WO2006111224A1 - Steuereinrichtung zum verstellen des drehwinkels einer nockenwelle - Google Patents

Steuereinrichtung zum verstellen des drehwinkels einer nockenwelle Download PDF

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WO2006111224A1
WO2006111224A1 PCT/EP2006/002264 EP2006002264W WO2006111224A1 WO 2006111224 A1 WO2006111224 A1 WO 2006111224A1 EP 2006002264 W EP2006002264 W EP 2006002264W WO 2006111224 A1 WO2006111224 A1 WO 2006111224A1
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reluctance motor
adjustment
camshaft
angle
control device
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PCT/EP2006/002264
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Andre Baakes
Marco Rohe
Markus Wilke
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Aft Atlas Fahrzeugtechnik Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/352—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using bevel or epicyclic gear

Definitions

  • Control device for adjusting the angle of rotation of a camshaft
  • the invention relates to a control device and a method for adjusting the angle of rotation of a camshaft with respect to the rotational angle of a crankshaft of an internal combustion engine.
  • the crankshaft drives the camshaft via a prime mover, such as a chain or belt drive, where the camshaft speed is half the crankshaft speed.
  • a prime mover such as a chain or belt drive
  • the camshaft speed is half the crankshaft speed.
  • the angular relationship between the camshaft and crankshaft can be made variable, as in principle known for example from DE 100 38 354 C2.
  • the invention has for its object to achieve an adjustment of the rotational angle of a camshaft relative to the rotational angle of a crankshaft of an internal combustion engine with particularly pronounced variability.
  • the control device has a switched reluctance motor (SRM), which enables the adjustment of the rotational angle of a camshaft with respect to the rotational angle of a crankshaft of an internal combustion engine, in particular a vehicle engine.
  • SRM switched reluctance motor
  • the switched, electronically controlled reluctance motor works in contrast to conventional electronically commutating motors (EC motors) without permanent magnetic excitation.
  • EC motors electronically commutating motors
  • the torque of the switched reluctance motor is developed by a change in the magnetic energy, wherein a steel laminated core is expediently used as the rotor.
  • the reluctance motor By using a steel plate package instead of permanent magnets as a rotor, the reluctance motor (SRM) can be used in a wider temperature range than, for example, an EC motor.
  • the rotor is also considerably simpler in design and more efficient to produce than, for example, a rotor of an EC motor having permanent magnets.
  • a stator for the switched reluctance motor a component can be used, which is used in a similar function in conventional EC motors in identical or similar form. This additionally favors the rational production of the switched reluctance motor.
  • the rotor speed of the reluctance motor corresponds to a constant phase position of the sprocket speed, the term "sprocket" is used regardless of which traction means is used to drive the camshaft.
  • a significant advantage of the switched reluctance motor is that by dispensing with permanent magnets or electromagnets as parts of the rotor, only a negligibly low self-induction voltage occurs.
  • the properties of the reluctance motor are practically independent of whether the speed of the rotor is increased or reduced in the rotor of the reluctance motor rotating as part of the camshaft adjusting device. This means that the maximum adjustment speed in the adjustment direction "late”, based on the angular position of the camshaft in relation to the angular position of the crankshaft, deviates at most slightly from the maximum adjustment speed in the adjustment direction "early".
  • the maximum adjustment speed in the adjustment direction "late” deviates from the maximum adjustment speed in the adjustment direction "early” by not more than 10%, for example not more than 5%, in particular not more than 2%.
  • n + 1 inverter indicating the number of phases of the inverter.
  • the designation "n + 1" indicates the number of circuit breakers of the inverter.
  • a 2n inverter is provided.
  • the number of circuit breakers is twice the number of phases, with two circuit breakers in each phase branch of the inverter.
  • the inverter is preferably a three-phase inverter connected to the battery voltage of the motor vehicle.
  • the inverter is preferably a three-phase inverter connected to the battery voltage of the motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a switched reluctance motor of a camshaft adjustment of an internal combustion engine in a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a converter for the switched reluctance motor according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a converter for the reluctance motor according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows in a diagram the time profile of the adjustment of a camshaft in relation to a crankshaft of an internal combustion engine.
  • a switched reluctance motor 1 symbolized in FIG. 1 is part of a camshaft adjustment of a reciprocating motor of a motor vehicle.
  • a stator 2 is non-rotatably mounted on a housing of the internal combustion engine, while rotates as a trained in itself electrically insulated, pressed onto a shaft sheet steel package rotor 3 with the camshaft.
  • the rotor 3 assembled from laminated sheet metal parts has only one pair of rotor poles 4, 5; However, embodiments with a higher number of rotor poles are also feasible.
  • the rotor 3 neither permanent magnets, such as an EC Motor (electronically commutating motor), nor rotor windings on. This promotes both a rational production of the switched reluctance motor 1 and a high torque-inertia ratio, which ensures a particularly short response time.
  • the structure of the stator 2 of the reluctance motor 1 substantially corresponds to the structure of the stator of a conventional EC motor.
  • a total of six stator poles 6, 7, 8, 9, 10, 11 form three stator pole pairs, with the windings of diametrically opposed stator poles respectively connected in series or in parallel to form an independent machine phase winding of the three-phase reluctance motor 1.
  • a required for the operation of the reluctance motor 1 rotation angle sensor is not shown.
  • a torque of the stator 2 is formed by switching the current in the windings of each pair of stator poles in a specific sequence synchronized with the angular position of the rotor 3 so as to produce a magnetic attraction between the rotor poles 4, 5 and the pair of stator poles the rotor poles 4, 5 approach. As soon as the rotor poles 4, 5 rotate past a pair of stator poles, the relevant motor phase is switched off.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of an inverter 12 suitable for the switched reluctance motor 1 according to FIG. 1, namely a 2n converter.
  • the inverter 12 has three phase branches 13, 14, 15 corresponding to the number of stator pole pairs of the switched reluctance motor 1.
  • each phase branch 13, 14, 15 is an inductance 16, 17, 18, which is shown in the simplified circuit diagram of Figure 2 each as a single coil.
  • each inductor 16, 17, 18 is an array of parallel and / or series connected coils distributed on a pair of opposed stator poles 6, 7, 8, 9, 10, 11.
  • each phase leg 13, 14, 15 of the inverter 12 are further each two power switches 19 and two freewheeling diodes 20. Overall, the inverter 12 thus comprises six power switches 19.
  • the inverter 12 is also called 2n inverter called.
  • the freewheeling diodes 20 have the function of allowing the inductive winding currents to flow in a circle.
  • the capacitors 21, 22 of the converter 12, which are supplied with DC voltage, in particular the battery voltage of the motor vehicle, are further connected to a capacitor 23, which serves to filter out transient voltages which are produced by switching the inductors 13, 14, 15 on and off arise.
  • each phase arm 13, 14, 15 has only a single power switch 19 and a freewheeling diode 20.
  • the converter 24 also includes a common power switch 25 and a common freewheeling diode 26. With a total of four power switches 19, 25, the inverter 24 is a so-called n + 1 inverter.
  • FIG. 4 shows a possible time profile of the adjustment angle, ie the angular relation between camshaft and crankshaft, as well as the adjustment speed.
  • the adjustment direction "early” corresponds to an increasing adjustment angle
  • the adjustment direction "late” corresponds to a decreasing adjustment angle.
  • the camshaft is accelerated in relation to the crankshaft
  • the sprocket speed given by half the crankshaft rotational speed is superimposed on the adjusting rotational speed of the reluctance engine 1.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors umfasst einen die Verstellung bewirkenden geschalteten Reluktanzmotor (1), dessen Rotor-Drehzahl bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl entspricht.

Description

Beschreibung
Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zum Verstel- len des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund der Erfindung
Bei einem Verbrennungsmotor treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, beispielsweise einen Ketten- oder Riemenantrieb, die Nockenwelle an, wobei die Nockenwellendrehzahl der halben Kurbelwellendrehzahl entspricht. Um eine Anpassung der Steuerzeiten der von der Nockenwelle betätigten Ventile an unterschiedliche Betriebszustände des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, kann die Winkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle variabel gestaltet werden, wie prinzipiell beispielsweise aus der DE 100 38 354 C2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellung des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit besonders ausgeprägter Variabilität zu erreichen. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkma- len des Anspruchs 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren genannte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umgekehrt. Die Steuereinrichtung weist einen geschalteten Reluktanzmotor (SRM, switched reluctance motor) auf, der die Verstellung des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere Fahrzeugmotors, ermöglicht. Der geschaltete, elektronisch angesteuerte Reluktanzmotor arbeitet im Gegensatz beispielsweise zu üblichen elektronisch kommutierenden Motoren (EC-Motoren) ohne permanentmagnetische Erregung. Das Drehmoment des geschalteten Reluktanzmotors wird durch eine Änderung der magnetischen Energie entwi- ekelt, wobei als Rotor zweckmäßigerweise ein Stahlblechpaket verwendet wird.
Durch die Verwendung eines Stahlblechpaketes anstelle von Permanentmagneten als Rotor ist der Reluktanzmotor (SRM) in einem größeren Temperaturbereich einsetzbar als beispielsweise ein EC-Motor. Der Rotor ist zudem we- sentlich einfacher aufgebaut und rationeller herstellbar als etwa ein Permanentmagnete aufweisender Rotor- eines EC-Motors. Dagegen kann als Stator für den geschalteten Reluktanzmotor ein Bauteil verwendet werden, das in entsprechender Funktion auch in herkömmlichen EC-Motoren in identischer oder ähnlicher Form zum Einsatz kommt. Dies begünstigt zusätzlich die rationelle Herstellung des geschalteten Reluktanzmotors. Die Rotor-Drehzahl des Reluktanzmotors entsprich bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl, wobei die Bezeichnung „Kettenrad" unabhängig davon verwendet wird, welches Zugmittel zum Antrieb der Nockenwelle eingesetzt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des geschalteten Reluktanzmotors liegt darin, dass durch den Verzicht auf Permanentmagnete oder Elektromagnete als Teile des Rotors nur eine vernachlässigbar geringe Selbstinduktionsspannung auftritt. Dadurch sind die Eigenschaften des Reluktanzmotors praktisch unabhängig davon, ob bei als Teil der Nockenwellenverstellvorrichtung rotierendem Rotor des Reluktanzmotors die Geschwindigkeit des Rotors erhöht oder vermindert wird. Dies bedeutet, dass die maximale Verstellgeschwindigkeit in Verstellrich- tung „spät", bezogen auf die Winkellage der Nockenwelle in Relation zur Winkellage der Kurbelwelle, von der maximalen Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „früh" höchstens geringfügig abweicht. Beispielsweise weicht die maximale Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „spät" von der maximalen Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „früh" um nicht mehr als 10%, z.B. nicht mehr als 5%, insbesondere nicht mehr als 2%, ab. Unabhängig vom Antrieb der Nockenwellenverstellvorrichtung können Reibungs- und Trägheitsauswirkungen zu leichten Unsymmetrien hinsichtlich der erreichbaren Verstellgeschwindigkeiten in unterschiedlicher Verstellrichtung führen, wobei der Antrieb per geschaltetem Reluktanzmotor in jedem Fall eine hohe Verstellge- schwindigkeit, insbesondere von mehr als 500° KW pro Sekunde, ermöglicht (KW = Kurbelwelle).
Zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors sind unterschiedliche Arten von Wechselrichtern verwendbar: Nach einer ersten, besonders einfachen Ausführungsform wird ein so genannter n+1 -Wechselrichter verwendet, wobei n die Anzahl der Phasen des Wechselrichters angibt. Die Bezeichnung „n+1" gibt die Anzahl der Leistungsschalter des Wechselrichters an.
Nach einer zweiten, erweiterte Steuerungsmöglichkeit bietenden Ausführungs- form ist ein 2n-Wechselrichter vorgesehen. In diesem Fall ist die Anzahl an Leistungsschaltern doppelt so groß wie die Anzahl der Phasen, wobei sich in jedem Phasenzweig des Wechselrichters zwei Leistungsschalter befinden.
Der Wechselrichter ist unabhängig von dessen genauer Ausführungsform vor- zugsweise ein an die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs angeschlossener Dreiphasen-Wechselrichter. Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines geschalteten Reluktanzmotors einer Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug,
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines Umrichters für den geschalteten Reluktanzmotor nach Figur 1 ,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Umrichters für den Reluktanzmotor nach Figur 1 ,
Figur 4 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Verstellung einer Nockenwelle in Relation zu einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein in Figur 1 symbolisiert dargestellter geschalteter Reluktanzmotor 1 ist Teil einer Nockenwellenverstellung eines Hubkolbenmotors eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist ein Stator 2 nicht drehbar an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors befestigt, während sich ein als in sich elektrisch isoliertes, auf eine Welle gepresstes Stahlblechpaket ausgebildeter Rotor 3 mit der Nockenwelle dreht. Im Ausführungsbeispiel weist der aus lamellierten Blechteilen zusammenge- setzte Rotor 3 lediglich ein Paar an Rotorpolen 4, 5 auf; ebenso sind jedoch auch Ausführungsformen mit einer höheren Anzahl an Rotorpolen realisierbar. In jedem Fall weist der Rotor 3 weder Permanent-Magnete, wie etwa ein EC- Motor (elektronisch kommutierender Motor), noch Rotorwicklungen auf. Dies begünstigt sowohl eine rationelle Herstellung des geschalteten Reluktanzmotors 1 als auch ein hohes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis, was für eine besonders kurze Ansprechzeit sorgt.
Der Aufbau des Stators 2 des Reluktanzmotors 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Stators eines herkömmlichen EC-Motors. Insgesamt sechs Statorpole 6, 7, 8, 9, 10, 11 bilden drei Statorpolpaare, wobei die Wicklungen sich diametral gegenüberliegender Statorpole jeweils in Reihe oder parallel geschaltet sind, um eine unabhängige Maschinenphasenwicklung des dreiphasigen Reluktanzmotors 1 zu bilden. Eine zum Betrieb des Reluktanzmotors 1 erforderliche Drehwinkelsensorik ist nicht dargestellt. Ein Drehmoment des Stators 2 wird gebildet, indem der Strom in den Wicklungen jedes Statorpolpaares in einer bestimmten Sequenz geschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors 3 synchronisiert ist, so dass eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotorpolen 4, 5 und demjenigen Statorpolpaar entsteht, dem sich die Rotorpole 4, 5 nähern. Sobald sich die Rotorpole 4, 5 an einem Statorpolpaar vorbeidrehen, wird die betreffende Motorphase abgeschaltet.
Die Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines für den geschalteten Reluktanzmotor 1 nach Figur 1 geeigneten Umrichters 12, nämlich einen 2n- Umrichter. Der Umrichter 12 weist entsprechend der Anzahl der Statorpolpaare des geschalteten Reluktanzmotors 1 drei Phasenzweige 13, 14, 15 auf. In jedem Phasenzweig 13, 14, 15 befindet sich eine Induktivität 16, 17, 18, die im vereinfachten Schaltbild nach Figur 2 jeweils als einzelne Spule dargestellt ist. Tatsächlich handelt es sich bei jeder Induktivität 16, 17, 18 um eine Anordnung parallel und/oder in Reihe geschalteter Spulen, die auf ein Paar gegenüberliegender Statorpole 6, 7, 8, 9, 10, 11 verteilt ist. In jedem Phasenzweig 13, 14, 15 des Umrichters 12 befinden sich weiter jeweils zwei Leistungsschalter 19 sowie zwei Freilaufdioden 20. Insgesamt umfasst der Umrichter 12 somit sechs Leistungsschalter 19. Entsprechend der Anzahl an Leistungsschaltern 19, die doppelt so groß ist wie die Anzahl der Phasen, wird der Umrichter 12 auch als 2n-Wechselrichter bezeichnet. Die Freilaufdioden 20 haben die Funktion, die induktiven Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen. An die mit Gleichspannung, insbesondere der Batteriespannung des Kraftfahrzeugs, beaufschlagten Pole 21 , 22 des Umrichters 12 ist ferner eine Kapazität 23 angeschlossen, wel- che dem Herausfiltern von transienten Spannungen dient, die durch das Ein- und Ausschalten der Induktivitäten 13, 14, 15 entstehen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Umrichters 24, welcher ebenfalls für den geschalteten Reluktanzmotor 1 nach Figur 1 geeignet ist, ist in Figur 3 darge- stellt. In diesem Fall weist jeder Phasenzweig 13, 14, 15 lediglich einen einzigen Leistungsschalter 19 sowie eine Freilaufdiode 20 auf. Zusätzlich umfasst der Umrichter 24 noch einen gemeinsamen Leistungsschalter 25 sowie eine gemeinsame Freilaufdiode 26. Mit insgesamt vier Leistungsschaltern 19, 25 handelt es sich beim Umrichter 24 um einen so genannten n+1 -Wechselrichter.
In Figur 4 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf des Verstellwinkels, d.h. der Winkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, sowie der Verstellgeschwindigkeit dargestellt. Hierbei entspricht einem zunehmenden Verstellwinkel die Verstellrichtung „früh", einem abnehmenden Verstellwinkel die Verstellrich- tung „spät". Bei Verstellung in Richtung „früh" wird die Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle beschleunigt. In jedem Fall wird bei einer Verstellung der Nockenwelle der durch die halbe Kurbelwellendrehzahl gegebenen Kettenrad- drehzahl die Verstelldrehzahl des Reluktanzmotors 1 überlagert. Solange die Nockenwelle nicht verstellt wird, läuft der Rotor 3 mit der Drehzahl des Ketten- rades. Da der Rotor 3 weder Permanent- noch Elektromagneten umfasst, tritt im geschalteten Reluktanzmotor 1 praktisch keine Selbstinduktionsspannung auf. Damit ist die der Kettenraddrehzahl überlagerte Verstelldrehzahl nahezu ohne Einfluss auf die Verstelldynamik und Regelgüte. Entsprechend sind die Parameter der Verstellung, insbesondere die Verstellgeschwindigkeit, höchs- tens in geringem Maße von der Verstellrichtung abhängig. Bezugszeichenliste
1 geschalteter Reluktanzmotor
2 Stator 3 Rotor
4,5 Rotorpol
6... .11 Statorpol
12 Umrichter
13. ..15 Phasenzweig 16. ..18 Induktivität
19 Leistungsschalter
20 Freilaufdiode
21 , 22 Pol
23 Kapazität 24 Umrichter
25 Leistungsschalter
26 Freilaufdiode

Claims

Patentansprüche
1. Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch einen die Verstellung bewirkenden geschalteten
Reluktanzmotor (1), dessen Rotor-Drehzahl bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl entspricht.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen den geschalteten Reluktanzmotor ansteuernden dreiphasigen Wechselrichter
(12,24).
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors (1) ein Wech- selrichter (24) vorgesehen ist, dessen Anzahl an Leistungsschaltern
(19,25) die Anzahl der Phasen um 1 übertrifft.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors (1) ein Wech- selrichter (12) vorgesehen ist, dessen Anzahl an Leistungsschaltern (19) doppelt so groß wie die Anzahl der Phasen ist.
5. Verfahren zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, wo- bei die Verstellung mittels eines geschalteten Reluktanzmotors (1) erfolgt und die Verstellgeschwindigkeit von der Verstellrichtung nahezu unabhängig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maxi- male Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors mehr als 500° KW pro Sekunde beträgt.
PCT/EP2006/002264 2005-04-16 2006-03-11 Steuereinrichtung zum verstellen des drehwinkels einer nockenwelle WO2006111224A1 (de)

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