CN103003533A - 汽车凸轮轴调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车凸轮轴调节装置，具有控制和/或调节单元（11），该控制和/或调节单元被设置用于在正常运行模式下将至少一个凸轮轴（12）的相位设定到至少暂时恒定的相位。本发明提出，控制和/或调节单元（11）具有发动机起动运行模式，该发动机起动运行模式被设置用于设定一小于几何上的正常开启角度范围（β）的气门开启角度范围（α）。

Description

汽车凸轮轴调节装置

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的汽车凸轮轴调节装置。

背景技术

DE4111153A1公开了一种具有控制和/或调节单元的汽车凸轮轴调节装置，该单元用于将正常运行模式下至少一个凸轮轴的相位设定为至少暂时恒定的相位。

发明内容

本发明的目的特别是在于，改进汽车内燃机的起动性能。该目的依据本发明通过权利要求1的特征得以实现。其他实施方案由从属权利要求给出。

本发明从一种具有控制和/或调节单元的汽车凸轮轴调节装置出发，该控制和/或调节单元用于将正常运行模式下至少一个凸轮轴的相位设定为至少暂时恒定的相位。

本发明提出：控制和/或调节单元具有发动机起动运行模式，该发动机起动运行模式被设置用于设定一小于几何上的正常开启角度范围的气门开启角度范围。由此，能够尽可能与凸轮的实际几何形状无关地设定一对于汽车内燃机起动具有优点的气门开启角度范围。由此特别是也可以改进汽车内燃机的起动性能。“控制和/或调节单元”特别是指具有至少一个控制装置的单元。控制装置特别是指具有处理器单元和存储单元以及储存在存储单元中的运行程序的单元。原则上控制和/或调节单元可以具有多个相互连接的控制装置，这些控制装置最好被设置用于通过总线系统——特别是如CAN总线系统——相互通信。“设置”特别是指专门地进行编程、装备和/或设计。“发动机起动运行模式”在此情况下特别是指控制和/或调节单元的一种模式，在该模式中执行用于汽车凸轮轴调节装置的、存储在控制和/或调节单元上的发动机起动控制和/或发动机起动调节程序。“恒定的相位”在此方面特别是指在凸轮轴的至少一转上恒定的相位。“至少暂时”在此方面特别是指一其中内燃机的运行条件保持不变的时间区间。“气门开启角度范围”在此方面特别是指在汽车内燃机的进气门被凸轮轴偏移期间曲轴绕其主旋转轴转动的曲轴转角范围。“正常开启角度范围”在此方面特别是指在进气门由连续旋转的凸轮轴偏移期间曲轴转动的曲轴转角范围。“几何上的正常开启角度范围”在此方面特别是指通过凸轮的几何形状预先规定的正常开启角度范围。气门开启角度范围在此方面在发动机起动运行模式下最好小于几何上的正常开启角度范围的95%。

此外提出，控制和/或调节单元被设置用于最早在发动机起动时刻从发动机起动运行模式转换到正常运行模式。由此，可以具有优点地仅在需要凸轮轴的恒定相位的时刻才进行转换。“发动机起动时刻”在此方面特别是指汽车内燃机的第一气缸点火的时刻。在一种具有优点的实施方案中，在控制和/或调节单元从发动机起动运行模式转换到正常运行模式的转换时刻，汽车内燃机的全部气缸都至少点火一次。在此方面，具有优点的是，汽车内燃机的全部气缸仅点火一次。“点火”在此方面特别是指，气缸中的可燃的燃烧混合物通过点火火花和/或自燃过程而进行燃烧。

此外提出，控制和/或调节单元被设置用于最晚随着达到怠速转速而从发动机起动运行模式转换到正常运行模式。由此可以特别简单地将可检测的时刻用于转换。“怠速转速”在此方面特别是指这样的曲轴转速，即从该转速起汽车内燃机能通过燃烧混合物的燃烧而自行保持运转而无需从外部——例如通过起动电机——来支持曲轴旋转。在怠速转速下，汽车的传动系无负荷并且没有转矩从汽车内燃机传递到驱动车轮上。“正常运行模式”在此方面特别是指汽车内燃机以怠速转速运行的运行模式。

此外提出，汽车凸轮轴调节装置包括高动态性的凸轮轴调节器，该凸轮轴调节器被设置用于对凸轮轴的相位进行调整。由此可以特别简单和迅速地改变气门开启范围。“高动态性的凸轮轴调节器”在此方面特别是指能振动和/或低阻尼的凸轮轴调节器。高动态性的凸轮轴调节器在此方面具有一种可能的调节速度，凸轮轴调节器以该调节速度能在凸轮轴转动一圈期间对凸轮轴相位调节出其调节范围的至少95%。

此外提出，凸轮轴调节器具有包括至少120°曲轴转角范围的凸轮轴调节范围。由此能够提供一种具有特别有利的自适应能力的凸轮轴调节器，由此特别是既能保证良好的起动性能，又能保证在汽车内燃机的正常运行模式下的良好运转。“凸轮轴调节范围”在此方面特别是指凸轮轴能从正常位置相对于曲轴转过的角度范围。在一种具有优点的实施方案中，凸轮轴调节器具有至少80°的凸轮轴调节范围，在一种特别具有优点的实施方案中具有100°的凸轮轴调节范围。“曲轴转角范围”在此方面特别是指曲轴在确定的时间中绕其主旋转轴转过的角度范围。

此外提出，凸轮轴调节器构造成电磁式的凸轮轴调节器。由此可以特别简单地提供一种结构简单、高动态性的凸轮轴调节器。

此外提出，凸轮轴调节器被设置用于在发动机起动运行模式下将气门开启角度范围设定到一数值，该数值相当于正常开启角度范围与凸轮轴调节范围一半之间的差。由此可以设定如下的气门开启范围：通过该范围实现特别有利的对汽车内燃机气缸的充气，由此特别是还可以进一步改进起动性能。在一种具有优点的实施方案中，气门开启角度范围相当于正常开启角度范围与几乎整个凸轮轴调节范围之间的差。在一种具有优点的实施方案中，几乎整个凸轮轴调节范围是指80%的凸轮轴调节范围，在一种具有优点的实施方案中是指90%的凸轮轴调节范围，在一种特别具有优点的实施方案中是指98%的凸轮轴调节范围。

此外提出，凸轮轴调节器具有设定单元，该设定单元被设置用于在发动机起动运行模式下主动对气门开启角度范围进行调整。由此可以有利地精确并简单地设定气门开启角度范围。特别是也可以达到迅速调节气门开启角度范围的目的。

此外提出，控制和/或调节单元被设置用于周期性地在发动机起动运行模式下控制设定单元。由此可以特别具有优点地支持气缸具有优点充气的效果。

附图说明

其他优点由以下对附图的说明给出。附图示出本发明的一实施例。附图、说明书和权利要求含有组合的多种特征。技术人员依据目的也可以单独考虑这些特征以及将它们组合成适当的其他组合。其中：

图1示出具有本发明汽车凸轮轴调节装置的内燃机系统的示意图；

图2示出几何上的正常开启角度范围β的气门升程曲线43图，其中绘出气门升程h与曲轴转角φ的关系；

图3示出发动机转速最低时的气门开启角度范围的气门升程曲线43图，其中绘出气门升程h与曲轴转角φ的关系；以及

图4示出在发动机起动和起动转速下的气门开启角度范围的气门升程曲线43图，其中绘出气门升程h与曲轴转角φ的关系。

具体实施方式

图1示出具有用于汽车内燃机的汽车凸轮轴调节装置的内燃机系统的示意图。汽车凸轮轴调节装置包括凸轮轴12和用于调节凸轮轴12相位的凸轮轴调节器14。凸轮轴12借助汽车内燃机的曲轴37驱动。为将凸轮轴12与曲轴37连接，内燃机系统包括链传动机构38，其将曲轴与凸轮轴调节器14作用连接。凸轮轴12是进气凸轮轴并具有至少一个凸轮15。

链传动机构38的传动比为0.5。构造成高动态化的凸轮轴调节器构造的凸轮轴调节器14具有凸轮轴调节范围40，该凸轮轴调节范围包括50°的凸轮轴角度范围。由于链传动机构38的传动比，凸轮轴调节器14的凸轮轴调节范围40因此包括100°的曲轴转角范围。凸轮轴调节器14构造成机电式凸轮轴调节器。

为调节相位，凸轮轴调节器14包括调节传动机构16。调节传动机构16构造成3轴加减式传动装置（3-Wellen-Minus-Summiergetriebe）。该调节传动机构包括三个可以调节凸轮轴12相位的调节传动元件17、18、19。调节传动机构16构造成行星齿轮传动机构。调节传动机构16包括一主旋转轴20，所述的三个调节传动元件17、18、19设置成能围绕该主旋转轴转动。但原则上也可以设想其他的3轴加减式传动装置。

为导入转矩，凸轮轴调节器14包括驱动单元21，该驱动单元包括第一调节传动元件17。调节传动元件17构造成行星齿轮架，该行星齿轮架在一圆形轨迹上引导调节传动机构的行星齿轮22、23。驱动单元21此外具有与调节传动元件17以不能相对转动的方式连接的链轮24。链轮24构造成链传动机构38的部件，借助该链传动机构使凸轮轴12与曲轴37连接。为输出转矩，凸轮轴调节器14包括输出单元25，该输出单元包括第二调节传动元件18。调节传动元件18构造成齿圈，该齿圈与由行星齿轮架引导的行星齿轮22、23相啮合。调节传动元件18与凸轮轴12以不能相对转动的方式相连接。为了对相位进行调节，凸轮轴调节器14包括设定单元26，该设定单元包括第三调节传动元件19。该调节传动元件19构造成太阳轮，该太阳轮同样与由行星齿轮架引导的行星齿轮22、23啮合。

为了设定气门开启角度范围α和相位，凸轮轴调节器14包括调整单元27。调整单元27构造成制动单元。调整单元27具有与主旋转轴20并行/平行地取向的操作装置。调整单元27包括位置固定设置的定子28和以可转动方式设置的转子29。转子29以不能相对转动的方式连接在第三调节传动元件19上。它以轴向可动的方式设置在第三调节传动元件上。调整单元27包括与定子28以不能相对转动的方式连接的第一耦合元件30，以及与转子29以不能相对转动的方式连接的第二耦合元件31。这些耦合元件具有各自一摩擦面32、33。这两个耦合元件30、31能摩擦锁合地相互连接。

定子28具有电磁线圈单元34。电磁线圈单元34产生磁场，借助该磁场操作调整单元27。如果电磁线圈单元34产生磁场，那么转子29的耦合元件31被压到定子28的耦合元件30上。由此在耦合元件30、31之间形成通过摩擦面32、33产生的制动力矩。可由调整单元27提供的制动力矩作用在第三调节传动元件19上。借助调整单元27可以确定地设定出调节传动元件19的转速。

如果希望使凸轮轴12的相位保持恒定，那么借助调整单元27产生这样大小的制动力矩：使驱动单元21的调节传动元件17的转速与设定单元26的调节传动元件19的转速同样大小。凸轮轴12因此由于链传动机构38的传动比而准确地以一半的曲轴转速转动。为了进行提前的（向前的）设定，使制动力矩与在正常运行的相位角下的制动力矩相比提高。由此使调节传动元件18加速。为了进行滞后的（向后的）设定，使制动力矩相对于在恒定相位角下的制动力矩降低。由此使调节传动元件18减速。为限制相位的调节，凸轮轴调节器具有提前止挡和滞后止挡。提前止挡构造成机械止挡，其将提前相位调节限制到一最大的提前调节41。滞后止挡是机械止挡，其将滞后相位调节限制到最大的滞后调节42。

汽车凸轮轴调节装置包括具有至少一个进气门13的气缸装置35。气缸装置35在此方面包括至少一个气缸和气缸盖。进气门13设置在气缸装置35的进气道中并在关闭状态下使由气缸装置35界定出的燃烧室在空间上与进气道分离。在此方面，进气门13坐置在由气缸装置35形成的气门座36中。在关闭状态下，进气门13使得燃烧室与进气道密封隔离。气缸装置35此外具有气门弹簧39。气门弹簧39构造成支撑在气缸盖上的螺旋弹簧。气门弹簧39将进气门13压在气门座36上。气门弹簧39产生气门力，利用这种气门力将进气门13压在气门座36上。汽车内燃机包括多个类似的气缸装置，它们各自具有至少一个进气门。进气门原则上各自类似并具有相同的功能。因此下面仅涉及进气门13及其功能。

进气门13由凸轮轴12驱动。为此凸轮轴包括与进气门13在功能上接触的凸轮15。在操作状态下，凸轮轴12借助凸轮15将进气门13从气门座36压出。此时，由凸轮15产生的作用力克服气门弹簧39的气门力而起作用。如果进气门13打开，那么燃烧室在流动技术上与进气道连接。在进气门13不被操作的状态下，燃烧室在流动技术上与进气道隔离。通过打开进气门13，燃烧混合物可以从进气道流动到气缸装置35的燃烧室中。原则上也可以仅是燃烧混合物的一部分、例如空气从进气道流动到燃烧室中，而燃料则例如通过直喷系统被直接喷入燃烧室中。

汽车凸轮轴调节装置此外具有控制调节单元11。控制调节单元11借助凸轮轴调节器14将凸轮轴12设定到一确定的相位。控制调节单元11中存储有为设定相位而改变电磁线圈单元34的磁场的运行程序。通过改变电磁线圈单元34的磁场，控制调节单元11改变调整单元27的制动力矩。在一发动机起动时刻后，控制调节单元11将凸轮轴12的相位设定为确定的正常运行相位。在汽车内燃机运行期间，控制调节单元11将凸轮轴12的相位设定为变化的运行状态。

对于正常运行模式来说，控制调节单元11将凸轮轴12首先设定到作为怠速相位的相位，该相位是根据怠速转速下的汽车内燃机运行（特性）而配置的。在正常运行模式下，凸轮轴12的相位恒定。进气门13打开状态所跨越的气门开启角度范围α在正常运行模式期间相当于几何上的正常角度开启范围。几何上的正常角度开启范围由凸轮15的几何形状所决定。凸轮15在凸轮轴12上占据一确定的角度范围。因此通过曲轴37与凸轮轴12之间的传动比确定气门开启角度范围α，在此期间进气门13在恒定的相位下打开。

在发动机起动时，控制调节单元11首先执行初始化模式。在该初始化模式下，曲轴37绕其主旋转轴准确地转动一次，以校正汽车内燃机的传感器装置。

为进行随后的发动机起动，控制调节单元11具有发动机起动运行模式。发动机起动运行模式在发动机起动时刻之前控制或调节汽车凸轮轴调节装置的凸轮轴调节器14。发动机起动运行模式直接跟随初始化模式。原则上发动机起动运行模式也可以在时间上与初始化模式相交叠。

发动机起动运行模式设定的气门开启角度范围α小于几何上的正常开启角度范围β。气门开启角度范围α的设定与转速相关，其中，气门开启角度范围α在低转速下更小。发动机起动运行模式在此方面用于有针对性地充分利用汽车凸轮轴调节装置的固有动态性能。该固有动态性能特别是由于气门弹簧39和凸轮轴12的转动引起的。在进气门13打开时，凸轮轴12由于气门弹簧39的气门力而被延迟。由于凸轮轴12被延迟，调节传动机构16的调节传动元件18被减速且调节传动机构16被向滞后调节。根据凸轮轴调节器14的转速和动态性能，调节传动机构16在此最大向滞后一直调节到滞后止挡。由于该固有动态性能而使进气门13的打开向滞后移动。发动机起动运行模式利用了通过固有动态性能引起的向滞后的调节，以便使进气门13的打开处于尽可能滞后的时刻。由此以具有优点的方式达到气缸的高进气速度。

在进气门13关闭时，固有动态性能使凸轮轴12加速。由于通过打开进气门13而在气门弹簧39中引入的能量而使凸轮轴12再次加速。气门弹簧39通过卸载而将该能量输出给凸轮轴12并因此促进其旋转。通过凸轮轴12的加速，调节传动机构16的调节传动元件18加速，调节传动机构16向提前调节。根据凸轮轴调节器14的转速和动态性能，调节传动机构16向提前最大一直调节到提前止挡。进气门13的关闭通过固有动态性能而向提前移动。发动机起动运行模式利用了通过固有动态性能引起的向提前的调节，以便使进气门13的关闭处于尽可能提前的时刻上。由此以具有优点的方式避免充气或充量从气缸回移。因此产生气缸的最大充气和最大的发动机起动力矩。

对进气门13的第一操作优选仅经过非常小的曲轴转角范围。由于发动机起动时发动机转速低，气缸完全充气。随着第一次点火后转速上升，接近调节传动机构16的处于凸轮轴调节范围40中或提前止挡上的基本位置。气缸充量或气缸充气由于在第一次点火之前的滞后的进气开始而升温并且获得很高的湍流，由此在气缸中得到良好的混合物处理。这一点意味着，滞后的进气开始导致很高的充气运动以及充气的温度提升。通过提前的进气结束产生对于第一次点火最优的气缸充气。

通过在进气门13打开方面向滞后调节并且在进气门关闭方面向提前调节，使气门开启角度范围α与正常角度开启范围相比变小。通过动态性能很强的凸轮轴调节器14使气门开启范围降低到一由正常开启角度范围β与近似凸轮轴调节范围40之间的差值得到的数值。

控制调节单元11在发动机起动运行模式下主动支持凸轮轴调节器14的固有动态性能。为支持固有动态性能，控制调节单元11用于周期性地操控设定单元26。设定单元26在进气门13打开方面向滞后并且在进气门13关闭方面向提前将凸轮轴12设定到一确定的相位。设定单元26用于主动调节气门开启角度范围α。在进气门13打开之前，设定单元26主动向滞后调整凸轮轴12的相位。控制调节单元11通过操控电磁线圈单元34而使设定单元26的制动力矩与设定恒定相位的制动力矩相比降低。制动力矩降低到最小值。通过汽车凸轮轴调节装置的固有动态性能引起的、对凸轮轴12进行的向滞后的调节通过降低制动力矩而被附加地增强。

直接在进气门13打开后，设定单元26主动向提前调节凸轮轴12的相位。控制调节单元11通过操控电磁线圈单元34而使设定单元26的制动力矩与设定恒定相位的制动力矩相比提高。制动力矩提高到最大值。通过汽车凸轮轴调节装置的固有动态性能引起的、对凸轮轴12进行的向提前的调节通过提高制动力矩而被附加地增强。

控制调节单元11在发动机起动时刻从发动机起动运行模式转换到正常运行模式。在发动机起动时刻，汽车内燃机的全部气缸至少点火一次。最迟随着达到怠速转速，控制调节单元11转换到正常运行模式并将凸轮轴12的相位设定到与怠速运行相协调的恒定相位。

Claims (10)

1.汽车凸轮轴调节装置，具有控制和/或调节单元（11），该控制和/或调节单元被设置用于在正常运行模式下将至少一个凸轮轴（12）的相位设定到至少暂时恒定的相位，其特征在于，控制和/或调节单元（11）具有发动机起动运行模式，该发动机起动运行模式被设置用于设定一小于几何上的正常开启角度范围（β）的气门开启角度范围（α）。

2.按权利要求1所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，控制和/或调节单元（11）被设置用于最早在发动机起动时刻从发动机起动运行模式转换到正常运行模式。

3.按权利要求1或2所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，控制和/或调节单元（11）被设置用于最晚随着达到怠速转速而从发动机起动运行模式转换到正常运行模式。

4.按权利要求4所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，还包括高动态性的凸轮轴调节器（14），该凸轮轴调节器被设置用于对凸轮轴（12）的相位进行调整。

5.按前述权利要求之一所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，凸轮轴调节器（14）具有包括至少120°曲轴转角范围的凸轮轴调节范围（40）。

6.按权利要求4或5所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，凸轮轴调节器（14）构造成电磁式的凸轮轴调节器。

7.按权利要求5所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，凸轮轴调节器（14）被设置用于在发动机起动运行模式下将气门开启角度范围（α）设定到一数值，该数值相当于正常开启角度范围（β）与凸轮轴调节范围（40）一半之间的差。

8.按前述权利要求之一所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，凸轮轴调节器（14）具有设定单元（26），该设定单元被设置用于在发动机起动运行模式下主动对气门开启角度范围（α）进行调整。

9.按前述权利要求之一所述的汽车凸轮轴调节装置，其特征在于，控制和/或调节单元（11）被设置用于周期性地在发动机起动运行模式下控制设定单元（26）。

10.一种用于汽车凸轮轴调节装置——特别是按前述权利要求之一所述的汽车凸轮轴调节装置——的方法，其中，控制和/或调节单元（11）在正常运行模式下将至少一个凸轮轴（12）的相位设定到至少暂时恒定的相位，其特征在于，控制和/或调节单元（11）具有发动机起动运行模式，该发动机起动运行模式设定一小于几何上的正常开启角度范围（β）的气门开启角度范围（α）。

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