DE68910532T2

DE68910532T2 - Phasenvariatoranordnung für nockenwelle.

Info

Publication number: DE68910532T2
Application number: DE89905726T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1989-05-02
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2009-05-03
Also published as: US5056478A; GB8810345D0; EP0448560B1; EP0448560A1; DE68910532D1; GB2217812A; WO1989010469A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Mechanismus zur Veränderung der Phase einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors und insbesondere auf die Veränderung der relativen Phase beim öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaß-Ventile bei einem Verbrennungsmotor mit dualer obenhängender Nockenwelle.
Die besten Zeitpunkte für das öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile in einem Verbrennungsmotor ändern sich unter anderem je nach Motorgeschwindigkeit. Bei einem Motor mit starren Winkeln für das Öffnen und Schließen der Ventile für alle Betriebsbedingungen des Motors stellt die zeitliche Abstimmung der Ventile einen Kompromiß dar, der außer bei einem begrenzten Umfang von Betriebsbedingungen die Effizienz des Motors beeinträchtigt. Aus diesem Grund war schon früher vorgeschlagen worden, die zeitliche Abstimmung der Ventile während des Motorbetriebs zu variieren.
Bei anderen Systemen wurde das Variieren der zeitlichen Abstimmung der Ventile als Mittel zur Regulierung der Motor-Ausgangsleistung vorgeschlagen. Wenn das Einlaßventil zum Beispiel während eines Teils des Verdichtungshubs offengelassen wird, kann die volumetrische Leistung des Motors reduziert werden. Ein solches System hat einen sogar noch größeren Steuerungsbedarf in Bezug auf die Phase der Nockenwelle, und die Steuerung muß kontinuierlich über den gesamten Einstellungsraum erfolgen.
Diverse Vorschläge zur Einstellung des Nockenwellenwinkels in Bezug auf die Kurbelwelle sind schongemacht worden, aber all diese Systeme sind komplex, weil sie den beträchtlichen Drehmoment-Schwankungen standhalten müssen, die bei einer Nockenwelle bei normalem Betrieb auftreten. Das System muß auch die Kraft liefern, die zur Drehung der Nockenwelle gegen den Widerstand benötigt wird, der durch die zu komprimierenden Ventilfedern ausgeübt wird.
So wurde zum Beispiel vorgeschlagen, ein Schrägrad auf die Nockenwelle zu setzen und einen bestimmten Mechanismus, sei er hydraulischer oder elektromechanischer Art, für die axiale Bewegung des Schrägrads einzurichten, um eine Veränderung der Phase der Nockenwelle herbeizuführen.
Diese Systeme nach dem bekannten Stand der Technik zogen bisher beträchtliche Kosten nach sich, und bei vielen traten infolge ihrer Größe Verpackungsprobleme auf. Im allgemeinen ließen diese Mechanismen Phaseneinstellungen nur in begrenztem Ausmaß zu, typischerweise 15º an der Nockenwelle, was zur Regulierung der Motor-Ausgangsleistung nicht ausreicht.
Angesichts der Kosten des Phasenänderungs-Mechanismus und angesichts der zusätzlichen Belastung, die sie durch die Ableitung der erforderlichen Kraft für die Drehung der Nockenwelle entstehen läßt, hat sich bisher ein solcher Mechanismus als kommerziell nicht allgemein entwicklungsfähig erwiesen.
In EP-A-0 163 046 wird ein Mechanismus zur variablen Phaseneinstellung der Nockenwelle beschrieben, zu dem konzentrische antreibende und angetriebene Glieder gehören, die mit einer Antriebsscheibe beziehungsweise einer Nockenwelle drehbar sind, wobei die Glieder miteinander durch ein Element auf einem der Glieder verbunden sind, das mit zwei hydraulischen Winden auf dem anderen Glied ineinandergreift, sowie Ventilmittel zur Steuerung des Flusses der Hydraulikflüssigkeit aus den Kammern der hydraulischen Winden, um die Glieder gegen Rotation gegeneinander in jeweils verschiedenen Winkelpositionen der Glieder zu sperren. Bei diesem Vorschlag wird eine Hydraulikpumpe verwendet, um Flüssigkeit unter Druck zu den Winden zu leiten, um die Phase der Nockenwelle zu verändern, und das trägt zur Komplexität und zu den Kosten des Systems bei.
Mit der Erfindung sollen zumindest einige der vorstehenden Nachteile abgeschwächt werden, und es soll ein Mechanismus zur variablen Phaseneinstellung der Nokkenwelle geschaffen werden, der relativ kompakt und preisgünstig ist und die Motorbelastung nicht wesentlich erhöht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Mechanismus zur variablen Phaseneinstellung der Nockenwelle erstellt, zu dem konzentrische antreibende und angetriebene Glieder gehören, die mit einer Antriebsscheibe beziehungsweise einer Nockenwelle drehbar sind, wobei die Glieder mittels eines exzentrischen Kröpfungselements auf einem der Glieder, das mit hydraulischen Winden auf dem anderen Glied ineinandergreift, aneinandergekuppelt sind, sowie Ventilmittel zur Steuerung des Flusses der Hydraulikflüssigkeit aus den Kammern der hydraulischen Winden, um die Glieder gegen Drehung gegeneinander in jeweils unterschiedlichen Winkelpositionen der Glieder zu sperren, dadurch gekennzeichnet, daß das exzentrische Element fest zwischen zwei hydraulischen Winden geklammert ist, die zur Vermeidung von Spiel an den entgegengesetzten Seiten des exzentrischen Elements wirksam werden, und da durch, daß zu dem mit den beiden Winden verbundenen hydraulischen Kreislauf Ventilmittel mit drei Positionen und Rückschlagventile gehören, wobei der hydraulische Kreislauf dazu dient, die Winden voneinander getrennt zu halten in einer Position der Ventilmittel, die Flüssigkeit direkt in nur einer Richtung zwischen den beiden Winden fließen zu lassen, in einer zweiten Position der Ventilmittel, und die Flüssigkeit direkt, aber nur in die Gegenrichtung, zwischen den beiden Winden fließen zu lassen, in der dritten Position der Ventilmittel.
Es ist auch zu erwähnen, daß die Verwendung einer Hydraulik zur Veränderung der Rotationsphase zweier Glieder bereits aus den Schriften GB-A-2 121 917 und GB A-2 066 986 bekannt ist, die sich mit automatischen Vorrichtungen für den Vorlauf von Diesel-Einspritzpumpen befassen. Bei beiden Bezugnahnen nach dem bekannten Stand der Technik werden zwei zusammenwirkende hydraulische Winden für den Vorlauf des Phasenwinkels verwendet, denen jeweils eine Feder gegenüberliegt.
Bei der hier vorliegenden Erfindung werden zwei hydraulische Winden zur Erzielung der Phasenänderung verwendet, aber sie funktionieren einander entgegengesetzt und benötigen keine externe Hochdruck-Quelle. Wegen der Drehmoment-Schwankungen auf der Nockenwelle führt die symmetrische Anordnung der hydraulischen Winden auf den entgegengesetzten Seiten des exzentrischen Elements dazu, daß die auf das exzentrische Element wirkende Gesamtkraft in einem Motor-Betriebszyklus in unterschiedliche Richtungen zu unterschiedlichen Zeiten wirkt. Wenn die Phase unveränderbar bleiben soll, verhindern die Ventile im Hydraulik-Kreislauf während der ganzen Zeit den gesamten Flüssigkeits-Fluß von den und zu den Zylindern von beiden hydraulischen Winden. Wenn jedoch ein Einwegventil betätigt wird, um den Fluß von einem der Zylinder der Winde zu einem anderen Zylinder zu ermöglichen, wird irgendwann im Motorzyklus ein Flüssigkeitsfluß auftreten, so daß die Phase mit Unterbrechungen in Richtung des gewünschten Einstellwerts verändert wird. Abhängig von der Richtung, in die die Phase verändert werden soll, wird das eine oder andere der Einweg-Ventile betätigt.
Obwohl keine externe Hochdruck-Quelle erforderlich ist, gehört zum Hydraulik-Kreislauf vorzugsweise jeweils ein Rückschlagventil, das jede Winde mit einer Niederdruck-Flüssigkeitsversorgung verbindet. Diese Niederdruck-Flüssigkeitsversorgung soll ausschließlich zum Nachfüllen verwendet werden und verfügt nicht über genügend Kraft, die Phasen der Nockenwelle zu verändern.
Günstigerweise handelt es sich bei den Ventilmitteln mit drei Positionen um ein Schieberventil, dessen Gehäuse sich bewegt, wenn sich der Phasenwinkel zwischen den beiden Gliedern verändert.
In diesem Fall sollte das Ventilgehäuse vorzugsweise konzentrisch mit der Nockenwelle montiert werden, und ein Bedienteil für den Steuerschieber sollte axial vom Zentrum des Mechanismus vorspringen, um eine externe Steuerung des Phasenwinkels während der Rotation der Nockenwelle zu erlauben.
Vorteilhafterweise kann das Gehäuse des Ventils an seinem axialen Ende angrenzend an das Antriebsglied mit einem Endnocken gebildet werden, der unter der Wirkung einer Feder mit einem Widerlager auf dem antreibenden Glied ineinandergreift, so daß sich der Ventilkörper axial zum angetriebenen Glied bewegt, wenn sich das antreibende Glied in Bezug zum Ventil dreht.
Die Erfindung wird jetzt anhand von Beispielen näher beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen wird:
Figur 1 ist ein schematischer Schnitt durch einen Mechanismus gemäß der Erfindung entlang der Linie I-I in Figur 2,
Figur 2 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II in Figur 1,
Figur 3 ist eine schematische Darstellung des hydraulischen Steuerungssystems für die Regulierung der jeweiligen Phase der Scheibe und der Nockenwelle.
In Figur 1 und 2 wird ein Mechanismus zur variablen Phasenverschiebung gezeigt, zu dem ein Flansch 10 gehört, der an einem Ende einer Kurbelwelle 14 gebildet ist und mit einer sich diametral erstreckenden Aussparung 20 gefräst ist. Eine Nabe 12 in Form einer Hohltrommel paßt über den Flansch 10 und hat ein in der Aussparung 20 gelegenes exzentrisches Element oder einen Stift 18, wobei die genannte Aussparung deutlich breiter ist als der Stift 18, um ein großes Ausmaß an Bewegung zwischen der Nabe 12 und dem Flansch 10 zu ermöglichen. Die Außenwand der Nabe 12 hat Zähne 16 und stellt die Antriebsscheibe dar, über die der gezahnte Antriebsriemen für die Nockenwelle läuft. Natürlich könnte die Nabe 12 alternativ dazu Teil eines Kettenrads für eine Antriebskette, oder sogar ein Getriebe im Falle einer Direktübertragung bilden.
Das winklige Lenkungsspiel zwischen der Nabe 12 und dem Flansch 10 wird von zwei hydraulischen Winden 28 und 30 aufgenommen. Die Lage des exzentrischen Stifts 18 in der Aussparung 20 wird durch die Positionen der zwei Kolben der Winden bestimmt, und die übereinstimmende hydraulische Einstellung der Positionen der Kolben erlaubt somit die Regulierung der Phase zwischen der Nabe 12 und dem Flansch 10. Der Vorteil bei der Verwendung von zwei Winden, die von der Gegenseite aus auf den Stift 18 wirken, liegt darin, daß das gesamte Spiel automatisch aufgenommen werden kann und daß keine Verbindung zwischen dem Stift 18 und der Stirnseite einer der Kolben benötigt wird.
Figur 3 stellt schematisch den Hydraulik-Kreislauf für die beiden Winden 28 und 30 dar. Auf jede der Winden 28 und 30 wird Öldruck jeweils mittels eines Rückschlagventils 26 und einer Zuleitung 24 aufgebracht. So entwickelt sich eine Zuhaltekraft, die den Stift 18 greift. Die Leitungen 24 sind auch mit einem Spulventil verbunden, das allgemein mit Ziffer 36 gekennzeichnet ist.
Das Schieberventil 36 hat drei Öffnungen, von denen zwei in Figur 3 dargestellt sind; die dritte Öffnung ist nicht abgebildet, da sie außerhalb der Ebene der Skizze liegt. Die zentrale Öffnung ist mit einer der beiden Leitungen 24 verbunden, während die zwei Öffnungen am Ende beide mit der anderen Zuleitung 24, jedoch mittels der Rückschlagventile 34, die einander entgegengesetzt liegen, verbunden sind. Auf diese Weise sind die beiden Winden 28 und 30 in der zentralen Position des Ventilschiebers 44 in Bezug auf das Gehäuse 38 des Schieberventils 36 voneinander getrennt, und in jeder Endposition wird zwischen den beiden Winden eine Verbindung hergestellt, wobei die erlaubte Richtung des Flüssigkeitsflusses durch die Bewegungsrichtung des Ventilschiebers 44 festgelegt wird.
Bei zentraler Position des Ventilschiebers 44 kann die Flüssigkeit aus keiner der Winden fließen, und der gesamte Mechnismus ist für die übereinstimmende Rotation gesperrt. Wenn der Steuerschieber bewegt wird, damit Flüssigkeit von der Winde 28 zur Winde 30, jedoch nicht in Gegenrichtung fließen kann, wird, während sich wie dargestellt eine Drehmoment-Reaktion aufbaut, um den Stift entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, der Kolben der Winde 28 eingezogen, und die verdrängte Flüssigkeit fährt den Kolben der Winde 30 aus. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder zyklischen Drehmoment-Änderung, bis der Kolben der Winde 28 voll zurückgezogen oder der Schieber 44 in die neutrale zentrale Position zurückgekehrt ist. Auf ähnliche Weise verursacht die Bewegung des Schiebers 44 in Gegenrichtung ein Einziehen der Winde 30 und ein Ausfahren der Winde 28, weil beim Rückdrehmoment der Nockenwelle sowohl positive als auch negative Schwankungen auftreten.
Wie bisher beschrieben, erlaubt der Mechanismus die Bewegung der Kolben und daher die Einstellung des Phasenwinkels ohne Anwendung einer externen Kraft mit ausreichender Stärke für das Zusammenpressen der Ventilfedern. Das Bedienungselement konnte jedoch die Kolben nur von einer extremen Position in die andere bewegen und kann keine kontinuierliche Regelung erzielen. Für eine solche Regelung benötigt man eine phasenwinkelabhängige Rückkoppelung zum Ventil 36.
Zu diesem Zweck ist das Ventilgehäuse 38 des Ventils konzentrisch auf der Nockenwelle 14 montiert. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Linie 50 in der Skizze schematisch eine Faltlinie darstellt, um den Eindruck zu vermeiden, daß sich das Ventil und die Winden auf der gleichen Ebene befinden. Das Gehäuse 38 kann sich nicht auf der Nockenwelle drehen, vermag jedoch axial zu gleiten und wird gegen ein Widerlager 42 gedrückt, das mittels einer Feder 40 von der Nabe 12 vorspringt. Ein Endnocken 48 auf dem Ventilgehäuse 38 bewirkt, daß das Ventilgehäuse 38 gegen die Wirkung der Feder 40 wirkt, wenn sich die Phase zwischen der Nockenwelle 4 und der Nabe 12 verändert.
Der Ventilschieber 44 hat eine Stange 46, die vom Phasenänderungsmechanismus vorspringt. Die Position der Stange bestimmt die Position des Schiebers, der wiederum die Position des Ventilgehäuses 38 bestimmt. Insbesondere wenn der Ventilkörper nicht auf dem Ventilschieber 44 zentriert sein soll, tritt Hydraulikfluß auf, um die Kolben zu bewegen und das Widerlager 42 in Bezug auf den Endnocken 48 in einer Richtung zu drehen, die das Ventilgehäuse in eine zentrale Position zum Schieber zurückbringt, wo die Verbindung zwischen den Winden 28 und 30 unterbrochen ist. Das Gehäuse 38 fungiert daher als Folgeregler zum Schieber und bewegt sich, um eine Phasenverschiebung zwischen der Nabe 12 und der Nockenwelle 4 zu bewirken, die durch die axiale Position des Ventilschiebers 44 festgelegt ist.
Die Zuleitungen 24 und die zum Ventil 36 führenden Zuleitungen sollten vorzugsweise nicht flexibel sein, um die Gefahr des Auslaufens zu vermeiden. Damit gebohrte Kanäle als Hydraulikzuleitungen verwendet werden können, werden in der Darstellung von Figur 3 verlängerte Schlitze verwendet, um die einzelnen Öffnungen an die Ventile 34 und die Zuleitung 24 zu koppeln, so daß in allen Positionen des Ventilgehäuses 38 eine Verbindung hergestellt ist, und daß die einzigen sich bewegenden Elemente im Hydraulik-Kreislauf der Ventilschieber 44, das Gehäuse 38 und die Kolben in den Winden 28, 30 sind, die man alle problemlos gegen Auslaufen verschließen kann.
Bei normaler Verwendung wird der Druck durch den Motorschmiermittel-Kreislauf aufrechterhalten, aber vom Hydraulik-Kreislauf wird keine Flüssigkeit entnommen, da die Flüssigkeit sich im wesentlichen nur von einer Winde zur anderen bewegt. Die externe Versorgungseinrichtung 32 hat nur die Aufgabe, Flüssigkeit als Ersatz für geringfügige Verluste, die aufgrund von Auslaufen auftreten können, zu liefern. Daher stellt der Mechanismus keine Belastung für den Motor dar, weil er keine Verdrängung großer Flüssigkeitsvolumen unter Hochdruck erfordert, wie es bei bisherigen Anordnungen nach dem bekannten Stand der Technik der Fall war, bei denen auf externen Hydraulik-Druck zurückgegriffen wurde, um die erwünschte Phasenverschiebung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu erreichen.

Claims

1. Mechanismus zur variablen Phaseneinstellung einer Nockenwelle, zu dem konzentrische antreibende und angetriebene Glieder gehören (12,10), drehbar mit einer Antriebsscheibe (12) beziehungsweise einer Nockenwelle (14), wobei die Glieder (10,12) mittels eines exzentrischen Kröpfungselements (18) auf einem der Glieder (12) miteinander verbunden sind, das mit hydraulischen Winden (28,30) auf dem anderen Glied (10) ineinandergreift, und Ventilmittel (36) zur Steuerung des Flusses der Hydraulikflüssigkeit aus den Kammern der hydraulischen Winden (28,30) zur Sperrung der Glieder gegen Rotation gegeneinander in jeweils verschiedenen Winkelpositionen der Glieder, dadurch gekennzeichnet, daß das exzentrische Element (18) fest zwischen zwei an gegenüberliegenden Seiten des exzentrischen Elements (18) wirksamen hydraulischen Winden (28,30) geklammert ist, um Spiel zu vermeiden, und dadurch, daß zu dem mit beiden Winden verbundenen hydraulischen Kreislauf Ventilmittel mit drei Positionen (36) sowie Rückschlagventile (34) gehören, wobei der hydraulische Kreislauf dazu dient, die Winden (28,30) voneinander getrennt zu halten, in einer Position der Ventilmittel (36), die Flüssigkeit direkt in nur einer Richtung zwischen beiden Winden (28,30) fließen zu lassen, in einer zweiten Position der Ventilmittel (36), und die Flüssigkeit direkt, aber nur in die Gegenrichtung, zwischen beiden Winden (28,30) fließen zu lassen, in der dritten Position der Ventilmittel (36).

2. Mechanismus gemäß Anspruch 1, worin zum hydraulischen Kreislauf ferner jeweils ein Rückschlagventil (26) gehört, das jeweils eine Winde (28,30) mit einer Niederdruck-Flüssigkeitsversorgung verbindet.

3. Mechanismus gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Antriebsscheibe (12) das mit dem exzentrischen Element (18) gebildete Glied darstellt und als über das Glied (10) passende Nabe gebildet ist, das die hydraulischen Winden trägt.

4. Mechanismus gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Glied, auf dem hydraulische Winden liegen, ein Flansch ist, der einstückig mit der Nockenwelle gebildet ist.

5. Mechanismus gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Ventilmittel mit drei Positionen (36) ein Schieberventil sind, dessen Gehäuse (38) sich bewegt, wenn sich der Phasenwinkel zwischen beiden Gliedern verändert.

6. Mechanismus gemäß Anspruch 5, worin das Gehäuse (38) des Ventils (36) konzentrisch mit der Nockenwelle montiert ist und ein Bedienteil (46) für den Ventilschieber (44) axial vom Zentrum des Mechanismus vorspringt, um eine externe Steuerung des Phasenwinkels während der Rotation der Nockenwelle zu erlauben.

7. Mechanismus gemäß Anspruch 5 oder 6, worin das Gehäuse (38) des Ventils (36), an dessen axialem Ende angrenzend an das antreibende Glied, mit einem Endnocken (48) versehen ist, der unter der Wirkung einer Feder (40) mit einem Widerlager (42) auf dem antreibenden Glied ineinandergreift, so daß sich der Ventilkörper axial zum angetriebenen Glied dreht, wenn sich das antreibende Glied in Bezug zum Ventil dreht.