Bezeichnung der Erfindung
Steuerventil für eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2 und eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
In Brennkraftmaschinen werden zur Betätigung der Gaswechselventile Nockenwellen eingesetzt. Nockenwellen sind in der Brennkraftmaschine derart angebracht, dass auf ihnen angebrachte Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebeln, anliegen. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgern ab, die wiederum die Gaswechselventile betätigen. Durch die Lage und die Form der Nocken sind somit sowohl die Öffnungsdauer als auch die Öffnungsamplitude aber auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile festgelegt.
Moderne Motorkonzepte gehen dahin, den Ventiltrieb variabel auszulegen. Einerseits sollen Ventilhub und Ventilöffnungsdauer variabel gestaltbar sein, bis hin zur kompletten Abschaltung einzelner Zylinder. Dafür sind Konzepte wie schaltbare Nockenfolger oder elektrohydraulische oder elektrische Ventilbetäti- gungen vorgesehen. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Einfluss auf die Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile nehmen zu können. Dabei ist es insbesondere wünschenswert auf die Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Einlass-
bzw. Auslassventile getrennt Einfluss nehmen zu können, um beispielsweise gezielt eine definierte Ventilüberschneidung einzustellen. Durch die Einstellung der Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Gaswechselventile in Abhängigkeit vom aktuellen Kennfeldbereich des Motors, beispielsweise von der aktuellen Drehzahl bzw. der aktuellen Last, können der spezifische Treibstoffverbrauch gesenkt, das Abgasverhalten positiv beeinflusst, der Motorwirkungsgrad, das Maximaldrehmoment und die Maximalleistung erhöht werden.
Die beschriebene Variabilität der Gaswechselventilsteuerzeiten wird durch eine relative Änderung der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle erreicht. Dabei steht die Nockenwelle meist über einen Ketten-, Riemen-, Zahnradtrieb oder gleichwirkende Antriebskonzepte in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle. Zwischen dem von der Kurbelwelle angetriebenen Ketten-, Riemen- oder Zahnradtrieb und der Nockenwelle ist eine Vorrichtung zur Änderung der Steu- erzeiten einer Brennkraftmaschine, im folgenden auch Nockenwellenversteller genannt, angebracht, die das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle überträgt. Dabei ist diese Vorrichtung derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Phasenlage zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle sicher gehalten und, wenn gewünscht, die Nockenwelle in einem gewissen Winkelbereich gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden kann.
In Brennkraftmaschinen mit je einer Nockenwelle für die Einlass- und die Auslassventile können diese mit je einem Nockenwellenversteller ausgerüstet wer- den. Dadurch können die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlass- und Auslassgaswechselventile zeitlich relativ zueinander verschoben und die Ventilüberschneidungen gezielt eingestellt werden.
Der Sitz moderner Nockenwellenversteller befindet sich meist am antriebsseiti- gen Ende der Nockenwelle. Der Nockenwellenversteller kann aber auch auf einer Zwischenwelle, einem nicht rotierenden Bauteil oder der Kurbelwelle angeordnet sein. Er besteht aus einem von der Kurbelwellen angetriebenen, eine feste Phasenbeziehung zu dieser haltenden Antriebsrad, einem in Antriebsver-
bindung mit der Nockenwelle stehenden Abtriebsteil und einem das Drehmoment vom Antriebsrad auf das Abtriebsteil übertragenden Verstellmechanismus. Das Antriebsrad kann im Fall eines nicht an der Kurbelwelle angeordneten No- ckenwellenverstellers als Ketten-, Riemen- oder Zahnrad ausgeführt sein und wird mittels eines Ketten-, eines Riemen- oder eines Zahnradtriebs von der Kurbelwelle angetrieben. Der Verstellmechanismus kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen hydraulisch verstellbarer Nockenwellen- verstellern stellen die so genannten Axialkolbenversteller und Rotationskolben- versteller dar.
Bei den Axialkolbenverstellern steht das Antriebsrad mit einem Kolben und dieser mit dem Abtriebsteil jeweils über Schrägverzahnungen in Verbindung. Der Kolben trennt einen durch das Abtriebsteil und das Antriebsrad gebildeten Hohlraum in zwei axial zueinander angeordnete Druckkammern. Wird die eine Druckkammer mit Druckmittel beaufschlagt, während die andere Druckkammer mit einem Tank verbunden wird, so verschiebt sich der Kolben in axialer Richtung. Die axiale Verschiebung des Kolbens wird durch die Schrägverzahnungen in eine relative Verdrehung des Antriebsrades zum Abtriebsteil und damit der Nockenwelle zur Kurbelwelle übersetzt.
Eine zweite Ausführungsform hydraulischer Nockenwellenversteller sind die so genannten Rotationskolbenversteller. In diesen ist das Antriebsrad drehfest mit einem Stator verbunden. Der Stator und ein Rotor bzw. Abtriebselement sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Rotor kraft-, form- oder stoffschlüssig, beispielsweise mittels eines Presssitzes, einer Schraub- oder Schweißverbindung mit einer Nockenwelle, einer Verlängerung der Nockenwelle oder einer Zwischenwelle verbunden ist. Im Stator sind mehrere, in Umfangs- richtung beabstandete Hohlräume ausgebildet, die sich ausgehend vom Rotor radial nach außen erstrecken. Die Hohlräume sind in axialer Richtung durch Seitendeckel druckdicht begrenzt. In jeden dieser Hohlräume erstreckt sich ein mit dem Rotor verbundener Flügel, der jeden Hohlraum in zwei Druckkammern
teilt. Durch gezieltes Verbinden der einzelnen Druckkammern mit einer Druckmittelpumpe bzw. mit einem Tank kann die Phase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle eingestellt bzw. gehalten werden.
Zur Steuerung des Nockenwellenverstellers erfassen Sensoren die Kenndaten des Motors wie beispielsweise den Lastzustand und die Drehzahl. Diese Daten werden einer elektronischen Kontrolleinheit zugeführt, die nach Vergleich der Daten mit einem Kenndatenfeld der Brennkraftmaschine den Zu- und den Ab- fluss von Druckmittel zu den verschiedenen Druckkammern steuert.
Um die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu verstellen wird in hydraulischen Nockenwellenverstellern eine der zwei gegeneinander wirkenden Druckkammern eines Hohlraums mit einer Druckmittelpumpe und die andere mit dem Tank verbunden. Der Zulauf von Druckmittel zur einen Kammer in Verbindung mit dem Ablauf von Druckmittel von der anderen Kammer verschiebt den die Druckkammern trennenden Kolben in axiale Richtung, wodurch in Axialkolbenverstellern über die Schrägverzahnungen die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verdreht wird. In Rotationskolbenverstellern wird durch die Druckbeaufschlagung der einen Kammer und die Druckentlastung der anderen Kammer eine Verschiebung des Flügels und damit direkt eine Verdrehung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirkt. Um die Phasenlage zu halten werden beide Druckkammern entweder mit der Druckmittelpumpe verbunden oder sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Tank getrennt.
Die Steuerung der Druckmittelströme zu bzw. von den Druckkammern erfolgt mittels Steuerventilen, meist mittels eines 4/3-Wegeproportionalventils. Dieses weist ein Ventilgehäuse auf, welches mit je einem Anschluss für die Druckkammern (Arbeitsanschluss) und zumindest zwei Versorgungsanschlüsse versehen ist. Zumindest einer der Versorgungsanschlüsse dient als Zulaufan- Schluss, über den dem Steuerventil Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt wird. Des Weiteren dient ein weiterer Versorgungsanschluss als Ab- laufanschluss, über den das die Druckkammern verlassendes Druckmittel ge-
führt wird. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ablaufan- schluss mit einem Tank kommuniziert.
Innerhalb des im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben angeordnet. Der Steuerkolben kann mit- tels eines elektromagnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Stellgliedes, entgegen der Federkraft eines Federelements axial in jede Position zwischen zwei definierte Endstellungen gebracht werden. Der Steuerkolben ist weiterhin mit Steuerkanten versehen, wodurch die Arbeitsanschlüsse mit den Versorgungsanschlüssen und somit die einzelnen Druckkammern oder Gruppen von Druckkammern wahlweise mit der Druckmittelpumpe oder dem Tank verbunden werden können. Ebenso kann eine Stellung des Steuerkolbens vorgesehen sein, in der die Druckmittelkammern sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Druckmitteltank getrennt sind.
Ein derartiges Steuerventil ist aus der US 6,363,896 B1 bekannt. Dieses besteht aus einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben. An dem Ventilgehäuse sind zwei Arbeitsanschlüsse, ein Zulaufanschluss und ein Ablaufan- schluss ausgebildet. Die zwei Arbeitsanschlüsse und der Zulaufanschluss sind als axial zueinander beabstandete Öffnungen in der zylindrischen Mantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet. Dabei liegt der Zulaufanschluss in axialer Richtung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen. Des Weiteren ist ein axialer Ablaufanschluss vorgesehen, über welchen Druckmittel aus dem Steuerventil abgeführt werden kann.
Innerhalb des Ventilgehäuses ist ein Steuerkolben vorgesehen, der mittels einer elektromagnetischen Stelleinheit in axialer Richtung relativ zum Ventilgehäuse verschoben werden kann. An der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ist eine Ringnut ausgebildet, über welche abhängig von der Position des Steuer- kolbens zum Ventilgehäuse selektiv entweder der erste oder der zweite Ar- beitsanschluss mit dem Zulaufanschluss verbunden werden kann. Der Ablaufanschluss kann abhängig von der relativen Stellung des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses entweder direkt mit dem einen Arbeitsan-
Schluss oder mittels eines innerhalb des Steuerkolbens ausgebildeten Druckmittelkanals mit dem anderen Arbeitsanschluss verbunden werden. Weiterhin ist eine Versorgungsleitung vorgesehen, über die der Zulaufan- schluss mit einer Druckmittelpumpe kommuniziert, die dem Steuerventil konti- nuierlich Druckmittel zuführt.
Die Lage des Zulaufanschlusses zwischen den Arbeitsanschlüssen erfordert eine aufwändige Druckmittelführung innerhalb des Abtriebselements. Zum einen befinden sich innerhalb eines axialen Teilstücks des Abtriebselements so- wohl radial verlaufende Druckmittelleitungen, ausgehend von einem der Arbeitsanschlüsse, als auch axial verlaufende Versorgungsleitungen, ausgehend von dem radialen Versorgungsanschluss. Diese Häufung von Leitungen in einem axialen Teilstück verringert deren maximale Durchflussquerschnitte. Ein Weiterer Nachteil erwächst daraus, dass eine Verbindung zwischen den axialen Versorgungsleitungen und den radialen Druckmittelleitungen verhindert werden muss. Zu diesem Zweck sind im Stand der Technik die Versorgungsleitungen durch mehrere miteinander kommunizierende, dünne Bohrungen ausgebildet, über welche dem Zulaufanschluss Druckmittel von einem Nockenwellenlager zugeführt wird. Die Ausbildung dieser Bohrungen ist sehr kosteninten- siv und fehleranfällig. Darüber hinaus leidet die Prozesssicherheit, da die dünnen Bohrer während der Ausbildung der Bohrungen zum Abbrechen neigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde diese geschilderten Nachteile zu vermeiden und somit ein hydraulisches Steuerventil zu schaffen, wobei die Druckmittelzufuhr zu dem Zulaufanschluss und die Druckmittelabfuhr von dem Tankanschluss durch einfache, kostengünstig herstellbare konstruktive Merkmale bewerkstelligbar sind. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine einfache und kostengünstig herstellbare Verbindung zwischen den Arbeitsanschlüssen und den Druckkammern des Nockenwellenverstellers zu realisieren.
In einer ersten Ausführungsform eines Steuerventils für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben, wo- bei an dem Ventilgehäuse genau zwei Arbeitsanschlüsse, genau ein erster und genau ein zweiter Versorgungsanschluss ausgebildet sind, wobei über einen der Versorgungsanschlüsse dem Steuerventil Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt und über den anderen Versorgungsanschluss Druckmittel aus dem Steuerventil in einen Tank abgeführt werden kann, wobei beide Ar- beitsanschlüsse und der erste Versorgungsanschluss durch mindestens eine radiale Öffnung in einer Außenmantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet sind, wobei die Arbeitsanschlüsse und der erste Versorgungsanschluss in axialer Richtung zueinander beabstandet angeordnet sind, und wobei der erste Versorgungsanschluss mit einer Versorgungsleitung kommuniziert, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Arbeitsanschlüsse in axialer Richtung direkt benachbart angeordnet sind und der erste Versorgungsanschluss sich in axialer Richtung auf der Seite der Versorgungsleitung an die Arbeitsanschlüsse anschließt.
Das erfindungsgemäße Steuerventil besteht aus einem im Wesentlichen hohl- zylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben. Das Ventilgehäuse ist innerhalb einer Ventilaufnahme einer Umgebungskonstruktion angeordnet, beispielsweise einer Nockenwelle, einem Zylinderkopf oder einem Abtriebselement eines Nockenwellenverstel- lers, wobei der Außendurchmesser des Ventilgehäuses dem Innendurchmesser der Ventilaufnahme angepasst ist. An der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses sind mindestens drei axial zueinander beabstandete Anschlüsse in Form von radialen Öffnungen des Ventilgehäuses ausgebildet. Der eine radiale An- schluss dient als Versorgungsanschluss. Die restlichen radialen Anschlüsse dienen als Arbeitsanschlüsse, über welche Druckmittel zu den Druckkammern der Vorrichtung geleitet oder von diesen abgeführt werden kann. Dabei kann der Versorgungsanschluss als Zulaufanschluss, über den dem Steuerventil Druckmittel zugeführt wird, oder als Ablaufanschluss, über den Druckmittel aus
dem Steuerventil abgeführt wird, dienen. Der Versorgungsanschluss ist in axialer Richtung derart angeordnet, dass zwischen diesem und einem axialen Ende des Steuerventils kein Arbeitsanschluss angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Versorgungsanschlusses ist eine strikte Trennung in axialer Richtung zwischen den mit den Arbeitsanschlüssen kommunizierenden Druckmittelleitungen und der Versorgungsleitung, welche mit dem Versorgungsanschluss kommuniziert, hergestellt. Somit sind nicht nur die Druckmittelanschlüsse, sondern auch die von diesen ausgehenden Druckmittelleitungen in axialer Richtung voneinander getrennt, wodurch die Komplexität des Druckmit- telsystems reduziert wird. Die axial verlaufende Versorgungsleitung dringt nicht mehr in den Bereich der radial verlaufenden Druckmittelleitungen, welche mit den Arbeitsanschlüssen kommunizieren, ein.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die axialen Druckmittelkanäle mit größeren Querschnittsflächen ausgebildet werden können. Insgesamt führt dies zu einer erheblichen Vereinfachung des Druckmittelsystems und somit zu einer Reduktion der Herstellungskosten der Vorrichtung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versorgungsleitung zumindest abschnittsweise als Ringraum zwischen dem Ventil- gehäuse und der Umgebungskonstruktion ausgebildet ist. Alternativ kann die Versorgungsleitung zumindest abschnittsweise als zumindest eine, an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens vorgesehene, in den ersten Versorgungsanschluss mündende Nut ausgebildet sein.
Eine weitere Vereinfachung des Druckmittelsystems ergibt sich dadurch, dass die Versorgungsleitung durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilgehäuse und der Ventilaufnahme der Umgebungskonstruktion realisiert wird. Dabei können ein das Ventilgehäuse umfassender Ringkanal oder eine oder mehrere, in Umfangsrichtung zueinander beabstandete Längsnuten vorgesehen sein, die in den radialen Versorgungsanschluss münden. Im ersten Fall eines Ringkanals ist der Innendurchmesser der Ventilaufnahme größer auszuführen, als der Außendurchmesser des Ventilgehäuses. Im Fall der Längsnuten können diese an einer Innenmantelfläche der Ventilaufnahme oder einer Außenmantelfläche des
Ventilgehäuses ausgebildet werden. In beiden Fällen kann dies während des Formgebungsprozesses kostengünstig bzw. kostenneutral erfolgen. Dadurch werden die im Stand der Technik beschriebenen Bohrungen innerhalb des Rotors, der Nockenwelle oder dem Zylinderkopf überflüssig, was zu einer erheblichen Kostenreduktion und Erhöhung der Prozesssicherheit bei der Herstellung der Vorrichtung führt. Des Weiteren wird dadurch das Festigkeits- bzw. Dauerhaltbarkeitsproblem von gebohrten Rotoren gelöst. Denkbar ist auch eine Kombination aus einem Ringkanal und zumindest einen sich daran anschließenden axial verlaufenden Kanal. Diese Variante ist beson- ders für Ausführungsformen vorteilhaft, in denen das Steuerventil als Zentralventil genutzt wird. In diesem Fall kann der Bereich des Ventilgehäuses, in dem der axial verlaufende Kanal ausgebildet ist, zum Zentrieren der Vorrichtung auf der Nockenwelle genutzt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei axial verlaufende, gegeneinander abgegrenzte Druckmittelkanäle an dem Steuerkolben ausgebildet sind, wobei jeder der Druckmittelkanäle in jeder Stellung des Steuerkolbens mit einem der Versorgungsanschlüsse kommuniziert, wobei jeder der Druckmittelkanäle durch geeignetes Positionieren des Steuerkolbens relativ zum Ventilge- häuse mit mindestens einem der Arbeitsanschlüsse verbunden werden kann und wobei mindestens einer der Druckmittelkanäle nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse des Steuerventils ausgebildet ist.
Durch die Ausbildung von zwei axial verlaufenden, gegeneinander abgegrenz- ten Druckmittelkanälen an dem Steuerkolben, wobei mindestens einer der Druckmittelkanäle nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse des Steuerventils ausgebildet ist, wird konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbare erreicht, dass die zwei in axialer Richtung direkt benachbarten Arbeitsanschlüsse selektiv mit dem radialen oder dem axialen Versorgungsan- Schluss verbunden werden können. Insbesondere kann eine Verbindung zwischen dem radialen Versorgungsanschluss und dem in axialer Richtung von diesem weiter entfernten Arbeitsanschluss hergestellt werden, ohne dass der Versorgungsanschluss gleichzeitig mit dem näher liegenden Arbeitsanschluss
kommuniziert.
Dadurch werden konstruktiv aufwändig Maßnahmen, wie beispielsweise zusätzliche Adapterbauteile oder die Ausbildung weiterer Versorgungsanschlüsse am Ventilgehäuse überflüssig, wodurch die Kosten der Vorrichtung weiter gesenkt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform eines Steuerventils für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventil- gehäuse, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben, wobei an dem Ventilgehäuse zwei Arbeitsanschlüsse und zwei Versorgungsanschlüsse ausgebildet sind, wobei jeder Arbeitsanschluss durch mindestens eine radiale Öffnung in einer Außenmantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet ist, wobei die Arbeitsanschlüsse in axialer Richtung zueinander beabstandet sind, wobei mindestens zwei axial verlaufende, gegeneinander abgegrenzte Druckmittelkanäle an dem Steuerkolben ausgebildet sind, wobei jeder der Druckmittelkanäle in jeder Stellung des Steuerkolbens mit einem der Versorgungsanschlüsse kommuniziert, wobei jeder der Druckmittelkanäle durch geeignetes Positionieren des Steuerkolbens relativ zum Ventilgehäuse mit mindestens ei- nem der Arbeitsanschlüsse verbunden werden kann, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der Druckmittelkanäle nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse des Steuerventils ausgebildet ist.
Durch die nicht rotationssymmetrische Ausbildung mindestens eines Druckmittelkanals bezüglich der Längsachse des Steuerventils kann der Steuerkolben für unterschiedliche Ventilgehäuseausbildungen benutzt werden. Dabei kann beispielsweise ein Einsatz in einem Steuerventil vorgesehen sein an dessen Ventilgehäuse die Arbeitsanschlüsse direkt benachbart angeordnet sind. Eben- so denkbar ist ein Einsatz in einem Steuerventil zwischen dessen radialen Arbeitsanschlüssen ein Versorgungsanschluss vorgesehen ist. Somit kann ein und dasselbe Bauteil für verschieden ausgebildete Steuerventile benutzt werden, was zu erheblichen Einsparungen bei der Herstellung der Vorrichtung
führt.
Des Weiteren kann die Gestaltung der außen liegenden Bauteile, vor allem im Fall von direkt benachbarten Arbeitsanschlüssen, deutlich vereinfacht und damit Bauraum und Kosten gespart werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Arbeitsanschlüsse in axialer Richtung direkt benachbart angeordnet sind. Es können an dem Ventilgehäuse genau zwei Arbeitsanschlüsse und / oder genau zwei Versorgungsanschlüsse ausgebildet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass einer der Versorgungsanschlüsse als Zulaufanschluss ausgebildet ist, über den dem Steuerventil Druckmittel zugeführt wird und/oder dass einer der Versorgungsanschlüsse als Ablaufanschluss ausgebildet ist, über den Druckmittel aus dem Steuerventil zu einem Tank abführt werden kann.
Durch die in axialer Richtung direkt benachbart angeordneten Arbeitsanschlüsse kann der axiale Bauraumbedarf des Steuerventils reduziert werden. Des Weiteren ist eine einfachere Druckmittelzu- bzw. -abfuhr zu dem axial außen liegenden Versorgungsanschluss möglich. Die erfindungsgemäße nichtrotati- onssymmetrische Ausbildung zumindest eines Druckmittelkanals bezüglich der Längsachse des Steuerventils eröffnet den Vorteil, die Kommunikation zwischen dem vom radialen Versorgungsanschluss weiter entfernten Arbeitsan- schluss mit dem Versorgungsanschluss herzustellen, ohne eine Verbindung mit dem dazwischen liegenden Arbeitsanschluss zu schaffen. Dabei kann dies oh- ne weitere konstruktive Merkmale, wie Adapter erfolgen, wobei weiterhin auf die Ausbildung weiterer Versorgungsanschlüsse an dem Ventilgehäuse verzichtet werden kann.
In beiden Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Druckmittelkanal an einer Außenmantelfläche des Steuerkolbens ausgebildet ist.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist einer der Druckmittelkanäle im In-
neren des Steuerkolbens ausgebildet und als zweiter Druckmittelkanal eine in axialer Richtung verlaufenden Nut an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens vorgesehen. Von der axial verlaufenden Nut gehen eine oder zwei axial zueinander beabstandete, sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten aus, die die Verbindung zwischen dem zweiten Druckmittelkanal und den in Umfangsrichtung zu dem Druckmittelkanal beabstandeten Radialöffnungen im Ventilgehäuse, welche die Arbeitsanschlüsse ausbilden, herstellen. Im Falle einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut, sind an dem Steuerkolben zwei radiale Öffnungen vorgesehen, über die das Äußere des Steuer- kolbens mit dessen Inneren kommunizieren kann. Dabei liegt die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens in axialer Richtung zwischen den Öffnungen und zwischen den Arbeitsanschlüssen, während die Öffnungen die Arbeitsanschlüsse in axialer Richtung umfassen. Abhängig von der Stellung des Steuerkolbens relativ zum Ventilge- häuse kann die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut entweder mit dem ersten oder dem zweiten Arbeitsanschluss kommunizieren. Gleichzeitig kommuniziert eine der beiden Öffnungen des Steuerkolbens mir dem anderen Arbeitsanschluss. Im Fall zweier sich in Umfangsrichtung erstreckender Nuten ist eine radiale Öff- nung am Steuerkolben vorgesehen. Diese liegt in axialer Richtung zwischen den beiden sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kanälen und zwischen den Arbeitsanschlüssen, wobei die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten die Arbeitsanschlüsse umfassen. Abhängig von der Stellung des Steuerkolbens relativ zum Ventilgehäuse kann eine der beiden sich in Umfangsrichtung erstre- ckenden Nuten mit dem korrespondierenden Arbeitsanschluss kommunizieren, während die Verbindung der anderen Nut mit dem anderen Arbeitsanschluss unterbrochen ist. Gleichzeitig kommuniziert die Öffnung des Steuerkolbens mir dem anderen Arbeitsanschluss. In beiden Fällen können die Steuerelemente auf dem Steuerkolben derart an- geordnet sein, dass eine Mittelstellung existiert in der entweder beide Arbeitsanschlüsse nur mit dem Zulaufanschluss oder mit keinem der Versorgungsanschlüsse kommunizieren. In dieser Stellung des Steuerkolbens wird die Phasenlage der Vorrichtung gehalten.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass alle Druckmittelkanäle innerhalb des Steuerkolbens ausgebildet sind. Dabei kann eine die Druckmittelkanäle voneinander trennende Wandung einteilig mit dem Steuerkolben ausgebildet sein. Ebenso denkbar ist es, den Steuerkolben als im Wesentlichen hohlzylindrisches Bauteil auszubilden, in dessen Inneren ein separat gefertigtes Einlegebauteil vorgesehen ist, wobei das Einlegebauteil im Zusammenwirken mit einer inneren Mantelfläche des Steuerkolbens die Druckmittelkanäle ausbildet.
In dieser Ausführungsform sind innerhalb des Steuerkolbens zumindest zwei voneinander getrennte Druckmittelkanäle ausgebildet, welche über radiale Öffnungen mit dem Äußeren des Steuerkolbens kommunizieren und somit mit den Arbeitsanschlüssen verbunden werden können. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Ventilgehäuse weiterhin rotationssymmetrisch ausge- bildet werden kann und die Druckmittelzu- bzw. -abfuhr ausschließlich über das Innere des Steuerkolbens bewerkstelligt wird. Dadurch wird das Druckmittelsystem wesentlich vereinfacht, Bauraum und Kosten verringert.
Vorteilhafterweise kann jeder der Druckmittelkanäle durch geeignetes Positio- nieren des Steuerkolbens relativ zum Ventilgehäuse mit jedem der Arbeitsanschlüsse verbunden werden.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass genau zwei Versorgungsanschlüsse, nämlich ein Zulaufanschluss und ein Ablaufanschluss, benötigt werden, um die Vorrichtung zu betreiben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Steuerkolben aus einem Kunststoff besteht und mittels eines Spritzgiess- verfahrens hergestellt ist.
Für den Spritzgießprozess werden Gießformen gefertigt, die schon alle typi- sehen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteils aufweisen. Die Herstellung des Bauteils erfolgt durch Einfüllen des plastifizierten Kunststoffs in die Form und anschließendes Aushärten der Masse. Dabei erfolgt die Formung von Hinterschnitten oder Hohlräumen mittels Schieber- und/oder Kernzugtechnolo-
gie, wobei die nicht mit Werkstoff auszufüllenden Räume mit einem oder mehreren Formkörpern während des Spritzgießvorgangs ausgefüllt werden. Diese Formkörper sind Elemente des Spritzgießwerkzeugs und können nach Beenden des Spritzgießvorgangs wieder verwendbar aus dem Werkstück entfernt werden. Grundsätzlich ist auch der Einsatz von verlorenen Kernen denkbar.
Ebenso denkbar ist, dass der Steuerkolben aus einem Metall besteht und mittels eines metallurgischen Spritzgiessverfahrens, auch bekannt als Metal Injec- tion Molding (MIM), hergestellt ist. Dieses Verfahren verläuft analog zu dem oben beschriebenen Kunststoff-Spritzgießverfahren, wobei in diesem Fall das in die Form einzubringende Material aus einer Mischung von feinem Metallpulver und organischen Bindern besteht. Dabei beträgt der Volumenanteil des Metallpulvers in der Regel mehr als 50%. Nach dem Spritzgießvorgang werden der organische Binder und evtl. vorhandene verlorenen Kerne in einem nachfolgen- den Entbinderungsprozess entfernt. Dies kann entweder durch thermisches Zersetzen und anschließendes Verdampfen oder auch durch eine Lösungsmittelextraktion erfolgen. Die zurückbleibenden porösen Formkörper werden durch Sintern unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum zu den Bauteilen mit den endgültigen geometrischen Eigenschaften verdichtet.
Der Vorteil dieser Herstellungsverfahren besteht darin, dass auch Strukturen, die zur Längsachse des Steuerkolbens nicht rotationssymmetrisch sind, kostengünstig und funktionssicher hergestellt werden können.
In einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Steuerventil, welches in einer Ventilaufnahme einer Umgebungskonstruktion angeordnet ist, mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben, wobei an dem Ventilgehäuse mindestens zwei Arbeitsanschlüsse und mindestens ein erster Versorgungsan- schluss ausgebildet sind, wobei über den Versorgungsanschluss dem Steuerventil entweder Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt oder Druckmittel aus dem Steuerventil in einen Tank abgeführt werden kann, wobei der
erste Versorgungsanschluss durch mindestens eine radiale Öffnung in einer Außenmantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet ist, und in axialer Richtung zwischen den Arbeitsanschlüssen auf der einen Seite und einer Versorgungsleitung auf der anderen Seite angeordnet ist, mit der dieser kommuniziert, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Versorgungsleitung zumindest abschnittsweise durch eine an einer Innenmantelfläche der Ventilaufnahme der Umgebungskonstruktion ausgebildeten Nut ausgeführt ist, die in den ersten Versorgungsanschluss mündet.
Die Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine umfasst zumindest zwei gegeneinander wirkende Druckkammern, mittels derer die Phasenlage zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle wahlweise verstellt oder gehalten werden kann. Zu diesem Zweck wird den Druckkammern Druckmittel zugeführt bzw. von diesen abgeleitet. Zur Steuerung der Druckmittelströme ist ein Steuerventil vorgesehen, an dem zumindest zwei Arbeitsanschlüsse und zumindest zwei Versorgungsanschlüsse, in Form eines Zulauf- und eines Ablaufanschlusses ausgebildet sind. Zumindest einer der Versorgungsanschlüsse ist als mindestens eine radiale Öffnung an einer Außenmantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet, wobei sich dieser in axialer Richtung des Steuerventils an die radial ausgebildeten Arbeitsanschlüsse anschließt. Dieser Versorgungsanschluss kommuniziert mit einer Versorgungsleitung, die zumindest abschnittsweise als an der Ventilaufnahme der Umgebungskonstruktion ausgebildete, axial verlaufende Nut ausgeführt ist. Dabei kann es sich bei der Umgebungskonstruktion beispiels- weise um einen Rotor eines Nockenwellenverstellers, eine Nockenwelle, einen Zylinderkopfdeckel oder einen Zylinderkopf handeln.
Die Nut kann kostenneutral während der Herstellung der Umgebungskonstruktion ausgebildet werden. Beispielsweise kann diese durch einfache Modifikationen des Formgebungswerkzeuges bei der Herstellung eines Rotors aus Sinter- stahl kostenneutral realisiert werden.
Vorteilhafterweise können die Arbeitsanschlüsse ebenfalls als axial beabstan- dete radiale Öffnungen im Ventilgehäuse ausgeführt werden, wobei sich diese
in axialer Richtung an der von der Nut abgewandten Seite des Versorgungsanschlusses an diesen anschließen. Des Weiteren kann ein axialer Versorgungs- anschluss vorgesehen sein, wobei an dem Steuerkolben mindestens zwei Druckmittelkanäle ausgebildet sind, wobei jeder der Druckmittelkanäle mit ei- nem der Versorgungsanschlüsse verbunden ist. Vorteilhafterweise ist mindestens einer der Druckmittelkanäle nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse des Steuerventils ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass alle Druckmittelkanäle innerhalb des Steuerkolbens ausgebildet sind. Dabei kann die die Druckmittelkanäle voneinander trennende Wandung einteilig mit dem Steuerkolben ausgebildet sein. Alternativ kann der Steuerkolben als im Wesentlichen hohlzylindrisches Bauteil ausgebildet sein, in dessen Inneren ein separat gefertigtes Einlegebauteil vorgesehen ist, wobei das Einlegebauteil im Zusammenwirken mit einer Inneren Mantelfläche des Steuerkolbens die Druckmittelkanäle ausbildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er- findung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
Figur 1 nur sehr schematisch eine Brennkraftmaschine,
Figur 2a einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil,
Figur 2b einen Querschnitt durch die Vorrichtung aus Figur 2a, ohne
Steuerventil, entlang der Linie IIB-IIB,
Figur 2c einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil,
Figur 3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Steuerkolbens eines erfindungsgemäßen Steuerventils,
Figur 3a einen Querschnitt durch den in Figur 3 dargestellten Steu- erkolben entlang der Linie IIIA-IIIA,
Figur 3b einen Querschnitt durch den in Figur 3 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie IMB-IIIB,
Figur 3c einen Querschnitt durch den in Figur 3 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie HIC-II IC,
Figur 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Steuerkolbens eines erfindungsgemäßen Steuerven- tils,
Figur 4a einen Querschnitt durch den in Figur 4 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie IVA-IVA,
Figur 4b einen Querschnitt durch den in Figur 4 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie IVB-IVB,
Figur 4c einen Querschnitt durch den in Figur 4 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie IVC-IVC,
Figur 4d einen Querschnitt durch den in Figur 4 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie IVD-IVD,
Figur 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Steuerkolbens eines erfindungsgemäßen Steuerventils,
Figur 5a einen Querschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie VA-VA,
Figur 5b einen Querschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie VB-VB,
Figur 5c einen Querschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie VC-VC,
Figur 5d einen Querschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Steuerkolben entlang der Linie VD-VD.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 100 skizziert, wobei ein auf einer Kur- beiwelle 101 sitzender Kolben 102 in einem Zylinder 103 angedeutet ist. Die Kurbelwelle 101 steht in der dargestellten Ausführungsform über je einen Zugmitteltrieb 104 bzw. 105 mit einer Einlassnockenwelle 106 bzw. Auslassnockenwelle 107 in Verbindung, wobei eine erste und eine zweite Vorrichtung 1 für eine Relativdrehung zwischen Kurbelwelle 101 und Nockenwellen 106, 107 sorgen können. Nocken 108, 109 der Nockenwellen 106, 107 betätigen ein Ein- lassgaswechselventil 110 bzw. ein Auslassgaswechselventil 111. Ebenso kann vorgesehen sein nur eine der Nockenwellen 106, 107 mit einer Vorrichtung 1 auszustatten, oder nur eine Nockenwelle 106, 107 vorzusehen, welche mit einer Vorrichtung 1 versehen ist.
Die Figuren 2a, 2b zeigen eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen 110, 111 einer Brennkraftmaschine 100. Eine Stellvorrichtung 1a besteht im Wesentlichen aus einem Antriebsrad 5, ei- nem Stator 2 und einem konzentrisch dazu angeordneten Rotor, im folgenden Abtriebselement 3 genannt. Das Abtriebselement 3 besteht aus einer Radnabe 4, an deren Außenumfang fünf Flügel 6 ausgebildet sind, welche sich radial nach außen erstrecken. Weiterhin ist die Stellvorrichtung 1a mit einer gestuften
Zentralbohrung 4b versehen, in die im montierten Zustand der Vorrichtung 1 eine Nockenwelle 3a, in der Darstellung der Figur 2a, von links, eingreift. Im montierten Zustand der Vorrichtung 1 kann diese, beispielsweise mittels einer kraft-, reib-, form-, oder stoffschlüssigen Verbindung oder mittels Befestigungs- mittein, drehfest mit der Nockenwelle 3a verbunden werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die Vorrichtung 1 mittels einer Zentralschraube 17 mit der Nockenwelle 3a drehfest verbunden.
Der Stator 2 ist als dünnwandiges Blechteil ausgebildet, wobei dieser aus inneren Umfangswänden 7 und äußeren Umfangswänden 8 besteht, welche über Seitenwände 9 miteinander verbunden sind. Die inneren und die äußeren Um- fangswände 7, 8 erstrecken sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung. Über die inneren Umfangswände 7, welche an einer zylindrischen Umfangswand des Abtriebselements 3 anliegen, ist der Stator 2 drehbar auf dem Abtriebselement 3 gelagert. Ausgehend von den inneren Umfangswänden 7 erstrecken sich die Seitenwände 9 im Wesentlichen in radialer Richtung nach außen und gehen in die äußeren Umfangswände 8 über. Durch diesen Aufbau sind mehrere, in der dargestellten Ausführungsform fünf, Druckräume 10 ausgebildet, welche in a- xialer Richtung von dem Antriebsrad 5 und einer Dichtscheibe 12 druckdicht abgeschlossen werden.
Die Flügel 6 sind derart an der Außenmantelfläche des Abtriebselements 3 angeordnet, dass sich in jeden Druckraum 10 genau ein Flügel 6 erstreckt. Dabei liegen die Flügel 6 in radialer Richtung an den äußeren Umfangswänden 8 des Stators 2 an. Die Breite der Flügel 6 ist derart ausgeführt, dass diese in axialer Richtung an dem Antriebsrad 5 und der Dichtscheibe 12 anliegen. Dadurch teilt jeder Flügel 6 einen Druckraum 10 in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern 14, 15.
Der Stator 2 und das Abtriebselement 3 sind innerhalb eines topfförmigen Ge- häuses 11 angeordnet, welches diese Bauteile durch das Zusammenwirken mit dem Antriebsrad 5 druckmitteldicht kapselt. Zu diesem Zweck ist das offene Ende des Gehäuses 11 öldicht mit dem Antriebsrad 5 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Antriebsrad 5 und dem Gehäuse 11 kann mittels eines
abdichtenden Fügeverfahrens oder durch den Einsatz eines nicht dargestellten Dichtmittels realisiert werden. In der dargestellten Ausführungsform ist eine in Umfangsrichtung umlaufende Schweißverbindung 16a vorgesehen.
An einem Boden 13 des Gehäuses 11 ist eine konzentrisch zur Zentraibohrung 4b angeordnete Öffnung 16 vorgesehen. Eine Zentralschraube 17 durchgreift die Öffnung 16 und die Zentralbohrung 4b, wobei ein mit einem Gewinde versehener Teil der Zentralschraube 17 in eine mit einem Innengewinde versehene Aufnahme 18 der Nockenwelle 3a eingreift. Die Zentralschraube 17 ist weiterhin mit einem Bund 19 versehen, der sich in montiertem Zustand der Zentralschraube 17 entweder direkt oder indirekt an dem Abtriebselement 3 abstützt und somit dieses drehfest mit der Nockenwelle 3a verbindet.
Der Bereich der Zentralschraube 17, der innerhalb des Abtriebselements 3 an- geordnet ist, ist als Steuerventil 20 ausgebildet. Dieser Bereich der Zentralschraube 17 erstreckt sich innerhalb der Zentralbohrung 4b, die als Ventilaufnahme 4a wirkt. Die Zentralschraube 17 ist mit einer sacklochartigen Aufnahme 21 versehen, welche sich bis zum nockenwellenabgewandten axialen Ende der Zentralschraube 17 erstreckt. Die dadurch entstandene zylindermantelförmige Außenfläche des Steuerventils 20 erfüllt die Funktion eines Ventilgehäuses 22. Dabei ist der Außendurchmesser des Ventilgehäuses 22 dem Innendurchmesser des Abtriebselements 3 angepasst.
Weiterhin ist das Ventilgehäuse 22 mit drei Gruppen axial zueinander beabstandeter Öffnungen 23a, b, c versehen, über die das Äußere des Ventil- gehäuses 22 mit der Aufnahme 21 kommunizieren kann. Jede Gruppe von Öffnungen 23a, b, c bildet einen Druckmittelanschluss des Steuerventils 20 aus, wobei die nockenwellenseitige Gruppe von Öffnungen 23a einen Versorgungs- anschluss 24 ausbildet und die beiden anderen Gruppen von Öffnungen 23b, c als Arbeitsanschlüsse A, B dienen. An einer Innenmantelfläche der Zentralbohrung 4b sind zwei axial zueinander beabstandete Ringkanäle 25a, 25b in Form von radial nach innen offenen Ringnuten ausgebildet, welche von dem Ventilgehäuse 22 radial nach innen begrenzt werden. Jeder der Ringkanäle 25a, 25b kommuniziert mit einem der
Arbeitsanschlüsse A, B. Innerhalb des Abtriebselements 3 sind zwei Gruppen von Druckmittelleitungen 26 ausgebildet, wobei jede der Druckmittelleitungen 26 einerseits mit einer der Druckkammern 14, 15 und andererseits mit jeweils einem der Ringkanäle 25a, 25b kommuniziert.
Der Versorgungsanschluss 24 des Ventilgehäuses 22 ist in der dargestellten Ausführungsform als Zulaufanschluss P ausgebildet, über den dem Steuerventil 20 Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt wird. Dieser steht in FIu- idverbindung mit einer zwischen der Zentralschraube 17 und der Nockenwelle 3a ausgebildeten Versorgungsleitung 27. Die Versorgungsleitung 27 kommuniziert über im Bereich einer Nockenwellenlagersteile 28 ausgebildete Stichbohrungen 29 und über eine nicht dargestellte Drehdurchführung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Druckmittelpumpe.
Innerhalb der Aufnahme 21 ist ein im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeter Steuerkolben 30 axial verschiebbar aufgenommen. Dabei ist dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Aufnahme 21 des Ventilgehäuses 22 angepasst. Der Steuerkolben 30 kann mittels einer Stelleinheit 31 über eine Stößelstange 32 gegen die Kraft eines Federelements 33 in axialer Richtung innerhalb des Ventilgehäuses 22 beliebig positioniert werden. An der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 30 sind drei axial zueinander beabstandete Ringnuten 39a, 39b, 39c ausgebildet, wobei innerhalb der ersten Ringnut 39a erste Radialöffnungen 34a, innerhalb der zweiten Ringnut 39b zweite Radialöffnungen 34b, und innerhalb der dritten Ringnut 39c dritte Radialöffnungen 34c ausgebildet sind. Über die Radialöffnungen 34a, 34b, 34c kommunizieren die jeweiligen Ringnuten 39a, 39b, 39c mit dem Inneren des Steuerkolbens 30. Des Weiteren sind an dem nockenwellenabgewandten Ende des Steuerkolbens 30 vierte Radialöffnungen 35 ausgebildet. Diese bilden einen zweiten Versorgungsanschluss 24, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Ablaufan- Schluss T, aus, über den Druckmittel aus dem Steuerventil 20 abgeführt werden kann.
Über die Stichbohrungen 29 und die Versorgungsleitung 27 kann dem Zulaufanschluss P Druckmittel zugeführt werden, welches, abhängig von der Stellung
des Steuerkolbens 30 relativ zum Ventilgehäuse 22, zu einem der beiden Arbeitsanschlüsse A, B geleitet werden kann. Das Druckmittel gelangt über den Arbeitsanschluss A, B den korrespondierenden Ringkanal 25a, 25b und die korrespondierende Druckmittelleitung 26 zu der jeweiligen Druckkammer 14, 15. Durch die Zufuhr von Druckmittel zu einer der Druckkammern 14, 15 dehnt diese sich auf Kosten der anderen Druckkammer 14, 15 aus, wobei das Druckmittel aus der anderen Druckkammer 14, 15 über die korrespondierende Druckmittelleitung 26, den korrespondierenden Ringkanal 25a, 25b und den Arbeitsanschluss A, B ins Innere des Steuerventils 20 gelangt. Innerhalb des Steuerkolbens 30 gelangt das Druckmittel zum Ablaufanschluss T und von dort in das Kurbelgehäuse.
Durch die Anordnung der Druckmittelanschlüsse in der Reihenfolge Zulaufan- schluss P, Arbeitsanschluss A, B, Arbeitsanschluss A, B in axialer Richtung eröffnet sich die Möglichkeit die konstruktive Ausbildung der Druckmittelzufuhr zu dem Zulaufanschluss P erheblich zu vereinfachen. Anstatt die Versorgungsleitung 27, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, mittels Bohrungen innerhalb der Nockenwelle 3a und des Abtriebselements 3 zu realisieren, kann in diesem Fall das Druckmittel an der Grenzfläche zwischen dem Ventilgehäuse 22 und einer Umgebungskonstruktion dem Zulaufanschluss P zugeleitet werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außendurchmesser der Zent- ralschraube 17 im Bereich zwischen den Stichbohrungen 29 und dem Antriebsrad 5 kleiner ausgeführt, als der Außendurchmesser der Aufnahme 18, wodurch ein Ringraum 38a entsteht. In dem sich daran anschließenden Bereich ist zumindest eine axial verlaufende Nut 38b vorgesehen, die den Ringraum 38a mit dem Zulaufanschluss P verbindet. Die Nut 38b kann entweder an einer inneren Wandung der Umgebungskonstruktion, im dargestellten Fall der Nockenwelle 3a und des Abtriebselements 3, oder der äußeren Mantelfläche des Ventilge- häuses 22 ausgebildet sein.
In jedem Fall können diese während des Herstellungsprozesses des jeweiligen Bauteils kostenneutral oder mit nur geringem Mehraufwand ausgebildet werden. Dies stellt im Vergleich zu dem im Stand der Technik beschriebenen Boh-
rungen eine erhebliche Vereinfachung dar, wobei gleichzeitig die Prozesssicherheit erhöht und dadurch die Ausschussquote verringert wird. Insgesamt führt dies zu einer erheblichen Kosten red uktion bei der Herstellung der Vorrichtung 1.
Dabei ist die Anwendung eines derartigen Steuerventils 20 nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Ebenso denkbar ist es, das Abtriebselement 3 nicht mit einer Zentralschraube 17, sondern anderen reib-, Stoff-, kraft- oder formschlüssigen Mitteln drehfest mit der Nockenwelle 3a zu verbin- den, wobei innerhalb einer Zentralbohrung 4b des Abtriebselements 3 ein Steuerventil 20 angeordnet ist.
Ebenso kann das erfindungsgemäße Steuerventil 20 auch als sog. Einsteckoder Cartridgeventil ausgebildet sein, welches in einer an einem Zylinderkopf oder einem Zylinderkopfdeckel ausgebildeten Ventilaufnahme 4a angeordnet ist.
Im Falle von Zentralventilanwendungen kann das Steuerventil 20, je nach Ausführung der Vorrichtung 1 , beispielsweise innerhalb des Abtriebselements 3, der Nockenwelle 3a oder einer Verlängerung der Nockenwelle 3a angeordnet sein. Der Zulauf- P und der Ablaufanschluss T können am nockenwellenzugewandten oder -abgewandten Ende oder an verschiedenen Enden des Steuerventils 20 angeordnet sein. Dabei kann der radiale Versorgungsanschluss 24 sowohl als Zu- P als auch als Ablaufanschluss T dienen.
Im Folgenden wird näher auf die Ausbildung und die Funktion des erfindungsgemäßen Steuerventils 20 eingegangen.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils 20 ist in den Figuren 2c, 3, 3a-c dargestellt. Der Außendurchmesser der Außenmantel- fläche des im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Steuerkolbens 30 ist dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses 22 angepasst. Des Weiteren sind an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 30 drei Ringnuten 39a, b, c aus-
gebildet, wobei diese in axialer Richtung zueinander beabstandet angeordnet sind.
Im Inneren des Steuerkolbens 30 ist ein erster, zentraler Druckmittelkanal 40 ausgebildet, an den sich in radialer Richtung außen liegend zwei zweite Druck- mittelkanäle 41 anschließen, die sich im Querschnitt des Steuerkolbens 30 nur innerhalb eines Winkelsegments kleiner 360° erstrecken. Die Druckmittelkanäle 40, 41 sind innerhalb des Steuerkolbens 30 durch Wandungen 42 voneinander getrennt, wobei die zwei zweiten Druckmittelkanäle 41 bezüglich der Längsachse 36 des Steuerkolbens 30 gegenüberliegend ange- ordnet sind. Die zweiten Druckmittelkanäle 41 kommunizieren über die ersten bzw. dritten Radialöffnungen 34a, 34c mit der ersten bzw. dritten Ringnut 39a, 39c. Der erste Druckmittelkanal 40 kommuniziert über die zweiten Radialöffnungen 34b mit der zweiten Ringnut 39b. Dabei sind die zweiten Radialöffnungen 34b gegenüber den ersten und den dritten Radialöffnungen 34a, 34c in Umfangsrichtung um 90° versetzt, wodurch erreicht wird, dass der erste Druckmittelkanal 40 ausschließlich mit der zweiten Ringnut 39b und die zweiten Druckmittelkanäle 41 ausschließlich mit der ersten und dritten Ringnut 39a, 39c kommunizieren. Die erste Ringnut 39a ist derart ausgebildet, dass diese in jeder Stellung des Steuerkolbens 30 relativ zum Ventilgehäuse 22 mit dem Zulaufanschluss P kommuniziert. Über den Zulaufanschluss P in das Steuerventil 20 eintretendes Druckmittel gelangt in die erste Ringnut 39a und über die zweiten Druckmittelkanäle 41 zur dritten Ringnut 39c. Dabei wird es innerhalb des Steuerkolbens 30 an der zweiten Ringnut 39b vorbeigeführt, wobei es durch die Wandungen 42 am Durchtritt durch die zweite Radialöffnung 34b und damit in die zweite Ringnut 39b gehindert wird.
Abhängig von der Stellung des Steuerkolbens 30 relativ zum Ventilgehäuse 22 gelangt das Druckmittel entweder über die erste Ringnut 39a zu dem Arbeits- anschluss B oder über die dritte Ringnut 39c zu dem Arbeitsanschluss A und von dort zu der jeweiligen Druckkammer 14, 15. Gleichzeitig wird aus der jeweils anderen Druckkammer 14, 15 Druckmittel zu dem jeweils anderen Arbeitsanschluss A, B geleitet und gelangt von dort in die zweite Ringnut 39b. Über die zweite Radialöffnung 34b gelangt das Druckmittel in den zentralen
Druckmittelkanal 40, von wo es in axialer Richtung zum Ablaufanschluss T geleitet und somit aus dem Steuerventil 20 abgeführt wird. Dabei verhindern wiederum die Wandungen 42, dass das abzuführende Druckmittel in die erste oder dritte Ringnut 39a, 39c gelangen kann.
Die Druckmittelkanäle 40, 41 werden in dieser Ausführungsform durch ein Einlegeteil 43 ausgebildet, welches separat zum Steuerkolben 30 gefertigt ist und anschließend mittels einer kraft-, form-, reib- oder stoffschlüssigen Verbindung in dessen Inneren angeordnet wird.
Die Figuren 4, 4a-d zeigen eine weitere Ausführung eines Steuerkolbens 30 eines erfindungsgemäßen Steuerventils 20. Dieser ist in weiten Teilen identisch zu dem in Figur 3 dargestellten Steuerkolben 30. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird die Trennung zwischen den Druckmittelkanälen 40, 41 mittels einteilig mit dem Steuerkolben 30 ausgeführten Wandungen 42 realisiert. In dieser Ausführungsform ist wiederum ein erster zentraler Druckmittelkanal 40 ausgebildet, an den sich in radialer Richtung zwei sich gegenüberliegende zweite Druckmittelkanäle 41 anschließen. Die zweiten Druckmittelkanäle 41 sind wiederum nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 36 des Steuerkolbens 30 ausgebildet.
Der erste Druckmittelkanal 40 kommuniziert zum einen mit dem Ablaufanschluss T und zum anderen mit der zweiten Ringnut 39b. Die zweiten Druckmittelkanäle 41 kommunizieren jeweils sowohl mit der ersten als auch mit der dritten Ringnut 39a, 39c.
Die Figuren 5, 5a-5d zeigen eine dritte Ausführungsform eines Steuerkolbens 30 eines erfindungsgemäßen Steuerventils 20, die zu den ersten beiden Ausführungsformen in weiten Teilen identisch ist. Allerdings sind in dieser Ausführungsform innerhalb des Steuerkolbens 30 zwei erste und zwei zweite Druck- mittelkanäle 41 angeordnet. Die ersten und die zweiten Druckmittelkanäle 40, 41 erstrecken sich wiederum in axialer Richtung, sind aber in dieser Ausführungsform abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet. Die die Druckmittelkanäle 40, 41 trennenden Wandungen 42 sind nicht, wie in den ersten beiden
Ausführungsformen, als Kreissehnen ausgebildet, sondern verlaufen entlang zweier aufeinander senkrecht stehender Innendurchmesser des Steuerkolbens 30.
Die in den Darstellungen 5a-5d in vertikaler Richtung sich gegenüberstehenden zweiten Druckmittelkanäle 41 verbinden wiederum die erste mit der dritten Ringnut 39a, 39c, während die sich horizontal gegenüberliegenden ersten Druckmittelkanäle 40 den Ablaufanschluss T mit der zweiten Ringnut 39b verbinden.
Neben der einteiligen Ausbildung des Steuerventils 20 mit einer Zentralschraube 17 über die die Vorrichtung 1 an der Nockenwelle 3a befestigt wird, sind ebenso Ausführungsformen denkbar, in denen die Vorrichtung 1 mittels kraft-, form- oder stoffschlüssigen Verbindungen an einer Nockenwelle 3a befestigt wird und das Steuerventil 20 als separates Bauteil ausgeführt ist. Ebenso denkbar ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Steuerventils 20 als ein so genanntes Einsteck- oder Cartridgeventil, welches in einer Ventilaufnahme 4a im Zylinderkopf oder Zylinderkopfdeckel montiert ist, wobei die Arbeitsanschlüsse A, B des Steuerventils 20 mittels geeigneter Druckmittelleitungen und Dreh- durchführungen zu dem Versteller geleitet werden.
Vorteilhafterweise wird der Steuerkolben 30 des erfindungsgemäßen Steuerventils 20 bzw. das Einlegeteil 43 mittels eines Spritzgiessverfahrens hergestellt. Dabei ist es denkbar, die Bauteile aus einem geeigneten Kunststoff mit- tels eines Kunststoffspritzgiessverfahrens oder aus Metall mittels eines pulvermetallurgischen Spritzgiessverfahrens, auch bekannt als Metel-Injection- Molding Verfahren, herzustellen.
In beiden Verfahren werden Formkörper gefertigt, die bereits alle typischen geometrischen Merkmale des Bauteils im Negativ aufweisen. In diese Formkör- per wird im Falle eines Kunststoffspritzgiessverfahrens der plastifizierte Kunststoff unter Druck eingeführt. Anschließend wird der Kunststoff ausgehärtet und kann nach diesem Arbeitsschritt aus dem wieder verwendbaren Formkörper entnommen werden.
Im Falle eines pulvermetallurgischen Spritzgiessverfahrens wird der Formkörper während des Spritzgießvorgangs mit einer Mischung von feinem Metallpulver und organischen Bindern ausgefüllt. Anschließend werden die organischen Binder beispielsweise durch verdampfen oder Lösungsmittelextraktion entfernt und der zurückbleibende Rohling durch Sintern unter entsprechenden Schutzgasen oder Vakuum zu den fertigen Steuerkolben 30 verdichtet.
Für die Herstellung von nicht rotationssymmetrischen Bauteilen weisen Spritzgießverfahren den Vorteil auf, dass die Formgebung der Bauteile ohne kosten- intensive spanende Nachbearbeitung wie beispielsweise Fräsen oder Bohren erfolgen kann.
Im Falle von direkt in axialer Richtung benachbart angeordneten Arbeitsanschlüssen A, B hat die in den Ausführungsbeispielen dargestellte nicht rotati- onssymmetrische Ausbildung der Druckmittelkanäle 40, 41 den Vorteil, dass an der zylindrischen Mantelfläche des Ventilgehäuses 22 keine zusätzlichen Öffnungen ausgebildet werden müssen, und somit weniger konstruktive Merkmale realisiert werden müssen. Dies führt zu einer erheblichen Kostenreduktion bei der Herstellung des Steuerventils 20.
Neben den dargestellten Ausführungsformen oder sinngemäßen Abwandlungen, besteht auch die Möglichkeit einen der Druckmittelkanäle 40, 41 innerhalb des Steuerkolbens 30 und den anderen der Druckmittelkanäle 40, 41 an der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 30 auszubilden. In diesem Fall müssen die Arbeitsanschlüsse A, B in Umfangsrichtung an ausgezeichneten Positionen des Ventilgehäuses 22 angeordnet sein. Des Weiteren muss eine Verdrehsicherung zwischen Ventilgehäuse 22 und Steuerkolben 30 vorgesehen sein.
Bezugszeichen
1 Vorrichtung
1 a Stellvorrichtung
2 Stator
3 Abtriebselement
3a Nockenwelle
4 Radnabe
4a Ventilaufnahme
4b Zentralbohrung
5 Antriebsrad
6 Flügel
7 innere Umfangswand
8 äußere Umfangswand
9 Seitenwand
10 Druckraum
11 Gehäuse
12 Dichtscheibe
13 Boden
14 erste Druckkammer
15 zweite Druckkammer
16 Öffnung
16a Schweißverbindung
17 Zentralschraube
18 Aufnahme
19 Bund
20 Steuerventil
21 Aufnahme
22 Ventilgehäuse
23a Öffnung
23b Öffnung
23c Öffnung
24 Versorgungsanschluss
25a erster Ringkanal
25b zweiter Ringkanal
26 Druckmittelleitung
27 Versorgungsleitung 28 Nockenwellelagerstelle
29 Stichbohrung
30 Steuerkolben
31 Stelleinheit
32 Stößelstange 33 Federelement
34a erste Radialöffnung
34b zweite Radialöffnung
34c dritte Radialöffnung
35 vierte Radialöffnung 36 Längsachse
38a Ringraum
38b Nut
39a erste Ringnut
39b zweite Ringnut 39c dritte Ringnut
40 erster Druckmittelkanal
41 zweiter Druckmittelkanal
42 Wandung
43 Einlegeteil
100 Brennkraftmaschine
101 Kurbelwelle
102 Kolben 103 Zylinder
104 Zugmitteltrieb
105 Zugmitteltrieb
106 Einlassnockenwelle
107 Auslassnockenwelle
108 Nocken
109 Nocken
110 Einlassgaswechselventil 111 Auslassgaswechselventil
A Arbeitsanschluss
B Arbeitsanschluss
P Zulaufanschluss
T Ablaufanschluss