Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle einer
Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, mit einem Verstellgetriebe, das als
Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle
und einer Verstellwelle ausgebildet ist, die drehfest mit dem Rotor eines Verstellmotors
verbunden ist, wobei die Verstellvorrichtung Anschläge zum Begrenzen des Verdrehwinkels
zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle aufweist.
Eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Umlaufgetriebe als Verstellgetriebe
und einem EC-Motor als Verstellmotor ist aus der Praxis bekannt. Die Vorrichtung
weist ein Nockenwellenzahnrad auf, das über eine Antriebskette mit einem drehfest auf der
Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine angeordneten Zahnrad in Antriebsverbindung steht.
Dabei ist das Nockenwellenzahnrad verdrehbar auf der Nockenwelle gelagert und drehfest mit
der Antriebswelle des Verstellgetriebes verbunden. Die Abtriebswelle des Verstellgetriebes ist
drehfest auf der Nockenwelle angeordnet und die Verstellwelle steht mit dem Rotor des Verstellmotors
in Antriebsverbindung. Der Stator des Verstellmotors ist fest mit dem Motorblock
der Hubkolben-Verbrennungsmaschine verschraubt. Bei stillstehender Antriebswelle liegt zwischen
der Verstellwelle und der Abtriebswelle eine durch das Verstellgetriebe vorgegebene
Getriebeübersetzung vor, die so genannte Standgetriebeübersetzung. Wenn sich die Verstellwelle
dreht, vergrößert bzw. verkleinert sich je nach Drehrichtung der Verstellwelle relativ
zum Nockenwellenzahnrad die Getriebeübersetzung zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle.
Dadurch ergibt sich eine Veränderung der Drehwinkellage der Nockenwelle relativ
zur Kurbelwelle. Die Nockenwellenverstellvorrichtung ermöglich im Vergleich zu einer entsprechenden
Hubkolben-Verbrennungsmaschine ohne eine Nockenwellenverstellvorrichtung
eine bessere Zylinderfüllung der Verbrennungsmaschine, wodurch Kraftstoff eingespart, der
Schadstoffausstoß reduziert und/oder die Ausgangsleitung der Verbrennungsmaschine erhöht
werden kann.
Damit auch beim Auftreten eines eventuellen Störungsfalls in der Verstellvorrichtung die
Motorfunktion des Verbrennungsmotors aufrechterhalten werden kann, ist mit der kurbelwellenfesten
Antriebwelle ein Anschlagelement verbunden, das in Gebrauchstellung mit nockenwellendrehfesten
Gegenanschlagelementen zusammenwirkt. Durch die Anschläge wird der
Verdrehwinkel der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle auf einen in der Praxis sinnvollen Wertebereich
begrenzt. Die Anschlag- und Gegenanschlagelemente sind derart angeordnet, dass
sich eine definierte Phasenlage ergibt, wenn ein Gegenanschlagelement gegen das Anschlagelement
positioniert ist. Der Verstellmotor ist mit einer Ansteuereinrichtung verbunden,
welche in bestimmten Situationen, wie zum Beispiel nach dem Starten des Verbrennungsmotors,
das Anschlagelement gegen ein Gegenanschlagelement positioniert, um einen Phasenabgleich
durchzuführen. Dabei wird der Verstellmotor über eine Endstufe pulsweitenmoduliert
mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis angesteuert. Dies hat jedoch den Nachteil,
das der Verstellmotor je nach vorliegender Batteriespannung und Motortemperatur unterschiedlich
bestromt wird und deshalb unterschiedliche Drehmomente und Drehzahlen erreicht.
Beim Positionieren des Anschlagelements gegen das Gegenanschlagelement kann es deshalb
zu einem Verschleiß oder sogar einer Beschädigung des Anschlagelements und/oder
Gegenanschlagelements kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
die eine hohe Standzeit bzw. Lebensdauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Verstellmotor in einen Regelkreis geschaltet ist,
der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels ausgebildet ist.
In vorteilhafter Weise ist die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels dadurch unabhängig
von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Verstellmotors, so dass das mit der kurbelwellenfesten
Antriebwelle verbundene Anschlagelement stets etwa mit derselben Geschwindigkeit
gegen das mit der nockenwellenfesten Abtriebswelle des Verstellgetriebes verbundene
Gegenanschlagelement positioniert wird. Dabei entspricht die Phasengeschwindigkeit vorzugsweise
der maximalen Verdrehgeschwindigkeit, bei welcher der Anschlag sicher nicht beschädigt
wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt zwischen der Verstellwelle und der
Abtriebswelle bei stillstehender Antriebswelle eine Standgetriebeübersetzung vor, wobei die
Verstellvorrichtung eine Einrichtung zur Ausgabe eines Kurbelwellen-Drehzahlsignals und eine
Einrichtung zur Ausgabe eines Drehzahlsignals für die Rotordrehzahl ωEm des Verstellmotors
aufweist, wobei diese Einrichtungen mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden
sind, die zur Bildung eines Sollwert-Signals für die Rotordrehzahl aus dem Kurbelwellen-Drehzahlsignal,
der Standgetriebeübersetzung und einem Sollwert für die Phasengeschwindigkeit
ausgebildet ist, und wobei das Sollwert-Signals mit einem Rotordrehzahl-Sollwerteingang
des Regelkreises verbunden ist. Die Phasengeschwindigkeit ν kann nach der Formel
ν = (ωCnk - 2·ωEm) / ig
bestimmt werden, wobei ωCnk die Drehzahl der Kurbelwelle, ωEm die Rotordrehzahl des Verstellmotorrotors
und ig die Standgetriebeübersetzung bedeuten. Aus der gewünschten Phasengeschwindigkeit
νTgt wird zu jedem Zeitpunkt die dafür notwendige Zielgeschwindigkeit
ωEm,Tgt = (ωCnk - ig·νTgt) / 2
berechnet. Somit können die bei einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit einer Verstellvorrichtung
für die Drehwinkellage der Nockenwelle meist sowieso vorhandenen Sensoren zum
Messen der Kurbelwellendrehzahl und der Rotordrehzahl des Verstellmotors für die Regelung
der Phasengeschwindigkeit mitgenutzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Regelkreis mit Hilfe eines Betriebsartenumschalters
zumindest zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umschaltbar,
wobei in der ersten Betriebsart die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels und
in der zweiten Betriebsart die Rotordrehzahl des Verstellmotors geregelt wird. Dabei kann die
zweite Betriebsart bei einem Verbrennungsmotor, bei dem die Kurbelwellendrehzahl mit einem
induktiven Sensor gemessen wird, der die Zähne eines auf der Kurbelwelle beispielsweise
an einem Schwungrad angeordneten Zahnkranzes detektiert, beim Startvorgang des Verbrennungsmotors
zur Anwendung kommen, solange der Sensor noch keinen Zahn des Zahnkranzes
erkannt hat und/oder das Messsignal für die Kurbelwellendrehzahl aufgrund der geringen
Drehzahl der Kurbelwelle noch relativ stark gestört ist.
Vorteilhaft ist, wenn der Regelkreis mit Hilfe des Betriebsartenumschalters in mindestens eine
weitere Betriebsart umschaltbar ist, in welcher die Rotordrehzahl des Verstellmotors mit mindestens
einem, von einem Regelparameter der zweiten Betriebsart abweichenden Regelparameter,
geregelt wird. Die Regelparameter für die Regelung der Rotordrehzahl des Verstellmotors
können dadurch an den jeweiligen Betriebszustand des Verstellmotors angepasst
werden, so dass die Rotordrehzahl weitgehend unabhängig von den Betriebsbedingungen
des Verstelleinrichtung und insbesondere weitgehend unabhängig von der Temperatur des
Getriebeöls des Verstellgetriebes geregelt werden kann.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstellmotor ein Elektromotor
und der Regelkreis ist mit Hilfe des Betriebsartenumschalters in mindestens eine Betriebsart
umschaltbar ist, in der die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom des Verstellmotors
geregelt wird. Die Regelung kann dann noch besser an die jeweiligen Betriebsbedingungen
des Verstellmotors angepasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Betriebsartenumschalter
mindestens einen Eingang für ein vom Betriebszustand der Hubkolben-Verbrennungsmaschine
abhängiges Betriebszustandssignal auf, wobei dieser Eingang mit einer Einrichtung zur
Feststellung des Betriebszustands der Hubkolben-Verbrennungsmaschine verbunden ist, und
wobei der Betriebsartenumschalter derart ausgebildet ist, dass die Betriebsart des Regelkreis
in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebszustandssignal einstellt wird. Dabei kann
die Betriebsart des Regelkreis beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der
Verbrennungsmaschine eingestellt werden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Betriebstemperatur
des Verstellmotors und somit der elektrische Widerstand der Motorwicklung
und die Getriebeöltemperatur des Verstellgetriebes von der Betriebstemperatur der Verbrennungsmaschine
abhängig ist.
Vorteilhaft ist, wenn der Regelkreis eine Begrenzungseinrichtung für das Drehmoment des
Verstellmotors aufweist, und wenn die Begrenzungseinrichtung vorzugsweise derart auf die
beim Verstellen der Verstellwelle auftretenden Drehmomentwerte abgestimmt ist, dass eine
Begrenzung des Drehmoments nur beim Positionieren gegen einen Anschlag auftritt. Durch
diese Maßnahme wird die Leistungsaufnahme und somit die Erwärmung des Verstellmotors
begrenzt, wenn die Verstellwelle gegen den Anschlag positioniert ist. Bei einem in ein Kraftfahrzeug
eingebauten Verbrennungsmotor wird dabei außerdem auch die Batterie des Kraftfahrzeugs
geschont. Die Begrenzung des Drehmoments kann beispielsweise in der Weise erfolgen,
dass der Betriebsstrom und/oder die Betriebsspannung des Verstellmotors auf einen
vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird (werden).
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Verstellvorrichtung eine Anschlagerkennungseinrichtung
auf, die einen ersten Eingang für das Phasengeschwindigkeitssignal
und einen mit der Begrenzungseinrichtung verbundenen zweiten Eingang für ein Drehmoment-Begrenzungssignal
aufweist, wobei die Anschlagerkennungseinrichtung derart ausgebildet
ist, dass bei einem Begrenzen des Drehmoments des Verstellmotors und einer
gleichzeitigen Abnahme der Phasengeschwindigkeit ein Positionieren der Nockenwelle gegen
einen Anschlag detektiert wird. Die Anschlagerkennungseinrichtung ermöglicht es, auf einfache
Weise das Positionieren der Verstellwelle gegen den Anschlag zu detektieren und mit Hilfe
einer bekannten, dem Anschlag zugeordneten Referenzposition einen Phasenabgleich
durchzuführen.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer
Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zu deren Kurbelwelle,
- Fig. 2
- einen Regelkreis zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels
zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle sowie zur Regelung der Drehzahl
eines elektrischen Verstellmotors der Verstellvorrichtung,
- Fig. 3
- eine graphische Darstellung des Verlaufs des Phasenwinkels, wobei auf der
Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Phasenwinkel in Grad
Kurbelwelle aufgetragen ist,
- Fig. 4
- eine graphische Darstellung des Verlaufs eines Sollwertsignals und eines Istwertsignals
für die Drehzahl des Verstellmotors, wobei auf der Abszisse die Zeit
in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
aufgetragen ist,
- Fig.5
- eine graphische Darstellung des Verlaufs der Drehzahl der Eingangswelle
(durchgezogene Linie) und des Verlaufs der Nockenwellendrehzahl (strichlinierte
Linie) eines Verstellgetriebes der Verstellvorrichtung, wobei auf der Abszisse
die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in Umdrehungen pro
Minute aufgetragen ist,
- Fig. 6
- eine graphische Darstellung des Wicklungsstroms des Verstellmotors, wobei auf
der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Stromstärke in Ampère
aufgetragen ist, und
- Fig. 7
- eine graphische Darstellung der Wicklungsspannung des Verstellmotors, wobei
auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Spannung in
Volt aufgetragen ist.
Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle
relativ zur Kurbelwelle einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Hubkolben-Verbrennungsmaschine
weist ein Verstellgetriebe auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten
Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet
ist. Das Verstellgetriebe kann ein Umlaufgetriebe sein, vorzugsweise ein Planetengetriebe.
Die Antriebwelle ist drehfest mit einem Nockenwellenzahnrad 2 verbunden, das in an sich
bekannter Weise über eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem auf der Kurbelwelle des
Verbrennungsmotors drehfest angeordneten Kurbelwellenzahnrad in Antriebsverbindung
steht. Die Abtriebwelle ist drehfest mit der Nockenwelle 3 verbunden, die in Fig. 1 nur teilweise
dargestellt ist. Die Verstellwelle ist drehest mit dem Rotor eines Verstellmotors verbunden,
der in Fig. 1 an der Rückseite der Verstellvorrichtung 1 angeordnet ist. Das Verstellgetriebe ist
in der Nabe des Nockenwellenzahnrads 2 integriert.
Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle weist die
Verstellvorrichtung Anschläge auf, die durch ein fest mit der Antriebwelle verbundenes Anschlagelement
4 und Gegenanschlagelemente 5 gebildet sind. Die Gegenanschlagelemente 5
sind fest mit der Nockenwelle 3 verbundenen und wirken in Gebrauchstellung mit dem Anschlagelement
4 zusammen.
Als Verstellmotor ist ein EC-Motor vorgesehen, der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit
des Verdrehwinkels in einen in Fig. 2 schematisch dargestellten Regelkreis 6 geschaltet ist.
Der Regelkreis 6 ist derart ausgelegt, dass im normalen Betrieb des Hubkolben-Verbrennungsmotors
die Phasengeschwindigkeit beim Positionieren des Anschlagelements 4 gegen
eines der Gegenanschlagelemente 5 jeweils derart eingestellt wird, dass der Anschlag sicher
nicht beschädigt wird.
Zur Regelung der Phasengeschwindigkeit werden die Drehzahl ωCnk der Kurbelwelle und die
Rotordrehzahl ωEm des Verstellmotors mit Hilfe von Sensoren gemessen. Aus den so ermittelten
Messsignalen und der bekannten Standgetriebeübersetzung ig des Verstellgetriebes wird
mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung 7 ein Sollwert für die Rotordrehzahl ωEm,Tgt des
Verstellmotors berechnet:
ωEm,Tgt = (ωCnk - ig·νTgt) / 2
Die Drehzahl ωCnk der Kurbelwelle wird zweckmäßigerweise mit Hilfe eines induktiven Sensors
gemessen, der das Vorbeilaufen der Zähne eines auf der Kurbelwelle beispielsweise an einem
Schwungrad angeordneten Zahnkranzes detektiert. Die Rotor-Drehzahl ωEm des Verstellmotors
wird vorzugsweise mit Hilfe von am Stator des EC-Motors angeordneten Magnetfeldsensoren
gemessen, die das Vorbeilaufen von Magnetsegmenten detektiert, die am Umfang des permanentmagnetischen
Rotors des EC-Motors angeordnet sind.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Signalverarbeitungseinrichtung 7 einen Ausgang 8 für das
Rotordrehzahl-Sollwertsignal ωEm,Tgt aufweist, der mit einem Rotordrehzahl-Sollwerteingang 9
eines Reglers 10 verbunden ist. Der Regler 10 hat außerdem einen mit den Magnetfeldsensoren
des EC-Motors verbundenen Istwert-Eingang 11, an dem ein Drehzahlmesssignal ωEm,Act
des Verstellmotors anliegt. In dem Regler 10 wird Rotordrehzahl-Sollwertsignal ωEm,Tgt und
dem Drehzahlmesssignal ωEm,Act eine Regelabweichung gebildet. In Abhängigkeit von der Regelabweichung
wird ein Signal ICtrl für den Wicklungsstrom des Verstellmotors derart gebildet,
dass sich bei Ausgabe des entsprechenden Wicklungsstroms an den Verstellmotor die Regelabweichung
reduziert. Das Signal ICtrl für den Wicklungsstrom wird mit Hilfe einer Strom-Begrenzungseinrichtung
12 auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt.
Ein Ausgang der Strom-Begrenzungseinrichtung 12 ist mit einem Eingang eines I/U-Konverters
13 verbunden, welcher das begrenzte Wicklungsstromsignal in ein entsprechendes Signal
für eine an die Wicklung des Verstellmotors anzulegende elektrische Spannung umformt. Diese
wird mit Hilfe einer Spannungs-Begrenzungseinrichtung 14 auf einen zulässigen Wertebereich
begrenzt und danach über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Endstufe an
die Wicklung des Verstellmotors angelegt.
Der Regelkreis ist mit Hilfe eines Betriebsartenumschalters 15 zwischen einer ersten und
einer zweiten Betriebsart umschaltbar. In der ersten Betriebsart wird die Phasengeschwindigkeit
des Verdrehwinkels und in der zweiten Betriebsart die Rotordrehzahl des Verstellmotors
geregelt. Der Betriebsartenumschalter 15 hat einen Eingang 16 für ein vom Betriebszustand
der Hubkolben-Verbrennungsmaschine abhängiges Betriebszustandssignal. Der Betriebsartenumschalter
15 ist derart ausgebildet, dass die Betriebsart des Regelkreises in Abhängigkeit
von dem Betriebszustandssignal einstellt wird. Die zweite Betriebsart, bei der die Rotordrehzahl
des Verstellmotors geregelt wird, kommt während der Startphase des Verbrennungsmotors
zur Anwendung, wenn das Messsignal für Kurbelwellendrehzahl noch nicht vorliegt oder
noch mit relativ großen Störungen behaftet ist. Sobald die Drehzahl des Verbrennungsmotors
einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird auf die erste Betriebsart umgeschaltet, um
die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels zu regeln.
In Fig. 3 bis 7 sind ein Istwertsignal für den Phasenwinkel (Fig. 3), die Signale für die Drehzahlen
der drei Wellen des Verstellgetriebes (Fig. 4 und 5), die Signale für den Wicklungsstrom
(Fig. 6) und die Wicklungsspannung (Fig. 7) anhand eines Beispiels für eine Anschlagfahrt
graphisch dargestellt. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, beträgt der Phasenwinkel vor Beginn
der Anschlagfahrt (t≤0.7s) etwa 280 Grad Kurbelwelle (Fig. 3). Dabei liegen die Rotor-Drehzahl
des Verstellmotors und die Drehzahlen der Nockenwelle und der Antriebswelle des Verstellmotors
etwa bei 2500 U/Min.
Bei der Anschlagfahrt wird eine Sollphasengeschwindigkeit von 300 Grad Kurbelwelle
gefordert. Aus dieser gewünschten Phasengeschwindigkeit wird der Sollwert für die Rotordrehzahl
ωEm,Tgt des Verstellmotors ermittelt und der Verstellmotor wird entsprechend
bestromt. An der strichlinierten Linie in Fig. 4 ist deutlich erkennbar, dass die Rotordrehzahl
des Verstellmotors ab t=0,7s ansteigt. Dadurch dreht sich die Nockenwelle 3 nicht mehr mit
der Drehzahl des Nockenwellenzahnrads 2 sondern mit einer geringeren Drehzahl, die in Fig.
5 strichliniert dargestellt ist. Dies führt zu einer Erhöhung des aktuellen Phasenwinkels von
280 Grad Kurbelwelle bei t=0,7s auf etwa 290 Grad Kurbelwelle bei t≥0,747s.
Beim Erreichen des Anschlags kann der Phasenwinkel nicht mehr weiter reduziert werden.
Deswegen geht die Rotordrehzahl (in Fig. 4 strichliniert dargestellt) des Verstellmotors zurück
auf etwa 2500 U/Min bei t≥0,753s. Dabei werden die Stromaufnahme und somit das Drehmoment
des Verstellmotors begrenzt.
Um dies zu ermöglichen, weist die Verstellvorrichtung 1 eine Anschlagerkennungseinrichtung
17 auf, die einen ersten Eingang für das Phasengeschwindigkeitssignal und einen mit der
Spannungs-Begrenzungseinrichtung 14 verbundenen zweiten Eingang für ein Drehmoment-Begrenzungssignal
hat. Die Anschlagerkennungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass bei
einem Begrenzen des Drehmoments bzw. der Wicklungsspannung des Verstellmotors und einer
gleichzeitigen Abnahme der Phasengeschwindigkeit ein Positionieren der Nockenwelle 3
gegen einen Anschlag detektiert wird.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Anschlagerkennungseinrichtung 17 zum Reduzieren der
Stromaufnahme des Verstellmotors während Positionierung des Anschlagelements 4 gegen
das Gegenanschlagelement 5 mit der Strom-Begrenzungseinrichtung 12 verbunden ist.
Erwähnt werden soll noch, dass der Regelkreis 6, der Betriebsartenumschalter 15 und die
Anschlagerkennungseinrichtung 17 auch in Form eines Computerprogramms in einen Mikrocontroller
implementiert sein können.
Bezugszeichenliste
- 1
- Verstellvorrichtung
- 2
- Nockenwellenzahnrad
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Anschlagelement
- 5
- Gegenanschlagelement
- 6
- Regelkreis
- 7
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 8
- Ausgang für das Winkelgeschwindigkeits-Sollwertsignal
- 9
- Rotordrehzahl-Sollwerteingang
- 10
- Regler
- 11
- Istwert-Eingang
- 12
- Strom-Begrenzungseinrichtung
- 13
- I/U-Konverter
- 14
- Spannungs-Begrenzungseinrichtung
- 15
- Betriebsartenumschalter
- 16
- Eingang
- 17
- Anschlagerkennungseinrichtung