DE102019118689A1

DE102019118689A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers

Info

Publication number: DE102019118689A1
Application number: DE102019118689.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Riedl; Florian Holler; Christian Karbacher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-14
Also published as: CN114096747A; US20220259991A1; WO2021004574A1; US11821343B2

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (1), umfasst eine Kurbelwelle (2), mindestens eine elektromechanisch über ein Stellgetriebe (9, 10) verstellbare Nockenwelle (3, 4), ein Motorsteuergerät (21) und ein zur Ansteuerung eines das Stellgetriebe (9, 10) betätigenden Stellmotors (11, 12) vorgesehenes Nockenwellensteuergerät (17), wobei das Motorsteuergerät (21) mit einer Vorrichtung (23, 27) zur Erfassung der Winkelstellung der Kurbelwelle (2) und das Nockenwellensteuergerät (17) mit dem Motorsteuergerät (21) verknüpft ist, und wobei als einzige Mittel zur Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle (3, 4) eine Vorrichtung (24, 25, 26) zur Erfassung einer Referenzposition (Cmr) der Nockenwelle (3, 4) sowie eine Vorrichtung (44) zur Detektion der Winkellage der Welle (29) des Stellmotors (11, 12) vorgesehen sind und das Nockenwellensteuergerät (17) zur Bestimmung der Phasenlage der Nockenwelle (3, 4) in Relation zur Kurbelwelle (2) auf Basis der von diesen Vorrichtungen (24, 25, 26, 44) bereitgestellten Informationen in Kombination mit der erfassten Winkelstellung der Kurbelwelle (2) sowie dem Übersetzungsverhältnis des Stellgetriebes (9, 10) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers, welcher ein Stellgetriebe, insbesondere ein Dreiwellengetriebe, umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einem elektromechanischen Nockenwellenversteller.
Verschiedene Betriebsverfahren von Nockenwellenverstellern sind in den Dokumenten DE 102 59 133 A1 und DE 102 42 659 A1 beschrieben. Insbesondere wird in diesen Dokumenten auf das Zusammenspiel einer Motorsteuerung mit der Nockenwellenverstellung eingegangen. Als Stellgetriebe der Nockenwellenversteller kommen Taumelscheibengetriebe, welche als Dreiwellengetriebe fungieren, zum Einsatz.
Ein weiterer Nockenwellenversteller mit einem Taumelscheibengetriebe ist in der DE 102 36 507 A1 offenbart. Zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der zu verstellenden Nockenwelle sind in diesem Fall mechanische Mittel zur Begrenzung der Verstellung des Drehwinkels angeordnet.
Die DE 10 2012 219 297 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, welches ein Motorsteuergerät und zusätzlich ein Nockenwellenverstell-Steuergerät umfasst. Zur Datenübertragung ist ein CAN-Bus vorgesehen. Das Nockenwellenverstell-Steuergerät kann gestartet werden, bevor das Hochfahren des Motorsteuergeräts abgeschlossen ist.
Die WO 2006/122665 A1 beschreibt eine Topologie zum Erzeugen eines Stellsignals für einen elektrisch betätigten Nockenwellenversteller. Hierbei ist in ein Steuergerät eine Regelungseinheit integriert. Zur Erfassung von Zuständen des Nockenwellenverstellers sind Hall-Sensoren vorgesehen.
Die DE 10 2004 041 232 B4 beschreibt Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers, welcher eine elektrische oder eine hydraulische Stelleinrichtung umfassen kann. In jedem Fall werden im Rahmen des Betriebsverfahrens Referenz- und/oder Basiswerte, welche den Zustand des Nockenwellenverstellers betreffen, durch Mittelung zeitlich auseinander liegender Werte gewonnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Steuerung von elektromechanischen Nockenwellenverstellern, insbesondere was die Nutzung von Ressourcen zur Datenbearbeitung betrifft, zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor und dessen Komponenten erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt.
Der Verbrennungsmotor ist als Hubkolbenmotor konzipiert und umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau eine Kurbelwelle sowie mindestens eine elektromechanisch verstellbare Nockenwelle. Zum Verstellung der Nockenwelle ist ein Stellgetriebe vorgesehen, bei dem es sich zum Beispiel um ein Dreiwellengetriebe, insbesondere um ein Wellgetriebe, handelt. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf das Dokument DE 10 2017 114 175 B3 hingewiesen.
Der Nockenwellenversteller wird folgendermaßen betrieben:

- Die Winkelstellung der Kurbelwelle wird fortlaufend bestimmt, wobei ausgehend von einer detektierten Referenz-Winkelposition eine inkrementelle Erfassung von Winkeländerungen erfolgt,
- die detektierten Winkelstellungen der Kurbelwelle werden in einen ersten Ringspeicher geschrieben, welcher wiederkehrend neu beschrieben wird,
- eine Referenzposition der Nockenwelle wird, insbesondere mit Hilfe einer Triggerscheibe, erfasst,
- der Zeitpunkt, zu welchem die Referenzposition der Nockenwelle gegeben war, wird mit Hilfe der auf denselben Zeitpunkt bezogenen, im ersten Ringspeicher abgelegten Daten einer Winkelstellung der Kurbelwelle zugeordnet,
- mit Bezug zu dem genannten Zeitpunkt werden Änderungen der Winkellage eines Rotors eines eine Verstellwelle des Stellgetriebes antreibenden Elektromotors erfasst und in einen weiteren Ringspeicher geschrieben, wobei der Rotor vorzugsweise mit der Verstellwelle drehfest verbunden oder identisch ist,
- aus den erfassten Winkeländerungen des Rotors wird unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes die aktuelle Winkellage der Nockenwelle berechnet und einer aktuellen Winkellage der Kurbelwelle zugeordnet,
- die Differenz zwischen den beiden genannten Winkellagen, das heißt die Phasendifferenz zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle, wird berechnet und zur Ansteuerung des die Verstellwelle antreibenden Elektromotors verwendet.

Der Nockenwellenversteller ist damit betreibbar, ohne die Winkelstellung der zu verstellenden Nockenwelle direkt zu messen. Erforderlich ist lediglich die Erfassung der Referenzposition der Nockenwelle, wobei das entsprechende Signal üblicherweise ohnehin dem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt wird. Das genannte Signal wird auch als Nockenwellentriggerflanke bezeichnet.
Die Ringspeicher, in welche fortlaufend Zustandsänderungen der Kurbelwelle beziehungsweise der Verstellwelle geschrieben werden, sind beispielsweise dazu ausgelegt, Daten während eines Arbeitsspiels, das heißt 360° Nockenwellenumdrehung, entsprechend 720° Kurbelwellenumdrehung, aufzunehmen. Ebenso ist es möglich, Daten über mehrere Arbeitsspiele aufzuzeichnen.
Die Winkeländerungen der Kurbelwelle werden in vorteilhafter Ausgestaltung mit einer feineren Auflösung erfasst als die Winkeländerungen des drehfest mit der Verstellwelle des Stellgetriebes gekoppelten Rotors des Elektromotors. Aufgrund des gegebenen, positiven oder negativen Untersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes, welches beispielsweise 1:30, 1:60, 1:90 oder 1:200 beträgt oder sogar noch extremer ist, ist dennoch eine sehr feine Auflösung der Winkellage der Nockenwelle möglich. Vorzugsweise geschieht die unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes erfolgende Berechnung der Winkellage der Nockenwelle mit einer mindestens um den Faktor 5 höheren Genauigkeit als die Erfassung der Winkellage der Kurbelwelle, insbesondere mit mindestens der 10-fachen Genauigkeit.
In bevorzugter Verfahrensführung werden sowohl bei der Kurbelwelle als auch beim Rotor des Elektromotors Winkelstellungen, die zwischen zwei mit Hilfe von Sensorsignalen diskret voneinander unterscheidbaren Stellungen liegen, durch zeitliche Extrapolation näherungsweise rechnerisch bestimmt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in dem Zeitraum, auf den sich die Interpolation bezieht, die betreffende Welle, das heißt die Motorwelle des Elektromotors oder die Kurbelwelle, mit praktisch konstanter Drehzahl rotiert.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst eine Kurbelwelle, mindestens eine elektromechanisch über ein Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, verstellbare Nockenwelle, ein Motorsteuergerät und ein zur Ansteuerung eines das Stellgetriebe betätigenden Stellmotors, nämlich Elektromotors, vorgesehenes Nockenwellensteuergerät, wobei das Motorsteuergerät mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung der Kurbelwelle und das Nockenwellensteuergerät mit dem Motorsteuergerät verknüpft ist, und wobei als einzige Mittel zur Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle eine Vorrichtung zur Erfassung einer Referenzposition der zu verstellenden Nockenwelle sowie eine Vorrichtung zur Detektion der Winkellage der Welle des Stellmotors vorgesehen sind und das Nockenwellensteuergerät zur Bestimmung der Phasenlage der Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle auf Basis der von diesen Vorrichtungen bereitgestellten Informationen in Kombination mit der erfassten Winkelstellung der Kurbelwelle sowie dem Übersetzungsverhältnis des Stellgetriebes ausgebildet ist.
Der elektrische Stellmotor des Nockenwellenverstellers ist beispielsweise als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet. Der Elektromotor hat beispielsweise vier oder sechs Polpaare. Änderungen der Winkellage des Rotors des Elektromotors sind zum Beispiel mit Hilfe von Hall-Sensoren erfassbar.
Das Motorsteuergerät umfasst gemäß einer möglichen Ausgestaltung einen Ringspeicher mit zwei Speicherbereichen, welche zur Aufzeichnung verschiedener, bei der Rotation der Kurbelwelle detektierter Flanken eines Kurbelwellentriggerrades vorgesehen sind. Durch die Detektion ansteigender Flanken sowie abfallender Flanken ist im Vergleich zu einer Detektion ausschließlich gleichartiger Flanken nicht nur eine höhere Auflösung erzielbar, sondern auch ein Prüfmechanismus, was die Freiheit der aufgezeichneten Daten von logischen Widersprüchen betrifft, umsetzbar. Diese Art der Signalverarbeitung ist auch beim Nockenwellensteuergerät realisierbar.
Das Nockenwellensteuergerät umfasst gemäß einer möglichen Ausgestaltung einen Ringspeicher mit zwei Speicherbereichen, wobei ein erster Speicherbereich zur Aufzeichnung des Betrages von Winkeländerungen der Welle des Stellmotors, das heißt des Rotors des Elektromotors, und ein zweiter Speicherbereich zur Aufzeichnung von Drehrichtungsänderungen vorgesehen ist. Unter einer Drehrichtungsänderung wird hierbei ein Wechsel zwischen einem Vorauseilen des Rotors gegenüber der Nockenwelle und einer im Vergleich zur Drehzahl der Nockenwelle reduzierten Drehzahl des Rotors des Elektromotors verstanden. Als Bezugssystem, auf welche sich die Drehrichtungsänderung bezieht, wird also ein rotierendes System gewählt. Das rotierende System umfasst typischerweise ein Ketten- oder Riemenrad, welches mit dem Gehäuse des Stellgetriebes fest verbunden ist. Eine Drehrichtungsänderung der beschriebenen Art ist mit einer Änderung der Verstellrichtung des Nockenwellenverstellers gleichbedeutend.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise grob schematisiert:

1 Komponenten eines Verbrennungsmotors mit elektromechanischer Nockenwellenverstellung in einer Übersichtsdarstellung,
2 das Zusammenspiel zwischen einem Motorsteuergerät und einem Nockenwellensteuergerät des Verbrennungsmotors,
3 und 4 Zusammenhänge zwischen Messungen an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors sowie an Komponenten der Nockenwellenverstellung,
5 datentechnische Verknüpfungen zwischen verschiedenen Komponenten des Verbrennungsmotors.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter, als Reihenmotor aufgebauter Verbrennungsmotor umfasst eine Kurbelwelle 2 sowie zwei Nockenwellen 3, 4, nämlich eine Einlassnockenwelle 3 und eine Auslassnockenwelle 4. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte es sich bei dem Verbrennungsmotor auch um einen Hubkolbenmotor sonstiger Bauart, beispielsweise einen V-Motor, welcher jeweils zwei Einlass- und Auslassnockenwellen aufweist, handeln.
Die Nockenwellen 3, 4 werden durch die Kurbelwelle 2 über Kettengetriebe 5, 6 angetrieben. Jede Nockenwelle 3, 4 ist mit Hilfe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers 7, 8 verstellbar. Der Nockenwellenversteller 7, 8 weist jeweils ein als Wellgetriebes aufgebautes Dreiwellengetriebe als Stellgetriebe 9, 10 auf. Eine eingangsseitige Welle des Stellgetriebes 9, 10 wird durch das Kettengetriebe 5, 6 angetrieben. Die ausgangsseitige Welle des Stellgetriebes 9, 10 ist drehfest mit der zu verstellenden Nockenwelle 3, 4 verbunden. Eine dritte Welle eines jeden Stellgetriebes 9, 10 ist durch einen dem jeweiligen Nockenwellenversteller 7, 8 zuzurechnenden Elektromotor 11, 12 antreibbar. Hierbei ist die mit 29 bezeichnete Motorwelle des Elektromotors 11, 12, auf welcher ein Rotor 28 befestigt ist, drehfest, optional über eine Ausgleichskupplung, mit der dritten Welle des Stellgetriebes 9, 10 gekoppelt. Bei der sogenannten dritten Welle handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Innenring eines Wellgenerators des als Wellgetriebe ausgebildeten Stellgetriebes 9, 10.
Die Elektromotoren 11, 12 sind über Anschlussleitungen 13 und Signalleitungen 14 an ein Nockenwellensteuergerät 17 angeschlossen. Steckverbindungen des Elektromotors 11, 12 für die Anschlussleitungen 13 sind mit 15, Steckverbindungen für die Signalleitungen 14 mit 16 bezeichnet. Die genannten Leitungen 13, 14 sind an eine Steckverbindung 18 des Nockenwellensteuergerätes 17 angeschlossen. Über die Signalleitungen 14 werden Hall-Signale HSA, HSB, HSC übertragen, welche mit Hilfe nicht dargestellter Hall-Sensoren gewonnen werden und Informationen über Änderungen der Winkellage des Rotors 28 liefern. Die Hall-Sensoren sind einer insgesamt mit 44 bezeichneten Rotorlageerfassungsvorrichtung zuzurechnen.
Das Nockenwellensteuergerät 17 ist über einen Datenbus 19, nämlich CAN-Bus, und eine Signalleitung 20 mit dem mit 21 bezeichneten Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 1 verbunden. An das Motorsteuergerät 21 ist über eine Leitung 22 ein Kurbelwellensensor 23 angeschlossen. Der Kurbelwellensensor 23 tastet ein Kurbelwellentriggerrad 27 ab, welches fest mit der Kurbelwelle 2 verbunden ist. Weiter sind an das Motorsteuergerät 21 Sensoren 24, 25 angeschlossen, die jeweils mit einer Triggerscheibe 26 zusammenwirken, die mit einer Nockenwelle 3, 4 verbunden ist.
Die 2 veranschaulicht Datenverarbeitungsvorgänge im Motorsteuergerät 21 (links) sowie im Nockenwellensteuergerät 17 (rechts). Wie aus der Darstellung hervorgeht, wird das mit Hilfe der Triggerscheibe 26 generierte Signal innerhalb des Motorsteuergeräts 21 verarbeitet. Die Triggerscheibe 26 weist im Ausführungsbeispiel eine einzige Erhebung 32 auf. Eine Flanke der Erhebung 32 ist mit 33 bezeichnet. Mit der Flanke 33 der Triggerscheibe 26 wird in an sich bekannter Weise ein Nockenwellentrigger bereitgestellt. Zwischen dem Nockenwellentrigger und der Abtastung des Kurbelwellentriggerrads 27 ist eine logische Verknüpfung hergestellt.
Das Kurbelwellentriggerrad 27 weist Zähne 35 auf, welche zusammen mit einer angrenzenden Lücke, die sich zwischen zwei Zähnen 35 befindet, jeweils einen Winkel von 6° abdecken. Durch Weglassen von zwei Zähnen ist eine Aussparung 36 gebildet, wobei der erste an die Aussparung 36 grenzende Zahn 35 eine Referenzmarkierung 34 darstellt. Das mit Hilfe der Referenzmarkierung 34 erfasste Signal wird auch als TD-Signal bezeichnet. Eine Kopie dieses TD-Signals, welchem eine weitere Markierung zugefügt sein kann, wird vom Motorsteuergerät 21 über die Signalleitung 20 an das Nockenwellensteuergerät 17 geleitet. Innerhalb des Nockenwellensteuergeräts 17 wird das TD-Signal, welches eine Referenzwinkelposition der Kurbelwelle angibt, logisch mit Merkmalen des Elektromotors 11, 12 verknüpft.
In 2 sind Permanentmagnete 30 sowie Wicklungen 31 des Elektromotors 11, 12 erkennbar. Ein möglicher Verlauf von Hall-Signal HSA, HSB, HSC, die Informationen über Änderungen der Winkellage des Rotors 28 liefern, ist in 3 aufgezeichnet. Jede Kombination der Hall-Signale HSA, HSB, HSC entspricht einem Bitmuster BM, im Ausführungsbeispiel den Bitmustern 010, 011, 001, 101, 100 und 110. Mit jeder Änderung des Bitmusters BM wird ein Musterzähler MC hochsetzt, im Ausführungsbeispiel vom Wert 42 bis zum Wert 47. Nachdem jedes Hallsignal HSA, HSB, HSC den Wert 0 oder 1 annehmen kann und sechs Polpaare vorhanden sind, können insgesamt 2·3·6 = 36 Zustände bei einer Umdrehung der Motorwelle 29 voneinander unterschieden werden. Jeder Zustand entspricht damit einem Winkel von 360°:36 = 10°.
Diese Winkelauflösung ist somit gröber als die Winkelauflösung, welche an der Kurbelwelle 2 mit Hilfe des Kurbelwellentriggerrads 27 realisiert ist. Tatsächlich sind durch Extrapolation wesentlich höhere Winkelauflösungen erzielbar, wie im Folgenden auch anhand 4 erläutert wird:

Durch jeden Zahn 35 ist eine ansteigende Flanke Fs und eine fallende Flanke Ff gegeben. Der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten ansteigenden Flanken Fs beträgt, wie bereits erläutert, 6°. Die Zeitdifferenz, welche die Kurbelwelle 2 zur Drehung um 6°, das heißt zur Weiterdrehung um einen Zahn 35, benötigt, ist mit tdK bezeichnet. Mit guter Näherung kann angenommen werden, dass sich die Kurbelwellendrehzahl bei der Weiterdrehung um einen Zahn 35 nicht ändert. Somit kann ein mit tpK bezeichnetes Zeitintervall, welches einen Teilzeitraum beim Weiterdrehen der Kurbelwelle 2 von einem Zahn 35 zum nächsten Zahn 35 angibt, genutzt werden, um eine beliebige zwischen zwei Zähnen 35 liegende Winkelposition der Kurbelwelle 2 zu berechnen. Auf diese Weise kann auch, wie in 4 veranschaulicht, die mit Cmr bezeichnete Nockenwellenreferenzposition, das heißt diejenige Winkelposition der Nockenwelle 3, 4, an der die Flanke 33 detektiert wird, einer exakten Winkelstellung der Kurbelwelle 2 zugeordnet werden.

In vergleichbarer Weise werden mit Hilfe der Bitmuster BM, die beim Betrieb des Elektromotors 11, 12 generiert werden, sowie des Musterzählers MC Winkelstellungen der Nockenwelle 3, 4 extrapoliert. Im Fall der Nockenwelle 3, 4 bezeichnet tdN die Zeitspanne, innerhalb der ein und dasselbe Bitmuster BM anliegt, entsprechend einem Drehwinkel der Nockenwelle 3, 4 um 10°. Kleinere Zeitintervalle tpN, die während des Anliegens ein und desselben Bitmusters BM gemessen werden, werden genutzt, um die Weiterdrehung der Nockenwelle 3, 4 innerhalb des genannten Winkelbereichs von 10° zu berechnen. Auch bei dieser Berechnung wird davon ausgegangen, dass sich die Motorwelle 29 innerhalb des relevanten Winkelbereichs, hier des 10°-Bereiches, mit näherungsweise konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht.
Was das Zusammenspiel von Messungen an der Kurbelwelle 2 und am Nockenwellenversteller 7, 8 betrifft, wird im Folgenden auf 5 verwiesen. Die Detektion der Referenzmarkierung 34 des Kurbelwellentriggerrads 27 gibt eine Kurbelwellenreferenzposition Crr an. Das Erreichen der Kurbelwellenreferenzposition Crr wird in einem Ringspeicher 41 des Motorsteuergeräts 21 festgehalten. Der Ringspeicher 41 umfasst Speicherbereiche 42, 43, zum fortlaufenden Aufzeichnen der Detektion von fallenden Flanken Ff und ansteigenden Flanken Fs. In den Ringspeicher 41 können Ereignisse geschrieben werden, welche mindestens einer Kurbelwellenumdrehung entsprechen.
Im Vergleich zum Kurbelwellentriggerrad 27 liefert die Triggerscheibe 26 der Nockenwelle 3, 4 Daten mit weitaus niedrigerer Häufigkeit. Die Detektion der Flanke 33 an der Triggerscheibe 26 wird, wie in 5 veranschaulicht ist, in einen zeitlichen Bezug zur Winkelstellung der Kurbelwelle 2 gesetzt, wobei dieser Bezug auf einfache Weise durch Zählen der Zähne 35, welche ab der Kurbelwellenreferenzposition Crr durch den Kurbelwellensensor 23 erfasst wurden, herstellbar ist. Durch das Motorsteuergerät 21 wird die Relation zwischen der Kurbelwellenreferenzposition Crr und der Nockenwellenreferenzposition Cmr zur Verfügung gestellt und über den Datenbus 19 asynchron an das Nockenwellensteuergerät 17 übermittelt.
Das Nockenwellensteuergerät 17 umfasst eine in 5 mit XOR beschriftete Auswerteeinheit 37, die die Hall-Signale HSA, HSB, HSC auswertet, wobei auch die Drehrichtung des Rotors 28 erfasst wird. Die erfassten Daten werden in einen Ringspeicher 38 des Nockenwellensteuergerätes 17 geschrieben. Der Ringspeicher 38 umfasst einen Speicherbereich 39 für Informationen, die den Betrag von Winkeländerungen des Rotors 28 angeben und allgemein auch als Geschwindigkeitssignale bezeichnet werden, sowie einen Speicherbereich 40 für Richtungssignale, das heißt Signale, die die Drehrichtung des Rotors 28 angeben.
Die in den verschiedenen Speicherbereichen 39, 40 abgelegten Daten werden, ausgehend von der bekannten Relation zwischen den Referenzpositionen Crr, Cmr, sowie von dem ebenfalls bekannten Übersetzungsverhältnis des Stellgetriebes 9, 10, zur Berechnung des mit AP bezeichneten Phasenwertes, das heißt der Phasenrelation zwischen Nockenwelle 3, 4 und Kurbelwelle 2, verwendet. Die komplette, präzise Berechnung des Phasenwertes AP wird somit ohne irgendeine Messung an der Nockenwelle 3, 4, abgesehen von der Detektion der Nockenwellenreferenzposition Cmr durch Erfassung der Flanke 33 der Triggerscheibe 26, durchgeführt. Abweichend vom Ausführungsbeispiel kann sich die Triggerscheibe 26 auch an anderer Stelle des Verbrennungsmotors 1 befinden, wobei ein Triggersignal beispielsweise ein Mal pro Nockenwellenumdrehung oder ein Mal pro Kurbelwellenumdrehung generiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Kurbelwelle
3: Nockenwelle
4: Nockenwelle
5: Kettengetriebe
6: Kettengetriebe
7: Nockenwellenversteller
8: Nockenwellenversteller
9: Stellgetriebe
10: Stellgetriebe
11: Elektromotor
12: Elektromotor
13: Anschlussleitung
14: Signalleitung
15: Steckverbindung für Anschlussleitungen
16: Steckverbindung für Signalleitungen
17: Nockenwellensteuergerät
18: Steckverbindung des Nockenwellensteuergerätes
19: Datenbus
20: Signalleitung
21: Motorsteuergerät
22: Leitung
23: Kurbelwellensensor
24: Sensor
25: Sensor
26: Triggerscheibe
27: Kurbelwellentriggerrad
28: Rotor
29: Motorwelle
30: Permanentmagnet
31: Wicklung
32: Erhebung
33: Flanke
34: Referenzmarkierung
35: Zahn
36: Aussparung
37: Auswerteeinheit
38: Ringspeicher des Nockenwellensteuergerätes
39: Speicherbereich
40: Speicherbereich
41: Ringspeicher des Motorsteuergerätes
42: Speicherbereich
43: Speicherbereich
44: Rotorlageerfassungsvorrichtung
AP: Phasenwert
BM: Bitmuster
Crr: Kurbelwellenreferenzposition
Cmr: Nockenwellenreferenzposition
Ff: fallende Flanke
Fs: ansteigende Flanke
HSA: Hall-Signal
HSB: Hall-Signal
HSC: Hall-Signal
MC: Musterzähler
TD: TD-Signal
tdK: Zeitdifferenz ab bestimmter Position der Kurbelwelle
tdN: Zeitdifferenz ab bestimmter Position der Nockenwelle
tpK: Zeitintervall, bezogen auf zwei bestimmte Kurbelwellenpositionen
tpN: Zeitintervall, bezogen auf zwei bestimmte Nockenwellenpositionen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259133 A1 [0002]
DE 10242659 A1 [0002]
DE 10236507 A1 [0003]
DE 102012219297 A1 [0004]
WO 2006/122665 A1 [0005]
DE 102004041232 B4 [0006]
DE 102017114175 B3 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen, ein Stellgetriebe (9,10) aufweisenden Nockenwellenverstellers (7, 8) eines eine Kurbelwelle (2) und mindestens eine Nockenwelle (3, 4) aufweisenden Verbrennungsmotors (1), mit folgenden Merkmalen: - Die Winkelstellung der Kurbelwelle (2) wird fortlaufend bestimmt, wobei ausgehend von einer detektierten Referenz-Winkelposition (Crr) eine inkrementelle Erfassung von Winkeländerungen erfolgt, - die detektierten Winkelstellungen der Kurbelwelle (2) werden in einen ersten Ringspeicher (41) geschrieben, welcher wiederkehrend neu beschrieben wird, - eine Referenzposition (Cmr) der Nockenwelle (3, 4) wird erfasst, - der Zeitpunkt, zu welchem die Referenzposition (Cmr) der Nockenwelle (3, 4) gegeben war, wird mit Hilfe der auf denselben Zeitpunkt bezogenen, im ersten Ringspeicher (41) abgelegten Daten einer Winkelstellung der Kurbelwelle (2) zugeordnet, - mit Bezug zu dem genannten Zeitpunkt werden Änderungen der Winkellage eines Rotors (28) eines eine Verstellwelle des Stellgetriebes (9, 10) antreibenden Elektromotors (11, 12) erfasst und in einen weiteren Ringspeicher (38) geschrieben, - aus den erfassten Winkeländerungen des Rotors (28) wird unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes (10,11) die aktuelle Winkellage der Nockenwelle (3, 4) berechnet und einer aktuellen Winkellage der Kurbelwelle (2) zugeordnet, - die Differenz zwischen den beiden genannten Winkellagen, das heißt die Phasendifferenz (AP) zwischen der Kurbelwelle (2) und der Nockenwelle (3, 4), wird berechnet und zur Ansteuerung des die Verstellwelle antreibenden Elektromotors (11, 12) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der Nockenwelle (3, 4) in Relation zur Kurbelwelle (2) ausschließlich auf Basis der detektierten Winkelstellungen von Kurbelwelle (2) und Verstellwelle, ohne über die Detektion der Referenzposition (Cmr) der Nockenwelle (3, 4) hinausgehende Messung auf der Ausgangsseite des Stellgetriebes (9, 10), bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der durch den Elektromotor (11, 12) angetriebenen Verstellwelle über einen Kurbelwellenwinkel von 720° erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung von Winkeländerungen der Kurbelwelle (2) mit einer feineren Auflösung als die Erfassung von Änderungen der Winkellage des Rotors (28) des Elektromotors (11, 12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes (9, 10) erfolgende Berechnung der Winkellage der Nockenwelle (3, 4) mit einer mindestens um den Faktor 5 höheren Genauigkeit als die Erfassung der Winkellage der Kurbelwelle (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bei der Kurbelwelle (2) als auch beim Rotor (28) des Elektromotors (11, 12) Winkelstellungen, die zwischen zwei mit Hilfe von Sensorsignalen diskret voneinander unterscheidbaren Stellungen liegen, durch zeitliche Extrapolation näherungsweise rechnerisch bestimmt werden.
Verbrennungsmotor (1), umfassend eine Kurbelwelle (2), eine elektromechanisch über ein Stellgetriebe (9, 10) verstellbare Nockenwelle (3, 4), ein Motorsteuergerät (21) und ein zur Ansteuerung eines das Stellgetriebe (9, 10) betätigenden Stellmotors (11, 12) vorgesehenes Nockenwellensteuergerät (17), wobei das Motorsteuergerät (21) mit einer Vorrichtung (23, 27) zur Erfassung der Winkelstellung der Kurbelwelle (2) und das Nockenwellensteuergerät (17) mit dem Motorsteuergerät (21) verknüpft ist, und wobei als einzige Mittel zur Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle (3, 4) eine Vorrichtung (24, 25, 26) zur Erfassung einer Referenzposition (Cmr) der Nockenwelle (3, 4) sowie eine Vorrichtung (44) zur Detektion der Winkellage der Welle (29) des Stellmotors (11, 12) vorgesehen sind und das Nockenwellensteuergerät (17) zur Bestimmung der Phasenlage der Nockenwelle (3, 4) in Relation zur Kurbelwelle (2) auf Basis der von diesen Vorrichtungen (24, 25, 26, 44) bereitgestellten Informationen in Kombination mit der erfassten Winkelstellung der Kurbelwelle (2) sowie dem Übersetzungsverhältnis des Stellgetriebes (9, 10) ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (11, 12) als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät (21) einen Ringspeicher (41) mit zwei Speicherbereichen (42, 43) umfasst, welche zur Aufzeichnung verschiedener, bei der Rotation der Kurbelwelle (2) detektierter Flanken (Ff, Fs) eines Kurbelwellentriggerrades (27) vorgesehen sind.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellensteuergerät (17) einen Ringspeicher (38) mit zwei Speicherbereichen (39, 40) umfasst, wobei ein erster Speicherbereich (39) zur Aufzeichnung des Betrages von Winkeländerungen der Welle (29) des Stellmotors (11, 12) und ein zweiter Speicherbereich (40) zur Aufzeichnung von Drehrichtungsänderungen vorgesehen ist.