DE10242659A1

DE10242659A1 - Steuereinrichtung und Verfahren zum Verstellen des Verhältnisses der Wirkelgeschwindigkeiten zwischen Nocken und Kurbelwelle

Info

Publication number: DE10242659A1
Application number: DE10242659A
Authority: DE
Inventors: Detlef Axmacher; Massimiliano Gasparro; Dirk Dipl.-Ing. Neubauer; Frank Pachan; Lars Dipl.-Ing. Pfützenreuter; Markus Dr.-Ing. Wilke
Original assignee: AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-03-18
Also published as: US7036474B2; WO2004027222A1; US20050183681A1; EP1537298A1

Abstract

Bisherige Steuereinrichtungen und Verfahren zum Verdrehen der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle sehen nur einen Antrieb vor, der die Nockenwelle, verglichen mit der Kurbelwelle, vor- und zurückdrehen kann. Nachteilig bei solchen Anordnungen ist es, dass entweder für jede Stellrichtung zwei Antriebe in verschiedene Richtungen benötigt werden oder der Antrieb einen Rechts- und Linkslauf aufweisen muss. DOLLAR A Bei der neuen Steuereinrichtung und dem neuen Verfahren wird das Vorlaufen der Nockenwelle durch einen Antrieb in Laufrichtung der Nockenwelle und das Nachlaufen durch eine Bremsvorrichtung erzielt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn als Antrieb ein Elektromotor im Zweiquadrantenbetrieb verwendet wird, der dann auch als Bremsvorrichtung verwendet werden kann. DOLLAR A Solche Steuereinrichtung und Verfahren werden zum Einstellen der Steuerzeiten in Brennkraftmaschinen benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ver stellen des Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeiten
zwischen Nocken- und Kurbelwelle, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Bei Brennkraftmaschinen treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, der beispielsweise als Zahnriemen ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen an. Dazu ist an jeder Nockenwelle ein Nockenwellenrad befestigt, über welches der Primärantrieb die Nockenwelle antreibt. Dabei erfolgt zu jedem Zeitpunkt eine Übersetzung der Winkelgeschwindigkeit ω_K(t) der Kurbelwelle, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ω_K(t) die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle ω_N(t) mit ω_N(t) = ½·ω_K(t) bestimmt. Das Verhältnis der beiden Winkelgeschwindigkeiten ist durch diese Kopplung konstant. In den meisten Anwendungen ergibt diese feste Kopplung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ein Verhältnis von:
Jedoch lassen sich die Betriebseigenschaften einer Brennkraftmaschine optimieren, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemission und der Laufkultur, wenn das über den Primärantrieb gekoppelten System zwischen die Nockenwelle und Kurbelwelle verändert werden kann.

In der DE 100 38 354 A1 wird eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle mittels Taumelscheibengetriebe offenbart. Hier wirkt ein zusätzlicher Antrieb über ein Taumelscheibengetriebe, das zwischen dem Nockenwellenrad und der Nockenwelle angeordnet ist, zusätzlich auf die Nockenwelle ein. Dies bewirkt, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt werden kann. Der zusätzliche Antrieb kann über das Taumelscheibengetriebe auf die Nockenwelle in beide Richtungen einwirken, so dass sich deren Winkelgeschwindigkeit bezüglich der Kurbelwelle und damit das feste Verhältnis

verändert.

Nachteilig hierbei ist es jedoch, dass der Antrieb einen Rechts- und Linkslauf aufweisen muss, um die Taumelscheibe sowohl in die eine als auch in die andere Richtung zu bewegen oder aber zwei Motoren benötigt werden, die unterschiedliche Laufrichtungen aufweisen. Beim plötzlichen Umschatten von einer Laufrichtung in die andere Laufrichtung um beispielsweise die Nockenwelle in die ursprüngliche Ausgangsposition zurückzustellen werden einerseits alle Komponenten stark belastet und andererseits sind dann im Falle von Elektromotoren, die einen Rechts- und Linkslauf aufweisen Brückenschaltungen notwendig, die teuere Leistungsbauelemente benötigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Alternative zum Verstellen der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 und 6 gelöst, wonach ein zusätzlicher Antrieb in eine Richtung die Winkelgeschwindigkeit ω_N der Nockenwelle erhöht und eine Bremsvorrichtung die Winkelgeschwindigkeit ω_N der Nockenwelle verringert, wobei dieser zusätzliche Antrieb keinen Einfluss auf die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle hat. Durch den zusätzlichen Antrieb kann die Nockenwelle bezogen auf das ausschließlich gekoppelte System von Nocken- und Kurbelwelle der Kurbelwelle etwas vorauseilen, entsprechend wird durch das Abbremsen der Nockenwelle das Vorauseilen wieder rückgängig gemacht oder aber man bewirkt, dass nun die Kurbelwelle der Nockenwelle vorauseilt, so dass die Ventile früher oder später schließen je nachdem, ob die Kurbelwelle der Nockenwelle oder die Nockenwelle der Kurbelwelle vorauseilt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein solcher Aufbau sehr kostengünstig ist, weil der Antrieb nur eine Drehrichtung aufweisen muss und somit auch dessen Ansteuerung sehr einfach ist. Gleichfalls ist eine Bremsvorrichtung sehr einfach aufzubauen, unabhängig davon, ob es eine elektromagnetische oder mechanische Bremsvorrichtung ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei einem Elektromotor im Zweiquadrantenbetrieb kann der Motor sowohl als Antriebs- als auch als Bremsvorrichtung verwendet werden. Insbesondere in einem Ausführungsbeispiel erweist sich eine weitere, zweite Bremsvorrichtung als vorteilhaft, um die gewünschten Verstellpositionen schneller zu erreichen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
1: Steuereinrichtung mit Elektromotor im Zweiquadrantenbetrieb zum Antreiben in eine Richtung und Abbremsen der Nockenwelle über den Versteller.
2: Steuereinrichtung mit Elektromotor im Zweiquadrantenbetrieb zum Antreiben und Abbremsen der Nockenwelle über den Versteller mit zusätzlicher Bremsvorrichtung.
1 zeigt eine Steuereinrichtung 13 mit einem Elektromotor 3 im Zweiquadrantenbetrieb zum Antreiben und Abbremsen eines Verstellers 4 mit Taumelscheibengetriebe. Diese Steuereinrichtung 13 besteht aus einem Steuergerät 1, einer Endstufe 2, einem Elektromotor 3 im Zweiquadrantenbetrieb und einer Antriebswelle 5, die den Elektromotor 3 mit dem Versteller 4 verbindet. Der Versteller 4 weist ein Taumelscheibengetriebe auf, wie es beispielsweise in der DE 100 38 354 A1 offenbart ist. Mit dem Versteller 4 kann die Position der Nockenwelle 7 gegenüber der Kurbelwelle 6 in der Brennkraftmaschine 10 verändert werden. Die Nockenwelle 7 ist über das Nockenwellenrad 12 und einen Primärantrieb 11 mit der Kurbelwelle 6 gekoppelt. Dieses feste Verhältnis zwischen der Kurbelwelle 6 und der Nockenwelle 7 kann durch den Versteller 4, beispielsweise zur drehzahlabhängigen Anpassung der Steuerzeiten beeinflusst werden, wodurch die Nockenwelle 7 gegenüber der Kurbelwelle 6 vorlaufen oder nachlaufen kann. Das Vorlaufen der Nockenwelle 7 wird dadurch bewirkt, dass der Elektromotor 3 über die Antriebswelle 5 und den Versteller 4 mit Taumelscheibengetriebe diese zusätzlich in Drehrichtung antreibt. Der zusätzliche Antrieb mittels Elektromotor 3 bewirkt, dass sich die Nockenwelle 7 schneller dreht als es durch den Primärantrieb 11 allein der Fall gewesen wäre. Durch die Erhöhung des Verhältnisses
der Winkelge schwindigkeiten ω_N(t), ω_K(t) von Nockenwelle 7 und Kurbelwelle 6 eilt die Nockenwelle 7 etwas voraus, wodurch sich auch die Relation zwischen dem Nockenwellendrehwinkel und dem Kurbelwellendrehwinkel verändert. Das heißt auch, dass sich die Nockenwelle 7 relativ gegenüber dem Nockenwellenrad 12 verdreht hat. Dementsprechend werden die Brennräume der Brennkraftmaschine 10 im Arbeitsspiel bei der Drehung der Nockenwelle 7 durch die Ventile früher oder später geöffnet und geschlossen. Das Vorauseilen der Nockenwelle 7 gegenüber der Kurbelwelle 6 bedingt durch den zusätzlichen Elektroantrieb 3 erfolgt, solange bis die gewünschte Drehwinkelrelation eingestellt ist und die Ventile zu dem gewünschten Zeitpunkt geöffnet bzw. geschlossen werden. Als Drehwinkel bezeichnet man den Verdrehwinkel der Welle, wobei, bedingt durch die Kopplung über den Primärantrieb, der Kurbelwellendrehwinkel zwischen 0° und 720° liegt, während der Nockenwellendrehwinkel Werte von 0° bis 360° erreichen kann. Danach kann durch Abschalten des zusätzliche Elektroantriebs 3 oder auch durch dessen Angleichung auf die Winkelgeschwindigkeit, die sich allein aus dem Primärantrieb ergibt, dieser Zustand beibehalten werden. Um in die Ausgangsposition zurückzukehren wird durch die generatorische Bremsvorrichtung des Elektromotors 3 über den Versteller 4 die Nockenwelle 7 abgebremst, bis sie im ursprünglichen Verhältnis zur Kurbelwelle 6 positioniert ist. Im umgekehrten Fall, wenn die Kurbelwelle 6 der Nockenwelle 7 vorauseilen soll kann durch diese gene ratorische Bremsvorrichtung des Elektromotors 3 über den Versteller 4 die Nockenwelle 7 solange abgebremst werden, bis die gewünschte Drehwinkelrelation hergestellt ist. Danach kann durch Abschalten der Bremsvorrichtung 3 dieser Zustand beibehalten werden. Um in die Ausgangsposition zurückzukehren wird durch die Antriebsfunktion des Elektromotors 3 über den Versteller 4 die Nockenwelle 7 beschleunigt, bis sie im ursprünglichen Verhältnis zur Kurbelwelle 6 eingestellt ist.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Reduzierung der Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 7 mit demselben Elektromotor 3, der auch für den Antrieb verantwortlich ist. Jedoch dient dieser dann nicht als Antrieb sondern als Bremsvorrichtung. Der Elektromotor 3 weist eine Ansteuerung auf, die einen Zweiquadrantenbetrieb erlaubt, d. h. mit dem Elektromotor 3 kann sowohl eine Antriebswelle 5 in einer Richtung angetrieben werden, als auch abgebremst werden. Beim Abbremsen wirkt der Elektromotor 3 als Generator, der bewirkt, dass die Antriebswelle 5 abgebremst wird. Dieses generatorische Abbremsen bewirkt im Versteller 4 mit dem Taumelscheibengetriebe, dass sich die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 7 reduziert. Das Abbremsen erfolgt solange, bis der gewünschte Versatz zwischen Kurbelwelle 6 und Nockenwelle 7 erreicht ist. Danach wird die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 7 wieder ausschließlich von der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 6, die mittels Primärantrieb 11 auf das Nockenwellenrad der Nockenwelle 7 übertragen wird, bestimmt. Die Ansteuerung des Elektromotors 3 im Zweiquadrantenbetrieb erfolgt. über ein Steuergerät 1 mit Sollwertvorgabe, das beispielsweise Vergleichsdaten von nicht abgebildeten Sensoren bezieht. Zu diesen Vergleichsdaten gehören beispielsweise die aktuellen IST-Werte, wie z.B. die Drehzahl des Elektromotors 3 und/oder die Positionen von Nockenwelle 7 und Kurbelwelle 6. Das Steuergerät 1 steht in Verbindung mit einer Endstufe 2, die bewirkt, dass der Elektromotor 3 eine antreibende Funktion ausübt oder generatorisch bremst. Diese. Endstufe 2 ermöglicht mit Hilfe einer kostengünstigen Halbbrückenschaltung den Zweiquadrantenbetrieb des Elektromotors 3. Um den Regelkreis zwischen dem Steuergerät 1 und dem Elektromotor 3 zu schließen, ist es notwendig, dass ein Istwert, der den Zustand des Systems, insbesondere des Elektromotors 3 beschreibt, zu erfassen und in das Steuergerät 1 einzuspeisen.
Der Elektromotor 3 im Zweiquadrantenbetrieb ist deshalb so vorteilhaft, weil für seine Ansteuerung nur wenig Leistungsbauelemente benötigt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektromotoren z. B. im Vierquadrantenbetrieb, die einen Links- und Rechtslauf aufweisen, wird hier zur Ansteuerung nur eine Halbbrückenschaltung benötigt. Eine solche Schaltung ist kostengünstiger, platzsparender und weniger störanfällig. Die elementare Aussage bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass zur Verstellung des Versatzes zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle ein Elektromotor verwendet werden kann, der eine Antriebsfunktion in eine Richtung aufweist und der eine Bremsfunktion besitzt. Diese beiden Funktionen: das Antreiben und das Abbremsen, ermöglichen einen Vorlauf bzw. einen Nachlauf der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle, so dass der feste Kopplungsfaktor zwischen Kurbel- und Nockenwelle verändert werden kann. Das generatorische Bremsen des Elektromotors 3 kann sowohl dazu verwendet werden, dass die Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 7 schneller beendet werden kann, dass die Nockenwelle wieder in die Grundeinstellung bzgl. der Kurbelwelle gebracht wird oder aber um einen negativen Versatz zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle zu erzielen.
Gleichfalls sind auch andere Variationen denkbar, die einen beliebigen Antrieb in eine Richtung und eine Bremsvorrichtung aufweisen, wobei der Antrieb nicht nur elektrischer Herkunft sein kann, sondern auch alle andere Antriebsformen, die das gleiche Ergebnis erzielen, verwendet werden können. Gleichfalls kann die Bremsvorrichtung auch unabhängig vom Antrieb aufgebaut sein und es können andere Bremsvorrichtungsformen verwendet werden, die ein Bremsen bewirken. Die Lage der Bremsvorrichtung ist unerheblich, sie kann auch entweder indirekt über das Taumelscheibengetriebe auf die Nockenwelle oder direkt auf diese einwirken.
2 zeigt eine Steuereinrichtung 13 mit Elektromotor 3 im Zweiquadrantenbetrieb zum Antreiben und Abbremsen des Verstellers 4 mit einer zusätzlichen Bremsvorrichtung 8. Die Brennkraftmaschine 10 beinhaltet die Kurbelwelle 6, die über einen Primärantrieb 11 das Nockenwellenrad 12 der Nockenwelle 7 antreibt. Das System zwischen Kurbelwelle 6 und Nockenwellenrad 12 ist gekoppelt. Das heißt, die Übersetzung des Dreh winkels der Kurbelwelle 6, wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel in 360° Nockenwellenraddrehwinkel umgesetzt werden, ist fest eingestellt. Ein Versteller 4 bewirkt beispielsweise mit seinem Taumelscheibengetriebe, dass die Nockenwelle 7 gegenüber dem Nockenwellenrad 12 verdreht werden kann. Dementsprechend kann dann die Nockenwelle 7 gegenüber der Kurbelwelle 6 vor- oder nachlaufen, wodurch wiederum die Brennräume der Brennkraftmaschine 10 im Arbeitsspiel bei der Drehung der Nockenwelle 7 durch die Ventile früher oder später geöffnet und geschlossen werden können. Der Versteller 4 ist mit einer Antriebsachse 5 verbunden, die von einem Elektromotor 3 angetrieben wird. Vorzugsweise arbeitet der Elektromotor 3 im Zweiquadrantenbetrieb, d. h. mit ihm kann die Antriebswelle 5 in eine Richtung angetrieben werden und sie kann abgebremst werden. Ferner befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Bremsanordnung 8 zwischen dem Elektromotor 3 und der Nockenwelle 7. Vorzugsweise ist diese Bremsvorrichtung 8 so angebracht, dass sie auf die Antriebswelle 5 einwirken kann, um deren Winkelgeschwindigkeit schnellst möglichst zu reduzieren. Die Bremsvorrichtung 8 kann beispielsweise auch mechanisch, insbesondere hydraulisch oder pneumatisch ausgestaltet sein. Die Ansteuerung dieser Bremse 8 erfolgt über ein Steuergerät 1, welches beispielsweise mit einer Sollwertvorgabe arbeitet, auf den die Steuerung einzustellen ist. Gleichfalls wird mit diesem Steuergerät 1 eine Endstufe 2 angesteuert, die wiederum den Elektromotor entweder antreibt, ausschaltet oder abbremst.
Um Nockenwellen in beiden Richtungen schnell verstellen zu können, werden zum einen die Eigenschaften eines Elektromotors 3 im Zweiquadrantenbetrieb und zum anderen die zusätzliche Bremsvorrichtung benutzt. Dies bedeutet, dass sie in die eine Verstellrichtung treibend auf die Nockenwelle einwirken und in die andere Verstellrichtung bremsend. Wie in 2 gezeigt, bewirken die zusätzlichen Bremsvorrichtungen 8, dass die Verstellgeschwindigkeit erhöht werden kann, indem eine schnellere Abbremsung erfolgt, weil es das generatorische Bremsen des Elektromotors unterstützt. Ferner kann die Bremsvorrichtung 8 sowohl extern angebracht sein als auch Bestandteil des Elektromotors 3 oder des Verstellers 4 oder aber direkt auf die Nockenwelle 7 einwirken. Die Art und Lage der Bremsvorrichtung 8 richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten, die Steue rung der Bremsvorrichtung kann sowohl intern über das Steuergerät 1 des Elektromotors 3 erfolgen oder aber auch über andere externe Vorrichtungen.

Claims

Steuereinrichtung (13) zum Verstellen des Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeiten
zwischen Nockenwelle (7) und Kurbelwelle (6), wobei die Steuereinrichtung (13) einen Versteller (4) aufweist, der die Nockenwelle (7) dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) – mindestens einen Antrieb (3), der über den Versteller (4) die Winkelgeschwindigkeit ω_N der Nockenwelle (7) erhöht, und – mindestens eine Bremsvorrichtung (3, 8) beinhaltet, welche die Winkelgeschwindigkeit ω_N der Nockenwelle (7) verringert.
Steuereinrichtung (13) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) einen Elektromotor (3) beinhaltet, der im Zweiquadrantenbetrieb sowohl als Antrieb, als auch als Bremsvorrichtung arbeitet.
Steuereinrichtung (13) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei eine Antriebswelle (5) zwischen dem Antrieb (3) und dem Versteller (4) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung (8) in der Nähe der Antriebswelle befestigt ist, um diese abzubremsen.
Steuereinrichtung (13) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung (8) am Versteller (4) angebracht ist.
Steuereinrichtung (13) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versteller ein Taumelscheibengetriebe aufweist.
Verfahren zum Verstellen des Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeiten
zwischen Nockenwelle (7) und Kurbelwelle (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (7) zur Erhöhung des Verhältnisses
von einem zusätzlichen Antrieb (3) in Laufrichtung beschleunigt wird und zur Verringerung des Verhältnisses
von einer Bremsvorrichung (3, 8) abgebremst wird.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (3) im Zweiquadrantenbetrieb arbeitet, wodurch die Nockenwelle sowohl angetrieben als auch abgebremst wird.
Verwendung einer Steuereinrichtung (13) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer solche Steuereinrichtung die Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine (10) den Betriebsbedingungen angepasst werden.