EP1642011A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des verdrehwinkels einer nockenwelle gegen ber der kurbelwelle eines verbrennungsmoto rs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des verdrehwinkels einer nockenwelle gegen ber der kurbelwelle eines verbrennungsmoto rs

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Publication number
EP1642011A1
EP1642011A1 EP04739675A EP04739675A EP1642011A1 EP 1642011 A1 EP1642011 A1 EP 1642011A1 EP 04739675 A EP04739675 A EP 04739675A EP 04739675 A EP04739675 A EP 04739675A EP 1642011 A1 EP1642011 A1 EP 1642011A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
camshaft
crankshaft
angle
rotation
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04739675A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Schäfer
Martin Steigerwald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Publication of EP1642011A1 publication Critical patent/EP1642011A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/352—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using bevel or epicyclic gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
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    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the angle of rotation of a camshaft relative to the crankshaft of an internal combustion engine, in particular according to the preamble of patent claim 1.
  • a camshaft adjuster is used to exactly maintain a set angle curve for the adjustment angle of the camshaft. Due to disturbance variables such as fluctuations in the drive torque of the camshaft, there are deviations between the setpoint and actual angles in practical engine operation. Reducing these deviations can lead to a reduction in pollutant emissions and fuel consumption, an increase in engine output and torque, as well as a reduction in the electrical system load when the engine is started and the engine speed at low idle. It is particularly important to maintain the optimum adjustment angle when starting the engine in order to reduce the high level of raw emissions in this operating state.
  • DE 43 17 527 A1 discloses a method for determining the angle of rotation ⁇ of a camshaft relative to the crankshaft of an internal combustion engine, which has a hydraulic camshaft adjuster with an electronic see controller and means for determining the angular position of the camshaft relative to the crankshaft.
  • the speed and angle of rotation of the crankshaft and camshaft are recorded to regulate the angle of rotation ⁇ of the camshaft.
  • Trigger wheels are attached to the crankshaft and camshaft.
  • One sensor each detects the respective reference and trigger marks, which are used in the electronic controller to determine the speed and angle of rotation of the shafts and to calculate the angle of rotation ⁇ .
  • the invention is therefore based on the object of creating a possibility of determining the angle of rotation ⁇ between a camshaft and the crankshaft of an internal combustion engine with high speed and accuracy.
  • the electromechanical camshaft adjuster offers the advantage of quick and exact adjustment and fixing of the angle of rotation ⁇ of the camshaft. This applies to the entire operating range of the internal combustion engine, including the starting phase.
  • the BLDC motor works with electronic commutation, so that the friction and wear of brushes and commutator are eliminated.
  • the low moment of inertia and the high torque of the permanent magnet rotor enable a high adjustment speed of the BLDC motor.
  • the electronic commutation takes place by means of commutation signals which are generated in sensors by the rotary movement of the permanent magnet rotor and processed in a commutation computer.
  • a sensor is required for each of the three phases of the stator.
  • the commutation signals are also suitable for determining the angle of rotation of the camshaft and, together with the reference and T ⁇ ggermark signals of the crankshaft trigger wheel, for determining the angle of rotation ⁇ of the camshaft.
  • the trigger wheel of the camshaft and its sensor, which would otherwise be required, are unnecessary. This saves costs, installation space and weight.
  • Known Hall and reluctance sensors or optical, inductive or capacitive sensors can be used as sensors for generating the commutation signals.
  • the generation of the commutation signals by self-induction in the three phases of the stator is particularly advantageous.
  • the consequent elimination of the sensors reduces the costs and the susceptibility to faults, in particular as a result of the high temperature of the BLDC motor.
  • the space requirement of the sensors and their construction costs are reduced by the fact that they can be installed in components of the BLDC motor that rotate at rotor speed, such as. B. bearing or sealing rings.
  • a trouble-free start and start-up of the internal combustion engine is ensured by the fact that a RAM or an EPROM is provided in a control unit or an active, storable Hall sensor which controls the counters and thus the Save or make recognizable the position of the camshaft at standstill or when starting the internal combustion engine.
  • the active Hall sensors already react to the north or south pole when voltage is applied and thus detect the position of the camshaft immediately after the ignition lock is actuated or when the internal combustion engine is started. In this way, the target adjustment position can also be adjusted or held during the starting process of the internal combustion engine.
  • the counter data stored in the memories enable the position of the camshaft to be recognized and corrected even when the engine is at a standstill. In both cases, fuel consumption and pollutant emissions are minimized in the critical starting phase.
  • the angular position information is lost when the internal combustion engine is switched off. Then the rotor must be synchronized to the crankshaft again when the engine is started. If the crankshaft sensor registers an uniquely identifiable event, for example a missing tooth on the starter ring gear, the position of the crankshaft at a fixed reference point, for example at top dead center of the first cylinder, is recognized. If a tooth of the trigger wheel of the camshaft passes the camshaft sensor, the position of the camshaft relative to a cam, for example the maximum stroke of the first cam, is clearly recognized.
  • the angular position of the camshaft relative to the crankshaft can be determined from the elapsed time between the event "missing tooth on crankshaft” and the event “trigger wheel tooth camshaft passes camshaft sensor".
  • the control unit determines the elapsed time from the set "time stamps" for the events.
  • the time stamps are set or generated using a high-frequency oscillating crystal. At this point in time, the rotor position can be clearly determined using the basic gear equation.
  • a second type of synchronization can be achieved by moving the stage to the mechanical end stop. If this position is reached, the position of the camshaft is relative to the crankshaft and thus the rotor position is also known from the three-shaft equation. This even works without a camshaft sensor.
  • a disadvantage of this type of synchronization is the influence of the timing drive expansion due to temperature changes and / or aging of the belt or elongation of the timing chain on the accuracy of the detection of the camshaft position.
  • resolver is a high-resolution encoder that enables the crankshaft signal to be measured at an angle or speed.
  • a resolver can be used as the basis for commutating the BLDC motor. During one revolution of the rotor, this can not only achieve a signal frequency of 'number of Hall sensors x number of poles' but a significantly higher resolution.
  • the resolver function can equally be integrated into the "sensor bearing” or "sensor sealing ring” components already mentioned.
  • the object of the invention is also achieved by the features of method claim 5.
  • the additive and multiplicative combination of the commutation and trigger signals offers an uncomplicated way of calculating the angle of rotation ⁇ .
  • twist angle ⁇ _ is calculated on the basis of the following counter-based relationship: A number Hall signal 360
  • Number of triggers number of trigger marks counted since the last reference mark
  • i gear ratio between the adjusting shaft and camshaft with the sprocket locked.
  • the trigger mark signals determined after passing through a reference mark are deleted after the next reference mark has been reached. This prevents adjustment errors due to counter errors. It also limits the amount of memory required.
  • An advantageous further development of the invention consists in that a change in the direction of rotation of the BLDC motor is determined by evaluating the change in the commutation signals which occurs, for which purpose these are differentiated and the differential of the commutation signals of one of the three Hall sensors with the status (high / low) of the differentials Commutation signals from the other two Hall sensors is combined. In this way, a change in the direction of rotation is recognized by appropriate software.
  • Another advantage for a quick and exact calculation of the angle of rotation ⁇ is that the counter and the time-based determination of the angle of rotation ⁇ can be combined. Because the camshaft approaches a reference position, for example a base position with a mechanical stop, at counter and time-based determination of the twist angle ⁇ or synchronizes itself to an edge of the camshaft trigger wheel in order to zero the counters, an exact calculation of the twist angle ⁇ is achieved ensured with reduced memory size.
  • a saving of memory space and computer capacity is also achieved by determining the phase relationship of the camshaft to the crankshaft by evaluating the difference between these signals in a position controller, which preferably works with the camshaft or crankshaft speed applied, with an integral ratio of the crankshaft signals to at least one sensor signal of the adjusting shaft. As long as there is no adjustment on the variable speed gear unit, it rotates as a whole, so that the speed difference must be zero. If the adjustment mechanism is used for adjustment, there is a difference between the adjustment shaft signals and the crankshaft signals. Since the gearbox is fixed in its translations, each signal difference can be assigned a unique phase position of the camshaft. Working with the signal difference therefore requires less storage capacity and computing power instead of the sum of the individual signals. In addition to increasing the resolution of the phase position or to check the plausibility of the phase position, the camshaft signal can be recorded and processed by calculation.
  • camshaft can be adjusted to any desired position after the ignition has been switched off and the internal combustion engine has stopped by a trailing BLDC engine or by a control unit overrun. In this way, there is no time loss when starting the desired rotation angle ⁇ An of the camshaft when the engine is started, so that an immediate start with the optimal rotation angle ⁇ is ensured.
  • the drawing shows an electromechanical camshaft adjuster with an adjusting gear designed as a three-shaft gear and an electric adjusting motor.
  • the single drawing shows the basic structure of an electromechanical camshaft adjuster, in which the solution according to the invention is used.
  • the camshaft 5 is connected to a crankshaft (not shown) via a three-shaft adjustment gear 1.
  • the first shaft 3 of the adjustment gear 1 is connected to the camshaft 5 in a rotationally fixed manner, the second shaft 4 via a camshaft drive wheel 7 by means of a chain or toothed belt to the crankshaft and as a third Shaft an adjusting shaft 6 with a permanent magnet rotor 8 of an adjusting motor designed as a BLDC motor 2 (brushless direct current motor).
  • a stator 9 of the same is firmly connected to a housing 10 of the internal combustion engine.
  • the stator is three-phase.
  • the BLDC motor 2 is electronically commutated via commutation signals.
  • the commutation signals are formed by the rotary movement of the permanent magnet rotor 8 in three Hall sensors, which are assigned to the three phases of the stator 9.
  • the permanent magnet rotor 8 is magnetized multipole on the circumference. With each revolution, a bipolar Hall sensor outputs one signal per pole, ie at one eight-pole magnet eight signals. With unipolar Hall sensors, only half the number of signals is output.
  • the camshaft 5 Since the camshaft 5 is in direct connection with the BLDC motor 2 via the three-shaft gearbox 1, the position of the camshaft 5 with the Hall sensors or their commutation signals can be determined as follows:
  • nvw - n NW xi + n chain X (i - 1) 0 (1)
  • n NW camshaft speed 5
  • n ⁇ eite camshaft drive wheel speed 7
  • the number of revolutions of the variable motor can be calculated directly from the number of Hall signals from a Hall sensor as follows:
  • the number of Hall signals results from the quotient of the number of signals from all Hall sensors and the number of Hall sensors.
  • crankshaft trigger wheel 7 there is a reference mark on a crankshaft trigger wheel, not shown, with which the number of revolutions of camshaft drive wheel 7 can be determined:
  • the number of determined trigger marks is reset after a new reference mark is reached.
  • the adjustment angle ⁇ can be determined directly from the number of Hall signals and the number of reference and trigger mark signals of the crankshaft trigger wheel: -AjlNumber H-lIsignalc 360 c
  • both the Hall signals of the BLDC motor 2 and the reference and trigger mark signals of the crankshaft trigger wheel are added up.
  • the current position of the camshaft 5 can thus always be determined using equation (9).
  • the camshaft 5 is moved into a reference position, e.g. B. moved to a basic position with a mechanical stop, zeroed the counter and started adding again. Although very large numbers are expected from the incrementing, the zeroing saves storage spaces.
  • the direction of rotation of the BLDC motor is also determined via the Hall sensors, since this can change depending on the direction of adjustment. In this case, the Hall signals are subtracted from the counter.
  • the direction of rotation can be determined by evaluating the sequence of the signals from the three Hall sensors. Detection is possible whenever one of the Hall signals changes. In order to recognize this, the signals of the Hall sensors ABC are differentiated. The direction of rotation can be determined if the differential is combined with the status (high / low) of another signal.
  • the counters are stored in a RAM or EPROM of the control unit, so that when the engine is started, the position of the camshaft is immediately known. Furthermore, it is advantageous to use active, storable Hall sensors that react to the north or south pole even when voltage is applied. Since the position of the camshaft 5 is recognized immediately after the ignition lock has been actuated or when the crankshaft and camshaft 5 start to rotate, in particular when an active, storable Hall sensor is used, the desired adjustment position can also be adjusted and held during the starting process of the internal combustion engine. This is advantageous because of the associated reduction in fuel consumption and exhaust gas emissions. Any desired adjustment position can also be approached to the same extent when the vehicle is parked after turning the ignition key. This is achieved by an active overrun of the BLDC motor 2 or the control unit. It is advantageous here to avoid wasting time when approaching the desired angle of rotation when starting the engine.
  • the angle of rotation is determined via the speed difference between the crankshaft and adjusting shaft 6.
  • ⁇ t time that passes between two or more trigger marks.
  • the speed of the BLDC motor 2 can be determined by the time that passes between two or more signals on the adjusting shaft.
  • nw ⁇ Ma g ⁇ etpole ( ⁇ t 'X k) With:
  • ⁇ Magnet oie angle between two magnetic poles
  • ⁇ t ' time that elapses between two signals on the adjusting shaft
  • K constant, which contains the number of sensor signals between two magnetic poles.
  • the adjustment angle can be determined as follows:

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels zwischen einer Nockenwelle (5) und der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, der einen Nockenwellenversteller mit einem elektronischen Regler und Mitteln zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle (5) und der Kurbelwelle aufweist, wobei an der Kurbelwelle zur Bestimmung der Drehwinkellage der Kurbelwelle ein Kurbelwellentriggerrad mit Referenz- und Triggermarken befestigt ist und ein elektromechanischer Nockenwellenversteller vorgesehen ist, der ein Dreiwellengetriebe (1) aufweist, dessen erste Welle (3) mit der Nockenwelle (5), dessen zweite Welle (4) über ein Nockenwellenantriebsrad (7) mit der Kurbelwelle und dessen dritte Welle als Verstellwelle (6) mit einem Dauermagnetrotor (8) eines BLDC-Motors (2) drehfest verbunden sind, wobei der BLDC-Motor (2) einen gehäusefesten Stator (9) und eine elektronische Kommutierung aufweist, die durch Kommutierungssignale gesteuert ist, die gleichzeitig zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle (5) und zusammen mit den Signalen des Kurbelwellentriggerrads zur Berechnung des Verdrehwinkels zwischen Nockenwelle (5) und Kurbelwelle dienen.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Ein Nockenwellenversteller dient der exakten Einhaltung eines Sollwinkelverlaufs des Verstellwinkels der Nockenwelle. Bedingt durch Störgrößen wie Schwankungen des Antriebsmoments der Nockenwelle kommt es im praktischen Motorbetrieb zu Abweichungen zwischen Sollwinkel- und Istwinkelverlauf. Eine Verringerung dieser Abweichungen kann zur Verringerung von Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch, zur Steigerung von Motorleistung und Drehmoment sowie zur Absenkung der Bordnetzbelastung beim Motorstart und der Motordrehzahl im niedrigen Leerlauf führen. Besonders wichtig ist die Einhaltung des optimalen Verstellwinkels beim Motorstart, um die hohe Schad- stoffrohemission in diesem Betriebszustand zu senken. In der DE 43 17 527 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels ΔΦ einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors offenbart, der einen hydraulischen Nockenwellenversteller mit einem elektroni- sehen Regler und Mittel zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle aufweist.
Bei diesem System wird zur Regelung des Verdrehwinkels ΔΦ der Nockenwelle die Drehzahl und Drehwinkellage der Kurbel- und Nockenwelle erfasst. Dazu dienen Triggerräder die an der Kurbel- und Nockenwelle befestigt sind. Je ein Sensor erfasst die jeweiligen Referenz- und Triggermarken, die in dem elektronischen Regler zur Bestimmung von Drehzahl und Drehwinkellage der Wellen und zur Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ dienen.
Nachteilig an dieser Lösung sind der erforderliche Aufwand und die unzureichende Genauigkeit der Signalerfassung sowie die bei hydraulischen Nocken- wellenverstellern relativ langsame, ungenaue und nur im normalen Motorbetrieb mögliche Verstellung des Verdrehwinkels ΔΦ.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Verdrehwinkel ΔΦ zwischen einer Nockenwelle und der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit zu bestimmen.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 gelöst.
Der elektromechanische Nockenwellenversteller bietet gegenüber hydraulischen Nockenwellenverstellem den Vorteil einer raschen und exakten Verstel- lung und Fixierung des Verdrehwinkels ΔΦ der Nockenwelle. Das gilt für den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors einschließlich der Anlassphase. Der BLDC-Motor arbeitet mit elektronischer Kommutierung, so dass die Reibung und der Verschleiß von Bürsten und Kommutator entfallen. Das geringe Trägheitsmoment und das hohe Drehmoment des Dauermagnetrotors ermöglichen eine hohe Verstellgeschwindigkeit des BLDC-Motors.
Die elektronische Kommutierung erfolgt mittels Kommutierungssignalen, die durch die Drehbewegung des Dauermagnetrotors in Sensoren erzeugt und in einem Kommutierungsrechner verarbeitet werden. Dabei ist ein Sensor für jede der drei Phasen des Stators erforderlich.
Die Kommutierungssignale eignen sich auch zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle und zusammen mit den Referenz- und Tπggermarken- signalen des Kurbelwellentriggerrads zum Bestimmen des Verdrehwinkels ΔΦ der Nockenwelle. Auf diese Weise erübrigen sich das sonst erforderliche Trig- gerrad der Nockenwelle und dessen Sensor. Dadurch werden Kosten, Bauraum und Gewicht eingespart.
Als Sensoren zur Erzeugung der Kommutierungssignale kommen an sich bekannte Hall- und Reluktanzsensoren oder optische, induktive oder kapazitive Sensoren in Frage.
Besonders vorteilhaft ist die Erzeugung der Kommutierungssignale durch Selbstinduktion in den drei Phasen des Stators. Der dadurch ermöglichte Fortfall der Sensoren vermindert die Kosten und die Störanfälligkeit insbesondere als Folge der hohen Temperatur des BLDC-Motors.
Der Bauraumbedarf der Sensoren und deren Bauaufwand werden dadurch gesenkt, dass diese in Bauteilen des BLDC-Motors einbaubar sind, die mit Rotordrehzahl umlaufen, wie z. B. Lager- oder Dichtringe.
Ein problemloser Start und Hochlauf des Verbrennungsmotors ist dadurch gewährleistet, dass ein RAM bzw. ein EPROM in einem Steuergerät oder ein aktiver, speicherfähiger Hallsensor vorgesehen sind, die die Zähler und damit die Position der Nockenwelle im Stillstand oder beim Anlassen des Verbrennungsmotors speichern bzw. erkennbar machen.
Die aktiven Hallsensoren reagieren bereits bei angelegter Spannung auf Nord- bzw. Südpol und erkennen so die Position der Nockenwelle unmittelbar nach Betätigung des Zündschlosses bzw. beim Anlassen des Verbrennungsmotors. Auf diese Weise kann ein Verstellen oder Halten der Sollverstellposition auch beim Anlassvorgang des Verbrennungsmotors erfolgen.
Die in den Speichern abgelegten Zählerdaten lassen die Position der Nockenwelle sogar schon bei Motorstillstand erkennen und korrigieren. In beiden Fällen werden Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission in der kritischen Startphase minimiert.
Im Allgemeinen geht beim Abstellen des Verbrennungsmotors die Winkellageninformation verloren. Dann muss beim Motorstart der Rotor zur Kurbelwelle erneut synchronisiert werden. Registriert der Kurbelwellensensor ein eindeutig identifizierbares Ereignis, beispielsweise einen fehlenden Zahn am Anlasserzahnkranz, so wird die Lage der Kurbelwelle zu einem festen Bezugspunkt, zum Beispiel zum oberen Totpunkt des ersten Zylinders erkannt. Kommt ein Zahn des Triggerrades der Nockenwelle am Nockenwellensensor vorbei so wird die Position der Nockenwelle zu einem Nocken, zum Beispiel dem maximalen Hub des ersten Nockens, eindeutig erkannt. Aus der verstrichenen Zeit zwischen dem Ereignis "fehlender Zahn an Kurbelwelle" und dem Ereignis "Triggerradzahn Nockenwelle kommt an Nockenwellensensor vorbei" kann man die Winkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle bestimmen. Die verstrichene Zeit ermittelt das Steuergerät aus den gesetzten "Zeitmarken" zu den Ereignissen. Die Zeitmarken werden über einen hochfrequent schwingenden Oszillatorquarz gesetzt bzw. erzeugt. Über die Getriebegrundgleichung ist spä- testens zu diesem Zeitpunkt die Rotorlage eindeutig bestimmbar.
Eine zweite Art der Synchronisierung kann man dadurch erreichen, dass der Versteller auf den mechanischen Endanschlag fährt. Wird diese Position erreicht, so ist die Position der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle und damit über die Dreiwellengleichung auch die Rotorposition bekannt. Dies funktioniert hierbei sogar ohne Nockenwellensensor. Nachteilig an dieser Art der Synchronisation ist der Einfluss der Steuertriebdehnung durch Temperaturänderung, und/oder Alterung des Riemens bzw. Längung der Steuerkette auf die Genau- igkeit der Erfassung der Nockenwellenposition.
Es kann sein, dass an Stelle des Zahnkranzes an der KW ein sogenannter Resolver oder ein dem Resolver funktionsgleiches Bauteil angebracht wird. Der Resolver ist im Prinzip ein hochauflösender Drehgeber, der die Winkel- bzw. Drehzahlerfassung des Kurbelwellensignals ermöglicht.
An Stelle der drei Hallgeber bzw. der genannten Alternativsensoren kann ein Resolver als Basis zur Kommutierung des BLDC-Motors verwendet werden. Dieser kann während einer Umdrehung des Rotors nicht nur eine Signalhäufig- keit von 'Anzahl Hallsensoren x Polzahl' sondern eine wesentlich höhere Auflösung erreichen. Die Resolverfunktion kann gleichermaßen in die bereits erwähnten Bauelemente "Sensorlager" oder "Sensordichtring" integriert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Verfahrensan- Spruchs 5 gelöst. Die additive und multiplikative Verknüpfung der Kommutie- rungs- und Triggersignale bietet einen unaufwändigen Weg zur Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass der Verdrehwin- kel ΔΦ aufgrund der folgenden zählerbasierten Beziehung berechnet wird: A Zahl Hallsignak 360
ΔΦ x- A zahlM-gnapok
Dabei bedeuten: AnzahlHaiisignaie = Anzahl der Signale eines Hallsensors, die sich aus dem Quotienten der Anzahl der Signale aller Hallsensoren und der Anzahl der Hallsensoren ergibt AnzahlMagnetpoie = Anzahl der Magnetpole des Dauermagnetrotors;
AnzahlReferenzmarke = Anzahl der Referenzmarken des Kurbelwellentriggerrads;
GesamtzahlTrigger= Anzahl der Triggermarken auf dem Kurbelwellentriggerrad;
Anzahlτrigger= Anzahl der gezählten Triggermarken seit der letzten Referenzmarke;
i = Getriebeübersetzung zwischen Verstellwelle und Nockenwelle bei festgehaltenem Kettenrad.
Von Vorteil ist, dass die nach Durchlaufen einer Referenzmarke ermittelten Triggermarkensignale nach Erreichen der nächsten Referenzmarke gelöscht werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass es aufgrund von Zählerfehlern zu Verstellfehlern kommt. Außerdem wird so die erforderliche Größe der Speicher begrenzt.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass eine Drehrichtungsänderung des BLDC-Motors durch Auswertung der dabei auftretenden Änderung der Kommutierungssignale ermittelt wird, wozu diese differenziert werden und das Differenzial der Kommutierungssignale eines der drei Hallsensoren mit dem Status (High/Low) der Differenziale der Kommutierungs- Signale der beiden anderen Hallsensoren kombiniert wird. Auf diese Weise wird eine Drehrichtungsänderung durch entsprechende Software erkannt.
Die zeitbasierte Bestimmung des Verdrehwinkels ΔΦ nach der Beziehung . , (■ (n™ - - 2 — n™ ) , ΔΦ= \ ^ x dt J i benötigt erheblich weniger Speicherplätze als die zählerbasierte.
Von Vorteil für eine schnelle und exakte Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ ist auch, dass die Zähler- und die zeitbasierte Ermittlung des Verdrehwinkels ΔΦ kombinierbar sind. Dadurch, dass die Nockenwelle bei Zähler- und zeitbasierter Ermittlung des Verdrehwinkels ΔΦ in regelmäßigen Abständen eine Referenzposition, beispielsweise eine Basisposition mit mechanischem Anschlag, anfährt oder sich zu einer Flanke des Nockenwellentriggerrades synchronisiert, um die Zähler zu Nullen, wird eine exakte Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ bei verringerter Speichergröße sichergestellt.
Eine Einsparung von Speicherplätzen und Rechnerkapazität wird auch dadurch erreicht, dass bei ganzzahligem Verhältnis der Kurbeiwellensignale zu mindestens einem Sensorsignal der Verstellwelle die Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle durch Auswertung der Differenz dieser Signale in einem Positionsregler bestimmt wird, der vorzugsweise mit aufgeschalteter Nockenwellenoder Kurbelwellendrehzahl arbeitet. Solange am Verstellgetriebe keine Verstel- lung erfolgt, läuft dieses als Ganzes um, so dass die Drehzahldifferenz Null ergeben muss. Erfolgt eine Verstellung durch das Verstellgetriebe, ergibt sich eine Differenz zwischen den Verstellwellensignalen und den Kurbelwellensignalen. Da das Getriebe in seinen Übersetzungen fest liegt, kann jeder Signaldifferenz eine eindeutige Phasenlage der Nockenwelle zugeordnet werden. Somit erfordert das Arbeiten mit der Signaldifferenz anstelle der Summe der Einzelsignale eine geringere Speicherkapazität und Rechenleistung. Das Nockenwellensignal kann zusätzlich zur Erhöhung der Auflösung der Phasenlage bzw. zur Plausibilisierung der Phasenlage erfasst und rechnerisch verarbeitet werden.
Vorteilhaft ist auch, dass die Nockenwelle nach Abstellen der Zündung und beim Auslaufen des Verbrennungsmotors durch einen nachlaufenden BLDC- Motor bzw. durch einen Steuergeräte-Nachlauf in jede gewünschte Position verstellbar ist. Auf diese Weise entfällt beim Motorstart der Zeitverlust durch Anfahren des gewünschten Verdrehwinkels ΔΦ der Nockenwelle, so dass ein sofortiger Start mit dem optimalen Verdrehwinkel ΔΦ gewährleistet ist. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.
Die Zeichnung zeigt dabei einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe und einem elektrischen Verstellmotor.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Zeichnung zeigt den Grundaufbau eines elektromechanischen No- ckenwellenverstellers, bei dem die erfindungsgemäße Lösung zum Einsatz ge- langt.
Eine Verbindung der Nockenwelle 5 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle erfolgt über ein dreiwelliges Verstellgetriebe 1. Die erste Welle 3 des Verstellgetriebes 1 ist mit der Nockenwelle 5 verdrehfest verbunden, die zweite Welle 4 über ein Nockenwellenantriebsrad 7 mittels Kette oder Zahnriemen mit der Kurbelwelle und als dritte Welle eine Verstellwelle 6 mit einem Dauermagnetrotor 8 eines als BLDC-Motor 2 (bürstenloser Gleichstrommotor) ausgebildeten Verstellmotors. Ein Stator 9 desselben ist mit einem Gehäuse 10 des Verbrennungsmotors fest verbunden. Der Stator ist dreiphasig ausgebildet.
Der BLDC-Motor 2 wird über Kommutierungssignale elektronisch kommutiert. Die Kommutierungssignale werden durch die Drehbewegung des Dauermagnetrotors 8 in drei Hallsensoren gebildet, die den drei Phasen des Stators 9 zugeordnet sind.
Der Dauermagnetrotor 8 ist am Umfang mehrpolig magnetisiert. Bei jeder Umdrehung gibt ein bipolarer Hallsensor pro Pol ein Signal aus, d. h. bei einem achtpoligen Magneten acht Signale. Bei unipolaren Hallsensoren wird nur die halbe Anzahl an Signalen ausgegeben.
Da die Nockenwelle 5 über das Dreiwellengetriebe 1 mit dem BLDC-Motor 2 in direkter Verbindung steht, kann die Lage der Nockenwelle 5 mit den Hallsensoren bzw. deren Kommutierungssignalen wie folgt bestimmt werden:
Die Drehzahlgrundgleichung eines Dreiwellengetriebes lautet wiefolgt: nvw - nNW x i + nKette X (i - 1 ) = 0 (1 ) wobei nNW = Drehzahl Nockenwelle 5 nκeite = Drehzahl Nockenwellenantriebsrad 7 n = Drehzahl Verstellwelle 6 i = Getriebeübersetzung bedeutet.
In Winkeln ausgedrückt gilt: Φv - ΦNW X ! + ΦKette X (i - 1 ) = 0 (2) mit: ΦNW = zurückgelegter Winkel Nockenwelle 5; ΦKette = zurückgelegter Winkel Nockenwellenantriebsrad 7; Φvw = zurückgelegter Winkel Verstellwelle 6.
Für den Verstellwinkel gilt:
ΔΦ = Φκette - ΦNockenwelle (3)
(2) in (3) ergibt:
ΔΦ = (ΦKette - Φvw) - i (4)
Für die zurückgelegten Winkel der einzelnen Wellen gilt: Φ = U x 360° (5) mit: U = Anzahl der Umdrehungen der jeweiligen Welle.
(5) in (4) ergibt:
ΔΦ = (UKette - Uvw) x 360° + i (6)
Die Anzahl der Umdrehungen des Verstellmotors kann direkt aus der Anzahl der Hallsignale eines Hallsensors wiefolgt berechnet werden:
. . _ Anza l-wi-ign... ,--,. Uvw ~ - ( ' ) Anza l Magnapol--
Die Anzahl der Hallsignale ergibt sich dabei aus dem Quotienten der Anzahl der Signale aller Hallsensoren und der Anzahl der Hallsensoren.
An einem nicht dargestellten Kurbelwellentriggerrad befindet sich zur Erkennung des Zylinders 1 eine Referenzmarke, mit der die Anzahl der Umdrehungen des Nockenwellenantriebsrades 7 ermittelt werden kann:
A ΔntTz7aQlhlllητnggeι U Kette - AnZahlReferenzmar e + - + 2 (8) Gesamtanzahlτπgger j mit:
Gesamtanzahl-rrigge. = Anzahl der Triggermarken auf dem Kurbelwellentriggerrad Anzahlτrigger = Anzahl der ermittelten Triggermarken seit der letzten Referenzmarke.
Die Anzahl der ermittelten Triggermarken wird nach dem Erreichen einer neuen Referenzmarke wieder genullt.
Mit (7) und (8) in (6) kann der Verstellwinkel ΔΦ direkt aus der Anzahl der Hallsignale und der Anzahl der Referenz- und Triggermarkensignale des Kurbel- wellentriggerrads ermittelt werden: -AjlZahl H-lIsignalc 360c
ΔΦ = Anzahl-ME-,* A Zähl rftrenzmaH<c+ ■ •5- 2 - Gesamtanzahlmge-r AnzahlM-g apoic (9)
Zum Regeln des Verdrehwinkels ΔΦ werden sowohl die Hallsignale des BLDC- Motors 2 als auch die Referenz- und Triggermarkensignale des Kurbelwellen- triggerrads aufaddiert. Über die Gleichung (9) lässt sich somit immer die aktuelle Position der Nockenwelle 5 bestimmen.
Um zu vermeiden, dass es aufgrund von Zählfehlern zu Verstellfehlern kommt, werden in regelmäßigen Abständen und bei geeigneten Fahrzuständen die Nockenwelle 5 in eine Referenzposition, z. B. eine Basisposition mit mechanischem Anschlag gefahren, die Zähler genullt und wieder mit dem Aufaddieren begonnen. Obwohl durch das Hochzählen mit sehr großen Zahlen gerechnet wird, werden durch das Nullen Speicherplätze gespart.
Über die Hallsensoren wird auch die Drehrichtung des BLDC-Motors ermittelt, da sich diese je nach Verstellrichtung ändern kann. In diesem Fall werden die Hallsignale vom Zähler subtrahiert.
Die Drehrichtung kann durch Auswertung der Reihenfolge der Signale der drei Hallsensoren ermittelt werden. Eine Erkennung ist jeweils dann möglich, wenn sich eines der Hallsignale ändert. Um dies zu erkennen werden die Signale der Hallsensoren ABC differenziert. Die Drehrichtung kann ermittelt werden, wenn das Differenzial mit dem Status (High/Low) eines anderen Signals kombiniert wird.
Beim Abstellen des Verbrennungsmotors werden die Zähler in einen RAM bzw. EPROM des Steuergeräts gespeichert, so dass beim Motorstart sofort bekannt ist, in welcher Position die Nockenwelle steht. Des Weiteren ist es von Vorteil, aktive, speicherfähige Hallsensoren zu verwenden, die bereits bei angelegter Spannung auf Nord- bzw. Südpol reagieren. Da die Position der Nockenwelle 5 insbesondere bei Verwendung eines aktiven, speicherfähigen Hallsensors unmittelbar nach Betätigung des Zündschlosses bzw. bei Drehbeginn von Kurbel- und Nockenwelle 5 erkannt werden, kann ein Verstellen und Halten der Sollverstellposition auch beim Start- Vorgang des Verbrennungsmotors erfolgen. Dies ist wegen der damit verbundenen Reduzierung von Brennstoffverbrauch und Abgasemission vorteilhaft. Im gleichen Maße kann auch jede gewünschte Verstellposition während des Ab- stellens des Fahrzeugs nach Drehen des Zündschlüssels angefahren werden. Dies wird durch einen aktiven Nachlauf des BLDC-Motors 2 bzw. des Steuerge- rätes erreicht. Vorteilhaft ist hier die Vermeidung des Zeitverlusts beim Anfahren des gewünschten Verdrehwinkels beim Motorstart.
Da für die zuvor beschriebene zählerbasierte Variante der Verdrehwinkelbestimmung sehr viel Speicherplatz benötigt wird, ist nachfolgend eine Variante beschrieben, die auf einer zeitbasierten Ermittlung des Verdrehwinkels beruht.
Bei der zeitbasierten Variante erfolgt die Verdrehwinkelermittlung über die Drehzahldifferenz zwischen Kurbelwelle und Verstellwelle 6.
Die Drehzahl der Kurbelwelle wird ermittelt, indem man die Zeit bestimmt, die zwischen zwei oder mehr Kurbelwellentriggermarken vergeht. Da die Triggermarken einen festen Winkel zueinander haben ergibt sich die Geschwindigkeit: n«W = ΔΦ-rriggermarken + Δt mit: nKw = Kurbelwellendrehzahl; Φγriggermarken = Winkel zwischen zwei oder mehr Kurbelwellentriggermarken;
Δt = Zeit, die zwischen zwei oder mehr Triggermarken vergeht.
Die Drehzahl des BLDC-Motors 2 kann durch die Zeit bestimmt werden, die zwischen zwei oder mehr Signalen auf der Verstellwelle vergeht. n w = ΔΦMagπetpole (Δt' X k) mit:
ΔΦMagnet oie = Winkel zwischen zwei Magnetpolen;
Δt' = Zeit, die zwischen zwei Signalen auf der Verstellwelle vergeht;
K = Konstante, die Anzahl von Sensorsignalen zwischen zwei Mag- netpolen beinhaltet.
Der Verstellwinkel lässt sich wie folgt bestimmen:
Auch bei der zeitbasierten Verdrehwinkelermittlung ist ein Anfahren einer Referenzmarke zum Nullen des Systems denkbar. Es ist aber auch denkbar, dass die Synchronisierung zwischen der Kurbelwelle, der Verstellwelle und der Nockenwelle in der oben bereits beschriebenen Art erfolgt. Ebenso ist auch eine Kombination aus Zähler- und zeitbasierter Verdrehwinkelermittlung möglich.
Bezugszeichenliste
Dreiwellengetriebe
BLDC-Motor
Erste Welle
Zweite Welle
Nockenwelle
Verstellwelle
Nockenwellenantriebsrad
Dauermagnetrotor
Stator
Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bestimmen des Verdrehwinkels ΔΦ zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen einer Nockenwelle (5) und der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, der einen Nockenwellenversteller mit einem e- lektronischen Regler und Mittel zur Bestimmung der Drehwinkeliage der Nockenwelle (5) und der Kurbelwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kurbelwelle zur Bestimmung der Drehwinkellage der Kurbelwelle ein Kurbelwellentriggerrad mit Referenz- und Triggermarken befestigt ist und dass ein elektromechanischer Nockenwellenversteller vorgesehen ist, der ein Dreiwellengetriebe (1) aufweist, dessen erste Welle (3) mit der Nockenwelle (5), dessen zweite Welle (4) über ein Nockenwellenantriebsrad (7) mit der Kurbelwelle und dessen dritte Welle als Verstellwelle (6) mit einem Dauermagnetrotor (8) eines BLDC-Motors (2) drehfest verbunden sind, wobei der BLDC-Motor (2) einen gehäusefesten Stator (9) mit vorzugsweise drei Phasen und eine elektronische Kommutierung aufweist, die durch Kommutierungssignale gesteuert ist, die gleichzeitig zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle (5) und zusammen mit den Signalen des Kurbelwellentriggerrads zur Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ zwischen Nockenwelle (5) und Kurbelwelle dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelwellentriggerrad als Zahnkranz oder Resolver ausgebildet ist und dass die Kommutierungssignale durch Hall- oder Reluktanzsensoren, durch optische, induktive oder kapazitive Sensoren oder sensorlos durch Selbstinduktion in den Phasen des Stators (9) erzeugbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in Bauteilen des BLDC-Motors (2) einbaubar sind, die mit Rotordrehzahl umlaufen, wie z. B. Lager- oder Dichtringe.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein RAM bzw. ein EPROM in einem Steuergerät oder ein aktiver, speicherfähiger Hallsensor vorgesehen sind, die die Zähler und damit die Position der No- ckenwelle (5) im Stillstand oder beim Anlassen des Verbrennungsmotors speichern bzw. erkennbar machen.
5. Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels ΔΦ zwischen einer Nockenwelle (5) und der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesonde- re unter Verwendung der Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehwinkel ΔΦ durch additive und multiplikative Verknüpfungen der Kommutierungs- und Triggerradssignale berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zählerbasierte Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ unter Verwendung der Kommutierungssignale von Hallsensoren auf folgender Beziehung beruht: f A-nZählTriggαniarkc 1 nZahll-alls.8i.alc 360 ΔΦ = AnZ t tRefercnz-iwkc " " x- X Gesamtzahlτrιgs™rt- 2 A Zähl Magn tpole
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Durchlaufen einer Referenzmarke ermittelten Triggermarkensignale nach Erreichen der nächsten Referenzmarke gelöscht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtungsänderung des BLDC-Motors (2) durch Auswertung der dabei auftretenden Änderung der Kommutierungssignale ermittelt wird, wozu diese differenziert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Differen- zial der Kommutierungssignale eines der drei Hallsensoren mit dem Status (High/Low) der Differenziale der beiden anderen Kommutationssignale kombiniert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitba- sierte Berechnung des Verdrehwinkels ΔΦ auf der folgenden Beziehung beruht: A .+. r (nκw ■ • 2 — nvw ) , , . ΔΦ = ^x dt , wobei J i nKw = Kurbelwellendrehzahl; n = Drehzahl des BLDC-Motors (2) und i = Getriebeübersetzung zwischen der Verstellwelle (6) und der Nockenwelle (5) bei stillstehendem Antriebsrad (7) bedeuten.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zählerund die zeitbasierte Ermittlung des Verdrehwinkels ΔΦ miteinander kombi- nierbar sind.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (5) bei Zähler- und zeitbasierter Ermittlung des Verdrehwinkels ΔΦ in regelmäßigen Abständen eine Referenzposition, beispielsweise eine Ba- sisposition mit mechanischem Anschlag anfährt, um die Zähler zu Nullen.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei ganzzahligem Verhältnis der Kurbelwellen- und Nockenwellensignale die Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle durch Auswertung der Differenz dieser Signale in einem Positionsregler bestimmt wird, der vorzugsweise mit aufgeschalteter Nockenwellen- oder Kurbelwellendrehzahl arbeitet
14. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (5) nach Abstellen der Zündung und beim Auslaufen des Ver- brennungsmotors durch einen nachlaufenden BLDC-Motor (2) bzw. durch einen Steuergeräte-Nachlauf in jede gewünschte Position verstellbar ist.
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