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 PDF

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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.

Figure DE102017125909A1_0000
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.
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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 patent claims 1, 3 and 5, respectively.

Aus DE 10 2008 059 005 A1 ist eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer relativen Drehwinkellage zweier Wellen mit einem Verstellgetriebe bekannt, das eine mit einer Verstellmotorwelle eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbundene Verstellwelle aufweist. Nachteilig wirkt sich bei dieser Ausgestaltung der Umstand aus, dass bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle die Verstellgeschwindigkeit in einen kritischen Bereich absinkt, wodurch Probleme im Betrieb auftreten können.Out DE 10 2008 059 005 A1 an adjusting device for adjusting a relative angular position of two shafts with an adjusting gear is known, which has a non-rotatably connected to a Verstellmotorwelle an electric adjusting motor adjusting shaft. A disadvantage of this embodiment, the fact that at higher speeds of the crankshaft, the adjustment speed drops to a critical range, which can cause problems during operation.

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 patent claim 1 and alternatively by the features of patent claims 3 and 5. Further advantageous embodiments will become apparent from the respective dependent claims, the description and the drawings.

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.
Further features of the invention will become apparent from the following description and from the drawings, in which several embodiments of the invention are shown in simplified form. Show it:
  • 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

1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen elektrischen Nockenwellenversteller zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine. Der Nockenwellenversteller umfasst einen Elektromotor 1 und ein Getriebe 2 zur Erzeugung und Übertragung eines Drehmoments auf eine Nockenwelle 3 der Brennkraftmaschine. Der Nockenwellenversteller dient zur Verstellung der relativen Phasenlage der Nockenwelle 3 gegenüber einer nicht dargestellten Kurbelwelle und variablen Steuerung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte zumindest eines nicht dargestellten Gaswechselventils der Brennkraftmaschine. Das Getriebe 2 ist von einem mit der Kurbelwelle antreibbar verbundenen Antriebsrad 4 radial außen umfasst, das hier als Kettenrad eines mit der Kurbelwelle verbundenen Kettentriebs ausgeführt ist. Denkbar ist auch, das Antriebsrad 4 als Riemenrad eines Riementriebs auszubilden. Durch Bestromung des Elektromotors 1 mit einem Stator 5 ist an einer mit einem Rotor des Elektromotors 1 drehfest verbundenen Motorwelle 6 ein Drehmoment als Verstellmoment erzeugbar, das über das Getriebe 2 auf die Nockenwelle 3 übertragbar ist. 1 schematically shows an electric camshaft adjuster according to the invention for variable valve timing of an internal combustion engine. The camshaft adjuster comprises an electric motor 1 and a gearbox 2 for generating and transmitting a torque to a camshaft 3 the internal combustion engine. The camshaft adjuster is used to adjust the relative phase angle of the camshaft 3 relative to a crankshaft, not shown, and variable control of the opening and closing times of at least one gas exchange valve, not shown, of the internal combustion engine. The gear 2 is of a drivably connected to the crankshaft drive wheel 4 radially outward, which is designed here as a sprocket of a chain drive connected to the crankshaft. It is also conceivable, the drive wheel 4 form as pulley of a belt drive. By energizing the electric motor 1 with a stator 5 is at one with a rotor of the electric motor 1 rotatably connected motor shaft 6 a torque can be generated as an adjusting torque via the transmission 2 on the camshaft 3 is transferable.

In 2 ist der Elektromotor 1 mit dem vom Stator 4 radial außen umfassten Rotor 7 schematisch dargestellt. Der Stator 5 ist mit sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Pohlschuhen 8 ausgebildet, wobei die bestrombaren Wicklungen nicht dargestellt sind. Die Pohlschuhe 8 sind in Umfangsrichtung jeweils durch einen Luftspalt beabstandet zueinander angeordnet. Zur sensorgesteuerten Kommutierung sind drei Sensoren 9, 10, 11 jeweils in den Luftspalten zwischen vier in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Pohlschuhen 8 angeordnet. Die Sensoren 9, 10, 11 sind als Hall-Sensoren ausgeführt. Entsprechend der von den Sensoren 9, 10, 11 gelieferten Stellungsinformation wird von einer nicht dargestellten Leistungselektronik die Bestromung der nicht dargestellten Wicklungen nacheinander angesteuert, um am Rotor 7 und der mit diesem drehfest verbundenen Motorwelle 6 ein Drehmoment zur Verstellung der Nockenwelle 3 erzeugen.In 2 is the electric motor 1 with the one from the stator 4 radially outer rotor included 7 shown schematically. The stator 5 is with six evenly distributed over the circumference arranged Pohlschuhen 8th formed, wherein the current-supply windings are not shown. The Pohlschuhe 8th are spaced apart in the circumferential direction in each case by an air gap. For sensor-controlled commutation are three sensors 9 . 10 . 11 in each case in the air gaps between four in the circumferential direction successively arranged Pohlschuhen 8th arranged. The sensors 9 . 10 . 11 are as Hall Sensors executed. According to the of the sensors 9 . 10 . 11 delivered position information is energized by a power electronics, not shown, the energization of the windings, not shown, one after the other to the rotor 7 and with this rotatably connected motor shaft 6 a torque for adjusting the camshaft 3 produce.

Dabei ist die Drehrichtung des Rotors 7 zur Verstellung des Nockenverstellers in Drehrichtung der Kurbelwelle durch einen Pfeil angedeutet.Here is the direction of rotation of the rotor 7 for adjusting the cam adjuster in the direction of rotation of the crankshaft indicated by an arrow.

Die Sensoren 9, 10, 11 sind jeweils am Stator gegenüber einem in Umfangsrichtung zentral zwischen den Pohlschuhen 8 gelegenen magnetisch neutralen Bereich, der durch eine Mittelachse 12 angedeutet ist, um einen vorbestimmten Winkel α entgegen der Drehrichtung des Rotors 7, die der Drehrichtung der Kurbelwelle entspricht, versetzt angeordnet.The sensors 9 . 10 . 11 are each on the stator with respect to a circumferentially centrally between the Pohlschuhen 8th located magnetically neutral area, passing through a central axis 12 is indicated by a predetermined angle α against the direction of rotation of the rotor 7 , which corresponds to the direction of rotation of the crankshaft, staggered.

Die auf diese Weise versetzte Anordnung der Sensoren 9, 10, 11 dient zur Erzeugung einer vorbestimmten Vorkommutierung bei Verstellung des Nockenverstellers in Drehrichtung der Kurbelwelle, d.h. in Vorwärtsverstellrichtung. Hierbei erfolgt die Kommutierung des Elektromotors 1 bezogen auf die Drehrichtung des Rotors 7 zeitlich früher in Bezug auf eine Normalkommutierung des Elektromotors 1. Dadurch wird eine vorbestimmte Schwächung des von Permanentmagneten des Elektromotors 1 erzeugten Magnetfeldes erreicht. Dieser wird beispielweise als ein feldorientiert geregelter (Field Oriented Control, FOC) Permanentmagnet-Synchronmotor betrieben. Eine Verlagerung der Sensoren 9, 10, 11 in entgegengesetzter Richtung, d.h. in Drehrichtung des Rotors 7 führt zu einer Spätkommutierung des Elektromotors 1.The thus staggered arrangement of the sensors 9 . 10 . 11 serves to generate a predetermined Vorkommutierung upon adjustment of the cam timing in the direction of rotation of the crankshaft, ie in Vorwärtsverstellrichtung. Here, the commutation of the electric motor takes place 1 based on the direction of rotation of the rotor 7 earlier in time with respect to a normal commutation of the electric motor 1 , Thereby, a predetermined weakening of the permanent magnet of the electric motor 1 reached generated magnetic field. This is operated, for example, as a field-oriented controlled (FOC) permanent magnet synchronous motor. A shift of the sensors 9 . 10 . 11 in the opposite direction, ie in the direction of rotation of the rotor 7 leads to a late commutation of the electric motor 1 ,

Der Winkelversatz α liegt hier vorzugsweise in einem Bereich von α = 7, 5° bis α = 15°. Dadurch kann eine Vorkommutierung des Elektromotors 1 bei Verstellung in Drehrichtung der Kurbelwelle mit einem Vorkommutierungswinkel in einem Bereich von 30° bis 60° als sogenannten elektrischen Winkel erreicht werden. Bei unterschiedlichen Polpaarzahlen können auch bei gleichem elektrischen Winkel unterschiedliche mechanische Winkel vorliegen.The angular offset α is here preferably in a range of α = 7, 5 ° to α = 15 °. This can be a pre-commutation of the electric motor 1 be achieved with adjustment in the direction of rotation of the crankshaft with a Vorkommutierungswinkel in a range of 30 ° to 60 ° as a so-called electrical angle. With different pole pairs, different mechanical angles can be present even with the same electrical angle.

Die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers beschreibt die relative Verstellung der Phasenlage zwischen Nockenwelle 3 und Kurbelwelle pro Zeiteinheit. Sie kann auf die Verdrehung der Kurbelwelle in Drehwinkelgrad der Kurbelwelle pro Sekunde [°Kw/s] oder auf die die Verdrehung Nockenwelle 3 in Drehwinkelgrad der Nockenwelle pro Sekunde [°Nw/s] je nach Bezugssystem angegeben werden. Die Verstellgeschwindigkeit zwischen Nockenwelle 3 und Kurbelwelle unterscheidet sich durch die Übersetzung der Antriebsverbindung, hier ein als Kettentrieb ausgeführter Zugmitteltrieb. Unter vereinfachter Annahme beträgt die Drehzahl des Antriebsrads 4 aufgrund der Kinematik des Zugmitteltriebs die Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle. Beispielsweise beträgt die Drehzahl der Kurbelwelle 100°/s und die Drehzahl des Antriebsrads 4, bzw. des Kettenrads, 50°/s. Über das Antriebsrad 4 und durch den Elektromotor 1 wird die Drehzahl der Nockenwelle 3 auf 55°/s gebracht. Dadurch beträgt Verstellgeschwindigkeit je nach Bezugssystem 5°Nw/s bezogen auf die Nockenwelle 3 oder 10°Kw/s bezogen auf die Kurbelwelle.The adjustment speed of the camshaft adjuster describes the relative adjustment of the phase angle between the camshaft 3 and crankshaft per unit time. It can be based on the rotation of the crankshaft in degrees of rotation of the crankshaft per second [° Kw / s] or on the rotation of the camshaft 3 in degrees of rotation of the camshaft per second [° Nw / s] depending on the reference system. The adjustment speed between the camshaft 3 and crankshaft differs by the translation of the drive connection, here a traction drive designed as a chain drive. Under simplified assumption is the speed of the drive wheel 4 due to the kinematics of the traction drive half of the speed of the crankshaft. For example, the speed of the crankshaft is 100 ° / s and the speed of the drive wheel 4 , or the sprocket, 50 ° / s. About the drive wheel 4 and by the electric motor 1 becomes the speed of the camshaft 3 brought to 55 ° / s. As a result, the adjustment speed, depending on the reference system, is 5 ° Nw / s relative to the camshaft 3 or 10 ° Kw / s relative to the crankshaft.

3 zeigt in einem Diagramm die durch den Elektromotor 1 erzeugbare maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit ΔVmax des Nockenwellenverstellers bezogen auf die Verdrehung der Nockenwelle 3 in Drehwinkelgrad der Nockenwelle 3 pro Sekunde [°Nw/s] in Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebsrads 4 des Nockenwellenverstellers. Dort ist der Verlauf der maximal möglichen Verstellgeschwindigkeit ohne Vorkommutierung des Elektromotors 1 in einer Kurve ΔVmax1 dargestellt. Diese nimmt mit zunehmender Drehzahl des Antriebsrads 4 linear ab und gelangt für höhere Drehzahlen größer als 3000 U/Min. in einen kritischen Bereich mit kleinster Verstellgeschwindigkeit, die als kritische Verstellgeschwindigkeit bezeichnet ist. Dabei entspricht die Drehzahl des Antriebsrads 4 des Nockenwellenverstellers größer als 3000 U/Min einer Drehzahl der Kurbelwelle größer als 6000 U/Min. Durch die Vorkommutierung des Elektromotors kann die maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit gemäß den Kurven ΔVmax2 und ΔVmax3 mit einem Vorkommutierungswinkel von 30° bzw. 60° als sogenannter elektrischer Winkel des Elektromotors 1 im kritischen Bereich bei höheren Drehzahlen deutlich vergrößert werden. Für höhere Drehzahlen des Antriebsrads 4 größer oder gleich 3000 U/Min. wird eine Verstellgeschwindigkeit ΔVmax2 und ΔVmax3 größer als 200 °Nw/s erreicht. Das Diagramm aus 3 bezieht sich auf ein sogenanntes Positivgetriebe. Die erfindungsgemäße Vorkommutierung des Elektromotors 1 des Nockenwellenverstellers ist auch auf sogenannte Negativgetriebe anwendbar. 3 shows in a diagram by the electric motor 1 can be generated maximum possible adjustment speed .DELTA.V max of the camshaft adjuster based on the rotation of the camshaft 3 in degree of rotation of the camshaft 3 per second [° Nw / s] depending on the speed of the drive wheel 4 of the camshaft adjuster. There is the course of the maximum possible adjustment without Vorkommutierung the electric motor 1 in a curve ΔV max1 shown. This increases with increasing speed of the drive wheel 4 linear and passes for higher speeds greater than 3000 U / min. in a critical range with the smallest adjustment speed, which is referred to as the critical adjustment speed. The speed of the drive wheel corresponds 4 the camshaft adjuster greater than 3000 U / min a speed of the crankshaft greater than 6000 rev / min. By pre-commutation of the electric motor, the maximum possible adjustment speed according to the curves ΔV max2 and ΔV max3 with a pre-commutation angle of 30 ° or 60 ° as so-called electrical angle of the electric motor 1 be increased significantly in the critical range at higher speeds. For higher speeds of the drive wheel 4 greater than or equal to 3000 rpm. becomes an adjustment speed ΔV max2 and ΔV max3 greater than 200 ° Nw / s achieved. The diagram 3 refers to a so-called positive gear. The invention pre-commutation of the electric motor 1 the camshaft adjuster is also applicable to so-called negative gear.

Weiterhin sind im Diagramm gemäß 3 der Verlauf der maximal möglichen Verstellgeschwindigkeit in negativer Drehrichtung des Antriebsrads 4 aufgetragen. Dieser Verlauf ist als unkritisch anzusehen, da die maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit somit die Verstellreserve in negativer Drehrichtung mit der Drehzahl ansteigt und im Vergleich zur positiven Drehrichtung insgesamt größer ist.Furthermore, in the diagram according to 3 the course of the maximum possible adjustment speed in the negative direction of rotation of the drive wheel 4 applied. This course is to be regarded as uncritical, since the maximum possible adjustment thus increases the Verstellreserve in the negative direction of rotation with the speed and is greater in total compared to the positive direction of rotation.

Die Effekte der Vorkommutierung in Vorwärtsverstellrichtung des Nockenverstellers sind weiterhin im Diagramm gemäß 4 dargestellt. Dort ist die Last als erzeugtes mittleres Drehmoment in Nm in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors 1 in Umdrehungen/Minute in den Kennlinien 13, 14, 15 jeweils für positive Vorwärtsdrehrichtung des Elektromotors 1, d.h. in Vorwärtsverstellrichtung des Nockenverstellers aufgetragen. Entsprechend der positiven oder negativen Last stellt sich die Drehzahl des Elektromotors 1 ein. Die Kennlinien 13, 14, 15 markieren jeweils das Kennfeld bei maximal möglicher Spannung und PVM des Elektromotors 1 in positiver Vorwärtsdrehrichtung und die übrigen Kennlinien markieren jeweils das Kennfeld entsprechend in negativer Drehrichtung. Dies wird durch Brücke durch die Leistungselektronik mit einer maximal möglichen pulsweitenmodulierten Ansteuerung (PWM) einer B6-Brücke mit meist 95% On und 5% Off erreicht. Mit frei wählbarem PWM ist der von der jeweiligen Kennlinie 13, 14, 15 umfasste innere Bereich möglich.The effects of Vorkommutierung in Vorwärtsverstellrichtung the cam phaser are still in the diagram according to 4 shown. There, the load is as generated mean torque in Nm as a function of the speed of the electric motor 1 in revolutions / minute in the curves 13 . 14 . 15 respectively for positive forward direction of rotation of the electric motor 1 , that is applied in the forward adjustment of the cam phaser. Depending on the positive or negative load, the speed of the electric motor 1 on. The characteristics 13 . 14 . 15 each mark the map at maximum possible voltage and PVM of the electric motor 1 in the positive forward direction of rotation and the other characteristics mark the map accordingly in the negative direction of rotation. This is achieved by bridging the power electronics with a maximum possible pulse width modulated drive (PWM) of a B6 bridge with mostly 95% On and 5% Off. With freely selectable PWM is that of the respective characteristic 13 . 14 . 15 included inner area possible.

Die erste Kennlinie 13 steht für ein Kennfeld ohne Vorkommutierung, d.h. ohne Verlagerung der Sensoren 9, 10, 11 aus der mittleren Position heraus und ohne Schwächung des Magnetfeldes, während die zweite und dritte Kennlinie 14, 15 das Kennfeld bei einer erfindungsgemäßen Vorkommutierung in Vorwärtsverstellrichtung des Nockenverstellers mit einem Vorkommutierungswinkel 30° bzw. 60° in Winkelgrad elektrisch zeigen. Für die Kennlinien mit negativem Drehmoment gilt dies entsprechend.The first characteristic 13 stands for a map without Vorkommutierung, ie without displacement of the sensors 9 . 10 . 11 from the middle position and without weakening the magnetic field, while the second and third characteristics 14 . 15 show the map at a Vorkommutierung invention in Vorwärtsverstellrichtung the cam adjuster with a Vorkommutierungswinkel 30 ° or 60 ° in angular degrees electrically. This applies accordingly to the characteristic curves with negative torque.

Durch die Vorkommutierung wird bei gegebener Last die Kennlinie 14, 15 zu höheren Drehzahlen verschoben, d.h. durch die Vorkommutierung kann eine höhere Drehzahl des Elektromotors 1 erreicht werden, als durch das Kennfeld der Kennlinie 13 bei anliegender maximaler Spannung und maximaler PWM vorgegeben ist.Due to the pre-commutation, the characteristic curve is given for a given load 14 . 15 shifted to higher speeds, ie by pre-commutation can be a higher speed of the electric motor 1 be achieved, as by the characteristic map of the characteristic 13 is specified at maximum applied voltage and maximum PWM.

Auf diese Weise ergibt sich ein Kennfeld des Elektromotors 1, das für positive Last gegenüber der Kennlinie 13 ohne Vorkommutierung in Richtung höherer Drehzahl geweitet und damit asymmetrisch verändert ist. Im Diagramm gemäß 4 ist die maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit oder sogenannte Verstellreserve des Nockenwellenverstellers als Drehzahldifferenz ΔNmax = nAR - nEM für vorgegebene Drehzahl nAR des Antriebsrads 4 und maximaler Drehzahl nEM des Elektromotors 1 bei der vorgegebenen Last als Doppelpfeil dargestellt, dessen Länge der Drehzahldifferenz nAR - nEM als entsprechende Weglänge auf der Abszisse des Diagramms entspricht. Die Verstellgeschwindigkeit ΔNmax ist auf den Elektromotor 1 bezogen und weist die Einheit [°Grad E-Motor/s] auf. Durch die Vorkommutierung wird bei positiver Last die auf die vorkommutierten Kennlinien 14, 15 bezogene maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit ΔVmax2 und ΔVmax3 gegenüber der auf die Kennlinie 13 ohne Vorkommutierung bezogene maximal möglichen Verstellgeschwindigkeit ΔVmax1 deutlich erhöht.In this way, a map of the electric motor results 1 that is for positive load versus the characteristic 13 widened without Vorkommutierung in the direction of higher speed and thus changed asymmetrically. In the diagram according to 4 is the maximum possible adjustment speed or so-called adjustment reserve of the camshaft adjuster as a speed difference ΔN max = n AR - EM for given speed n AR of the drive wheel 4 and maximum speed EM of the electric motor 1 represented at the given load as a double arrow, the length of the speed difference n AR - EM corresponds to the corresponding path length on the abscissa of the diagram. The adjustment speed ΔN max is on the electric motor 1 and has the unit [° degree E-motor / s]. Due to the pre-commutation, the load on the pre-commutated characteristic curves is given a positive load 14 . 15 related maximum possible adjustment speed ΔV max2 and ΔV max3 opposite to the characteristic curve 13 without pre-commutation maximum possible adjustment speed ΔV max1 clearly increased.

Zur Veranschaulichung sind die maximal möglichen Verstellgeschwindigkeiten ΔNmax1 , ΔNmax2 , ΔNmax3 bezogen auf die Kennlinien 13, 14, 15 für einen beispielsweise gewählten typischen Lastfall mit einem positiven Drehmoment 0,1 Nm des Elektromotors 1 und mit einer Drehzahl nAR des Antriebsrads 4 mit nAR = 3500 U/Min., dargestellt, wobei letztere einer Drehzahl der Kurbelwelle von 7000 U/Min. entspricht. Die jeweils bezogen auf die Kennlinien bei negativem Drehmoment von 0,1 Nm bzw. Last des Elektromotors 1 maximal mögliche Verstellgeschwindigkeit ist in analoger Weise ebenfalls durch Doppelpfeile dargestellt.To illustrate, the maximum possible adjustment speeds ΔN max1 . ΔN max2 . ΔN max3 based on the characteristics 13 . 14 . 15 for example, for a typical load case selected with a positive torque 0.1 Nm of the electric motor 1 and at a speed n AR of the drive wheel 4 With n AR = 3500 rpm, the latter showing a crankshaft speed of 7000 rpm. equivalent. Each based on the characteristics with negative torque of 0.1 Nm or load of the electric motor 1 maximum possible adjustment speed is likewise represented by double arrows in an analogous manner.

Das Getriebe 2 des Nockenwellenverstellers ist als sogenanntes Drei-Wellen-Getriebe mit einem ovalen Wälzlager aufgebaut (1). Ein Innenring 16 des Wälzlagers steht radial innen zur Übertragung eines Drehmoments mit der Motorwelle 6 in Antriebsverbindung und bildet am Außendurchmesser eine ovale, insbesondere elliptische Lauffläche für die Wälzkörper 17 des Wälzlagers. Dieses ist radial außen von einem flexiblen Zahnring 18 einem sogenannten Flexring umfasst. Dieser ist über eine Außenverzahnung am Antriebsrad 4 abgestützt und greift in eine Innenverzahnung eines mit der Nockenwelle 3 drehfest verbundenen Abtriebshohlrads zur Übertragung eines Drehmoments ein. Das ovale Wälzlager und der Zahnring 18 bilden ein sogenanntes Wellgetriebe. Über die ovale Form und die Zähnezahlunterschiede wird eine Übersetzung am Wellgetriebe erreicht.The gear 2 of the camshaft adjuster is constructed as a so-called three-shaft gearbox with an oval rolling bearing ( 1 ). An inner ring 16 of the rolling bearing is radially inward for transmitting torque to the motor shaft 6 in drive connection and forms the outer diameter of an oval, in particular elliptical tread for the rolling elements 17 of the rolling bearing. This is radially outward from a flexible toothed ring 18 a so-called flex ring comprises. This is via an external toothing on the drive wheel 4 supported and engages in an internal toothing with the camshaft 3 rotatably connected output ring gear for transmitting torque. The oval bearing and the toothed ring 18 form a so-called wave gear. About the oval shape and the tooth number differences a translation is achieved at the wave gear.

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

  • DE 102008059005 A1 [0002]DE 102008059005 A1 [0002]

Claims (5)

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.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 ) is operated with adjustment in the direction of rotation of the crankshaft of the electric motor (1) with a predetermined pre-commutation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehzahl eines von der Kurbelwelle antreibbaren Antriebsrads (4) des Nockenwellenverstellers größer als 3000 Umdrehungen pro Minute die maximale Verstellgeschwindigkeit (ΔVmax2, ΔVmax3) größer ist als 200° pro Sekunde bezogen auf den Drehwinkel der Nockenwelle (3).Method according to Claim 1 , characterized in that at a speed of a drivable by the crankshaft drive wheel (4) of the camshaft adjuster greater than 3000 revolutions per minute, the maximum displacement ( .DELTA.V max2 , .DELTA.V max3 ) is greater than 200 ° per second based on the rotation angle of the camshaft (3 ). Elektrischer Nockenwellenversteller 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 der Elektromotor (1) zur sensorgesteuerten Kommutierung mehrere Sensoren (9, 10, 11) aufweist, die in Umfangsrichtung gegenüber einer in einem magnetisch neutralen Bereich gelegenen Mittelachse (12) um einen vorbestimmten Winkel (a) entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle versetzt angeordnet sind.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 the sensor-controlled commutation electric motor (1) comprises a plurality of sensors (9 , 10, 11) which are offset in the circumferential direction from a central axis (12) located in a magnetically neutral region by a predetermined angle (a) counter to the direction of rotation of the crankshaft. Elektrischer Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Pohlschuhe (8) aufweist und die Sensoren (9, 10, 11) in einem gegenüber den Pohlschuhen (8) axial vorgelagerten Bereich angeordnet sind.Electric camshaft adjuster to Claim 3 , characterized in that the electric motor (1) has a plurality of distributed in the circumferential direction Pohlschuhe (8) and the sensors (9, 10, 11) are arranged in a relation to the Pohlschuhen (8) axially upstream region. Verwendung eines Elektromotors (1) in einem elektrischen Nockenwellenversteller zur variablen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, zur Erzeugung eines Drehmoments zur Verstellung der relativen Phasenlage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle der Elektromotor (1) vorkommutiert ist.Use of an electric motor (1) in an electric camshaft adjuster for the variable valve control of an internal combustion engine, 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 of the camshaft adjuster at higher speeds Crankshaft of the electric motor (1) is vorkommutiert.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102008059005A1 (en) 2008-11-25 2010-05-27 Schaeffler Kg Adjusting device for adjusting a relative angular position of two shafts and method for operating an actuator, in particular such an adjusting device

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