Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle für ei nen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang. Der Nockenwellenversteller weist einen mit der Kurbelwelle drehgekoppelten Stator und einen mit der Nockenwelle drehgekoppelten, vorzugsweise radial innerhalb des Stators und relativ zu dem Stator verdrehbar ange ordneten Rotor auf. Der Nockenwellenversteller besitzt zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildete Arbeitskammern, die jeweils durch einen radial abstehenden Flü gel des Rotors in zwei Teilkammern, die auch als A-Kammer und als B-Kammer be zeichnet werden, unterteilt sind. Die Teilkammern sind zur Verstellung des Rotors re lativ zu dem Stator mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar. Die Teilkammern wirken jeweils in entgegengesetzte Richtungen. Das heißt, dass der Rotor relativ zu dem Sta tor durch Druckbeaufschlagen der einen Teilkammer in Richtung Spät verstellbar ist und durch Druckbeaufschlagen der anderen Teilkammer in Richtung Früh verstellbar ist. Bei Druckbeaufschlagung einer Teilkammer wird das Hydraulikmittel aus der je weils anderen Teilkammer verdrängt. Der Nockenwellenversteller weist ein mit den Teilkammern verbundenes Reservoir zur Bevorratung von Hydraulikmittel auf, um bei Vorhandensein eines Unterdrucks in einer der Teilkammern dieser Teilkammer Hyd raulikmittel aus dem Reservoir zuzuführen. Das Reservoir ist vorzugsweise über je weils ein Rückschlagventil mit den Teilkammern verbunden.

Aus dem Stand der Technik sind bereits solche Nockenwellenversteller des Flügelzel lentyps bekannt. Zur Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle können die auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomente genutzt werden, was auch als nockenwel lenmomentbetätigte Verstellung (camshaft torque actuated (CTA)) bezeichnet wird. Dabei wird das Hydraulikmittel aus einer Teilkammer durch die auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomente über einen Bypass in die jeweils andere Teilkammer ge leitet. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verstellung des Drehwinkels der Nockenwel le eine externe Flydraulikmittelzufuhr, wie eine Pumpe, genutzt werden, was auch als öldruckbetätigte Verstellung (oil pressure actuated (OPA)) bezeichnet wird. Dabei wird die eine Teilkammer durch die Flydraulikmittelzufuhr druckbeaufschlagt und die ande- re Teilkammer mit einem drucklosen Tank/Reservoir zur Hydraulikmittelabfuhr ver bunden.

Der Vorteil an der Verstellung über die Nockenwellenmomente liegt darin, dass nur ein sehr geringer Hydraulikmittelstrom, nämlich zum Ausgleich der Leckage zwischen den Teilkammern und dem Nockenwellenversteller, benötigt wird. Jedoch ist eine Ver stellung über die Nockenwellenmomente nur möglich, wenn die auf die Nockenwelle wirkenden Wechselmomente ausreichend groß sind, da die erzielbaren Verstellge schwindigkeiten bei niedrigen Wechselmomenten zu gering sind.

Der Vorteil an der Verstellung über den Öldruck liegt darin, dass die Verstellung auch bei kleinen Verstellsprüngen mit niedrigen Verstellgeschwindigkeiten gut regelbar ist. Jedoch ist ein verhältnismäßig großer Hydraulikmittelstrom, der über die externe Hyd raulikmittelzufuhr zugeführt werden muss, erforderlich, was sich negativ auf den not wendigen Bauraum auswirkt.

Zur Vermeidung der Nachteile der beiden Verstellarten (OPA und CTA) wurden soge nannte Smartphaser entwickelt, die den Hauptvorteil bieten, dass sie das OPA- und das CTA-Verstellungsprinzip kombinieren, um größere Verstellgeschwindigkeiten bei kleineren Mengen an Hydraulikmittel zu gewährleisten.

Ein solcher Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der DE 10 2010 005 604 A1 bekannt. Diese offenbart eine druckmittelbetätigte Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei entgegengesetzt wirkenden Arbeits kammern, einer Druckmittelpumpe, einem Druckmittelreservoir und einem Mehrwege ventil umfassend ein Gehäuse mit mehreren den Arbeitskammern, der Druckmittel pumpe und dem Druckmittelreservoir zugeordneten Öffnungen, durch die eine Zu- und/oder Abströmung eines Druckmittels ermöglicht ist, einem Ventilkörper, der in dem Gehäuse zwischen zwei Endstellungen verschiebbar geführt ist, und in Abhän gigkeit von der Stellung mit an dem Gehäuse anliegenden Steuerkanten den Durch fluss des Druckmittels durch die Öffnungen in dem Gehäuse sperrt oder ermöglicht, und einem in dem Ventilkörper angeordneten einen Durchfluss des Druckmittels in zwei unterschiedliche Richtungen ermöglichenden Doppelrückschlagventil, wobei die Steuerkanten derart angeordnet sind, dass in den Endstellungen des Ventilkörpers der Durchfluss des Druckmittels von der Druckmittelpumpe und zu einer ersten Ar beitskammer, und durch das Doppelrückschlagventil ein Durchfluss des Druckmittels von einer zu der ersten Arbeitskammer entgegengesetzt wirkenden zweiten Arbeits kammer zu der ersten Arbeitskammer ermöglicht ist.

Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass bei bisher bekannten No- ckenwellenversteller, die das OPA- und das CTA-Verstellungsprinzip kombinieren, das Verhältnis zwischen den OPA- und den CTA-Verstellungsanteilen durch die Aus legung des Nockenwellenverstellers vordefiniert ist und nur von den Motoreigenschaf ten, wie dem Öldruck und den Nockenwellenmomenten, in dem der Nockenwellenver- steller eingebaut ist, abhängt. Das heißt, dass sich die Anteile von OPA- und CTA- Verstellungsprinzips innerhalb einer Verstellung aus dem Verhältnis der Öl- und der Nockenwellenmomentenergie ergeben. Mit anderen Worten werden auch bei ausrei chend großen Nockenwellenmomenten die Teilkammern mit Hydraulikfluid aus der Pumpe beaufschlagt, auch wenn die Energie der Nockenwellenmomente zur Verstel lung ausreichen würden.

Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein Nockenwellenversteller bereitgestellt werden, der die Vorteile der beiden Verstellungsprinzipien in besonders effizienterWeise miteinander kombiniert. Zudem soll der Nockenwellenversteller mög lichst energiesparend und bauraumsparend ausgebildet sein.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Steuerventil eine (erste) zusätzliche Schaltstellung besitzt, in der eine erste Teilkammer der beiden Teilkammern mit dem Tank verbunden ist und eine zweite Teilkammer der beiden Teilkammern von der Pumpe getrennt ist. Mit an deren Worten besteht die erfinderische Lösung der Aufgabe in der Verwendung eines als sogenanntem Smartphaser ausgebildeten Nockenwellenversteller, bei dem ein spezielles Ventil verwendet wird, um ein OPA- und ein CTA-Verstellungsprinzip ge trennt/unabhängig voneinander realisieren zu können. Dies hat den Vorteil, dass dadurch ermöglicht wird, die Verstellung nur mit der Ver wendung von Nockenwellenmomenten zu realisieren, ohne dass Hydraulikmittel von der Pumpe bereitgestellt werden muss. Zum anderen kann dann, wenn der Arbeits punkt des Motors keine ausreichend großen Nockenwellenmomente für die Verstel lung bietet, wie etwa bei einer Zylinderabschaltung, einer Ventilhubverkleinerung, ei ner Ventilausschaltung oder einer geänderten Last der Hochdruckpumpe, die Verstel lung über das OPA-Prinzip oder eine Kombination des OPA- und des CTA-Prinzips realisiert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und wer den nachfolgend näher erläutert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Steuerventil eine (zweite) zusätzli che Schaltstellung besitzen, in der die erste Teilkammer von der Pumpe getrennt ist und die zweite Teilkammer mit dem Tank verbunden ist. Das heißt, dass sowohl die A-Kammer als auch die B-Kammer durch die zwei zusätzlichen Schaltstellung bei blo ckierter Pumpe zum Tank hin entleert werden können. Dadurch ist beidseitig eine rei ne CTA-Verstellung ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Steuerventil als ein 4/5- Wegeventil ausgebildet sein, das einen mit der ersten Teilkammer verbundenen A- Anschluss, einen mit der zweiten Teilkammer verbundenen B-Anschluss, einen mit der Pumpe verbundenen P-Anschluss und einen mit dem Tank verbundenen T- Anschluss besitzt. Das heißt also, dass das erfindungsgemäße Steuerventil zwei zu sätzliche Schaltstellungen im Vergleich zu einem bisher verwendeten 4/3-Wegeventil besitzt. In diesen zwei zusätzlichen Schaltstellung ist demnach der P-Anschluss/P- Port, also die Ölversorgung eines Ventilkolbens des Steuerventils von der Pumpe, blockiert und nur die Teilkammer, die verkleinert, also druckentlastet, werden soll, mit dem Tank verbunden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann das Steuerventil fünf Schaltstellungen besitzen, die in Abhängigkeit eines PWM-Signals eines Steuergeräts schaltbar sind. Mit anderen Worten wird nur durch das PWM-Signal definiert, ob eine Verstellung mit dem CTA-Verstellungsprinzip oder mit einer Kombination des CTA- und des OPA- Verstellungsprinzips erfolgt. Das heißt also, dass die Entscheidung, welches Verstel lungsprinzip angewendet wird, vom Steuergerät gemacht wird.

Bevorzugt ist es, wenn in der ersten zusätzlichen Schaltstellung und/oder in der zwei ten zusätzlichen Schaltstellung ein druckbeaufschlagter Hydraulikmit telstrom/Durchfluss gesperrt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in den anderen Schaltstellungen, d.h. einer Mittellage und den Endlagen, der gleiche Durchfluss wie in einem bekannten als ausgebildeten Smartphaser Nockenwellenversteller erreicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Steuerventil eine Ventilhülse und einen in der Ventilhülse axial verschieblich angeordneten Kolben besitzen, wobei der Kolben vier Stege besitzt. Dabei sind zwei Stege in der Mitte positioniert und zwei Stege außen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein Abstand zwischen zwei axial be nachbarten Stege der Stege des Kolbens, insbesondere der zwei mittleren Stege, im Wesentlichen so groß wie eine mit der Pumpe verbundene Öffnung der Ventilhülse, d.h. der P-Anschluss, sein. Dadurch kann der P-Anschluss schnellstmöglich ge schlossen werden, so dass ein einfaches Schalten zwischen den Schaltstellung er möglicht ist.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn eine Breite einer mit der Pumpe verbundenen Öff nung der Ventilhülse im Wesentlichen so groß wie eine Überlappung von Steuerkan ten des Kolbens mit einer mit einer der beiden Teilkammern verbundene Öffnung der Ventilhülse ist. Das heißt, dass die P-Öffnung in der Ventilhülse im Wesentlichen so groß wie die Überlappung der Steuerkanten des Kolbens mit der A-Öffnung bzw. mit der B-Öffnung ist. Somit kann die P-Öffnung, wenn der Kolben aus der geregelten Po- sition bewegt wird, schnell geschlossen werden und die A-Öffnung bzw. die B-Öffnung mit dem Tank verbunden werden. So wird eine Ablaufsteuerung umgesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Nockenwellenversteller einen Verrie- gelungsmechanismus zum Verriegeln des Rotors relativ zu dem Stator, insbesondere in einer Mittenposition, besitzen, wobei der Verriegelungsmechanismus in einer End stellung des Steuerventils, insbesondere bei einem PWM-Signal von 100%, entriegelt ist. Somit kann ein Starten aus der Mittenposition gewährleistet werden. Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstel- lers in einer ersten Schaltstellung, Fig. 2 eine schematische Darstellung des Nockenwellenverstellers in einer zweiten Schaltstellung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Nockenwellenverstellers in einer dritten Schaltstellung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Nockenwellenverstellers in einer vierten Schaltstellung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Nockenwellenverstellers in einer fünften Schaltstellung, und

Fig. 6 einen Graph, der einen Zusammenhang zwischen einem Hydraulikmittelstrom und den Schaltstellungen darstellt. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In den Fign. 1 bis 5 ist ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller 1 lediglich schematisch dargestellt. Der Nockenwellenversteller 1 ist ein Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang. Der Nockenwellenverstel ler 1 dient zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbel welle. Der Nockenwellenversteller 1 weist einen mit der Kurbelwelle drehgekoppelten Stator 2 und einen mit der Nockenwelle drehgekoppelten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 ist radial innerhalb des Stators 2 angeordnet. Der Stator 2 und der Rotor 3 sind in einem begrenzten Winkelbereich zueinander verdrehbar. Der Nockenwellenversteller 1 be sitzt zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ausgebildete Arbeitskammern 4.

Die Arbeitskammern 4 sind jeweils durch einen radial abstehenden Flügel 5 des Ro tors 3 in zwei Teilkammern, die auch als A-Kammer und als B-Kammer bezeichnet werden, unterteilt. Die Teilkammern sind zur Verstellung des Rotors 3 relativ zu dem Stator 2 mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar. Die Teilkammern wirken jeweils in entgegengesetzte Richtungen. Das heißt, dass der Rotor 3 relativ zu dem Stator 2 durch Druckbeaufschlagen der einen Teilkammer, beispielsweise der A-Kammer, in Richtung Spät verstellbar ist und durch Druckbeaufschlagen der anderen Teilkammer, beispielsweise der B-Kammer, in Richtung Früh verstellbar ist. Bei Druckbeaufschla gung einer Teilkammer wird das Hydraulikmittel aus der jeweils anderen Teilkammer verdrängt.

Der Nockenwellenversteller 1 weist ein mit den Teilkammern verbundenes Reservoir 6 zur Bevorratung von Hydraulikmittel auf, um bei Vorhandensein eines Unterdrucks in einer der Teilkammern dieser Teilkammer Hydraulikmittel aus dem Reservoir 6 zuzu führen.

Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Steuerventil 7 zur Steuerung des Hydraulikmit telstroms auf. Je nach Schaltstellung des Steuerventils 7 sind die A-Kammer und die B-Kammer mit einer Pumpe 8 oder einem Tank 9 verbindbar. Das Reservoir 6 ist mit dem Tank 9 verbunden, so dass überflüssiges Hydraulikmittel abfließen kann. Das Reservoir 6 ist über jeweils ein Rückschlagventil 10 mit der A-Kammer und mit der B- Kammer verbunden.

Das Reservoir 6 wird über das Steuerventil 7 mit Hydraulikmittel versorgt. Erfindungs gemäß besitzt das Steuerventil 7 eine Schaltstellung, in der eine erste Teilkammer der beiden Teilkammern mit dem Tank 9 verbunden ist und eine zweite Teilkammer der beiden Teilkammern von der Pumpe 8 getrennt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform besitzt das Steuerventil 7 auch eine Schaltstellung, in der die zweite Teil kammer mit dem Tank 9 verbunden ist und die erste Teilkammer von der Pumpe 8 ge trennt ist. Erfindungsgemäß gibt es also zwei zusätzliche Schaltstellungen in dem Steuerventil 7, bei denen die Pumpe 8 blockiert ist und die Kommunikation zum Tank 9 mit der zu verkleinernden Teilkammer erstellt ist.

Das Steuerventil 7 ist als ein 4/5-Wegeventil 11 ausgebildet. Das Steuerventil 7 weist einen mit der A-Kammer verbundenen A-Anschluss, einen mit der B-Kammer verbun denen B-Anschluss, einen mit der Pumpe 8 verbundenen P-Anschluss und einen mit dem Tank 9 verbundenen T-Anschluss auf. Das Steuerventil 7 wird durch ein PWM- Signal zwischen fünf Schaltstellungen gesteuert.

Fig. 1 zeigt den Nockenwellenversteller 1 in einer ersten Schaltstellung des Steuer ventils 7. In der ersten Schaltstellung ist die Pumpe 8 mit der B-Kammer verbunden und die A-Kammer mit dem Tank 9 verbunden. In der ersten Schaltstellung ist der No ckenwellenversteller im Smart-Betrieb, in dem die Verstellung über eine Kombination der Nockenwellenmomente (CTA-Prinzip) und den Hydraulikmitteldruck (OPA-Prinzip) erfolgt. Das PWM-Signal ist auf 0 %.

Fig. 2 zeigt den Nockenwellenversteller 1 in einer zweiten Schaltstellung des Steuer ventils 7. In der zweiten Schaltstellung sind der P-Anschluss und der B-Anschluss blo ckiert und die A-Kammer mit dem Tank 9 verbunden. In der zweiten Schaltstellung ist der Nockenwellenversteller 1 im reinen CTA-Betrieb, in dem die Verstellung nur über die Nockenwellenmomente erfolgt. Das PWM-Signal ist auf 25 %.

Fig. 3 zeigt den Nockenwellenversteller 1 in einer dritten Schaltstellung des Steuer ventils 7. In der dritten Schaltstellung findet eine Mittellagekompensation statt.

Dadurch kann die Leckage vom Nockenwellenversteller 1 kompensiert werden. Das heißt, dass die Verbindung zwischen der Pumpe 8 und der A-Kammer und die Ver bindung zwischen der Pumpe 8 und der B-Kammer leicht geöffnet ist. Eine Verbin dung zwischen der A-Kammer und dem Tank 9 und eine Verbindung zwischen der B- Kammer und dem Tank 9 ist blockiert. In der dritten Schaltstellung ist der Nockenwel lenversteller 1 im geregelten Betrieb. Das PWM-Signal ist auf 50 %.

Fig. 4 zeigt den Nockenwellenversteller 1 in einer vierten Schaltstellung des Steuer ventils 7. In der vierten Schaltstellung sind der P-Anschluss und der A-Anschluss blo ckiert und die B-Kammer mit dem Tank 9 verbunden. In der vierten Schaltstellung ist der Nockenwellenversteller 1 im reinen CTA-Betrieb, in dem die Verstellung nur über die Nockenwellenmomente erfolgt. Das PWM-Signal ist auf 75 %.

Fig. 5 zeigt den Nockenwellenversteller 1 in einer fünften Schaltstellung des Steuer ventils 7. In der fünften Schaltstellung ist die Pumpe 8 mit der A-Kammer verbunden und die B-Kammer mit dem Tank 9 verbunden. In der fünften Schaltstellung ist der Nockenwellenversteller im Smart-Betrieb, in dem die Verstellung über eine Kombinati on der Nockenwellenmomente (CTA-Prinzip) und den Hydraulikmitteldruck (OPA- Prinzip) erfolgt. Das PWM-Signal ist auf 100 %.

Zur Entriegelung des Nockenwellenverstellers 1 soll das PWM-Signal auf 100 % ein gestellt werden. Das Steuerventil 7 befindet sich dann also in einer Endstellung, hier der fünften Schaltstellung. Dann ist die A-Kammer mit dem P-Anschluss verbunden und eine Entriegelung findet statt.

In Fign. 1 bis 5 ist das Steuerventil 7 schematisch dargestellt. Das Steuerventil 7 weist eine Ventilhülse und einen in der Ventilhülse verschieblich angeordneten Ventilkol- ben/Kolben 12 auf. Der Kolben 12 ist so konzipiert, dass eine Ablaufsteuerung vor handen ist. Die Ventilhülse weist mit der Pumpe 8 verbundene P-Öffnungen auf, die den P-Anschluss bilden. Die Ventilhülse weist mit dem Tank 9 verbundene T- Öffnungen auf, die den T-Anschluss bilden. Die Ventilhülse weist mit der A-Kammer verbundene A-Öffnungen auf, die den A-Anschluss bilden. Die Ventilhülse weist mit der B-Kammer verbundene B-Öffnungen auf, die den B-Anschluss bilden.

Der Kolben 12 weist vier Stege 13 auf. In der ersten Schaltstellung sind die B- Öffnungen zwischen einem ersten äußeren Steg 14 und einem ersten mittleren Steg 15 angeordnet, die P-Öffnungen zwischen einem zweiten mittleren Steg 16 und einem zweiten äußeren Steg 17 angeordnet und die A-Öffnungen distal des zweiten äußeren Stegs 17 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten mittleren Steg 15 und dem zweiten mittleren Steg 16 entspricht im Wesentlichen der Breite der P-Öffnungen. Die Breite der P-Öffnungen entspricht im Wesentlichen einer Überdeckung der durch die äußeren Stege 14, 17 gebildeten Steuerkanten des Kolbens 12 mit den A-Öffnungen bzw. mit den B-Öffnungen. Somit wird der P-Anschluss geschlossen, bevor der A- Anschluss bzw. der B-Anschluss (je nach Verstellrichtung) mit dem Tank 9 bzw. dem Reservoir 6 verbunden ist. Somit kann die P-Öffnung mit dem Kolben 12 blockiert werden und die A-Öffnung bzw. B-Öffnung geöffnet werden, wenn von dem geregel ten Zustand (50%) auf 25% oder 75% geschaltet wird.

Fig. 6 zeigt einen Durchfluss 18 des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1 im Vergleich zu einem Durchfluss 19 eines bekannten (Smartphaser) Nockenwellen verstellers. In der ersten, dritten und fünften Schaltstellung sind die Durchflüsse 18, 19 gleich groß. In der zweiten und der vierten Schaltstellung ist die Pumpe 8 blockiert, so dass der Durchfluss 18 des Nockenwellenverstellers 1 gleich null ist. Bezuqszeichenliste Nockenwellenversteller Stator Rotor Arbeitskammer Flügel Reservoir Steuerventil Pumpe Tank Rückschlagventil 4/5-Wegeventil Kolben Steg erster äußerer Steg erster mittlerer Steg zweiter mittleren Steg zweiter äußerer Steg Durchfluss Durchfluss