DE19741597A1

DE19741597A1 - Nockenpulsrad für eine Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellensteuerung

Info

Publication number: DE19741597A1
Application number: DE19741597A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Straus; Jochen Dipl Ing Auchter
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-20
Filing date: 1997-09-20
Publication date: 1999-03-25

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Nockenpulsrad für eine Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellensteuerung, welches drehfest an einer Nockenwelle mit veränderlicher Phase befestigt ist und an seinem Umfang in Abhängigkeit von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine mehrere Lesemarken zur Nockenpositionsanzeige aufweist sowie innerhalb eines Systems zur Bestim mung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Hintergrund der Erfindung

Ein solches System zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine ist aus der EP-PS 0 582 430 vorbekannt. Dieses System besteht im wesentlichen aus einem Nockenpulsrad mit Lesemarken, einer Lesemarken-Abtastvorrichtung zur Feststellung der Nockenwellenposition sowie einer Vorrichtung zur Fest stellung der Kurbelwellenposition, wobei beide Vorrichtungen mit einem Mikroprozessor verbunden sind, welcher die Kurbelwellenposition mit der Nockenwellenposition unter Einbeziehung weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine vergleicht und im Ergebnis dessen ein elektrohydraulisches Steuerventil einer mit der Nockenwelle verbundenen hydraulischen Nockenwel len-Verstelleinrichtung betätigt. Das innerhalb dieses Systems angeordnete Nockenpulsrad ist dabei gattungsbildend an einer Nockenwelle mit veränder licher Phase drehfest befestigt und weist an seinem Umfang mehrere in gleich mäßigem Abstand zueinander angeordnete Lesemarken zur Nockenpositions anzeige auf. Die Zahl dieser Lesemarken wird dabei in Abhängigkeit von der Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine sowie in Abhängigkeit von der Zahl der Nockenwellen mit veränderlicher Phase festgelegt, so daß beispielsweise bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einer verstellbaren Nockenwelle das Nockenpulsrad auch vier in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnete Lesemarken am Umfang aufweist.

Durch die DE-OS 43 17 527 wird darüber hinaus ein Verfahren zur kontinuierli chen Winkelverstellung einer Nockenwelle aufgezeigt, dessen zugrundeliegen des Funktionssystem im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die vorgenannte Lösung aufweist und bei dem eine exakte Bestimmung der augenblicklichen Lageposition der Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle erfolgt sowie ein Differenzwinkel als Grundlage für die kontinuierliche Nockenwellenverstellung dient. Die Meßwertermittlung erfolgt dabei durch die Auswertung des zeitlichen Versatzes zwischen Triggerimpulsen der Kurbelwelle und der Nockenwelle, wobei die Anzahl der Impulse bei verschiedenen Brennkraftmaschinen differie ren kann. So wird angegeben, daß z. B. bei Vier- oder Achtzylindermotoren eins, zwei oder vier Lesemarken gegenüber eins, drei oder sechs Lesemarken bei Sechs- oder Zwölfzylindermotoren an den Triggerrädern der Nockenwelle und der Kurbelwelle zur Bestimmung des Differenzwinkels zwischen beiden Wellen angeordnet sein können. Voraussetzung hierfür ist jedoch ebenfalls eine Anordnung der Lesemarken in gleichmäßigen Abständen zueinander am Um fang der Triggerräder.

In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß die mit derartigen Nockenpuls- oder Triggerrädern ausgebildeten Systeme zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle nicht in der Lage sind, eine dem Sollwert unterschreitende Abweichung der hydraulischen Ein spannung des Kolbens der Nockenwellen-Verstelleinrichtung und somit eine Erhöhung der Schwingungsamplitude der Wechselmomente der Nockenwelle als solche zu erkennen und entsprechend nachzuregeln. Eine derartige ungenü gende hydraulische Einspannung des Kolbens der Nockenwellen-Verstelleinrich tung liegt insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine, wenn die Nocken wellen-Verstelleinrichtung noch nicht mit genügend Druckmittel befüllt ist, oder bei während des Motorbetriebes auftretenden Druckmittel-Leckagen bzw. bei angesaugten Lufteinschlüssen im Druckmittel vor und bewirkt, daß die Nocken wellen-Verstelleinrichtung (noch) nicht in der Lage ist, dem vom Mikroprozessor des Systems vorgegebenen Einstellwinkel der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle stabil zu halten. Je "weicher" dabei die hydraulische Einspannung des Kolbens der Nockenwellen-Verstelleinrichtung ist, desto größer werden die Schwingungsamplituden der Wechselmomente der Nockenwelle. Insbesondere bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Nockenpulsrad mit vier Lesemarken sind diese Schwingungen der Nockenwelle vom Mikroprozessor jedoch nicht als solche erkennbar, da durch die gleichmäßige Verteilung der Lesemarken am Umfang des Nockenpulsrades auch die Nockenwellenposition in zeitlich gleichmäßigen Abständen gelesen wird, so daß die pro Nockenwel lenumdrehung gelesenen Impulse, unabhängig von der Positionierung des Nockenpulsrades an der Nockenwelle, auch hinsichtlich der Schwingungs amplitude der Nockenwelle immer annähernd deckungsgleich sind. Werden die Schwingungen der Nockenwelle dann immer größer und überschreiten einen bestimmten Grenzwert, wird dies vom Mikroprozessor lediglich als "Heraus laufen" der Nockenwelle aus ihrem eingestellten Phasenwinkel registriert und es wird vom Mikroprozessor veranlaßt, die im Druck nachlassende Druckkam mer der Nockenwellenverstelleinrichtung durch eine kurzzeitige Druckmittel zufuhr wieder derart zu stabilisieren, daß die Nockenwelle wieder den einge stellten Phasenwinkel aufweist. Diese einseitige Druckmittelzufuhr zur Nocken wellen-Verstelleinrichtung bewirkt zwar eine kurzzeitige Verringerung der Schwingungen der Nockenwelle, da der Kolben der Nockenwellen-Verstell einrichtung aber immer noch unzureichend hydraulisch eingespannt ist, treten sie wenig später wieder mit der nachteiligen Wirkung auf, daß sich die gesamte Thermodynamik der Brennkraftmaschine sowie deren Emissionswerte deutlich verschlechtern.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Nockenpulsrad für eine Brennkraftmaschine mit variabler Nockensteuerung zu konzipieren, mit wel chem mit einfachsten Mitteln Erhöhungen der aus ungenügender hydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung resultierenden Schwingungs amplitude durch das System zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbezie hung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle erkennbar und nachregel bar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Nockenpulsrad nach dem Ober begriff des Anspruchs 1 derart gelöst, daß die Lesemarken am Umfang des Nockenpulsrades derart gezielt unsymmetrisch angeordnet sind, daß, unabhän gig von der Positionierung des Nockenpulsrades an der Nockenwelle, minde stens ein unregelmäßiger Impuls je Nockenwellenumdrehung vom Mikroprozes sor als Vergleichsimpuls für das Vorhandensein einer aus ungenügender hydrau lischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung resultierenden Erhöhung der Schwingungsamplitude der Wechselmomente der Nockenwelle auswertbar ist. Dies bedeutet, daß, beispielsweise bei einer Vierzylinder-Brenn kraftmaschine mit einem Nockenpulsrad mit vier Lesemarken, die Lesemarken am Umfang des Nockenpulsrades nicht mehr wie bisher üblich gleichmäßig dem Abstand von 90° zueinander angeordnet sind, sondern erfindungsgemäß einen unregelmäßigen Abstand zueinander aufweisen ohne daß ihre eigentliche Funktion hinsichtlich des Lesens der Nockenwellenposition beeinträchtigt wird.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nockenpulsrades hat es sich dabei, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Anzahl der Lesemarken am Nockenpulsrad der Anzahl der je Nockenwelle mit veränderlicher Phase gesteuerten Zylinder entspricht, als ausreichend erwiesen, bevorzugt nur eine Lesemarke unsymmetrisch zu den anderen nach wie vor symmetrisch angeord neten Lesemarken am Umfang des Nockenpulsrades zu positionieren, um einen unregelmäßigen Vergleichseimpuls je Nockenwellenumdrehung für den Mikro prozessor zu erzeugen.

Als Konkretisierung der Erfindung wird es deshalb vorgeschlagen, bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Nockenpulsrad mit vier Lesemarken diese Lesemarken, bezogen auf eine Umdrehung der Nockenwelle von 360°, bevorzugt im Abstand 45° → 90° → < 90° → < 90° → 45° am Umfang des Nockenpulsrades anzuordnen. Um dabei mit der unsymmetrischen Lesemarke möglichst den maximalen Ausschlag der sich verändernden Schwingungsampli tude der Wechselmomente der Nockenwelle lesen zu können, hat es sich am vorteilhaftesten erwiesen, die erste Lesemarke bei einem Winkel von 45°, die zweite Lesemarke bei einem Winkel von 135°, die unsymmetrische Lesemarke bei einem Winkel von ca. 157° und die letzte Lesemarke bei einem Winkel von 315° am Umfang des Nockenpulsrades zu positionieren. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, alle vier Lesemarken am Nockenpulsrad weiterhin im Abstand von 90° am Umfang des Nockenpulsrades anzuordnen und durch eine zwischen zwei Lesemarken angeordnete zusätzliche Lesemarke einen unregel mäßigen Vergleichsimpuls zu erzeugen, was jedoch im Vergleich zur unsym metrischen Anordnung der Lesemarken kostenaufwendiger ist. Ebenso ist es denkbar, das Nockenpulsrad für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine nur mit drei Lesemarken im Abstand von 120° oder gar mit fünf Lesemarken im Ab stand von 72° auszubilden, da die mit dieser Anordnung unregelmäßig gelese nen Impulse ebenfalls zum Erkennen einer aus ungenügender hydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung resultierenden Erhöhung der Schwingungsamplitude der Wechselmomente der Nockenwelle geeignet sind, wobei die hierfür notwendige aufwendigere Programmierung des Mikroprozes sors ebenfalls kostenaufwendiger als die unsymmetrische Anordnung von vier Lesemarken ist.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Nockenpulsrad weist somit gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, daß es in besonders kostengünstiger Weise das System zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine nunmehr in die Lage versetzt, Erhöhungen der aus ungenügender hydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung resultierenden Schwingungsamplitude der Wechselmomente der Nockenwelle als solche zu erkennen und entsprechend nachzuregeln. Unabhängig von der Positionierung des Nockenpulsrades an der Nockenwelle wird der Mikroprozessor durch die unsymmetrisch angeordneten Lesemarken des erfindungsgemäßen Nockenpulsrades bei jeder Nockenwellen umdrehung durch Vergleich mit vorgegebenen Werten darüber informiert, ob sich die aus den Wechselmomenten der Nockenwelle ergebenden Schwingun gen der Nockenwelle erhöhen oder nicht, und er wird bei Abweichung von bestimmten Toleranzwerten eine Nachregelung der dafür ursächlichen hydrauli schen Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung veranlassen. Dies wirkt sich wiederum vorteilhaft auf die Thermodynamik der Brennkraftmaschine aus, da mit der dadurch straff eingespannten phasenverschobenen Nockenwelle die jeweils vorgegebenen Werte für die Gemischaufbereitung sowie die Emis sionswerte der Brennkraftmaschine konstant eingehalten werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen dabei in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen einer Kurbel welle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine vergrößerte sowie um 90° gedrehte Darstellung des in Einzelheit A nach Fig. 1 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Nockenpulsrades;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Schwingungskurven der Wech selmomente der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit und ohne erfindungsgemäßen Nockenpulsrad.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Aus Fig. 1 geht deutlich ein an sich bekanntes System 9 zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen einer Kurbelwelle 8 und einer Nockenwelle 6 einer Brennkraftmaschine 1 hervor, welches im wesentlichen aus einer Lesemarken-Abtastvorrichtung 10 zur Feststellung der Nockenwellen position sowie aus einer Vorrichtung 11 zur Feststellung der Kurbelwellenposi tion, aus einem Mikroprozessor 13, einem elektrohydraulischen Steuerventil 12 und aus einer mit der Nockenwelle 6 verbundenen hydraulischen Nockenwel len-Verstelleinrichtung 7 besteht. Die Brennkraftmaschine 1 ist im konkreten Fall als Vierzylinder-Brennkraftmaschine ausgebildet, welche eine Nockenwelle 6 mit veränderlicher Phase aufweist. Zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen der Kurbelwelle 8 und der Nockenwelle 6 werden die von der Lesemarken-Abtastvorrichtung 10 und der Vorrichtung 11 gelesenen Impulse von dem mit beiden Vorrichtungen 10, 11 verbundenen Mikroprozes sor 9 unter Einbeziehung weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 verglichen, welcher im Ergebnis dessen das elektrohydraulische Steuerventil 12 der Nockenwellen-Verstelleinrichtung 7 bei Bedarf betätigt. Die von den Vor richtungen 10, 11 gelesenen Impulse werden dabei von einem drehfest an der Nockenwelle 6 befestigten Nockenpulsrad 14 sowie von einem in der Zeich nung nicht näher bezeichneten weiteren Impulsrad erzeugt, welches an der Kurbelwelle 8 drehfest befestigt ist.

In Fig. 2 ist desweiteren dargestellt, daß das Nockenpulsrad 14 an seinem Umfang 15 mehrere Lesemarken 16, 17, 18, 19 aufweist, die erfindungsgemäß derart gezielt unsymmetrisch angeordnet sind, daß, unabhängig von der Positio nierung des Nockenpulsrades 14 an der Nockenwelle 6, mindestens ein unre gelmäßiger Impuls je Nockenwellenumdrehung vom Mikroprozessor 13 als Vergleichsimpuls für das Vorhandensein einer aus ungenügender hydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung 7 resultierenden Erhöhung der Schwingungsamplitude der Wechselmomente der Nockenwelle 6 auswert bar ist. Dabei ist deutlich zu sehen, daß die Anzahl der Lesemarken 16, 17, 18, 19 am Nockenpulsrad 14 der Anzahl der Zylinder 2, 3, 4, 5 der Brennkraftma schine 1 entspricht und daß nur eine Lesemarke 19 unsymmetrisch zu den anderen symmetrisch zueinander angeordneten Lesemarken 16, 17, 18 am Umfang 15 des Nockenpulsrades 14 positioniert ist. Bei der in Fig. 1 darge stellten Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1 mit einem Nockenpulsrad 14 mit vier Lesemarken 16, 17, 18, 19 sind die Lesemarken 16, 17, 18, 19, bezogen auf eine Umdrehung der Nockenwelle 6 von 360°, somit im Abstand 45° → 90° → < 90° → < 90° → 45° am Umfang 15 des Nockenpulsrades 14 angeordnet, wobei die unsymmetrische Lesemarke 19 einen Winkelabstand von etwa 22° zur Lesemarke 18 aufweist, um möglichst die höchste Schwingungsamplitude der Nockenwelle 6 zu erfassen.

Die in Fig. 3 abgebildete grafische Darstellung zeigt zur Verdeutlichung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik die idealisierte Schwingungskurve I der Wechselmomente der Nockenwelle 6 realtiv zu der als Mittelgerade dargestellten Kurbelwelle 8 bei einer Umdrehung der Nockenwelle 6 von 360°, wie sie bei einer Brennkraftmaschine 1 mit einer sehr "steifen" bzw. hydraulisch gut eingespannten Nockenwellen-Verstelleinrichtung 7 entsteht. Die Schwingun gen bzw. Wechselmomente entstehen aus dem Profil der Nockenwelle 6 sowie aus deren Federkräften, wobei die Schwingungsamplitude α_I ein Maß für die Steifigkeit des Steuertriebes bzw. für die hydraulische Einspannung der Nocken wellen-Verstelleinrichtung 7 ist. Nimmt die Steifigkeit der hydraulischen Ein spannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung 7 ab, erhöht sich die Schwin gungsamplitude α_I der Schwingungskurve I und es entsteht die in Fig. 3 gezeigte Schwingungskurve II mit einer Schwingungsamplitude α_II. Diese erhöh te Schwingungsamplitude α_II ist durch den Mikroprozessor 13 eines Systems 9 mit einem üblichen Nockenpulsrad 14 für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1, bei dem vier Lesemarken, wie in Fig. 3 durch die untere Zahlenleiste angedeutet, symmetrisch in einem Winkelabstand von 90° am Umfang angeord net sind, aus den im Stand der Technik genannten Gründen nicht als solche erkennbar. Werden die Lesemarken dagegen, wie in Fig. 3 in der oberen Zahlenleiste dargestellt, unsymmetrisch am Umfang 15 des Nockenpulsrades 14 positioniert, ist ein Erkennen der aus ungenügender hydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung 7 resultierenden Erhöhung der Schwin gungsamplitude α_I der Wechselmomente der Nockenwelle 6 durch den Mikro prozessor 13 des Systems 9 jederzeit möglich.

Bezugszeichenliste

1

Brennkraftmaschine

2

Zylinder

3

Zylinder

4

Zylinder

5

Zylinder

6

Nockenwelle

7

Nockenwellenverstelleinrichtung

8

Kurbelwelle

9

System

10

Lesemarkenabtastvorrichtung

11

Vorrichtung

12

Steuerventil

13

Mikroprozessor

14

Nockenpulsrad

15

Umfang

16

Lesemarke

17

Lesemarke

18

Lesemarke

19

Lesemarke
I Schwingungskurve
II Schwingungskurve
α_I

Schwingungsamplitude
α_II

Schwingungsamplitude

Claims

1. Nockenpulsrad für eine Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellensteue rung, welches drehfest an einer Nockenwelle (6) mit veränderlicher Phase befe stigt ist und an seinem Umfang (15) in Abhängigkeit von der Anzahl der Zylin der (2, 3, 4, 5) der Brennkraftmaschine (1) mehrere Lesemarken (16, 17, 18, 19) zur Nockenpositionsanzeige aufweist sowie innerhalb eines Systems (9) zur Bestimmung und Einstellung der Phasenbeziehung zwischen einer Kurbelwelle (8) und einer Nockenwelle (6) einer Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei das System (9) im wesentlichen aus einer Lesemarken-Abtastvorrichtung (10) zur Feststellung der Nockenwellenposition sowie aus einer Vorrichtung (11) zur Feststellung der Kurbelwellenposition besteht und beide Vorrichtungen (10, 11) mit einem Mikroprozessor (13) verbunden sind, welcher die Kurbelwel lenposition mit der Nockenwellenposition unter Einbeziehung weiterer Betriebs parameter der Brennkraftmaschine (1) vergleicht und im Ergebnis dessen ein elektrohydraulisches Steuerventil (12) einer mit der Nockenwelle (6) verbunde nen hydraulischen Nockenwellen-Verstelleinrichtung (7) betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lesemarken (16, 17, 18, 19) am Umfang (15) des Nockenpulsrades (14) derart gezielt unsymmetrisch angeordnet sind, daß, unabhängig von der Positionierung des Nockenpulsrades (14) an der Nocken welle (6), mindestens ein unregelmäßiger Impuls je Nockenwellenumdrehung vom Mikroprozessor (13) als Vergleichsimpuls für das Vorhandensein einer aus ungenügenderhydraulischer Einspannung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung (7) resultierenden Erhöhung der Schwingungsamplitude (α) der Wechselmo mente der Nockenwelle (6) auswertbar ist.

2. Nockenpulsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, beispiels weise bei Brennkraftmaschinen (1), bei denen die Anzahl der Lesemarken (16, 17, 18, 19) am Nockenpulsrad (14) der Anzahl der je Nockenwelle (6) mit veränderlicher Phase gesteuerten Zylinder (2, 3, 4, 5) entspricht, bevorzugt nur eine Lesemarke (19) unsymmetrisch zu den anderen symmetrisch zueinander angeordneten Lesemarken (16, 17, 18) am Umfang (15) des Nockenpulsrades (14) positioniert ist.

3. Nockenpulsrad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine (1) mit einem Nockenpulsrad (14) mit vier Lesemarken (16, 17, 18, 19) diese, bezogen auf eine Umdrehung der Nockenwelle (6) von 360°, bevorzugt im Abstand 45° → 90° → < 90° → < 90° → 45° am Umfang (15) des Nockenpulsrades (14) angeordnet sind.