DE102010012479A1

DE102010012479A1 - Steuerventil einer Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010012479A1
Application number: DE201010012479
Authority: DE
Inventors: Alexander Draheim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-29
Also published as: US8733306B2; EP2550437A1; US20120325169A1; WO2011117019A1; EP2550437B1; CN102822456A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil (1) einer Vorrichtung (2) zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuerventil (1) in einem der Nockenwelle (3) zugewandten Bereich (4) eine Fluidleitung (5) zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid aufweist, wobei das Steuerventil (1) in einem axialen Mittenbereich (6) zwei Fluidleitungen (7, 8) zur Zu- und Abführung von unter Druck stehendem Fluid zu mindestens zwei Hydraulikkammern aufweist, wobei die Hydraulikkammern zwischen einem Antriebselement (9) und der Nockenwelle (3) wirksam angeordnet sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement (9) und der Nockenwelle (3) einzustellen, und wobei das Steuerventil (1) in einem von der Nockenwelle (3) abgewandten Bereich (10) eine Fluidleitung (11) zur Abfuhr von Fluid zu einem Tank aufweist. Um den Verschleiß der Vorrichtung zu reduzieren, sieht die Erfindung vor, dass die Fluidleitung (11) zur Abfuhr von Fluid in einem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt (12) des Steuerventils (1) als mindestens eine sich durch den vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt (12) zur Außenseite (13) des Abschnitts (12) erstreckende Ausnehmung ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Steuerventil einer Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuerventil in einem der Nockenwelle zugewandten Bereich eine Fluidleitung zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid aufweist, wobei das Steuerventil in einem axialen Mittenbereich zwei Fluidleitungen zur Zu- und Abführung von unter Druck stehendem Fluid zu mindestens zwei Hydraulikkammern aufweist, wobei die Hydraulikkammern zwischen einem Antriebselement und der Nockenwelle wirksam angeordnet sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement und der Nockenwelle einzustellen, und wobei das Steuerventil in einem von der Nockenwelle abgewandten Bereich eine Fluidleitung zur Abfuhr von Fluid zu einem Tank aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Nockenwellenverstellvorrichtungen, insbesondere solche, die hydraulisch arbeiten, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Im hydraulischen Nockenwellenversteller ist ein Flügelrad vorhanden, in dem Flügel eingeformt oder angeordnet sind. Die Flügel befinden sich in Hydraulikkammern, die in einem Außenrotor (zumeist als Stator bezeichnet) eingearbeitet sind. Durch entsprechende Beaufschlagung der jeweiligen Seite der Hydraulikkammern mit Hydraulikfluid kann eine Verstellung des Innenrotors (mit der Nockenwelle verbunden) relativ zum Stator zwischen einem „Frühanschlag” und einem „Spätanschlag” erfolgen.
Dabei wird der Fluss von Hydrauliköl durch ein gattungsgemäßes Steuerventil gesteuert, das als elektrisch angesteuertes Wegeventil ausgebildet ist. Ein solches Steuerventil wird in der DE 10 2008 004 591 A1 offenbart.
Bei einem solchen Steuerventil ist vorgesehen, dass aus einem Hochdruckbereich Drucköl durch eine Fluidleitung, die durch mindestens eine Bohrung im Steuerventil gebildet wird, in einem der Nockenwelle zugewandten Bereich des Ventils in das Innere des Ventils geleitet wird. Das Ventil verfügt über Steuerelemente, mit denen das Drucköl in zwei Fluidleitungen im axialen Mittenbereich des Ventils gesteuert eingespeist werden kann, die mit den Hydraulikkammern des Nockenwellenverstellers in fluidischer Verbindung stehen. Durch den entsprechenden Fluss von Hydrauliköl in die Hydraulikkammern kann die relative Verdrehung des Stators des Nockenwellenverstellers zur Nockenwelle vorgenommen werden, was hinlänglich bekannt ist. Das Öl wird dann in einem von der Nockenwelle abgewandten Bereich des Ventils wieder in einen Tank zurückgeführt.
Die genannte DE 10 2008 004 591 A1 sieht hierfür vor, dass das Öl im Inneren des Steuerventils und insbesondere durch das Innere eines Steuerkolbens (Ventilkolben) geführt und im axialen Endbereich des Steuerkolbens durch Kolbenhohlraumöffnungen konzentrisch aus dem Ventil abgeleitet wird. D. h. der Ölabfluss erfolgt axial durch das als Zentralventil ausgeführte Steuerventil zum Tank.
Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass im Bereich des Abflusses des Hydrauliköls der Ankerstößel eines elektromagnetischen Aktuators (Zentralmagnet) angeordnet ist, der den Steuerkolben kontaktiert und in der benötigten Weise axial verschiebt, um den Fluss des Hydrauliköls im Nockenwellenversteller zu steuern. Hierdurch wird es Verunreinigungen im Öl (Partikeln) ermöglicht, an die Kontaktstelle zwischen Ankerstößel und Ventilkolben zu gelangen und sich hier abzulagern und so diese verschleißempfindliche Stelle mit Abrasivpartikeln zu beaufschlagen. Die Folge ist ein entsprechender nachteiliger Verschleiß an der Kontaktstelle.
Nachteilig ist ferner, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine teilweise höhere Temperaturen im Nockenwellenversteller im Bereich des Zentralmagneten auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil der gattungsgemäßen Art so fortzubilden, dass es möglich ist, die Kontaktstelle zwischen dem Ankerstößel des Zentralmagneten und dem Ventilkolben vor dem Zutritt von Verunreinigungen zu schützen und so den Verschleiß im Nockenwellenversteller zu reduzieren. Ferner soll eine Möglichkeit geschaffen werden, den Zentralmagneten und gegebenenfalls weitere Anbauteile besser zu kühlen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung zur Abfuhr von Fluid in einem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt des Steuerventils als mindestens eine sich durch den vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt zur Außenseite des Abschnitts erstreckende Ausnehmung ausgebildet ist.
Die Fluidleitung zur Abfuhr von Fluid ist bevorzugt als mindestens eine Bohrung ausgebildet. Sie kann durch mehrere um den Umfang des vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitts herum verteilte Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, ausgebildet sein. Die mindestens eine Ausnehmung, insbesondere die Bohrung, ist nach einer Ausführungsform der Erfindung radial ausgerichtet.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die mindestens eine Ausnehmung, insbesondere die Bohrung, unter einem Winkel zur axialen Richtung verläuft; der Winkel beträgt dabei vorzugsweise zwischen 30° und 60°.
In dem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt des Steuerventils ist zumeist ein Steuerkolben angeordnet, der an seinem von der Nockenwelle abgewandten axialen Ende von einem Ankerstößel eines Aktuators kontaktiert wird. Der Aktuator ist dabei bevorzugt als Elektromagnet ausgebildet. Eine Längsachse der Ausnehmung, insbesondere der Bohrung, kann dabei zur Kühlung auf eine Stirnfläche des Aktuators auftreffen.
Das Steuerventil ist bevorzugt als Zentralschraube ausgebildet und mit einem Gewindeabschnitt in einer Gewindebohrung in der Nockenwelle angeordnet.
Erfindungsgemäß wird also Öl, das vom Nockenwellenversteller kommt und in den Tank abgeleitet werden soll, nicht mehr wie im Stand der Technik axial an der Stirnfläche des Steuerventils abgeführt, sondern durch radiale oder schräge Bohrungen außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Ankerstößel des Zentralmagneten und dem Ventilkolben. Somit werden im Öl vorhandene Verschmutzungen von der Kontaktstelle Ankerstößel-Ventilkolben weggeleitet.
Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung eines Steuerventils eines hydraulischen Nockenwellenverstellers wird es möglich, das vom Steuerventil kommende und in den Tank abzuführende Öl so zu führen, dass sehr viel weniger Öl in den Kontaktbereich zwischen dem Ankerstößel des Zentralmagneten und dem Ventilkolben gelangt. Dadurch ist der Verschließ an dieser empfindlichen Kontaktstelle wesentlich herabgesetzt, da weniger Abrasivpartikel im Öl an dieselbe gefördert werden. Eine direkte Beaufschlagung der Kontaktstelle mit abfließendem Hydrauliköl ist also verhindert.
Weiterhin ist es mit dem Erfindungsvorschlag möglich, mit dem Öl, das zum Tank geleitet wird, den Zentralmagneten zu kühlen. Das Öl kann insbesondere durch die Ölabflussbohrungen auf die Oberfläche des Zentralmagneten gelenkt werden, was für eine entsprechende Kühlung des Zentralmagneten sorgt.
Darüber hinaus ist es durch die schrägen oder radialen Ölabflussbohrungen möglich, das vom Nockenwellenversteller kommende Öl gezielt auf die Oberfläche eines das Nockenwellenverstellsystem umschließenden Gehäuses und/oder auf die Oberfläche eines benachbarten Bauteils zu fördern und an dieser Oberfläche abzukühlen, sofern diese kühler ist als das Öl.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass eine verbesserte Abfuhr des Öls aus dem Zentralventil gegeben ist, da das Öl infolge der Zentrifugalkräfte durch die Abfluss-Fluidleitung (Abflussbohrungen) im Steuerventil verbessert heraus gefördert wird. Das Öl kann also beschleunigt aus dem Zentralventil abgeführt werden. Durch die sich im Betrieb der Brennkraftmaschine drehende Nockenwelle und die radialen bzw. schrägen Ölabflussbohrungen stellen die entstehenden Fliehkräfte also sicher, dass das Öl schneller als im Stand der Technik aus dem Steuerventil abgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt durch einen Teil einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, also einem Nockenwellenversteiler,
2 den Radialschnitt des Steuerventils des Nockenwellenversteller gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 Das Steuerventil gemäß 2 in perspektivischer Darstellung und
4 den Radialschnitt des Steuerventils des Nockenwellenversteller gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Teil einer Brennkraftmaschine skizziert, wobei ein Zylinderkopf 21 angedeutet ist, in dem eine Nockenwelle 3 gelagert ist. Der Antrieb der Nockenwelle 3 erfolgt über ein Antriebselement 9 eines Nockenwellenverstellers 2, wobei das Antriebselement 9 in (nicht dargestellter) Drehverbindung mit der (ebenfalls nicht dargestellten) Kurbelwelle des Motors steht. Im Nockenwellenversteller 2 befindet sich eine hydraulische Verstelleinrichtung, die zwischen dem Antriebselement 9 und der Nockenwelle 3 eine Winkelverdrehung bewerkstelligen kann, um in bekannter Weise die Steuerzeiten der Brennkraftmaschine zu beeinflussen. Hierzu sind paarweise (nicht näher zu erkennende) Hydraulikkammern zwischen dem Antriebselement 9 und der Nockenwelle 3 wirksam angeordnet, die mit Druckfluid beaufschlagt werden können, um die genannte Verdrehung einstellen zu können. Von diesen Paaren von Hydraulikkammern sind über den Umfang mehrere vorhanden. Der Nockenwellenversteller 2 dient also zur Veränderung der relativen Winkellage der Nockenwelle 3 gegenüber der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.
Die Steuerung von Hydrauliköl in die Hydraulikkammern erfolgt durch ein Steuerventil 1, das – als Zentralventil ausgebildet – in einem axialen Endbereich einen Gewindeabschnitt 19 aufweist, der in eine Gewindebohrung 20 in der Nockenwelle 3 eingeschraubt ist.
Die Betätigung des Steuerventils 1 erfolgt durch axiale Beaufschlagung eines im Steuerventil 1 angeordneten Steuerkolbens 14, der von einem Elektromagneten 16 und insbesondere von dessen Ankerstößel 15 in Achsrichtung A beaufschlagt wird.
Details zum Aufbau und zur Wirkungsweise des Nockenwellenverstellers 2 und insbesondere des Steuerventils 1 sind in der genannten DE 10 2008 004 591 A1 der Anmelderin beschrieben, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die meisten Ausführungen in diesem Dokument gelten auch hier, wobei grundsätzlich derselbe Aufbau und dieselbe Wirkungsweise des Steuerventils gegeben sind.
Für die vorliegende Erfindung sind indes folgende Aspekte wesentlich: Das Steuerventil 1 hat in einem der Nockenwelle 3 zugewandten Bereich 4 (s. hierzu 2) eine Fluidleitung 5 zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid von einem Hochdruckraum 22 aus. Die Fluidleitung 5 umfasst vorliegend mehrere in radialer Richtung r verlaufende Bohrungen, die es ermöglichen, dass Hydrauliköl in das Innere des Steuerventils 1 eintritt. In einem axialen Mittenbereich 6 (s. 2) hat das Steuerventil 1 zwei Fluidleitungen 7 und 8 zur Zu- und Abführung von unter Druck stehendem Hydrauliköl in die Hydraulikkammern des Nockenwellenverstellers 2. In einem von der Nockenwelle 3 abgewandten Bereich 10 (s. 2) weist das Steuerventil 1 eine Fluidleitung 11 zur Abfuhr von Fluid zu einem Tank auf.
In 2 ist durch Pfeile angedeutet, wie Öl vom Hochdruckraum 22 („Zu”) in das Steuerventil 1 fließt. Von diesem wird den Kammern („K”) Öl zugeleitet bzw. von diesen abgeleitet. Anschließend fließt das Öl in den Tank („Ab”).
Ausgehend von einer insoweit auch in der DE 10 2008 004 591 A1 beschriebenen Ausgestaltung des Steuerventils 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Fluidleitung 11 zur Abfuhr von Fluid zum Tank in einem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt 12 des Steuerventils 1 vorgesehen ist, wobei diese Fluidleitung als mindestens eine sich durch den vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt 12 zur Außenseite 13 des Abschnitts 12 erstreckende Ausnehmung 11 ausgebildet ist. Bevorzugt handelt es sich bei der Ausnehmung um eine Bohrung.
Demgemäß fließt das Hydrauliköl bei dem vorgeschlagenen Steuerventil 1 nicht in Achsrichtung aus dem Steuerventil 1 und in Richtung des Kontakts des Ankerstößels 15 mit dem Steuerkolben 14 aus, sondern es wird radial nach außen aus dem Steuerventil 1 abgeleitet. Wie in den 1 bis 3 gesehen werden kann, sind die Abfluss-Fluidleitungen, d. h. die Bohrungen 11, so eingearbeitet, dass ihre Längsachse 17 unter einem Winkel α zur Achsrichtung A angeordnet ist, der im Ausführungsbeispiel ca. 45° beträgt.
Zu erkennen ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 und insbesondere in 3 auch, dass der Abschnitt 12 nicht als idealer hohlzylindrischer Abschnitt ausgebildet ist, sondern dass der hohlzylindrische Abschnitt an der Außenseite eine Sechskantform aufweist, wobei in jede der sechs Außenseiten 13 des Sechskants je eine Bohrung 11 eingearbeitet ist, die sich unter dem Winkel α nach außen erstreckt.
Wie in 1 gesehen werden kann, kann damit der Strom des abfließenden Öls auf die Stirnseite 18 des Zentralmagneten 16 geleitet werden, der auf diese Weise gekühlt wird.
Die Lösung gemäß 4 entspricht weitgehend derjenigen gemäß 2, wobei lediglich die Ölabflussbohrungen, d. h. die Ausnehmungen 11, hier in radiale Richtung r verlaufen, nicht unter einem Winkel α.
Im axialen Endbereich (Kopfbereich) des Steuerventils 1 bzw. an nicht durch den Rotor oder andere Bauteile verdeckten Abschnitten des Steuerventils befindet sich also erfindungsgemäß mindestens eine radiale oder unter Winkel verlaufende schräge Ölabflussbohrung, über die das vom Nockenwellenversteller kommende Öl in Richtung Tank abgeführt wird.
Vorteilhafter Weise werden die Ölabflussbohrungen so gefertigt, dass das Steuerventilgehäuse von außen angebohrt wird.
Die Bohrungen sind bevorzugt so gestaltet bzw. ausgerichtet, dass sie auf die Oberfläche des Zentralmagneten treffen. Die Bohrungen können auch so gestaltet bzw. ausgerichtet sein, dass sie auf die Oberfläche eines das Nockenwellenverstellsystem abdeckenden Gehäuses oder auf ein anderes Bauteil treffen.
Bezugszeichenliste

1: Steuerventil
2: Vorrichtung (Nockenwellenversteller)
3: Nockenwelle
4: zugewandter Bereich
5: Fluidleitung
6: Mittenbereich
7: Fluidleitung
8: Fluidleitung
9: Antriebselement
10: abgewandter Bereich
11: Fluidleitung
12: hohlzylindrischer Abschnitt
13: Außenseite
14: Steuerkolben
15: Ankerstößel
16: Aktuator (Elektromagnet)
17: Längsachse
18: Stirnfläche
19: Gewindeabschnitt
20: Gewindebohrung
21: Zylinderkopf
22: Hochdruckraum
α: Winkel
r: radiale Richtung
A: Achsrichtung
Zu: Zufluss
Ab: Abfluss zum Tank
K: Hydraulikölfluss zu und von den Hydraulikkammern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008004591 A1 [0003, 0005, 0027, 0030]

Claims

Steuerventil (1) einer Vorrichtung (2) zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuerventil (1) in einem der Nockenwelle (3) zugewandten Bereich (4) eine Fluidleitung (5) zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid aufweist, wobei das Steuerventil (1) in einem axialen Mittenbereich (6) zwei Fluidleitungen (7, 8) zur Zu- und Abführung von unter Druck stehendem Fluid zu mindestens zwei Hydraulikkammern aufweist, wobei die Hydraulikkammern zwischen einem Antriebselement (9) und der Nockenwelle (3) wirksam angeordnet sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement (9) und der Nockenwelle (3) einzustellen, und wobei das Steuerventil (1) in einem von der Nockenwelle (3) abgewandten Bereich (10) eine Fluidleitung (11) zur Abfuhr von Fluid zu einem Tank aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (11) zur Abfuhr von Fluid in einem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt (12) des Steuerventils (1) als mindestens eine sich durch den vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt (12) zur Außenseite (13) des Abschnitts (12) erstreckende Ausnehmung ausgebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (11) zur Abfuhr von Fluid als mindestens eine Bohrung ausgebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (11) durch mehrere um den Umfang des vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitts (12) herum verteilte Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, ausgebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (11), insbesondere Bohrung, radial ausgerichtet ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (11), insbesondere Bohrung, unter einem Winkel (α) zur Achsrichtung (A) verläuft.
Steuerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 30° und 60° beträgt.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vorzugsweise hohlzylindrischen Abschnitt (12) des Steuerventils (1) ein Steuerkolben (14) angeordnet ist, der an seinem von der Nockenwelle (3) abgewandten Ende von einem Ankerstößel (15) eines Aktuators (16) kontaktiert wird.
Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (16) als Elektromagnet ausgebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (17) der Ausnehmung (11), insbesondere der Bohrung, auf eine Stirnfläche (18) des Aktuators (16) auftritt.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Zentralschraube ausgebildet ist und mit einem Gewindeabschnitt (19) in einer Gewindebohrung (20) in der Nockenwelle (2) angeordnet ist.