CN109690033B - 内燃机的调节单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机的调节单元(1)，其包括电动机(2)和与其共同作用的传动机构(11)，其中传动机构(11)的调节轴(6)与电动机(2)的转子(8)耦联。传动机构(11)的输出轴(3)与要调节的轴(5)耦联。为了操控电动机(2)，设有在电动机(2)的包围电动机(2)的定子(9)的壳体(10)之外设置的、无传感器的操控单元(12)。

Description

内燃机的调节单元
技术领域
本发明涉及一种适合于在内燃机中使用的调节单元，尤其凸轮轴调节器或用于改变压缩比的设备。调节单元具有电动机和与其共同作用的传动机构，其中传动机构具有与电动机的转子耦联的调节轴以及设为用于与内燃机轴耦联的输出轴。
背景技术
这种调节单元作为凸轮轴调节器例如从DE 10 2004 009 128 A1、DE 10 2011083 800 A1以及DE 10 2013 220 220 A1中已知。所述凸轮轴调节器分别借助作为调节传动机构的轴式传动机构工作。
另一凸轮轴调节器从US 2007/0101956 A1中已知。在此为具有BLDC电机的机电的凸轮轴调节器，这就是说具有电子整流电机。在此，将整流信号同时用于确定凸轮轴的转动角位置。其他的电凸轮轴调节器从DE 10 2005 022 201 B3、EP 2 057 363 B1和WO 2014/030043 A1中得出。
借助BEMF方法获得整流信号的凸轮轴调节器在WO 2015/200 085 A1中示出。BEMF方法在高的BLDC电机速度下提供可靠的信号，而所述信号在低的旋转转速的范围中是不可靠的。
对于电动机同样已知的是，将不同的方法用于获得整流信号。因此，US 2015/0022 129 A1提出，在转速阈值之下对PWM信号进行评估，并且在所述阈值之上使用BEMF。因此在低转速下确定转子的位置，这通过如下方式实现：评估各个线圈中的PWM同步的电压变化，并且在此借助于电感确定，转子落后受控的旋转场多远。有利地，电流传感器是不必要的，并且电动机能够在全负荷下被操控。
该方法不适合于在内燃机的调节单元中使用，因为所述方法仅用于可靠地加速到在BEMF方法中运行。如果电动机在BEMF方法中运行一次，那么电动机必须减速直至停机，以便能够再次在低转速下回到所述方法中。对于如在调节凸轮轴角度或改变内燃机的压缩值时的应用情形，该方法因此不适合，因为在那里无级地过渡到两个运行模式中是绝对必要的。此外，这种电动机需要星形接点电路；该方法不可用于三角电路中的电动机。
发明内容
本发明基于如下目的，在尤其紧凑的、安装友好的并且载荷合理的构造方面相对于所述现有技术研发一种内燃机的调节单元。此外，本发明基于如下目的，提出用于这种调节单元的工作方法。
所述目的根据本发明内燃机的调节单元以及用于运行调节单元的方法来实现。本发明的在下面结合运行方法阐述的设计方案和优点按照意义也适合于设备，并且反之亦然。
包括电动机和通过其操纵的传动机构的调节单元的本身已知的基本构造具有操控单元，所述操控单元构成用于无传感器地操控电动机。操控单元不一定为唯一的结构单元。术语“无传感器”在该上下文中涉及检测电动机的转子位置。通过省去探测电动机的转子的转子位置和/或旋转的传感器，取消几何形状限制，所述几何形状限制通过存在一个传感器或多个传感器产生。
调节单元的操控单元优选设置在电动机的不一定闭合的、包围电动机的定子的壳体之外。具有保持电动机的定子元件的任务的构件在该意义上也理解为电动机的壳体。操控单元在所谓的壳体之外的设置具有关于结构空间利用和关于构件的热载荷和冷却的优点。可选地，电动机的定子和转子以及操控单元由另一共同的外部壳体包围。由于无传感器地操控电动机，在这种外部壳体的造型方面得到大的构造上的设计自由余地。
关于电动机的无传感器的、即电子的整流，例如参照文献DE 10 2005 002 327A1、DE 10 2008 058 955 A1以及DE 100 63 054 A1。
在关于散热尤其有利的设计方案中，调节单元的电动机的中轴线相对于操控单元错开，其中操控单元借助于形成冷却面的安装板与电动机机械连接。作为安装板在该上下文中也适用的还有非完全面状的构件，所述构件建立电动机和操控单元之间的机械连接。
操控单元虽然不包括位置传感装置，然而优选地包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和电流传感器在操控单元运行时在两个不同的运行模式中使用。
运行模式是转速相关的，可关于电动机的转速选择。下部转速区域中的运行模式是基于电流脉冲的模式，并且上部转速范围中的运行模式是基于反向电压的模式。后一模式也称作为BEMF模式(back electro-magnetic force，反电动势)。
基于脉冲的方法在电动机停机时可如下使用：发送短的电流脉冲(例如具有分别小于1ms的持续时间)，所述电流脉冲不移动电动机的转子，然而被转子的磁场影响。影响是角度相关的，使得在电动机停机时通过应答信号已经能够推断出转子的角度位置。因此，即使在电动机的在下部转速范围中和在电动机停机时出现的、基于脉冲的操控模式中，不出现电动机的“盲运行”从而不出现与步进电机的运行模式的相似性。与PWM方法相比，效率略微更低，因为附加地可能要引入检查脉冲。对此，提出的方法也允许从BEMF方法返回的可靠的过渡，而不必重新启动电动机。
原则上，在下部转速范围中以及在电动机停机时借助基于脉冲的方法和在上部转速范围中借助使用感生的电磁力的方法来操控电动机例如在下面的出版物中描述：
M.
Figure GDA0003114666150000031
E.Robeischl：Sensorlose Drehzahl-und Lageregelung vonPermanentmagnet-Synchronmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens；e&iElektrotechnik und Informationstechnik,2000年2月，117卷，第2版，103-112页(在Springer Link中在线公开)。
缩写INFORM在此表示INdirekte Flussermittlung durch Online-Reaktanz-Messung。
对于技术背景，在该上下文中也参考文献DE 10 2013 218 041 A1以及DE 102012 223 847 A1。只要操控单元处理传感器的提供角度信息的信号，相应的传感器不属于凸轮轴调节器。所谓的角度信息、即关于角度位置和/或旋转的信息优选地在第一情况下与凸轮轴相关联并且在另一情况下与曲轴相关联。为了检测角度信息存在的传感器优选地设置在凸轮轴的或曲轴的如下侧处，所述侧背离凸轮轴调节器以及传动机构，尤其缠绕带传动机构，所述传动机构将扭矩从曲轴传递到凸轮轴上。
调节单元的电动机例如为三相电子整流电机。同样地，电动机能够为同步磁阻电机。
调节单元的传动机构优选构成为三轴传动机构，尤其轴式传动机构。所述传动机构的驱动轴为固定至壳体的传动机构部分，使得传动机构的不一定闭合的壳体在调节单元运行时不作为整体旋转。
借助例如构成为凸轮轴调节器的调节单元能够实现如下运行方法：
-在内燃机停机时，在电动机的定子和转子之间的角度关系通过由电流脉冲、即测试脉冲对定子通电并且评估应答信号来确定，
-直至电动机的转速极限，基于电流脉冲地检测其转子的角度位置，
-电动机的整流在超过转速极限时转变成基于反向电压的模式(BEMF-模式)。
凸轮轴调节器在本身已知的基本构造中包括电动机和由其操纵的调节传动机构。调节传动机构具有输入轴、输出轴和调节轴。在此，输入轴由内燃机的曲轴、例如经由链式传动装置或皮带传动装置或经由齿轮传动机构驱动。调节传动机构的输出轴与内燃机的凸轮轴抗扭地连接或是相同的。调节传动机构的调节轴与电动机的转子耦联，其中可选地，另一传动机构连接到电动机和调节传动机构的调节轴之间。在任何情况下，电动机为无传感器的电子整流电机，其中术语“无传感器”涉及角度传感装置。这就是说，既不设置电动机的绝对的角度传感装置也不设置增量式的角度传感装置。电动机的操控在凸轮轴调节器的每个运行状态下在两个操控模式中的一个中进行，所述操控模式分别能够实现电动机的受调控的运行。在此，第一操控模式从电动机的停机作用直至不一定固定的转速极限，而第二操控模式在从转速极限起的转速的情况下激活。为了执行不同的操控模式以及为了在第一和第二操控模式之间切换，凸轮轴调节器具有操控单元，所述操控单元不一定为唯一的结构单元。操控单元能够集成到电动机中或者优选地与电动机在空间上分开。
在构成为用于调节压缩比的设备的调节单元中，两个运行区域是尤其感兴趣的：压缩比保持恒定的第一区域和尽可能快地变化的第二区域。在内燃机通常运行最多时间的第一区域中，用测试脉冲通电引起高的精度。在第二区域中，电动机在BEMF-模式中快速转动地工作。
调节单元的和提出的方法的其他可考虑的应用例如是电链条张紧器或电皮带张紧器。
作为用于内燃机的调节单元使用的共同点是，电动机持续地交替地以接近其最高转速的转速运行，和在不调节的阶段中应保持恒定的角度，并且随后以尽可能低的转速运行，以便将热输入保持得低。但是必须在整个转速带上、尤其在启动时确保正确的整流。
根据方法的一个改进方案，在两个操控模式之间的切换根据电动机的转速和内燃机的曲轴转速来进行。同样地，内燃机的转速变化、尤其转速变化的速度能够对在电动机的不同操控模式之间的切换产生影响。因此，例如在快速加速内燃机时，能够在第一操控模式和第二操控模式之间提出尤其早的切换。
在每个操控模式中，电动机的操控与其转子的角度位置相关地进行。因此，即使在电动机的在下部转速范围中和在电动机停机时出现的、基于脉冲的操控模式中，也不出现电动机的“盲”运行从而不出现与步进电机的运行模式的相似性。
针对凸轮轴调节器描述的、但是也设为用于其他类型的调节单元的转速极限在有利的方法运用中是可变的。尤其地，在沿不同方向在基于脉冲的方法和BEMF模式之间切换时，能够出现滞后。
本发明的优点尤其在于，通过调节单元的无刷DC电机的无传感器的整流获得结构上的自由度，这涉及电动机的功率电子装置在内燃机中的设置。借此，在构造紧凑的同时能够实现热学最优地安置功率电子装置。
作为调节单元之内的调节传动机构例如能够使用轴式传动机构，这就是说具有柔性的啮合构件的传动机构，或者其他结构方式的三轴传动机构，例如行星齿轮传动机构，内偏心传动机构或斜盘式传动机构。
电动机优选构成为内转子电动机。原则上，电动机也能够为外转子结构类型的电动机。
附图说明
下面本发明的作为凸轮轴调节器的构成方案根据附图详细阐述。其中示出：
图1示出第一电凸轮轴调节器的示意图，
图2示出根据图1的凸轮轴调节器的细节以及内燃机的与其共同作用的部件，
图3示出第二机电凸轮轴调节器的粗略示意图，
图4示出根据图3的凸轮轴调节器的不同运行模式的图表，和
图5示出根据图5的具有凸轮轴调节器的内燃机的起动过程的另一图表。
具体实施方式
整体上用附图标记1表示的调节单元在图1中设置作为用于安装到在图2中初步示出的内燃机中的电凸轮轴调节器。关于凸轮轴调节器的基本功能参考前面列举的现有技术。
凸轮轴调节器具有电动机2，所述电动机的壳体用10表示并且其定子用9表示。电动机2的用8表示的转子经由调节轴6与传动机构11耦联。传动机构11为三轴传动机构，即轴式传动机构。调节轴6能够与电动机2的电动机轴相同或抗扭地耦联。在后一种情况下，在传动机构11和电动机2之间能够连接有补偿联轴器，尤其十字滑块联轴器。
在传动机构11的输出侧上，输出轴3与内燃机的轴5相同或固定地连接。轴5在该应用中是凸轮轴。传动机构11的驱动轴用4表示并且固定地与驱动轮7、即皮带盘或链轮连接。整体上，驱动轴4为传动机构11的固定至壳体的部分。驱动轴4经由在图2中可见的牵引机构14由内燃机的用15表示的进行驱动的轴驱动，内燃机也就是说往复活塞发动机、即四缸直列发动机。进行驱动的轴当前为曲轴。同样地，凸轮轴调节器能够在其他结构类型的内燃机中使用。
只要调节轴6以凸轮轴的转速、即以一半的曲轴转速旋转，那么在凸轮轴和曲轴之间的相位关系不调节。在凸轮轴和调节轴6之间存在转速差的情况下，传动机构11才作为高减速的调节传动机构引起在凸轮轴和曲轴之间的相位关系的调节。
电动机2借助于操控单元12运行，所述操控单元偏心地法兰式连接到电动机2上。在此，安装板13将电动机2的壳体10与操控单元12连接。操控单元12的在图2中草绘的电子部件——不同于示意图——实际在操控单元12的壳体中位于安装板13上。安装板13在此不仅建立了在电动机2和操控单元12之间的机械连接，而且同时用作为导热面和冷却面。通过相对于电动机2不对称地设置操控单元12，结合操控单元12的低的热负荷实现从电动机2中的良好的散热。
凸轮轴调节器连同牵引机构14一起位于凸轮轴的以及曲轴的第一端侧处。在凸轮轴的以及曲轴的相对置的端侧上存在不同的、分别提供角度信息的传感器17、19。在此为传感器17，所述传感器与固定地与凸轮轴连接的传感轮16共同作用，以及为传感器19，所述传感器扫描传感轮18，所述传感轮18与曲轴固定地连接并且同时用作为飞轮。
由传感器17、19提供的信号借助于信号线路20、21输送给微控制器22，所述微控制器属于操控单元12。此外，操控单元12包括电压传感器23、电流传感器24以及驱动器25。操控单元12的整体上用27表示的功率电子电路经由线路26将电能馈入到定子9的线圈中，其中在图2可见三个星形连接的阻抗。以未示出的方式，替选地能够得出三角形电路。
操控单元12在内燃机停机时已经实现调节凸轮轴。在此，首先使用基于脉冲的方法，尤其在作为INFORM方法已知的方法的范围中。在转速更高时，通过操控单元12实现的对电动机2的操控自动转换成BEMF-方法，所述BEMF-方法基于对在电动机2的定子9的绕组中感生的电动力的评估。
机电凸轮轴调节器相对于液压凸轮轴调节器通常具有如下优点：凸轮轴的调节在内燃机停机时已经是可行的。在当前情况下，在曲轴停止时已经也能够进行在电动机的第一操控模式和第二操控模式之间的切换。优选地，在电动机的转速为电动机的额定转速的至少3％和最多20％的情况下，从第一操控模式转换成第二操控模式。
图3示出作为具有电动机2、即无传感器的BLDC电机的电凸轮轴调节器的另一调节单元1，并且用于内燃机、即往复式发动机的仅初步示出的凸轮轴5相对于内燃机的未示出的曲轴的相位调节。
凸轮轴调节器1的用附图标记11表示的调节传动机构为轴式传动机构。调节传动机构11的固定至壳体的输入轴4与驱动轮7连接，所述驱动轮借助于链式或皮带传动装置由曲轴驱动。调节传动机构11的用3表示的输出轴与凸轮轴5相同或抗扭地连接。
调节传动机构11的调节轴6与电动机2的转子8——如在图1中草绘的——直接地或经由插入的补偿联轴器、即十字滑块联轴器耦联。用9表示定子绕组，用10表示电动机2的壳体。整体上，电动机2为永磁体励磁的电动机。其操控借助于操控单元12进行。
操控单元12构成用于，在两个不同的操控模式中运行电动机2，如在下面根据图4详细阐述的那样。
在图4中与内燃机的曲轴转速(nK)以及凸轮轴转速(nN)和电动机2的转速相关地图解说明电动机2的不同的操控模式。如果不发生凸轮轴相对于曲轴的相位调节，那么产生在凸轮轴转速和曲轴转速之间的成比例的关系。在根据图4的图表中，所述关系通过比例线PL可视化。在此，凸轮轴的转速nN与转子8的转速一致。只要凸轮轴6的转速、即电动机2的转子转速与输入轴4的转速不同，那么调节凸轮轴相对于曲轴的相位。
与凸轮轴是否以相对于曲轴恒定的相位关系旋转或调节无关地，电动机2在内燃机的可能的转速带的绝大部分中在BEMF方法中运行。这对应于第二操控模式，在图2中用M2表示。
已经在内燃机停机时，以及在曲轴转速低时，尤其在内燃机的起动过程期间，凸轮轴可借助于凸轮轴调节器1调节。电动机2在此在基于脉冲的第一操控模式中运行。在图4中用M1表示的所述第一操控模式中，定子绕组9借助于操控单元12由非常短的、在极端情况下仅持续几微秒的压力脉冲加载。因为阻抗与转子8的角度位置相关，所以通过同样借助于操控单元12进行的回测相位电流能够推断出转子8的角度位置。以所述方式，电动机2从转子8停止开始已经受调控地运行。如进一步从图2中得出的，在曲轴停止期间，已经能够进行在电动机2的基于脉冲的第一运行模式和第二操控模式、即BEMF方法之间的过渡。同样地，在曲轴的旋转已经开始之后，在两个操控模式之间的切换也是可行的。在内燃机的怠速转速和较高转速下，仅使用BEMF方法。
通过取消例如呈霍尔传感器、分解器或编码器的形式的传感装置，产生电动机2的以及整个凸轮轴调节器1的尤其紧凑且鲁棒的构造。同样地，不需要观察可能的角度传感装置的温度灵敏性。尽管如此在每个运行状态中提供的关于转子8的角度位置的信息不仅可用于操控电动机2，而且也提供涉及凸轮轴的相位的信息。
包括凸轮轴调节器1的内燃机在内燃机起动期间的状态在图5中图解说明。在达到怠速转速之前，电动机2首先在第一操控模式M1中运行。随着转速升高，转换成第二操控模式M2。
在转速保持不变时，在内燃机继续运行时，观察凸轮轴的用α表示的调节角的调节。至更大的调节角α的过渡通过电动机2的转子8的短暂的、在图5中作为峰值可见的加速来实现。电动机2、即转子8的转速在图5中用nE表示。为了将调节角α再次复位至初始值，暂时需要转子8的较缓慢的旋转。在电动机2的转速nE的所述下降期间，其操控暂时复位至第一操控模式M1。在涉及凸轮轴6的、在根据图5的实施例中在维持内燃机的发动机转速nK的条件下执行的调节过程结束时，重新转换成电动机2的第二操控模式M2。在非常低的怠速转速的情况下，以未示出的方式也能在怠速期间保持第一操控模式M1。
在也称作为标准阶段的操控模式M1、M2之间转换的时间段中，能够设置从简化的图4和5中不可得出的中间阶段，在所述中间阶段中，暂时不使用操控模式M1、M2。在这种中间阶段中，例如整流步骤根据步进电机执行。由于中间阶段的短的持续时间和出现的惯性力矩，电动机2在中间阶段期间可“盲”运行，其中同时其运行状态包括转子8的角度位置在内能够以良好的精度视作为已知。
与在操控模式M1、M2之间过渡时是否存在中间阶段无关地，在依次进行的沿不同方向的切换过程中优选出现滞后。以所述方式避免不必要地频繁的切换过程。就此而言在图4中用M1和M2标记的面不可变。更确切地说，例如用M1表示的面在电动机2以第一操控模式M1开始并且随后转变成第二操控模式M2的运行中，比电动机2已经在第二操控模式M2中运行并且——在电动机转速下降和/或调节凸轮轴期间——复位到第一操控模式M1的情况更大。尤其在后一情况下，这就是说在从第二操控模式M2转换成第一操控模式M1时，在调节过程期间转子8的转动方向可反转。反转的转动方向在正调节传动机构1的情况下表示，转子8的转动方向与凸轮轴的转动方向相反。
附图标记列表
1 凸轮轴调节器
2 电动机
3 输出轴
4 驱动轴
5 轴
6 调节轴
7 驱动轮
8 转子
9 定子
10 壳体
11 传动机构
12 操控单元
13 安装板
14 牵引机构
15 进行驱动的轴
16 传感轮
17 传感器
18 传感轮
19 传感器
20 信号线路
21 信号线路
22 微控制器
23 电压传感器
24 电流传感器
25 驱动器
26 线路
27 功率电子电路

Claims (10)

1.一种内燃机的调节单元(1)，所述调节单元具有电动机(2)和与所述电动机(2)共同作用的传动机构(11)，所述传动机构具有与所述电动机(2)的转子(8)耦联的调节轴(6)以及设为用于与所述内燃机的轴(5)耦联的输出轴(3)，其中为了操控所述电动机(2)，设有——关于其转子位置——无传感器的操控单元(12)，
其特征在于，
所述操控单元(12)构成用于执行在所述电动机(2)的不同的转速范围中的两个不同的运行模式，并且作为所述电动机(2)的运行模式，在下部转速范围中设置基于脉冲的模式，并且在上部转速范围中设置基于反向电压的模式(BEMF模式)，电动机的一个运行模式配置为从反向电压模式向基于脉冲的模式切换。
2.根据权利要求1所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
所述电动机(2)的中轴线相对于所述操控单元(12)错开，其中所述操控单元(12)借助于形成冷却面的安装板(13)与所述电动机(2)机械连接。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
所述内燃机的所述轴(5)构成为凸轮轴，并且所述调节单元(1)构成为凸轮轴调节器。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元，
其特征在于，
所述调节单元(1)构成为用于改变压缩比的设备。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
所述操控单元(12)与传感器(17，19)耦联，所述传感器构成用于检测所述轴(5)的转速以及驱动所述轴(5)的轴(15)的转速。
6.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
所述无传感器的操控单元(12)设置在所述电动机(2)的包围所述电动机(2)的定子(9)的壳体(10)之外。
7.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
所述电动机(2)构成为三相的电子整流电机。
8.根据权利要求1或2所述的内燃机的调节单元(1)，
其特征在于，
作为传动机构(11)设置三轴传动机构，其具有固定至壳体的驱动轴(4)。
9.一种用于运行设为用于调节内燃机的轴(5)的调节单元(1)的方法，所述调节单元包括无传感器电子整流的电动机(2)和通过其操纵的传动机构(11)，所述方法具有如下特征：
-直至所述电动机(2)的转速极限，基于电流脉冲的第一模式检测所述电动机的转子(8)的角度位置，
-所述电动机(2)的整流在超过所述转速极限时转变成基于反向电压(BEMF)的第二模式；
从第二模式转换为第一模式。
10.根据权利要求9所述的用于运行设为用于调节内燃机的轴(5)的调节单元(1)的方法，
其特征在于，
为了操控所述电动机(2)，使用传感器(17，19)的信号，所述传感器在所述电动机(2)之外检测曲轴(15)的以及凸轮轴(5)的角度信息。
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