 ist mittels radial innen liegender Umfangswände der Vorsprünge 30 relativ zu dem Innenrotor 23 drehbar auf diesem gelagert.
  • An einer äußeren Mantelfläche der Umfangswand 29 ist ein Kettenrad 21 ausgebildet, mittels welchem über einen nicht dargestellten Kettentrieb Drehmoment von der Kurbelwelle 2 auf den Außenrotor 22 übertragen werden kann. Das Kettenrad 21 kann als separates Bauteil ausgebildet und drehfest mit dem Innenrotor 23 verbunden oder einteilig mit diesem ausgebildet sein. Alternativ kann auch ein Riemen- oder Zahnradtrieb vorgesehen sein.
  • Je einer der Seitendeckel 24, 25 ist an einer der axialen Seitenflächen des Außenrotors 22 angeordnet und drehfest an diesem fixiert. In jedem der Vorsprünge 30 ist zu diesem Zweck eine Axialöffnung 31 vorgesehen, wobei jede Axialöffnung 31 von einem Befestigungselement 32, beispielsweise einem Bolzen oder einer Schraube, durchgriffen wird, welches zur drehfesten Fixierung der Seitendeckel 24, 25 an dem Außenrotor 22 dient.
  • Innerhalb der Vorrichtung 10 ist zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen 30 ein Druckraum 33 ausgebildet, der in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Begrenzungswänden 34 benachbarter Vorsprünge 30, in axialer Richtung von den Seitendeckeln 24, 25, radial nach innen von dem Nabenelement 26 und radial nach außen von der Umfangswand 29 begrenzt wird. In jeden der Druckräume 33 ragt ein Flügel 27, wobei die Flügel 27 derart ausgebildet sind, dass diese sowohl an den Seitenwänden 24, 25, als auch an der Umfangswand 29 anliegen. Jeder Flügel 27 teilt somit den jeweiligen Druckraum 33 in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern 35, 36.
  • Der Außenrotor 22 ist in einem definierten Winkelbreich drehbar zu dem Innenrotor 23 angeordnet. Der Winkelbereich wird in einer Drehrichtung des Innenrotors 23 dadurch begrenzt, dass jeder Flügel 27 an einer als Frühanschlag 34a ausgebildeter Begrenzungswand 34 des Druckraums 33 zum Anliegen kommt (frühe Steuerzeiten). Analog wird der Winkelbereich in der anderen Drehrichtung dadurch begrenzt, dass jeder Flügel 27 an der anderen Begrenzungswand 34 des Druckraums 33, die als Spätanschlag 34b dient, zum Anliegen kommt (späte Steuerzeiten). Alternativ kann eine Rotationsbegrenzungsvorrichtung vorgesehen sein, die den Drehwinkelbereich des Außenrotors 22 zum Innenrotor 23 begrenzt.
  • Durch Druckbeaufschlagung einer Gruppe von Druckkammern 35, 36 und Druckentlastung der anderen Gruppe kann die Phasenlage des Außenrotors 22 zum Innenrotor 23 und damit der Nockenwelle 6, 7, zu der Kurbelwelle 2 variiert werden. Durch Druckbeaufschlagung beider Gruppen von Druckkammern 35, 36 kann die Phasenlage der beiden Rotoren 22, 23 zueinander konstant gehalten werden. Alternativ kann vorgesehen sein, keine der Druckkammern 35, 36 während Phasen konstanter Phasenlage mit Druckmittel zu beaufschlagen. Als hydraulisches Druckmittel wird üblicherweise das Schmieröl der Brennkraftmaschine 1 verwendet.
  • Während des Starts der Brennkraftmaschine 1 oder während Leerlaufphasen kann die Druckmittelversorgung der Vorrichtung 10 nicht ausreichen um die hydraulische Einspannung der Flügel 27 innerhalb der Druckräume 33 zu gewährleisten. Um ein unkontrolliertes Schwingen des Innenrotors 23 zum Außenrotor 22 zu verhindern ist ein Verriegelungsmechanismus 41 vorgesehen, der eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Rotoren 22, 23 herstellt. Dabei kann die Verriegelungsposition in einer der Endlagen des Innenrotors 23 relativ zum Außenrotor 22 liegen. In diesem Fall ist eine Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42 vorgesehen, wobei in einem der Rotoren 22, 23 ein Verriegelungsstift 44 angeordnet und in dem anderen Rotor 22, 23 eine Kulisse 45 ausgebildet ist, die dem Verriegelungsstift 44 angepasst ist. Befindet sich der Innenrotor 23 in der Verriegelungsposition, so kann der Verriegelungsstift 44 in die Kulisse 45 eingreifen und somit eine mechanische drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotoren 22, 23 herstellen.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt die Verriegelungsposition so zu wählen, dass sich die Flügel 27 im verriegelten Zustand der Vorrichtung 10 in einer Position zwischen dem Frühanschlag 34a und dem Spätanschlag 34b befinden. Ein derartiger Verriegelungsmechanismus 41 ist in Figur 2a dargestellt. Diese besteht aus einer ersten und einer zweiten Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42, 43. In der dargestellten Ausführungsform besteht jede der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 aus einem axial verschiebbaren Verriegelungsstift 44, wobei jeder der Verriegelungsstifte 44 in einer Bohrung des Innenrotors 23 aufgenommen ist. Des Weiteren sind in der ersten Seitenwand 24 zwei Kulissen 45 in Form von in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten ausgebildet. Diese sind in Figur 2a in Form von unterbrochenen Linien angedeutet. Jeder der Verriegelungsstifte 44 wird mittels eines Federelements 46 mit einer Kraft in Richtung des ersten Seitendeckels 24 beaufschlagt. Nimmt der Innenrotor 23 zum Außenrotor 22 eine Position ein, in der ein Verriegelungsstift 44 in axialer Richtung der zugehörigen Kulisse 45 gegenübersteht, so wird dieser in die Kulisse 45 gedrängt und die jeweilige Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42, 43 von einem entriegelten in einen eingeriegelten Zustand überführt. Dabei ist die Kulisse 45 der ersten Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42 derart ausgeführt, dass die Phasenlage des Innenrotors 23 zum Außenrotor 22, bei eingeriegelter erster Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42, auf einem Bereich zwischen einer maximalen Spät- und der Verriegelungsposition beschränkt ist. Befindet sich der Innenrotor 23 relativ zum Außenrotor 22 in der Verriegelungsposition, so liegt der Verriegelungsstift 44 der ersten Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42 an einem in Umfangsrichtung durch die Kulisse 45 ausgebildeten Anschlag an, wodurch ein weiteres Verstellen in Richtung früherer Steuerzeiten verhindert wird.
  • Analog ist die Kulisse 45 der zweiten Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 43 derart ausgelegt, dass bei eingeriegelter zweiter Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 43 die Phasenlage des Innenrotors 23 zum Außenrotor 22 auf einen Bereich zwischen einer maximalen Frühposition und der Verriegelungsposition beschränkt ist.
  • Um die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 von dem eingeriegelten in den entriegelten Zustand zu überführen ist vorgesehen, dass die jeweilige Kulisse 45 mit Druckmittel beaufschlagt wird. Dadurch wird der jeweilige Verriegelungsstift 44 entgegen der Kraft des Federelements 46 in die Bohrung zurückgedrängt und somit die Drehwinkelbegrenzung aufgehoben.
  • Zur Druckmittelversorgung der Stellvorrichtung 11 sind mehrere Druckmittelleitungen 38a,b, Steuerleitungen 48, ein Steuerventil 37 eine Druckmittelpumpe 47 und ein Tank 49 vorgesehen.
  • Innerhalb des Innenrotors 23 sind erste und zweite Druckmittelleitungen 38a, 38b vorgesehen. Die ersten Druckmittelleitung 38a erstrecken sich ausgehend von den ersten Druckkammern 35 zu einer zentralen Aufnahme 40 des Innenrotors 23. Die zweiten Druckmittelleitung 38b erstrecken sich ausgehend von den zweiten Druckkammern 36 ebenfalls zu der zentralen Aufnahme 40. Die Druckmittelleitungen 38a,b sind in Figur 2a aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für zwei Druckräume 33 dargestellt.
  • Zur Druckmittelbeaufschlagung der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 sind Steuerleitungen 48 vorgesehen, die sich ausgehend von einer ersten Ringnut 50 in der zentralen Aufnahme 40 des Innenrotors 23 über den ersten Seitendeckel 24 zu den Kulissen 45 erstrecken. Dabei kommuniziert die erste Ringnut 50 in jeder Phasenlage der Vorrichtung 10 mit den Kulissen 45.
  • Innerhalb der Aufnahme 40 des Innenrotors 23 ist ein Steuerventil 37 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist das Steuerventil 37 in einer hohl ausgebildeten Nockenwelle 6,7 aufgenommen, die die Aufnahme 40 des Innenrotors 23 durchgreift. Dabei ist der Innenrotor 23, beispielsweise mittels einer kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung mit der Nockenwelle 6,7 drehfest verbunden.
  • Das Steuerventil 37 weist einen ersten und einen zweiten Arbeitsanschluss A, B, einen Zulaufanschluss P, einen dritten Arbeitsanschluss (Steueranschluss S) und Ablaufanschlüsse T, Ta auf. Über den Zulaufanschluss P kann dem Steuerventil 37 von einer Druckmittelpumpe 47 Druckmittel zugeführt werden. Der erste bzw. zweite Arbeitsanschluss A, B kommuniziert mit den ersten bzw. zweiten Druckmittelleitungen 38a,b. Der Steueranschluss S kommuniziert mit den Steuerleitungen 48. Über die Ablaufanschlüsse T, Ta kann Druckmittel von dem Steuerventil 37 zu einem Tank 49 abgeführt werden.
  • Des Weiteren kann das Steuerventil 37 in vier Steuerstellungen S1-S4 überführt werden (Figur 2a). In der ersten Steuerstellung S1 kommuniziert der zweite Arbeitsanschluss B mit dem Zulaufanschluss P, während sowohl der erste Arbeitsanschluss A als auch der Steueranschluss S mit den Ablaufanschlüssen T, Ta verbunden sind. Diese Steuerstellung S1 wird während der Startphase der Brennkraftmaschine 1 eingenommen. In dieser Phase ist die hydraulische Einspannung der Flügel 27 innerhalb der Druckräume 33 auf Grund zu geringen Systemdrucks im Allgemeinen nicht gewährleistet. Da die Kulissen 45 beider Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 über die Steuerleitungen 48, und das Steuerventil 37 mit dem Tank 49 verbunden sind, nehmen beide Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung 42, 43 den eingeriegelten Zustand ein. Somit ist der Innenrotor 23 mechanisch mit dem Außenrotor 22 verbunden, wodurch die Phasenlage in der Verriegelungsposition fixiert ist. Da in dieser Stellung des Steuerventil 37 die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 nicht mit der Druckmittelpumpe 47 sondern dem Tank 49 verbunden sind, besteht nicht die Gefahr einer ungewollten Entriegelung. Dadurch wird die Startfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 gesichert und gleichzeitig die Abgasemissionen verringert.
  • Die Steuerstellungen S2-S4 des Steuerventils 37 stellen die Regelstellungen der Vorrichtung 10 dar, in denen eine Verstellung in Richtung später Steuerzeiten (zweite Steuerstellung S2) oder eine Verstellung in Richtung früher Steuerzeiten (vierte Steuerstellung S4) erfolgt oder der Steuerzeiten konstant gehalten werden (dritte Steuerstellung S3). In diesen Steuerstellungen S2-S4 sind die Kulissen 45 der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 über die Steuerleitungen 48 und das Steuerventil 37 mit der Druckmittelpumpe 47 verbunden. Somit liegt an der Stirnseite der Verriegelungsstifte 44 Systemdruck an, wodurch die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 den entriegelten Zustand einnehmen und eine Phasenverstellung des Innenrotors 23 zum Außenrotor 22 zulassen.
  • In der zweiten Steuerstellung S2 kommunizieren sowohl der zweite Arbeitsanschluss B als auch der Steueranschluss S mit dem Zulaufanschluss P, während der erste Arbeitsanschluss A dem Ablaufanschluss T verbunden ist. Somit wird über das Steuerventil 37 und den zweiten Druckmittelleitungen 38b den zweiten Druckkammern 36 Druckmittel von der Druckmittelpumpe 47 zugeführt. Gleichzeitig erfolgt ein Abfluss von Druckmittel aus den ersten Druckkammern 35 über die ersten Druckmittelleitungen 38a und das Steuerventil 37 zu dem Tank 49. Somit werden die Flügel 27 innerhalb der Druckräume 33 in Richtung der Spätanschläge 34b bewegt. Daraus resultiert eine relative Änderung der Phasenlage der Nockenwelle 6, 7 zur Kurbelwelle 2 in Richtung später Steuerzeiten.
  • In der dritten Steuerstellung S3 kommuniziert lediglich der Steueranschluss S mit dem Zulaufanschluss P, während der erste und der zweite Arbeitsanschluss A, B weder mit dem Tank 49 noch mit den Ablaufanschlüssen T, Ta verbunden sind. Somit wird Druckmittel weder zu den Druckkammern 35, 36 geleitet noch von diesen abgeführt. Die Flügel 27 sind hydraulisch eingespannt, wodurch die Phasenlage des Innenrotors 23 zum Außenrotor 22 und damit der Nockenwelle 6,7 zur Kurbelwelle 2 fixiert ist.
  • In der vierten Steuerstellung S4 kommunizieren sowohl der erste Arbeitsanschluss A als auch der Steueranschluss S mit dem Zulaufanschluss P, während der zweite Arbeitsanschluss B dem Ablaufanschluss T verbunden ist. Somit wird über das Steuerventil 37 und den ersten Druckmittelleitungen 38a den ersten Druckkammern 35 Druckmittel von der Druckmittelpumpe 47 zugeführt. Gleichzeitig erfolgt ein Abfluss von Druckmittel aus den zweiten Druckkammern 36 über die zweiten Druckmittelleitungen 38b und das Steuerventil 37 zu dem Tank 49. Somit werden die Flügel 27 innerhalb der Druckräume 33 in Richtung der Frühanschläge 34a bewegt. Daraus resultiert eine relative Änderung der Phasenlage der Nockenwelle 6, 7 zur Kurbelwelle 2 in Richtung früher Steuerzeiten.
  • Das Steuerventil 37 ist in den Figuren 3a-d dargestellt. Es besteht aus einer nicht dargestellten Stelleinheit und einem Hydraulikabschnitt 51. Der Hydraulikabschnitt 51 besteht aus einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten Ventilgehäuse 52 und einem Steuerkolben 54. Das Ventilgehäuse 52 trägt die Anschlüsse A, B, P, S, T, Ta. Mit Ausnahme des axialen Ablaufanschlusses Ta sind die Anschlüsse A, B, P, S, T als Öffnungen in der zylindrischen Wandung des Ventilgehäuse 52 ausgeführt, die in Ringnuten münden, die an der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses 52 ausgebildet sind. Die Arbeitsanschlüsse A, B kommunizieren über Öffnungen in der Nockenwelle 6, 7 mit den ersten bzw. zweiten Druckmittelleitungen 38a, b. Der Steueranschluss S kom-bzw. zweiten Druckmittelleitungen 38a, b. Der Steueranschluss S kommuniziert über Öffnungen in der Nockenwelle 6, 7 mit der ersten Ringnut 50 des Innenrotors 23, in die die Steuerleitungen 48 münden.
  • Der Ablaufanschluss T kommuniziert über weitere Öffnungen in der Nockenwelle 6, 7 mit einer zweiten Ringnut 53, die in der Aufnahme 40 des Innenrotors 23 ausgebildet ist. Dabei steht die zweite Ringnut 53 über eine Axialbohrung 39 in Verbindung mit dem Äußeren der Stellvorrichtung 11
  • Die Anschlüsse A, B, P, S, T sind axial zueinander versetzt und in der Reihenfolge Zulaufanschluss P, erster Arbeitsanschluss A, Ablaufanschluss T, zweiter Arbeitsanschluss B, Steueranschluss S angeordnet. Dabei sind abgesehen von dem Zulaufanschluss P alle Anschlüsse innerhalb der Aufnahme 40 angeordnet (Figur 2b). Der Zulaufanschluss P ragt in axialer Richtung aus der Stellvorrichtung 11 heraus. Dadurch kann dem Steuerventil 37 das Druckmittel außerhalb der Stellvorrichtung 11 zugeführt werden. Somit entfällt die Notwendigkeit innerhalb des Innenrotors 23 ein Zuleitung vorzusehen, über die das Druckmittel zu dem Steuerventil 37 gelangt Dadurch wird die Architektur des Innenrotors 23 erheblich vereinfacht.
  • Der axiale Ablaufanschluss Ta ist als axiale Öffnung des Ventilgehäuses 52 ausgebildet.
  • Der Steuerkolben 54 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführt und innerhalb des Ventilgehäuses 52 axial verschiebbar angeordnet. Dabei kann die axiale Position des Steuerkolbens 54 mittels der nicht dargestellten Stelleinheit stufenlos eingestellt werden. Die Stelleinheit wirkt gegen die Kraft einer Feder 55, die den Steuerkolben 54 in einen Ausgangsstellung bewegt, wenn die Stelleinheit inaktive ist. Die Feder 55 stützt sich an einem Federblech 55a ab, welches in der axialen Öffnung befestigt ist, die den axialen Ablaufanschluss Ta bildet. Die Stelleinheit 50 kann beispielsweise als elektrische Stelleinheit ausgebildet sein.
  • Der Steuerkolben 54 weist vier axial voneinander beabstandete Steuerräume 56a,b,c,d auf. Die Steuerräume 56a,b,c,d sind in der dargestellten Ausführungsform als Ringnuten in der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 54 ausgebildet. Mit Ausnahme des vierten Steuerraums 56d kommunizieren die Steuerräume 56a,b,c über Kolbenöfifnungen 57a,b,c mit dem Inneren des Steuerkolbens 54. Die Steuerräume 56a-d sind jeweils durch zwei Ringstege 58a-e begrenzt. Dabei begrenzt der erste Ringsteg 58a den ersten Steuerraum 56a in Richtung des axialen Ablaufanschlusses Ta und der fünfte Ringsteg 58e den Zulaufanschluss P in Richtung der nicht dargestellten Stelleinheit. Der zweite Ringsteg 58b trennt den ersten Steuerraum 56a von dem vierten Steuerraum 56d. Der dritte Ringsteg 58c trennt den vierten Steuerraum 56d von dem zweiten Steuerraum 56b. Der vierte Ringsteg 58d trennt den zweiten Steuerraum 56b von dem dritten Steuerraum 56c.
  • Abhängig von der relativen Position des Steuerkolbens 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52 kommunizieren die Steuerräume 56a-d mit verschiedenen Anschlüssen A, B, P, S, T, Ta.
  • Der erste Steuerraum 56a ist derart angeordnet, dass eine Kommunikation mit dem zweiten Arbeitsanschluss B und dem Steueranschluss S hergestellt werden kann.
  • Der zweite Steuerraum 56b ist derart angeordnet, dass eine Kommunikation mit dem ersten Arbeitsanschluss A hergestellt werden kann.
  • Der dritte Steuerraum 56c kommuniziert in jeder Stellung des Steuerkolbens 54 mit dem Zulaufanschluss P.
  • Der vierte Steuerraum 56d ist derart angeordnet, dass eine Kommunikation mit dem zweiten Arbeitsanschluss B oder dem ersten Arbeitsanschluss A hergestellt werden kann. Dabei kommuniziert der vierte Steuerraum 56d immer mit dem Ablaufanschluss T.
  • Anhand der Figuren 3a-d wird die Funktion des Steuerventils 37 erläutert. Die Figuren unterscheiden sich in der relativen Position des Steuerkolbens 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52. In Figur 3a ist das Steuerventil 37 in einem Zustand dargestellt in der die Stelleinheit inaktiv ist. Die Feder 55 drängt den Steuerkolben 54 in Ausgangsposition, in der dieser an einem ersten Anschlag 59 anliegt. In den folgenden Figuren 3b-c ist der Steuerkolben 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52 um eine ansteigende Wegstrecke gegen die Kraft der Feder 55 versetzt.
  • In dem in Figur 3a dargestellten Zustand des Steuerventils 37 gelangt Druckmittel über den Zulaufanschluss P den dritten Steuerraum 56c und die dritten Kolbenöffnungen 57c in das Innere des Steuerkolbens 54. Von dort gelangt das Druckmittel über die ersten Kolbenöffnungen 57a und den ersten Steuerraum 56a zu dem zweiten Arbeitsanschluss B. Gleichzeitig wird von dem zweiten bzw. dritten Ringsteg 58b,c ein Druckmittelfluss zu dem Steueranschluss S bzw. dem ersten Arbeitsanschluss A gesperrt. Der erste Arbeitsanschluss A ist mittels des vierten Steuerraums 56d mit dem Ablaufanschluss T und der Steueranschluss S mit dem axialen Ablaufanschluss Ta verbunden.
  • Druckmittel gelangt folglich von der Druckmittelpumpe 47 über das Steuerventil 37 zu den zweiten Druckkammern 36, während Druckmittel von den Kulissen 45 und den ersten Druckkammern 35 zu dem Tank 49 abgeführt wird. Die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 befinden sich folglich in dem eingeriegelten Zustand und verhindern somit eine Phasenverstellung des Innenrotors 23 relativ zum Außenrotor 22.
  • In Figur 3b ist der Steuerkolben 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52 um den Weg x1 gegen die Kraft der Feder 55 ausgelenkt. Druckmittel, welches dem Steuerventil 37 über den Zulaufanschluss P zugeführt wird, gelangt über das Innere des Steuerkolbens 54 zu dem ersten Steuerraum 56a und von dort zu dem zweiten Arbeitsanschluss B und dem Steueranschluss S. Gleichzeitig wird von dem dritten Ringsteg 58c ein Druckmittelfluss zu dem ersten Arbeitsanschluss A gesperrt. Der erste Arbeitsanschluss A ist mittels des vierten Steuerraums 56d weiterhin mit dem Ablaufanschluss T verbunden. Der erste Ringsteg 58a trennt den Steueranschluss S von dem axialen Ablaufanschluss Ta. Druckmittel gelangt folglich von der Druckmittelpumpe 47 über das Steuerventil 37 zu den zweiten Druckkammern 36 und den Kulissen 45, während Druckmittel von den ersten Druckkammern 35 zu dem Tank 49 abgeführt wird.
  • Somit sind die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 in den entriegelten Zustand überführt. Gleichzeitig findet durch den Druckmittelfluss zu den zweiten Druckkammern 36 und den Druckmittelabfluss von den ersten Druckkammern 35 eine Phasenverstellung in Richtung später Steuerzeiten statt
  • In Figur 3c ist der Steuerkolben 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52 um den Weg x2 > x1 gegen die Kraft der Feder 55 ausgelenkt. Druckmittel, welches dem Steuerventil 37 über den Zulaufanschluss P zugeführt wird, gelangt über das Innere des Steuerkolbens 54 zu dem ersten Steuerraum 56a und von dort zu dem Steueranschluss S. Gleichzeitig wird von dem zweiten bzw. dritten Ringsteg 58b,c ein Druckmittelfluss zu beiden Arbeitsanschlüssen A, B gesperrt. Gleichzeitig sperren der zweite und der dritte Ringsteg 58b,c die Verbindung zwischen jedem der Arbeitsanschlüsse A,B und dem Ablaufanschluss T. Der erste Ringsteg 58a trennt weiterhin den Steueranschluss S von dem axialen Ablaufanschluss Ta.
  • Druckmittel gelangt folglich von der Druckmittelpumpe 47 über das Steuerventil 37 zu den Kulissen 45, während den Druckkammern 35, 36 weder Druckmittel zugeführt, noch von diesen abgeführt wird. Die Stellvorrichtung 11 ist somit hydraulisch eingespannt, d.h. es findet keine Phasenverstellung zwischen dem Innenrotor 23 und dem Außenrotor 22 statt.
  • In Figur 3d ist der Steuerkolben 54 relativ zu dem Ventilgehäuse 52 um den Weg x3 > x2 gegen die Kraft der Feder 55 ausgelenkt. Druckmittel, welches dem Steuerventil 37 über den Zulaufanschluss P zugeführt wird, gelangt über das Innere des Steuerkolbens 54 zu dem ersten Steuerraum 56a und von dort zu dem Steueranschluss S. Gleichzeitig gelangt das Druckmittel über das Innere des Steuerkolbens 54 und die zweiten Kolbenöffnungen 57b in den zweiten Steuerraum 56b und von dort zu dem ersten Arbeitsanschluss A. Eine Verbindung zwischen dem Zulaufanschluss P und dem zweiten Arbeitsanschluss B wird durch den zweiten Ringsteg 58b gesperrt. Ebenso ist ein Druckmittelfluss von dem ersten Arbeitsanschluss A zu dem Ablaufanschluss T durch den dritten Ringsteg 58 c gesperrt. Der zweite Arbeitsanschluss B ist mittels des vierten Steuerraums 56d mit dem Ablaufanschluss T verbunden. Der erste Ringsteg 58a trennt weiterhin den Steueranschluss S von dem axialen Ablaufanschluss Ta.
  • Druckmittel gelangt folglich von der Druckmittelpumpe 47 über das Steuerventil 37 zu den ersten Druckkammern 35 und den Kulissen 45, während Druckmittel von den zweiten Druckkammern 36 zu dem Tank 49 abgeführt wird.
  • Somit sind die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 in den entriegelten Zustand überführt. Gleichzeitig findet durch den Druckmittelfluss zu den ersten Druckkammern 35 und den Druckmittelabfluss von den zweiten Druckkammern 36 eine Phasenverstellung in Richtung später Steuerzeiten statt.
  • Das dargestellte Steuerventil 37 dient zum einen der Regelung der Phasenlage des Innenrotors 23 relativ zum Außenrotor 22. Des Weiteren können die Verriegelungszustände der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42,43 über einen separaten Steueranschluss S gesteuert werden. Durch die Trennung des Steueranschlusses S von den Arbeitsanschlüsse A, B wird die Gefahr des ungewollten Ein- bzw. Entriegelns der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtungen 42, 43 verringert. Zusätzlich kann die Steuerlogik bezüglich des Steueranschlusses S unabhängig von denen der Arbeitsanschlüsse A, B ausgeführt und somit auf die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden. Durch die Druckmittelzufuhr zu einem der Arbeitsanschlüsse B und zu dem Steueranschluss S über einen gemeinsamen Steuerraum 56a wird die Struktur des Steuerkolbens 54 vereinfacht. Statt der im Stand der Technik benötigten fünf bzw. sechs Steuerräume, weist das Steuerventil 37 nur vier Steuerräume 56a-d bei gleicher Funktionalität auf. Dies führt zu einer signifikanten Vereinfachung des Steuerkolbens 54. Des Weiteren ist die Anzahl der aufwändig herzustellenden Steuerkanten (Begrenzungen der Steuerräume 56a-d) auf ein Minimum verringert. Somit kann der Steuerkolben 54 kostengünstiger und prozesssicherer hergestellt werden. Des Weiteren kann der Steuerkolben 54 in axialer Richtung kürzer ausgelegt werden, wodurch der Bauraumbedarf des Steuerventils 37, das in Bauraumkritischen Bereichen der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, erheblich reduziert werden. Dies gilt sowohl für Ausführungsformen als Einsteckventil (Anordnung des Steuerventils 37 außerhalb der Stellvorrichtung 11), in denen die Stelleinheit und der Hydraulikabschnitt 51 miteinander verbunden sind, als auch für Zentralventilanwendungen (Figur 2b), in denen der Hydraulikabschnitt 51 getrennt von der Stelleinheit ausgebildet und in der Aufnahme 40 der Stelleinheit 11 angeordnet ist.
  • Denkbar sind auch Ausführungsformen, in denen der erste Arbeitsanschluss A und der Steueranschluss S vertauscht angeordnet sind.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kurbelwelle
    3
    Kolben
    4
    Zylinder
    5
    Zugmitteltrieb
    6
    Einlassnockenwelle
    7
    Auslassnockenwelle
    8
    Nocken
    9a
    Einlassgaswechselventil
    9b
    Auslassgaswechselventil
    10
    Vorrichtung
    11
    Stellvorrichtung
    12
    Hydrauliksystem
    21
    Kettenrad
    22
    Außenrotor
    23
    Innenrotor
    24
    Seitendeckel
    25
    Seitendeckel
    26
    Nabenelement
    27
    Flügel
    28
    Flügelnuten
    29
    Umfangswand
    30
    -
    31
    Axialöffnung
    32
    Befestigungselement
    33
    Druckraum
    34
    Begrenzungswand
    34a
    Frühanschlag
    34b
    Spätanschlag
    35
    erste Druckkammer
    36
    zweite Druckkammer
    37
    Steuerventil
    38a
    erste Druckmittelleitung
    38b
    zweite Druckmittelleitung
    39
    Axialborung
    40
    Aufnahme
    41
    Verriegelungsmechanismus
    42
    Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung
    43
    Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung
    44
    Verriegelungsstift
    45
    Kulisse
    46
    Federelement
    47
    Druckmittelpumpe
    48
    Steuerleitung
    49
    Tank
    50
    erste Ringnut
    51
    Hydraulikabschnitt
    52
    Ventilgehäuse
    53
    zweite Ringnut
    54
    Steuerkolben
    55
    Feder
    55a
    Federblech
    56a
    erster Steuerraum
    56b
    zweiter Steuerraum
    56c
    dritter Steuerraum
    56d
    vierter Steuerraum
    57a
    erste Kolbenöffnung
    57b
    zweite Kolbenöffnung
    57c
    dritte Kolbenöffnung
    58a
    erster Ringsteg
    58b
    zweiter Ringsteg
    58c
    dritter Ringsteg
    58d
    vierter Ringsteg
    58e
    fünfter Ringsteg
    59
    Anschlag
    A
    erster Arbeitsanschluss
    B
    zweiter Arbeitsanschluss
    P
    Zulaufanschluss
    S
    Steueranschluss T Ablaufanschluss
    Ta
    axialerAblaufanschluss
    x1-x4
    Auslenkung
    S1
    erste Steuerstellung
    S2
    zweite Steuerstellung
    S3
    dritte Steuerstellung
    S4
    vierte Steuerstellung

Claims (12)

  1. Vorrichtung (10) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9a, 9b) einer Brennkraftmaschine (1) mit
    - einem Antriebselement (22), einem Abtriebselement (23), einer Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung (42, 43) und einem Steuerventil (37),
    - wobei zumindest zwei gegeneinander wirkende Druckkammern (35, 36) vorgesehen sind,
    - wobei durch Druckmittelbeaufschlagung einer der Druckkammern (35, 36) bei gleichzeitiger Entleerung der andern Druckkammer (35, 36) eine Phasenverstellung zwischen dem Abtriebselement (23) und dem Antriebselement (22) hervorgerufen werden kann,
    - wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung (42, 43) in einem eingeriegelten Zustand eine Änderung der Phasenlage verhindert,
    - wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung (42, 43) in einem entriegelten Zustand eine Änderung der Phasenlage zulässt,
    - wobei die Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung (42, 43) durch Druckmittelbeaufschlagung von dem eingeriegelten in den entriegelten Zustand überführt werden kann,
    - wobei das Steuerventil (37) ein Ventilgehäuse (52) und einen Steuerkolben (54) aufweist,
    - wobei an dem Ventilgehäuse (52) zumindest jeweils ein Zulaufanschluss (P), ein Ablaufanschluss (T), ein erster und ein zweiter Arbeitsanschluss (A, B) und ein dritter Arbeitsanschluss (Steueranschluss (S)) ausgebildet sind,
    - wobei der Zulaufanschluss (P) mit einer Druckmittelquelle (47), der Ablaufanschluss (T) mit einem Tank (49), der Steueranschluss (S) mit der Drehwinkelbegrenzungsvorrichtung (42, 43) und der erste und der zweite Arbeitsanschluss (A, B) mit jeweils einer der Druckkammern (35, 36) verbunden ist und
    - wobei die Arbeitsanschlüsse (A, B, S) axial zueinander versetzt und nicht überlappend an dem Ventilgehäuse (52) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
    - an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens (54) ein erster Steuerraum (56a) ausgebildet ist, über den zwei der Arbeitsanschlüsse (A, B, S), die direkt benachbart angeordnete sind, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens (54) innerhalb des Ventilgehäuses (52), wahlweise mit dem Zulaufanschluss (P) verbunden oder von diesem getrennt werden können.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (54) Stellungen relativ zum Ventilgehäuse (52) einnehmen kann, in denen die direkt benachbarten Arbeitsanschlüsse (A, B, S) gleichzeitig mit dem ersten Steuerraum (56a) kommunizieren.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens (54) ein zweiter Steuerraum (56b) ausgebildet ist, über den der Arbeitsanschluss (A,B,S), der nicht direkt mit dem ersten Steuerraum (56a) kommuniziert, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens (54) innerhalb des Ventilgehäuses (52), wahlweise mit dem Zulaufanschluss (P) verbunden oder von diesem getrennt werden kann.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (54) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (52) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsanschlüsse (A, B) und der Steueranschluss (S) als radiale Öffnungen in dem Ventilgehäuse ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (A, B, P, S, T) axial zueinander versetzt und in der Reihenfolge Zulaufanschluss (P), erster Arbeitsanschluss (A), Ablaufanschluss (T), zweiter Arbeitsanschluss (B), Steueranschluss (S) oder Zulaufanschluss (P), Steueranschluss (S), Ablaufanschluss (T), zweiter Arbeitsanschluss (B), erster Arbeitsanschluss (A) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (37) in einer zentralen Aufnahme (40) des Abtriebselements (23) angeordnet ist, wobei der Zulaufanschluss (P) in axialer Richtung außerhalb des Abtriebselements (23) und des Antriebselements (22) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (54) hohl ausgebildet ist und das Innere des Steuerkolbens (54) zumindest mit dem Zulaufanschluss (P) und dem ersten Steuerraum (56a) kommuniziert.
  10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens (54) ein dritter Steuerraum (56c) ausgebildet ist, der in das Innere des Steuerkolbens (54) mündet und in jeder Stellung des Steuerkolbens (54) relativ zu dem Ventilgehäuse (52) mit dem Zulaufanschluss (P) kommuniziert.
  11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens (54) ein vierter Steuerraum (56d) ausgebildet ist, über den einer der benachbarten Arbeitsanschlüsse (A,B,S), und der Arbeitsanschluss (A,B,S), der nicht direkt mit dem ersten Steuerraum (56a) kommuniziert, abhängig von der Stellung des Steuerkolbens (54) innerhalb des Ventilgehäuses (52), wahlweise mit dem Ablaufanschluss (T) verbunden oder von diesem getrennt werden kann.
  12. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1, 3, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerräume (56a-d) als Ringnut an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens (54) ausgebildet sind.
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