DE19649148A1 - Elektrisch betätigtes Stellorgan, insbesondere für ein Aggregat an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigtes Stellorgan, insbesondere für ein Aggregat an einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Nockenwel­ len-Steller, Umschaltklappen-Steller oder dgl. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 42 40 075 A1 oder der DE 44 17 472 A1 auch auf die DE 195 42 085 A1 verwiesen.

An modernen Brennkraftmaschinen können verschiedene elektrisch betätig­ te Stellorgane vorgesehen sein, die Aggregate der Brennkraftmaschine in gewünschte Positionen bringen. Als ein erstes Beispiel seien die sog. Noc­ kenwellen-Steller genannt, die dazu dienen, die Brennkraftmaschinen- Nockenwelle in ihrer Phasenlage gegenüber der Brennkraftmaschinen- Kurbewelle zu verdrehen. Eine derartige Stelleinrichtung ist beispielsweise in der DE 42 40 075 A1 gezeigt, wobei diese Stelleinrichtung hydraulisch arbeitet, jedoch ein elektrisch, genauer elektromagnetisch betätigtes Steuer­ ventil für die Hydraulik aufweist. In Entwicklung finden sich jedoch auch sog. Nockenwellen-Steller, die rein elektromotorisch arbeiten, so daß hier das elektrisch betätigte Stellorgan ein Elektromotor ist. Ein anderes Beispiel für ein Brennkraftmaschinen-Aggregat, auf welches ein elektrisch betätigtes Stellorgan einwirken kann, zeigt die DE 44 17 472 A1. Hierin ist eine Luftan­ sauganlage für eine Brennkraftmaschine beschrieben, in welcher eine Um­ schaltklappe derart angeordnet ist, daß unterschiedliche Saugrohrlängen zur Verfügung stehen. Auch diese Umschaltklappe gilt es in geeigneter Weise zu betätigen, wobei abermals ein elektrisch betätigtes Stellorgan beispiels­ weise in Form eines elektrischen Schrittmotors vorgesehen sein kann.

Nun wirken insbesondere die Elektromotoren zumeist über ein selbsthem­ mendes Getriebe (beispielsweise Schneckengetriebe) auf das zu verstellen­ de Bauteil oder Aggregat ein, um einen niedrigen Energieverbrauch des Verstellers selbst zu realisieren. Nachdem eine Brennkraftmaschine im All­ tagsbetrieb, so diese beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, hohen Belastungen ausgesetzt ist, können auch an der Strom- bzw. Span­ nungsversorgung des Stellorganes/Stellmotores Störungen auftreten. Bei­ spielsweise kann ein Elektrokabel brechen, von einem Steckkontakt abfal­ len, oder auch von außen beschädigt werden, beispielsweise durch Marder­ verbiß. Dies hat zur Folge, daß das elektrisch betätigte Stellorgan für das Brennkraftmaschinen-Aggregat nicht mehr betätigt werden kann, so daß auch das Brennkraftmaschinen-Aggregat nicht mehr in eine gewünschte Position gefahren werden kann. Dies gilt dabei insbesondere für elektromo­ torische Stellorgane, die über die genannten selbsthemmenden Getriebe auf das Brennkraftmaschinen-Aggregat einwirken, hat jedoch in gleicher Weise für elektromagnetische Schaltventile oder andere beliebige elektrisch betä­ tigte Stellorgane Gültigkeit.

Ist ein irgendwie gearteter Schaden an der Spannungsversorgung bzw. Stromversorgung des elektrischen Stellorganes aufgetreten, so fällt selbst­ verständlich die elektrische Spannung am Stellorgan unerwünschtermaßen ab, d. h. es liegt ein der Fall eines außerplanmäßigen Absinkens der am Stellorgan anliegenden elektrischen Spannung vor. Wie bereits erwähnt, hat dies zur Folge, daß das Stellorgan nicht mehr in eine gewünschte Position gefahren werden kann und somit auch das vom Stellorgan betätigte Aggre­ gat möglicherweise eine unerwünschte Position beibehält. Handelt es sich bei diesem Aggregat beispielsweise um den Nockenwellen-Steller einer Brennkraftmaschine, so wird möglicherweise bei einem außerplanmäßigen Absinken der am Stellorgan anliegenden elektrischen Spannung die Noc­ kenwelle in einer ungünstigen Phasenlage (bezüglich der Brennkraftmaschi­ nen-Kurbelwelle) gehalten. Gleiches kann bei einem Schaden am Um­ schaltklappen-Steller einer eingangs kurz erwähnten Schalt-Sauganlage einer Brennkraftmaschine auftreten, wobei jeweils ein ungünstiger Brenn­ kraftmaschinenbetrieb die Folge sein kann.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, die das Stellorgan bei Auftreten eines außerplanmäßigen Absinkens der am Stellorgan anliegenden elektrischen Spannung unter Zugriff auf einen Energiespeicher in eine Grundstellung fährt. Vorteilhafte Aus- und Weiter­ bildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird im Zusammenhang mit einem elektrisch betätigten Stellorgan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Sicherheitsfunktion vorgeschlagen, durch welche das Stellorgan bei Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung in eine bestimmte Position gefahren wird und hierbei selbstverständlich auch das vom Stellorgan betätigte Aggregat in eine ent­ sprechende Position bringt, welche eine im Hinblick auf gewisse Kriterien günstige Position ist. Diese im Hinblick auf bestimmte Kriterien günstigste Position des Aggregates bzw. Stellorganes wird im folgenden als sog. Grundstellung bezeichnet und sei nochmals kurz anhand eines elektromoto­ rischen Nockenwellen-Stellers erläutert. Beispielsweise kann durch den Nockenwellen-Steller die Brennkraftmaschinen-Nockenwelle in ihrer Phasen­ lage extrem früh sowie extrem spät bezogen auf die Kurbelwellen-Position verdreht werden. Diese beiden Extrempositionen sind für bestimmte Brenn­ kraftmaschinen-Betriebspunkte zwar vorteilhaft, für andere Brennkraftma­ schinen-Betriebspunkte jedoch höchst ungeeignet. Befände sich jedoch die Nockenwelle in einer Position, wie sie bei Brennkraftmaschinen ohne Pha­ senlagen-Verdrehmöglichkeit für die Nockenwelle üblich ist, (so beispiels­ weise in einer in etwa mittleren Position zwischen den beiden genannten Extrempositionen), so wäre diese Position in Form einer sog. Notlaufeigen­ schaft für das gesamte Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine durchaus ausreichend.

In eben diese (für eine Notlaufeigenschaft ausreichende) Position zwischen den beiden Extrempositionen, welche als Grundstellung bezeichnet wird, soll nun das Stellorgan den Nockenwellen-Steller bringen, wenn ein dauerhafter Betrieb des Stellorganes aufgrund eines außerplanmäßigen Absinkens der am Stellorgan anliegenden elektrischen Spannung - beispielsweise hervor­ gerufen durch Kabelbruch - nicht mehr möglich ist.

Neben einer Steuerschaltung, die das außerplanmäßigen Absinken der am Stellorgan anliegenden elektrischen Spannung erkennt und danach ein Verfahren des Stellorganes in die besagte Grundstellung initiiert, ist selbst­ verständlich noch eine Energieversorgung erforderlich, welche dieses ein­ malige Verfahren in diese genannte Grundstellung ermöglicht. Vorgeschla­ gen ist hierfür ein Energiespeicher beliebiger Art, insbesondere jedoch ein elektrischer Energiespeicher. Zwar wäre es grundsätzlich möglich, das Stellorgan auch durch mechanische Energiespeicher in die entsprechende Position zu bringen, jedoch wäre hierfür insbesondere bei elektromotori­ schen Stellorganen ein unnötig hoher Aufwand vonnöten.

Bevorzugt ist der elektrische Energiespeicher nahe am Stellorgan angeord­ net und über eine von der Haupt-Spannungsversorgung unabhängige Ver­ sorgungsleitung mit den Spannungsversorgungs-Kontakten des Stellorganes verbunden. Auf diese Weise ist keine lange Leitungsverlegung vom Ener­ giespeicher und von der (elektronischen) Steuerschaltung zum Stellorgan erforderlich, wenn die sog. Haupt-Spannungsversorgung ausfällt, d. h. wenn die am Stellorgan üblicherweise anliegende elektrische Spannung außer­ planmäßig absinkt.

Als elektrischer Energiespeicher ist ein solcher ausreichend, der elektrische Energie kurzzeitig zu speichern vermag. Es ist somit kein Akkumulator oder keine Batterie erforderlich, vielmehr ist beispielsweise ein elektrischer Kon­ densator mit einer ausreichend hohen Kapazität ebenfalls geeignet, da so­ fort nach außerplanmäßigem Absinken der am Stellorgan anliegenden elek­ trischen Spannung über die Haupt-Spannungsversorgung die Steuerschal­ tung eine Betätigung des Stellorganes im gewünschten Sinne unter Rückgriff auf die dann im Kurzzeit-Energiespeicher/Kondensator noch vorhandene Energie initiieren kann. In diesem Zusammenhang sei kurz auf die DE 195 42 085 A1 hingewiesen, in der ein elektronisches Gerät mit einer Sicherheit­ seinrichtung beschrieben ist, bei welcher ebenfalls ein Kurzzeit- Energiespeicher in Form eines Kondensators vorgesehen ist. Eine Steuer­ schaltung entsprechend der hier beschriebenen ist dort jedoch nicht gezeigt.

Im Sinne einer vorteilhaften Funktionsvereinigung kann vorgesehen sein, daß die genannte elektronische Steuerschaltung auch die reguläre Betäti­ gung des Stellorganes übernimmt. Hierzu kann die Steuerschaltung entwe­ der separate Steuersignale empfangen oder über unterschiedliche Span­ nungsniveaus der Haupt-Spannungsversorgung angesteuert werden.

Dabei läßt sich die soeben erstgenannte Ausführungsform in anderen Wor­ ten auch wie folgt beschreiben:
Direkt am Stellorgan, beispielsweise am Elektromotor des Nockenwellen- Stellers oder Umschaltklappen-Stellers ist der besagte elektrische Energie­ speicher vorgesehen, der die Energie nur kurzzeitig speichern können muß, somit also kein Batterie ist, sondern der bereits besagte Kondensator. Dabei muß die gespeicherte Energie ausreichen, um das zu verstellende Aggregat durch das Stellorgan in die sog. Grundstellung oder auch Sicherheitsstel­ lung zu bewegen. Von einer üblichen Steuerelektronik aus führt neben der Haupt-Spannungsversorgungs-Leitung auch eine separate Datenleitung zum Stellorgan/Elektromotor. Dabei liegt an den Leitungen der Haupt- Spannungsversorgung immer elektrische Spannung an, jedenfalls solange der sog. Zündschalter der Brennkraftmaschine geschlossen ist. Dies stellt eine konstante Beladung des Energiespeichers/Kondensators sicher. Liegt kein Schaden vor, d. h. tritt kein außerplanmäßiges Absinken der am Stel­ lorgan anliegenden elektrischen Spannung auf, so wird eine gewollte Ver­ stellanforderung über die genannte Datenleitung an das Stellorgan/den Elektromotor weitergegeben. Bei einem außerplanmäßigen Spannungsabfall der Versorgung des Stellorganes (z. B. durch Kabelbruch, Kabelabfall aber auch außerplanmäßigem Öffnen des Zündschalters) wird nun mit der im Energiespeicher gespeicherten Energie das zu verstellende Aggregat vom Stellorgan unter Einfluß der genannten Steuerschaltung sofort in die Grundstellung/Sicherheitsstellung gefahren. Dadurch ist nicht nur bei unge­ wolltem, sondern auch bei gewolltem Unterbrechen der Spannungsversor­ gung immer eine definierte Position des zu verstellenden Aggregates ge­ währleistet. Dadurch, daß die Verstellung sofort nach Unterbrechung der Versorgungsspannung des Stellorganes/Elektromotores erfolgt, kann der Energiespeicher mit der besagten kurzen Speicherdauer, nämlich z. B. ein Kondensator, verwendet werden.

Die im vorletzten Absatz zweitgenannte Variante läßt sich in anderen Wor­ ten wie folgt beschreiben:
Hier ist die eben besagte Datenleitung nicht erforderlich, sondern die An­ steuerung des Stellorganes erfolgt durch unterschiedliche Spannungsni­ veaus. Beispielsweise liegt üblicherweise nicht ein hoher Spannungswert, sondern ein niedriger Spannungswert an. Im Falle von Fahrzeug-Brennkraft­ maschinen, die üblicherweise mit einem hohen Spannungsniveau von 12 Volt versorgt werden, kann dann üblicherweise nur ein entsprechend niedri­ ger Wert von beispielsweise 3 Volt anliegen, der jedoch ausreicht, den Energiespeicher zu beladen. Bei einer gewollten Verstellung des Stellorga­ nes wird dann die über die Haupt-Spannungsversorgung an liegende Span­ nung auf den Maximalwert, nämlich 12 Volt erhöht und die entsprechende Verstellung durchgeführt. Bei einem außerplanmäßigen Spannungsabfall hingegen, bei welchem das niedrige Spannungsniveau noch weiter absinkt, und zwar auf 0 Volt, tritt die beschriebene Sicherheitsfunktion in Kraft, bei welcher durch die Steuerschaltung aus dem Energiespeicher/Kondensator das Stellorgan/der Elektromotor in die vorteilhafte Grundstellung gefahren wird.

Mit der beschriebenen Ausbildung im Zusammenhang mit einem elektrisch betätigten Stellorgan insbesondere für ein Aggregat an einer Brennkraftma­ schine ist somit auch bei Störungen in der Spannungsversorgung des Stel­ lorganes ein einwandfreier Brennkraftmaschinenbetrieb gewährleistet. In nahezu allen denkbaren Fällen kann das Aggregat durch das Stellorgan in eine Grundstellung gebracht werden, insbesondere auch bei einer Unterbre­ chung der Spannungsversorgung, wobei weiterhin im Zusammenhang mit Elektromotoren das eingangs geschilderte selbsthemmende Getriebe zum Einsatz kommen kann. Dabei fallen nur geringe Zusatzkosten, nämlich für den Energiespeicher am Stellorgan an. Vorteilhafterweise unterliegt dabei ein als Kondensator ausgebildeter elektrischer Energiespeicher nahezu kei­ ner Alterung.

Claims (4)

1. Elektrisch betätigtes Stellorgan, insbesondere für ein Aggregat an einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Nockenwellen-Steller, Umschaltklappen-Steller oder dgl., gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, die das Stellorgan bei Auftreten eines außerplanmäßigen Absinkens der am Stellorgan an­ liegenden elektrischen Spannung unter Zugriff auf einen Energiespei­ cher in eine Grundstellung fährt.

2. Elektrisch betätigtes Stellorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Energiespeicher nahe am Stellorgan angeordnet und über eine von der Haupt- Spannungsversorgung unabhängige Versorgungsleitung mit den Spannungsversorgungs-Kontakten des Stellorganes verbunden ist.

3. Elektrisch betätigtes Stellorgan nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als Kurzzeitspei­ cher, insbesondere Kondensator, ausgebildet ist.

4. Elektrisch betätigtes Stellorgan nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung auch die reguläre Betätigung des Stellorganes übernimmt und hierzu entweder separate Steuersignale empfängt, oder über unterschiedliche Spannungsniveaus der Haupt- Spannungsversorgung angesteuert wird.