DE202017000956U1 - Internal combustion engine with adjustable camshaft - Google Patents
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Abstract
Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder(2), wenigstens einem an einer Ein- oder Auslassöffnung des Zylinders angeordneten Ventil (3, 4), einer Nockenwelle (7), die einen den Hub des Ventils (3, 4) steuernden Nocken (6) mit mehreren wahlweise mit dem Ventil (3, 4) in Wechselwirkung bringbaren Stufen (8, 9, 10) trägt, mit einem eine Drehung der Nockenwelle (7) antreibenden Elektromotor (24) und mit einer Überwachungseinheit (30), die eingerichtet ist, anhand der Leistungsaufnahme des Elektromotors (24) zu entscheiden, welche der Stufen (8, 9, 10) mit dem Ventil (3, 4) wechselwirkt.Internal combustion engine with at least one cylinder (2), at least one arranged on an inlet or outlet of the cylinder valve (3, 4), a camshaft (7) having a stroke of the valve (3, 4) controlling the cam (6) a plurality of optionally with the valve (3, 4) interacting stages (8, 9, 10) carries, with a rotation of the camshaft (7) driving the electric motor (24) and with a monitoring unit (30) which is established based the power consumption of the electric motor (24) to decide which of the stages (8, 9, 10) interacts with the valve (3, 4).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit verstellbarer Nockenwelle.The present invention relates to an internal combustion engine with an adjustable camshaft.
Die Nockenwelle eines Verbrennungsmotors ist herkömmlicherweise an die von dessen Zylindern angetriebene Kurbelwelle gekoppelt, um das Öffnen und Schließen der Ventile der Zylinder mit der Kolbenbewegung zu synchronisieren. Zwischen Kurbel- und Nockenwelle kann ein Phasenschieber vorgesehen sein, der es erlaubt, durch ein Verdrehen der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle die Phasenlage der Frischluftansaugung bzw. der Abgasausstoßung relativ zur Kolbenbewegung während des Motorbetriebs an äußere Gegebenheiten wie Motorlast, Temperatur etc. anzupassen und auf diesem Wege Vorteile in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Abgasqualität etc. zu erzielen.The camshaft of an internal combustion engine is conventionally coupled to the crankshaft driven by its cylinders to synchronize the opening and closing of the valves of the cylinders with the piston movement. Between the crankshaft and camshaft, a phase shifter can be provided, which allows by rotating the camshaft relative to the crankshaft, the phase position of Frischluftansaugung or Abgasausstoßung relative to the piston movement during engine operation to external conditions such as engine load, temperature, etc. adapt and on this Ways to achieve advantages in terms of fuel consumption, exhaust quality, etc.
Mit einem solchen Phasenschieber können Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Ventils jeweils nur gemeinsam verschoben werden, die Phasendifferenz zwischen ihnen ist nicht veränderbar. Die Zeitspanne, die zum Ansaugen der Frischluft bzw. Ausstoßen des Abgases zur Verfügung steht, ist folglich umgekehrt proportional zur Drehzahl des Motors. Je höher die Drehzahl, umso größer ist der Druckabfall an den Ventilen, mit der Folge, dass die erreichbare Motorleitung bei hohen Drehzahlen durch unzureichende Zylinderfüllung und -entleerung beeinträchtigt ist.With such a phase shifter opening and closing times of a valve can only be moved together, the phase difference between them can not be changed. The period of time available for sucking in the fresh air or discharging the exhaust gas is consequently inversely proportional to the rotational speed of the engine. The higher the speed, the greater the pressure drop at the valves, with the result that the achievable motor line is affected at high speeds by insufficient cylinder filling and emptying.
Um diesem Problem abzuhelfen, sind Nockenwellen, deren Nocken mehrere Stufen mit jeweils unterschiedlichen Umfangsverläufen aufweisen. Durch axiale Verschiebung einer solchen Nockenwelle können je nach Bedarf verschiedene Stufen eines Nockens mit einem Ventil in Wechselwirkung gebracht werden, um so den Ventilhub zu variieren.To remedy this problem, are camshafts whose cams have several stages, each with different circumferential curves. By axially displacing such a camshaft, different stages of a cam can be interacted with a valve, as needed, so as to vary the valve lift.
Falls eine Verschiebung der Nockenwelle unbemerkt scheitert oder verzögert wird, hat dies erhebliche Folgen für den Motorbetrieb, da z.B. angesaugte Luftmasse und zugemessener Kraftstoff nicht mehr im korrekten Verhältnis stehen. Eine Motorsteuereinheit, die die Verschiebung der Nockenwelle steuert, sollte daher auch eine Rückmeldung über die erfolgte Verschiebung empfangen. Dies kann z.B. mit Hilfe von den verstellbaren Nocken zugeordneten Hall-Sensoren geschehen, doch ist die Unterbringung der Sensoren am Motor aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden.If a shift of the camshaft fails or is delayed unnoticed, this has considerable consequences for the engine operation, since e.g. sucked air mass and metered fuel are no longer in the correct ratio. An engine control unit that controls the displacement of the camshaft should therefore also receive a feedback about the shift carried out. This can e.g. done with the help of the adjustable cam associated Hall sensors, but the placement of the sensors on the engine is complicated and associated with considerable costs.
Bei hydraulisch betätigten Phasenschiebern ist die Möglichkeit bekannt, den aus der Betätigung des Ventils resultierenden Druck des Hydraulikfluids zu messen. Dieser ist je nach Ventilhub unterschiedlich und lässt somit bei Verwendung mit einem mehrstufigen Nocken einen Rückschluss auf die die Ventilbewegung steuernde Stufe des Nockens zu.In hydraulically actuated phase shifters, it is known to measure the pressure of the hydraulic fluid resulting from actuation of the valve. This is different depending on the valve stroke and thus allows a conclusion on the valve movement controlling stage of the cam when used with a multi-stage cam.
In den letzten Jahren geht der Trend vermehrt zu elektrisch betätigten Phasenschiebern, da mit diesen höhere Stellgeschwindigkeiten erreichbar sind als mit hydraulisch betätigten Phasenschiebern. Bei diesen steht kein Drucksignal zur Verfügung, das einen Rückschluss auf die eingestellte Nockenstufe erlaubt.In recent years, the trend is increasingly towards electrically operated phase shifters, as with these higher speeds are achievable than with hydraulically actuated phase shifters. For these there is no pressure signal available, which allows a conclusion on the set cam stage.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbrennungsmotor mit mehrstufigen Nocken zu schaffen, bei dem einfach und kostengünstig überwacht werden kann, welche Stufe des Nockens mit einem Ventil wechselwirkt.An object of the invention is to provide a multi-stage cam internal combustion engine that can easily and inexpensively monitor which stage of the cam interacts with a valve.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, wenigstens einem an einer Ein- oder Auslassöffnung des Zylinders angeordneten Ventil, einer Nockenwelle, die einen den Hub des Ventils steuernden Nocken mit mehreren wahlweise mit dem Ventil in Wechselwirkung bringbaren Stufen trägt, einem eine Drehung der Nockenwelle antreibenden Elektromotor und einer Überwachungseinheit, die eingerichtet ist, anhand der Leistungsaufnahme des Elektromotors zu entscheiden, welche der Stufen mit dem Ventil wechselwirkt.The object is achieved according to an embodiment of the invention by an internal combustion engine having at least one cylinder, at least one arranged at an inlet or outlet port of the cylinder valve, a camshaft having a cam of the valve controlling cam with a plurality of selectively engageable with the valve Stages carries, a rotation of the camshaft driving electric motor and a monitoring unit which is adapted to decide based on the power consumption of the electric motor which of the stages interacts with the valve.
Der Elektromotor kann den alleinigen Antrieb der Nockenwelle darstellen. Bevorzugt ist allerdings ein Aufbau, bei dem der Elektromotor, die Nockenwelle und eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit jeweils einem Anschluss eines Ausgleichsgetriebes verbunden sind, so dass der Elektromotor nur einen Teil der zum Antreiben der Nockenwelle benötigten Leistung liefern muss und dementsprechend klein gewählt werden kann.The electric motor can represent the sole drive of the camshaft. However, a construction is preferred in which the electric motor, the camshaft and a crankshaft of the internal combustion engine are each connected to a connection of a differential gear, so that the electric motor only has to supply a part of the power required for driving the camshaft and can accordingly be selected to be small.
Damit jederzeit eine Leistungsmessung am Elektromotor erfolgen kann, sollte dieser kontinuierlich laufen. Das Ausgleichsgetriebe sollte daher so ausgelegt sein, dass das bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor übliche Drehzahlverhältnis von 2:1 zwischen Kurbel- und Nockenwelle nur bei nichtverschwindender Drehzahl des Elektromotors eingehalten wird.So that at any time a power measurement can be done on the electric motor, it should run continuously. The differential gear should therefore be designed so that the usual in a four-stroke internal combustion engine speed ratio of 2: 1 between crankshaft and camshaft is maintained only at non-zero speed of the electric motor.
Vorzugsweise weist eine Vorstufe des Ausgleichsgetriebes ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 zwischen der Kurbelwelle und einer Zwischenwelle auf, und eine Hauptstufe verbindet die Zwischenwelle mit den Anschlüssen des Elektromotors und der Nockenwelle und unterstützt eine Drehung der Zwischenwelle und der Anschlüsse des Elektromotors und der Nockenwelle mit gleicher Drehzahl.Preferably, a precursor of the differential gear has a gear ratio of 2: 1 between the crankshaft and an intermediate shaft, and a main stage connects the intermediate shaft to the terminals of the electric motor and the camshaft and supports rotation of the intermediate shaft and the terminals of the electric motor and the camshaft with the same Rotation speed.
Ein solches Ausgleichsgetriebe ist insbesondere unter Verwendung eines Spannungswellengetriebes, auch als Harmonic-Drive-Getriebe bezeichnet, realisierbar.Such a differential gear is in particular using a Voltage shaft gear, also referred to as harmonic drive gear, feasible.
Wenn die Kurbelwelle einen Außenring des Spannungswellengetriebes antreibt, kann sie einen Großteil der für den Antrieb der Nockenwelle benötigten Leistung aufbringen. So kann ein kleiner Elektromotor mit geringem Trägheitsmoment und schnell veränderbarer Drehzahl gewählt werden, der eine schnelle Phasenverstellung erlaubt.When the crankshaft drives an outer ring of the stress wave transmission, it can apply much of the power needed to drive the camshaft. So a small electric motor with low moment of inertia and fast variable speed can be selected, which allows a quick phase adjustment.
Das Ausgleichsgetriebe kann auf Seiten des Verbrennungsmotoranschlusses einen Schwingungsdämpfer aufweisen, um den Elektromotor und die Nockenwelle gegenüber Drehmomentschwankungen der Kurbelwelle abzuschirmen. Der Schwingungsdämpfer kann durch einen Zahnriemen gebildet sein, er kann auch wie z.B. in
Die Überwachungseinheit sollte eingerichtet sein, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors zu erfassen, um die des Elektromotors passend nachführen zu können.The monitoring unit should be set up to detect a rotational speed of the internal combustion engine in order to track the electric motor appropriately.
Falls die als mit dem Ventil wechselwirkend erkannte Stufe des Nockens nicht mit einer von einer Motorsteuereinheit ausgewählten Sollstufe übereinstimmt, sollte die Überwachungseinheit ein Fehlersignal ausgeben.If the cam level detected as interactively with the valve does not match a target level selected by a motor control unit, the monitoring unit should output an error signal.
Insbesondere wenn dieses Fehlersignal die tatsächlich wechselwirkende Stufe bezeichnet, kann dies von der Motorsteuereinheit, z.B. bei der Kraftstoffzumessung, berücksichtigt werden.In particular, if this error signal designates the actual interactive stage, this may be done by the engine control unit, e.g. in fuel metering.
Wenn der Verbrennungsmotor in üblicher Weise mehrere Zylinder aufweist, sollte die Überwachungseinheit eingerichtet sein, die Leistungsaufnahme und/oder die Drehzahl mit einer Zeitauflösung zu überwachen, die kürzer ist als die Umdrehungsperiode der Nockenwelle, um so für jeden einzelnen Nocken die mit dem zugeordneten Ventil wechselwirkende Stufe identifizieren zu können.When the internal combustion engine has a plurality of cylinders in the usual way, the monitoring unit should be set up to monitor the power consumption and / or the speed with a time resolution which is shorter than the period of rotation of the camshaft, so as to interact with the associated valve for each individual cam Be able to identify level.
Insbesondere sollte, wenn n die Zahl der Zylinder ist, die Zeitauflösung nicht länger sein als 1/n der Umdrehungsperiode.In particular, when n is the number of cylinders, the time resolution should not be longer than 1 / n of the revolution period.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors; -
2 einen axialen Schnitt durch ein Spannungswellengetriebe, das Kurbelwelle und Nockenwelle des Verbrennungsmotors sowie einen Elektromotor aneinander koppelt; -
3 einen radialen Schnitt durch das Spannungswellengetriebe; -
4 ein Blockdiagramm einer Steuerung des Elektromotors; und -
5 exemplarische Auswertungsergebnisse einer Überwachungseinheit der Steuerung.
-
1 a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention; -
2 an axial section through a voltage wave transmission, the crankshaft and the camshaft of the internal combustion engine and an electric motor coupled to each other; -
3 a radial section through the stress wave transmission; -
4 a block diagram of a control of the electric motor; and -
5 exemplary evaluation results of a monitoring unit of the controller.
Der übersichtlicheren Darstellung wegen sind in
Die Nocken
Die Nockenwelle
In der Darstellung der
Die Nockenwelle
Das Zahnrad
Im stationären Betrieb rotieren Innenrotor
Der Elektromotor
Eine Überwachungseinheit
Um diese Leistungsaufnahme zu überwachen, ist zwischen den Wechselrichter
Das Ergebnis der Messungen ist ein Datensatz von n Messwerten der Leistung im Phasenabstand 2π/n, wie in
Im in Fig. gezeigten Fall ist der Messwert bei der Phase 3π/2 niedriger als die übrigen. Dies weist darauf hin, dass bei dem Nocken
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.It should be understood that the foregoing detailed description and drawings, while indicating certain exemplary embodiments of the invention, are intended for purposes of illustration only and are not to be construed as limiting the scope of the invention. Various modifications of the described embodiments are possible without departing from the scope of the following claims and their equivalence range. In particular, this description and the figures also show features of the embodiments which are not mentioned in the claims. Such features may also occur in combinations other than those specifically disclosed herein. Therefore, the fact that several such features are mentioned in the same sentence or in a different type of textual context does not justify the conclusion that they can occur only in the specific combination disclosed; instead, it is generally to be assumed that it is also possible to omit or modify individual ones of several such features, provided this does not call into question the functionality of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 22
- Zylindercylinder
- 33
- VentilValve
- 44
- VentilValve
- 55
- Schwinghebelrocker
- 66
- Nockencam
- 77
- Nockenwellecamshaft
- 88th
- Stufestep
- 99
- Stufestep
- 1010
- Stufestep
- 1111
- Stellgliedactuator
- 1212
- Kurbelwellecrankshaft
- 1313
- Zahnradgear
- 1414
- Zahnradgear
- 1515
- Zahnriementoothed belt
- 15'15 '
- Gliederkettelink chain
- 1616
- SpannungswellengetriebeTension shaft gear
- 1717
- Außenringouter ring
- 1818
- Innenverzahnunginternal gearing
- 19 19
- Flexsplineflexpline
- 2020
- Außenverzahnungexternal teeth
- 2121
- Abtriebswelleoutput shaft
- 2222
- Innenrotorinner rotor
- 2323
- Antriebswelledrive shaft
- 2424
- Elektromotorelectric motor
- 2525
- Rollerole
- 2626
- BereichArea
- 2727
- BereichArea
- 2828
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 2929
- Sensorsensor
- 3030
- Überwachungseinheitmonitoring unit
- 3131
- Wechselrichterinverter
- 3232
- Messwiderstandmeasuring resistor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2017
- 2017-02-22 DE DE202017000956.0U patent/DE202017000956U1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: LKGLOBAL ] LORENZ & KOPF PARTG MBB PATENTANWAE, DE |
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R207 | Utility model specification | ||
R156 | Lapse of ip right after 3 years |