Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle sowie Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, die Phasenlage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine durch Verstelleinrichtungen zu verändern. Im normalen Betrieb des Fahrzeugs wird die Nockenwelle beim Abstellen des Motors geregelt in die jeweilige Basisposition gefahren und dort fixiert. Bei elektrischen Verstelleinrichtungen dient dazu beispielsweise ein fremderregter oder ein permanentmagnetischer elektrischer Versteller, während bei hydraulischen Verstelleinrichtungen ein hydraulischer Rotationskolbenversteller zum Einsatz kommt, der eine Verriegelungseinheit besitzt. Diese fixiert den hydraulischen Versteller solange in seiner Basisposition, bis sich nach dem Wiederstart des Verbrennungsmotors ein genügend hoher Öldruck zum Verstellen der Nockenwelle aufgebaut hat .
Beim Abwürgen des Verbrennungsmotors ist ein geregeltes Verstellen des hydraulischen Verstellers unmöglich, so dass sich die Nockenwelle in einer Undefinierten Position außerhalb der Basisposition befinden kann. Beim nächsten
Start muss daher die Nockenwelle z.B. mit einer Ausgleichsfeder in eine geeignete Basisposition gestellt werden. Bei elektrischen Verstellern ist eine solche Zusatzmaßnahme beim Wiederstarten nach dem Abwürgen des Verbrennungsmotors nicht notwendig, da der Versteller die Nockenwelle auch bei stehendem Verbrennungsmotor oder beim Anlassen in die jeweilige Basisposition verstellen kann. Bei elektrischen Verstelleinrichtungen können jedoch der Versteller und/oder seine Steuerung ausfallen und dadurch das Erreichen der Basis- oder Notlaufposition verhindern, die für einen zumindest eingeschränkten Betrieb und einen Wiederstart notwendig sind. Bekannt sind beispielsweise
Verstelleinrichtungen mit Rückstellfedern, die das Erreichen einer Notlaufposition ermöglichen, die allerdings einen stark erhöhten Stromverbrauch und eine unattraktive Systemdynamik und zudem einen erhöhten Bedarf an Bauraum mit sich bringen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 57 706 Al ist eine Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle bekannt, bei der eine Verstellung der Nockenwelle in Richtung einer frühen oder späten Basis- bzw. Notlaufposition bei Ausfall des Verstellers oder dessen Stromversorgung bei rotierendem Verstellgetriebe durch bloßes Abbremsen der Verstellwelle stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle anzugeben, bei der bei einer Betriebsstörung eine Basis- oder Notlaufposition zuverlässig erreichbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer die Nockenwelle antreibenden Kurbelwelle weist einen Aktor auf, der durch eine von seiner Betriebsversorgung separate Energieversorgung mit Energie versorgbar ist, um das Verstellgetriebe in die Basis- oder Notlaufposition zu bewegen. Dadurch ist der Aktor bei einer Betriebsstörung, beispielsweise bei einem elektrischen Aktor bei einem Ausfall seines Steuergeräts, seiner Kontaktierung, seiner Sensorik zur Erkennung der Nockenwellenposition und dergleichen, durch ein zweites, von einer Betriebsversorgung der Vorrichtung unabhängiges Versorgungssystem vorzugsweise kurzzeitig mit Antriebsleistung versorgbar. Die Erfindung ermöglicht eine sehr kostengünstige und betriebssichere Vorrichtung zum Erreichen der Basis- oder Notlaufposition im Fall einer Betriebsstörung. Weiterhin kann vorteilhaft auch bei einem normalen Außerbetriebsetzen des Verbrennungsmotors die Basis- und Notlaufposition eingenommen werden.
Umfasst die separate Energieversorgung einen Energiespeicher, über den der Aktor mit Energie versorgbar ist, kann der Aktor das Verstellgetriebe bei einer Betriebsstörung gezielt in eine gewünschte Position bringen. Der Energiespeicher ist bevorzugt ein elektrischer Speicher für einen elektrisch betreibbaren Aktor. Jedoch sind auch andere Energiespeicher für andere Aktortypen und Arten von Verstellvorrichtungen, beispielsweise ein hydraulischer Speicher für eine hydraulische Verstellvorrichtung, denkbar.
Zweckmäßigerweise ist die separate Energieversorgung durch ein Motorsteuergerät aktivierbar, welches den Verbrennungsmotor ansteuert. Wird eine Betriebsstörung erkannt, kann das Motorsteuergerät die Energieversorgung
schnell zum Abgeben von Leistung zur Aktivierung des Aktors betätigen.
In einer günstigen Ausgestaltung umfasst der Energiespeicher eine Speicherbatterie. Alternativ oder zusätzlich kann der Energiespeicher einen besonders bevorzugten Kondensator umfassen. Dieser eignet sich besonders gut zum schnellen Entladen. Der Aktor kann bei Bedarf kurz, für wenige hundert Millisekunden, z.B. typischerweise 200 ms, mit Strom aus dem Kondensator versorgt werden, um das Verstellgetriebe in eine gewünschte Richtung zu bewegen. Spätestens nach etwa 300 ms kann die Basis- oder Notlaufposition erreicht sein. Die Basis- oder Notlaufposition entspricht vorzugsweise einer Verriegelungsstellung, wobei das Verstellgetriebe eine Verriegelungseinheit überfährt, wenn der Aktor das Verstellgetriebe antreibt . Der Energiespeicher baut vorteilhaft klein, da nur ein geringer Leistungsinhalt für einen kurzzeitigen Betrieb notwendig ist. Dies ist vorteilhaft, um beispielsweise eine Hysteresebremse kurzzeitig mit dem Speicherinhalt zu bestromen und auf diese Weise die Nockenwelle in ihre Basis- oder Notlaufposition zu bewegen.
In einer günstigen-Ausgestaltung umfasst die separate Energieversorgung eine von der üblichen Betriebsversorgung des Aktors separate Verbindung zu einem Bordnetz. Zweckmäßigerweise ist die separate Energieversorgung durch einen Sicherheitslevel im Motorsteuergerät ansteuerbar.
Besonders günstig ist, wenn die Verstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie im energielosen bzw. unbestromten Zustand des Aktors selbsttätig in eine definierte Endanschlagposition läuft.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor als Hysteresebremse ausgebildet . Bevorzugt weist der Aktor eine separate Hilfsspule auf, die bei einer Betriebsstörung einer Erregerspule des Aktors ansteuerbar ist. In diesem Fall kann trotz einer defekten Erregerspule in der Hysteresebremse noch ein Magnetfeld aufgebaut werden, um das Verstellgetriebe abzubremsen. Vorzugsweise ist die Hilfsspule hochohmig ausgebildet und weist möglichst viele Windungen auf, die um einen Stator des Aktors gewunden sind. Die Hilfsspule ist zweckmäßigerweise durch den von der Betriebsversorgung unabhängigen Energiespeicher versorgbar. Durch das Vorsehen von möglichst vielen Windungen ist zwar die elektrische Zeitkonstante der Hilfsspule erhöht, allerdings sinkt dadurch auch die Stromaufnahme, was für die Größe des Energiespeichers vorteilhaft ist'.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle wird ein ein Verstellgetriebe betätigender Aktor durch eine von einer Betriebsversorgung separate Energieversorgung mit Energie versorgt, um das Verstellgetriebe in eine Basis- oder Notlaufposition zu bewegen.
Bewegt sich das Verstellgetriebe im energielosen Zustand selbsttätig in eine definierte, erste Endanschlagsposition, kann zuverlässig durch eine Bewegung des Verstellgetriebes in eine zweite Endanschlagsposition, die durch den durch die separate Energieversorgung versorgten Aktor bewirkt wird, eine Verriegelungseinrichtung erreicht oder überfahren werden, welche die Basis- oder Notlaufposition bestimmt. Falls das Verstellgetriebe in Drehrichtung schon jenseits dieser Verriegelungseinrichtung stand, läuft dieses, nachdem der Energiespeicher entleert wurde, selbsttätig in die definierte erste Endanschlagsposition zurück und erreicht
dann mit kurzer Verzögerung die Verriegelungseinrichtung, wird dort verriegelt und steht damit in seiner Basis- und Notlaufposition.
Zweckmäßigerweise wird das Verstellgetriebe in der Verriegelungsstellung festgehalten, insbesondere rastet das Verstellgetriebe in der Verriegelungsstellung ein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle mit einem Energiespeicher; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Vorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle mit einer separaten Verbindung zu einem Bordnetz.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich, umfasst eine besonders bevorzugte Vorrichtung 10 zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle 12 gegenüber einer die Nockenwelle 12 antreibenden, nicht dargestellten Kurbelwelle einen als Hysteresebremse ausgebildeten Aktor 15 zum Betätigen eines Verstellgetriebes 11. Das Verstellgetriebe 11 ist durch einen als Antriebsrad ausgebildeten Antrieb 13 antreibbar, der beispielsweise über eine Antriebskette mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Antrieb 13 umgibt das Verstellgetriebe 11 konzentrisch. Der als elektrisch betätigbarer, insbesondere als Hysteresebremse ausgebildete Aktor 15 ist mit einem
Stelleingang 14 des Verstellgetriebes 11 wirkverbunden. Eine Drehachse des Aktors 15 ist als strichpunktierte Linie eingezeichnet. Das Verstellgetriebe 11 kann beispielsweise ein Planetengetriebe, ein Taumelgetriebe oder ein Exzentergetriebe sein. Der als Hysteresebremse ausgebildete Aktor 15 umfasst eine Erregerspule 26, die bei Bestromung ein Haltemoment oder ein Antriebsmoment zum Halten oder Verstellen des Verstellgetriebes 11 liefert.
Die Erregerspule 26 wird im Normalbetrieb durch ein übliches Bordnetz 16 mit Energie versorgt, was durch Versorgungsleitungen 17 und 18 schematisch angedeutet ist. Ferner ist ein Motorsteuergerät 23 vorgesehen, welches mit dem Bordnetz 16 verbunden ist, was durch einen hin und her gehenden Pfeil 24 zwischen Bordnetz 16 und Motorsteuergerät 23 angedeutet ist.
Um den Aktor 15 in seine Basis- oder Notlaufposition zu bewegen, ist erfindungsgemäß eine separate Energieversorgung vorgesehen, die einen separaten Energiespeicher 19, der durch das Motorsteuergerät 23 ansteuerbar ist. Die Verbindung zwischen dem Motorsteuergerät 23 und dem Energiespeicher 19 ist mit einem hin und her gehenden Pfeil 25 angedeutet. Um den Aktor 15 bei einer Betriebsstörung schnell zu betätigen, umfasst der Energiespeicher 19 eine Speicherbatterie und/oder bevorzugt einen Kondensator. Zwischen dem Energiespeicher 19 und dem Aktor 15 sind Versorgungsleitungen 20, 21 vorgesehen, um den Aktor 15 im Bedarfsfall mit elektrischer Energie zu versorgen.
Das Verstellgetriebe 11 ist so ausgebildet, dass es im stromlosen Zustand der Hysteresebremse selbsttätig an einen definierten ersten Endanschlag läuft . Der das Verstellgetriebe 11 betätigende Aktor 15 wird bei einem
Störfall aus dem bevorzugt als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher 19 kurz, für etwa 200 ms, mit Strom versorgt, um in Richtung eines anderen, zweiten Endanschlags zu laufen. Dabei wird eine Verriegelungseinrichtung überfahren, die einrasten kann und so das Verstellgetriebe 11 in seiner Basis- oder Notlaufposition fixiert. Falls das Verstellgetriebe 11 bereits jenseits der
Verriegelungseinrichtung stand, läuft es nach dem Entleeren des Kondensators bauartbedingt selbsttätig in Richtung des definierten ersten Endanschlags und von der anderen Seite aus an die Verriegelungsposition. Die Verriegelungseinrichtung wird also zuverlässig erreicht, unabhängig von der aktuellen Stellung des Verstellgetriebes. Das Verstellgetriebe 11 erreicht so nach kurzer Zeit, z.B. spätestens nach 300 ms, nach einem Stromausfall seine Basis- oder Notlaufposition.
Eine alternative Ausgestaltung zeigt Figur 2. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 beziffert. Der Aufbau entspricht demjenigen in Figur 1, auf die zur Erläuterung verwiesen wird. Statt einem Energiespeicher 19 (Figur 1) ist als separate Energieversorgung nunmehr eine von der normalen Betriebsversorgung separate Verbindung 22 zu einem Bordnetz 16 vorgesehen. Dabei weist ein als Hysteresebremse ausgebildeter Aktor 15 eine separate Hilfsspule 27 auf, die bei einer Betriebsstörung einer Erregerspule 26 des Aktors 15 von einem Motorsteuergerät 23 ansteuerbar ist, was mit Pfeilen 24 zwischen Motorsteuergerät 23 und Bordnetz 16 angedeutet ist .
Die Hilfsspule 27 ist hochohmig ausgebildet, um mit relativ geringem Strombedarf bei einem Defekt einer Erregerspule 26 der Hysteresebremse noch ein Magnetfeld in der
Hysteresebremse aufzubauen. Die Hilfsspule 27 ist um einen Stator der Hysteresebremse gewickelt.