DE102015211226A1

DE102015211226A1 - Anordnung und Verfahren zum Antrieb einer Verstellwelle

Info

Publication number: DE102015211226A1
Application number: DE102015211226.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nehmeyer; Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (16) zum Antrieb einer Verstellwelle (15), die in einer Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, aufweisend wenigstens einen über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe (17) trieblich mit der Verstellwelle (15) verbindbaren Elektromotor (18). Um eine solche Anordnung (16) mit verbesserter Verstelldynamik bereitzustellen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Anordnung (16) wenigstens eine Stern-Dreieck-Schaltung (19), über die Wicklungen des Elektromotors (18) wahlweise bestrombar sind, und wenigstens eine signaltechnisch mit der Stern-Dreieck-Schaltung (19) verbindbare Elektronikeinheit (20) aufweist, die eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung zu betreiben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Verstellwelle, die in einer Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, aufweisend wenigstens einen über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe trieblich mit der Verstellwelle verbundenen Elektromotor.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Antrieb einer Verstellwelle, die in einer Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei die Verstellwelle mittels wenigstens eines über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe trieblich mit der Verstellwelle verbundenen Elektromotors angetrieben wird.
Stand der Technik
Mit dem Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert werden, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.
Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie beispielsweise von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw..
Aus DE 10 2011 101 780 A1 ist eine im Wesentlichen aus einem Elektromotor, einem Getriebe und einer Verstellwelle bestehende Stelleinrichtung bekannt, mittels der das Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine verändert wird. Dabei soll eine als Exzenterwelle bezeichnete Verstellwelle drehbar im Kurbelgehäuse angeordnet sein und jeder der Exzenter an einem Koppelelement angreifen. Das jeweilige Koppelelement ist andererseits mit einem Ende eines Hebelelements verbunden, welches verschwenkbar an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle geführt ist. Am anderen Ende des Hebelelements ist ein Pleuellager ausgebildet, so dass durch ein Verschwenken des Hebelelements auf dem Kurbelzapfen eine Lageänderung des Pleuels zum Kurbelzapfen bewirkt wird, aus der eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses resultiert. Die Verstellwelle wird mittels des über ein Getriebe trieblich mit der Verstellwelle verbundenen Elektromotors angetrieben. Die aus dem Getriebe und dem Elektromotor gebildete Anordnung wird üblicherweise so ausgelegt, dass die Kombination aus Elektromotormoment und Getriebeübersetzung ein Antriebsmoment erreicht, das höher als das maximal an der Verstellwelle anliegende Lastdrehmoment ist. Dadurch kann in jedem Betriebspunkt eine Verstellung der Verstellwelle zuverlässig erfolgen. Hierbei kann ein hochübersetzendes Getriebe verwendet werden, um mit den relativ geringen Drehmomenten des Elektromotors die erforderlichen hohen Antriebsmomente erreichen zu können. Eine hohe Getriebeübersetzung ist jedoch wenig dynamisch, so dass eine relativ geringe maximale Antriebsdrehzahl zum Antreiben der Verstellwelle zur Verfügung steht.
Die vorstehend erläuterte Kinematik der Einrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses mit einem auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordneten Hebelelement, an welchem einerseits das Pleuel und andererseits das von der Verstellwelle ausgehende Koppellelement angreifen, ist unter der Bezeichnung „Multilink Mechanism“ auch aus der Veröffentlichung http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.htm bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Antrieb einer Verstellwelle, die in einer Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, mit verbesserter Verstelldynamik bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle einer Vorrichtung zum Verändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst wenigstens einen über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe wirktechnisch mit der Verstellwelle verbindbaren Elektromotor, wenigstens eine Stern-Dreieck-Schaltung, über die Wicklungen des Elektromotors wahlweise bestrombar sind, und wenigstens eine signaltechnisch mit der Stern-Dreieck-Schaltung verbindbare Elektronikeinheit, die eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung zu betreiben.
Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, den Elektromotor wahlweise über eine Stern-Schaltung oder eine Dreieck-Schaltung zu bestromen, kann die Verstelldynamik der Anordnung variiert werden. Wenn an der Verstellwelle höhere Lastdrehmomente angreifen, kann der Elektromotor über die Stern-Schaltung bestromt werden, wodurch mit dem Elektromotor ein höheres Drehmoment erzeugbar ist. Jedoch ist bei der Bestromung des Elektromotors über die Stern-Schaltung lediglich eine geringere maximale Drehzahl des Elektromotors realisierbar. Wenn an der Verstellwelle niedrigere Lastdrehmomente angreifen, kann der Elektromotor über die Dreieck-Schaltung bestromt werden, wodurch höhere Drehzahlen des Elektromotors erreichbar sind. Jedoch ist bei der Bestromung des Elektromotors über die Dreieck-Schaltung lediglich ein geringeres maximales Drehmoment des Elektromotors realisierbar. Bei der Bestromung des Elektromotors über die Dreieck-Schaltung kann somit am Ausgang der Getriebestufe eine höhere Antriebsdrehzahl bereitgestellt und damit eine schnellere Verstellung der Verstellwelle erreicht werden. Hierdurch weist die erfindungsgemäße Anordnung eine verbesserte Verstelldynamik auf. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass der Elektromotor durch seine Bestromung über die Stern-Schaltung in bestimmten Betriebspunkten ein ausreichendes Drehmoment zum Verstellen der Verstellwelle erzeugen kann. Ein hohes Drehmoment des Elektromotors ist in der Regel im Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine seltener erforderlich als ein geringeres Drehmoment.
Der Elektromotor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) sein. Wird ein solcher Elektromotor über die Stern-Schaltung bestromt, weist er eine drehmomentorientierte Charakteristik mit reduzierter Leerlaufdrehzahl auf. Wird der Elektromotor über die Dreieck-Schaltung bestromt, weist er eine drehzahlorientierte Charakteristik mit reduziertem Maximaldrehmoment auf. Das Verhältnis hinsichtlich Drehmoment und Drehzahl zwischen den beiden verschiedenen Bestromungsarten beträgt etwa 1,73.
Die Elektronikeinheit kann durch ein vorhandenes Steuergerät der Hubkolbenbrennkraftmaschine oder separat davon ausgebildet sein. Die Elektronikeinheit ist eingerichtet, Steuersignale zu erzeugen und an Schalter der Stern-Dreieck-Schaltung zu senden, um diese wahlweise als Stern-Schaltung oder Dreieck-Schaltung betreiben zu können. Die Elektronikeinheit kann eingerichtet sein, vor, nach und/oder während eines Verstellvorgangs die Stern-Dreieck-Schaltung zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umzuschalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektronikeinheit eingerichtet, die Stern-Dreieck-Schaltung in Abhängigkeit eines momentanen Lastbetriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eines momentanen Verstellwinkels der Verstellwelle zu betreiben. Beispielsweise kann eine Bestromung des Elektromotors über die Stern-Schaltung in einem Volllastbetrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorteilhaft sein, während in einem Teillastbetrieb eine Bestromung des Elektromotors über die Dreieck-Schaltung ausreichen kann. Bei unterschiedlichen Verstellwinkeln der Verstellwelle wirken auf diese unterschiedliche Lastdrehmomente ein.
Insbesondere wenn die Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle einer Vorrichtung gemäß der in DE 10 2011 101 780 A1 offenbarten Art eingesetzt wird, sind die auf die Verstellwelle einwirkenden Lastdrehmomente bei einem Verstellwinkel der Verstellwelle besonders hoch, bei dem das dadurch gegebene Verdichtungsverhältnis in einem mittleren Bereich liegt. Hingegen sind die auf die Verstellwelle einwirkenden Lastdrehmomente bei Verstellwinkeln der Verstellwelle niedriger, bei denen das jeweilig dadurch gegebene Verdichtungsverhältnis in einem hohen oder niedrigen Bereich liegt. Je nachdem, in welchem Bereich der momentane Verstellwinkel der Verstellwelle liegt bzw. über welchen Verstellwinkelbereich die Verstellwelle verstellt werden soll, kann die Elektronikeinheit die Stern-Schaltung oder die Dreieck-Schaltung zur Bestromung des Elektromotors auswählen. Hierbei kann die Elektronikeinheit beispielsweise mit Erfassungsmitteln zusammenwirken, mit denen der jeweilige momentane Lastbetrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine und der momentane Verstellwinkel der Verstellwelle erfassbar sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektronikeinheit eingerichtet, die Stern-Dreieck-Schaltung zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umzuschalten, wenn der Elektromotor eine momentane Drehzahl aufweist, die sowohl mit der Stern-Schaltung als auch mit der Dreieck-Schaltung erreichbar ist. Hierdurch wird bei einem Umschalten zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung eine sprunghafte bzw. ruckhafte Änderung der Drehzahl des Elektromotors vermieden. Dies geht mit einem schonenderen Betrieb der Anordnung und einer gesteigerten Dauerhaftigkeit der Anordnung einher. Ist hingegen ein Verstellsprung aufgrund des momentanen Drehmomentbedarfs zulässig, kann die Elektronikeinheit eingerichtet sein, von der Bestromung des Elektromotors über die Stern-Schaltung in eine Bestromung des Elektromotors über die Dreieck-Schaltung umzuschalten, um hohe Verstellgeschwindigkeiten zu erreichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektronikeinheit eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung bei einem auf die Verstellwelle einwirkenden, höheren momentanen Lastdrehmoment als Stern-Schaltung und bei einem auf die Verstellwelle einwirkenden, niedrigeren momentanen Lastdrehmoment als Dreieck-Schaltung zu betreiben. Da höhere momentane Lastdrehmomente im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine seltener auftreten als niedrigere momentane Lastdrehmomente, kann die Stern-Dreieck-Schaltung überwiegend als Dreieck-Schaltung betrieben werden, um höhere Verstellgeschwindigkeiten zu erreichen. Höhere Lastdrehmomente erfordern zum Verstellen der Verstellwelle ein höheres Drehmoment des Elektromotors als niedrigere Lastdrehmomente. Entsprechende Lastdrehmomente treten insbesondere bei Verwendung der Anordnung zum Antreiben der Verstellwelle einer Vorrichtung gemäß der in DE 10 2011 101 780 A1 und der Veröffentlichung http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.htm offenbarten Art auf.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit eingerichtet ist, zum Halten einer momentanen Verstellposition der Verstellwelle und/oder bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten, die vorzugsweise kleiner als eine Hälfte einer Maximalverstellgeschwindigkeit sind, die Stern-Dreieck-Schaltung als Stern-Schaltung zu betreiben. Hierdurch wird zum Halten der momentanen Verstellposition der Verstellwelle bzw. bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten eine möglichst geringe Stromaufnahme des Elektromotors realisiert.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Antrieb einer Verstellwelle, die in einer Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, wird die Verstellwelle mittels wenigstens eines über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe wirktechnisch mit der Verstellwelle verbindbaren Elektromotors angetrieben, wobei Wicklungen des Elektromotors wahlweise mittels einer Stern-Dreieck-Schaltung bestromt werden, und wobei die Stern-Dreieck-Schaltung wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung betrieben wird.
Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann die Anordnung gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Stern-Dreieck-Schaltung in Abhängigkeit eines momentanen Lastbetriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eines momentanen Verstellwinkels der Verstellwelle betrieben. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stern-Dreieck-Schaltung zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umgeschaltet wird, wenn der Elektromotor eine momentane Drehzahl aufweist, die sowohl mit der Stern-Schaltung als auch mit der Dreieck-Schaltung erreichbar ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die Stern-Dreieck-Schaltung bei einem auf die Verstellwelle einwirkenden, höheren momentanen Lastdrehmoment als Stern-Schaltung und bei einem auf die Verstellwelle einwirkenden, niedrigeren momentanen Lastdrehmoment als Dreieck-Schaltung betrieben wird. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Vorteilhafterweise wird die Stern-Dreieck-Schaltung zum Halten einer momentanen Verstellposition der Verstellwelle und/oder bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten, die vorzugsweise kleiner als eine Hälfte einer Maximalverstellgeschwindigkeit sind, als Stern-Schaltung betrieben. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche und der abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung und
3 ein Diagramm bezüglich der Abhängigkeit der auf die Verstellwelle der in 1 gezeigten Vorrichtung einwirkenden Lastdrehmomente in Abhängigkeit von den jeweiligen Verstellwinkeln der Verstellwelle.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses einer einen Zylinder 2 und einen Kolben 3 aufweisenden Zylindereinheit 4 einer nicht näher dargestellten und erläuterten Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Vorrichtung 1 bildet einen Mehrgelenkkurbeltrieb aus.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst eine Kurbelwelle 5, von der in der schematischen Darstellung eine Kurbelwange 6 und ein Kurbelzapfen 7 sichtbar sind. Der Kurbelzapfen 7 ist in einem Koppelhebel 8 drehbar gelagert, wobei der Koppelhebel 8 über ein erstes Gelenk 9 eine Pleuelstange 10 und über ein zweites Gelenk 11 eine Schubstange 12 aufnimmt. Die Pleuelstange 10 ist an ihrem vom Koppelhebel 8 abgewandten Ende mit einem nicht gezeigten Pleuelauge versehen, in dem ein nicht gezeigter Kolbenbolzen drehbar gelagert ist. Der Kolbenbolzen verbindet die Pleuelstange 10 mit dem Kolben 3 der Zylindereinheit 4, so dass die Pleuelstange 10 schwenkbar im Kolben 3 geführt ist.
Die Schubstange 12 ist über ein Schubstangenauge 13 radial auf einem Exzenter 14 einer Verstellwelle 15 geführt, so dass durch eine Verdrehung der Verstellwelle 15 eine Schub- oder Zugbewegung auf die Schubstange 12 und somit auf den Koppelhebel 8 an dessen zweitem Gelenk 11 übertragen wird. Diese Schub- oder Zugbewegung führt zum Verschwenken des Koppelhebels 8 auf dem Kurbelzapfen 7, so dass sich der Abstand zwischen diesem und dem Kolbenbolzen und folglich das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit 4 ändert. In der gezeigten Stellung der Vorrichtung 1 nimmt die Verstellwelle 15 einen Verstellwinkel von 0° ein, wodurch die Zylindereinheit 4 ein hohes Verdichtungsverhältnis aufweist.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Anordnung 16 zum Antreiben einer Verstellwelle 15 einer Vorrichtung zum Verändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Vorrichtung kann gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein.
Die Anordnung 16 umfasst einen über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe 17 trieblich mit der Verstellwelle 15 verbindbaren Elektromotor 18. Des Weiteren umfasst die Anordnung 16 eine Stern-Dreieck-Schaltung 19, über die nicht gezeigte Wicklungen des Elektromotors 18 wahlweise bestrombar sind. Ferner umfasst die Anordnung 16 eine über eine Signalverbindung S signaltechnisch mit der Stern-Dreieck-Schaltung 19 verbindbare Elektronikeinheit 20, die eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung 19 wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung zu betreiben.
Die Elektronikeinheit 20 kann eingerichtet sein, die Stern-Dreieck-Schaltung 19 in Abhängigkeit eines momentanen Lastbetriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eines momentanen Verstellwinkels der Verstellwelle 15 zu betreiben. Alternativ oder additiv kann die Elektronikeinheit 20 eingerichtet sein, die Stern-Dreieck-Schaltung 19 zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umzuschalten, wenn der Elektromotor 18 eine momentane Drehzahl aufweist, die sowohl mit der Stern-Schaltung als auch mit der Dreieck-Schaltung erreichbar ist. Alternativ oder additiv kann die Elektronikeinheit 20 eingerichtet sein, die Stern-Dreieck-Schaltung 19 bei einem auf die Verstellwelle 15 einwirkenden, höheren momentanen Lastdrehmoment als Stern-Schaltung und bei einem auf die Verstellwelle 15 einwirkenden, niedrigeren momentanen Lastdrehmoment als Dreieck-Schaltung zu betreiben. Alternativ oder additiv kann die Elektronikeinheit 20 eingerichtet sein, zum Halten einer momentanen Verstellposition der Verstellwelle 15 und/oder bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten, die vorzugsweise kleiner als eine Hälfte einer Maximalverstellgeschwindigkeit sind, die Stern-Dreieck-Schaltung 19 als Stern-Schaltung zu betreiben.
3 zeigt ein Diagramm bezüglich der Abhängigkeit des auf die Verstellwelle 15 der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 einwirkenden Lastdrehmoments von dem Verstellwinkel α der Verstellwelle 15. Es ist der Verstellwinkel α gegen einen Lastfaktor L aufgetragen, der ein Maß für das jeweilig auf die Verstellwelle 15 einwirkende Lastdrehmoment ist. Die Verstellwelle 15 ist mit einer Anordnung 16 gemäß 2 antreibbar. Links neben dem Diagramm sind drei verschiedene Stellungen der Verstellwelle 15 angedeutet, wobei die obere Stellung bei einem Verstellwinkel α von etwa 180° vorliegt und einem geringen Verdichtungsverhältnis entspricht, die mittlere Stellung bei einem Verstellwinkel α von etwa 90° vorliegt und einem mittleren Verdichtungsverhältnis entspricht und die untere Stellung bei einem Verstellwinkel α von etwa 0° vorliegt und einem hohen Verdichtungsverhältnis entspricht, wie sich auch aus 1 ergibt. Die Stern-Dreieck-Schaltung 19 der Anordnung 16 kann in den Winkelbereichen a und c, in denen ein geringeres Lastdrehmoment auf die Verstellwelle 15 einwirkt, als Dreieck-Schaltung betrieben werden, um große Drehzahlen des Elektromotors und dadurch eine hohe Verstellgeschwindigkeit zu erreichen. In dem Winkelbereich b, in dem ein höheres Lastdrehmoment auf die Verstellwelle 15 einwirkt, kann die Stern-Dreieck-Schaltung 19 als Stern-Schaltung betrieben werden, um mit dem Elektromotor ein größeres Antriebsdrehmoment erzeugen zu können.
Aufgrund der Kinematik der Vorrichtung 1 wirkt im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf die Verstellwelle 15 ein vom Verstellwinkel α der Verstellwelle 15 abhängiges Lastdrehmoment, dessen Amplitude abhängig von dem Verstellwinkel α der Verstellwelle 15 und sinusförmig ausgeprägt ist, wie es in dem Diagramm gezeigt ist. Das maximale Lastdrehmoment tritt bei einem Verstellwinkel α der Verstellwelle 15 von etwa 90° auf. Der überwiegende Anteil der Betriebszustände der Hubkolbenbrennkraftmaschine liegt jedoch in einem niedrigeren Teillastbereich, in dem Verstellwinkel α erforderlich sind, die in einem an 0° angrenzenden und 0° umfassenden Bereich liegen.
Im Folgenden werden vier Beispiele für verschiedene Betriebsweisen der erfindungsgemäßen Anordnung 16 gegeben.
Beispiel 1: Vollverstellung der Verstellwelle 15 von α = 60° auf α = 180° in einem Volllastbetriebspunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine
Der Elektromotor 18 wird zur Erzeugung eines hohen Drehmoments über die Stern-Schaltung angefahren, bis der Verstellwinkel α etwa 120° beträgt. Anschließend wird die Stern-Dreieck-Schaltung 19 durch die Elektronikeinheit 20 als Dreieck-Schaltung betrieben und somit der Elektromotor 18 über die Dreieck-Schaltung bestromt, bis der Verstellwinkel α 180° beträgt.
Beispiel 2: Vollverstellung der Verstellwelle 15 von α = 0° auf α = 180° in einem Teillastbetriebspunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine
Die Stern-Dreieck-Schaltung 19 wird mittels der Elektronikeinheit 20 über den gesamten Verstellwinkelbereich als Dreieck-Schaltung betrieben, weil das maximale Drehmoment nur im Volllastbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgebracht werden muss.
Beispiel 3: Vollverstellung der Verstellwelle 15 von α = 0° auf α = 180° in einem Volllastbetriebspunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine
Die Stern-Dreieck-Schaltung 19 wird mittels der Elektronikeinheit 20 zunächst als Dreieck-Schaltung betrieben, bis der Verstellwinkel α etwa 60° beträgt. Anschließend wird die Stern-Dreieck-Schaltung 19 als Stern-Schaltung betrieben, bis der Verstellwinkel α etwa 120° beträgt. Hierdurch kann der Winkelbereich b, in dem die höchsten Lastdrehmomente auf die Verstellwelle 15 einwirken, zuverlässig durchfahren werden. Zuletzt wird die Stern-Dreieck-Schaltung 19 wieder als Dreieck-Schaltung betrieben, bis der Verstellwinkel α 180° beträgt.
Beispiel 4: Vollverstellung der Verstellwelle 15 von α = 180° auf α = 0°
Die Stern-Dreieck-Schaltung 19 wird über den gesamten Verstellwinkelbereich mittels der Elektronikeinheit 20 als Dreieck-Schaltung betrieben, da in Verstellrichtung das auf die Verstellwelle 15 einwirkende Lastdrehmoment die Verstellbewegung der Verstellwelle 15 unterstützt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Zylinder
3: Kolben
4: Zylindereinheit
5: Kurbelwelle
6: Kurbelwange
7: Kurbelzapfen
8: Koppelhebel
9: Gelenk
10: Pleuelstange
11: Gelenk
12: Schubstange
13: Schubstangenauge
14: Exzenter
15: Verstellwelle
16: Anordnung
17: Getriebestufe
18: Elektromotor
19: Stern-Dreieck-Schaltung
20: Elektronikeinheit
L: Lastfaktor
S: Signalverbindung
α: Verstellwinkel
a: Winkelbereich
b: Winkelbereich
c: Winkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011101780 A1 [0006, 0015, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.htm bekannt [0007]
http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.htm [0017]

Claims

Anordnung (16) zum Antrieb einer Verstellwelle (15), die in einer Vorrichtung (1) zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit (4) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, aufweisend wenigstens einen über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe (17) trieblich mit der Verstellwelle (15) verbundenen Elektromotor (18), gekennzeichnet durch wenigstens eine Stern-Dreieck-Schaltung (19), über die Wicklungen des Elektromotors (18) wahlweise bestrombar sind, und wenigstens eine signaltechnisch mit der Stern-Dreieck-Schaltung (19) verbindbare Elektronikeinheit (20), die eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung zu betreiben.
Anordnung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (20) eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) in Abhängigkeit eines momentanen Lastbetriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eines momentanen Verstellwinkels (α) der Verstellwelle (15) zu betreiben.
Anordnung (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (20) eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umzuschalten, wenn der Elektromotor (18) eine momentane Drehzahl aufweist, die sowohl mit der Stern-Schaltung als auch mit der Dreieck-Schaltung erreichbar ist.
Anordnung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (20) eingerichtet ist, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) bei einem auf die Verstellwelle (15) einwirkenden, höheren momentanen Lastdrehmoment als Stern-Schaltung und bei einem auf die Verstellwelle (15) einwirkenden, niedrigeren momentanen Lastdrehmoment als Dreieck-Schaltung zu betreiben.
Anordnung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (20) eingerichtet ist, zum Halten einer momentanen Verstellposition der Verstellwelle (15) und/oder bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten, die vorzugsweise kleiner als eine Hälfte einer Maximalverstellgeschwindigkeit sind, die Stern-Dreieck-Schaltung (19) als Stern-Schaltung zu betreiben.
Verfahren zum Antrieb einer Verstellwelle (15), die in einer Vorrichtung (1) zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer Zylindereinheit (4) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei die Verstellwelle (15) mittels wenigstens eines über zumindest eine hochübersetzende Getriebestufe (17) trieblich mit der Verstellwelle (15) verbundenen Elektromotors (18) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen des Elektromotors (18) wahlweise mittels einer Stern-Dreieck-Schaltung (19) bestromt werden, wobei die Stern-Dreieck-Schaltung (19) wahlweise als Stern-Schaltung oder als Dreieck-Schaltung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Dreieck-Schaltung (19) in Abhängigkeit eines momentanen Lastbetriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eines momentanen Verstellwinkels (α) der Verstellwelle (15) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Dreieck-Schaltung (19) zwischen der Stern-Schaltung und der Dreieck-Schaltung umgeschaltet wird, wenn der Elektromotor (18) eine momentane Drehzahl aufweist, die sowohl mit der Stern-Schaltung als auch mit der Dreieck-Schaltung erreichbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Dreieck-Schaltung (19) bei einem auf die Verstellwelle (15) einwirkenden, höheren momentanen Lastdrehmoment als Stern-Schaltung und bei einem auf die Verstellwelle (15) einwirkenden, niedrigeren momentanen Lastdrehmoment als Dreieck-Schaltung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Dreieck-Schaltung (19 zum Halten einer momentanen Verstellposition der Verstellwelle (15) und/oder bei langsamen Verstellgeschwindigkeiten, die vorzugsweise kleiner als eine Hälfte einer Maximalverstellgeschwindigkeit sind, als Stern-Schaltung betrieben wird.