DE69210877T2

DE69210877T2 - Steuervorrichtung für die Winkelverstellung einer Nockenwelle bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69210877T2
Application number: DE69210877T
Authority: DE
Inventors: Michael Moses Schechter; Aladar Otto Simko
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: EP0512699B1; EP0512699A1; DE69210877D1; US5117784A

Description

Diese Erfindung betrifft die Phasenregelung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle in einem Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft diese Erfindung das präzise modulare Steuern der Synchronisierung der Motorventile für verschiedene Motordrehzahlen, indem eine drehbare hydraulische Verbindung zwischen dem Antriebszahnkranz der Nockenwelle und der Kurbelwelle verwendet wird.
Traditionell ist die Synchronisierung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle für eine gewisse vorbestimmte, optimale Motordrehzahl festgelegt, obschon die Synchronisierung dann bei anderen Drehzahlen unterhalb vom Optimalwert liegt. Das Verändern der Synchronisierung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle durch das sorgfältige Modulieren der Phasenverschiebung, um deren Optimierung beim Betrieb des Motors zu gewährleisten, bringt mehrere Vorteile. Es ist allgemein anerkannt, daß eine geeignete Phasenverschiebung die Stabilität im Leerlauf, die Weite der Drehmomentkurve und den Drehzahlbereich des Motors verbessern wird. Zusätzliche zu erwartende Vorteile sind (i) die vollständige Kontrolle über die Abgase und die Eliminierung unerwünschter Emissionen (NOX), (ii) Verbesserungen der Treibstoffverwertung bei Teillast und (iii) die Beseitigung von Bauteilen und Stromkreisen für die externe Rückführung von Abgasen (EGR).
Bei der Entwicklung einer Vorrichtung zum Erreichen dieser Nutzen werden mehrere wichtige Erwägungen berücksichtigt. Das Steuerungssystem der Vorrichtung sollte einen niedrigen Strombedarf aufweisen. Ferner muß das Antwortverhalten des Systems zur Maximierung dieser Vorteile schnell und genau sein. Ebenso muß ein System über einen ganzen Bereich hinweg inkremental moduliert werden können, im Gegensatz zur Zweistellungenphasenregelung, d.h. nur volles Vorauslaufen oder volle Verzögerung, um die Gesamtwirksamkeit der Vorrichtung zu verbessern.
Der Stand der Technik, wie die U.S. Patente Nr. 3,685,499 und 3,721,220, beinhaltet hydraulische Vorrichtungen zum Durchführen der Phasenverschiebung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle, um einige dieser Vorteile zu erreichen.
Im U.S. Patent Nr. 3,685,499 von Meacham et al. ist die Vorrichtung für die Phasenregelung ein Mechanismus mit einem Kugelschraubenkeil. Ein angetriebenes Organ ist an der Nockenwelle befestigt und durch einen Kugelschraubenkeil mit einem Kolben verbunden, der drehbar bezüglich der Kurbelwelle befestigt ist. Die innere und die äußere Bahn der Kugelwelle bilden einen eingeschlossenen Hohlraum für das hydraulische Fluidum. Dies ist kein geschlossenes System, weil der Fluß von Fluidum in den oder aus dem Hohlraum, um die Phasenverschiebung zu erhalten, von außerhalb des Systems kommt, d.h. von der primären Ölversorgung des Motors, und über den Vorgang der Phasenverschiebung hinweg konstant bleibt. Außerdem setzt es den Druck des Motoröls als Quelle für die zum Ausführen der Phasenverschiebung benötigte Kraft voraus.
Im U.S. Patent Nr.3,721,220 von Garcea et al. wird dies in einer Vorrichtung zur Phasenverschiebung gezeigt, die aus einem Antriebsflansch und einem Abtriebsflansch mit einem Paar von hydraulischen Zylindern besteht, die die Flansche bezüglich einander rotieren lassen. Jedoch unterscheiden sich diese Zylinder sehr stark von der vorliegenden Erfindung. Die Zylinder sind nicht miteinander verbunden und beide wirken parallel, um eine Phasenverschiebung auszuführen, wenn sie durch den Druck des Motoröls nach außen verschoben werden.
Sofern der Motor mit voneinander unabhängigen Nockenwellen für die Einlaß- und Auslaßventile ausgestattet ist, ist es ebenso wünschenswert, daß dort ein System bereitgestellt ist, um unabhängig in der Lage zu sein, die Winkelstellung der einen dieser Nockenwellen bezüglich der anderen und die von beiden Nockenwellen bezüglich der Kurbelwelle einzustellen.
In der Patentschrift WO-A-89/10469 wird ein Mechanismus mit veränderlicher Phaseneinstellung der Nockenwelle offenbart, umfassend eine Verbindung mit einem exzentrischen Kurbelteil, das von zwei hydraulischen Hebern betätigt wird. Zum Steuern des Flusses von hydraulischem Fluidum zwischen den Hebern oder zum Verhindern des Flusses zwischen ihnen sind Ventile bereitgestellt. Wenn der Fluß unterbunden ist, verriegeln die Heber den Exzenter und legen die Phaseneinstellung der Nockenwelle fest. Eine Veränderung der Phaseneinstellung wird durch den gesteuerten Fluß von Fluidum zwischen den Hebern bewerkstelligt. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird ein hydraulisches System für die Phaseneinstellung der Nockenwelle zum Verändern der Synchronisierung mindestens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors bezüglich der Kurbelwelle des Motors bereitgestellt, das System umfassend:
einen Antriebsflansch, der zur Verbindung mit der Kurbelwelle zwecks Rotation um eine Achse angepaßt ist;
einen Abtriebsflansch, der zur Verbindung mit dieser mindestens einen Nockenwelle zwecks Rotation um diese Achse angepaßt ist;
eine hydraulische Verbindung, umfassend eine Gehäusevorrichtung, die mit einem dieser Flansche verbunden ist, und eine Kolbenvorrichtung, die mit dieser Gehäusevorrichtung zusammenwirkt und mit dem anderen dieser Flansche verbunden ist, wobei diese Gehäusevorrichtung und diese Kolbenvorrichtung zusammen ein Paar von Kammern für ein Fluidum definieren, die angepaßt sind, kontinuierlich mit Fluidum angefüllt zu werden, und die durch eine Leitungsvorrichtung zum Übertragen von Fluidum von einer dieser Kammern zur anderen miteinander verbunden sind, wobei das Fluidum innerhalb dieser Kammern Druckwerte aufweist, die sich zyklisch als unmittelbares Ergebnis des Reaktionsdrehmomentes verändern, das der Nockenwelle auferlegt wird, wenn sich die Nockenwelle dreht;
eine Ventilvorrichtung, umfassend ein erstes und ein zweites normalerweise geschlossenes Ventil innerhalb dieser Leitungsvorrichtung, die die Übertragung von Fluidum von einer dieser Kammern für das Fluidum in die andere zum Steuern des Flusses des Fluidums in der Leitungsvorrichtung verhindern; und
eine Steuervorrichtung zum selektiven Betätigen dieser Ventilvorrichtung, um das Drehen dieses Antriebsflansches und dieses Abtriebsflansches bezüglich einander in jeder Richtung zu bewirken, wodurch die Synchronisierung selektiv vorgestellt oder verzögert werden kann;
dadurch gekennzeichnet, daß
diese Ventilvorrichtung ein Paar von hin- und herbewegbaren Stößelstangen umfaßt, wobei jede Stößelstange koaxial bezüglich eines entsprechenden dieser Ventile am eingehenden Ende jedes dieser Ventile ausgerichtet ist, wobei ein Ende von jeder von diesen Stößelstangen ein entsprechendes von diesem ersten und diesem zweiten Ventil betätigt, wobei das andere Ende dieser Stößelstange mit dieser Steuervorrichtung in Verbindung steht;
und daß diese Steuervorrichtung selektiv bewirkt, daß jede dieser Stößelstangen ihr entsprechendes von diesem ersten und diesem zweiten Ventil in eine geöffnete Stellung bringt,
wodurch das Betätigen von einem von diesem ersten und diesem zweiten Ventil dem Fluidum ermöglicht, sich in die eine Richtung zwischen diesen Kammern für das Fluidum zu bewegen, wobei es diese eine Kammer ausdehnt und die andere zusammenzieht und somit die Rotation dieses Abtriebsflansches in einer Richtung bewirkt, um die Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle vorzubewegen, und wodurch das Betätigen des anderen von diesem ersten und diesem zweiten Ventil die Übertragung von Fluidum in eine entgegengesetzte Richtung zwischen diesen Kammern für das Fluidum erlaubt, wobei es diese eine Kammer zusammenzieht und diese andere Kammer ausdehnt und somit die Rotation dieses Abtriebsflansches in der anderen Richtung bewirkt, um die Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle zu verzögern.
Das die vorliegende Erfindung verkörpernde System ist in der Tat ein geschlossenes System und verwendet den Druck, der durch Reaktionsdrehmomentimpulse in einem geschlossenen Fluidumsystem induziert wird, um die Phasenverschiebung durchzuführen. Die hydraulischen Zylinder wirken auf eine einander entgegengesetzte Weise und sind untereinander verbunden, somit eine dynamisch ausgewuchtete Drehverbindung bereitstellend. Das die vorliegende Erfindung verkörpernde System schließt diese Erwägungen ein, um eine Vorrichtung zu erzeugen, die die Vorteile einer optimierten Motorleistung liefert und eine modulierte Phasenverschiebung bereitstellt, anstatt eines Phasensystems mit zwei Positionen, d.h. volles Vorauslaufen bzw. volle Verzögerung.
Überdies benötigt das System wenig Leistung, weil das System Nutzen aus den durch die Rückholfedern der Ventile induzierten Reaktionsdrehmomentimpulsen zieht, die bereits durch den Motor auf die Nockenwelle ausgeübt werden, die als Quelle für die Kraft dienen, um die Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle zu verzögern oder vorzustellen. Die durch diese Drehmomentimpulse erzeugte Phasenverschiebung erlaubt eine kurze Antwortzeit, da jeder Zylinder bei jeder Umdrehung über 720º einen Impuls für die Verzögerung und einen für das Vorstellen liefert.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung für das modulare Verändern der Synchronisierung einer Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle bereit, somit die Synchronisierung der Betätigung der Motorventile während des Betriebes des Motors verändernd. Dies wird durch eine Technik mit niedrigem Energiebedarf einer selbsttätigen Phasenverschiebung erreicht, worin die Gesamtleistung des Motors durch diese Phasenverschiebung erhöht wird.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ebenso eine Vorrichtung zum modularen Verändern der Synchronisierung einer Nockenwelle von Einlaßventilen mit einer Nockenwelle von Auslaßventilen unabhängig voneinander und bezüglich der Kurbelwelle des Motors bereit, und das mit einem einzigen, integrierenden Steuermechanismus zur Phasenverschiebung mit einem minimalen Raumanspruch im Gehäuse des Motors.
Im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt die Vorrichtung zur Phasenverschiebung auf eine einzelne Nockenwelle, zum Beispiel auf die Nockenwelle der Einlaßventile, und besteht aus einem hydraulischen Mechanismus, der zwischen dem Antriebszahnkranz der Nockenwelle und der Nockenwelle selbst eingeschlossen ist. Die zwei sind drehbar durch ein Paar von hydraulischen Zylindern verbunden, mit entsprechenden Plungern oder Kolben, wobei sie ein Paar von Hohlräumen bereitstellen, deren Stellung sich verändert, wenn sich die Nockenwelle bezüglich des Antriebszahnkranzes der Nockenwelle dreht. Das ermöglicht eine Phasenverschiebung durch Rotation zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle.
Ein zwischen den hydraulischen Zylindern entlang einer Leitung, die diese verbindet, angeordneter Steuermechanismus regelt den Ölfluß zwischen den Hohlräumen fuir das Öl im Inneren der zwei Zylinder und somit die Phasenverschiebung. Der Steuermechanismus verhindert andererseits jegliches Fließen von Fluidum zwischen den beiden Hohlräumen, ermöglicht das Fließen des Fluidums in eine Richtung, um das Vorauslaufen der Nockenwelle zu bewirken, oder er ermöglicht das Fließen des Fluidums ausschließlich in die andere Richtung, um die Verzögerung der Nockenwelle zu bewirken.
Der Steuermechanismus umfaßt ein Paar von normalerweise geschlossenen Einwegventilen, wovon jedes das Fließen des Fluidums in einen entsprechenden hydraulischen Zylinder erlaubt, wenn es durch eine einzige, gemeinsame Steuernocke in eine offene Stellung gebracht wird.
Der Steuermechanismus umfaßt auch ein doppeltes Planetengetriebe mit einem gemeinsamen Träger, um die Steuernocke inkremental zu drehen, wobei sich das Hohlrad des einen Getriebes nicht bewegt, während das Hohlrad des zweiten Planetengetrie bes in eine beliebige Richtung gedreht werden kann, um die Phasenverstellung der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle zu vergrößern oder zu verringern. Das Drehen des Hohlrades läßt die Steuernocke drehen, die ein Bestandteil des zweiten Planetengetriebes ist.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt die Vorrichtung zur Phasenverschiebung unabhängig sowohl auf die Nockenwelle der Einlaßventile als auch auf die Nockenwelle der Auslaßventile, und auf jede relativ zur Stellung der Kurbelwelle. Wie für die erste Ausführungsform werden zwei hydraulische Zylinder, ein jeder mit einem entsprechenden Plunger oder Kolben, als Teil des hydraulischen Mechanismus verwendet, der zwischen dem entsprechenden Antriebszahnkranz der Nockenwelle und der Nockenwelle selbst eingeschlossen ist. Jedoch ist jeder hydraulische Zylinder doppeltwirkend, so daß ein solcher Zylinder eine Nockenwelle sowohl vorstellen als auch verzögern kann, zum Beispiel die Nockenwelle der Einlaßventile, während der andere hydraulische Zylinder die andere Nockenwelle sowohl vorstellen als auch verzögern kann, zum Beispiel die Nockenwelle der Auslaßventile.
In dieser zweiten Ausführungsform ist eine Steuernocke für jeden hydraulischen Zylinder bereitgestellt. Außerdem ist ein dreifaches Planetengetriebe bereitgestellt, wiederum mit einem gemeinsamen Träger, worin sich das erste und das zweite Getriebe wie in der ersten Ausführungsform verhalten und das dritte Getriebe ein gesteuertes Hohlrad umfaßt, getrennt von der Steuerung des Hohlrades des zweiten Getriebes, das in eine beliebige Richtung gedreht werden kann, um den Phasenwinkel der zu steuernden Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle zu vergrößern oder zu verkleinern. Die Drehung eines beliebigen Hohlrades im zweiten und im dritten Getriebe bewirkt die Drehung einer entsprechenden Steuernocke. Die vorliegende Erfindung verwendet Reaktionsdrehmomentimpulse, die durch die Rückholfedern der Ventile induziert werden, als Kraft, die den Fluß von Fluidum zwischen den Hohlräumen der hydraulischen Zylinder und die sich daraus ergebende Phasenverschiebung ermöglicht, was dem System die Eigenschaft der Selbstbetätigung bei niedrigem Energieverbrauch verleiht, weil zum Drehen der Verbindung, d.h. einer Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle, keine externe hydraulische Kraft notwendig ist.
Überdies erlaubt jeder Steuermechanismus die modulare Phasenverschiebung mit Positionsrückkopplung oder mit elektrischer digitaler Rückkopplung, um das Ausmaß der erzeugten Phasenverschiebung sorgfältig zu überwachen.
Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abbildung 1 eine teilweise Querschnittsansicht ist, die eine Teilansicht der Seite einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine aufzeigt, die die vorliegende Erfindung einschließt;
Abbildung 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von Abbildung list;
Abbildung 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von Abbildung 2 ist;
Abbildung 4 eine Abbildung 2 ähnliche Ansicht ist und eine Ausführungsform des Steuermechanismus zur Phasenverschiebung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Abbildung 4a eine Abbildung 4 ähnliche Ansicht ist und eine alternative Ausführungsform des Steuermechanismus zur Phasenverschiebung zeigt, die einen einzelnen Zylinder und einen doppeitwirkenden Kolben im Einklang mit der vorliegenden Erfindung verwendet;
Abbildung 5 eine Querschnittsansicht entlang den Linien 5-5 von Abbildung 4 ist, um 90º im Gegenuhrzeigersinn gedreht;
Abbildung 6 der Querschnitt einer Vorderansicht ist und eine alternative Ausführungsform des Steuermechanismus zur Phasenverschiebung der vorliegenden Erfindung zeigt, entlang den Linien 6-6 von Abbildung 7;
Abbildung 7 ein Aufriß teilweise im Querschnitt entlang den Linien 7-7 von Abbildung 6 ist;
Abbildung 8 eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines Teiles von Abbildung 6 ist, die einen normalerweise geschlossenen, hydraulisch betätigten Einwegventilmechanismus darstellt;
Abbildung 9 eine Vorderansicht im Querschnitt und teilweise als Schema des in Abbildung 7 gezeigten Steuermechanismus entlang den Linien 9-9 der Abbildungen 7 und 10 ist; und
Abbildung 10 ein Aufriß im Querschnitt entlang den Linien 10-10 aus Abbildung 9 ist.
Abbildung 1 zeigt den Block 10 einer herkömmlichen Hubkolben Verbrennungsmaschine, worin die Einlaß- und Auslaßventile 12 durch die Ventilfedern 14 gegen die Nocken 16 gehalten werden. Die Nocken 16 sind aus einer Nockenwelle 20 geformt, die ihrerseits mit dem Flansch 22 der Nockenwelle aus einem Stück besteht. Der Flansch 22 ist drehbar mit einem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle verbunden, der seinerseits über eine Synchronkette oder einen Synchronriemen 28 mit der Kurbelwelle 26 verbunden ist. Die Drehachse 23 der Nockenwelle 20 stimmt mit der Drehachse 25 des Antriebszahnkranzes 24 der Nockenwelle überein. Dieser Aufbau bestimmt die Synchronisierung der Betätigung der Motorventile bezüglich der Bewegung oder Stellung der Kolben 30 während des Betriebes des Motors. Die vorliegende Erfindung steuert die Phasenverschiebung der Nockenwelle 20 bezüglich der Kurbelwelle 26 während des Betriebes des Motors mittels einer hydraulischen Vorrichtung 32, die einen Antriebsflansch, nämlich den Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle, mit einem Abtriebsflansch, nämlich den Flansch 22 der Nockenwelle, drehbar verbindet.
Die Abbildungen 2-3 veranschaulichen die drehbare Verbindung der hydraulischen Vorrichtung 32. Die Verbindung ist zwischen dem Flansch 22 der Nockenwelle und dem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle angeordnet und umfaßt zwei zylindrische Gehäuse 34. Die zylindrischen Gehäuse 34 sind bezüglich der zentralen Achse 23 versetzt und liegen in einer im wesentlichen dazu senkrechten Ebene. Hubkolben oder Plunger 36, 37 befinden sich innerhalb eines entsprechenden zylindrischen Gehäuses 34, um mit den zylindrischen Gehäusen 34 zusammenzuwirken, die starr mit dem Flansch 22 der Nockenwelle verbunden sind. Diese Anordnung stellt ein Paar von Hohlräumen 42 und 43 bereit, jeweils an einem Ende jedes Plungers 36, 37. Das entgegengesetzte Ende jedes Plungers wird von einem Zylinder 35 mit offenem Ende getragen, der axial ausgerichtet ist. Zwei Bolzen 38 sind steif mit dem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle verbunden und jeder ist durch die Einführung des Bolzens 38 in den Spalt 40 des Plungers mit den entsprechenden beweglichen Plungern 36, 37 verbunden. Die untereinander verbundenen Hohlräume 42, 43 für das Fluidum sind mit Fluidum angefüllt und sichern eine konstante relative Stellung der zylindrischen Gehäuse 34 bezüglich der beweglichen Plunger 36, 37. Jedes der zahlreichen verschiedenen hydraulischen Fluida ist geeignet, wobei Öl das naheliegendste sein wird. Die Hohlräume für das Fluidum sind über eine Leitung 46 verbunden. Zwischen die Hohlräume für das Öl 42 und 43, entlang der Leitung 46, ist eine Steuervorrichtung 44 eingefügt.
Ebenso kann die Rückseite dieser Montage mit den starr mit dem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle verbundenen zylindrischen Gehäusen 34 und den starr mit dem Flansch der Nockenwelle 22 verbundenen Bolzen 38 angeordnet sein.
Beim Betrieb betätigt der Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle, solange das Volumen des Fluidums in den untereinander verbundenen Hohlräumen für das Öl 42, 43 in deren Inneren konstant bleibt, den Flansch 22 der Nockenwelle mit einer Drehbewegung ohne jegliche Phasenverschiebung in der Synchronisierung zwischen der Nockenwelle 20 und der Kurbelwelle 26. Alternativ wird der Antriebszahnkranz 24, wenn Fluidum von einem Hohlraum 42 oder 43 zum anderen übertragen wird, relativ zum Flansch 22 der Nockenwelle rotieren. Die Steuervorrichtung 44 regelt den Ölfluß zwischen den zwei Hohlräumen für das Öl 42, 43. Wenn die Steuervorrichtung 44 den Ölfluß von einem Hohlraum für das Öl 42 oder 43 zum anderen Hohlraum zuläßt, gleiten die Plunger 36 im Inneren der zylindrischen Gehäuse 34 und bewirken somit die Drehung des Antriebszahnkranzes 24 der Nockenwelle bezüglich des Flansches 22 der Nockenwelle, wobei eine Phasenverschiebung zwischen der Nockenwelle 20 und der Kurbelwelle 26 stattfindet.
Die Steuervorrichtung 44 zum Regeln des Ölflusses von einem Hohlraum 42 oder 43 in den anderen Hohlraum für das Öl, wodurch die Phasenverschiebung stattfindet, ist in den Abbildungen 4 und 5 aufgezeigt. Die Hohlräume 42 und 43 für das Öl sind über die Leitung 46 mit der Steuervorrichtung 44 verbunden, die den Ölfluß zwischen den Hohlräumen 42 und 43 für das Öl regelt. Die Steuervorrichtung 44 besteht aus zwei getrennt aktivierbaren, entgegengesetzten Kugelventilen 48 und 50, ein jedes mit einer entsprechenden Stößelstange 52, 54 in Verbindung stehend, die zwischen die Kugelventile 48, 50 zwischengelegt sind, und einer mittig angeordneten Steuernocke 56. Ein Ausgleichsventil 58 für das Öl ist zwischen den Kugelventilen 48 und 50 installiert, um gegebenenfalls aus einer Hauptquelle jegliches Öl aufzufüllen, das im System verlorengegangen sein könnte. Die Kugelventile 48 und 50 und das Ausgleichsventil 58 für das Öl sind starr mit dem Flansch 22 der Nockenwelle verbunden und drehen sich zusammen mit den zylindrischen Gehäusen 34 mit ihm.
Beim Betrieb bleiben die Kugelventile 48 und 50, wenn die Stößelstangen 52 und 54 nicht betätigt sind, geschlossen, und das Fluidum kann nicht zwischen den Hohlräumen 42 und 43 für das Fluidum fließen. Folglich kann keine Phasenverschiebung stattfinden. Wenn eine der Stößelstangen 52 oder 54 angehoben wird, können das Fließen von Fluidum in eine Richtung zwischen den Hohlräumen 42 und 43 für das Fluidum und Phasenverschiebungen stattfinden. Das Anheben einer Stößelstange wird das Fließen des Fluidums in einer Richtung zulassen, was das Vorauslaufen der Nockenwelle bewirkt, und alternativ erlaubt das Anheben der anderen das Fließen des Fluidums in die andere Richtung, wobei eine Verzögerung der Nockenwelle verursacht wird. Die Steuervorrichtung 44 nutzt die Drehmomentimpulse auf die Nockenwelle 20, die entsprechende Druckimpulse in den Hohlräumen 42 und 43 für das Fluidum erzeugen werden, und somit ist keine externe hydraulische Druckquelle notwendig, um das Fließen des Fluidums und das Drehen der Verbindung zu veranlassen. Genau gesagt, wenn die Stößelstange 52 betätigt war und das Kugelventil 48 offen gehalten hatte, wird ein Druckimpuis im Hohlraum 42 für das Fluidum das Kugelventil 50 durch hydraulischen Druck aufdrücken, und Fluidum wird vom Hohlraum 42 in den Hohlraum 43 für das Fluidum fließen, dabei das Gleiten der Plunger 36, 37 in entgegengesetzte Richtungen verursachend, wobei die Bolzen 38 geschoben werden und folglich der Abtriebsflansch 22 gedreht wird. Das ergibt dann das Vorauslaufen der Nockenwelle 20 bezüglich der Kurbelwelle 26. Wenn umgekehrt ein Druckimpuls im Hohlraum 43 für das Fluidum bei geöffnetem Kugelventil 48 erzeugt wird, fließt kein Fluidum, weil das Kugelventil 50 geschlossen bleiben würde. Der Fluß des Fluidums in die entgegengesetzte Richtung kann andererseits erreicht werden, wenn die Stößelstange 54 betätigt ist. Das Fluidum kann dann auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben in die entgegengesetzte Richtung fließen. Dieses Fließen von Fluidum, vom Hohlraum 43 in den Hohlraum 42 für das Fluidum, würde die Verzögerung der Nockenwelle 20 bezüglich der Kurbelwelle 26 bewirken.
Die Betätigung der Stößelstangen wird über die zentral angeordnete Steuernocke 56 bewerkstelligt.
Die Drehbewegung der Steuernocke 56 bezüglich des Antriebszahnkranzes 24 der Nockenwelle wird durch die Verwendung zweier Sätze von im wesentlichen koaxialen, identischen Planetengetrieben 110, 118 ausgeführt, die drehbar durch einen gemeinsamen Träger 108 verbunden sind, der sich im stationären Gehäuse 106 befindet, wie es in Abbildung 5 dargestellt ist. Die Planetengetriebe 110, 118 besitzen eine zentrale Achse, die mit der zentralen Achse 23 der Nockenwelle zusammenfällt. Das erste Planetengetriebe 110 besteht aus einem Sonnenrad 112, das starr mit dem Antriebszahn kranz 24 der Nockenwelle verbunden ist, aus mindestens zwei Umlaufritzeln 114 und einem stationären Hohlrad 116. Das zweite Planetengetriebe 118 besteht aus einem starr mit der Steuernocke 56 verbundenen Sonnenrad 120, aus mindestens zwei Umlaufritzeln 122 und einem Hohl rad 124. Die Umlaufritzel 114 und 122 besitzen einen gemeinsamen Träger 108, auf dem die Umlaufritzel 114 und 122 drehbar montiert sind. Die äußere Oberfläche des Hohlrades 124 bildet ein Schneckengetriebe, das von einer Schnecke 126 betätigt wird, die durch eine externe Antriebsquelle gesteuert werden kann. Das Schneckengetriebe ist selbsthemmend, so daß die Schnecke 126 das Hohlrad 124 betätigen kann, aber das Hohlrad 124 nicht die Schnecke 126.
Die Nocke 56 dreht sich normalerweise mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle; daher ruhen die Stößelstangen 52 und 54 auf der Stelle maximaler Hubhöhe, nämlich auf der in Abbildung 4 gezeigten Nase 102. Die Nocke 56 ist in ihrer Phase bezüglich des Antriebszahnkranzes 24 der Nockenwelle versetzbar, um eine der Stößelstangen 52, 54 nach oben zur Nase 102 zu stoßen und somit das entsprechende Kugelventil, jeweils 48, 50, zu betätigen.
Beim Betrieb dreht sich das Sonnenrad 120, solange die beiden Hohlräder 116 und 124 stationär bleiben, zusammen mit der Nocke 56 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie das Sonnenrad 112 mit dem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle. Also findet keine Phasenverschiebung statt. Um eine Phasenverschiebung durchzuführen, wird das Schneckengetriebe 126 durch eine externe Antriebsquelle zum Drehen veranlaßt, was die Rotation des Hohlrades 124 bewirkt. Als Ergebnis wird bewirkt, daß sich das Hohl rad 120 und die starre Nocke 56 bezüglich des Sonnenrades 112 und des starren Antriebszahn kranzes 24 der Nockenwelle drehen. Das wiederum ergibt die Betätigung der Stößelstange 52 oder 54 und die Phasenverschiebung des Antriebszahnkranzes 24 der Nockenwelle bezüglich der Nockenwelle 22 auf die vorstehend beschriebene Weise, bis die Stößelstangen 52 oder 54 wiederum auf der Nase 102 ruhen.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine Rückkopplungssteuerung der Position.
Wenn nämlich eines der Kugelventile 48 oder 50 betätigt ist, wird ein Druckimpuls, wie er durch die Reaktionsdrehmomentimpulse erzeugt wird, die durch die Rückholfedern der Ventile erzeugt werden, im richtigen Hohlraum 42 oder 43 des Fluidums das Fließen des Fluidums von dieser Kammer in die andere bewirken. Die resultierende Phasenverschiebung zwischen dem Flansch 22 der Nockenwelle, an dem die Kugelventile 48 und 50 starr befestigt sind, und dem Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle, an dem die Nocke 100 drehbar befestigt ist, ergibt eine Drehbewegung der Stößelstangen 52 und 54 bezüglich der Nocke 100, bis die Stößelstangen 52 und 54 wieder auf der Nase 102 ruhen und somit die Kugelventile 48 und 50 deaktivieren und die Phasenverschiebung beenden. Anstatt zwei einzelwirkende hydraulische Zylinder zu verwenden, wie in den Abbildungen 2-5 gezeigt ist, kann die Steuerung der Phasenverschiebung der Nockenwelle ebenso mittels eines einzigen Zylinders mit einem doppeltwirkenden Kolben und einer Steuernocke umgekehrter Form verwirklicht werden. Eine solche Anordnung ist in Abbildung 4a wiedergegeben, worin ähnliche Referenznummern zum Bezeichnen ähnlicher Bestandteile durchgehend verwendet werden. Die Anordnung ist jener ähnlich, die in Abbildung 4 gezeigt ist, außer daß die veränderte Form der Steuernocke 56a zwei Nasen 102a und 102a' umfaßt, und daß die Durchgänge 46a und 47a jeweils die Steuerventile 48a und 50a jeweils mit den Kammern 42a und 43a verbinden, die im doppeltwirkenden Zylinder 35a auf beiden Seiten des Kolbens 36a gebildet sind. Wie für die Ausführungsform, die in den Abbildungen 2-5 gezeigt ist, ist der Kolben 36a am Antriebszahnkranz befestigt, während der Zylinder 35a und die entsprechenden, vorstehend beschriebenen Ventile und Leitungen mit der Nockenwelle zusammen rotieren. Das Drehen im Uhrzeigersinn der Nocke 56a bewirkt, daß die Nase 102a die Stößelstange 52a nach oben stößt, dabei das Ventil 48a öffnet und dem Öl von der Kammer 42a durch die Leitungen 46a, 49a und 47a zur Kammer 43a zu fließen erlaubt. Das resultiert in einer Phasenverschiebung der Nockenwelle im Uhrzeigersinn. Gleichermaßen öffnet das Drehen. im Gegenuhrzeigersinn der Nocke 56a das Ventil 54a, und das ergibt eine Phasenverschiebung im Gegenuhrzeigersinn.
In den Abbildungen 6-10 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, worin der Phasenwinkel sowohl der Nockenwelle der Einlaßventile als auch der Nockenwelle der Auslaßventile unabhängig gesteuert und bezüglich der Kurbelwelle eingestellt werden kann. Wie die erste Ausführungsform, die in den Abbildungen 1-5 gezeigt ist, umfaßt das System zur Phasenverschiebung, im allgemeinen mit 198 bezeichnet, eine Drehverbindung, im allgemeinen mit 200 bezeichnet, die in einem Gehäuse 202 eingeschlossen ist, das einen Antriebszahnkranz 204 der Nockenwelle entlang ihrem äußeren Umfang besitzt, analog zum Antriebszahnkranz 24 der Nockenwelle der ersten Ausführungsform Dieser ist seinerseits über eine Synchronkette oder einen Synchronriemen wie vorstehend erwähnt mit einer Kurbelwelle verbunden. Ein Mechanismus zur Phasenverschiebung oder Steuermechanismus, insgesamt mit 400 bezeichnet, ist mit der Drehverbindung 200 koaxial dazu verbunden, um den Phasenwinkel im wesentlichen zwischen dem Antriebszahn kranz 204 der Nockenwelle und mehreren Nockenwellen einzustellen, d.h. der Nockenwelle 208 der Auslaßventile und der Nockenwelle der Einlaßventile, bei dessen Betätigung durch einen Zahn 210.
Wie man besonders in den Abbildungen 6 und 7 sieht, schließt die Drehverbindung 200 im Inneren des Gehäuses 202 ein relativ drehbares, koaxiales, ringförmiges angetriebenes Teil 212 ein. Das angetriebene Teil 212 umfaßt ein erstes Segmentteil 214 für die Aufnahme der hydraulischen Steuerungen zum Verschieben des Phasenwinkels der Nockenwelle der Auslaßventile, und ein zweites Teil 216, um die hydraulische Steuerung für die Verschiebung des Phasenwinkels der Nockenwelle der Einlaßventile aufzunehmen. Das erste Segmentteil 214 umfaßt einen Segmentkörper 218 mit einem inneren ringförmigen Nabenteil 220. Im Inneren des Körpers 218 ist eine zylindrische Kammer 222 für das Fluidum bereitgestellt. Die Kammer ist an beiden Enden durch zwei Schuhe 224 verschlossen. Innerhalb der Kammer 222 ist ein zylindrischer Hubkolben 226 mit einem Paar von Endteilen bereitgestellt, die durch entsprechende radial nach innen konvergierende Abschlußwände 228, 230 definiert sind, die mit einem Winkel nach innen streben, der gleich jenem ist, mit dem die Schuhe 224 angeordnet sind, um somit die Strecke des Hubes des Kolbens 226 zu maximieren. Auf halbem Wege zwischen den Endteilen ist ein sich transversal erstreckender Bolzen 232 bereitgestellt, der in einer Bolzenhalterung 234 ruht, die ihrerseits am Mittelpunkt des Kolbens 226 befestigt ist. Der Kolben umfaßt ferner einen sich bezüglich der Achse der Kammer 222 längsseitig erstreckenden Spalt 236, dessen Länge gleich der vorgesehenen Hubstrecke des Kolbens innerhalb der Kammer 222 ist. Die Bolzenhalterung 234 positioniert den Bolzen 232 zentral bezüglich des Spaltes 236 für den Kolben und gewährleistet das Halten des Kolbens im Spalt mit einem Spiel. Der Kolben ist an beiden Enden dicht verschlossen, um das Entweichen jeglichen hydraulischen Fluidums in den Endkammern 238 und 240 vom Segmentkörper 218 oder dessen Übertragung von einem Ende zum anderen der Kolbenkammer 222 zu verhindern.
Der erste Teil 218 des Segmentkörpers umfaßt außerdem ein Paar von radial angeordneten Sperrventilmontagen 242, 244. Jede ist radial der anderen gegenüberliegend angebracht und innerhalb einer entsprechenden Bohrung 246, 248 so befestigt, daß die entsprechende treibende Stößelstange 250, 252 einer jeden sich radial in der Bohrung 254 der Nabe 220 auf eine Weise erstrecken wird, die ihren Kontakt mit einer Steuernocke 256 wie vorstehend beschrieben erlaubt. Wie man insbesondere in der Abbildung 8 sieht, ist das Antriebsventil 244 abdichtend in der Bohrung 248 im Segmentkörperteil 218 angebracht. Das Ventil umfaßt einen zylindrischen Ventilkörper 258 mit einer durchgehenden Bohrung an einem Ende, um die Stößelstange 252 gleitend aufzunehmen. Der Kopf 260 der Stößelstange liegt innerhalb einer inneren Fluidumkammer 262. Der Ventilkörper 244 umfaßt hydraulische Durchgänge 264 und 266 an entsprechenden Enden der inneren Fluidumkammer. Zwischen den Durchgängen 264 und 266 ist ein Ventilsitz bereitgestellt, auf dem ein mit einer Feder vorgespanntes Kugelventil 268 ruht, das durch eine zylindrische Schraubenfeder 270 in einer normalerweise geschlossenen Stellung gehalten wird. Das Ventil ist auf seiner Außenseite bei 272 gewindet und mit einem kopfschraubenartigen Kopf 274 versehen, so daß es durch Einschrauben einstellbar in der Bohrung 248 in der bezüglich zur Nocke 256 geeigneten Position befestigt werden kann. Das Ventil 242 ist mit Ventil 244 identisch.
Man wird unter erneuter Bezugnahme auf Abbildung 6 bemerken, daß die Durchgänge 264 eines jeden Ventilkörpers über die Leitung 276 untereinander verbunden sind und die Durchgänge 266 am anderen Ende eines jeden Ventilkörpers über die Leitungen 278 mit einer entsprechenden Fluidumkammer 238, 240 auf beiden Seiten des Kolbens 226 in Verbindung stehen. Jede Leitung 278 steht auch über entsprechende Durchgänge 279 mit einer nicht wiedergegebenen hydraulischen Niederdruckquelle von Öl oder einem anderen ergänzenden Fluidum in Verbindung, die gegebenenfalls aus einer Hauptquelle jegliches Fluidum ergänzt, das innerhalb des Systems verlorengegangen sein könnte.
Der zweite Segmentkörper 216 des angetriebenen Teils 212 ist auf eine dem ersten Segmentkörper 214 ähnliche Weise aufgebaut, mit der Ausnahme, daß seine radiale innerste Oberfläche 280 sich nur teilweise entlang dem Umfang erstreckt und angepaßt ist, drehbar auf dem äußeren Umfang der Nabe 220 von Teil 214 getragen zu werden. Ebenso wird man aus Abbildung 7 ersehen, daß der erste Segmentkörper ringförmig ist und das Gehäuse 202 auf seinem gesamten inneren Umfang berührt, und daß er den zweiten Segmentkörper innerhalb einer ringförmigen Aussparung drehbar aufnimmt, die die gesamte untere Hälfte vom Gehäuse 202 einnimmt. Mit anderen Worten ausgedrückt, nimmt der Körper 218 des ersten Segmentkörpers 214 die obere Hälfte des Gehäuses 202 ein, indem er das Gehäuse über dessen ganze Weite vollständig ausfüllt, wie man in Abbildung 7 sieht. Jedoch besitzt die untere Hälfte des ersten Segmentkörpers 214, wie aus Abbildung 7 ersichtlich ist, die Form einer Tasse, um den zweiten Segmentkörper 216 aufzunehmen. Der Körper 218 des ersten Segmentkörpers 214 und der zweite Segmentkörper 216 beschreiben beide einen Bogen von zirka 160º, so daß zwischen den Enden der beiden Teile ein Leerraum bereitgestellt ist, mit 282 und 284 bezeichnet, der jedem Teil zirka 30º freie Umdrehung bezüglich des anderen erlaubt, um die Phasenwinkelverstellung auf die nachstehend beschriebene Weise aufzunehmen.
Der zweite Segmentkörper 216 beinhaltet, wie auch der erste Segmentkörper 214, eine Fluidumkammer 286, die einen darin aufgenommenen Kolben 288 besitzt und durch Schuhe 290, 292 an ihren Enden verschlossen ist. Der Kolben wird mittels eines Bolzens 294 befestigt, der sich quer vom Kolben weg erstreckt und an beiden Enden am Gehäuse 202 befestigt ist, wie in Abbildung 7 gezeigt ist. Der zweite Segmentkörper 216 umfaßt ferner ein Paar von hydraulischen Steuerventilen 296 und 298, deren Bauweise identisch mit jener der vorstehend beschriebenen Ventile 242, 244 ist, und die eine zweite Steuernocke 300 betätigen, die axial bezüglich der ersten Steuernocke versetzt ist, wie es in Abbildung 7 gezeigt ist. Jedes hydraulische Steuerventil 296, 298 umfaßt ein Paar von hydraulischen Durchgängen, wobei die der entsprechenden Stößelstange nächstgelegenen Durchgänge die Verbindung zwischen den beiden Ventilmechanismen über eine Leitung 302 bereitstellen und die zweiten Durchgänge eines jeden Ventils direkt mit einer entsprechenden hydraulischen Endkammer 304, 306 jeweils über die Leitungen 308 und 310 in Verbindung stehen.
Der Steuermechanismus oder Phasenregler 400 wird in den Abbildungen 9 und 10 im Detail gezeigt. Der Verwendungszweck des Steuermechanismus 206 besteht darin, eine Phasenverschiebung (relative Umdrehung) der Nocken 256 und 300 bezüglich des Antriebszahnkranzes 204 beim Betrieb des Motors zu veranlassen. Der Steuermechanismus umfaßt ein Gehäuse 402, das statisch gehalten wird. Im Gehäuse 402 befinden sich drei grundsätzlich identische Planetengetriebe, wobei die Umlaufgetriebe von jedem Getriebe einen gemeinsamen Träger 404 besitzen. Jedes Getriebe besteht aus einem Sonnenrad 408a, b, c, den Umlaufgetrieben 410a, b, c und einem Hohlrad 412a, b, c. Im Träger 404 befinden sich Bolzen 414, auf die die Umlaufgetriebe drehbar montiert sind. Die Umlaufgetriebe 410a stehen mit dem Sonnenrad 408a und dem Hohlrad 412a in Verbindung. Die Umlaufgetriebe 410b stehen mit dem Sonnenrad 408b und dem Hohlrad 412b in Verbindung. Die Umlaufgetriebe 410c stehen mit dem Sonnenrad 408c und dem Hohlrad 412c in Verbindung. Ein Bolzen 414 verhindert das Drehen des Hohlrades 412a. Die Hohlräder 412b und 412c besitzen Schneckengetriebezähne 416 entlang ihren äußeren peripherischen Oberflächen und stehen jeweils mit Schneckengetrieben 418 und 420 in Verbindung. Die Schnecke von jedem Schneckengetriebe ist so gestaltet, daß die Berührung selbsthemmend ist und sich die Hohlräder 412b und 412c folglich nicht drehen können, wenn nicht jeweils die Schneckengetriebe 418 und 420 gedreht werden.
Das Sonnenrad 408a steht mit der Welle 422 in Verbindung, die steif mit dem Antriebszahnkranz 204 in Verbindung steht. Die Sonnenräder 408b und 408c sind jeweils integral aus den Wellen 424 und 426 geformt, die fest jeweils mit den Steuernocken 300 und 256 in Verbindung stehen, wie in den Abbildungen 7 und 10 gezeigt ist.
Als Folge rotieren die Nocken 256 und 300 mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Antriebszahnkranz 204 und die anderen drehenden Bestandteile des Mechanismus zur Phasenverschiebung. Das Drehen der Schnecke 420 bewirkt die Rotation des Sonnengetriebes 408c bezüglich der anderen zwei Sonnengetriebe und führt zu einer Phasenverschiebung der Nocke 256 der Auslaßventile bezüglich der anderen drehenden Teile des Phasenverstellers. Gleichermaßen führt das Drehen des Schneckengetriebes 418 zur relativen Drehbewegung des Sonnenrades 408b und zu einer Phasenverschiebung der Nocke 300 der Einlaßventile.
Beim Betrieb besteht das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung darin, wie für die in den Abbildungen 1-5 gezeigte erste Ausführungsform, den Umstand auszunutzen, daß beim Betrieb des Motors jede Nockenwelle kontinuierlichen Reihen bidirektionaler Reaktionsdrehmomentimpulse ausgesetzt ist. Bei jeder Öffnung von Ventilen wirkt das Reaktionsdrehmoment entgegengesetzt zur Richtung der Rotation jeder Nockenwelle, und beim Schließen des Ventils stimmt es mit der Rotationsrichtung überein. Jeder Drehmomentimpuls generiert einen Druckimpuis in einer der hydraulischen Kammern. Beim Öffnen eines Auslaßventils entsteht ein Druckimpuls in der Kammer 240 und bei seinem Schließen wird Druck in der Kammer 238 erzeugt. Das Öffnen eines Einlaßventils erzeugt Druck in der Kammer 304, und bei seinem Schließen tritt ein Druckimpuls in der Kammer 306 auf.
Das hydraulische System im Inneren der Verbindung 200, einschließlich der Kammern 238, 240, 304 und 306 und der jeweiligen Ventile 242, 244, 296 und 298, ist vollständig mit Öl gefüllt. Beim Betrieb kann Öl von einer der zwei Endkammern 238, 240 zur anderen nur dann fließen, wenn die im ersten Segmentkörper 214 installierten, normalerweise geschlossenen Ventile 242 und 244 geöffnet sind. Gleichermaßen kann Öl von einer der zwei Endkammern 304, 306 zur anderen nur dann fließen, wenn die im zweiten Segmentkörper 216 installierten, normalerweise geschlossenen Ventile 296 und 298 geöffnet sind.
Solange die Ventile 242, 244, 296 und 298 geschlossen bleiben, wird die Rotation des Antriebszahnkranzes 204 an das angetriebene Teil 212 über die eingesperrten Ölvolumen ohne jegliche Veränderung in der relativen Drehstellung weitergegeben. Folglich tritt keine Phasenänderung auf.
Das Öffnen von einem der Ventile 242, 244, 296 und 298 ergibt eine Phasenverschiebung von einer der Nockenwellen bezüglich des Antriebszahnkranzes 204. Beispielsweise hebt das Drehen im Uhrzeigersinn der Nocke 256 bezüglich des ersten Segmentkörpers 214 die Stößelstange 250 auf der Nase a und öffnet das Sperrventil 242. Das Drehen im Gegenuhrzeigersinn der Nocke 256 bewirkt das Anheben der Stößelstange 252 an der Nase b und öffnet somit das entsprechende Sperrventil 268 im Ventil 244. Die Nocke 300 steuert die Ventile 296 und 298 auf ähnliche Weise. Das Drehen im Uhrzeigersinn der Nocke 300 bezüglich des zweiten Segmentkörpers 216 öffnet das Sperrventil 298, wohingegen sein Drehen im Gegenuhrzeigersinn das Ventil 296 öffnet.
Wenn insbesondere die Nocke 256 im Uhrzeigersinn (phasenverschoben bezüglich der anderen drehenden Teile der Vorrichtung) gedreht wird, dann öffnet sie das Sperrventil im Ventil 242. Bei jedem Druckimpuls in der Endkammer 238 fließt Öl von der Endkammer 238 in dieser Reihenfolge durch den inneren Durchgang 278, das Ventil 242, den Durchgang 276, das Ventil 244 und den Durchgang 278 zur Endkammer 240. Das rückwärtige Fließen von Öl von der Kammer 240 wird durch das Sperrventil 268 im Ventil 244 verhindert. Als Ergebnis gleitet der Plunger 226 zum Ventil 242 hin, und der erste Segmentkörper 214, der die Ventile 242 und 244 trägt, ist bezüglich der anderen drehenden Teile der Vorrichtung im Uhrzeigersinn phasenverschoben. Wenn die Phasenverschiebung des ersten Segmentkörpers 214 mit der davor durchgeführten Phasenverschiebung der Nocke 256 übereinstimmt, wird die ursprüngliche relative Stellung der Nocke 256 und der Ventile 242 und 244 wiederhergestellt. Das Ventil 242 schließt sich, und dies unterbindet den Ölfluß von der Endkammer 238 zur Endkammer 240. Demzufolge stimmt die Phasenverschiebung des Steuerarmes 214 der Auslaßnockenwelle stets mit der Phasenverschiebung der Steuernocke 256 überein. Wenn die Nocke 256 im Gegenuhrzeigersinn phasenverschoben ist, wird sich das Ventil 244 öffnen, Öl wird von der Endkammer 240 zur Endkammer 238 fließen und der Steuerarm oder der erste Segmentkörper 214 wird die Bewegung der Nocke 256 im Gegenuhrzeigersinn nachzeichnen. Gleichermaßen wird die Phasenverschiebung der Nocke 300 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn das Öffnen jeweils der Ventile 298 und 296 bewirken und ebenso eine entsprechende Phasenverschiebung des zweiten Segmentkörpers 218 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn und dem daraus geformten Antriebszahnkranz 210 der Einlaßnockenwelle. Folglich werden die Auslaß und die Einlaßnockenwelle, die jeweils durch den ersten Segmentkörper 214 und den zweiten Segmentkörper 216 betätigt werden, stets die Bewegungen jeweils der Nocken 256 und 300 wiederholen. Die Phasenverschiebung einer beliebigen der zwei Nockenwellen wird einfach durch Drehen eines entsprechenden Schneckengetriebes im Phaseneinsteller 400 ausgeführt, was durch einen Schrittmotor oder eine andere geeignete Vorrichtung unter der Steuerung des elektronischen Steuerungssystems des Motors als Teil einer Gesamtstrategie für die Steuerung des Motors bewerkstelligt werden kann.
Wie bei der ersten Ausführungsform aus den Abbildungen 1-5 ist das in den Abbildungen 6-10 gezeigte System im wesentlichen dynamisch ausgewuchtet. Das Trägheitsmoment der gesamten Masse befindet sich nämlich auf der Rotationsachse des Systems zur Phasenverschiebung. Das ist beispielsweise das Ergebnis der Drehverbindung 200, die aus zwei diametral gegenüberliegenden Segmentkörpern 214, 216 aufgebaut ist, wovon jeder einen Hubkolben 226, 228 identischer Bauweise und gleicher Masse umfaßt, und die von der gemeinsamen Drehachse gleich weit radial entfernt sind. Alle anderen drehbaren Bestandteile der Drehverbindung wurden unter den gleichen Aspekten der Rotationsbalance konstruiert. Auf ähnliche Weise ist der Steuermechanismus oder Phaseneinsteller 400 dank der Symmetrie der Planetengetriebe perfekt dynamisch ausgewuchtet. Außerdem ermöglicht die Ausführungsform aus den Abbildungen 6-10, wie für die erste Ausführungsform eine Rückkopplungssteuerung der Position auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben wurde.
Der Kraftaufwand, um das Schneckengetriebe im Phaseneinsteller aus einer beliebigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu drehen, ist sehr gering, weil der einzig angetroffene Widerstand jener im Sperrventil zuzüglich einer vernachlässigbaren Menge Reibungswiderstand ist. Das hydraulische System des Phaseneinstellers verstärkt diesen Kraftaufwand und stellt eine genügende Kraft bereit, um die Nockenwelle in ihrer Phase zu verschieben.
Ebenso wird man bemerken, daß jeder der vorstehend beschriebenen Phaseneinsteller bei Undichtigkeit inhärent selbstausgleichend ist. Wenn beispielsweise in der zuletzt beschriebenen Ausführungsform eine ungewollte Verschiebung wegen Ölverlusts aus einer Seite der Plunger 226 oder 288 zum anderen eintritt, wird sich ein entsprechendes der Steuerventile 242, 244, 296 und 298 öffnen und dadurch die Wiederherstellung der vorausgegangenen relativen Stellung der Bestandteile auf die zuvor beschriebene Weise bewirken.

Claims

1. Ein hydraulisches System für die Phaseneinstellung der Nockenwelle zum Verändern der Synchronisierung mindestens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors bezüglich der Kurbelwelle des Motors, das System umfassend:

einen Antriebsflansch (24), der zur Verbindung mit der Kurbelwelle zwecks Rotation um eine Achse angepaßt ist;

einen Abtriebsflansch (22), der zur Verbindung mit dieser mindestens einen Nockenwelle (20) zwecks Rotation um diese Achse angepaßt ist;

eine hydraulische Verbindung (32), umfassend eine Gehäusevorrichtung (34), die mit einem dieser Flansche verbunden ist, und eine Kolbenvorrichtung (36, 37), die mit dieser Gehäusevorrichtung zusammenwirkt und mit dem anderen dieser Flansche verbunden ist, wobei diese Gehäusevorrichtung und diese Kolbenvorrichtung zusammen ein Paar von Kammern (42, 43) für ein Fluidum definieren, die angepaßt sind, kontinuierlich mit Fluidum angefüllt zu werden, und die durch eine Leitungsvorrichtung (46) zum Übertragen von Fluidum von einer dieser Kammern zur anderen miteinander verbunden sind, wobei das Fluidum innerhalb dieser Kammern Druckwerte aufweist, die sich zyklisch als unmittelbares Ergebnis des Reaktionsdrehmomentes verändern, das der Nockenwelle auferlegt wird, wenn sich die Nockenwelle dreht;

eine Ventilvorrichtung, umfassend ein erstes und ein zweites normalerweise geschlossenes Ventil (48, 50) innerhalb dieser Leitungsvorrichtung (46), die die Übertragung von Fluidum von einer dieser Kammern (42, 43) für das Fluidum in die andere (43, 42) zum Steuern des Flusses des Fluidums in der Leitungsvorrichtung verhindern; und

eine Steuervorrichtung (56) zum selektiven Betätigen dieser Ventilvorrichtung, um das Drehen bezüglich einander dieses Antriebsflansches und dieses Abtriebsflansches in jeder Richtung zu bewirken, wodurch die Synchronisierung selektiv vorgestellt oder verzögert werden kann;

dadurch gekennzeichnet, daß

diese Ventilvorrichtung ein Paar von hin- und herbewegbaren Stößelstangen (52, 54) umfaßt, wobei jede Stößelstange koaxial bezüglich eines entsprechenden von diesem ersten und diesem zweiten Ventil (48, 50) am eingehenden Ende jedes dieser Ventile ausgerichtet ist, wobei ein Ende von jeder dieser Stößelstangen (52, 54) ein entsprechendes von diesem ersten und diesem zweiten Ventil (48, 50) betätigt, wobei das andere Ende dieser Stößelstange (52, 54) mit dieser Steuervorrichtung (56) in Verbindung steht;

und daß diese Steuervorrichtung (56) selektiv bewirkt, daß jede dieser Stößelstangen (52, 54) ihr entsprechendes von diesem ersten und diesem zweiten Ventil (48, 50) in eine geöffnete Stellung bringt,

wodurch das Betätigen von einem von diesem ersten und diesem zweiten Ventil (48, 50) dem Fluidum ermöglicht, sich in die eine Richtung zwischen diesen Kammern (42, 43) für das Fluidum zu bewegen, wobei es diese eine Kammer ausdehnt und die andere zusammenzieht und somit die Rotation dieses Abtriebsflansches (22) in einer Richtung bewirkt, um die Nockenwelle (20) bezüglich der Kurbelwelle vorzubewegen, und wodurch das Betätigen des anderen von diesem ersten und diesem zweiten Ventil (48, 50) die Übertragung von Fluidum in eine entgegengesetzte Richtung zwischen diesen Kammern (42, 43) für das Fluidum erlaubt, wobei es diese eine Kammer zusammenzieht und diese andere Kammer ausdehnt und somit die Rotation dieses Abtriebsflansches (22) in der anderen Richtung bewirkt, um die Nockenwelle (20) bezüglich der Kurbelwelle zu verzögern.

2. Ein System nach Anspruch 1, worin diese Gehäusevorrichtung (34) ein Paar von genau gleich großen Gehäusen (34) umfaßt, die sich diametral gegenüberliegen und von dieser Achse radial gleich weit entfernt sind, wodurch diese Gehäusevorrichtung bezüglich dieses einen Flansches dynamisch ausgewuchtet ist,

wobei diese Kolbenvorrichtung (36, 37) ein Paar von genau gleich großen Kolben (36, 37) besitzt, von denen sich jeder in einem entsprechenden dieser zylindrischen Gehäuse (34) befindet,

wobei jeder dieser Kolben (36, 37) mit einem entsprechenden von diesen zylindrischen Gehäusen eine entsprechende dieser Kammern (42, 43) für das Fluidum definiert,

wobei diese Kammern für das Fluidum diametral einander gegenüberliegen, wodurch diese hydraulische Verbindung dynamisch ausgewuchtet ist.

3. Ein System nach Anspruch 2, worin diese Kolbenvorrichtung (36, 37) mit diesem Abtriebsflansch (22) in Verbindung steht,

wobei dieser Abtriebsflansch (22) ein Paar von diametral einander gegenüberliegenden Bolzen (38) umfaßt, die radial gleich weit von dieser Achse entfernt sind und sich parallel zu dieser Achse erstrecken,

wobei jeder dieser Bolzen (38) in einem entsprechenden Kolben aufgenommen ist, wodurch diese Bolzen (38), wenn jeder dieser Kolben bezüglich dieses Gehäuses verschoben wird, betätigt werden, um diesen Abtriebsflansch (22) zu betätigen.

4. Ein System nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin diese Steuervorrichtung eine Nocke (56) umfaßt, die drehbar mit diesem Antriebsflansch verbunden ist und eine Nase (102) maximalen Hubes besitzt, wobei diese Stößelstangen (52, 54) auf dieser Nase ruhen, und

eine Betätigungsvorrichtung zum Drehen dieser Nocke in beide Richtungen, um somit durch eine dieser Stößelstangen (52, 54) die Öffnung von einem dieser Sperrventile (48, 50) zu bewirken, wenn diese Nocke in eine beliebige Richtung gedreht wird, wodurch das Öffnen von beiden dieser Sperrventile (48, 50) bewirkt wird, um die Übertragung von Fluidum nur in eine Richtung von einer dieser Kammern für das Fluidum zur anderen solange zu ermöglichen, bis sich dieser Antriebsflansch (24) und dieser Abtriebsflansch (22) genügend weit drehen, um das erneute Ruhen dieser zwei Stößelstangen (52, 54) auf dieser Nase zu bewirken, wodurch sie diese Sperrventile (48, 50) schließen und diese Phasenverschiebung beendet wird.

5. Ein System nach Anspruch 4, worin diese Betätigungsvorrichtung eine Vorrichtung (110, 118) mit Planetengetrieben mit einem Abtriebsteil (120) umfaßt, das koaxial bezüglich dieses Antriebsflansches ausgerichtet und drehbar damit verbunden ist, wobei diese Nocke (56) wirksam mit diesem Abtriebsteil und einem drehbaren Antriebsteil (124) verbunden ist, das an eine intermittierende Drehbewegung als Antwort auf ein Steuersignal angepaßt ist, um eine Phasenverschiebung zwischen diesem Antriebsflansch und diesem Abtriebsflansch durchzuführen.

6. Ein System nach Anspruch 5, worin diese Vorrichtung mit den Planetengetrieben ein erstes und ein zweites Planetengetriebe (110, 118) umfaßt, die koaxial entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, wobei jedes Getriebe drei Teile besitzt, ein Sonnenrad (112, 120), ein Hohlrad (116, 124) und einen Planetenträger (108);

wobei eines (112) dieser Teile im ersten Getriebe einen Antrieb bereitstellt, um mit der Kurbelwelle zusammenzuwirken, und ein entsprechendes Teil (120) im zweiten Getriebe einen Abtrieb bereitstellt, der mit der Nockenwelle zusammenwirkt und dieses Abtriebsteil bildet,

wobei ein anderes (108) dieser Teile im ersten Getriebe am entsprechenden Teil im zweiten Getriebe zur Rotation damit befestigt ist, und

ein drittes (116) Teil in einem Getriebe mit dem Motor verbunden ist und ein entsprechendes Teil (124) im anderen Getriebe dieses Abtriebsteil bildet und einstellbar am Motor für eine begrenzte Drehung um diese Achse befestigt ist, um eine Veränderung der Synchronisierung der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu bewirken.

7. Ein System nach Anspruch 5, worin diese Vorrichtung (110, 118) mit den Planetengetrieben ein erstes und ein zweites im wesentlichen identisches Getriebe von koaxialen Planetengetrieben umfaßt, wobei jedes dieser Planetengetriebe ein Sonnenrad (112, 120), ein Hohlrad (116, 124) und mindestens zwei Umlaufgetriebe (114, 122) mit einem gemeinsamen Träger (108) für die Umlaufgetriebe umfaßt;

wobei dieses Sonnenrad (112) von diesem ersten Getriebe an diesem Antriebsflansch (24) und dieses Sonnenrad (120) von diesem zweiten Getriebe an dieser Nocke (56) befestigt ist;

wobei dieses Hohlrad (116) dieses ersten Getriebes starr bezüglich des Motors befestigt ist, wobei dieses Hohlrad (124) dieses zweiten Getriebes angepaßt ist, drehbar an einem Schneckengetriebe (126) angebracht zu werden, das unbeweglich bezüglich des Motorblocks ist und durch eine externe Vorrichtung gedreht werden kann, die auf ein Eingabesignal anspricht, wodurch die Rotation des Schneckengetriebes (126) das Drehen des ersten Getriebes bezüglich des zweiten Getriebes bewirken wird, was die relative Drehung dieser Nocke bezüglich dieses Antriebsflansches ergeben wird.

8. Ein System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin diese hydraulische Verbindung eine Vorrichtung (198) zum voneinander unabhängigen Verändern der Synchronisierung einer Nockenwelle von Auslaßventilen und einer Nockenwelle von Einlaßventilen bezüglich einer Kurbelwelle umfaßt.

9. Ein System nach Anspruch 8, worin diese Gehäusevorrichtung einen ersten Gehäuseabschnitt (214) und einen zweiten Gehäuseabschnitt (216) umfaßt; wobei jeder Gehäuseabschnitt (214, 216) einen jeweiligen radial nach innen ausgerichteten Nabenteil umfaßt, wobei diese Nabenteile koaxial zueinander angeordnet sind, wodurch einer dieser Nabenteile angepaßt ist, sich um den anderen zu drehen, und dieser eine Nabenteil eine ringförmige Bohrung besitzt, die um diese Achse zentriert ist,

wobei jeder von diesen Gehäuseabschnitten (214, 216) eine Hauptkammer (222, 286) für ein Fluidum einschließt, die bezüglich dieser Achse gleich weit radial entfernt und transversal ausgerichtet ist,

wobei diese Kolbenvorrichtung einen Kolben (226, 288) umfaßt, der sich im Inneren von jeder dieser Kammern für das Fluidum befindet und dieses Paar von Kammern für das Fluidum in jeder dieser Hauptkammern für das Fluidum an dem Ende dieses Kolbens definiert,

wobei diese Ventilvorrichtung (242, 244, 296, 298) mindestens ein einzelnes hydraulisches Ventil in jedem Gehäuseabschnitt umfaßt, um den Fluß von Fluidum zu diesem Paar von Kammern für das Fluidum zu regeln.

10. Ein System nach Anspruch 8, worin diese Gehäusevorrichtung ein Paar von Gehäuseabschnitten (214, 216) identischer Größe besitzt, die diametral einander gegenüberliegen und von dieser Achse gleich weit radial entfernt sind, wodurch diese Gehäusevorrichtung bezüglich dieses einen Flansches dynamisch ausgewuchtet ist,

wobei diese Kolbenvorrichtung (226, 288) ein Paar von Kolben identischer Größe umfaßj, von denen jeder in einem jeweiligen dieser Gehäuseabschnitte (214, 216) aufgenommen ist,

wobei jeder dieser Kolben mit einem jeweiligen dieser zylindrischen Gehäuse eine entsprechende dieser Kammern für das Fluidum definiert,

11. Ein System nach Anspruch 9 oder 10, worin diese Gehäuseabschnitte (214, 216) bezüglich einander und bezüglich dieses Antriebsflansches (204) um diese Achse drehbar sind,

wobei einer von diesen Gehäuseabschnitten mit dieser Nockenwelle (256) der Auslaßventile verbunden ist, und dieser andere Gehäuseabschnitt mit dieser Nockenwelle (300) der Einlaßventile verbunden ist.

12. Ein System nach Anspruch 11, worin diese Steuervorrichtung in dieser ringförmigen Bohrung koaxial zu diesem einen Nabenteil angeordnet ist.

13. Ein System nach Anspruch 12, worin diese Steuervorrichtung ein Paar von unabhängig gesteuerten Nocken (256, 300) umfaßt, die drehbar mit diesem Antriebsflansch (204) verbunden sind und eine der maximalen Hubhöhe entsprechende Nase besitzen,

wobei diese Ventilvorrichtung (242, 244, 296, 298) ein Paar von normalerweise geschlossenen Ventilen in jedem dieser Gehäuseabschnitte umfaßt, die die Übertragung von Fluidum zu einer jeweiligen Kammer für das Fluidum verhindern, wenn sie geschlossen sind, und die, wenn sie geöffnet sind, die Übertragung von Fluidum zu einer entsprechenden Seite dieses Kolbens und die gleichzeitige Freigabe einer gleichen Menge von Fluidum von der entgegengesetzten Seite dieses Kolbens ermöglichen,

wobei diese Ventilvorrichtungen von diesem Paar von unabhängig gesteuerten Nocken (256, 300) betätigt werden, und

eine Betätigungsvorrichtung (400) zum unabhängigen Drehen jeder dieser Nocken (256, 300) in eine beliebige Richtung, wodurch ein anderes aus diesem Paar von normalerweise geschlossenen Ventilen zum Öffnen veranlaßt wird, wenn diese Nocke in eine beliebige Richtung gedreht wird, um dadurch die Synchronisierung entweder dieser Nockenwelle der Auslaßventile oder dieser Nockenwelle der Einlaßventile solange selektiv vorzustellen oder zu verzögern, bis dieser Antriebsflansch und dieser Abtriebsflansch weit genug gedreht sind, um das Schließen dieses Sperrventils zu bewirken und somit diese Phasenverschiebung zu beenden.

14. Ein System nach Anspruch 13, worin dieses hydraulische System einen ersten Abtriebsflansch umfaßt, der drehbar mit dieser einen Nockenwelle verbunden ist, und einen zweiten Abtriebsflansch, der drehbar mit dieser anderen Nockenwelle verbunden ist,

wobei diese Betätigungsvorrichtung eine Vorrichtung (408a, b, c, 410a, b, c, 412a, b, c) mit Planetengetrieben umfaßt, die ein Paar von Abtriebsteilen (424, 426) besitzt, die bezüglich dieses Antriebsflansches koaxial ausgerichtet und drehbar damit verbunden sind, wobei eine dieser Nocken (256, 300) wirksam mit einem entsprechenden von diesen Abtriebsteilen (424, 426) und einer drehbaren Antriebsvorrichtung (412b, 412c) verbunden ist, die an eine intermittierende Drehbewegung als Antwort auf ein Steuersignal angepaßt ist, um eine Phasenverschiebung zwischen diesem Antriebsflansch und irgendeinem von diesem ersten und diesem zweiten Abtriebsflansch durchzuführen.

15. Ein System nach Anspruch 14, worin diese Vorrichtung mit den Planetengetrieben ein erstes, ein zweites und ein drittes Planetengetriebe umfaßt, die koaxial entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, wobei jedes Getriebe ein Sonnenrad (408a, b, c), ein Hohlrad (412a, b, c) und einen Planetenträger (404) besitzt;

wobei eines (408a) dieser Teile im ersten Getriebe einen Antrieb bereitstellt, um mit der Kurbelwelle zusammenzuwirken, und ein entsprechendes Teil (408b, c) im zweiten und dritten Getriebe einen Abtrieb bereitstellt, der mit den Nockenwellen zusammenwirkt und dieses Abtriebsteil bildet,

wobei ein anderes (410a) dieser Teile im ersten Getriebe am entsprechenden Teil (410b, c) am zweiten und dritten Getriebe zur Rotation damit befestigt ist, und ein drittes (412a) Teil in einem Getriebe mit dem Motor verbunden ist und ein entsprechendes Teil (412b, c) in jedem der anderen Getriebe dieses Abtriebsteil bilden und einstellbar am Motor für eine begrenzte Drehung um diese Achse befestigt sind, um eine Veränderung der Synchronisierung der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu bewirken.

16. Ein System nach Anspruch 15, worin diese Vorrichtung mit den Planetengetrieben ein erstes, ein zweites und ein drittes miteinander im wesentlichen identische Getriebe von koaxialen Planetengetrieben umfaßt, wobei jedes dieser Planetengetriebe ein Sonnenrad (408a, b, c), ein Hohlrad (412a, b, c) und mindestens zwei Umlaufgetriebe (410a, b, c) mit einem gemeinsamen Träger (404) für die Umlaufgetriebe umfaßt;

wobei dieses Sonnenrad (408a) von diesem ersten Getriebe an diesem Antriebsflansch und dieses Sonnenrad (408b, c) von diesem zweiten und diesem dritten Getriebe an einer entsprechenden von diesen Nocken (256, 300) befestigt ist;

wobei dieses Hohlrad (412a) dieses ersten Getriebes starr bezüglich des Motors befestigt ist, wobei dieses Hohlrad (412b, c) von diesem zweiten und diesem dritten Getriebe angepaßt ist, drehbar an einem entsprechenden Schneckengetriebe (418, 420) angebracht zu werden, das unbeweglich bezüglich des Motorblocks ist und durch eine externe Vorrichtung gedreht werden kann, die auf ein Eingabesignal anspricht, wodurch die unabhängige Rotation eines jeden Schneckengetriebes das Drehen des ersten Getriebes bezüglich einem entsprechenden von dem zweiten und dem dritten Getriebe bewirken wird, was eine relative Drehung einer entsprechenden von diesen Nocken (256, 300) bezüglich dieses Antriebsflansches ergeben wird.