DE102016100079B3

DE102016100079B3 - Nockenwellenphasenverstellvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102016100079B3
Application number: DE102016100079.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Sanders; Andres Tönnesmann; Ercan Birinci; Christian Lorth; Norbert Ludwig
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2036-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenphasenverstellvorrichtung mit einem Drei-Wellen-Getriebe. Über einen Elektromotor wird die relative Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle verstellt. Es ist eine Bremsvorrichtung vorgesehen zum Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung. Das Abbremsen des Elektromotors erfolgt bis zu einem Anschlag. Hiernach wird die Welle des Elektromotors von diesem Anschlag mitgeschleppt, sodass hierdurch die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Nockenwellenphasenverstellvorrichtungen bekannt. Beispielsweise beschreibt WO 2013/164129 A1 eine solche Vorrichtung, die ein Drei-Wellen-Getriebe verwendet. Es ist ein Fail-Safe-Mechanismus vorgesehen, der im Fehlerfall das Verstellgetriebe in einer der Endlagen hält, welche der maximalen Früh- bzw. Spätposition der Nockenwelle entspricht.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Nockenwellenphasenverstellvorrichtungen bekannt, die ein Drei-Wellen-Getriebe aufweisen, dessen erste Welle mit einem von der Kurbelwelle z. B. über Zugmittel oder Zahnräder angetriebenen Nockenwellenantriebsrad verbunden ist und dessen dritte Welle mit der zu verstellenden Nockenwelle verbunden ist. Eine zweite Welle ist mit einem Elektromotor verbunden, wobei sich für eine gleichbleibende Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle die Drehzahl des Elektromotors gleich der Drehzahl des Nockenwellenantriebsrads der Kurbelwelle verhalten muss. Des Weiteren kann eine derartige Vorrichtung eine formschlüssige Verdrehbegrenzung in Form einer Nut an einem der Getriebebauteile aufweisen. Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus DE 41 10 195 C2 .
Des Weiteren ist aus der DE 103 52 361 A1 ein Nockenwellenversteller mit einem elektrischen Antrieb bekannt, bei dem über eine Bremswicklung im Falle eines Ausfalls des Elektromotors dessen Rotor und damit die Verstellwelle abgebremst und festgesetzt werden können, um eine Nockenwelle in einer Notlaufposition zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nockenwellenphasenverstellvorrichtung bereit zu stellen, die einen sicheren Betrieb beim Ausfall des Elektromotors ermöglicht. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung bereit gestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
Die erfindungsgemäße Nockenwellenphasenverstellvorrichtung dient dem Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle. Sie weist ein Drei-Wellen-Getriebe auf, dessen erste Welle verbunden ist mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Rad. Die zweite Welle ist verbunden mit einem Elektromotor, während die dritte Welle verbunden ist mit der zu verstellenden Nockenwelle. Für eine gleichbleibende Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verhält sich die Drehzahl des Elektromotors proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle. Beispielsweise kann sich die zweite Welle halb so schnell drehen wie die erste Welle. Die Relativ-Drehgeschwindigkeit der ersten Welle gegenüber der zweiten Welle ist abhängig von der Größe der verwendeten Räder, beispielsweise Zahnräder, die mit diesen Wellen verbunden sind.
Durch eine Veränderung der Drehzahl des Elektromotors derart, dass sich diese nicht mehr identisch zur Drehzahl des Nockenwellenantriebsrads verhält, erfolgt eine Änderung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Derartig betriebene Drei-Wellen-Getriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtung im Elektromotor zum Erkennen, ob der Elektromotor betrieben wird, und einen Steuereingang zum Angeben, ob gerade eine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, wobei ein Abbremsen des Elektromotors erfolgt, wenn der Elektromotor nicht betrieben wird und gerade keine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, sowie eine Bremsvorrichtung zum Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung des Elektromotors oder der ansteuernden Elektronik, wobei durch das Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung ein Abbremsen der mit dem Elektromotor verbundenen zweiten Welle bis zum Erreichen eines Anschlags erfolgt und die zweite Welle bei einer Funktionsstörung von diesem Anschlag mitgeschleppt wird, so dass hierdurch die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt. Durch das Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung erfolgt ein Abbremsen der mit dem Elektromotor verbundenen zweiten Welle bis zu einem Anschlag. Sobald die zweite Welle bis zu diesem Anschlag verfahren wurde, wird sie von diesem Anschlag mitgeschleppt, sodass hierdurch die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt. Weiterhin weist die Vorrichtung bevorzugt eine Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtung im Elektromotor auf. Diese dient dazu zu erkennen, ob der Elektromotor betrieben wird. Weiterhin weist die Vorrichtung bevorzugt einen Steuereingang auf, der angibt, ob gerade eine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt. Sofern dies der Fall ist, sollte selbstverständlich der elektrische Bremswiderstand nicht zugeschaltet werden. Ein Abbremsen des Elektromotors, insbesondere ein Zuschalten des elektrischen Widerstandes, erfolgt, wenn das Erkennen der Stromrichtung im Elektromotor ergibt, dass dieser gerade nicht betrieben wird und wenn ferner gerade keine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt. Ein Abbremsen des Elektromotors erfolgt somit ausschließlich, wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind.
Bei der Notlaufposition kann es sich bei einer Einlassnockenwelle um die Spätposition oder bei einer Auslassnockenwelle um die Frühposition der Nockenwelle handeln.
Durch die erfindungsmäße Bremsvorrichtung wird es möglich, die rotatorische Energie, die im Elektromotor und den anderen sich bewegenden Komponenten vorhanden ist, bei einer Funktionsstörung des Elektromotors schneller abzubauen, sodass die Nockenwelle schneller ihre Notlaufposition erreicht. Hierdurch kann ein sichererer Betrieb der Vorrichtung bei einem Ausfall des Elektromotors, oder der Steuerelektronik sichergestellt werden.
Bevorzugt ist die Bremsvorrichtung eine Bremsschaltung, die einen im Falle einer Funktionsstörung zuschaltbaren elektrischen Widerstand zum beschleunigten Abbauen von rotatorischer Energie des Elektromotors aufweist. Dieser kann beispielsweise über einen Halbleiterschalter hinzugeschaltet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Strombegrenzer auf, durch den eine Begrenzung des Stroms erfolgt, der bei einer Funktionsstörung im Elektromotor von der induzierten Spannung hervorgerufen wird, um ein zu starkes Abbremsen des Elektromotors bei seinem durch den Anschlag verursachten Mitschleppen zu vermeiden. Beim Mitschleppen des Elektromotors durch den Anschlag fungiert der Elektromotor als ein Generator, sodass in seinen Spulenwindungen eine Spannung induziert wird. Hierdurch wird der Elektromotor abgebremst, wobei bei einem zu hohen Induktionsstrom ein zu starkes Abbremsen auftreten kann. Um dies zu vermeiden, kann der genannte Strombegrenzer verwendet werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass durch die Bremsvorrichtung bei einer Funktionsstörung des Elektromotors ein zeitlich begrenztes Abbremsen des Elektromotors erfolgt. Dies bedeutet, dass das Abbremsen des Elektromotors innerhalb eines Zeitfensters erfolgt, dessen Länge insbesondere einstellbar sein kann. Hierdurch ist es möglich zu definieren, wie lange die Bremsvorrichtung den Elektromotor abbremsen soll. Bei einer Bremsung ohne ein Zeitfenster würde der gebremste Elektromotor nach dem Erreichen des Anschlags die ganze Zeit mitgeschleppt, was zu einer kontinuierlichen Bremsung führen würde, was während des Fail-Safe Betriebs unnötig Leistung kosten würde. Durch die Begrenzung des Bremsmomentes über den Strombegrenzer und das einstellbare Zeitfenster können bei einer Bremsschaltung Bremswiderstände eingesetzt werden, die kleinere Baugrößen und somit niedrigere Leistungsaufnahmen aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass das Getriebe derart ausgestaltet wird, dass bei einer Bremsung des Elektromotors im Fehlerfall die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle in die Notlaufposition (z. B. „spät” bei einer Einlassnockenwelle und „Früh” bei einer Auslassnockenwelle) verbracht wird. Hierzu kann das Vorzeichen der Standübersetzung zwischen dem Elektromotor und der Nockenwelle in geeigneter Weise ausgewählt werden. Anders ausgedrückt wird hierdurch definiert, was passiert, wenn sich der Elektromotor schneller oder langsamer dreht: Bei einem Plusgetriebe dreht sich die Nockenwelle auch schneller, wenn der Elektromotor schneller dreht, und langsamer, wenn sich dieser langsamer dreht. Bei einem Minusgetriebe verhält es sich genau umgekehrt. So kann über die Bauart des Getriebes vorbestimmt werden, ob bei einem gebremsten Elektromotor die Nockenwelle ebenfalls langsamer wird und sich in Richtung Spätanschlag bewegen wird (Plusgetriebe) oder ob sie schneller wird und sich in Richtung Frühanschlag bewegt (Minusgetriebe). Das Bremsmoment am Elektromotor muss in jedem Fall ausreichend hoch sein, um die gewünschte Verzögerung oder Beschleunigung der Nockenwelle hervorzurufen.
Das Verhältnis von Differenzgeschwindigkeit zwischen Elektromotor und Nockenwellenantriebsrad (Δn_EK) und Differenzgeschwindigkeit zwischen Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad (Δn_NK) ist die Getriebeübersetzung: i = Δn_EK/Δn_NK.
Sobald die zweite Welle bei einer Funktionsstörung vom Anschlag mitgeschleppt wird, wird auch gleichzeitig der Elektromotor und die Nockenwelle mitgeschleppt.
Beim Mitschleppen des Elektromotors ist gegebenenfalls ein geringeres Restmoment nötig, um die Nockenwelle an dem gewählten Anschlag zu halten. Dieses kann durch den oben dargestellten Strombegrenzer definiert werden. Der Strombegrenzer wird derart gewählt, dass die dauerhafte Verlustleistung nicht zu groß ist, gleichzeitig jedoch sichergestellt werden kann, dass das verbleibende Bremsmoment ausreicht, um die Nockenwelle in dem gewählten Anschlag zu halten.
Neben einer Umsetzung der Bremsvorrichtung als Bremsschaltung sind auch andere technische Varianten denkbar, beispielsweise über Softwarenotlauffunktionen, über intelligente Brückentreiber etc. Bei einer Softwarenotlauffunktion findet eine drehzahl- und phasengeregelte Abbremsung des Motors statt. Intelligente Brückentreiber können im Fehlerfall dafür sorgen, dass die Endstufe alle Phasenanschlüsse kurzschließt (entweder dauerhaft oder getaktet). Das Kurzschließen der Phasenanschlüsse generiert das maximale Bremsmoment.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung, insbesondere wie sie bisher beschrieben wurde. Die Nockenwellenphasenverstellvorrichtung weist ein Drei-Wellen-Getriebe auf, dessen erste Welle verbunden ist mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Rad, während dessen zweite Welle verbunden ist mit einem Elektromotor. Die dritte Welle ist verbunden mit der zu verstellenden Nockenwelle. Der Elektromotor wird mit einer Drehzahl betrieben, die gleich der Drehzahl des Nockenwellenantriebsrads ist, um eine gleichbleibende Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle zu erreichen. Für eine Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle wird die Drehzahl des Elektromotors derart verändert, dass sie sich nicht mehr proportional zur Drehzahl verhält.
Gemäß dem erfindungsmäßen Verfahren erfolgt ein Detektieren, ob der Elektromotor betrieben wird, ein Detektieren, ob gerade eine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, Schließen auf eine Funktionsstörung, wenn der Elektromotor nicht betrieben wird und gerade keine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, wobei bei einer Funktionsstörung des Elektromotors der Elektromotor durch eine Bremsvorrichtung abgebremst wird, so dass die mit dem Elektromotor verbundene zweite Welle bis zu einem Anschlag abgebremst wird, und anschließend die zweite Welle durch den Anschlag mitgeschleift wird, sodass die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt.
Es ist bevorzugt, dass das Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung zeitlich begrenzt erfolgt, wobei die Länge des Zeitfensters, das die zeitliche Begrenzung definiert, insbesondere einstellbar ist. Ein geringeres Bremsmoment kann auch nach Ende des Zeitfensters beibehalten werden, um auch danach ein Verbleiben in der Notlaufposition sicherzustellen.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer als Bremsschaltung ausgebildeten Bremsvorrichtung. Die Bremsschaltung (10) dient dem beschleunigten Abbau von rotatorischer Energie des Elektromotors (12). Hierzu weist die Bremsschaltung (10) einen zuschaltbaren Bremswiderstand (14) auf. Seine Zuschaltung kann über den Leistungsschalter (16) erfolgen.
Die Schaltung (10) kann ferner ein Modul (18) aufweisen, über das einerseits eine Begrenzung der Zeitdauer erfolgt, über die der Bremswiderstand hinzu geschaltet wird. Weiterhin kann durch dieses Modul das durch den Bremswiderstand erzeugte Bremsmoment begrenzt werden.
Die Schaltung (10) weist ferner einen Fail-Safe Schalter (20) auf, durch den geprüft wird, ob durch den Elektromotor gerade eine gewollte Rekuperation stattfindet.
Über den Komparator (22) wird ferner die Stromrichtung erkannt, um festzustellen, ob der Elektromotor gerade betrieben wird oder nicht. Die Signale des Fail-Safe Schalters (20) und des Komperators (22) werden logisch UND – verknüpft (Bezugszeichen 24). Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, wird der Bremswiderstand (14) aktiviert.

Claims

Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle, wobei die Nockenwellenphasenverstellvorrichtung aufweist: Ein Drei-Wellen-Getriebe, dessen erste Welle verbunden ist mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Rad, dessen zweite Welle verbunden ist mit einem Elektromotor, dessen dritte Welle verbunden ist mit der zu verstellenden Nockenwelle, wobei für eine gleichbleibende Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle die Drehzahl des Elektromotors sich gleich der Drehzahl des von der Kurbelwelle angetriebenen Rades verhält, wobei durch eine Veränderung der Drehzahl des Elektromotors derart, dass diese sich nicht mehr gleich der Drehzahl des von der Kurbelwelle angetriebenen Rades verhält, eine Änderung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle erfolgt, gekennzeichnet durch, eine Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtung im Elektromotor zum Erkennen, ob der Elektromotor betrieben wird, und einen Steuereingang zum Angeben, ob gerade eine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, wobei ein Abbremsen des Elektromotors erfolgt, wenn der Elektromotor nicht betrieben wird und gerade keine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, eine Bremsvorrichtung zum Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung des Elektromotors oder der ansteuernden Elektronik, wobei durch das Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung ein Abbremsen der mit dem Elektromotor verbundenen zweiten Welle bis zum Erreichen eines Anschlags erfolgt und die zweite Welle bei einer Funktionsstörung von diesem Anschlag mitgeschleppt wird, so dass hierdurch die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt.
Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abbremsen des Elektromotors durch ein Zuschalten eines elektrischen Widerstands erfolgt.
Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Notlaufposition eine „Spät”-Position bei einer Einlassnockenwelle oder eine „Früh”-Position bei einer Auslassnockenwelle ist.
Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung eine Bremsschaltung ist, die einen im Falle einer Funktionsstörung des Elektromotors zuschaltbaren elektrischen Widerstand zum beschleunigten Abbauen von rotatorischer Energie des Elektromotors aufweist.
Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Strombegrenzer, durch den eine Begrenzung des Stroms erfolgt, der während einer Funktionsstörung durch eine im Elektromotor induzierte Spannung hervorgerufen wird, um ein zu starkes Abbremsen des Elektromotors bei seinem durch den Anschlag verursachten Mitschleppen zu vermeiden.
Nockenwellenphasenverstellvorrichtung zum Verstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bremsvorrichtung bei einer Funktionsstörung des Elektromotors ein zeitlich begrenztes Abbremsen des Elektromotors erfolgt, wobei die Länge des Zeitfensters, das die zeitliche Begrenzung definiert, insbesondere einstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung, wobei die Nockenwellenphasenverstellvorrichtung aufweist: ein drei-Wellen-Getriebe, dessen erste Welle verbunden ist mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Rad, dessen zweite Welle verbunden ist mit einem Elektromotor, dessen dritte Welle verbunden ist mit der zu verstellenden Nockenwelle, wobei der Elektromotor mit einer Drehzahl betrieben wird, die gleich der Drehzahl des von der Kurbelwelle angetriebenen Rades ist, um eine gleichbleibende Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle zu erreichen und für eine Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle die Drehzahl des Elektromotors derart verändert wird, dass sie sich nicht mehr proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle verhält gekennzeichnet durch die Schritte: Erkennen, ob der Elektromotor betrieben wird, Angeben anhand eines Steuereingangs, ob gerade eine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, Schließen auf eine Funktionsstörung, wenn der Elektromotor nicht betrieben wird und gerade keine gewollte Rekuperation durch den Elektromotor erfolgt, bei einer Funktionsstörung des Elektromotors: Abbremsen des Elektromotors durch eine Bremsvorrichtung, so dass die mit dem Elektromotor verbundene zweite Welle bis zu einem Anschlag abgebremst wird, anschließendes Mitschleifen der zweiten Welle durch den Anschlag, sodass die Nockenwelle in einer Notlaufposition verbleibt.
Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen des Elektromotors bei einer Funktionsstörung zeitlich begrenzt erfolgt, wobei die Länge des Zeitfensters, das die zeitliche Begrenzung definiert, insbesondere einstellbar ist, wobei nach Ablauf der Zeitbegrenzung ein geringeres Restbremsmoment aufrechterhalten werden kann, um das Verbleiben in der Notlaufposition sicherzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung durch eine Softwarenotlauffunktion implementiert ist, bei der eine drehzahl- und phasengeregelte Abbremsung des Elektromotors erfolgt.
Verfahren zum Betreiben einer Nockenwellenphasenverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung als intelligenter Brückentreiber ausgebildet ist, der im Fehlerfall die Endstufe aller Phasenanschlüsse kurzschließt, so dass hierdurch ein Bremsmoment erzeugt wird.