DE10326886A1 - Nockenwellensteller für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Nockenwellensteller (1) für eine Brennkraftmaschine, der im Antrieb einer Kurbelwelle für eine Nockenwelle (2) liegt und gegen diese über eine Schraubverbindung verspannt ist, deren Schraubschaft (12) zentral einen axial verschiebbaren Steuerkolben (11) zur Steuerung der Ölfversorgung des Nockenwellenstellers (1) aufnimmt, welcher von einer elektromagnetischen Einrichtung (5) beaufschlagbar ist und die zur Verstellung gegeneinander verdrehbaren Übertragungsteile (17, 18) des Nockenwellenstellers (1) trägt. DOLLAR A Um einen Nockenwellensteller (1) zu schaffen, der unabhängig vom Druckmitteldruck der Brennkraftmaschine hohe Stellgeschwindigkeiten zur Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Steuerkolben (11) zusätzlich zur Steuerung der Ölversorgung als Ölpumpe einsetzbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Nockenwellensteller für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Rohemissionen sowie zur Erhöhung von Leistung und Drehmoment sind Ottomotoren in der Regel mit Nockenwellenverstellern ausgestattet. Diese verändern die Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Derzeit kommen meist hydraulische Flügelzellenversteller mit Arbeitskammern zum Einsatz. Die Verstellung wird durch den gesteuerten Eintritt von Öl aus dem Motorkreislauf über ein Steuerventil in die Kammern der Flügelzellen vorgenommen. Das Steuerventil wird durch einen Proportionalmagneten bewegt.
- Aus der
DE 198 17 319 C2 ist ein derartiger Nockenwellensteller bekannt, der im Antrieb einer Nockenwelle von der Kurbelwelle liegt. Der Nockenwellensteller weist einen zur Nockenwelle drehfesten Innenkörper, der von einer zentralen Spannschraube durchsetzt und über diese axial gegen die Nockenwelle verspannbar ist, und einen gegenüber dem Innenkörper verdrehbaren Außenkörper, über den die Antriebsverbindung zur Kurbelwelle läuft, auf. Zwischen dem Innenkörper und dem Außenkörper ist ein Aufnahmeraum für hydraulisch beaufschlagbare Stellmittel zur Verdrehung des Außenkörpers gegenüber dem Innenkörper vorgesehen. Den Stellmitteln ist eine Steuereinrichtung mit einem als Steuerschieber ausgebildeten Mehrwegeventil zugeordnet, wobei das Ventil in die Spannschraube integriert ist, welche als Gehäuse eine axiale Aufnahme für den axial verschiebbaren Steuerschieber bildet. Der Steuerschieber ist mit dem Anker eines gehäusefest angeordneten, einen Stellmagneten umfassenden Stellantrieb verbunden. - Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die
DE 196 11 365 C2 , dieDE 196 54 926 C2 und dieDE 199 44 535 C1 verwiesen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellensteller zu schaffen, der unabhängig vom Druckmitteldruck der Brennkraftmaschine hohe Stellgeschwindigkeiten zur Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der bisher nur zur steuerung der Ölversorgung des Nockenwellenstellers zuständige Steuerkolben nun zusätzlich zum Pumpen verwendbar ist. D.h. der Steller besitzt somit eine eigene Ölpumpe und ist damit vom Motoröldruck unabhängig. Eine Verstellung ist jederzeit möglich, wobei die gewählte Auslegung die Stellgeschwindigkeit erhöht.
- Vorteilhafterweise wird ein Nockenwellensteller mit Flügelradprinzip eingesetzt. Um einen großen Stellbereich des Stellers zu ermöglichen, sind nur drei Flügel an den Rädern des Stellers vorgesehen. Um den Steuerkolben zu betätigen, sind zwei einzelne Elektromagneten vorgesehen, die gemäß dem Prinzip eines Einmassen-Federschwingers durch wechselseitige Bestromung über einen Anker den Steuerkolben vor- und zurückbewegen, wobei der Steuerkolben durch zwei Federn bei unbestromten Magneten in der Mittelstellung gehalten wird. Im Betrieb fliegt der Steuerkolben nach dem Lösen des Ankers vom ersten Magneten durch die in den Federn gespeicherte Energie in Richtung Gegenseite. Durch Zuschalten des zweiten Magneten werden die Energieverluste durch Reibung und Nutzarbeit der Pumpe ausgeglichen.
- Vorteilhafterweise ermöglicht es die Spiralfeder bei entsprechender Auslegung, den Steller im drucklosen Zustand in eine beliebige Zwischenposition (Notlaufstellung) zu bringen. Gegenüber dem elektrischen Nockenwellensteller sind hierbei erhebliche energetische Vorteile zu erwarten. Bei der bekannten Ausführung mit Summiergetriebe stützt sich stets ein Teil des Rückstellmomentes am Stellmotor ab und erfordert auch bei konstanter Phasenlage dessen ständige Bestromung. Da das Moment der Rückstellfeder das Lastmoment der Nockenwelle überschreiten muss, sind mindestens doppelt so starke Elektromotoren erforderlich. Der hydraulische Steller arbeitet nur während des Stellvorganges gegen die Feder. Bei konstanter Phasenlage ist er verriegelt und muss nur die Leckageverluste ergänzen.
- Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
- In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel erläutert, und zwar zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellensteller, der in Verlängerung zur Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angeordnet und von einem Steuergehäuse aufgenommen wird, wobei der Nockenwellensteller einen Steuerkolben aufweist, der von einer elektromagnetischen Einrichtung mittels eines Ankers beaufschlagt wird, -
2 einen Schnitt gemäß Linie I-I in1 , in vereinfachter Darstellung, -
3 den vereinfacht dargestellten Nockenwellensteller in Neutralstellung, wobei der Anker und der Steuerkolben durch Federn in Mittelstellung gehalten werden, -
4 den Nockenwellensteller in Haltestellung bzw. in der Stellung nach Anschwingen des Systems, wobei der Anker an einem Magneten und der Steuerkolben an einem Anschlag der Zentralschraube des Nockenwellenstellers anliegt, -
5 den Nockenwellensteller beim Ansaugvorgang, wobei der Steuerkolben beim Lösen des Ankers vom Magneten durch die Federkraft einer der Druckfedern in Richtung des anderen Magneten beschleunigt wird, -
6 den Nockenwellenversteller beim Pump- bzw. Füllvorgang, wobei sich Anker und Steuerkolben entgegensetzt der Ansaugrichtung bewegen, -
7 den Nockenwellenversteller beim Entleerungsvorgang, wobei der Anker am ersten Magneten anliegt. - Der Nockenwellensteller gemäß den
1 bis7 ist insgesamt mit 1 bezeichnet und in Zuordnung zu einer Nockenwelle2 einer Brennkraftmaschine dargestellt, die hier nur schematisiert angedeutet und mit3 bezeichnet ist. An der dem dargestellten Ende der Nockenwelle2 zugeordneten Stirnseite der Brennkraftmaschine ist ein Steuergehäuse vorgesehen, das weitgehend nur schematisiert angedeutet und mit4 bezeichnet ist. An diesem Steuergehäuse4 ist in axialer Verlängerung zur Nockenwelle2 , und dieser gegenüberliegend, eine dem Nockenwellensteller1 zugeordnete elektromagnetische Einrichtung5 vorgesehen, die durch einen ersten Elektromagneten6 und einem zweiten Elektromagneten7 sowie einem zwischen den beiden Elektromagneten6 ,7 verschiebbar angeordneten Anker8 mit Ankerstössel9 gebildet ist und die von außen über einen Träger10 auf den der Brennkraftmaschine3 gegenüberliegenden Steuergehäusedeckel4a aufgeschraubt ist. - Die elektromagnetische Einrichtung
5 wirkt über den Ankerstössel9 des Ankers8 auf einen Steuerkolben11 , der in eine Zentralschraube als Spannschraube12 integriert ist, über die der Nockenwellensteller1 stirnseitig auf die Nockenwelle2 aufgeschraubt ist, wobei die Spannschraube12 mit dem Steuerkolben11 des Nockenwellenstellers1 sowie der elektromagnetischen Einrichtung5 koaxial zur Nockenwelle2 liegt. Der Ankerstössel9 weist an seinem dem Anker8 entgegengestzten Ende einen Federteller13 auf. Zwischen dem Federteller13 und dem zweiten Elektromagneten7 der elektromagnetischen Einrichtung5 ist eine erste Druckfeder14 angeordnet. Der Steuerkolben11 sitzt in einer in der Spannschraube12 eingebrachten Ausnehmung15 , welche sich an ihrem der elektrischen Einrichtung5 zugewandten Ende verbreitert und zusammen mit dem Steuerkolben11 einen Federraum ausbildet. In diesem Federraum15 ist eine zweite Druckfeder16 angeordnet, die sich an ihrem einen Ende an der Spannschraube12 und an ihrem anderen Ende an einem am Steuerkolben11 angeformten Bund11a abstützt. Bei Wegfall einer oder beider Federn14 ,16 wird der Steuerkolben11 ausschließlich durch die beiden Hubmagnete6 ,7 bewegt. - Der Nockenwellensteller
1 weist zwei zur Verstellung gegeneinander verdrehbare Übertragungsteile auf, einen Innenkörper17 und einen Außenkörper18 . Der Innenkörper17 sitzt, gegen die Nockenwelle2 axial verspannt, auf der Spannschraube12 . Dem Innenkörper17 ist der Außenkörper18 zugeordnet, der an seinem Außenumfang Verzahnungen18a aufweist, über die, in bezogen auf Drehrichtung und Drehzahl fester Zuordnung, die Nockenwelle2 von der hier nicht dargestellten Kurbelwelle der angedeuteten Brennkraftmaschine3 angetrieben wird. Anstelle des hier angedeuteten und angesprochenen Kettentriebes können selbstverständlich auch andere Antriebsverbindungen treten, wie beispielsweise Zahnriemenantriebe oder auch Zahnradantriebe. - Gemäß
2 weist der Außenkörper18 über seinen Umfang verteilt radial nach innen ragende Stellmittel in Form von Kolbenflügeln19 , denen seitens des Innenkörpers17 als Stellmittel Gegenflügel20 zugeordnet sind, wobei jeweils zwei Gegenflügel20 einen Aufnahmeraum21 in Form eines Ringsektors begrenzen, in dem ein Kolbenflügel19 des Außenkörpers18 liegt, wobei der Außenkörper18 mit seinen ihm zugeordneten Kolbenflügeln19 quasi einen Flügelrotor bildet, der gegenüber dem Innenkörper17 über einen Winkelbereich verstellbar ist, welcher durch die Gegenflügel20 eines Aufnahmeraumes21 begrenzt ist. - Innerhalb des jeweiligen Aufnahmeraumes
21 begrenzen Kolbenflügel19 und Gegenflügel20 jeweils zwei Arbeitskammern22 und23 , die hydraulisch beaufschlagbar sind, und zwar gesteuert über den Steuerkolben11 , wobei die Arbeitskammer23 in der dargestellten Stellung von Kolbenflügel19 und Gegenflügel20 aus einem Spalt besteht. - Die Zuführung von Druckmittel auf die jeweilige Arbeitskammer
22 ,23 erfolgt aus der Nockenwelle2 . Ausgehend hiervon führt ein in der Spannschraube12 angeordneter Axialkanal24 zu einer Verdichtungskammer25 in der Spannschraube12 und von dort zu in der Spannschraube12 eingebrachten Radialbohrungen26 . Sowohl im Axialkanal24 als auch in den Radialbohrungen26 ist jeweils ein Rückschlagventil27 ,28 eingebracht, wobei das Rückschlagventil des Axialkanals24 als Ansaugventil27 und die Rückschlagventile der Radialbohrungen26 als Pumpventile28 arbeiten. Die Radialbohrungen26 in der Spannschraube12 münden, wie in2 erkennbar, in einen Ringraum29 , der zwischen Spannschraube12 und Innenkörper17 angeordnet ist. Über den Ringraum29 gelangt das Druckmittel über in dem Innenkörper17 eingebrachte Radialkanäle30 in die jeweilige Arbeitskammer22 ,23 . - Die Abführung von Druckmittel aus der jeweiligen Arbeitskammer
22 ,23 erfolgt, wie in1 erkennbar, über eine Ringkanal31 , der zwischen Spannschraube12 und Innenkörper17 angeordnet ist. Ausgehend hiervon führen in der Spannschraube12 angeordnete Radialzuführungen32 zu mindestens einem Öleintritt33 im Steuerkolben11 , von wo aus das Druckmittel über einen im Steuerkolben11 angeordneten Hohlraum34 zu einem Ölaustritt35 im Steuerkolben11 gelangt. - Die Arbeitskammern
22 ,23 in den Aufnahmeräumen21 sind seitlich durch Ringdeckel36 ,37 geschlossen, die bei Ausbildung von Innenkörper17 und Aussenkörper18 als plane Scheiben mit zur Achse der Nockenwelle2 senkrechten Stirnseiten ebenfalls plan ausgebildet sind, wobei radial außen eine Abdichtung38 durch Ringdichtungen zwischen dem Innenkörper17 und den Ringdeckeln37 ,38 vorgesehen sein kann, gegebenenfalls, bei entsprechend feiner Bearbeitung, aufgrund der geringen Arbeitsdrücke auf eine gesonderte Dichtung aber auch verzichtet werden kann. Die Ringdeckel36 ,37 sind über axiale Spannschrauben39 gegen die Stirnflächen des Innenkörpers17 und des Außenkörpers18 anliegend gehalten. Vor dem der elektromagnetischen Einrichtung5 zugewandten Ringdeckel36 ist eine Spiralfeder40 angeordnet. Die Spiralfeder40 ist innen am Innenkörper17 und außen am Ringdeckel36 befestigt und kann so den Nockenwellensteller1 im drucklosen Zustand in eine Ausgangs- bzw. Notlaufposition zurückdrehen. - Die folgenden
3 bis7 zeigen in einer vereinfachten Darstellung des Nockenwellenstellers1 nur die im Innenkörper17 angeordnete Spannschraube12 , die den Steuerkolben11 aufnimmt, welcher über die elektromagnetische Einheit5 und die Druckfedern14 ,16 beaufschlagt wird, wobei nur die Druckfeder16 dargestellt ist. -
3 zeigt die der Startstellung der Brennkraftmaschine entsprechende Stellung des Nockenwellenstellers1 . Im stromlosen Zustand befinden sich Anker8 und Steuerkolben11 durch die Kraft der beiden Druckfedern14 ,16 in Mittelstellung, wobei alle druckmittelführenden Kanäle geschlossen sind. - Zum Ingangsetzen des Systems wird der Anker
8 gemäß4 zunächst in eine Endlage bzw. in einen Haltezustand gebracht, vorzugsweise ist dies die Anlage des Ankers8 am zweiten Magneten7 der elektromagnetischen Einrichtung5 und die Anlage des Steuerkolbens11 an einem Anschlag41 der Spannschraube12 . Der Anker8 kann durch das von elektromagnetischen Ventilsteuerungen bekannte Anschwingen in diese Endlage gebracht werden, indem die beiden Magnete6 ,7 wechselseitig mit der Eigenfrequenz des Systems bestromt werden, wodurch der Anker8 mit Hilfe der Druckfedern14 ,16 ins Schwingen gerät und von dem betreffenden Magneten7 dann eingefangen und gehalten wird. - Erfindungsgemäß kann der Steuerkolben
11 zusätzlich zur Steuerung der Ölversorgung als Ölpumpe eingesetzt werden, das bedeutet, dass die Zentralschraube12 gleichzeitig die Pump- und die Steuereinrichtung für den Nockenwellensteller1 enthält. - Beim Ansaugvorgang gemäß
5 wird der Anker 8 beim Loslassen des Ankers8 vom zweiten Magneten7 durch die Federkraft der Druckfeder14 in Richtung42 des ersten Magneten6 beschleunigt, wodurch der Steuerkolben11 vom Anschlag41 der Spannschraube12 wegbewegt wird. Durch das im Axialkanal24 der Zentralschraube12 angeordnete Ansaugventil27 wird Druckmittel, im vorliegenden Fall Motoröl, aus der Nockenwelle2 in die Verdichtungskammer25 gesaugt (Druckmittelströmung43 ). Der Motoröldruck unterstützt diesen Vorgang, so dass ab einem bestimmten Druck hierzu keine Arbeit mehr erforderlich ist. - Beim Füllvorgang gemäß
6 bewegt sich der Anker8 von Magnet6 in Richtung44 von Magnet7 und der Steuerkolben11 in Richtung Anschlag41 . Das Ansaugventil27 ist durch Federkraft verschlossen. Das Druckmittel drückt die radial in der Spannschraube12 angeordneten Pumpventile28 auf (Druckmittelströmung45 ) und gelangt über den in der Innenbohrung des Innenkörpers17 umlaufenden Ringraum29 und über in dem Innenkörper17 eingebrachte Radialkanäle30 gemäß2 in die jeweilige Arbeitskammer22 und23 , so dass eine Stellbewegung des Nockenwellenstellers1 stattfindet. Die Druckmittelmenge eines Pumphubes entspricht der erforderlichen Stellgenauigkeit. Vorteilhafterweise wird mindestens einer der Magnete6 ,7 bezüglich besserer Fernwirkung und Arbeitsfähigkeit optimiert (Kennlinienbeeinflussung, KLB-Magnet). Dazu werden an einem Topfmagnet außen Nasen angebracht, die den Luftspalt zwischen Anker und Joch reduzieren. - Bei Überschreiten eines bestimmten Öldruckes im Motorkreislauf sind keine Pumphübe mehr erforderlich um die Arbeitskammern
22 ,23 der Nockenwellenstellers1 zu füllen. Der Steuerkolben11 wird hierbei in Neutralstellung gemäß Bild 3 gebracht und das Öl gelangt nach dem Aufdrücken von Ansaug-27 und Pumpventil28 selbständig in die Arbeitskammern22 ,23 . Zum Unterbrechen des Füllvorganges wird der Steuerkolben11 wieder nach rechts bewegt, bis der Anker8 am Magneten7 anliegt. - Beim Entleerungsvorgang gemäß
7 befindet sich der Steuerkolben11 in ausgefahrenem Zustand, wobei sich der Anker8 mindestens in der Nähe des Magneten6 befindet. In dieser Stellung des Steuerkolbens11 gelangt das Druckmittel aus den Arbeitskammern22 ,23 über den Ringkanal31 in die Radialzuführungen32 , von wo es über den mindestens einen Öleintritt33 inden Hohlraum34 des Steuerkolbens11 gelangt und über den Ölaustritt35 den Steuerkolben11 verlässt (Druckmittelströmung46a ,46b ,46c ). - Im Haltezustand gemäß
4 befinden sich Anker8 und Steuerkolben11 sich im Endanschlag, d.h. der Anker8 liegt am Magneten7 und der Steuerkolben 11 am Anschlag41 an. Da auch in dieser Neutralstellung von Anker8 und Steuerkolben11 kein Öl austreten kann, ist es möglich, in dieser Position die Phasenlage konstant zu halten. Allerdings muss dann vor dem Einleiten eines erneuten Stellvorganges der Anker8 in eine Endposition vorzugsweise zur Anlage am Magneten7 gebracht werden (gegebenenfalls durch energieintensives Anschwingen). - Um Leckageverluste aus den Arbeitskammern
22 ,23 des Nockenwellenstellers1 zu minimieren und ein Rückstellen der Phasenlage zu vermeiden, sind vorzugsweise die Ringdichtungen38 zwischen dem Innenkörper17 und den Ringdeckeln36 ,37 sowie federbelastete Dichtleisten an den Enden der Gegenflügel20 des Innenkörpers17 anzubringen. - Außerdem kann ein bekannter Verriegelungsbolzen eingesetzt werden, der im drucklosen Zustand durch eine Feder in eine Rastöffnung im Innenkörper
17 eingefahren wird und so ein Verdrehen des Innenkörpers17 verhindert. Anliegender Öldruck entriegelt den Bolzen wieder. - Zur Reduzierung der axialen Baulänge des Gesamtmotors kann es erforderlich sein, die elektromagnetische Einrichtung
5 sowie die Pump- und Steuereinrichtung an anderer Stelle (z.B. unterhalb des Kettenrades) anzubringen.
Claims (10)
- Nockenwellensteller (
1 ) für eine Brennkraftmaschine, der im Antrieb einer Kurbelwelle für eine Nockenwelle (2 ) liegt und gegen diese über eine Schraubverbindung verspannt ist, deren Schraubschaft (12 ) zentral einen axial verschiebbaren Steuerkolben (11 ) zur Steuerung der Ölversorgung des Nockenwellenstellers (1 ) aufnimmt, welcher von einer elektromagnetischen Einrichtung (5 ) beaufschlagbar ist und die zur Verstellung gegeneinander verdrehbaren Übertragungsteile (17 ,18 ) des Nockenwellenstellers (1 ) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (11 ) zusätzlich zur Steuerung der Ölversorgung als Ölpumpe einsetzbar ist. - Nockenwellensteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Einrichtung (
5 ) einen zwischen zwei Elektromagneten (6 ,7 ) verschiebbar angeordneten Anker (8 ) aufweist, über dessen Ankerstössel (9 ) der Steuerkolben (11 ) beaufschlagbar ist. - Nockenwellensteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung des Steuerkolbens (
11 ) zusätzlich zur elektromagnetischen Einrichtung (5 ) ein Federsystem (14 ,16 ) vorgesehen ist. - Nockenwellensteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Spannschraube (
12 ) ein Axialkanal (24 ) angeordnet ist, der in eine Verdichtungskammer (25 ) und in Radialbohrungen (26 ) mündet. - Nockenwellensteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Axialkanal (
24 ) als auch in den Radialbohrungen (26 ) Rückschlagventile (27 ,28 ) angeordnet sind. - Nockenwellensteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialbohrungen (
26 ) in einen Ringraum (29 ) münden, welcher über Radialkanäle (30 ) mit Arbeitskammern (22 ,23 ) des Nockenwellenstellers (1 ) verbunden sind. - Nockenwellensteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammern (
22 ,23 ) über einen Ringkanal (31 ) mit Radialzuführungen (32 ) verbunden sind, die über mindestens einen Öleintritt (33 ) in einen im Stuerkolben (11 ) angeordneten Hohlraum (34 ) münden, der mindestens einen Ölaustritt (35 ) aufweist. - Nockenwellensteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellensteller (
1 ) eine Spiralfeder (40 ) aufweist, die am Innenkörper (17 ) befestigt ist. - Nockenwellensteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralschraube (
12 ) gleichzeitig die Pumpeinrichtung und die Steuereinrichtung für den Nockenwellensteller (1 ) enthält. - Nockenwellensteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Nockenwellensteller (
1 ) um einen hydraulischen Flügelradversteller handelt.
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