DE102017125909A1 - An electric camshaft adjuster for variable valve timing of an internal combustion engine, method for operating an electric camshaft adjuster and use of an electric motor in an electric camshaft adjuster - Google Patents
An electric camshaft adjuster for variable valve timing of an internal combustion engine, method for operating an electric camshaft adjuster and use of an electric motor in an electric camshaft adjuster Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Elektromotor (1) zur Erzeugung eines Drehmoments zur Verstellung der relativen Phasenlage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit (ΔVmax, ΔNmax) bei Verstellung in Drehrichtung der Kurbelwelle der Elektromotor (1) mit einer vorbestimmten Vorkommutierung betrieben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Nockenwellenversteller und eine Verwendung eines Elektromotors in einem elektrischen Nockenwellenversteller. The invention relates to a method for operating an electric camshaft adjuster for variable valve control of an internal combustion engine having an electric motor (1) for generating a torque for adjusting the relative phase position of a camshaft (3) relative to a crankshaft of the internal combustion engine, characterized in that to increase the adjustment speed ( ΔV max , ΔN max ) when adjusting in the direction of rotation of the crankshaft, the electric motor (1) is operated with a predetermined pre-commutation. The invention further relates to an electric camshaft adjuster and a use of an electric motor in an electric camshaft adjuster.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, einen elektrischen Nockenwellenversteller und eine Verwendung eines Elektromotors in einem elektrischen Nockenwellenversteller gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 3 bzw.5 näher definierten Art.The invention relates to a method for operating an electric camshaft adjuster for variable valve timing of an internal combustion engine, an electric camshaft adjuster and a use of an electric motor in an electric camshaft adjuster according to the closer defined in the preamble of
Aus
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller, ein Verfahren und eine Verwendung der vorgenannten Art anzugeben, die das Betriebsverhalten des Nockenwellenverstellers mit einfachen Mitteln verbessern.The invention is therefore an object of the invention to provide a camshaft adjuster, a method and a use of the aforementioned type, which improve the performance of the camshaft adjuster with simple means.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 und 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The object is solved by the features of
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Elektromotor zur Erzeugung eines Drehmoments zur Verstellung der relativen Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Da bei Verstellung der relativen Phasenlage in Drehrichtung der Kurbelwelle der Elektromotor mit einer vorbestimmten Vorkommutierung betrieben wird, kann im kritischen Bereich bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle bei vorgegebener Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers im kritischen Bereich auf einfache Weise erhöht werden.A method is proposed for operating an electric camshaft adjuster for variable valve control of an internal combustion engine having an electric motor for generating a torque for adjusting the relative phase position of a camshaft relative to a crankshaft of the internal combustion engine. Since the adjustment of the relative phase in the direction of rotation of the crankshaft, the electric motor is operated with a predetermined pre-commutation, in the critical range at higher speeds of the crankshaft at a given speed and torque of the electric motor, the adjustment of the camshaft adjuster can be increased in the critical range in a simple manner.
Vorzugsweise wird bei Verstellen der relativen Phasenlage in Drehrichtung der Nockenwelle und einer Drehzahl eines von der Kurbelwelle antreibbaren Antriebsrads des Nockenwellenverstellers größer als 3000 Umdrehungen pro Minute eine maximale Verstellgeschwindigkeit größer als 200° pro Sekunde bezogen auf den Drehwinkel der Nockenwelle erreicht. Diese Drehzahl entspricht unter Berücksichtigung der üblichen Antriebskinematik zwischen Antriebsrad und Kurbelwelle einer Drehzahl letzterer etwa von 6000 Umdrehungen pro Minute.Preferably, when adjusting the relative phase position in the direction of rotation of the camshaft and a rotational speed of a drivable by the crankshaft drive wheel of the camshaft adjuster greater than 3000 revolutions per minute reaches a maximum displacement greater than 200 ° per second based on the rotational angle of the camshaft. Taking into account the usual drive kinematics between the drive wheel and the crankshaft, this speed corresponds to a rotational speed of the latter of approximately 6000 revolutions per minute.
Durch Variation aller möglichen Vorkommutierungswinkel in Abhängigkeit vorbestimmter Randbedingungen kann modelbasiert ein optimierter Vorkommutierungswinkel zur Erzeugung einer maximalen Verstellgeschwindigkeit bei einer vorbestimmten kritischen Drehzahl berechnet werden. Dabei werden die Verstellgeschwindigkeiten über alle Drehzahlen betrachtet und wird im kritischen Bereich, d.h. im Bereich niedrigster Verstellgeschwindigkeit, diese erhöht. Zur Variation des Vorkommutierungswinkels können insbesondere folgende Randbedingungen berücksichtigt werden: die angelegte Spannung, die Stromgrenze und die Temperatur des Elektromotors, weiterhin die auf ein über einen Zugmitteltrieb in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle stehendes Antriebsrad, insbesondere Kettenrad, des Nockenwellenverstellers wirkende Kraft, das Reibverhalten im Getriebe, insbesondere die Temperatur und das Getriebeöl, des Nockenwellenverstellers und das mittlere Reibmoment, das auf die Nockenwelle wirkt, als Funktion der Drehzahl des Antriebsrads des Nockenwellenverstellers und der Temperatur. Es können auch weitere Aspekte berücksichtigt werden, die die Vorkommutierung des Elektromotors beeinflussen, wie zum Beispiel das Drehmoment des Elektromotors beim Anlauf, Verstellgeschwindigkeiten zu anderen Drehzahlen der Kurbelwelle und der Stromverbrauch.By varying all possible pre-commutation angles as a function of predetermined boundary conditions, an optimized pre-commutation angle for generating a maximum adjustment speed at a predetermined critical speed can be calculated model-based. In this case, the adjustment speeds are considered over all speeds and is in the critical range, i. in the range of lowest adjustment speed, this increases. To vary the Vorkommutierungswinkels particular boundary conditions can be considered in particular: the applied voltage, the current limit and the temperature of the electric motor, further to a standing on a traction drive in drive connection with the crankshaft drive wheel, in particular sprocket, the camshaft adjuster force, the friction behavior in the transmission , in particular the temperature and the transmission oil, the camshaft adjuster and the average friction torque acting on the camshaft as a function of the speed of the drive wheel of the camshaft adjuster and the temperature. Other aspects that affect the pre-commutation of the electric motor can also be taken into account, such as the torque of the electric motor during startup, adjustment speeds to other crankshaft speeds, and power consumption.
Die kritische Drehzahl des Nockenwellenverstellers liegt im Bereich größter Drehzahl der Kurbelwelle, vorzugsweise größer als 6000 Umdrehungen pro Minute [rpm]. Bevorzugt wird herbei von einer kritischen Verstellgeschwindigkeit von 200° pro Sekunde bezogen auf den Drehwinkel der Nockenwelle ausgegangen.The critical speed of the camshaft adjuster is in the range of maximum crankshaft speed, preferably greater than 6000 rpm. Preferably, it is assumed that a critical adjustment speed of 200 ° per second, based on the angle of rotation of the camshaft.
Bevorzugt wird der Elektromotor mit einem Vorkommutierungswinkel betrieben, der im Bereich von 30° bis 60° sogenannten elektrischen Winkelgrad elektrisch liegt. Über die Polpaarzahl ist dies in die Winkelposition des Rotors des Elektromotors umrechenbar. Auf diese Weise wird eine Überbelastung des elektrischen Kreises des Nockenwellenverstellers, insbesondere durch überhöhte Stromaufnahme und Auftreten von überhöhten Gegenspannungen, sicher vermieden.Preferably, the electric motor is operated with a pre-commutation angle, which is electrically in the range of 30 ° to 60 ° so-called electrical angle. This is convertible into the angular position of the rotor of the electric motor via the number of pole pairs. In this way, an overload of the electrical circuit of the camshaft adjuster, in particular by excessive power consumption and occurrence of excessive reverse voltages, safely avoided.
Es ist auch von Vorteil, wenn zur sensorgesteuerten Vorkommutierung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung (PWM) des Elektromotors erfolgt.It is also advantageous if a pulse-width-modulated control (PWM) of the electric motor takes place for sensor-controlled pre-commutation.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch einen elektrischen Nockenwellenversteller zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine gelöst. Der Nockenwellenversteller weist einen Elektromotor zur Erzeugung eines Drehmoments zur Verstellung der relativen Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auf. Zur sensorgesteuerten Kommutierung sind am Elektromotor mehrere Sensoren vorgesehen, die erfindungsgemäß in Umfangsrichtung gegenüber einer in einem magnetisch neutralen Bereich gelegenen Mittelachse um einen vorbestimmten Winkel entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle versetzt angeordnet sind. Hierdurch wird eine Vorkommutierung des Elektromotors erreicht, derart, dass im kritischen Bereich bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle die maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers erhöht wird. The object of the invention is also achieved by an electric camshaft adjuster for variable valve control of an internal combustion engine. The camshaft adjuster has an electric motor for generating a torque for adjusting the relative phase position of a camshaft relative to a crankshaft of the internal combustion engine. For sensor-controlled commutation several sensors are provided on the electric motor, which are arranged according to the invention in the circumferential direction opposite to a central axis located in a magnetically neutral area by a predetermined angle against the direction of rotation of the crankshaft. As a result, a pre-commutation of the electric motor is achieved, such that in the critical range at higher rotational speeds of the crankshaft, the maximum possible adjustment speed of the camshaft adjuster is increased.
Der vorgenannte Winkelversatz kann beispielsweise in einem Bereich von 7, 5° bis 15°, wodurch ein Vorkommutierungswinkel von 30° bis 60° erreichbar ist.The aforementioned angular offset can be achieved, for example, in a range of 7.5 ° to 15 °, whereby a pre-commutation angle of 30 ° to 60 ° can be achieved.
Eine einfache sensorgesteuerte Vorkommutierung ist dadurch möglich, dass mehrere Sensoren an einem Stator des Elektromotors zur Lageerfassung eines vom Stator radial umfassten Rotors des Elektromotors angeordnet sind. Die Sensoren sind in Umfangsrichtung zu einer zwischen mehreren über den Umfang des Stators verteilt angeordneten Pohlschuhen gelegenen magnetisch neutralen Mittelachse um einen vorbestimmten Winkel entgegen der Drehrichtung des Rotors, d.h. entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle versetzt oder verschoben angeordnet ist. Bevorzugt sind drei digitale Hall-Sensoren vorgesehen, um sechs Vorkommutierungsblöcke zu unterscheiden.A simple sensor-controlled pre-commutation is possible in that a plurality of sensors are arranged on a stator of the electric motor for detecting the position of a radially enclosed rotor of the electric motor of the stator. The sensors are in the circumferential direction to a magnetically neutral center axis located between a plurality of Pohlschuhen distributed over the circumference of the stator by a predetermined angle opposite to the direction of rotation of the rotor, i. offset or offset from the direction of rotation of the crankshaft. Preferably, three digital Hall sensors are provided to distinguish six pre-commutation blocks.
Bevorzugt sind die Sensoren in einem gegenüber den Pohlschuhen axial vorgelagerten Bereich angeordnet. Dadurch ist ein Versatz oder eine Verschiebung der Sensoren ohne Begrenzung durch die Pohlschuhe möglich.Preferably, the sensors are arranged in a region opposite the Pohlschuhen axially upstream region. As a result, an offset or displacement of the sensors without limitation by Pohlschuhe possible.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch eine Verwendung eines Elektromotors in einem elektrischen Nockenwellenversteller zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine gelöst, wobei der Elektromotor zur Erzeugung eines Drehmoments zur Verstellung der relativen Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine dient. Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers in einem vorbestimmten höheren Drehzahlbereich der Kurbelwelle ein vorkommutierter Elektromotor verwendet.The object of the invention is further achieved by a use of an electric motor in an electric camshaft adjuster for variable valve timing of an internal combustion engine, wherein the electric motor for generating a torque for adjusting the relative phase position of a camshaft relative to a crankshaft of the internal combustion engine is used. According to the invention, a pre-commutated electric motor is used to increase the adjustment speed of the camshaft adjuster in a predetermined higher speed range of the crankshaft.
Figurenlistelist of figures
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
-
1 schematisch eine geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers , -
2 einen schematischen Querschnitt eines Elektromotors des Nockenwellenverstellers, -
3 in einem Diagramm die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von der Drehzahl eines Antriebsrads desselben, -
4 in einem Diagramm das Drehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit von der Drehzahl desselben.
-
1 1 is a schematic sectional view of a camshaft adjuster according to the invention; -
2 a schematic cross section of an electric motor of the camshaft adjuster, -
3 in a diagram, the adjustment speed of the camshaft adjuster in dependence on the rotational speed of a drive wheel thereof, -
4 in a diagram, the torque of the electric motor in dependence on the speed of the same.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
In
Dabei ist die Drehrichtung des Rotors
Die Sensoren
Die auf diese Weise versetzte Anordnung der Sensoren
Der Winkelversatz
Die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers beschreibt die relative Verstellung der Phasenlage zwischen Nockenwelle
Weiterhin sind im Diagramm gemäß
Die Effekte der Vorkommutierung in Vorwärtsverstellrichtung des Nockenverstellers sind weiterhin im Diagramm gemäß
Die erste Kennlinie
Durch die Vorkommutierung wird bei gegebener Last die Kennlinie
Auf diese Weise ergibt sich ein Kennfeld des Elektromotors
Zur Veranschaulichung sind die maximal möglichen Verstellgeschwindigkeiten
Das Getriebe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektromotorelectric motor
- 22
- Getriebetransmission
- 33
- Nockenwellecamshaft
- 44
- Antriebsraddrive wheel
- 55
- Statorstator
- 66
- Motorwellemotor shaft
- 77
- Rotorrotor
- 88th
- PohlschuhPohl Shoe
- 99
- Sensorsensor
- 1010
- Sensorsensor
- 1111
- Sensorsensor
- 1212
- Mittelachsecentral axis
- 1313
- Kennliniecurve
- 1414
- Kennliniecurve
- 1515
- Kennliniecurve
- 1616
- Innenringinner ring
- 1717
- Wälzkörperrolling elements
- 18 18
- Zahnringtoothed ring
- αα
- Winkelcorner
- ΔVmax1 ΔV max1
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔVmax2 ΔV max2
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔVmax3 ΔV max3
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔNmax ΔN max
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔNmax1 ΔN max1
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔNmax2 ΔN max2
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- ΔNmax3 ΔN max3
- Verstellgeschwindigkeitadjustment
- nAR n AR
- Drehzahlnumber of revolutions
- nEM EM
- Drehzahlnumber of revolutions
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2017
- 2017-11-07 DE DE102017125909.0A patent/DE102017125909A1/en active Pending
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