EP4453390A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine

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EP4453390A1
EP4453390A1 EP22821291.6A EP22821291A EP4453390A1 EP 4453390 A1 EP4453390 A1 EP 4453390A1 EP 22821291 A EP22821291 A EP 22821291A EP 4453390 A1 EP4453390 A1 EP 4453390A1
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EP
European Patent Office
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camshaft
control unit
network topology
signal
internal combustion
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EP22821291.6A
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EP4453390C0 (de
EP4453390B1 (de
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Christian Karbacher
Andreas Thoelke
Gerulf PEDERSEN
Ikechukwu Martins Onwuegbulam
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Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a crankshaft and a plurality of adjustable camshafts. Furthermore, the invention includes a method for assembling the internal combustion engine and preparing for its operation.
  • an operating method for an internal combustion engine with an electromechanical camshaft adjuster is described in DE 102 59 133 A1.
  • the camshaft adjuster an arrangement for adjusting the rotational angle relationship between a camshaft and a crankshaft of the internal combustion engine, has a modular structure.
  • components of the arrangement are also used in part by other control and regulating devices of the internal combustion engine.
  • a control unit of the electric motor of the camshaft adjuster is connected to a second control unit, which is the engine control unit of the internal combustion engine.
  • Hydraulic or electromechanical camshaft adjusters are mainly used as camshaft adjusters.
  • the latter are more complex and expensive, but compared to hydraulic camshaft adjusters, they have improved response behavior and the advantage that the camshaft can be adjusted even when the combustion engine is at a standstill.
  • DE 10 2019 113 300 B3 shows camshaft control units with two different network topologies, one of which is the CAN bus and the other bus fulfills real-time requirements.
  • camshaft adjusters can be adjusted independently of each other and can be addressed individually via the CAN bus by an engine control unit in order to be able to display the greatest possible variability.
  • valve train is complex to manufacture and assemble, so that it is desirable to use as many identical parts as possible.
  • camshaft adjusters it is still necessary for the camshaft adjusters to be individually adjustable. To do this, they must be set in such a way that they only react to the CAN signal intended for them and set the desired target angle.
  • each camshaft adjuster has a motor including electronics and software, with each electric motor taking over the determination of the angle and the control loop of an individual camshaft.
  • each electric motor taking over the determination of the angle and the control loop of an individual camshaft.
  • different configuration data sets are stored in a memory of the electronics. This requires either that different configurations must be kept ready during manufacture and during assembly of the internal combustion engine. Both make production more expensive and harbor the risk of confusion during assembly if the components are otherwise identical or similar on the outside in order to benefit from the principle of identical parts.
  • the invention is based on the object of further developing an internal combustion engine with a plurality of camshaft adjusters compared to the prior art mentioned with the aspect of using resources as efficiently as possible. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a method in which the correct Correct assignment of the camshaft control units can be carried out as automatically as possible.
  • the first subtask is solved by an internal combustion engine with the features of claim 1 .
  • the second subtask is solved by a method with the features according to claim 6 .
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating piston engine and preferably forms a four-stroke engine. It has a crankshaft, which drives a number of camshafts via a timing drive, by means of which the gas exchange takes place as part of the valve drive.
  • the angular position of the crankshaft can be determined by a crankshaft sensor.
  • the crankshaft angle is calculated from the signal from the crankshaft sensor. The calculation can be performed by evaluation electronics located on the sensor, in a central engine control unit or in another control unit.
  • an engine control unit makes the crankshaft signal available for other engine sub-assemblies.
  • the signal can only be amplified in its signal strength and/or additionally enriched with information.
  • Signal processing is also possible, so that the crankshaft angle calculated from the crankshaft signal is distributed as a new crankshaft signal. In the latter case it can be sent digitally in the form of discrete values, preferably it is provided as a continuous analogue signal.
  • the internal combustion engine has multiple camshafts. For many internal combustion engines, it makes sense to provide one camshaft for each row of valves in order to minimize the moving masses. For example, two intake camshafts and two exhaust camshafts are provided in a V engine according to the invention.
  • At least some, and preferably all, of the camshafts are phased relative to the crankshaft by a cam shaft physically connected to the camshaft.
  • the invention also includes internal combustion engines in which only some of the camshafts are equipped with camshaft adjusters or in which one or more camshaft adjusters do not have the properties of claim 1 or participate in the method according to claim 6. These camshaft phasers could have a logical assignment hard coded, or their logical assignment is done by hand.
  • camshaft adjusters are controlled or regulated by camshaft control units. These are usually formed by a controller, which is arranged, for example, in part of an electric motor of an electric camshaft adjuster.
  • each camshaft adjuster has its own camshaft control unit.
  • the camshaft control unit can be used to adjust the camshaft adjuster to a target value predetermined by the engine control unit.
  • At least two, preferably all, camshaft control units are connected to one another in line. Connected in line means a linear network topology. This means that the camshaft control units logically form a chain, of which all chain links apart from the outer ones each have a predecessor and a successor. One of the initially outer chain links can be connected to the engine control unit, which then forms the beginning of the chain. The other outer chain link is preferably left unconnected at one end.
  • the first network topology is preferably specified physically.
  • the camshaft control units are connected to one another, for example by cables.
  • the crankshaft signal is transmitted via this first network topology, forwarding of the crankshaft signal being prevented in a first state of a camshaft control unit.
  • the crankshaft signal is forwarded. It can be passed on unprocessed or amplified. It can be processed or enriched with additional information ones done for example by modulation.
  • the crankshaft signal is preferably replicated by the camshaft control unit in the second state. As soon as the camshaft control unit transmits the crankshaft signal, it sends out an additional signal in parallel.
  • the predefined, linear network topology enables a delayed, logical assignment of the camshaft control units to the camshaft adjusters.
  • the camshaft adjusters including the camshaft control units, can be provided as identical parts. Installation is also simplified, because camshaft adjusters or camshaft control units cannot be confused during installation.
  • the camshaft adjusters can be physically installed together with a camshaft control unit. During assembly, however, the camshaft control unit does not know which camshaft it logically belongs to and therefore which camshaft control signal sent by the engine control unit it should respond to.
  • Each camshaft control unit that receives the crankshaft signal determines the additional signals arriving at the same time or within a predetermined time window. If a camshaft control unit only receives the crankshaft signal within a specified time interval, but no additional signal, it assigns itself the logical number 1 in the linear network topology and will henceforth process camshaft control signals from the engine control unit that are intended for the first camshaft. After the logical assignment to the first camshaft, the camshaft control unit changes to the second state. In this, it forwards the crankshaft signal and sends an additional signal at the same time. This can be information about his successful assignment, usually this will include his number.
  • the additional signal can also be transmitted on the first network topology the. It is preferably transmitted on a second network topology, for example a CAN bus.
  • the second network topology has fewer bandwidth limitations and is not limited to a linear topology. It is therefore advantageous that the second and the first network topology are physically separate and designed differently.
  • the camshaft control unit that is physically next in the first network topology receives the crankshaft signal and at the same time the information of the additional signal of the first camshaft control unit, but no further additional signal. This allows her to deduce that she is the second link in the chain and logically assign the number 2 to herself. Like the first camshaft control unit before it, it changes from the first state to the second state and now forwards the crankshaft signal together with its own additional information. All subsequent camshaft control units follow the same principle and can determine their own position in the chain from the amount of additional information sent or from the highest number sent.
  • the engine control unit can end the learning process as soon as it receives an additional signal from the last camshaft control unit.
  • a PWM or pulse signal could also be generated in which the motor number is communicated to the following motor. This can also be provided as a fallback solution, for example if CAN reception is disrupted.
  • each camshaft control unit can be provided with a permanent data memory, for example an EEPROM, in which the information about the logical assignment is stored, so that the learning process only has to be carried out once.
  • a permanent data memory for example an EEPROM
  • the learning process takes place automatically before the internal combustion engine is started if the engine control unit does not receive any information about its logical assignment from one of the camshaft control units within a predetermined time window.
  • teaching takes place each time the internal combustion engine is started.
  • the teach-in described in this way is superior to manual assignment because the teach-in only needs to be initiated centrally once. Furthermore, no physical access to the camshaft control units is required after installation. In addition, an incorrect assignment, for example a double assignment, is excluded. There is also little additional effort during assembly, because the camshaft control units are fitted with connectors anyway, so that the additional effort is kept within limits.
  • camshaft adjusters are installed on the intake side and on the exhaust side.
  • the intake camshafts are often equipped with electric camshaft adjusters and the exhaust camshafts with hydraulic camshaft adjusters.
  • the camshaft control units also differ.
  • their logical position can be determined in other ways.
  • the different camshaft adjuster types can form two chains. Then the teaching method according to the invention is applied to each chain.
  • a camshaft position is only regulated after the logical assignment of the corresponding camshaft control unit. This avoids situations in which the internal combustion engine does not start or in which damage can occur due to different cam geometries. Alternatively, control or regulation takes place in a range that allows emergency operation of the internal combustion engine.
  • the invention enables a common parts strategy in which identical camshaft adjusters including camshaft control units can be installed by the camshaft control units themselves learning which camshaft they are mounted on and logically assigned to.
  • FIG. 1 shows a symbolized representation of an internal combustion engine with a camshaft adjuster, a camshaft control unit and an engine control unit, and
  • FIG. 2 shows a symbolized representation of an engine control unit that is connected to four camshaft control units via a first network topology.
  • An actuating gear 4 of the camshaft adjuster 3 is constructed as a three-shaft gear, for example a strain wave gear.
  • a first shaft of the setting gear 4 is identical to or permanently connected to a belt or chain wheel and rotates in a manner known per se at half the crankshaft speed of the internal combustion engine 1.
  • a second, output-side shaft of the setting gear 4 is non-rotatably connected to the camshaft 10 to be adjusted (Fig 2) connected.
  • this has a third shaft in the form of an adjusting shaft, which is non-rotatably connected to the motor shaft of an electric motor 5, which is attributable to the camshaft adjuster 3. is coupled.
  • the electric motor 5 is controlled by the camshaft control unit 6 via a line 9 .
  • the camshaft control unit 6 is via a second network topology, in the present case a CAN bus 8, linked to the engine control unit of the internal combustion engine 1, which is denoted by 7 .
  • the engine control unit 7 is only loaded to a minor extent by the processing of data relating to the operation of the camshaft adjuster 3 .
  • FIG. 1 shows only one camshaft adjuster 3 .
  • the camshaft control unit 6 is linked to the engine control unit 7 and which forms part of a first network topology 16 .
  • Line 15 is used to send the crankshaft signal from engine control unit 7 to camshaft control unit 6 .
  • the data volume of the transmitted crankshaft signal is only a small fraction of the data transmitted via the CAN bus 8 between the camshaft control unit 6 and the engine control unit 7 .
  • the information is thus available practically in real time with the aid of the line 15.
  • FIG. 2 shows the first network topology 16 with an engine control unit 7 and four camshaft control units 21, 22, 23, 24, which are connected to one another by a line 15 designed as a cable.
  • the camshaft control units 21 , 22 , 23 , 24 are integrated into the respective drive motors of the camshaft adjusters 11 , 12 , 13 , 14 .
  • the four camshaft control units 11, 12, 13, 14 form a chain, so that the components are connected to one another in a line.
  • all camshaft control units 11, 12, 13, with the exception of the last one are connected to exactly two neighbors, engine control unit 7 being regarded as the zeroth link in the chain. Due to the linear topology, a good order is possible, so that the order is fixed after assembly in the internal combustion engine.
  • crankshaft signal which is sent out by engine control unit 7 , is fed to camshaft control unit 11 via line 15 .
  • the software on the engine can control whether replication is active or off. As long as the electric motors do not know their logical position (first state), they must not replicate the crankshaft signal and send it on the CAN bus 8 (not shown in Figure 2). If one of the camshaft control units 21, 22, 23, 24 receives a crankshaft signal but no CAN signal from another camshaft adjuster 11, 12, 13, 14 and is not yet logically assigned, then it will appoint itself to be engine number 1 and store this number internally . After that, the camshaft control unit 21 begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and to send information about its number via the CAN bus 8 .
  • camshaft control unit 21 If one of the camshaft control units 21, 22, 23, 24 receives a crankshaft signal, a CAN signal from engine 1, no CAN signal from another camshaft phaser 12, 13, 14 and is logically not yet assigned, then it will appoint itself as engine number 2 and save this number internally. After that, the camshaft control unit 22 begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and to send information about its number via the CAN bus 8 .
  • camshaft control unit 21, 22, 23, 24 receives a crankshaft signal, a CAN signal from n-1 engines, no CAN signals from other camshaft adjusters 11, 12, 13, 14 and is logically not yet assigned, then it is designate themselves as engine number n and save this number internally.
  • the camshaft control unit 23, 24 then begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and to send information about its number via the CAN bus 8.
  • the camshaft control units 21, 22, 23, 24 permanently store the determined engine numbers in the internal memory (EEPROM or similar) so that the learning procedure only needs to be carried out once after assembly or when the engine is replaced. Alternatively, the function can also be carried out every time the engine is started.
  • the number of camshaft control units 21, 22, 23, 24 is permanently stored in the engine control unit 7, so that there is a termination condition for this learning process of the logical assignment.
  • PWM or pulse signal can be generated in which the engine number can be communicated to the following engine, for example if CAN reception is disturbed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Nockenwellensteuereinheiten (6, 21, 22, 23, 24), die untereinander durch eine erste Netzwerktopologie (16) in Linie verbunden sind, über die ein Kurbelwellensignal unverarbeitet, verstärkt oder aufbereitet übermittelbar ist. Die Nockenwellensteuereinheiten (6, 21, 22, 23, 24) sind dazu ausgebildet, in einem ersten Zustand die Weiterleitung des Kurbelwellensignals zu unterbinden und in einem zweiten Zustand das Kurbelwellensignal weiterzuleiten oder zu replizieren und ein Zusatzsignal zu senden. Die Erfindung betrifft ferner ein ein Verfahren zur logischen Zuordnung der Nockenwellensteuereinheiten (6, 21, 22, 23, 24) zu den durch sie zu verstellenden Nockenwellen (3).

Description

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und mehreren verstellbaren Nockenwellen. Weiterhin die Erfindung ein Verfahren zur Montage der Brennkraftmaschine und zur Vorbereitung ihres Betriebs.
Ein Betriebsverfahren einer Brennkraftmaschine mit einem elektromechanischen No- ckenwellenversteller ist in DE 102 59 133 A1 beschrieben. Der Nockenwellenverstel- ler, eine Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ist in diesem Fall modular aufgebaut. Dabei werden Komponenten der Anordnung teilweise von anderen Steuer- und Regelvorrichtungen des Verbrennungsmotors ebenfalls genutzt. Ein Steuergerät des Elektromotors des Nockenwellenverstellers steht mit einem zweiten Steuergerät in Verbindung, bei welchem es sich um das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine handelt.
Als Nockenwellenversteller werden hauptsächlich hydraulische oder elektromechanische Nockenwellenversteller eingesetzt. Letztere sind aufwändiger und teurer, besitzen allerdings gegenüber hydraulischen Nockenwellenverstellern unter anderem ein verbessertes Ansprechverhalten und den Vorteil, dass eine Verstellung der Nockenwelle auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors möglich ist. Dazu wird auf das Dokument DE 10 2012 219 297 A1 verwiesen.
Weitere Verfahren zum Betrieb von Nockenwellenverstellern sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 102 36 507 A1 , DE 10 2005 022 714 A1 , DE10 2017 104 015 A1 , DE 10 2019 118 689 A1 und DE 102 42 659 A1 offenbart. DE 10 2019 113 300 B3 zeigt Nockenwellensteuereinheiten mit zwei verschiedenen Netzwerktopologien, von denen eine der CAN-Bus ist und die andere Bus Echtzeitanforderungen erfüllt.
Damit die Massenkräfte möglichst gering ausfallen, weisen moderne Brennkraftmaschinen in der Regel für jede Ventilreihe eine Nockenwelle auf. Bei einem V-Motor sind daher regelmäßig zwei Einlass- und zwei Auslassnockenwellen verbaut. Damit der Ventiltrieb möglichst variabel ist, ist die Steuerzeit jeder der Nockenwellen mit einem eigenen Nockenwellenversteller verstellbar. Die Nockenwellenversteller sind unabhängig voneinander verstellbar und über den CAN-Bus durch ein Motorsteuergerät individuell ansprechbar, um eine möglichst große Variabilität darstellen zu können.
Ein derartiger Ventiltrieb ist in der Herstellung und im Zusammenbau aufwändig, so dass es wünschenswert ist, mit möglichst viele Gleichteile zu verwenden. Allerdings ist es weiterhin erforderlich, dass die Nockenwellenversteller individuell verstellbar sind. Dazu müssen diese so eingestellt werden, dass sie nur auf das für sie bestimmte CAN-Signal reagieren und den gewünschten Zielwinkel einstellen.
Daher ist aus dem Stand der Technik eine Systemarchitektur bekannt, bei der jeder Nockenwellenversteller einen Motor einschließlich Elektronik und Software aufweist, wobei jeder E-Motor die Winkelbestimmung und den Regelkreis einer einzelnen Nockenwelle übernimmt. Um eine individuelle Zielansprache zu ermöglichen, werden unterschiedliche Konfigurationsdatensätze in einem Speicher der Elektronik abgelegt. Das erfordert entweder, dass bei der Herstellung und beim Zusammenbau der Brennkraftmaschine unterschiedliche Konfigurationen bereitgehalten werden müssen. Beides verteuert die Herstellung und birgt die Gefahr der Verwechslung bei der Montage, wenn die Bauteile im Übrigen äußerlich gleich oder ähnlich sind, um vom Gleichteileprinzip zu profitieren.
Eine andere Möglichkeit ist es, gleiche Baueinheiten zu verbauen und nach dem Zusammenbau am Bandende in den Nockenwellenverstellen individuelle Konfigurationsdatensätze abzulegen. Das benötigt Zeit und ist aufwändig. Ferner ist nicht sichergestellt, dass es dabei zu Verwechslungen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit mehreren No- ckenwellenverstellern gegenüber dem genannten Stand der Technik unter dem Aspekt einer möglichst effizienten Nutzung von Ressourcen weiterzuentwickeln. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die kor- rekte Zuordnung der Nockenwellensteuereinheiten möglichst automatisiert vornehmbar ist.
Die erste Teilaufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geöst. Die zweite Teilaufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als ein Hubkolbenmotor ausgebildet und bildet bevorzugt einen Viertaktmotor. Sie weist eine Kurbelwelle auf, welche über einen Steuertrieb mehrere Nockenwellen antreibt, mittels derer als Teil des Ventiltriebs die Ladungswechsel erfolgen. Durch einen Kurbelwellensensor ist die Drehwinkellage der Kurbelwelle bestimmbar. Aus dem Signal des Kurbelwellensensors wird der Kurbelwellenwinkel berechnet. Die Berechnung kann durch eine am Sensor befindliche Auswerteelektronik, in einem zentralen Motorsteuergerät oder in einem anderen Steuergerät erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt ein Motorsteuergerät (ECU) das Kurbelwellensignal für andere Motorteilaggregate zur Verfügung. Das Signal kann lediglich in seiner Signalstärke verstärkt und/oder zusätzlich um Informationen angereichert werden. Ebenso ist eine Signalverarbeitung möglich, so dass der aus dem Kurbelwellensignal berechnete Kurbelwellenwinkel als neues Kurbelwellensignal verbreitet wird. In dem letzten Fall kann es digital in Form von diskreten Werten gesendet werden, bevorzugt wird es als kontinuierliches Analogsignal bereitgestellt.
Die Brennkraftmaschine weist mehrere Nockenwellen auf. Für viele Brennkraftmaschinen ist es sinnvoll, eine Nockenwelle je Ventilreihe vorzusehen, um die bewegten Massen zu minimieren. Beispielsweise sind bei einem erfindungsgemäßen V-Motor zwei Einlassnockenwellen und zwei Auslassnockenwellen vorgesehen.
Zumindest einige und bevorzugt alle Nockenwellen sind in ihrer Phasenlage relativ zur Kurbelwelle durch jeweils einen physisch mit der Nockenwelle verbundenen Nocken- wellenversteller verstellbar. Die Erfindung umfasst auch Brennkraftmaschinen anwendbar, bei denen nur ein Teil der Nockenwellen mit Nockenwellenverstellern ausgerüstet ist oder aber bei denen einer oder mehrere Nockenwellenversteller nicht über die Eigenschaften des Anspruchs 1 verfügen bzw. am Verfahren nach Anspruch 6 teilnehmen. Für diese Nockenwellenversteller könnte eine logische Zuordnung hart codiert sein, oder ihre logische Zuordnung erfolgt händisch.
Die Steuerung bzw. Regelung der Nockenwellenversteller erfolgt durch Nockenwellensteuereinheiten. Diese werden in der Regel durch einen Controller gebildet, der beispielsweise in einem Teil eines Elektromotors eines elektrischen Nockenwellenver- stellers angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Nockenwellenversteller eine eigene Nockenwellensteuereinheit auf. Mittels der Nockenwellensteuereinheit kann die Verstellung des Nockenwellenverstellers auf einen vom Motorsteuergerät vorbestimmten Zielwert erfolgen. Der Vorteil des lokalen Vorhaltens einer Nockenwellensteuereinheit ist, dass das Motorsteuergerät von Rechenlast und thermisch entlastet wird. Ferner nimmt mit kurzen Signalübertragungswegen die Regelungsgüte zu, und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert sich.
Mindestens zwei, bevorzugt alle Nockenwellensteuereinheiten sind miteinander in Linie verbunden. Unter in Linie verbunden wird eine lineare Netzwerktopologie verstanden. Das bedeutet, dass die Nockenwellensteuereinheiten logisch eine Kette bilden, von denen alle Kettenglieder bis auf die äußeren jeweils einen Vorgänger und einen Nachfolger besitzen. Eines der zunächst äußeren Kettenglieder kann mit dem Motorsteuergerät verbunden werden, das dann den Anfang der Kette bildet. Das andere äußere Kettenglied bleibt bevorzugt mit einem Ende unverbunden.
Die erste Netzwerktopologie ist bevorzugt physisch vorgegeben. Dazu sind die Nockenwellensteuereinheiten untereinander beispielsweise durch Kabel verbunden. Über diese erste Netzwerktopologie wird das Kurbelwellensignal übertragen, wobei in einem ersten Zustand einer Nockenwellensteuereinheit eine Weiterleitung des Kurbelwellensignals unterbunden wird. In einem zweiten Zustand erfolgt eine Weiterleitung des Kurbelwellensignals. Dabei kann es unverarbeitet weitergegeben oder verstärkt werden. Es kann eine Aufbereitung oder eine Anreicherung mit Zusatzinformati- onen beispielsweise durch Aufmodulieren erfolgen. Bevorzugt wird das Kurbelwellensignal im zweiten Zustand der Nockenwellensteuereinheit durch diese repliziert. Sobald die Nockenwellensteuereinheit das Kurbelwellensignal weitergibt, sendet diese parallel ein Zusatzsignal aus.
Die vorgegebene, lineare Netzwerktopologie ermöglicht erfindungsgemäß eine verspätete, logische Zuordnung der Nockenwellensteuereinheiten zu den Nockenwellen- verstellern. Dadurch können die Nockenwellenversteller inklusive der Nockenwellensteuereinheiten als Gleichteile bereitgestellt werden. Auch die Montage ist vereinfacht, weil es beim Einbau nicht zu Verwechslungen von Nockenwellenverstellern oder Nockenwellensteuereinheiten kommen kann. Dabei können die Nockenwellenversteller physisch zusammen mit jeweils einer Nockenwellensteuereinheit verbaut werden. Der Nockenwellensteuereinheit ist während der Montage allerdings nicht bekannt, zu welcher Nockenwelle sie logisch gehört und damit auf welches vom Motorsteuergerät gesendete Nockenwellensteuersignal sie ansprechen sollte.
Die logische Zuordnung erfolgt erst nach der Montage in einem Einlernprozess. Zu Beginn des Einlernprozesses befinden sich alle Nockenwellensteuereinheiten im ersten Zustand, so dass keine Nockenwellensteuereinheit das Kurbelwellensignal weiterleiten darf.
Jede Nockenwellensteuereinheit, die das Kurbelwellensignal empfängt, ermittelt die gleichzeitig oder innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters eintreffenden Zusatzsignale. Empfängt ein Nockenwellensteuergerät innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nur das Kurbelwellensignal, aber kein Zusatzsignal, so weist es sich die logische Nummer 1 in der linearen Netzwerktopologie zu und wird fortan Nockenwellensteuersignale des Motorsteuergeräts verarbeiten, die für die erste Nockenwelle vorgesehen sind. Nach der logischen Zuordnung zur ersten Nockenwelle wechselt das Nockenwellensteuereinheit in den zweiten Zustand. In diesem leitet es das Kurbelwellensignal weiter und sendet parallel ein Zusatzsignal. Das kann eine Information über seine erfolgreiche Zuordnung sein, in der Regel wird dies seine Nummer beinhalten.
Das Zusatzsignal kann auf der ersten Netzwerktopologie zusätzlich übertragen wer- den. Bevorzugt wird es auf einer zweiten Netzwerktopologie, beispielsweise einem CAN-Bus übertragen. Auf der zweiten Netzwerktopologie bestehen weniger Einschränkungen der Bandbreite, und diese ist nicht auf eine lineare Topologie eingeschränkt. Daher ist es vorteilhaft, dass die zweite und die erste Netzwerktopologie physisch getrennt und unterschiedlich ausgebildet sind.
Die physisch in der ersten Netzwerktopologie nächste Nockenwellensteuereinheit empfängt das Kurbelwellensignal und zeitgleich die Information des Zusatzsignals der ersten Nockenwellensteuereinheit, aber kein weiteres Zusatzsignal. Dadurch kann sie erschließen, dass sie das zweite Glied der Kette bildet und sich logisch die Nummer 2 zuweisen. Wie zuvor die erste Nockenwellensteuereinheit wechselt sie vom ersten Zustand in den zweiten Zustand und leitet nun das Kurbelwellensignal zusammen mit einer eigenen Zusatzinformation weiter. Alle nachfolgenden Nockenwellensteuereinheiten verfahren nach dem gleichen Prinzip und können aus der Anzahl der gesendeten Zusatzinformationen oder aus der höchsten gesendeten Nummer ihre eigene Position in der Kette erschließen. Der erfindungsgemäße Vorteil an dieser logischen Zuweisung ist, dass alle Nockenwellensteuereinheiten die gleiche Software oder Schaltungslogik verwenden können und sich aus der hardwarecodierte Netzwerktopologie ihre Position in der Kette erschließen. Hardware und Software der Nockenwellensteuereinheiten können damit gleich ausfallen.
Da die Gesamtzahl der vorhandenen Nockenwellensteuereinheiten bekannt ist, kann das Motorsteuergerät den Einlernprozess beenden, sobald es ein Zusatzsignal der letzten Nockenwellensteuereinheit erhält. Zur Erhöhung der Robustheit könnte statt der abgeschalteten Replikation auch ein PWM- oder Pulssignal erzeugt werden, in dem die Motornummer dem folgenden Motor mitgeteilt wird. Dies kann auch als Rückfalllösung vorgesehen sein, zum Beispiel falls der CAN-Empfang gestört ist.
Angestoßen wird der Einlernprozess bevorzugt einmalig nach der Montage oder nachdem eine der Nockenwellensteuereinheiten erneuert worden ist. Dazu kann jede Nockenwellensteuereinheit mit einem dauerhaften Datenspeicher, beispielsweise einem EEPROM, versehen sein, in dem die Information über die logische Zuordnung abgelegt wird, so dass der Einlernprozess nur einmalig durchgeführt werden muss. Bei einem ersten Starten oder Wiederstarten der Brennkraftmaschine steht dann die Information über die logische Zuordnung sofort zur Verfügung. Alternativ erfolgt der Einlernprozess automatisch vor Start der Brennkraftmaschine, wenn das Motorsteuergerät innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters von einer der Nockenwellensteuereinheiten keine Information über ihre logische Zuordnung empfängt. In einer anderen Ausführungsform erfolgt ein Einlernen vor jedem Starten der Brennkraftmaschine.
Das so beschriebene Einlernen ist einer manuellen Zuweisung überlegen, weil das Einlernen nur einmalig zentral angestoßen werden braucht. Im übrigen ist kein physischer Zugriff auf die Nockenwellensteuereinheiten nach dem Einbau erforderlich. Außerdem ist eine Fehlzuweisung, beispielsweise eine Doppelzuweisung, ausgeschlossen. Es entsteht auch wenig Zusatzaufwand in der Montage, weil die Nockenwellensteuereinheiten sowieso mit Steckverbindern versehen werden, so dass sich der Mehraufwand in Grenzen hält.
In einigen Brennkraftmaschinen werden einlassseitig und auslassseitig unterschiedliche Nockenwellenverstellertypen verbaut. So werden aus Kostengründen häufig nur die Einlassnockenwellen mit elektrischen Nockenwellenverstellern versehen und die Auslassnockenwellen mit hydraulischen Nockenwellenverstellern. Damit unterscheiden sich auch die Nockenwellensteuereinheiten. Beispielsweise bei diesen Mischvarianten ist vorgesehen, dass nur ein Teil der Nockenwellensteuereinheiten an dem beschriebenen Einlernen teilnimmt. In dem anderen Teil der Nockenwellensteuereinheiten kann ihre logische Position auf andere Weise festgelegt werden. Alternativ können die unterschiedlichen Nockenwellenverstellertypen zwei Ketten bilden. Dann wird das erfindungsgemäße Einlernverfahren auf jede Kette angewendet.
In einer Ausbildungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Regelung einer Nockenwellenlage erst nach der logischen Zuweisung der entsprechenden Nockenwellensteuereinheit erfolgt. Dadurch wird vermieden, dass es aufgrund unterschiedlicher Nockengeometrien zu Zuständen kommt, in denen die Brennkraftmaschine nicht startet oder in denen Schäden eintreten können. Alternativ erfolgt ein Steuern oder Regeln in einem Bereich, der einen Notbetrieb der Brennkraftmaschine zulässt. Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung eine Gleichteilestrategie, bei der identische Nockenwellenversteller inklusive Nockenwellensteuereinheiten verbaut werden können, indem die Nockenwellensteuereinheiten selbst lernen, an welche Nockenwelle sie montiert und logisch zugeordnet sind.
Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig.1 in symbolisierter Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellenversteller, einer Nockenwellensteuereinheit und einem Motorsteuergerät und
Fig. 2 in symbolisierter Darstellung ein Motorsteuergerät, das über eine erste Netzwerktopologie mit vier Nockenwellensteuereinheiten verbunden ist.
Ein in Figur 1 lediglich symbolisiert dargestellter Verbrennungsmotor 1 , dessen Motorblock mit 2 bezeichnet ist, weist einen elektromechanischen Nockenwellenversteller 3 auf. Ein Stellgetriebe 4 des Nockenwellenverstellers 3 ist als Dreiwellengetriebe, beispielsweise Wellgetriebe, aufgebaut. Hierbei ist eine erste Welle des Stellgetriebes 4 mit einem Riemen- oder Kettenrad identisch oder fest verbunden und rotiert in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors 1. Eine zweite, ausgangsseitige Welle des Stellgetriebes 4 ist drehfest mit der zu verstellenden Nockenwelle 10 (Fig. 2) verbunden. Zur Verstellung des Winkels zwischen der eingangsseitigen, mit dem Ketten- oder Riemenrad verbundenen Welle und der ausgangsseitigen Welle des Stellgetriebes 4 weist dieses eine dritte Welle in Form einer Verstellwelle auf, welche drehfest mit der Motorwelle eines Elektromotors 5, der dem Nockenwellenversteller 3 zuzurechnen ist, gekoppelt ist.
Der Elektromotor 5 wird über eine Leitung 9 durch die Nockenwellensteuereinheit 6 angesteuert. Die Nockenwellensteuereinheit 6 ist über eine zweite Netzwerktopologie, vorliegend ein CAN-Bus 8, mit dem mit 7 bezeichneten Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 1 verknüpft. Dabei ist das Motorsteuergerät 7 nur in untergeordnetem Maße durch die Verarbeitung von Daten, welche den Betrieb des Nockenwellen- verstellers 3 betreffen, belastet.
In Figur 1 ist aus Übersichtsgründen nur ein Nockenwellenversteller 3 gezeigt. Zusätzlich zum CAN-Bus 8 existiert eine Leitung 15, mit welcher die Nockenwellensteuereinheit 6 mit dem Motorsteuergerät 7 verknüpft ist und die einen Teil einer ersten Netzwerktopologie 16 bildet. Die Leitung 15 wird genutzt, um das Kurbelwellensignal vom Motorsteuergerät 7 an die Nockenwellensteuereinheit 6 zu senden. Das Datenvolumen des gesendeten Kurbelwellensignals beträgt nur einen kleinen Bruchteil der über den CAN-Bus 8 zwischen der Nockenwellensteuereinheit 6 und dem Motorsteuergerät 7 übermittelten Daten. Damit steht die Information im Unterschied zum CAN-Bus 8 mit Hilfe der Leitung 15 praktisch in Echtzeit zur Verfügung.
Aus Figur 2 zeigt die erste Netzwerktopologie 16 mit einem Motorsteuergerät 7 und vier Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24, welche durch eine als Kabel ausgebildete Leitung 15 miteinander verbunden sind. Dabei sind die Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 in die jeweiligen Antriebsmotoren der Nockenwellenversteller 11 , 12, 13, 14 integriert. Zusammen mit dem Motorsteuergerät 7 bilden die vier Nockenwellensteuereinheiten 11 , 12, 13, 14 eine Kette aus, so dass die Bauteile in Linie miteinander verbunden sind. Dazu sind alle Nockenwellensteuereinheiten 11 , 12, 13 mit Ausnahme der letzten mit genau zwei Nachbarn verbunden, wobei das Motorsteuergerät 7 als das nullte Glied der Kette angesehen wird. Aufgrund der linearen Topologie ist eine Wohlordnung möglich, so dass nach der Montage in der Brennkraftmaschine die Reihenfolge feststeht.
Das Kurbelwellensignal, welches von dem Motorsteuergerät 7 ausgesendet wird, wird über die Leitung 15 an die Nockenwellensteuereinheit 11 herangeführt. Die Software auf dem Antriebsmotor kann steuern, ob die Replikation aktiv ist oder ob sie ausgeschaltet ist. Solange die E-Motoren ihre logische Position nicht kennen (erster Zustand), dürfen sie das Kurbelwellensignal nicht replizieren und auf dem CAN-Bus 8 (in Fig. 2 nicht gezeigt) nicht senden. Empfängt eine der Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 ein Kurbelwellensignal, aber kein CAN-Signal eines anderen Nockenwellenverstellers 11 , 12, 13, 14 und ist logisch noch nicht zugewiesen, dann wird sie sich zum Motor Nummer 1 ernennen und diese Nummer intern speichern. Danach beginnt die Nockenwellensteuereinheit 21 das Kurbelwellensignal auf der erste Netzwerktopologie 16 zu replizieren und über den CAN-Bus 8 eine Information über ihre Nummer zu senden.
Empfängt eine der Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 ein Kurbelwellensignal, ein CAN-Signal von Motor 1 , kein CAN-Signal eines anderen Nockenwellenverstellers 12, 13, 14 und ist logisch noch nicht zugewiesen, dann wird sie sich zum Motor Nummer 2 ernennen und diese Nummer intern speichern. Danach beginnt die Nockenwellensteuereinheit 22 das Kurbelwellensignal auf der erste Netzwerktopologie 16 zu replizieren und über den CAN-Bus 8 eine Information über ihre Nummer zu senden.
Empfängt eine der weiteren Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 ein Kurbelwellensignal, ein CAN-Signal von n-1 Motoren, keine CAN-Signale weiterer Nocken- wellenversteller 11 , 12, 13, 14 und ist logisch noch nicht zugewiesen, dann wird sie sich zum Motor Nummer n ernennen und diese Nummer intern speichern. Danach beginnt die Nockenwellensteuereinheit 23, 24 das Kurbelwellensignal auf der erste Netzwerktopologie 16 zu replizieren und über den CAN-Bus 8 eine Information über ihre Nummer zu senden.
Die Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 legen die ermittelten Motornummem im internen Speicher permanent ab (EEPROM o.ä.) so dass die Lernprozedur nur einmal nach Montage oder bei Motortausch durchgeführt werden braucht. Alternativ kann die Funktion auch bei jedem Motorstart durchgeführt werden. Die Anzahl der Nockenwellensteuereinheiten 21 , 22, 23, 24 ist im Motorsteuergerät 7 fest hinterlegt, so dass für diesen Einlernprozess der logischen Zuweisung eine Abbruchbedingung vorliegt.
Zur Erhöhung der Robustheit kann statt der abgeschalteten Replikation auch ein PWM- oder Pulssignal erzeugt werden, in dem die Motornummer dem folgenden Motor mitgeteilt werden kann, zum Beispiel falls CAN-Empfang gestört ist.
Bezuqszeichenliste
Brennkraftmaschine
Motorblock
Nockenwellenversteller
Stellgetriebe
Elektromotor
Nockenwellensteuereinheit
Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine
CAN-Bus
Leitung
Nockenwelle erste Nockenwelle zweite Nockenwelle dritte Nockenwelle vierte Nockenwelle
Leitung erste Netzwerktopologie erste Nockenwellensteuereinheit zweite Nockenwellensteuereinheit dritte Nockenwellensteuereinheit vierte Nockenwellensteuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine (1 ), aufweisend:
- eine Kurbelwelle, deren Position durch einen Kurbelwellenwinkel beschrieben ist,
- einen Kurbelwellensensor, welcher ein Kurbelwellensignal zur Bestimmung des Kurbelwellenwinkels bereitstellt,
- mehrere Nockenwellen (10, 11 , 12, 13, 14), die jeweils einen Nockenwellen- versteller (3) und jeweils eine Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) aufweisen,
- einer ersten Netzwerktopologie (16), die die Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) untereinander in Linie verbindet und über die das Kurbelwellensignal unverarbeitet, verstärkt oder aufbereitet übermittelbar ist, wobei
- die Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) dazu ausgebildet sind, in einem ersten Zustand die Weiterleitung des Kurbelwellensignals zu unterbinden und in einem zweiten Zustand das Kurbelwellensignal weiterzuleiten oder zu replizieren und ein Zusatzsignal zu senden.
2. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
- dass jede Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) einen Datenspeicher aufweist, in dem eine Information speicherbar ist, welcher Nockenwelle (10, 11 , 12, 13, 14) sie logisch zugeordnet ist,
- dass der erste Zustand durch den Zustand unbestimmter logischer Zuordnung der Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) zu einer Nockenwelle (10, 11 , 12, 13, 14) gebildet ist,
- dass der zweite Zustand durch den Zustand bestimmter logischer Zuordnung der Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) zu einer Nockenwelle (10, 11 , 12, 13, 14) gebildet ist
- und dass das Zusatzsignal eine Information über die logische Zuordnung aufweist.
3. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der oder alle Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) in Hardware und Software als Gleichteile ausgebildet sind.
4. Brennkraftmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- ein Motorsteuergerät (7), das in der ersten Netzwerktopologie (16) mit genau einer Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) verbunden ist und das mit Nockenwellensteuersignalen Sollwinkel für die Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) vorgibt,
- eine zweite Netzwerktopologie, über die sowohl die Nockenwellensteuersignale vom Motorsteuergerät (7) zu den Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) als auch die Zusatzsignale gesendet werden.
5. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Netzwerktopologie (16) durch Kabel realisiert ist, wobei jede der Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) einen Kabeleingang und einen Kabelausgang für die erste Netzwerktopologie (16) aufweist und dass die zweite Netzwerktopologie physisch getrennt von der ersten Netzwerktopologie (16) ausgebildet ist.
6. Verfahren zum Einlernen einer Brennkraftmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass in einer ersten Konfigurationsphase den Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) ihre logische Zuordnung zu den Nockenwellenverstellern (3) unbekannt ist,
- dass in einer zweiten Konfigurationsphase der in der ersten Netzwerktopologie (16) ersten Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) das Kurbelwellenwinkelsignal über die erste Netzwerktopologie (16) zugeführt wird, wobei die erste Nockenwellenverstelleinheit ihre logische Zuordnung zum ersten No- ckenwellenversteller (3) durch das Vorhandensein des Kurbelwellensignals bei gleichzeitiger Abwesenheit der Zusatzsignale vornimmt,
- die erste Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) die Weiterleitung unterbindet, bis die logische Zuordnung zum ersten Nockenwellenversteller (3) er- - 15 - folgt ist und nach erfolgter logischer Zuordnung das Kurbelwellensignal auf der ersten Netzwerktopologie (16) weiterleitet oder repliziert sowie ein Zusatzsignal sendet, das eine Information über ihre logische Zuordnung enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einer in der ersten Netzwerktopologie (16) nachfolgenden Nockenwellensteuereinheit (6, 22, 23, 24) das Kurbelwellenwinkelsignal über die erste Netzwerktopologie (16) zugeführt wird, nachdem die logische Zuordnung der in der ersten Netzwerktopologie (16) vorhergehenden Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23) abgeschlossen ist und die nachfolgende Nockenwellensteuereinheit (6, 22, 23, 24) ihre logische Zuordnung zum jeweiligen Nockenwellenversteller (3, 12, 13, 14) durch das Vorhandensein des Kurbelwellensignals in Abhängigkeit des vorhandenen Zusatzsignals bzw. der vorhandenen Zusatzsignale vornimmt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige logische Zuordnung in einem internen Speicher derjeweiligen Nockenwellensteuereinheit (6, 21 , 22, 23, 24) abgelegt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung der Nockenwellenwinkel durch die Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) ausschließlich erfolgt, nachdem die zweite Konfigurationsphase abgeschlossen ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1 ) ein Motorsteuergerät (7) aufweist und eine logische Zuordnung oder logische Neuzuordnung der Nockenwellensteuereinheiten (6, 21 , 22, 23, 24) durch eine Einzelanweisung an das Motorsteuergerät (7) bewirkbar ist.
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