EP1812691B1 - Verfahren zum einstellen der drehwinkellage der nockenwelle einer hubkolben-verbrennungsmaschine relativ zur kurbelwelle - Google Patents

Verfahren zum einstellen der drehwinkellage der nockenwelle einer hubkolben-verbrennungsmaschine relativ zur kurbelwelle Download PDF

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EP1812691B1
EP1812691B1 EP05803851A EP05803851A EP1812691B1 EP 1812691 B1 EP1812691 B1 EP 1812691B1 EP 05803851 A EP05803851 A EP 05803851A EP 05803851 A EP05803851 A EP 05803851A EP 1812691 B1 EP1812691 B1 EP 1812691B1
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EP
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crankshaft
camshaft
signal
phase angle
value
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Minh Nam Nguyen
Heiko Dell
Holger Stork
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Schaeffler KG
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    • F01L2800/14—Determining a position, e.g. phase or lift
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/01—Absolute values

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the angular position of the camshaft of a reciprocating internal combustion engine relative to the crankshaft, according to the preamble of claim 1.
  • a method for adjusting the rotational angle position of the camshaft of a reciprocating internal combustion engine relative to the crankshaft is out DE 41 10 195 A1 known.
  • the rotational angle position of the camshaft is adjusted relative to the crankshaft by means of an electric motor which drives an adjusting shaft of a three-shaft transmission, which is arranged between the crankshaft and the camshaft.
  • a camshaft gear is provided which is driven by a chain of a rotatably connected to the crankshaft crankshaft gear.
  • the output shaft of the three-shaft transmission is rotatably connected to the camshaft.
  • the phase angle is measured and compared with the desired value signal.
  • the electric motor is driven in such a way that the deviation is reduced.
  • the relative displacement by means of a drive shaft connected to the stop element, which cooperates with a camshaft fixed counter-stop element, limited to a maximum adjustment.
  • this results in a better cylinder filling, whereby fuel can be saved, reduces the pollutant emissions and / or the output of the internal combustion engine can be increased.
  • this only applies to a limited extent to the starting process of the internal combustion engine since, during the starting process, there are still no measured value values for the phase position of the camshaft, and therefore the phase position can not be set optimally.
  • a tracking control circuit is provided, which is effective after interruption of the ignition circuit for the purpose of stopping the engine.
  • This tracking control circuit maintains an auxiliary ignition circuit for the duration of a few revolutions of the crankshaft. This ensures that when switching off the internal combustion engine, the camshafts are returned to the normal position.
  • this object is achieved in a method of the type mentioned in that when detecting the reference position with the ignition off and / or after falling below the minimum speed value, the energization of the electric motor to maintain the reference position is changed to a Garbestromung.
  • this object is achieved in a method of the type mentioned above in that with the drive shaft, a stop element and the camshaft is connected to a counter-stop element that the stop element comes to rest on the reference position on the counter-stop element, and that the rate of change of Phase angle signal is measured and the reaching of the reference position is detected on the basis of a magnitude decrease in the rate of change.
  • this object is achieved in a method of the type mentioned in that before switching off the ignition and / or before the rotational speed of the crankshaft is lowered below the minimum rotational speed value, a reference mark is generated when a predetermined reference rotational angular position of the crankshaft in the crankshaft sensor signal is reached, that upon the occurrence of the reference mark a rotational angle measuring signal is set to a value associated with the reference rotational angular position the rotational angle measurement signal is tracked when a change in state of the crankshaft sensor signal occurs, a position measurement signal is set to a position measurement signal start value, that the position measurement signal is updated whenever a change in state of the adjustment shaft sensor signal occurs that a camshaft signal is obtained when a predetermined rotational position of the camshaft is reached.
  • Reference signal is generated, that the measured values of the rotational angle measurement signal and the position measurement signal present in each case when the camshaft reference signal occurs determines and with these measured values and the gearbox parameter t is determined for the phase angle signal.
  • the camshaft is then arranged at the start of the internal combustion engine at the beginning of the starting process at or near the reference position relative to the crankshaft.
  • the camshaft can thereby be positioned early at the starting position of the internal combustion engine at the reference position in order to detect these with the aid of the sensor.
  • the phase angle signal may then be set at the reference position on a reference value associated therewith and thereafter regulated to the provided desired phase angle signal.
  • the rotational angle position can be adjusted relatively accurately to the desired phase angle signal shortly after the start of the internal combustion engine, which during the starting process allows low pollutant emissions and low fuel consumption of the internal combustion engine.
  • the energization of the electric motor for maintaining the reference position is changed to a holding current. If the Reference position should already be set before the camshaft and / or crankshaft of the internal combustion engine have come to a standstill, is achieved by the Garbestromung that the phase position does not run out of the reference position due to the still moving parts of the internal combustion engine.
  • the Garbestromung is terminated when the crankshaft and the camshaft have come to a standstill or the crankshaft reaches the minimum speed value again. After the crankshaft of the engine has reached zero speed, the Garbestromung is therefore switched off immediately to protect the electric motor on the one hand from overloading and on the other hand to protect the battery of the internal combustion engine. Should the crankshaft reach the minimum speed again after the crankshaft speed has previously been lowered below the minimum speed value by applying a corresponding brake torque to the crankshaft, the hold energization is also terminated to regain phase control to the desired phase angle signal.
  • a stop member and the camshaft is connected to the drive shaft, a stop member and the camshaft, a counter-stop element, wherein the stop element at the reference position on the counter-stop element comes to rest, and wherein the rate of change of the phase angle signal measured and the reaching of the reference position based on a decrease in the amount Rate of change is detected.
  • the rate of change of the phase angle signal is preferably controlled to a predetermined value. When reaching the reference position, the rate of change decreases despite this speed control, which allows a simple detection of the reference position.
  • a torque is applied to the adjusting shaft, which positions the stop element against the counter-stop element.
  • the stop element is then biased against the counter-stop element, which allows an exact positioning of the camshaft and crankshaft at the reference position.
  • the Haltebestromung is preferably carried out with a predetermined current.
  • control of the phase angle signal is continued after switching off the ignition and / or after falling below the minimum speed value, as long as the control device generates the desired phase angle signal and the speed of the crankshaft exceeds a predetermined limit, and then the camshaft with the aid of the electric motor is rotated in the direction of the reference position relative to the crankshaft.
  • An adjusting device for the rotational angle position of the camshaft 3 relative to the crankshaft 5 of a reciprocating internal combustion engine has according to Fig. 1 an adjusting 1, which is designed as a three-shaft gear with a crankshaft fixed drive shaft, a camshaft fixed output shaft and an adjusting shaft.
  • the adjusting mechanism may be a planetary gear, preferably a planetary gear.
  • the drive shaft is rotatably connected to a camshaft gear 2, which is in a conventional manner via a chain or a toothed belt with a rotatably mounted on the crankshaft 5 of the engine crankshaft gear in drive connection.
  • the output shaft is rotatably connected to the camshaft 3.
  • the adjusting is lubest connected to the rotor of an electric motor 4.
  • the adjusting gear 1 is integrated in the hub of the camshaft gear 2.
  • the adjusting device has a fixedly connected to the drive shaft of the Verstellgetriebes 1 stop element 6 and a counter-stop element 7 which is rotatably connected to the camshaft 3 and in the use position in a stop position on the Stop element 4 comes to rest.
  • a magnetic detector 8 which detects the tooth flanks of a toothed ring 9 consisting of a magnetically conductive material and arranged on the crankshaft 5.
  • a toothed ring 9 consisting of a magnetically conductive material and arranged on the crankshaft 5.
  • One of the tooth gaps or teeth of the toothed rim 9 has a greater width than the other tooth gaps or teeth and marks a reference rotational angle position of the crankshaft 5.
  • a reference mark is generated in the sensor signal of the magnetic detector 8, which is also referred to below as the crankshaft sensor signal. This is achieved in that the crankshaft sprocket 9 at the reference angular position has a larger gap than between its other teeth.
  • a rotation angle measurement signal is set to a value associated with the reference rotation angle position. Thereafter, the rotational angle measuring signal is tracked with each change in the state of the crankshaft sensor signal by triggering an interrupt in an operating program of a control device, in which the rotational angle measurement signal is incremented.
  • an EC motor which has a rotor, on the circumference of a series of magnet sections alternately magnetized in opposite directions is arranged, which interact magnetically via an air gap with teeth of a stator.
  • the teeth are wound with a winding, which is energized via a drive device.
  • the position of the magnet segments relative to the stator and thus the Verstellwellenen loftwinkel is detected by means of a measuring device having a plurality of magnetic field sensors 10 which are arranged offset to one another in the circumferential direction of the stator such that per revolution of the rotor, a number of magnetic segment sensor Combinations will go through.
  • the magnetic field sensors 10 generate a digital sensor signal which undergoes an order of sensor signal states resulting in a mechanical full turn of the rotor repeated as often as the measuring device has magnetic field sensors 10. This sensor signal is also referred to below as Verstellwellen sensor signal.
  • a Hall sensor 11 As a reference signal generator for the camshaft rotation angle, a Hall sensor 11 is provided, which cooperates with a arranged on the camshaft 3 trigger wheel 12. Upon reaching a predetermined angular position of the camshaft 3, a flank is generated in a camshaft reference signal. If the Hall sensor 11 detects the edge, an interrupt is triggered in an operating program of a control unit, in which the crankshaft rotation angle and the Verstellwellenen loftwinkel for the control of the phase angle are cached for further processing. This interrupt will also be referred to as a camshaft interrupt below. Finally, in the operating program of the control unit, a time-sliced interrupt is also triggered, which is referred to below as a cyclic interrupt.
  • the phase angle signal is thus, starting from a reference rotational angle value, tracked in a change in state of the crankshaft sensor signal and / or the Verstellwellen sensor signal.
  • the thus determined phase angle signal is controlled to a desired phase angle signal, which is provided by a control device, such as an engine control unit.
  • a control device such as an engine control unit.
  • phase angle signal phase velocity
  • electric motor 4 pulse width modulation with a predetermined pulse-pause ratio during the stop travel.
  • the phase angle value, the camshaft 3 has at the stop position relative to the crankshaft 5, is known and stored for example in the control device. This phase angle is also referred to below as the reference position.
  • the power supply to the electric motor 4 is stopped to protect it from overload.
  • the electric motor 4 is energized in such a way that the stop element 6 is positioned against the counter-stop element 7.
  • the crankshaft is connected to the camshaft 3 via a three-shaft transmission.
  • This has a crankshaft fixed drive shaft, a camshaft-fixed output shaft and driven by an electric motor 4 adjusting.
  • a crankshaft sensor signal is detected, which changes its state when the rotational angle of the crankshaft 5 changes.
  • a Verstellwellen sensor signal is detected, which changes its state in a change in the rotational position of the adjusting.
  • a change in state of the crankshaft sensor signal and / or the Verstellwellen sensor signal tracked a phase angle signal and controlled to a provided desired phase angle signal.
  • the ignition of the internal combustion engine is switched off and / or the speed of the crankshaft 5 is lowered below a predetermined minimum speed value.
  • the electric motor 4 is energized in such a way that the camshaft 3 rotates in the direction of a predetermined reference position relative to the crankshaft 5.
  • the camshaft 3 and crankshaft 5 are positioned corresponding to the reference position and this is detected by means of a sensor.
  • the phase angle signal is set to a reference value and then regulated to the desired phase angle signal.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle ist aus DE 41 10 195 A1 bekannt. Dabei wird die Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle mit Hilfe eines Elektromotors verstellt, der eine Verstellwelle eines Dreiwellengetriebes antreibt, das zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle angeordnet ist. Auf der Antriebswelle des Dreiwellengetriebes ist ein Nockenwellenzahnrad vorgesehen, das über eine Kette von einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Kurbelwellenzahnrad angetrieben wird. Die Abtriebswelle des Dreiwellengetriebes ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden. Um die Dreh- oder Phaselage, welche die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle aufweist, auf ein bereitgestelltes Sollphasenwinkelsignal zu regeln, wird der Phasenwinkel gemessen und mit dem Sollwertsignal verglichen. Beim Auftreten einer Abweichung wird der Elektromotor derart angesteuert, dass sich die Abweichung reduziert. Damit auch im Störungsfall der Verstellvorrichtung die Motorfunktion aufrechterhalten werden kann, wird die Relativverstellung mit Hilfe eines mit der Antriebswelle verbundenen Anschlagelements, das mit einem nockenwellenfesten Gegenanschlagelement zusammenwirkt, auf einen maximalen Verstellwinkel begrenzt. Im Vergleich zu einer entsprechenden Hubkolben- Verbrennungsmaschine, die mit konstanter Phasenlage betrieben wird, ergibt sich dadurch eine bessere Zylinderfüllung, wodurch Kraftstoff eingespart, der Schadstoffausstoß reduziert und/oder die Ausgangsleistung der Verbrennungsmaschine erhöht werden kann. Dies gilt jedoch für den Startvorgang der Verbrennungsmaschine nur bedingt, da während des Startvorgangs zum Teil noch keine Messwertwerte für die Phasenlage der Nockenwelle vorliegen, und daher die Phasenlage nicht optimal eingestellt werden kann.
  • Ein weiteres Verfahren ist in der WO 2005012698 A1 offenbart. Hier wird offenbart, dass durch einen aktiven Nachlauf des BLDC-Motors bzw. des Steuergerätes jede gewünschte Verstellposition während des Abstellens des Fahrzeugs nach Drehen des Zündschlüssels angefahren werden kann.
  • Darüber hinaus ist in der US 4,481,912 A eine Nachlaufsteuerschaltung vorgesehen, die nach Unterbrechung des Zündstromkreises zwecks Abstellung des Motors wirksam wird. Diese Nachlaufsteuerschaltung hält für die Dauer einiger Umdrehungen der Kurbelwelle einen Hilfszündstromkreis aufrecht. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Abstellen des Verbrennungsmotors die Nockenwellen in die Grundstellung zurückgefahren werden.
  • Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu anzugeben, das während des Startvorgangs der Verbrennungsmaschine einen geringen Schadstoffausstoß und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
  • In einer ersten Ausführungsform wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass beim Detektieren der Bezugsposition bei ausgeschalteter Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts die Bestromung des Elektromotors zum Beibehalten der Bezugsposition in eine Haltebestromung geändert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mit der Antriebwelle ein Anschlagelement und mit der Nockenwelle ein Gegenanschlagelement verbunden ist, dass das Anschlagelement an der Bezugsposition an dem Gegenanschlagelement zu Anlage kommt, und dass die Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkelsignals gemessen und das Erreichen der Bezugsposition anhand einer betragsmäßigen Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit detektiert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass vor dem Ausschalten der Zündung und/oder bevor die Drehzahl der Kurbelwelle unter den Mindestdrehzahlwert abgesenkt wird, beim Erreichen einer vorgegebenen Referenzdrehwinkellage der Kurbelwelle in dem Kurbelwellen-Sensorsignal eine Referenzmarke erzeugt wird, dass beim Auftreten der Referenzmarke ein Drehwinkelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt wird, dass das Drehwinkelmesssignal beim Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen- Sensorsignals nachgeführt wird, dass ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal- Startwert gesetzt wird, dass bei jedem Auftreten einer Zustandsänderung des Verstellwellen-Sensorsignals das Lagemesssignal nachgeführt wird, dass beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle ein Nockenwellen-Referenzsignal erzeugt wird, dass die beim Auftreten des Nockenwellen-Referenzsignals jeweils vorliegenden Messwerte des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals bestimmt und mit diesen Messwerten und der Getriebekenngröße ein Wert für das Phasenwinkelsignal ermittelt wird.
  • In vorteilhafter Weise ist dann beim nächsten Starten der Verbrennungsmaschine die Nockenwelle bereits zu Beginn des Startvorgangs an oder in der Nähe der Bezugsposition relativ zur Kurbelwelle angeordnet. Die Nockenwelle kann dadurch beim Starten der Verbrennungsmaschine frühzeitig an der Bezugsposition positioniert werden, um diese mit Hilfe des Sensors zu detektieren. Das Phasenwinkelsignal kann dann an der Bezugsposition auf einem diesen zugeordneten Bezugswert gesetzt und danach auf das bereitgestellte Sollphasenwinkelsignal geregelt werden. Somit kann die Drehwinkellage bereits kurz nach dem Start der Verbrennungsmaschine relativ genau auf das Sollphasenwinkelsignal eingestellt werden, was während des Startvorgangs einen geringen Schadstoffausstoß und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsmaschine ermöglicht.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Detektieren der Bezugsposition bei ausgeschalteter Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts die Bestromung des Elektromotors zum Beibehalten der Bezugsposition in eine Haltebestromung geändert. Falls die Bezugsposition bereits eingestellt sein sollte, bevor die Nockenwelle und/oder Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine zum Stillstand gekommen sind, wird durch die Haltebestromung erreicht, dass die Phasenlage aufgrund der noch in Bewegung befindlichen Teile der Verbrennungsmaschine nicht aus der Bezugsposition herausläuft.
  • Zweckmäßigerweise wird die Haltebestromung beendet, wenn die Kurbelwelle und die Nockenwelle zum Stillstand gekommen sind oder die Kurbelwelle den Mindestdrehzahlwert wieder erreicht. Nachdem die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors die Drehzahl Null erreicht hat, wird die Haltebestromung also gleich abgeschaltet, um den Elektromotor einerseits vor Überlastung zu schützen und andererseits die Batterie der Verbrennungsmaschine zu schonen. Sollte die Kurbelwelle den Mindestdrehzahlwert wieder erreichen, nachdem die Kurbelwellen-Drehzahl zuvor durch Aufbringen eines entsprechenden Bremsmoments an der Kurbelwelle unter den Mindestdrehzahlwert abgesenkt wurde, wird die Haltebestromung ebenfalls beendet, um die Phasenlage wieder auf das Sollphasenwinkelsignal zu regeln.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mit der Antriebwelle ein Anschlagelement und mit der Nockenwelle ein Gegenanschlagelement verbunden, wobei das Anschlagelement an der Bezugsposition an dem Gegenanschlagelement zu Anlage kommt, und wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkelsignals gemessen und das Erreichen der Bezugsposition anhand einer betragsmäßigen Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit detektiert wird. Während das Anschlagelement und das Gegenanschlagelement mit Hilfe des Elektromotors zum Positionieren der Nockenwelle an der Bezugsposition bei einer Anschlagfahrt aufeinander zu bewegt werden, wird die Änderungsgeschwindigkeit Phasenwinkelsignals vorzugsweise auf einen vorgegebenen Wert geregelt. Beim Erreichen der Bezugsposition nimmt die Änderungsgeschwindigkeit trotz dieser Geschwindigkeitsregelung ab, was auf einfache Weise eine Detektion der Bezugsposition ermöglicht.
  • Vorteilhaft ist, wenn bei der Haltebestromung mit Hilfe des Elektromotors ein Drehmoment auf die Verstellwelle aufgebracht wird, welches das Anschlagelement gegen das Gegenanschlagelement positioniert. Das Anschlagelement ist dann gegen das Gegenanschlagelement vorgespannt, was eine exakte Positionierung von Nockenwelle und Kurbelwelle an der Bezugsposition ermöglicht. Die Haltebestromung erfolgt vorzugsweise mit einer vorgegebenen Stromstärke.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die Regelung des Phasenwinkelsignals nach dem Ausschalten der Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts weitergeführt wird, solange die Steuereinrichtung das Sollphasenwinkelsignal generiert und die Drehzahl der Kurbelwelle einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und dass danach die Nockenwelle mit Hilfe des Elektromotors in Richtung auf die Bezugsposition relativ zur Kurbelwelle verdreht wird. Durch diese Maßnahme kann auch beim Stoppen der Verbrennungsmaschine ein geringer Schadstoffausstoß, und einen niedriger Kraftstoffverbrauch erreicht werden.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Ausschalten der Zündung und/oder bevor die Drehzahl der Kurbelwelle unter den Mindestdrehzahlwert abgesenkt wird, beim Erreichen einer vorgegebenen Referenzdrehwinkellage der Kurbelwelle in dem Kurbelwellen-Sensorsignal eine Referenzmarke erzeugt, wobei beim Auftreten der Referenzmarke ein Drehwinkelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt wird, wobei das Drehwinkelmesssignal beim Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals nachgeführt wird, wobei ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal- Startwert gesetzt wird, wobei bei jedem Auftreten einer Zustandsänderung des Verstellwellen-Sensorsignals das Lagemesssignal nachgeführt wird, wobei beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle ein Nockenwellen-Referenzsignal erzeugt wird, wobei die beim Auftreten des Nockenwellen-Referenzsignals jeweils vorliegenden Messwerte des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals bestimmt und mit diesen Messwerten und der Getriebekenngröße ein Wert für das Phasenwinkelsignal ermittelt. Dadurch kann die absolute Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle mit großer Präzision gemessen werden. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Teildarstellung einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine, die eine Einrichtung zum Einstellen der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle aufweist,
    Fig. 2
    eine Nockenwellen-Verstellvorrichtung,
    Fig. 3
    eine graphische Darstellung eines Zustandssignals für die Regelung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate das Zustandssignal aufgetragen sind,
    Fig. 4
    eine graphische Darstellung eines Einschaltsignals für die Zündung der Verbrennungsmaschine, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate das Einschaltsignal aufgetragen sind,
    Fig. 5
    eine graphische Darstellung des Drehzahlverlaufs einer Verbrennungsmaschine, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in U/min aufgetragen sind,
    Fig. 6
    eine graphische Darstellung des tatsächlichen Phasenwinkels (schraffierte Line) und eines Sollwertsignals (unschraffierte Line) für den Phasenwinkel, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Phasenwinkel in Grad aufgetragen sind und
    Fig. 7
    eine graphische Darstellung des Betriebsstroms eines Elektromotors, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Betriebsstrom in Ampere aufgetragen sind.
  • Eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle 3 relativ zur Kurbelwelle 5 einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine weist gemäß Fig. 1 ein Verstellgetriebe 1 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 5 des Verbrennungsmotors drehfest angeordneten Kurbelwellenzahnrad in Antriebsverbindung steht. Die Abtriebwelle ist drehfest mit der Nockenwelle 3 verbunden. Die Verstellwelle ist drehest mit dem Rotor eines Elektromotors 4 verbunden. Das Verstellgetriebe 1 ist in der Nabe des Nockenwellenzahnrads 2 integriert.
  • Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle 3 und der Kurbelwelle 5 der Verbrennungsmaschine weist die Verstellvorrichtung ein fest mit der Antriebwelle des Verstellgetriebes 1 verbundenes Anschlagelement 6 und ein Gegenanschlagelement 7 auf, das drehfest mit der Nockenwelle 3 verbundenen ist und in Gebrauchsstellung in einer Anschlagposition an dem Anschlagelement 4 zur Anlage kommt.
  • In Fig. 1 ist erkennbar, dass zur Messung des Kurbelwellendrehwinkels ein Magnetdetektor 8 vorgesehen ist, der die Zahnflanken eines aus einem magnetisch leitenden Werkstoff bestehenden, auf der Kurbelwelle 5 angeordneten Zahnkranzes 9 detektiert. Eine der Zahnlücken oder Zähne des Zahnkranzes 9 weist eine größere Breite auf als die anderen Zahnlücken bzw. Zähne und markiert eine Referenz-Drehwinkellage der Kurbelwelle 5.
  • Beim Erreichen der Referenz-Drehwinkellage wird in dem Sensorsignal des Magnetdetektors 8, das nachstehend auch als Kurbelwellen-Sensorsignal bezeichnet wird, eine Referenzmarke erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kurbelwellen-Zahnkranz 9 an der Referenz-Drehwinkellage eine größere Lücke aufweist als zwischen seinen übrigen Zähnen. Sobald die Referenzmarke in dem Kurbelwellen-Sensorsignal detektiert wird, wird ein Drehwinkelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt. Danach wird das Drehwinkelmesssignal bei jeder Änderung des Zustands des Kurbelwellen-Sensorsignals nachgeführt, indem in einem Betriebsprogramm eines Steuergeräts ein Interrupt ausgelöst, bei dem das Drehwinkelmesssignal inkrementiert wird.
  • Als Elektromotor 4 ist ein EC-Motor vorgesehen, der einen Läufer aufweist, an dessen Umfang eine Reihe von abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierten Magnetsegmenten angeordnet ist, die über einen Luftspalt mit Zähnen eines Stators magnetisch zusammenwirken. Die Zähne sind mit einer Wicklung bewickelt, die über eine Ansteuereinrichtung bestromt wird.
  • Die Lage der Magnetsegmente relativ zum Stator und damit der Verstellwellendrehwinkel wird mit Hilfe einer Messeinrichtung detektiert, die an dem Stator mehrere Magnetfeldsensoren 10 aufweist, die derart in Umfangsrichtung des Stators zueinander versetzt angeordnet sind, dass pro Umdrehung des Rotors eine Anzahl von Magnetsegment-Sensor-Kombinationen durchlaufen wird. Die Magnetfeldsensoren 10 erzeugen ein digitales Sensorsignal, das eine Reihenfolge von Sensorsignal-Zuständen durchläuft, die sich bei einer mechanischen Volldrehung des Rotors so oft wiederholt, wie die Messeinrichtung Magnetfeldsensoren 10 aufweist. Dieses Sensorsignal wird nachfolgend auch als Verstellwellen-Sensorsignal bezeichnet.
  • Beim Starten des Verbrennungsmotors wird - unabhängig von der Position, in der sich der Rotor bzw. die Verstellwelle gerade befindet - ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal-Startwert gesetzt. Dann wird die Verstellwelle verdreht, wobei bei jedem Zustandswechsel des Verstellwellen-Sensorsignals in dem Betriebsprogramm des Steuergeräts ein Interrupt ausgelöst wird, bei dem das Lagemesssignal nachgeführt wird.
  • Als Referenzsignalgeber für den Nockenwellendrehwinkel ist ein Hall-Sensor 11 vorgesehen, der mit einem auf der Nockenwelle 3 angeordneten Triggerrad 12 zusammenwirkt. Beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle 3 wird in einem Nockenwellen-Referenzsignal eine Flanke erzeugt. Wenn der Hall-Sensor 11 die Flanke detektiert, wird in einem Betriebsprogramm eines Steuergeräts ein Interrupt ausgelöst, bei dem der Kurbelwellendrehwinkel und der Verstellwellendrehwinkel für die Regelung des Phasenwinkels zur weiteren Verarbeitung zwischengespeichert werden. Dieser Interrupt wird nachstehend auch als Nockenwellen-Interrupt bezeichnet. Schließlich wird in dem Betriebsprogramm des Steuergeräts auch noch ein zeitscheibengesteuerter Interrupt ausgelöst, der nachfolgend als zyklischer Interrupt bezeichnet wird.
  • Mit Hilfe des Kurbelwellen-Drehwinkelmesssignals, des Lagemesssignals und einer Getriebekenngröße, nämlich der Übersetzung, die das Verstellgetriebe 1 bei stillstehender Antriebswelle zwischen der Verstellwelle und der Nockenwelle 3 aufweist, wird der aktuelle Phasenwinkel berechnet: ε Actl t = ε Abs + 1 - i g ⋅ 2 ⋅ ϕ Em , ICyc - ϕ Em , ICam - [ ϕ Cnk , ICyc - ϕ Cnk , ICam ]
    Figure imgb0001
  • Dabei sind
    • • ϕEm,ICyc = ϕEm(tICyc) der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors 4 von der letzten erkannten Kurbelwellen-Referenzmarke bis zum aktuellen zyklischen Interrupt,
    • • ϕCnk,ICyc = ϕCnk(tICyc) der Drehwinkel der Kurbelwelle 5 von der letzten erkannten Kurbelwellen-Referenzmarke bis zum aktuellen zyklischen Interrupt,
    • • ϕEm,ICam der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors 4 von der letzten erkannten Kurbelwellen-Referenzmarke bis zum letzten Nockenwellen-Interrupt,
    • • ϕCnk,ICam der Drehwinkel der Kurbelwelle 5 von der letzten erkannten Kurbelwellen-Referenzmarke bis zum letzten Nockenwellen-Interrupt,
    • • εAbs der absolute Phasenwinkel, der bei jedem Nockenwellen-Interrupt durch Messung ermittelt wird und gleich dem Kurbelwellendrehwinkel ϕCnk,ICyc zu diesem Zeitpunkt ist.
  • Das Phasenwinkelsignal wird also, ausgehend von einem Referenzdrehwinkelwert, bei einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals und/oder des Verstellwellen-Sensorsignals nachgeführt. Das so ermittelte Phasenwinkelsignal wird auf ein Sollphasenwinkelsignal geregelt, das von einer Steuereinrichtung, wie z.B. einem Motorsteuergerät, bereitgestelltes wird. Bei dem in Fig. 3 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiel findet diese Regelung mit einem Sollphasenwinkel von 125° zwischen den Zeitpunkten t=0.5 s und t=0.6 s bei einer Kurbelwellendrehzahl von etwa 1000 min-1 statt.
  • Wenn die Zündung der Verbrennungsmaschine bei laufender Verbrennungsmaschine ausgeschaltet und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle unter einen vorgegebenen Mindestdrehzahlwert abgesenkt wird, beispielsweise weil die Verbrennungsmaschine abgewürgt wird, wird eine Motorstoppstrategie eingeleitet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bis 7 wird die Zündung zum Zeitpunkt t=0.6 s ausgeschaltet. In Fig. 6 ist deutlich erkennbar, dass ab diesem Zeitpunkt die Drehzahl der Kurbelwelle 5 etwa rampenförmig bis auf den Wert null abnimmt. Die Regelung des Phasenwinkelsignals zunächst noch weitergeführt, solange die Steuereinrichtung das Sollphasenwinkelsignal generiert und die Drehzahl der Kurbelwelle 5 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  • Sobald die Referenz-Drehwinkellage der Kurbelwelle 5 und/oder die Flanke im Nockenwellen-Referenzsignal beim Unterschreiten des vorgegebenen Grenzwerts wegen starker Schwingungen nicht mehr oder nur unsicher erkannt werden, wird der Phasenwinkel bezüglich der letzten sicher erkannten Referenz-Drehwinkellage ermittelt: ε Actl t = ε Rc ⁢ f + 1 - i g ⋅ 2 ⋅ ϕ Em t - ϕ Em , Re ⁢ f - [ ϕ Cnk t - ϕ Cnk , Re ⁢ f ] ,
    Figure imgb0002
    wobei
    • • εRef der absolute Phasenwinkel beim letzten Nockenwellen-Interrupt, bei dem die Referenz-Drehwinkellage sicher erkannt wurde,
    • • ϕEm,Ref = ϕEm(tRef) der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors 4 beim letzten Nockenwellen-Interrupt, bei dem die Referenz-Drehwinkellage sicher erkannt wurde,
    • • ϕCnk,Ref = ϕCnk(tRef) der Drehwinkel der Kurbelwelle 5 beim letzten Nockenwellen-Interrupt, bei dem die Referenz-Drehwinkellage sicher erkannt wurde,
    • • ϕEm(t) der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors 4 seit dem letzten Nockenwellen-Interrupt, bei dem die Referenz-Drehwinkellage sicher erkannt wurde, und
    • • ϕCnk(t) der Drehwinkel der Kurbelwelle 5 seit dem letzten Nockenwellen-Interrupt, bei dem die Referenz-Drehwinkellage sicher erkannt wurde,
    bedeuten.
  • Zum Zeitpunkt t=0.8 s wird die Regelung des Phasenwinkelsignals beendet. Danach wird der Elektromotor 4 - während sich die Kurbelwelle 5 und/oder Nockenwelle 3 noch drehen - derart bestromt, dass sich das Anschlagelement 6 auf das Gegenanschlagelement 7 zu bewegt und an diesem zur Anlage kommt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bis 7 beginnt die Anschlagfahrt im Zeitpunkt t=0.8 s. In Fig. 6 ist erkennbar, dass der Phasenwinkel zwischen t=0.8 s und t=0.94 s etwa rampenförmig mit einer Geschwindigkeit von ca. 250° Kurbelwelle/s ansteigt, bis die Anschlagposition bei einem Phasenwinkel von 154° erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, die Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkelsignals (Phasengeschwindigkeit) während der Anschlagfahrt auf den Wert von 250° Kurbelwelle/s geregelt wird. Es ist aber auch möglich, während der Anschlagfahrt den Elektromotor 4 durch Pulsweitenmodulation mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis anzusteuern. Der Phasenwinkelwert, den die Nockenwelle 3 an der Anschlagposition relativ zur Kurbelwelle 5 aufweist, ist bekannt und beispielsweise in der Steuereinrichtung gespeichert. Dieser Phasenwinkel wird nachstehend auch als Bezugsposition bezeichnet.
  • Bei t=0.94 s wird die Bezugsposition erreicht. Anhand der an der Bezugsposition auftretenden Abnahme der Phasengeschwindigkeit wird die Bezugsposition bei t=0.9655 s detektiert, woraufhin die Bestromung des Elektromotors 4 auf eine Haltebestromung umgeschaltet wird. Diese bewirkt, dass das Anschlagelement gegen das Gegenanschlagelement gedrückt wird. In Fig. 7 ist erkennbar, dass die Haltebestromung bei t=0.9655 s beginnt und bei t=1 s endet, wenn die Kurbelwellen-Drehzahl den Wert null erreicht. Bei t=1 s wird die Stromzufuhr zu dem Elektromotor 4 beendet, um ihn vor Überlastung zu schützen.
  • Bei dem in Fig. 3 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die nach dem Ausschalten der Zündung noch etwa 200 ms weitergeführt. Die abgeschlossene Anschlagfahrt beim Motorstop ermöglicht beim darauf folgenden Startvorgang der Verbrennungsmaschine eine frühe Regelung der Phasenlage relativ zu der Bezugsposition. Wie in Fig. 5 erkennbar ist, wird der Verbrennungsmotor bei t=1.12 s neu gestartet. Anschließend steigt die Kurbelwellendrehzahl rampenförmig auf einen Wert von 1000 min-1, welcher der Leerlaufdrehzahl der Verbrennungsmaschine entspricht.
  • Zwischen t=1.14 s und t=1.16 s wird der Elektromotor 4 derart bestromt, dass das Anschlagelement 6 gegen das Gegenanschlagelement 7 positioniert wird. Etwa bei t=1.16 s, also bereits 40 ms nach dem Motorstart, wird die Bezugsposition detektiert und das Phasenwinkelsignal auf den Bezugswert gesetzt. Danach wird Phasenwinkelsignal auf das Sollphasenwinkelsignal geregelt. Ab dem Zeitpunkt t=1.4 s wird der Phasenwinkel bezüglich der Referenzdrehwinkellage geregelt.
  • Bei dem Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle 3 einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle 5 ist also die Kurbelwelle über ein Dreiwellengetriebe mit der Nockenwelle 3 verbunden. Dieses hat eine kurbelwellenfeste Antriebwelle, eine nockenwellenfeste Abtriebswelle und eine von einem Elektromotor 4 angetriebene Verstellwelle. Es wird ein Kurbelwellen-Sensorsignal erfasst, das bei einer Drehwinkeländerung der Kurbelwelle 5 seinen Zustand ändert. Ferner wird ein Verstellwellen-Sensorsignal erfasst, das bei einer Veränderung der Drehlage der Verstellwelle seinen Zustand ändert. Ausgehend von einem Referenzdrehwinkelwert, wird bei einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals und/oder des Verstellwellen-Sensorsignals ein Phasenwinkelsignal nachgeführt und auf ein bereitgestelltes Sollphasenwinkelsignal geregelt. Dann wird die Zündung der Verbrennungsmaschine ausgeschaltet und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle 5 unter einen vorgegebenen Mindestdrehzahlwert abgesenkt. Während sich die Kurbelwelle 5 und/oder Nockenwelle 3 noch dreht, wird der Elektromotor 4 derart bestromt, dass sich die Nockenwelle 3 in Richtung auf eine vorgegebene Bezugsposition relativ zur Kurbelwelle 5 verdreht. Beim nächsten Starten der Verbrennungsmaschine werden Nockenwelle 3 und Kurbelwelle 5 entsprechen der Bezugsposition positioniert und dies wird mit Hilfe eines Sensors detektiert. Das Phasenwinkelsignal wird auf einen Bezugswert gesetzt und danach auf das Sollphasenwinkelsignal geregelt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verstellgetriebe
    2
    Nockenwellenzahnrad
    3
    Nockenwelle
    4
    Elektromotor
    5
    Kurbelwelle
    6
    Anschlagelement
    7
    Gegenanschlagelement
    8
    Magnetdetektor
    9
    Zahnkranz
    10
    Magnetfeldsensor
    11
    Hall-Sensor
    12
    Triggerrad

Claims (6)

  1. Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle (3) einer Hubkolben- Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle (5), wobei die Kurbelwelle (5) über ein Verstellgetriebe (1) mit der Nockenwelle (3) in Antriebsverbindung steht, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer mit einem Elektromotor (4) in Antriebsverbindung stehenden Verstellwelle ausgebildet ist, wobei die Kurbelwelle (5) verdreht und ein Kurbelwellen- Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Drehwinkeländerung der Kurbelwelle (5) seinen Zustand ändert, wobei die Verstellwelle verdreht und ein Verstellwellen-Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Veränderung der Drehlage der Verstellwelle seinen Zustand ändert, wobei ein Phasenwinkelsignal, ausgehend von einem einer Referenzdrehwinkellage zugeordneten Referenzdrehwinkelwert, bei einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals und/oder des Verstellwellen-Sensorsignals nachgeführt wird, wobei das Phasenwinkelsignal auf ein bereitgestelltes Sollphasenwinkelsignal geregelt wird, und wobei die Zündung der Verbrennungsmaschine ausgeschaltet und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle (5) unter einen vorgegebenen Mindestdrehzahlwert abgesenkt wird, wobei bei ausgeschalteter Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts der Kurbelwelle (5) der Elektromotor (4) - während sich die Kurbelwelle (5) und/oder Nockenwelle (3) noch dreht - derart bestromt wird, dass sich die Nockenwelle (3) in Richtung auf eine vorgegebene Bezugsposition relativ zur Kurbelwelle (5) verdreht, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren der Bezugsposition bei ausgeschalteter Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts die Bestromung des Elektromotors (4) zum Beibehalten der Bezugsposition in eine Haltebestromung geändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltebestromung beendet wird, wenn die Kurbelwelle (5) und die Nockenwelle (3) zum Stillstand gekommen sind oder die Kurbelwelle (5) den Mindestdrehzahlwert wieder erreicht.
  3. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Antriebwelle ein Anschlagelement (6) und mit der Nockenwelle (3) ein Gegenanschlagelement (7) verbunden ist, dass das Anschlagelement (6) an der Bezugsposition an dem Gegenanschlagelement (7) zu Anlage kommt, und dass die Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkelsignals gemessen und das Erreichen der Bezugsposition anhand einer betragsmäßigen Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit detektiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Haltebestromung mit Hilfe des Elektromotors (4) ein Drehmoment auf die Verstellwelle aufgebracht wird, welches das Anschlagelement (6) gegen das Gegenanschlagelement (7) positioniert.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Phasenwinkelsignals nach dem Ausschalten der Zündung und/oder nach dem Unterschreiten des Mindestdrehzahlwerts weitergeführt wird, solange die Steuereinrichtung das Sollphasenwinkelsignal generiert und die Drehzahl der Kurbelwelle (5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und dass danach die Nockenwelle (3) mit Hilfe des Elektromotors (4) in Richtung auf die Bezugsposition relativ zur Kurbelwelle (5) verdreht wird.
  6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausschalten der Zündung und/oder bevor die Drehzahl der Kurbelwelle (5) unter den Mindestdrehzahlwert abgesenkt wird, beim Erreichen einer vorgegebenen Referenzdrehwinkellage der Kurbelwelle (3) in dem Kurbelwellen-Sensorsignal eine Referenzmarke erzeugt wird, dass beim Auftreten der Referenzmarke ein Drehwinkelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt wird, dass das Drehwinkelmesssignal beim Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen- Sensorsignals nachgeführt wird, dass ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal- Startwert gesetzt wird, dass bei jedem Auftreten einer Zustandsänderung des Verstellwellen-Sensorsignals das Lagemesssignal nachgeführt wird, dass beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle (3) ein Nockenwellen-Referenzsignal erzeugt wird, dass die beim Auftreten des Nockenwellen-Referenzsignals jeweils vorliegenden Messwerte des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals bestimmt und mit diesen Messwerten und der Getriebekenngröße ein Wert für das Phasenwinkelsignal ermittelt wird.
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