EP4453390B1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine

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EP4453390B1
EP4453390B1 EP22821291.6A EP22821291A EP4453390B1 EP 4453390 B1 EP4453390 B1 EP 4453390B1 EP 22821291 A EP22821291 A EP 22821291A EP 4453390 B1 EP4453390 B1 EP 4453390B1
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EP
European Patent Office
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camshaft
control unit
network topology
signal
crankshaft
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EP22821291.6A
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EP4453390C0 (de
EP4453390A1 (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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    • F02D2041/285—Interface circuits between sensors and control unit the sensor having a signal processing unit external to the engine control unit

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a crankshaft and a plurality of adjustable camshafts. Furthermore, the invention relates to a method for assembling the internal combustion engine and preparing it for operation.
  • An operating method of an internal combustion engine with an electromechanical camshaft adjuster is described in DE 102 59 133 A1
  • the camshaft adjuster an assembly for adjusting the angle of rotation between a camshaft and a crankshaft of an internal combustion engine, has a modular design in this case. Components of the assembly are also partially used 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 primarily used as camshaft adjusters. The latter are more complex and expensive, but offer, among other things, improved responsiveness compared to hydraulic camshaft adjusters and the advantage that the camshaft can be adjusted even when the combustion engine is at a standstill.
  • camshaft adjusters See the document DE 10 2012 219 297 A1 referred to.
  • 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 for each valve row.
  • two intake and two exhaust camshafts are typically installed.
  • the timing of each camshaft is adjustable with its own camshaft adjuster.
  • the camshaft adjusters are independently adjustable and can be individually controlled by an engine control unit via the CAN bus to achieve the greatest possible variability.
  • valve train is complex to manufacture and assemble, so it's desirable to use as many common parts as possible.
  • camshaft adjusters still need to be individually adjustable. To achieve this, they must be configured to respond only 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 handling the angle determination and control loop of a single camshaft.
  • each electric motor handling the angle determination and control loop of a single camshaft.
  • different configuration data sets are stored in an electronics memory. This requires that different configurations be kept available during manufacture and assembly of the internal combustion engine. Both of these increase production costs and pose the risk of confusion during assembly if the components are otherwise externally identical or similar in order to benefit from the common parts principle.
  • Another option is to install identical components and, after assembly at the end of the line, store individual configuration data sets in the camshaft adjusters. This is time-consuming and laborious. Furthermore, there is no guarantee that confusion will occur.
  • the invention is based on the object of further developing an internal combustion engine with multiple camshaft adjusters compared to the cited prior art, with a view to achieving the most efficient use of resources. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a method in which the correct Allocation of the camshaft control units should be carried out as automatically as possible.
  • the predefined, linear network topology enables a delayed, logical assignment of the camshaft control units to the camshaft adjusters. This allows the camshaft adjusters, including the camshaft control units, to be provided as identical parts. Assembly is also simplified because confusion between camshaft adjusters and camshaft control units cannot occur during installation.
  • the camshaft adjusters can be physically installed together with a camshaft control unit. However, during assembly, 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.
  • the additional signal can be transmitted additionally on the first network topology.
  • it is transmitted on a second network topology, for example, a CAN bus.
  • the second network topology has fewer bandwidth restrictions and is not limited to a linear topology. Therefore, it is advantageous for the second and first network topologies to be physically separate and configured differently.
  • the camshaft control unit that is physically next in the first network topology receives the crankshaft signal and, at the same time, the additional signal information from the first camshaft control unit, but no further additional signal. This allows it to deduce that it forms the second link in the chain and logically assigns itself the number 2. 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 operate according to the same principle and can deduce their own position in the chain from the number of additional information pieces sent or from the highest number sent. The inventive advantage of this logical assignment is that all camshaft control units can use the same software or circuit logic and deduce their position in the chain from the hardware-coded network topology. The hardware and software of the camshaft control units can therefore be the same.
  • the described teach-in process is superior to manual assignment because it only needs to be initiated centrally once. Furthermore, no physical access to the camshaft control units is required after installation. Furthermore, incorrect assignment, such as duplicate assignment, is eliminated. There is also little additional work involved in assembly because the camshaft control units are equipped with connectors anyway, so the additional effort is limited.
  • control of a camshaft position is only performed after the logical assignment of the corresponding camshaft control unit. This prevents situations in which the internal combustion engine fails to start or in which damage may occur due to different cam geometries. Alternatively, control or regulation takes place within a range that allows emergency operation of the internal combustion engine.
  • the combustion engine 1 which is only symbolically represented and whose engine block is designated by 2, has an electromechanical camshaft adjuster 3.
  • An actuating gear 4 of the camshaft adjuster 3 is constructed as a three-shaft gear, for example a wave gear.
  • a first shaft of the actuating gear 4 is identical to or fixedly connected to a belt or chain wheel and rotates in a manner known per se at half the crankshaft speed of the combustion engine 1.
  • a second, output-side shaft of the actuating gear 4 is non-rotatably connected to the camshaft 10 to be adjusted ( Fig. 2 ).
  • the latter has a third shaft in the form of an adjusting shaft, which is rotationally fixedly coupled to the motor shaft of an electric motor 5, which is assigned to the camshaft adjuster 3.
  • the electric motor 5 is controlled by the camshaft control unit 6 via a line 9.
  • the camshaft control unit 6 is connected via a second network topology, In this case, a CAN bus 8 is linked to the engine control unit 7 of the internal combustion engine 1.
  • the engine control unit 7 is only slightly burdened by the processing of data relating to the operation of the camshaft adjuster 3.
  • crankshaft adjuster 3 In addition to the CAN bus 8, there is a line 15, which links the camshaft control unit 6 to the engine control unit 7 and forms part of a first network topology 16.
  • the line 15 is used to send the crankshaft signal from the engine control unit 7 to the 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 available practically in real time using the line 15.
  • Out of Figure 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 cable 15.
  • the camshaft control units 21, 22, 23, 24 are integrated into the respective drive motors of the camshaft adjusters 11, 12, 13, 14. Together with the engine control unit 7, the four camshaft control units 11, 12, 13, 14 form a chain so that the components are connected in a line.
  • all camshaft control units 11, 12, 13, with the exception of the last one are connected to exactly two neighbors, with the engine control unit 7 being considered the zeroth link in the chain. Due to the linear topology, well-ordering is possible, so that the sequence is fixed after assembly in the internal combustion engine.
  • crankshaft signal which is sent by the engine control unit 7, is fed to the camshaft control unit 11 via line 15.
  • the software on the drive motor can control whether replication is active or deactivated. As long as the electric motors do not know their logical position (first state), they are not allowed to replicate the crankshaft signal and transmit it to the CAN bus 8 (in Fig. 2 not shown) do not send.
  • camshaft control unit 21 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, it will designate itself as engine number 1 and store this number internally. The camshaft control unit 21 then begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and send information about its number via the CAN bus 8.
  • camshaft control units 21, 22, 23, 24 receives a crankshaft signal, a CAN signal from engine 1, or no CAN signal from another camshaft adjuster 12, 13, 14, and is not yet logically assigned, it will designate itself as engine number 2 and store this number internally.
  • the camshaft control unit 22 then begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and send information about its number via the CAN bus 8.
  • one of the additional camshaft control units 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 not yet logically assigned, it will designate itself as engine number n and store this number internally.
  • the camshaft control unit 23, 24 then begins to replicate the crankshaft signal on the first network topology 16 and send information about its number via the CAN bus 8.
  • the camshaft control units 21, 22, 23, and 24 permanently store the determined engine numbers in their internal memory (EEPROM or similar), so the learning procedure only needs to be performed once after installation or when replacing the engine. Alternatively, the function can also be performed every time the engine is started.
  • the number of camshaft control units 21, 22, 23, and 24 is permanently stored in the engine control unit 7, so that an abort condition exists for this learning process of the logical assignment.
  • a A 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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Description

  • 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 Nockenwellenversteller ist in DE 102 59 133 A1 beschrieben. Der Nockenwellenversteller, 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 Nockenwellenverstellern 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 korrekte 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 Nockenwellenversteller 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 Nockenwellenverstellers 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 Zusatzinformationen 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 Nockenwellenverstellern. 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 werden. 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 Nockenwellenverstellers 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 Nockenwellenversteller 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 Motornummern 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Motorblock
    3
    Nockenwellenversteller
    4
    Stellgetriebe
    5
    Elektromotor
    6
    Nockenwellensteuereinheit
    7
    Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine
    8
    CAN-Bus
    9
    Leitung
    10
    Nockenwelle
    11
    erste Nockenwelle
    12
    zweite Nockenwelle
    13
    dritte Nockenwelle
    14
    vierte Nockenwelle
    15
    Leitung
    16
    erste Netzwerktopologie
    17
    -
    18
    -
    19
    -
    20
    -
    21
    erste Nockenwellensteuereinheit
    22
    zweite Nockenwellensteuereinheit
    23
    dritte Nockenwellensteuereinheit
    24
    vierte Nockenwellensteuereinheit

Claims (10)

  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 Nockenwellenversteller (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 Nockenwellenversteller (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) erfolgt 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 der jeweiligen 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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