WO2018054423A1

WO2018054423A1 - Stelleinheit einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2018054423A1
Application number: PCT/DE2017/100786
Authority: WO
Inventors: Christian Karbacher; Peter Solfrank
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CN109690033A; US20200200054A1; DE112017004757A5; US10920627B2; CN109690033B

Abstract

Eine Stelleinheit (1) einer Brennkraftmaschine umfasst einen Elektromotor (2) und ein mit diesem zusammenwirkendes Getriebe (11), wobei eine Verstellwelle (6) des Getriebes (11) mit dem Rotor (8) des Elektromotors (2) gekoppelt ist. Eine Abtriebswelle (3) des Getriebes (11) ist mit der zu verstellenden Welle (5) gekoppelt. Zur Ansteuerung des Elektromotors (2) ist eine außerhalb eines den Stator (9) des Elektromotors (2) umschließenden Gehäuses (10) des Elektromotors (2) angeordnete, sensorlose Ansteuereinheit (12) vorgesehen.

Description

Stelleinheit einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor geeignete Stelleinheit, insbesondere einen Nockenwellenversteller oder eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses. Die Stelleinheit weist einen Elektromotor und ein mit diesem zusammenwirkendes Getriebe auf, wobei das Getriebe eine mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelte Verstellwelle sowie eine zur Kopplung mit einer Verbrennungsmotorwelle vorgesehene Abtriebswelle aufweist.

Derartige Stelleinheiten sind als Nockenwellenversteller zum Beispiel aus der DE 10 2004 009 128 A1 , DE 10 201 1 083 800 A1 sowie aus der DE 10 2013 220 220 A1 bekannt. Diese Nockenwellenversteller arbeiten jeweils mit einem Wellgetriebe als Stellgetriebe.

Ein weiterer Nockenwellenversteller ist aus der US 2007/0101956 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem BLDC-Motor, das heißt mit einem elektronisch kommutierenden Motor. Hierbei werden Kommutierungssignale gleichzeitig zur Bestimmung der Drehwinkellage der No- ckenwelle genutzt. Weitere elektrische Nockenwellenversteller gehen aus DE 10 2005 022 201 B3, EP 2 057 363 B1 und WO 2014 / 030043 A1 hervor.

Ein Nockenwellenversteller, der die Kommutierungssignale mit dem BEMF-Verfahren gewinnt, ist in WO 2015 / 200 085 A1 gezeigt. Während das BEMF-Verfahren bei ho- hen BLDC-Motorgeschwindigkeiten zuverlässige Signale liefert, sind diese im Bereich niedriger Umdrehungsdrehzahlen unzuverlässig.

Für Elektromotoren ist es ebenfalls bekannt, verschiedene Verfahren zur Gewinnung der Kommutierungssignale zu nutzen. So schlägt US 2015 / 0 022 129 A1 vor, unter- halb einer Drehzahlschwelle PWM-Signale auszuwerten und oberhalb dieser Schwelle BEMF zu nutzen. Bei niedrigen Drehzahlen wird damit die Position des Rotors bestimmt, indem die PWM-synchronen Spannungsverläufe in den einzelnen Spulen auswertet werden und dabei mit Hilfe der Induktivität festgestellt wird, wie weit der Rotor einem gesteuerten Drehfeld nacheilt. Vorteilhafterweise ist ein Stromsensor ent- behrlich, und der Motor kann unter Vollast angesteuert werden.

Für die Anwendung in einer Stelleinheit einer Brennkraftmaschine ist das Verfahren nicht geeignet, denn es dient lediglich zur sicheren Beschleunigung auf Betrieb im BEMF-Verfahren. Wird der Elektromotor einmal im BEMF-Verfahren betrieben, muss der Motor bis zum Stillstand auslaufen um wieder in das Verfahren bei niedriger Drehzahl einsteigen zu können. Für ein Anwendungsszenario wie bei der Verstellung des Nockenwellenwinkels oder der Veränderung der Kompressionszahl eines Verbrennungsmotors ist das Verfahren damit nicht geeignet, weil dort ein stufenloser Übergang in beide Betriebsmodi unabdingbar ist. Ferner erfordert ein derartiger Elektromo- tor eine Sternpunktschaltung; für Motoren in Dreieckschaltung ist das Verfahren nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stelleinheit einer Brennkraftmaschine gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines besonders kompakten, montagefreundlichen und beanspruchungsgerechten Aufbaus weiterzuentwickeln. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Arbeitsverfahren für eine derartige Stelleinheit anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stelleinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb der Stelleinheit gemäß Anspruch 9 gelöst. Die im Folgenden in Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterten Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umgekehrt.

Die in an sich bekanntem Grundaufbau einen Elektromotor und ein durch diesen betä- tigtes Getriebe umfassende Stelleinheit weist eine Ansteuereinheit auf, welche zur sensorlosen Ansteuerung des Elektromotors ausgebildet ist. Bei der Ansteuereinheit handelt es sich nicht notwendigerweise um eine einzige bauliche Einheit. Der Begriff „sensorlos" bezieht sich im vorliegenden Zusammenhang auf die Erfassung der Rotorposition des Elektromotors. Durch den Wegfall jeglichen Sensors, welcher die Rotorlage und/oder Rotation des Rotors des Elektromotors detektiert, entfallen geometri- sehe Beschränkungen, welche durch das Vorhandensein eines Sensors oder mehrerer Sensoren gegeben wären.

Die Ansteuereinheit der Stelleinheit ist vorzugsweise außerhalb eines nicht notwendigerweise geschlossenen, den Stator des Elektromotors umschließenden Gehäuses des Elektromotors angeordnet. Auch ein Bauteil, welches die Aufgabe hat, Statorelemente des Elektromotors zu halten, ist in diesem Sinne als Gehäuse des Elektromotors zu verstehen. Die Anordnung der Ansteuereinheit außerhalb des genannten Gehäuses hat sowohl Vorteile hinsichtlich der Bauraumausnutzung als auch hinsichtlich der thermischen Beanspruchung und Kühlung von Bauteilen. Optional sind der Stator und der Rotor des Elektromotors sowie die Ansteuereinheit von einem weiteren, gemeinsamen, äußeren Gehäuse umschlossen. Aufgrund der sensorlosen Ansteuerung des Elektromotors ist hinsichtlich der Formgebung eines solchen äußeren Gehäuses ein großer konstruktiver Gestaltungsspielraum gegeben.

Hinsichtlich der sensorlosen, das heißt elektronischen Kommutierung eines Elektromotors wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2005 002 327 A1 ,

DE 10 2008 058 955 A1 sowie DE 100 63 054 A1 hingewiesen.

In hinsichtlich der Wärmeableitung besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Mit- telachse des Elektromotors der Stelleinheit gegenüber der Ansteuereinheit versetzt, wobei die Ansteuereinheit mittels einer eine Kühlfläche bildenden Montageplatte mit dem Elektromotor mechanisch verbunden ist. Als Montageplatte gilt in diesem Zusammenhang auch ein nicht vollständig flächiges Bauteil, welches eine mechanische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Ansteuereinheit herstellt. Die Ansteuereinheit umfasst zwar keine Positionssensorik, jedoch vorzugsweise Spannungssensoren und Stromsensoren, welche beim Betrieb der Ansteuereinheit in zwei verschiedenen Betriebsmodi zum Einsatz kommen.

Die Betriebsmodi sind drehzahlabhängig, bezogen auf die Drehzahl des Elektromotors, wählbar. Beim Betriebsmodus in einem unteren Drehzahlenbereich handelt es sich um einen Stromimpuls-basierten Modus und beim Betriebsmodus in einem oberen Drehzahlenbereich um einen gegenspannungsbasierten Modus. Der letztgenannte Modus wird auch als BEMF-Modus (back electro-magnetic force) bezeichnet.

Das impulsbasierte Verfahren ist bei Stillstand des Elektromotors folgendermaßen nutzbar: Es werden kurze Strom impulse (beispielsweise mit einer Dauer von jeweils weniger als einer ms) gesendet, die den Rotor des Elektromotors nicht bewegen, jedoch durch das magnetische Feld des Rotors beeinflusst werden. Die Beeinflussung ist winkelabhängig, so dass durch das Antwortsignal auf die Winkelstellung des Rotors bereits bei Motorstillstand geschlossen werden kann. Somit ist auch bei dem im unteren Drehzahlbereich und bei Stillstand des Elektromotors gegebenen, impulsbasierten Ansteuermodus des Elektromotors kein„blinder" Betrieb des Elektromotors und damit keine Vergleichbarkeit mit dem Betriebsmodus eines Schrittmotors gegeben. Im Ver- gleich zu einem PWM-Verfahren ist der Wirkungsgrad etwas geringer, da zusätzlich ggf. die Prüfimpulse einzubringen sind. Dafür erlaubt das vorgeschlagene Verfahren auch einen sicheren Übergang vom BEMF-Verfahren zurück, ohne dass der Elektromotor neu gestartet werden muss.

Prinzipiell ist die Ansteuerung eines Elektromotors mit einem impulsbasierten Verfahren im unteren Drehzahlbereich sowie bei Stillstand des Elektromotors und mit einem Verfahren, welches eine induzierte elektromagnetische Kraft nutzt, im oberen Drehzahlbereich beispielsweise in folgender Publikation beschrieben: M. Schrödl, E. Robeischl: Sensorlose Drehzahl- und Lageregelung von Permanentmagnet-Synchronmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens; e&i Elektrotechnik und Informationstechnik, Februar 2000, Volume 1 17, Issue 2, pp 103 - 1 12

(online veröffentlicht bei Springer Link)

Die Abkürzung INFORM steht hierbei für INdirekte Flussermittlung durch Online- Reaktanz-Messung.

Zum technischen Hintergrund wird in diesem Zusammenhang auch auf die Dokumen- te DE 10 2013 218 041 A1 sowie DE 10 2012 223 847 A1 verwiesen. Soweit die An- steuereinheit Winkelinformationen liefernde Signale von Sensoren verarbeitet, sind die entsprechenden Sensoren nicht dem Nockenwellenversteller zuzurechnen. Die genannten Winkelinformationen, das heißt Informationen bezüglich der Winkelstellung und/oder Rotation, sind vorzugsweise in einem ersten Fall der Nockenwelle und im anderen Fall der Kurbelwelle zugeordnet. Die zur Erfassung der Winkelinformationen vorhandenen Sensoren sind vorzugsweise an derjenigen Seite der Nockenwelle beziehungsweise der Kurbelwelle angeordnet, welche dem Nockenwellenversteller sowie dem Getriebe, insbesondere Umschlingungsgetriebe, welches ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle überträgt, abgewandt ist.

Bei dem Elektromotor der Stelleinheit handelt es sich beispielsweise um einen dreiphasigen elektronisch kommutierten Motor. Ebenso kann es sich bei dem Elektromotor um einen Synchron-Reluktanzmotor handeln.

Das Getriebe der Stelleinheit ist vorzugsweise als Dreiwellengetriebe, insbesondere als Wellgetriebe, ausgebildet. Bei der Antriebswelle dieses Getriebe handelt es sich um ein gehäusefestes Getriebeteil, so dass das nicht notwendigerweise geschlossene Gehäuse des Getriebes beim Betrieb der Stelleinheit als Ganzes rotiert. Mit einer beispielsweise als ein Nockenwellenversteller ausgebildeten Stelleinheit ist folgendes Betriebsverfahren realisierbar:

- Bei Stillstand des Verbrennungsmotors wird die Winkelrelation zwischen Stator und Rotor des Elektromotors durch Bestromung des Stators mit Stromimpul- sen, das heißt Testimpulsen, und Auswertung der Antwortsignale bestimmt,

- bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors wird die Winkellage dessen Rotors stromimpulsbasiert erfasst,

- die Kommutierung des Elektromotors wird mit Überschreiten der Drehzahlgrenze auf einen gegenspannungsbasierten Modus (BEMF-Modus) umgestellt.

Der Nockenwellenversteller umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau einen Elektromotor und ein von diesem betätigtes Stellgetriebe. Das Stellgetriebe weist eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und eine Verstellwelle auf. Hierbei wird die Eingangswelle von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, beispielsweise über ei- nen Ketten- oder Riementrieb oder über ein Zahnradgetriebe, angetrieben. Die Ausgangswelle des Stellgetriebes ist mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors drehfest verbunden oder identisch. Die Verstellwelle des Stellgetriebes ist mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt, wobei optional ein weiteres Getriebe zwischen den Elektromotor und die Verstellwelle des Stellgetriebes geschaltet ist. In jedem Fall han- delt es sich bei dem Elektromotor um einen sensorlosen elektronisch kommutierenden Elektromotor, wobei der Begriff„sensorlos" auf eine Winkelsensorik bezogen ist. Dies heißt, dass weder eine absolute noch eine inkrementelle Winkelsensorik des elektro- motors vorgesehen ist. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt in jedem Betriebszustand des Nockenwellenverstellers in einem von zwei Ansteuermodi, welche jeweils einen geregelten Betrieb des Elektromotors ermöglichen. Hierbei ist ein erster Ansteuermodus vom Stillstand des Elektromotors bis zu einer nicht notwendigerweise festen Drehzahlgrenze wirksam, wogegen ein zweiter Ansteuermodus bei Drehzahlen ab der Drehzahlgrenze aktiviert ist. Zur Durchführung der verschiedenen Ansteuermodi sowie zur Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Ansteuermodus weist der Nockenwellenversteller die Ansteuereinheit auf, bei welcher es sich nicht notwendigerweise um eine einzige bauliche Einheit handelt. Die Ansteuereinheit kann in den Elektromotor integriert oder vorzugsweise räumlich vom Elektromotor getrennt sein.

Bei einer als Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ausgebildeten Stelleinheit sind zwei Betriebsbereiche von besonderem Interesse: ein erster Bereich, in dem das Verdichtungsverhältnis konstant gehalten wird, und ein zweiter Bereich, in dem eine möglichst schnelle Änderung erfolgt. In dem ersten Bereich, in dem die Brennkraftmaschine in der Regel die größte Zeit betrieben wird, führt die Bestromung mit Testimpulsen zu einer hohen Genauigkeit. Im zweiten Bereich arbeitet der Elekt- romotor schnell drehend im BEMF-Modus.

Andere denkbare Anwendungen der Stelleinheit und des vorgeschlagenen Verfahrens sind beispielsweise elektrische Kettenspanner oder elektrische Riemenspanner.

Den Anwendungen als Stelleinheit für Brennkraftmaschinen ist gemeinsam, dass der Elektromotor ständig wechselnd sowohl mit Drehzahlen nahe seiner Höchstdrehzahl betrieben wird als auch in Phasen einer Nichtversteilung einen konstanten Winkel halten soll und dann mit möglichst so niedriger Drehzahl wie möglich betrieben wird, um den Wärmeeintrag gering zu halten. Die korrekte Kommutierung muss aber über das gesamte Drehzahlband, insbesondere beim Anlaufen, sicher gestellt sein.

Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi in Abhängigkeit sowohl von der Drehzahl des Elektromotors als auch von der Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Ebenso können Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Geschwindigkeit von Drehzahländerungen, Einfluss auf die Umschaltung zwischen den verschiedenen Ansteuermodi des Elektromotors haben. So kann beispielsweise bei einem schnellen Hochlaufen des Verbrennungsmotors eine besonders frühe Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus vorgesehen sein.

Bei jedem Ansteuermodus erfolgt die Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Winkelstellung dessen Rotors. Somit ist auch bei dem im unteren Drehzahlbe- reich und bei Stillstand des Elektromotors gegebenen, impulsbasierten Ansteuermodus des Elektromotors kein„blinder" Betrieb des Elektromotors und damit keine Vergleichbarkeit mit dem Betriebsmodus eines Schrittmotors gegeben.

Die für den Nockenwellenversteller beschriebene, aber auch für andere Arten der Stelleinheit vorgesehene Drehzahlgrenze ist in vorteilhafter Verfahrensführung veränderlich. Insbesondere kann bei der Umschaltung zwischen dem impulsbasierten Verfahren und dem BEMF-Modus in unterschiedliche Richtungen eine Hysterese gegeben sein.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die sensorlose Kommutierung eines bürstenlosen DC-Motors der Stelleinheit konstruktive Freiheiten gewonnen werden, was die Anordnung der Leistungselektronik des Elektromotors in der Brennkraftmaschine betrifft. Damit ist eine thermisch optimierte Unterbringung der Leistungselektronik bei zugleich kompaktem Aufbau realisierbar.

Als Stellgetriebe innerhalb der Stelleinheit kommt beispielsweise ein Wellgetriebe, das heißt ein Getriebe mit einem flexiblen Verzahnungsbauteil, oder ein Dreiwellengetriebe sonstiger Bauart, zum Beispiel ein Planetengetriebe, ein Innenexzentergetriebe oder ein Taumelscheibengetriebe, zum Einsatz.

Der Elektromotor ist vorzugsweise als Innenläufermotor ausgebildet. Prinzipiell kann es sich bei dem Elektromotor auch um einen Motor in Außenläuferbauart handeln.

Nachfolgend wird die Erfindung in der Ausbildung als Nockenwellenversteller anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen ersten elektrischen Nockenwellenversteller in schematischer Ansicht, Fig. 2 Details des Nockenwellenverstellers nach Fig. 1 sowie damit zusammenwirkender Komponenten eines Verbrennungsmotors,

Fig 3 einen zweiten elektromechanischen Nockenwellenversteller in grob

schematisierter Darstellung,

Fig. 4 in einem Diagramm verschiedene Betriebsmodi des Nockenwellenverstellers nach Fig. 3 und

Fig. 5 in einem weiteren Diagramm einen Anlassvorgang eines Verbrennungsmotors mit dem Nockenwellenversteller nach Fig. 5.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Stelleinheit ist in Figur 1 als ein elektrischer Nockenwellenversteller zum Einbau in eine in Figur 2 ansatzweise dargestellte Brennkraftmaschine vorgesehen. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion des Nockenwellenverstellers wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Der Nockenwellenversteller weist einen Elektromotor 2 auf, dessen Gehäuse mit 10 und dessen Stator mit 9 bezeichnet ist. Der mit 8 bezeichnete Rotor des Elektromotors 2 ist über eine Verstellwelle 6 mit einem Getriebe 1 1 gekoppelt. Bei dem Getriebe 1 1 handelt es sich um ein Dreiwellengetriebe, nämlich ein Wellgetriebe. Die Verstellwelle 6 kann mit der Motorwelle des Elektromotors 2 identisch oder drehfest gekoppelt sein. Im letztgenannten Fall kann zwischen das Getriebe 1 1 und den Elektromotor 2 eine Ausgleichskupplung, insbesondere Oldham-Kupplung, geschaltet sein.

Auf der Ausgangsseite des Getriebes 1 1 ist eine Abtriebswelle 3 mit einer Welle 5 der Brennkraftmaschine identisch oder fest verbunden. Die Welle 5 ist in dieser Anwendung die Nockenwelle. Eine Antriebswelle des Getriebes 1 1 ist mit 4 bezeichnet und fest mit einem Antriebsrad 7, nämlich einer Riemenscheibe oder einem Kettenblatt, verbunden. Insgesamt handelt es sich bei der Antriebswelle 4 um ein gehäusefestes Teil des Getriebes 1 1 . Die Antriebswelle 4 ist über ein in Fig. 2 erkennbares Zugmittel 14 von der mit 15 bezeichneten antreibenden Welle der Brennkraftmaschine, das heißt des Hubkolbenmotors, nämlich Vierzylinder-Reihenmotors, angetrieben. Die an- treibende Welle ist vorliegend die Kurbelwelle. Ebenso kann der Nockenwellenverstel- ler bei Verbrennungsmotoren anderer Bauart zum Einsatz kommen.

Solange die Verstellwelle 6 mit der Drehzahl der Nockenwelle, das heißt mit halber Kurbelwellendrehzahl, rotiert, wird die Phasenrelation zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle nicht verstellt. Erst bei einer Drehzahldifferenz zwischen der Nockenwelle und der Verstellwelle 6 bewirkt das Getriebe 1 1 als hochuntersetztes Stellgetriebe eine Verstellung der Phasenrelation zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle.

Der Elektromotor 2 wird betrieben mit Hilfe einer Ansteuereinheit 12, welche an den Elektromotor 2 außermittig angeflanscht ist. Hierbei verbindet eine Montageplatte 13 das Gehäuse 10 des Elektromotors 2 mit der Ansteuereinheit 12. In Fig. 2 skizzierte elektronische Komponenten der Ansteuereinheit 12 befinden sich - abweichend von der schematisierten Darstellung - tatsächlich im Gehäuse der Ansteuereinheit 12 auf der Montageplatte 13. Die Montageplatte 13 stellt hierbei nicht nur die mechanische Verbindung zwischen dem Elektromotor 2 und der Ansteuereinheit 12 her, sondern fungiert zugleich als Wärmeleitungs- und Kühlfläche. Durch die asymmetrische Anordnung der Ansteuereinheit 12 relativ zum Elektromotor 2 ist eine gute Wärmeabfuhr aus dem Elektromotor 2, verbunden mit einer niedrigen thermischen Belastung der Ansteuereinheit 12, gegeben.

Der Nockenwellenversteller befindet sich zusammen mit dem Zugmittel 14 an einer ersten Stirnseite der Nockenwelle sowie der Kurbelwelle. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Nockenwelle sowie der Kurbelwelle befinden sich verschiedene, jeweils Winkelinformationen liefernde Sensoren 17, 19. Hierbei handelt es sich um einen

Sensor 17, welcher mit einem fest mit der Nockenwelle verbundenen Geberrad 16 zu- sammenwirkt, sowie um einen Sensor 19, welcher ein Geberrad 18 abtastet, das fest mit der Kurbelwelle verbunden ist und zugleich als Schwungrad fungiert.

Von den Sensoren 17, 19 gelieferte Signale werden mittels Signalleitungen 20, 21 ei- nem Microcontroller 22 zugeführt, der der Ansteuereinheit 12 zuzurechnen ist. Weiter sind der Ansteuereinheit 12 Spannungssensoren 23, Stromsensoren 24, sowie ein Treiber 25 zuzurechnen. Eine insgesamt mit 27 bezeichnete leistungselektronische Schaltung der Ansteuereinheit 12 speist über Leitungen 26 elektrische Energie in Spulen des Stators 9 ein, wobei in Fig. 2 drei sternförmig geschaltete Impedanzen er- kennbar sind. In nicht dargestellter Weise kann alternativ eine Dreieckschaltung gegeben sein.

Die Ansteuereinheit 12 ermöglicht eine Verstellung der Nockenwelle bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors. Hierbei kommt zunächst ein impulsbasiertes Verfah- ren, insbesondere im Rahmen des als INFORM-Verfahrens bekannten Verfahrens, zum Einsatz. Bei höheren Drehzahlen erfolgt eine automatische Umstellung der durch die Ansteuereinheit 12 realisierten Ansteuerung des Elektromotors 2 auf das BEMF- Verfahren, welches auf der Auswertung einer in Wicklungen des Stators 9 des Elektromotors 2 induzierten elektromotorischen Kraft basiert.

Der elektromechanische Nockenwellenversteller hat gegenüber einem hydraulischen Nockenwellenversteller generell den Vorteil, dass eine Verstellung der Nockenwelle bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors möglich ist. Im vorliegenden Fall kann auch die Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten An- steuermodus des Elektromotors schon bei Stillstand der Kurbelwelle erfolgen. Vorzugsweise wird bei einer Drehzahl des Elektromotors, welche mindestens 3 % und höchstens 20 % der Nenndrehzahl des Elektromotors beträgt, vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus gewechselt.

Figur 3 zeigt eine weitere Stelleinheit 1 als elektrischen Nockenwellenversteller mit einem Elektromotor 2, nämlich sensorlosen BLDC-Motor, und dient der Phasenverstel- lung einer nur ansatzweise gezeigten Nockenwelle 5 eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, in Relation zur nicht dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.

Bei einem mit dem Bezugszeichen 1 1 gekennzeichneten Stellgetriebe des Nocken- wellenverstellers 1 handelt es sich um ein Wellgetriebe. Eine gehäusefeste Eingangswelle 4 des Stellgetriebes 1 1 ist mit einem Antriebsrad 7 verbunden, welches mittels eines Ketten- oder Riementriebs von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die mit 3 bezeichnete Ausgangswelle des Stellgetriebes 1 1 ist mit der Nockenwelle 5 iden- tisch oder drehfest verbunden.

Eine Verstellwelle 6 des Stellgetriebes 1 1 ist mit einem Rotor 8 des Elektromotors 2 entweder - wie in Fig. 1 skizziert - direkt oder über eine zwischengeschaltete Ausgleichskupplung, nämlich Oldham-Kupplung, gekoppelt. Mit 9 sind Statorwicklungen, mit 10 das Gehäuse des Elektromotors 2 bezeichnet. Insgesamt handelt es sich bei dem Elektromotor 2 um einen permanentmagneterregten Motor. Dessen Ansteuerung erfolgt mit Hilfe einer Ansteuereinheit 12.

Die Ansteuereinheit 12 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 2 in zwei verschiede- nen Ansteuermodi zu betreiben, wie im Folgenden anhand Figur 4 näher erläutert wird.

In Figur 4 sind verschiedene Ansteuermodi des Elektromotors 2 in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl (ηκ) des Verbrennungsmotors sowie von der Nockenwellen- drehzahl (ΠΝ) und der Drehzahl des Elektromotors 2 veranschaulicht. Erfolgt keine

Phasenverstellung der Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle, so ist ein proportionaler Zusammenhang zwischen Nockenwellendrehzahl und Kurbelwellendrehzahl gegeben. Im Diagramm nach Fig. 4 ist dieser Zusammenhang durch die Proportionalitätslinie PL visualisiert. Hierbei stimmt die Drehzahl ΠΝ der Nockenwelle mit der Drehzahl des Rotors 8 überein. Sobald die Drehzahl der Verstellwelle 6, das heißt Rotordreh- zahl des Elektromotors 2, von der Drehzahl der Eingangswelle 4 abweicht, wird die Phase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verstellt.

Unabhängig davon, ob die Nockenwelle mit konstanter Phasenrelation zur Kurbelwelle rotiert oder verstellt wird, wird der Elektromotor 2 im größten Teil des möglichen Drehzahlbandes des Verbrennungsmotors im BEMF-Verfahren betrieben. Dies entspricht dem zweiten Ansteuermodus, in Fig. 2 mit M2 bezeichnet.

Bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors, sowie bei niedrigen Kurbelwellendreh- zahlen, insbesondere während des Anlassvorgangs des Verbrennungsmotors, ist die Nockenwelle mittels des Nockenwellenverstellers 1 verstellbar. Der Elektromotor 2 wird hierbei in einem ersten, impulsbasierten Ansteuermodus betrieben. In diesem ersten, in Fig. 4 mit M1 bezeichneten Ansteuermodus werden Statorwicklungen 9 mit Hilfe der Ansteuereinheit 12 mit sehr kurzen, im Extremfall nur wenige Mikrosekunden dauernden Spannungsimpulsen beaufschlagt. Da die Impedanzen von der Winkelstellung des Rotors 8 abhängig sind, kann durch eine ebenfalls mittels der Ansteuereinheit 12 erfolgenden Rückmessung des Phasenstroms auf die Winkelstellung des Rotors 8 geschlossen werden. Auf diese Weise wird der Elektromotor 2 bereits ab Stillstand des Rotors 8 geregelt betrieben. Wie weiter aus Fig. 2 hervorgeht, kann bereits während des Stillstandes der Kurbelwelle ein Übergang zwischen dem ersten, impulsbasierten Betriebsmodus des Elektromotors 2 und dem zweiten Ansteuermodus, das heißt BEMF-Verfahren, erfolgen. Ebenso ist eine Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi möglich, nachdem die Rotation der Kurbelwelle begonnen hat. Bei Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors und höheren Drehzahlen kommt aus- schließlich das BEMF-Verfahren zum Einsatz.

Durch den Entfall jeglicher Sensorik, etwa in Form von Hall-Sensoren, Resolvern oder Encodern, ist ein besonders kompakter und robuster Aufbau des Elektromotors 2 sowie des gesamten Nockenwellenverstellers 1 gegeben. Ebenso entfällt die Notwen- digkeit, auf die Temperaturempfindlichkeit etwaiger Winkelsensorik zu achten. Die dennoch in jedem Betriebszustand verfügbare Information über die Winkellage des Rotors 8 ist nicht nur zur Ansteuerung des Elektromotors 2 nutzbar, sondern liefert auch eine Information betreffend die Phase der Nockenwelle.

Zustände des Verbrennungsmotors einschließlich des Nockenwellenverstellers 1 wäh- rend des Anlassens des Verbrennungsmotors sind in Fig. 5 veranschaulicht. Vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl wird der Elektromotor 2 zunächst im ersten Ansteuermodus M1 betrieben. Mit steigender Drehzahl wird auf den zweiten Ansteuermodus M2 umgestellt.

Bei gleichbleibender Drehzahl wird im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors eine Verstellung des mit α bezeichneten Stellwinkels der Nockenwelle betrachtet: Der Übergang zu einem größeren Stellwinkel α wird durch eine kurzzeitige, in Fig. 5 als Peak erkennbare Beschleunigung des Rotors 8 des Elektromotors 2 bewerkstelligt. Die Drehzahl des Elektromotors 2, das heißt des Rotors 8, ist in Fig. 5 mit ΠΕ bezeichnet. Um den Stellwinkel α wieder auf den ursprünglichen Wert zurück zu stellen, ist kurzzeitig eine langsamere Rotation des Rotors 8 erforderlich. Während dieser Herabsetzung der Drehzahl ΠΕ des Elektromotors 2 wird dessen Ansteuerung vorübergehend auf den ersten Ansteuermodus M1 zurückgesetzt. Mit Beendigung des die Nockenwelle 6 betreffenden Verstellvorgangs, welcher im Beispiel nach Fig. 5 unter Beibehaltung der Motordrehzahl ηκ des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, erfolgt eine erneute Umstellung auf den zweiten Ansteuermodus M2 des Elektromotors 2. Im Fall sehr niedriger Leerlaufdrehzahlen ist in nicht dargestellter Weise auch eine Beibehaltung des ersten Ansteuermodus M1 während des Leerlaufs möglich. In Zeiträumen, in denen eine Umstellung zwischen den Ansteuermodi M1 , M2, welche auch als Standardphasen bezeichnet werden, erfolgt, kann eine aus den vereinfachten Figuren 4 und 5 nicht hervorgehende Zwischenphase vorgesehen sein, in der vorübergehend keiner der Ansteuermodi M1 , M2 zum Einsatz kommt. In einer solchen Zwischenphase werden beispielsweise Kommutierungsschritte entsprechend einem Schrittmotor durchgeführt. Aufgrund der kurzen Dauer der Zwischenphase und der gegebenen Trägheitsmomente ist der Elektromotor 2 während der Zwischenphase „blind" betreibbar, wobei zugleich dessen Betriebszustand einschließlich der Winkellage des Rotors 8 mit guter Genauigkeit als bekannt angenommen werden kann. Unabhängig davon, ob beim Übergang zwischen den Ansteuermodi M1 , M2 eine Zwischenphase existiert, ist bei hintereinander erfolgenden Umschaltvorgängen in verschiedene Richtungen vorzugsweise eine Hysterese gegeben. Auf diese Weise wer- den unnötig häufige Umschaltvorgänge vermieden. Insofern sind die in Fig. 4 mit M1 und M2 markierten Flächen nicht unveränderlich. Vielmehr ist beispielsweise die mit M1 gekennzeichnete Fläche bei einem Betrieb des Elektromotors 2, in welchem mit dem ersten Ansteuermodus M1 gestartet und im weiteren Verlauf auf den zweiten Ansteuermodus M2 gewechselt wird, größer als in Fällen, in denen der Elektromotor 2 bereits im zweiten Ansteuermodus M2 läuft und - im Zuge der Absenkung der Motordrehzahl und/oder einer Verstellung der Nockenwelle - auf den ersten Ansteuermodus M1 zurück gestellt wird. Insbesondere im letztgenannten Fall, das heißt bei einem Wechsel vom zweiten Ansteuermodus M2 auf den ersten Ansteuermodus M1 , ist während eines Verstellvorgangs die Drehrichtung des Rotors 8 umkehrbar. Die umgekehr- te Drehrichtung bedeutet im Fall eines positiven Stellgetriebes 1 1 , dass die Drehrichtung des Rotors 8 der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzt ist.

Bezuqszeichenliste

Nockenwellenversteller

Elektromotor

Abtriebswelle

Antriebswelle

Welle

Verstellwelle

Antriebsrad

Rotor

Stator

Gehäuse

Getriebe

Ansteuereinheit

Montageplatte

Zugmittel

antreibende Welle

Geberrad

Sensor

Geberrad

Sensor

Signalleitung

Microcontroller

Spannungssensor

Stromsensor

Treiber

Leitung

leistungselektronische Schaltung

Claims

Patentansprüche

Stelleinheit (1 ) einer Brennkraftmaschine mit einem Elektromotor (2) und mit einem mit dem Elektromotor (2) zusammenwirkenden Getriebe (1 1 ), welches eine mit dem Rotor (8) des Elektromotors (2) gekoppelte Verstellwelle (6) sowie eine zur Kopplung mit einer Welle (5) der Brennkraftmaschine vorgesehene Abtriebswelle (3) aufweist, wobei zur Ansteuerung des Elektromotors (2) eine - bezüglich dessen Rotorposition - sensorlose Ansteuereinheit (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (12) zur Durchführung zweier verschiedener Betriebsmodi in unterschiedlichen Drehzahlbereichen des Elektromotors (2) ausgebildet ist und dass als Betriebsmodi des Elektromotors (2) in einem unteren Drehzahlbereich ein impulsbasierter Modus und in einem oberen Drehzahlbereich ein gegenspannungsbasierter Modus (BEMF-Modus) vorgesehen sind.

Stelleinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Elektromotors (2) gegenüber der Ansteuereinheit (12) versetzt ist, wobei die Ansteuereinheit (12) mittels einer eine Kühlfläche bildenden Montageplatte (13) mit dem Elektromotor (2) mechanisch verbunden ist.

Stelleinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) der Brennkraftmaschine als eine Nockenwelle und dass die Stelleinheit (1 ) als ein Nockenwellenversteller ausgebildet ist.

Stelleinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (1 ) als eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ausgebildet ist.

5. Stelleinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (12) mit Sensoren (17, 19) gekoppelt ist, welche zur Erfassung der Drehzahl der Welle (5) sowie einer die Welle (5) antreibenden Welle (15) ausgebildet sind.

6. Stelleinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dassdie sensorlose Ansteuereinheit (12) außerhalb eines den Stator (9) des Elektromotors (2) umschließenden Gehäuses (10) des Elektromotors (2) angeordnet ist .

7. Stelleinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als dreiphasiger elektronisch kommutierter Motor ausgebildet ist.

8. Stelleinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Getriebe (1 1 ) ein Dreiwellengetriebe, insbesondere Wellgetriebe, mit einer gehäusefesten Antriebswelle (4) vorgesehen ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer zur Verstellung einer Welle (5) eines Verbrennungsmotors vorgesehenen Stelleinheit (1 ), welche einen sensorlos elektronisch kommutierenden Elektromotor (2) und ein durch diesen betätigtes Getriebe (1 1 ) umfasst, mit folgenden Merkmalen:

- Bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors (2) wird die Winkellage dessen Rotors (8) ström impulsbasiert erfasst,

- die Kommutierung des Elektromotors (2) wird mit Überschreiten der Drehzahlgrenze auf einen gegenspannungsbasierten Modus (BEMF-Modus) umgestellt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Elektromotors (2) Signale von Sensoren (17, 19), welche außerhalb des Elektromotors (2) Winkelinformationen der Kurbelwelle (15) sowie der Nockenwelle (5) erfassen, verwendet werden.