WO2007022850A1

WO2007022850A1 - Stellvorrichtung für eine brennkraftmaschine, insbesondere nockenwellenstellvorrichtung

Info

Publication number: WO2007022850A1
Application number: PCT/EP2006/007483
Authority: WO
Inventors: Jens Meintschel; Thomas Stolk; Alexander Von Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2005-08-20
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2007-03-01
Also published as: US7958856B2; DE102005039460A1; US20080210183A1

Abstract

Es wird eine Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung, mit einer Stelleinheit (10) vorgeschlagen, die wenigstens eine stromlose Sensoreinheit (11) zur Durchführung einer Einstellung in zumindest einem Modus abhängig von einem vorliegenden Wellenphasenwinkel einer Welle (12) umfasst.

Description

Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere

Nockenwellenstellvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine

Nockenwellenstellvorrichtung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 102 20 687 Al ist eine

Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Stelleinheit und einer Arretiereinheit bekannt. Die Stelleinheit weist ein Verstellgetriebe mit einer Standgetriebeübersetzung auf, die so ausgelegt sind, dass durch bloßes Festsetzen einer Verstellwelle eine Arretierstellung erreicht wird.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine besonders ausfallsichere Stellvorrichtung bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Es wird eine Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung, mit einer Stelleinheit vorgeschlagen, die wenigstens eine stromlose Sensoreinheit zur Durchführung einer Einstellung in zumindest einem Modus abhängig von einem vorliegenden Wellenphasenwinkel einer Welle umfasst. Mittels der stromlosen Sensoreinheit, d.h. einer Sensoreinheit, mittels der eine Sensierung ohne elektrische Energieversorgung möglich ist, kann eine besonders ausfallsichere Steuerung und/oder Regelung erzielt werden, und zwar insbesondere, wenn die Stelleinheit dazu vorgesehen ist, in dem zumindest einen Modus ein Stellmittel stromlos, d.h. ohne elektrische Energie, zu betätigen. Es kann insbesondere eine Steuerung und/oder Regelung zumindest weitgehend unabhängig von einer elektrischen Stromversorgung erzielt werden. Die Sensoreinheit kann dabei ausschließlich zur Sensierung entsprechender Kenngrößen und/oder insbesondere redundant zu einer weiteren, insbesondere elektronischen Sensoreinheit vorgesehen sein. Unter einem „Wellenphasenwinkel" soll dabei insbesondere ein Phasenwinkel einer ersten Welle zu einer zweiten Welle verstanden werden, wie dies insbesondere bei einer von einer Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle mit einer Nockenwellenstellvorrichtung auftritt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit eine mechanische Abtasteinheit aufweist, wodurch diese konstruktiv einfach, insbesondere auch unabhängig von einem vorliegenden Öldruck, ausgeführt werden kann. Alternativ und/oder zusätzlich zu einer mechanischen Abtasteinheit könnte jedoch die Sensoreinheit auch eine hydraulische Einheit zur Sensierung eines vorliegenden Wellenphasenwinkels aufweisen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Abtasteinheit zur Betätigung des Stellmittels vorgesehen ist, wodurch zusätzliche Bauteile, Bauraum, Gewicht, Montageaufwand und Kosten eingespart werden können, und zwar insbesondere, wenn ein Abtastmittel der Abtasteinheit mit einem Stellmittel, wie mit einer Bremseinheit, einem Ventilkolben usw. , zumindest gekoppelt oder sogar mit demselben zumindest teilweise einstückig ausgeführt ist. Bei elektrischen Stellvorrichtungen können auch mittels der Abtasteinheit mechanische elektrische Kontakte geschaltet werden.

Bei einer Nockenwellenstellvorrichtung kann ein von einer Abtastkontur gebildetes Abtastmittel drehfest mit einem Kettenrad oder auch drehfest mit einer Nockenwelle ausgeführt sein. Bei Nockenwellenstellvorrichtungen mit einem Summierungsgetriebe kann ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einem Stelleingang und ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einer Nockenwelle verbunden sein, und/oder es kann ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einem Stelleingang und ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einem Kettenrad verbunden sein usw.

Bei der Verstellung des Wellenphasenwinkels können verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Antriebsmomente genutzt werden, wie ein Wellenantriebsmoment, das in erster Linie dazu vorgesehen ist, die Welle, deren Phasenwinkel verstellt werden soll, zur Übertragung eines Antriebsmoments über dieselbe anzutreiben, und/oder vorteilhaft ein Stellerantriebsmoment , das in erster Linie dazu vorgesehen ist, eine Stellbewegung bzw. eine Verstellung des Wellenphasenwinkels zu erzielen, wodurch eine Verstellung unabhängig von einem vorliegenden Wellenantriebsmoment erzielt werden kann.

Ist das Stellmittel drehfest mit der Welle gekoppelt, kann konstruktiv einfach, mit wenigen zusätzlichen Bauteilen, eine vorteilhafte Kopplung zwischen dem Stellmittel und einem Sensormittel der Sensoreinheit, insbesondere mit der mechanischen Abtasteinheit, erzielt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Stelleinheit eine einstellbare Einheit zur Erzielung einer einstellbaren Sollposition in dem zumindest einen Modus aufweist, wodurch während des Betriebs und/oder auch grundsätzlich vor einer Inbetriebnahme eine Anpassung an verschiedene Randbedingungen ermöglicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung kann bei sämtlichen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Stellvorrichtungen einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wie bei Stellvorrichtungen zum Einstellen eines

Verdichtungsverhältnisses, Stellvorrichtungen zum Einstellen einer Wasserpumpendrehzahl, Stellvorrichtungen zum Einstellen einer Kältemittelverdichtungseinrichtung usw., besonders vorteilhaft jedoch bei Nockenwellenstellvorrichtungen, wodurch ein Nockenwellenphasenwinkel über einen großen Bereich einstellbar und dennoch stets ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Ferner ist grundsätzlich auch denkbar, eine entsprechende Stellvorrichtung außer bei Brennkraftmaschinen auch bei anderen, dem Fachmann als geeignet erscheinenden Maschinen einzusetzen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Dabei zeigen: Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen

Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Nockenwelle, Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die

Nockenwellenstellvorrichtung, Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Abtasteinheit der

Nockenwellenstellvorrichtung mit einem Abtastarm in einer ersten Stellung vor einer Sollposition, Fig. 4 die Abtasteinheit mit dem Abtastarm im Bereich der

Sollposition, Fig. 5 die Nockenwellenstellvorrichtung in einer Ansicht schräg von der Seite mit dem Abtastarm im Bereich der Sollposition, Fig. 6 die Abtasteinheit mit dem Abtastarm in einer zweiten Stellung vor der Sollposition, Fig. 7 die Nockenwellenstellvorrichtung in der Ansicht schräg von der Seite mit dem Abtastarm in der zweiten Stellung vor der Sollposition, Fig. 8 eine alternative Abtasteinheit mit einem Abtastarm in einer ersten Stellung vor einer Sollposition, Fig. 9 die alternative Abtasteinheit mit dem Abtastarm in einer zweiten Stellung vor der Sollposition und Fig. 10 die alternative Abtasteinheit mit dem Abtastarm in der Sollposition.

Figur 1 zeigt eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine in einer Explosionsdarstellung mit einer Stelleinheit 10 zum Einstellen eines Nockenwellenphasenwinkels einer Nockenwelle 12. Die Stelleinheit 10 umfasst eine von einem Flügelzellen- Drehaktuator gebildete hydraulische Einheit, die einen einstückig mit der Nockenwelle 12 ausgeführten Stator 15 und einen mit einem Kettenrad 16 einstückig ausgeführten Rotor 17 aufweist (Figuren 1 und 2) . Der Rotor 17 umschließt den Stator 15 und zwischen radial nach außen weisenden Flügeln 18 des Stators 15 und radial nach innen weisenden Flügeln 19 des Rotors 17 sind Druckräume ausgebildet, die auf einer der Nockenwelle 12 abgewandten Seite mit einem Deckel 20 der hydraulischen Einheit verschlossen sind, der drehfest mit dem Rotor 17 und damit drehfest mit dem Kettenrad 16 verbunden ist. Durch Ansteuerung der Druckräume kann der Rotor 17 und damit das Kettenrad 16 relativ zum Stator 15 und damit zur Nockenwelle 12 verdreht werden, und damit kann der Nockenwellenphasenwinkel eingestellt werden.

In einem konzentrischen Kanal 21 des Stators 15 ist ein von einem Ventilkolben gebildetes Stellmittel 13 angeordnet. Das Stellmittel 13 weist auf einer der Nockenwelle 12 zugewandten Seite Steuerkanten 23 und auf einer der Nockenwelle 12 abgewandten Seite einen Bereich 24 mit einem rechteckigen Querschnitt auf, über den das Stellmittel 13 mit einer in die Nockenwelle 12 bzw. in den Stator 15 eingepressten Buchse 22 und über die Buchse 22 drehfest mit der Nockenwelle 12 verbunden ist. Ferner ist an das Stellmittel 13 ein sich senkrecht zur Mittelachse der Nockenwelle 12 erstreckendes, von einem Abtastarm gebildetes erstes Abtastmittel 14 einer mechanischen Abtasteinheit befestigt, die einen Bestandteil einer stromlosen Sensoreinheit 11 bildet. Die mechanische Abtasteinheit weist neben dem ersten Abtastmittel 14 ein von einer Abtastkontur gebildetes zweites Abtastmittel 25 auf, das einstückig an eine der Nockenwelle 12 abgewandte Stirnseite des Deckels 20 angeformt ist. Zur Betätigung des Stellmittels 13 ist zum einen ein elektromagnetischer Stellaktuator 26 vorgesehen, der mit seinem über eine Schraubendruckfeder 27 belasteten Anker 28 auf eine der Nockenwelle 12 abgewandte Stirnfläche 29 des Abtastmittels 14 wirkt. Ferner dient zum anderen die Abtasteinheit zur stromlosen Betätigung des Stellmittels 13 in einem Modus mit deaktiviertem Stellaktuator 26.

Im elektronisch geregelten Betrieb ist der elektromagnetische Stellaktuator 26 bestromt und der Anker 28 ist entgegen der Federkraft der Schraubendruckfeder 27 in die von der Nockenwelle 12 abgewandte Richtung versetzt, angezogen durch elektromagnetische Kräfte, in seinem Regelbereich angeordnet. Das Stellmittel 13 ist in Richtung des Ankers 28 mit Öldruck beaufschlagt und ist über die Stirnfläche 29 am Anker 28 des Stellaktuators 26 abgestützt. Anstatt und/oder zusätzlich zu einer Beaufschlagung mit Öldruck könnte das Stellmittel 13 auch mit einer Federkraft eines Federmittels in Richtung des Ankers 28 beaufschlagt sein.

Wird der Stellaktuator 26 gezielt stromlos geschaltet oder wird dessen Stromzufuhr in einem Notfall unterbrochen, beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs, wird das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14, angetrieben durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 27, die größer ist als die durch den auf das Stellmittel 13 wirkenden Öldruck resultierende Kraft, gegen das von der Abtastkontur gebildete Abtastmittel 25 gedrückt. Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit zu einer Kurbelwelle, die antriebsmäßig mit dem Kettenrad 16 gekoppelt ist, in Richtung Früh verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 mit einer ersten Anlagefläche 30 des von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25 in Anlage (Figur 3). Dabei wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in Stellrichtung 31 bzw. in Richtung Spät verstellt (Figuren 4 und 5) . Ein Stellerantriebsmoment der hydraulischen Einheit wird zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels genutzt. Durch die Verstellbewegung der Nockenwelle 12 wird das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 in Richtung einer Sollposition 32 bewegt.

Im Bereich der Sollposition 32 weist das von der Abtastkontur gebildete Abtastmittel 25 eine Steuerrampe 33 auf, die eine Verbindung zwischen der ersten Anlagefläche 30 und einer zweiten Anlagefläche 34 darstellt. Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit zur Kurbelwelle in Richtung Spät verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 mit der zweiten Anlagefläche 34 des von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25 in Anlage, die gegenüber der ersten Anlagefläche 30 weiter in die von der Nockenwelle 12 abgewandte axiale Richtung verlagert ist (Figur 6 und 7) . Dabei wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in Stellrichtung 35 bzw. in Richtung Früh verstellt (Figuren 4 und 6) . Das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 gleitet von der Anlagefläche 34 entlang der Steuerrampe 33 in Richtung der Anlagefläche 30 bzw. in Richtung der Sollposition 32 und verstellt dadurch das Stellmittel 13 in axialer Richtung, so dass sich bei einem deaktivierten elektromagnetischen Stellaktuator 26 eine geringe Pendelbewegung um die Sollposition 32 einstellt. Da ein leichtes Pendeln um die Sollposition 32 zugelassen werden kann, ist eine Ausführung ohne mechanische Arretierung bzw. Verriegelung vorzuziehen, und zwar insbesondere, indem diese im Vergleich zu einer Nockenwellenstellvorrichtung mit einer mechanischen Arretierung kostengünstiger ausgeführt werden kann und Geräusche durch spielbehaftete Arretiermittel einfach vermieden werden können. Um eine einstellbare Sensoreinheit 11 zu erreichen, könnte beispielsweise das zweite Abtastmittel 25 von einem von dem Deckel 20 getrennten Bauteil gebildet sein, das grundsätzlich drehfest mit dem Deckel 20 und damit mit dem Kettenrad 16 verbunden ist, jedoch zur Verstellung der Sensoreinheit 11 und damit zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels in der Sollposition 32 relativ zum Deckel 20 verdreht werden kann, beispielsweise mittels eines hydraulischen und/oder elektromagnetischen Aktuators. Alternativ und/oder zusätzlich könnte auch das Abtastmittel 14 in Umfangsrichtung verstellbar ausgeführt sein, beispielsweise könnte hierfür die Buchse 22 innerhalb des Stators 15 in Umfangsrichtung einstellbar ausgeführt sein.

In den Figuren 8 bis 10 ist eine alternative Abtasteinheit dargestellt. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert, wobei zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele den Bezugszeichen in den Figuren 8 bis 10 ein Apostroph hinzugefügt ist. Ferner kann bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 bis 7 verwiesen werden. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 bis 7. Die in den Figuren 8 bis 10 dargestellte Abtasteinheit kann anstelle der in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Abtasteinheit eingesetzt werden, so dass nachfolgend in den Figuren 8 bis 10 bezüglich nicht dargestellter Bauteile auf die Bauteile in den Figuren 1 bis 7 verwiesen werden kann.

Wird bei dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 8 bis 10 der Stellaktuator 26 stromlos geschaltet oder wird dessen Stromzufuhr in einem Notfall unterbrochen, wird ein von einem Abtastarm gebildetes Abtastmittel 14', angetrieben durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 27 des elektromagnetischen Stellaktuators 26, gegen ein von einer Abtastkontur gebildetes Abtastmittel 25' gedrückt (Figuren 1 und 8) . Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit zur Kurbelwelle in Richtung Früh verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' mit einer ersten Anlagefläche 30' des von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25' in Anlage (Figur 8) . Dabei wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in Stellrichtung 31' bzw. in Richtung Spät verstellt (Figuren 8 und 10). Ein Stellerantriebsmoment der hydraulischen Einheit wird zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels genutzt. Durch die Verstellbewegung der Nockenwelle 12 wird das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' in Richtung einer Sollposition 32' bewegt. In einem der Sollposition 32' zugeordneten Bereich weist das Abtastmittel 25' eine Arretierausnehmung 36' mit konischen Seitenrändern bzw. Steuerrampen 38', 39' und mit einer Fläche 37' auf, in die das Abtastmittel 14' bei Erreichen der Sollposition 32' einrastet und durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 27 in derselben gesichert ist. Dabei liegt das Abtastmittel 14' an den konischen Seitenrändern bzw. an den Steuerrampen 38', 39' der Arretierausnehmung 36' an, so dass dieses spielfrei gesichert ist. In der Sollposition 32' ist das Abtastmittel 14' und damit das Stellmittel 13 gegenüber bei einer Anlage des Abtastmittels 14' an der Anlagefläche 30' weiter in Richtung Nockenwelle 12 angeordnet, und zwar ist das Stellmittel 13 in einer Neutralstellung angeordnet, in der weder eine Verstellung in Richtung Früh noch eine Verstellung in Richtung Spät eingeleitet wird. Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit zur Kurbelwelle in Richtung Spät verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' mit einer zweiten Anlagefläche 34' des von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25' in Anlage, die gegenüber der ersten Anlagefläche 30' weiter in die von der Nockenwelle 12 abgewandte axiale Richtung verlagert ist (Figur 9) . Dabei wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in Stellrichtung 35' bzw. in Richtung Früh verstellt (Figuren 9 und 10) . Durch die Verstellbewegung der Nockenwelle 12 wird das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' in Richtung der Sollposition 32' bewegt und rastet in der Arretierausnehmung 36' ein.

Bezugszeichen

10 Stelleinheit 33 Steuerrampe

11 Sensoreinheit 34 Anlagefläche

12 Welle 35 Stellrichtung

13 Stellmittel 36 Arretierausnehmung

14 Abtastmittel 37 Fläche

15 Stator 38 Steuerrampe

16 Kettenrad 39 Steuerrampe

17 Rotor

18 Flügel

19 Flügel

20 Deckel

21 Kanal

22 Buchse

23 Steuerkanten

24 Bereich

25 Abtastmittel 6 Stellaktuator 7 Schraubendruckfeder

28 Anker 9 Stirnfläche

30 Anlagefläche

31 Stellrichtung 2 Sollposition

Claims

Patentansprüche

1. Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Nockenwellenstellvorrichtung, mit einer Stelleinheit (10), die wenigstens eine stromlose Sensoreinheit (11) zur Durchführung einer Einstellung in zumindest einem Modus abhängig von einem vorliegenden Wellenphasenwinkel einer Welle (12) umfasst.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (10) dazu vorgesehen ist, in dem zumindest einen Modus ein Stellmittel (13) stromlos zu betätigen .

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (11) eine mechanische Abtasteinheit aufweist .

4. Stellvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit zur Betätigung des Stellmittels (13) vorgesehen ist.

5. Stellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtastmittel (14) der Abtasteinheit mit einem Stellmittel (13) zumindest gekoppelt ist.

6. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (10) dazu vorgesehen ist, in dem zumindest einen Modus ein Stellerantriebsmoment zur Verstellung eines Wellenphasenwinkels zu nutzen.

7. Stellvorrichtung zumindest nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (13) drehfest mit der Welle (12) gekoppelt ist.

8. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (10) eine einstellbare Einheit zur Erzielung einer einstellbaren Sollposition in dem zumindest einen Modus aufweist.