DE4209792A1 - Hydraulisch mechanische Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydraulisch-mechanischen Steuerein­ richtung zum Verdrehen der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer derartigen bekannten Steuereinrichtung ist insbesondere die Pumpe extern angeordnet, außerdem ist ein Magnetventil notwendig, wodurch die Einrichtung verhältnismäßig umständlich und aufwendig wird, insbesondere auch hinsichtlich der notwendigen Leitungsverbindungen (DE-OS 32 47 116).

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr kompakt und einfach baut und damit ohne Schwierigkeiten in eine Brennkraftmaschine bzw. deren Motorraum zu installieren ist. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Be­ schreibung und Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine nur teilweise dargestellte hydrau­ lisch-mechanische Steuereinrichtung, in Fig. 2 einen Schnitt längs II/II nach Fig. 1, in Fig. 3 einen Schnitt längs III/III nach Fig. 1, in Fig. 4 ein Diagramm und in Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in vereinfachter, teilweise schematischer Darstellung.

Beschreibung der Erfindungsbeispiele

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist mit 10 die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bezeichnet, die mittels Schrauben 12 fest mit einem Zentralkörper 11 verbunden ist, dieser wiederum mit einem Kettenrad 13, welches von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an­ getrieben ist. Daraus ist zu erkennen, daß diese Teile rotieren, ebenfalls ein Koppelglied 14, das als teilweise hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist und in einem Ringraum 15 zwischen dem Zentral­ körper 11 und einem Fortsatz 16 des Kettenrads gleitend angeordnet ist. Das Koppelglied weist an seinem der Nockenwelle abgewandten Ende eine Außen-Schrägverzahnung 18 auf, die mit einer ebensolchen Schrägverzahnung 19 an der Innenseite des Fortsatzes in Eingriff steht. An seiner Innenseite weist das Koppelglied ebenfalls eine Schrägverzahnung 20 auf, die mit einer Außen-Schrägverzahnung 20 am Koppelglied 14 in Eingriff steht. Am der Nockenwelle abgewandten Ende des Koppelglieds ist ein Druckraum 22 ausgebildet, der durch einen ringförmigen Deckel 23 verschlossen ist, welcher auf das freie Ende des Zentralkörpers aufgeschraubt ist. Durch eine axiale Ver­ schiebung des Koppelglieds 14 wird infolge der beschriebenen Schräg­ verzahnungen eine relative Verdrehung von Kettenrad 13 und Nocken­ welle 10 bewirkt.

Das Koppelglied weist einen hohlzylindrischen Ringraum 25 auf, in dem eine Druckfeder 26 angeordnet ist, die sich einerseits am Grund des Ringraums 25 abstützt, andererseits an einer flanschartigen Er­ weiterung 11A des Zentralkörpers 11.

Der Zentralkörper hat eine der Nockenwelle 10 abgewandte, achsgleich zu dieser verlaufende zylindrische Ausnehmung 27, in welcher eine Innenzahnradpumpe 28 - insbesondere G-Rotorpumpe - angeordnet ist. Diese ist besonders aus Fig. 2 ersichtlich, wo man das Innenzahnrad 30 sowie das Außenzahnrad 31 gut erkennt, welches exzentrisch im Zentralkörper 11 angeordnet ist. Das Innenzahnrad sitzt drehfest auf einem Wellenstummel 32, welcher an einer Welle 33 ausgebildet ist, die selbst wiederum in einer in der Ausnehmung 27 angeordneten Lagerbuchse 34 gelagert ist. Das Außenzahnrad 31 läuft in einer Distanzhülse 35, die sich ebenfalls in der Ausnehmung 27 befindet und deren Breite etwas größer ist als die der Zahnräder. Die Welle 33 und damit die Innenzahnradpumpe 28 werden von einem Reluk­ tanz-Elektromotor 36 angetrieben, der in einem Blechgehäuse 37 ange­ ordnet ist, welches nur teilweise dargestellt ist und die Steuerein­ richtung in sich aufnimmt. Der Reluktanz-Motor 36 weist in bekannter Weise einen Stator 38 und einen Rotor 39 auf. Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Reluktanz-Motor, in welchem außer dem Stator und dem Rotor 39 die Wicklungen 40 und die Polsegmente 41 gut zu er­ kennen sind.

Zur Druckmittelversorgung dient u. a. ein Reservoir 44, welches in der oberen Lagerschale 43 des zweiteiligen Nockenwellenlagers 45 ausgebildet ist. Vom Nockenwellenlager sieht man nur die obere Hälfte. Vom Reservoir führt eine Drosselbohrung 46 zu einer Ringnut 47 an der Nockenwelle 10 und von dort eine Querbohrung 48 zu einem Längskanal 49 in der Nockenwelle, welcher durch Motoröl gespeist wird. Der Kanal 49 dringt bis in den Zentralkörper 11 vor, von dort verläuft eine Querbohrung 50 zum Ringraum 25 zwischen Zentralkörper 11 und Kettenrad 13. Vom Reservoir 44 führt noch eine Schrägbohrung 52 zu einer Ringnut 53 zwischen Nockenwelle und oberem Nockenwellen­ lager 43. Von dieser Ringnut 53 führt ein nur teilweise dargestell­ ter abgewinkelter Kanal 54 zur Einlaßniere 55 der Innenzahnradpumpe 28. Von deren Auslaßniere 56 führt ein abgewinkelter Kanal 57 zu einer Ringnut 58 am Ringraum 15. Von dort besteht Verbindung über die Schrägverzahnungen zum Druckraum 22. Das Koppelglied 14 ist in seinem vorderen Teil durch eine Dichtung 60 gegenüber dem Fortsatz 16 des Kettenrads und dem Zentralkörper abgedichtet, so daß kein unter Druck stehendes Druckmittel in den Federraum eindringen kann.

Die Lagerbuchse 34 wird durch einen Sprengring 61 sowie eine Teller­ feder 62 gegen die Distanzhülse 35 gedrückt und verdeckt die freie Seite der Innenzahnradpumpe.

Wenn die Innenzahnradpumpe 28 keinen Druck erzeugt, so schiebt die Druckfeder 26 das Koppelglied 14 nach links bis zum Anschlag an den Deckel 23. Durch die Schrägverzahnungen nimmt nun das Kettenrad 13 gegenüber der Nockenwelle 10 eine bestimmte Winkellage ein (später Einlaßventilschluß). Der Abfluß des Druckmediums aus dem Druckraum 22 erfolgt über Leckspalte in der Zahnradpumpe bzw. Umkehrung der Drehrichtung des Reluktanzmotors 38.

Soll diese Winkellage verändert werden, so muß die Innenzahnradpumpe einen entsprechenden Druck erzeugen, der abhängig ist von der Dreh­ zahl des Reluktanzmotors 38. Mit der Innenzahnradpumpe kann erst bei Drehzahlen < 3000/Min. größerer Druck erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, führt der Ansaugkanal 49, 50 zum Reservoir 44, welches über die Drossel 46 vom Motorölkreislauf über den Kanal 48 gespeist wird. Bei steigendem Druck wird nun über den Kanal 57 das geforderte Druckmittel in die Ringnut 58 verdrängt und gelangt über die Schräg­ verzahnungen 18 bis 21 in den Druckraum 22. Nun wird das Koppelglied 14 entgegen der Kraft der Druckfeder 26 zur Nockenwelle hin ver­ schoben. Infolge der Schrägverzahnungen ändert sich nun der relative Winkel zwischen Nockenwelle 10 und Kettenrad 13 in Richtung früher Einlaßschluß der Motorventile. Durch entsprechende Drehzahl des Re­ luktanzmotors 38, der beispielsweise über ein elektronisches Steuer­ gerät geregelt wird - kann nun in Grenzen jede beliebige Winkellage dieser beiden Teile zueinander eingestellt werden.

Es hat sich gezeigt, daß sich der Reluktanzmotor 38 für hochdyna­ mischen Betrieb besonders gut eignet. Mit steigender Nockenwellen­ drehzahl kann die Drehzahl des Reluktanzmotors reduziert werden, was wiederum die Stromaufnahme verringert. Die Motordrehzahl wird so ge­ regelt, daß sich jeweils die gewünschte Verstellgeschwindigkeit bzw. Position des Koppelglieds einstellt. Dadurch ist sichergestellt, daß der Variationsbereich des Öldurchsatzes der Innenzahnradpumpe unab­ hängig von der Nockenwellendrehzahl etwa gleich ist. Die Kennlinie der Pumpe zeigt das Diagramm nach Fig. 4, wo auf der Abszisse die Drehzahl des Reluktanzmotors aufgetragen ist, auf der Ordinate der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe. Es sind zwei Druckkurven er­ kennbar, wobei P2 < P1 ist, abhängig von der Drehzahl.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weicht erheblich von dem oben beschriebenen ab. Hier ist ein Verstellzylinder 65 mit Kolben 66 und Kolbenstange 67 zu erkennen, welche dem Koppelglied 14 nach Fig. 1 entsprechen und der die Verstellung von Kettenrad und Nockenwelle vornimmt. Der Kolben teilt zwei Druckräume 68 und 69 voneinander. Zur Steuerung des Zylinders 65 dient ein Steuerventil 70 mit einer Ventilnadel 71, die mit einem ersten Ventilsitz 72 und einem gegen­ überliegenden zweiten Ventilsitz 73 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 72 liegt in einem Raum 74, der Ventilsitz 73 in einem gegenüber­ liegenden Raum 75, wobei diese beiden Räume durch die Ventilnadel 71 voneinander getrennt sind. Vom Raum 74 führt eine Leitung 76 zum Druckraum 68, vom Raum 75 eine Leitung 77 zum Druckraum 69. Die Ven­ tilnadel hat eine in ihrer Längsachse verlaufende mittige Sackboh­ rung 79, von welcher nahe ihren Enden zwei Querbohrungen 80, 81 nach außen verlaufen und in die Räume 74 bzw. 75 münden. Die Sackbohrung 79 ist durch eine Kugel 82 dicht verschlossen. An dem Raum 75 ist eine Leitung 83 angeschlossen, die zu einer Pumpe 84 führt, welche wiederum durch einen Elektromotor 85 angetrieben ist. Die Pumpe 84 steht ebenfalls mit der Motorölquelle in Verbindung.

Die Ventilnadel 71 wird, wenn noch kein Druck herrscht, durch eine Druckfeder 86 gegen den Ventilsitz 73 gedrückt. Entsprechend dem im Raum 75 durch die Pumpe 84 erzeugten einstellbaren Druck, also bei geschlossenem Ventilsitz 73, bewegt sich der Kolben 66 nach links, was späte Ventilverschlußzeit bedeutet. Das Medium aus dem Druckraum 68 strömt dann über den offenen Ventilsitz 72 und über einen Rück­ lauf 87 drucklos zum Behälter. Wird der Öffnungsdruck am Ventilsitz 73 überschritten, so bewegt sich auch die Ventilnadel 78 entgegen der Kraft der Druckfeder 86 nach links und dichtet den Ventilsitz ab. Ein sicheres Durchschalten wird dadurch erreicht, daß jetzt am Ventilsitz 73 eine größere Fläche mit Druck beaufschlagt wird und gleichzeitig am Ventilsitz 72 nur noch die Ringfläche wirksam ist. Die Bohrungen in der Ventilnadel sind so gewählt, daß in den Räumen 72 und 75 links und rechts derselben immer der gleiche Druck herrscht, so daß kein Schmutz in den Führungsspalt der Ventilnadel gedrückt wird. Infolge der nun direkten Verbindung der Druckräume 68, 69 mit gleichem Druckniveau bewegt sich der Kolben 66 nach rechts, d. h. nach "früh". Die Flächenverhältnisse müssen so dimen­ sioniert sein, daß das Druckniveau für eine Haltestellung in Zwischenposition über dem Öffnungsdruck des Ventilsitzes 73 liegt.

Zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist noch ergänzend zu bemerken, daß anstelle des Reluktanzmotors 36 auch eine regelbare Kupplung denkbar wäre. Die Pumpe müßte dann jedoch größer ausgelegt werden, da bereits bei Nockenwellendrehzahlen von 500/Min. der notwendige Druck und Volumendurchsatz bereitgestellt sein muß. Vorteilhafter­ weise könnte dann auf einen Sensor zur Erkennung der Rotorposition verzichtet werden. Bei drehendem Rotor kann die Position auch aus dem Verlauf der Statorströme berechnet werden.

Claims (7)

1. Hydraulisch-mechanische Einrichtung zum Verdrehen der Nockenwelle (10) einer Brennkraftmaschine gegenüber dem Antriebsrad (13) der Nockenwelle mit Hilfe eines druckbeaufschlagten, hohlzylindrischen Koppelglieds (14), das zwischen dem Antriebsrad und einem Zentral­ körper (11) geführt ist und das an seinem Außenumfang eine Schräg­ verzahnung (18) aufweist, die mit einer eben solchen Schrägverzah­ nung (19) am Innenumfang des Antriebsrads kämmt, sowie eine an der Innenseite des Koppelglieds (14) angeordneten Schrägverzahnung (20), die mit einer eben solchen Schrägverzahnung (21) am Außenumfang des Zentralkörpers (11) in Eingriff steht und wobei durch Verschieben des Koppelglieds eine relative Verdrehung von Antriebsrad und Nocken­ welle erfolgt, sowie mit einer im Zentralkörper angeordneten Pumpe (28), welche das zum Verschieben des Koppelglieds erforderliche Druckmittel fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (28) von einem Reluktanzmotor (36) angetrieben ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (28) eine Innenzahnradpumpe ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenzahnradpumpe eine G-Rotorpumpe ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Verstellung bzw. Positionierung erforderliche Pumpendruck durch Regelung der Pumpendrehzahl eingestellt wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reluktanzmotor außerhalb des Zentralkörpers in einem die Einrichtung umgebenden Gehäuse (37) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am zweigeteilten Nockenwellenlager (35) ein Druck­ mittelreservoir (34) ausgebildet ist, welches über eine Drosselboh­ rung (46, 46) mit dem Motorölreservoir in Verbindung steht.

7. Hydraulisch-mechanische Einrichtung zum Verdrehen der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gegenüber dem Antriebsrad der Nockenwelle mit Hilfe eines Koppelglieds, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied ein doppelt wirkender Arbeitszylinder (65) ist, dessen beide Druckräume (68, 69) mittels eines selbsttägig wirkenden Steuerventils (70) gesteuert sind, und dessen Ventilnadel (71) zwei einander gegenüberliegende Ventilsitze (72, 73) steuert, von denen Druckmittelverbindungen (76, 77) zu den Druckräumen des Arbeitszy­ linders führen, und daß der Ventilkörper durch den Druck einer dreh­ zahlgeregelten Pumpe (84) entgegen der Kraft einer Regelfeder (86) verschiebbar ist.