EP1607589A1 - Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehvinkellage einer Nockenwelle gegen der einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehvinkellage einer Nockenwelle gegen der einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1607589A1
EP1607589A1 EP05012085A EP05012085A EP1607589A1 EP 1607589 A1 EP1607589 A1 EP 1607589A1 EP 05012085 A EP05012085 A EP 05012085A EP 05012085 A EP05012085 A EP 05012085A EP 1607589 A1 EP1607589 A1 EP 1607589A1
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EP
European Patent Office
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adjusting
crankshaft
motor
signal
camshaft
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EP05012085A
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English (en)
French (fr)
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Holger Dr. Stork
Minh Nam Nguyen
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IHO Holding GmbH and Co KG
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LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG
LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an adjusting device for the rotational angular position of the camshaft Reciprocating internal combustion engine relative to the crankshaft, with an adjusting that as Three-shaft transmission with a crankshaft-fixed drive shaft, a camshaft-fixed output shaft and an adjusting shaft is formed, which is non-rotatably connected to the rotor of a variable displacement motor is connected, wherein the adjusting stops for limiting the angle of rotation between the camshaft and the crankshaft.
  • An adjusting device of the type mentioned with an epicyclic gear as adjusting and an EC motor as the variable displacement motor has a camshaft gear, which via a drive chain with a rotationally fixed on the Crankshaft of the internal combustion engine arranged gear is drivingly connected.
  • the camshaft gear is rotatably mounted on the camshaft and rotatably with the drive shaft of the variable speed connected.
  • the output shaft of the variable speed is rotatably mounted on the camshaft and the adjusting shaft is connected to the rotor of the adjusting motor in drive connection.
  • the stator of the adjustment motor is fixed to the engine block bolted to the reciprocating internal combustion engine.
  • crankshaft Drive shaft connected to a stop element in the use position with camshaft rotationally fixed Counter-stop elements cooperates. Due to the attacks, the Angle of rotation of the camshaft relative to the crankshaft to a meaningful in practice range of values limited.
  • the stop and counter-stop elements are arranged such that a defined phase position results when a counter-stop element against the stop element is positioned.
  • the adjusting motor is connected to a drive device, which in certain situations, such as after starting the internal combustion engine, the stopper element is positioned against a counter-stop element to provide phasing perform.
  • the variable displacement motor is pulse width modulated via an output stage controlled with a predetermined pulse-pause ratio.
  • variable displacement motor varies depending on the battery voltage and the engine temperature is energized and therefore reaches different torques and speeds.
  • the object of the invention is to provide an adjusting device of the type mentioned, which allows a long service life or life.
  • This object is achieved in that the adjusting motor is connected in a control loop, which is designed to control the phase velocity of the rotation angle.
  • the phase velocity of the rotation angle is independent thereby from the respective operating conditions of the adjusting motor, so that with the crankshaft fixed Drive shaft connected stop element always about the same speed against the connected to the camshaft fixed output shaft of the variable speed Counter stop element is positioned.
  • the phase velocity preferably corresponds the maximum twisting speed, at which the stop certainly does not damage becomes.
  • a stationary gear ratio between the adjusting shaft and the output shaft when the drive shaft is stationary wherein the adjusting device has a device for outputting a crankshaft speed signal and a device for outputting a rotational speed signal for the rotor speed ⁇ Em of the adjusting motor, these devices are connected to a signal processing device, which is designed to form a desired value signal for the rotor speed from the crankshaft speed signal, the stationary gear ratio and a target value for the phase velocity, and wherein the setpoint signal is connected to a rotor speed setpoint input of the control loop.
  • an adjusting device for the rotational angle position of the camshaft usually anyway existing sensors for measuring the crankshaft speed and the rotor speed of the adjusting motor for the control of the phase velocity can be shared.
  • the control loop is by means of a mode selector switch switchable at least between a first and a second operating mode, wherein in the first mode, the phase velocity of the rotation angle and in the second mode, the rotor speed of the adjusting motor is controlled. It can the second mode in an internal combustion engine, wherein the crankshaft speed with a inductive sensor that measures the teeth of one on the crankshaft, for example detected on a flywheel arranged sprocket, during the starting process of the internal combustion engine be used as long as the sensor is not a tooth of the ring gear has detected and / or the measurement signal for the crankshaft speed due to the low Speed of the crankshaft is still relatively disturbed.
  • control loop with the help of the operating mode switch in at least one another operating mode is switchable, in which the rotor speed of the adjusting motor with at least a control parameter deviating from a control parameter of the second operating mode, is regulated.
  • the control parameters for the regulation of the rotor speed of the variable displacement motor can thereby be adapted to the respective operating state of the adjusting motor so that the rotor speed is largely independent of the operating conditions the adjusting device and in particular largely independent of the temperature of the Transmission oil of the variable speed can be controlled.
  • the adjusting motor is an electric motor and the control loop is in at least one mode by means of the mode selector switch is switchable, in which the operating voltage and / or the operating current of the adjusting motor is regulated. The regulation can then even better to the respective operating conditions adapted to the adjusting motor.
  • the mode selector switch at least one input for one of the operating state of the reciprocating internal combustion engine dependent operating state signal, said input having means for Determining the operating state of the reciprocating internal combustion engine is connected, and wherein the mode switch is designed such that the operating mode of the control loop is set in dependence on the at least one operating state signal. It can the operating mode of the control loop, for example, depending on the operating temperature of the Combustion engine are set, assuming that the operating temperature the adjusting motor and thus the electrical resistance of the motor winding and the transmission oil temperature of the variable speed drive from the operating temperature of the internal combustion engine is dependent.
  • control loop has a limiting device for the torque of Servomotor has, and if the limiting device preferably on the when adjusting the adjusting shaft occurring torque values is tuned that a Limitation of the torque occurs only when positioning against a stop.
  • This measure is the power consumption and thus the heating of the adjusting motor limited when the adjusting shaft is positioned against the stop.
  • the limitation of the torque can be done, for example, in the manner that the operating current and / or the operating voltage of the adjusting motor to a predetermined maximum value is (are) limited.
  • the adjusting device has a stop detection device which provides a first input for the phase velocity signal and a second input for a torque limiting signal connected to the limiting means has, wherein the stop detection device is formed is that when limiting the torque of the adjusting motor and a simultaneous decrease in the phase velocity, positioning the camshaft against a stop is detected.
  • the stop detection device makes it easy to Way to detect the positioning of the adjusting against the stop and with help a known, the stop associated reference position a phase adjustment perform.
  • a generally designated 1 adjusting device for the rotational angle position of the camshaft relative to the crankshaft of a reciprocating internal combustion engine not shown in detail in the drawing has an adjusting gear, as a three-shaft transmission with a crankshaft fixed Drive shaft, a camshaft fixed output shaft and an adjusting shaft formed is.
  • the adjusting mechanism may be a planetary gear, preferably a planetary gear.
  • the drive shaft is rotatably connected to a camshaft gear 2, which in in itself known manner via a chain or a toothed belt with a on the crankshaft of the Internal combustion engine rotatably arranged crankshaft gear in drive connection stands.
  • the output shaft is rotatably connected to the camshaft 3, which in Fig. 1 only partially is shown.
  • the adjusting shaft is rotatably connected to the rotor of an adjusting motor, which is arranged in Fig. 1 at the back of the adjusting device 1.
  • the adjusting is integrated in the hub of the camshaft gear 2.
  • the Adjustment device stops on, by a fixedly connected to the drive shaft stop element 4 and counter-stop elements 5 are formed.
  • the counter-stop elements 5 are firmly connected to the camshaft 3 and act in the use position with the stop element 4 together.
  • an EC motor which controls the phase velocity the angle of rotation is connected in a control circuit 6 shown schematically in Fig. 2.
  • the control circuit 6 is designed such that during normal operation of the reciprocating internal combustion engine the phase velocity during positioning of the stop element 4 against one of the counter-stop elements 5 is set in each case such that the stop safely not damaged.
  • the rotational speed ⁇ Cnk of the crankshaft is expediently measured with the aid of an inductive sensor which detects the passage of the teeth of a toothed ring arranged on the crankshaft, for example on a flywheel.
  • the rotor speed ⁇ Em of the variable displacement motor is preferably measured by means of magnetic field sensors arranged on the stator of the EC motor, which detects the passage of magnetic segments which are arranged on the circumference of the permanent magnet rotor of the EC motor.
  • the signal processing device 7 has an output 8 for the rotor speed setpoint signal ⁇ Em, Tgt , which is connected to a rotor speed setpoint input 9 of a controller 10.
  • the controller 10 also has an actual value input 11 connected to the magnetic field sensors of the EC motor, to which a speed measuring signal ⁇ Em, Act of the adjusting motor is applied.
  • a control deviation is formed in the controller 10 .
  • a signal I Ctrl is formed for the winding current of the adjusting motor in such a way that the control deviation is reduced when the corresponding winding current is output to the adjusting motor.
  • the signal I Ctrl for the winding current is limited by means of a current-limiting device 12 to a permissible value range.
  • An output of the current limiting device 12 is connected to an input of an I / U converter 13, which converts the limited winding current signal into a corresponding signal deformed for an applied to the winding of the adjusting electric voltage. These is set to a permissible value range by means of a voltage limiting device 14 limited and then on an unspecified in the drawing power amplifier the winding of the adjusting motor applied.
  • the control loop is by means of a mode switch 15 between a first and a second mode switchable.
  • the mode switch 15 In the first mode, the phase velocity the angle of rotation and in the second mode, the rotor speed of the adjusting motor regulated.
  • the mode switch 15 has an input 16 for one of the operating state the reciprocating internal combustion engine dependent operating state signal.
  • the mode selector 15 is designed such that the operating mode of the control loop in dependence is adjusted by the operating condition signal.
  • the second mode in which the rotor speed the adjusting motor is controlled comes during the starting phase of the internal combustion engine for use when the crankshaft speed measurement signal is not yet available or is still subject to relatively large disturbances. Once the speed of the internal combustion engine exceeds a predetermined limit, is switched to the first mode to to control the phase velocity of the twist angle.
  • FIGS. 3 to 7 show an actual value signal for the phase angle (FIG. 3), the signals for the rotational speeds of the three shafts of the variable speed gear (FIGS. 4 and 5), the signals for the winding current (FIG. 6) and the winding voltage (FIG. 7) using an example of a stop travel shown graphically.
  • the phase angle before beginning the stop travel (t ⁇ 0.7s) about 280 degrees crankshaft (Fig. 3).
  • the rotor speed is thereby the adjusting motor and the rotational speeds of the camshaft and the drive shaft of the adjusting motor at about 2500 rpm.
  • the rotor speed (shown in dashed lines in Fig. 4) of the adjusting motor goes back at about 2500 rpm at t ⁇ 0.753s.
  • the current consumption and thus the torque limited by the adjusting motor are the current consumption and thus the torque limited by the adjusting motor.
  • the adjusting device 1 has a stop detection device 17, which has a first input for the phase velocity signal and one with the Voltage limiting device 14 connected second input for a torque limiting signal Has.
  • the stop detection device is designed such that at a limiting of the torque or the winding voltage of the adjusting motor and a simultaneous decrease in the phase velocity positioning of the camshaft third is detected against a stop.
  • Fig. 2 it can be seen that the stop detection device 17 for reducing the Current consumption of the adjusting motor during positioning of the stop element 4 against the counter-stop element 5 is connected to the current-limiting device 12.
  • control circuit 6, the mode switch 15 and the Stop detection device 17 also in the form of a computer program in a microcontroller can be implemented.

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Abstract

Eine Verstellvorrichtung (1) für die Drehwinkellage der Nockenwelle (3) einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle weist ein Verstellgetriebe auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist. Die Verstellwelle ist drehfest mit dem Rotor eines Verstellmotors verbunden. Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle weist die Verstellvorrichtung Anschläge (4,5) auf. Der Verstellmotor ist in einen Regelkreis (6) geschaltet, der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, mit einem Verstellgetriebe, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist, die drehfest mit dem Rotor eines Verstellmotors verbunden ist, wobei die Verstellvorrichtung Anschläge zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle aufweist.
Eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Umlaufgetriebe als Verstellgetriebe und einem EC-Motor als Verstellmotor ist aus der Praxis bekannt. Die Vorrichtung weist ein Nockenwellenzahnrad auf, das über eine Antriebskette mit einem drehfest auf der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine angeordneten Zahnrad in Antriebsverbindung steht. Dabei ist das Nockenwellenzahnrad verdrehbar auf der Nockenwelle gelagert und drehfest mit der Antriebswelle des Verstellgetriebes verbunden. Die Abtriebswelle des Verstellgetriebes ist drehfest auf der Nockenwelle angeordnet und die Verstellwelle steht mit dem Rotor des Verstellmotors in Antriebsverbindung. Der Stator des Verstellmotors ist fest mit dem Motorblock der Hubkolben-Verbrennungsmaschine verschraubt. Bei stillstehender Antriebswelle liegt zwischen der Verstellwelle und der Abtriebswelle eine durch das Verstellgetriebe vorgegebene Getriebeübersetzung vor, die so genannte Standgetriebeübersetzung. Wenn sich die Verstellwelle dreht, vergrößert bzw. verkleinert sich je nach Drehrichtung der Verstellwelle relativ zum Nockenwellenzahnrad die Getriebeübersetzung zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle. Dadurch ergibt sich eine Veränderung der Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Die Nockenwellenverstellvorrichtung ermöglich im Vergleich zu einer entsprechenden Hubkolben-Verbrennungsmaschine ohne eine Nockenwellenverstellvorrichtung eine bessere Zylinderfüllung der Verbrennungsmaschine, wodurch Kraftstoff eingespart, der Schadstoffausstoß reduziert und/oder die Ausgangsleitung der Verbrennungsmaschine erhöht werden kann.
Damit auch beim Auftreten eines eventuellen Störungsfalls in der Verstellvorrichtung die Motorfunktion des Verbrennungsmotors aufrechterhalten werden kann, ist mit der kurbelwellenfesten Antriebwelle ein Anschlagelement verbunden, das in Gebrauchstellung mit nockenwellendrehfesten Gegenanschlagelementen zusammenwirkt. Durch die Anschläge wird der Verdrehwinkel der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle auf einen in der Praxis sinnvollen Wertebereich begrenzt. Die Anschlag- und Gegenanschlagelemente sind derart angeordnet, dass sich eine definierte Phasenlage ergibt, wenn ein Gegenanschlagelement gegen das Anschlagelement positioniert ist. Der Verstellmotor ist mit einer Ansteuereinrichtung verbunden, welche in bestimmten Situationen, wie zum Beispiel nach dem Starten des Verbrennungsmotors, das Anschlagelement gegen ein Gegenanschlagelement positioniert, um einen Phasenabgleich durchzuführen. Dabei wird der Verstellmotor über eine Endstufe pulsweitenmoduliert mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis angesteuert. Dies hat jedoch den Nachteil, das der Verstellmotor je nach vorliegender Batteriespannung und Motortemperatur unterschiedlich bestromt wird und deshalb unterschiedliche Drehmomente und Drehzahlen erreicht. Beim Positionieren des Anschlagelements gegen das Gegenanschlagelement kann es deshalb zu einem Verschleiß oder sogar einer Beschädigung des Anschlagelements und/oder Gegenanschlagelements kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Standzeit bzw. Lebensdauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Verstellmotor in einen Regelkreis geschaltet ist, der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels ausgebildet ist.
In vorteilhafter Weise ist die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels dadurch unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Verstellmotors, so dass das mit der kurbelwellenfesten Antriebwelle verbundene Anschlagelement stets etwa mit derselben Geschwindigkeit gegen das mit der nockenwellenfesten Abtriebswelle des Verstellgetriebes verbundene Gegenanschlagelement positioniert wird. Dabei entspricht die Phasengeschwindigkeit vorzugsweise der maximalen Verdrehgeschwindigkeit, bei welcher der Anschlag sicher nicht beschädigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt zwischen der Verstellwelle und der Abtriebswelle bei stillstehender Antriebswelle eine Standgetriebeübersetzung vor, wobei die Verstellvorrichtung eine Einrichtung zur Ausgabe eines Kurbelwellen-Drehzahlsignals und eine Einrichtung zur Ausgabe eines Drehzahlsignals für die Rotordrehzahl ωEm des Verstellmotors aufweist, wobei diese Einrichtungen mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden sind, die zur Bildung eines Sollwert-Signals für die Rotordrehzahl aus dem Kurbelwellen-Drehzahlsignal, der Standgetriebeübersetzung und einem Sollwert für die Phasengeschwindigkeit ausgebildet ist, und wobei das Sollwert-Signals mit einem Rotordrehzahl-Sollwerteingang des Regelkreises verbunden ist. Die Phasengeschwindigkeit ν kann nach der Formel ν = (ωCnk - 2·ωEm) / ig bestimmt werden, wobei ωCnk die Drehzahl der Kurbelwelle, ωEm die Rotordrehzahl des Verstellmotorrotors und ig die Standgetriebeübersetzung bedeuten. Aus der gewünschten Phasengeschwindigkeit νTgt wird zu jedem Zeitpunkt die dafür notwendige Zielgeschwindigkeit ωEm,Tgt = (ωCnk - ig·νTgt) / 2 berechnet. Somit können die bei einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit einer Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle meist sowieso vorhandenen Sensoren zum Messen der Kurbelwellendrehzahl und der Rotordrehzahl des Verstellmotors für die Regelung der Phasengeschwindigkeit mitgenutzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Regelkreis mit Hilfe eines Betriebsartenumschalters zumindest zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umschaltbar, wobei in der ersten Betriebsart die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels und in der zweiten Betriebsart die Rotordrehzahl des Verstellmotors geregelt wird. Dabei kann die zweite Betriebsart bei einem Verbrennungsmotor, bei dem die Kurbelwellendrehzahl mit einem induktiven Sensor gemessen wird, der die Zähne eines auf der Kurbelwelle beispielsweise an einem Schwungrad angeordneten Zahnkranzes detektiert, beim Startvorgang des Verbrennungsmotors zur Anwendung kommen, solange der Sensor noch keinen Zahn des Zahnkranzes erkannt hat und/oder das Messsignal für die Kurbelwellendrehzahl aufgrund der geringen Drehzahl der Kurbelwelle noch relativ stark gestört ist.
Vorteilhaft ist, wenn der Regelkreis mit Hilfe des Betriebsartenumschalters in mindestens eine weitere Betriebsart umschaltbar ist, in welcher die Rotordrehzahl des Verstellmotors mit mindestens einem, von einem Regelparameter der zweiten Betriebsart abweichenden Regelparameter, geregelt wird. Die Regelparameter für die Regelung der Rotordrehzahl des Verstellmotors können dadurch an den jeweiligen Betriebszustand des Verstellmotors angepasst werden, so dass die Rotordrehzahl weitgehend unabhängig von den Betriebsbedingungen des Verstelleinrichtung und insbesondere weitgehend unabhängig von der Temperatur des Getriebeöls des Verstellgetriebes geregelt werden kann.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstellmotor ein Elektromotor und der Regelkreis ist mit Hilfe des Betriebsartenumschalters in mindestens eine Betriebsart umschaltbar ist, in der die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom des Verstellmotors geregelt wird. Die Regelung kann dann noch besser an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Verstellmotors angepasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Betriebsartenumschalter mindestens einen Eingang für ein vom Betriebszustand der Hubkolben-Verbrennungsmaschine abhängiges Betriebszustandssignal auf, wobei dieser Eingang mit einer Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands der Hubkolben-Verbrennungsmaschine verbunden ist, und wobei der Betriebsartenumschalter derart ausgebildet ist, dass die Betriebsart des Regelkreis in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebszustandssignal einstellt wird. Dabei kann die Betriebsart des Regelkreis beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Verbrennungsmaschine eingestellt werden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Betriebstemperatur des Verstellmotors und somit der elektrische Widerstand der Motorwicklung und die Getriebeöltemperatur des Verstellgetriebes von der Betriebstemperatur der Verbrennungsmaschine abhängig ist.
Vorteilhaft ist, wenn der Regelkreis eine Begrenzungseinrichtung für das Drehmoment des Verstellmotors aufweist, und wenn die Begrenzungseinrichtung vorzugsweise derart auf die beim Verstellen der Verstellwelle auftretenden Drehmomentwerte abgestimmt ist, dass eine Begrenzung des Drehmoments nur beim Positionieren gegen einen Anschlag auftritt. Durch diese Maßnahme wird die Leistungsaufnahme und somit die Erwärmung des Verstellmotors begrenzt, wenn die Verstellwelle gegen den Anschlag positioniert ist. Bei einem in ein Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotor wird dabei außerdem auch die Batterie des Kraftfahrzeugs geschont. Die Begrenzung des Drehmoments kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass der Betriebsstrom und/oder die Betriebsspannung des Verstellmotors auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird (werden).
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Verstellvorrichtung eine Anschlagerkennungseinrichtung auf, die einen ersten Eingang für das Phasengeschwindigkeitssignal und einen mit der Begrenzungseinrichtung verbundenen zweiten Eingang für ein Drehmoment-Begrenzungssignal aufweist, wobei die Anschlagerkennungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei einem Begrenzen des Drehmoments des Verstellmotors und einer gleichzeitigen Abnahme der Phasengeschwindigkeit ein Positionieren der Nockenwelle gegen einen Anschlag detektiert wird. Die Anschlagerkennungseinrichtung ermöglicht es, auf einfache Weise das Positionieren der Verstellwelle gegen den Anschlag zu detektieren und mit Hilfe einer bekannten, dem Anschlag zugeordneten Referenzposition einen Phasenabgleich durchzuführen.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zu deren Kurbelwelle,
Fig. 2
einen Regelkreis zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle sowie zur Regelung der Drehzahl eines elektrischen Verstellmotors der Verstellvorrichtung,
Fig. 3
eine graphische Darstellung des Verlaufs des Phasenwinkels, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Phasenwinkel in Grad Kurbelwelle aufgetragen ist,
Fig. 4
eine graphische Darstellung des Verlaufs eines Sollwertsignals und eines Istwertsignals für die Drehzahl des Verstellmotors, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist,
Fig.5
eine graphische Darstellung des Verlaufs der Drehzahl der Eingangswelle (durchgezogene Linie) und des Verlaufs der Nockenwellendrehzahl (strichlinierte Linie) eines Verstellgetriebes der Verstellvorrichtung, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist,
Fig. 6
eine graphische Darstellung des Wicklungsstroms des Verstellmotors, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Stromstärke in Ampère aufgetragen ist, und
Fig. 7
eine graphische Darstellung der Wicklungsspannung des Verstellmotors, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen ist.
Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Hubkolben-Verbrennungsmaschine weist ein Verstellgetriebe auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist. Das Verstellgetriebe kann ein Umlaufgetriebe sein, vorzugsweise ein Planetengetriebe.
Die Antriebwelle ist drehfest mit einem Nockenwellenzahnrad 2 verbunden, das in an sich bekannter Weise über eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehfest angeordneten Kurbelwellenzahnrad in Antriebsverbindung steht. Die Abtriebwelle ist drehfest mit der Nockenwelle 3 verbunden, die in Fig. 1 nur teilweise dargestellt ist. Die Verstellwelle ist drehest mit dem Rotor eines Verstellmotors verbunden, der in Fig. 1 an der Rückseite der Verstellvorrichtung 1 angeordnet ist. Das Verstellgetriebe ist in der Nabe des Nockenwellenzahnrads 2 integriert.
Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle weist die Verstellvorrichtung Anschläge auf, die durch ein fest mit der Antriebwelle verbundenes Anschlagelement 4 und Gegenanschlagelemente 5 gebildet sind. Die Gegenanschlagelemente 5 sind fest mit der Nockenwelle 3 verbundenen und wirken in Gebrauchstellung mit dem Anschlagelement 4 zusammen.
Als Verstellmotor ist ein EC-Motor vorgesehen, der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels in einen in Fig. 2 schematisch dargestellten Regelkreis 6 geschaltet ist. Der Regelkreis 6 ist derart ausgelegt, dass im normalen Betrieb des Hubkolben-Verbrennungsmotors die Phasengeschwindigkeit beim Positionieren des Anschlagelements 4 gegen eines der Gegenanschlagelemente 5 jeweils derart eingestellt wird, dass der Anschlag sicher nicht beschädigt wird.
Zur Regelung der Phasengeschwindigkeit werden die Drehzahl ωCnk der Kurbelwelle und die Rotordrehzahl ωEm des Verstellmotors mit Hilfe von Sensoren gemessen. Aus den so ermittelten Messsignalen und der bekannten Standgetriebeübersetzung ig des Verstellgetriebes wird mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung 7 ein Sollwert für die Rotordrehzahl ωEm,Tgt des Verstellmotors berechnet: ωEm,Tgt = (ωCnk - ig·νTgt) / 2
Die Drehzahl ωCnk der Kurbelwelle wird zweckmäßigerweise mit Hilfe eines induktiven Sensors gemessen, der das Vorbeilaufen der Zähne eines auf der Kurbelwelle beispielsweise an einem Schwungrad angeordneten Zahnkranzes detektiert. Die Rotor-Drehzahl ωEm des Verstellmotors wird vorzugsweise mit Hilfe von am Stator des EC-Motors angeordneten Magnetfeldsensoren gemessen, die das Vorbeilaufen von Magnetsegmenten detektiert, die am Umfang des permanentmagnetischen Rotors des EC-Motors angeordnet sind.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Signalverarbeitungseinrichtung 7 einen Ausgang 8 für das Rotordrehzahl-Sollwertsignal ωEm,Tgt aufweist, der mit einem Rotordrehzahl-Sollwerteingang 9 eines Reglers 10 verbunden ist. Der Regler 10 hat außerdem einen mit den Magnetfeldsensoren des EC-Motors verbundenen Istwert-Eingang 11, an dem ein Drehzahlmesssignal ωEm,Act des Verstellmotors anliegt. In dem Regler 10 wird Rotordrehzahl-Sollwertsignal ωEm,Tgt und dem Drehzahlmesssignal ωEm,Act eine Regelabweichung gebildet. In Abhängigkeit von der Regelabweichung wird ein Signal ICtrl für den Wicklungsstrom des Verstellmotors derart gebildet, dass sich bei Ausgabe des entsprechenden Wicklungsstroms an den Verstellmotor die Regelabweichung reduziert. Das Signal ICtrl für den Wicklungsstrom wird mit Hilfe einer Strom-Begrenzungseinrichtung 12 auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt.
Ein Ausgang der Strom-Begrenzungseinrichtung 12 ist mit einem Eingang eines I/U-Konverters 13 verbunden, welcher das begrenzte Wicklungsstromsignal in ein entsprechendes Signal für eine an die Wicklung des Verstellmotors anzulegende elektrische Spannung umformt. Diese wird mit Hilfe einer Spannungs-Begrenzungseinrichtung 14 auf einen zulässigen Wertebereich begrenzt und danach über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Endstufe an die Wicklung des Verstellmotors angelegt.
Der Regelkreis ist mit Hilfe eines Betriebsartenumschalters 15 zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umschaltbar. In der ersten Betriebsart wird die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels und in der zweiten Betriebsart die Rotordrehzahl des Verstellmotors geregelt. Der Betriebsartenumschalter 15 hat einen Eingang 16 für ein vom Betriebszustand der Hubkolben-Verbrennungsmaschine abhängiges Betriebszustandssignal. Der Betriebsartenumschalter 15 ist derart ausgebildet, dass die Betriebsart des Regelkreises in Abhängigkeit von dem Betriebszustandssignal einstellt wird. Die zweite Betriebsart, bei der die Rotordrehzahl des Verstellmotors geregelt wird, kommt während der Startphase des Verbrennungsmotors zur Anwendung, wenn das Messsignal für Kurbelwellendrehzahl noch nicht vorliegt oder noch mit relativ großen Störungen behaftet ist. Sobald die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird auf die erste Betriebsart umgeschaltet, um die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels zu regeln.
In Fig. 3 bis 7 sind ein Istwertsignal für den Phasenwinkel (Fig. 3), die Signale für die Drehzahlen der drei Wellen des Verstellgetriebes (Fig. 4 und 5), die Signale für den Wicklungsstrom (Fig. 6) und die Wicklungsspannung (Fig. 7) anhand eines Beispiels für eine Anschlagfahrt graphisch dargestellt. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, beträgt der Phasenwinkel vor Beginn der Anschlagfahrt (t≤0.7s) etwa 280 Grad Kurbelwelle (Fig. 3). Dabei liegen die Rotor-Drehzahl des Verstellmotors und die Drehzahlen der Nockenwelle und der Antriebswelle des Verstellmotors etwa bei 2500 U/Min.
Bei der Anschlagfahrt wird eine Sollphasengeschwindigkeit von 300 Grad Kurbelwelle gefordert. Aus dieser gewünschten Phasengeschwindigkeit wird der Sollwert für die Rotordrehzahl ωEm,Tgt des Verstellmotors ermittelt und der Verstellmotor wird entsprechend bestromt. An der strichlinierten Linie in Fig. 4 ist deutlich erkennbar, dass die Rotordrehzahl des Verstellmotors ab t=0,7s ansteigt. Dadurch dreht sich die Nockenwelle 3 nicht mehr mit der Drehzahl des Nockenwellenzahnrads 2 sondern mit einer geringeren Drehzahl, die in Fig. 5 strichliniert dargestellt ist. Dies führt zu einer Erhöhung des aktuellen Phasenwinkels von 280 Grad Kurbelwelle bei t=0,7s auf etwa 290 Grad Kurbelwelle bei t≥0,747s.
Beim Erreichen des Anschlags kann der Phasenwinkel nicht mehr weiter reduziert werden. Deswegen geht die Rotordrehzahl (in Fig. 4 strichliniert dargestellt) des Verstellmotors zurück auf etwa 2500 U/Min bei t≥0,753s. Dabei werden die Stromaufnahme und somit das Drehmoment des Verstellmotors begrenzt.
Um dies zu ermöglichen, weist die Verstellvorrichtung 1 eine Anschlagerkennungseinrichtung 17 auf, die einen ersten Eingang für das Phasengeschwindigkeitssignal und einen mit der Spannungs-Begrenzungseinrichtung 14 verbundenen zweiten Eingang für ein Drehmoment-Begrenzungssignal hat. Die Anschlagerkennungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass bei einem Begrenzen des Drehmoments bzw. der Wicklungsspannung des Verstellmotors und einer gleichzeitigen Abnahme der Phasengeschwindigkeit ein Positionieren der Nockenwelle 3 gegen einen Anschlag detektiert wird.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Anschlagerkennungseinrichtung 17 zum Reduzieren der Stromaufnahme des Verstellmotors während Positionierung des Anschlagelements 4 gegen das Gegenanschlagelement 5 mit der Strom-Begrenzungseinrichtung 12 verbunden ist.
Erwähnt werden soll noch, dass der Regelkreis 6, der Betriebsartenumschalter 15 und die Anschlagerkennungseinrichtung 17 auch in Form eines Computerprogramms in einen Mikrocontroller implementiert sein können.
Bezugszeichenliste
1
Verstellvorrichtung
2
Nockenwellenzahnrad
3
Nockenwelle
4
Anschlagelement
5
Gegenanschlagelement
6
Regelkreis
7
Signalverarbeitungseinrichtung
8
Ausgang für das Winkelgeschwindigkeits-Sollwertsignal
9
Rotordrehzahl-Sollwerteingang
10
Regler
11
Istwert-Eingang
12
Strom-Begrenzungseinrichtung
13
I/U-Konverter
14
Spannungs-Begrenzungseinrichtung
15
Betriebsartenumschalter
16
Eingang
17
Anschlagerkennungseinrichtung

Claims (8)

  1. Verstellvorrichtung (1) für die Drehwinkellage der Nockenwelle (3) einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, mit einem Verstellgetriebe, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist, die drehfest mit dem Rotor eines Verstellmotors verbunden ist, wobei die Verstellvorrichtung Anschläge zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor in einen Regelkreis (6) geschaltet ist, der zur Regelung der Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels ausgebildet ist.
  2. Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verstellwelle und der Abtriebswelle bei stillstehender Antriebswelle eine Standgetriebeübersetzung vorliegt, dass die Verstellvorrichtung (1) eine Einrichtung zur Ausgabe eines Kurbelwellen-Drehzahlsignals und eine Einrichtung zur Ausgabe eines Drehzahlsignals für die Rotordrehzahl ωEm des Verstellmotors aufweist, dass diese Einrichtungen mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (7) verbunden sind, die zur Bildung eines Sollwert-Signals für die Rotordrehzahl aus dem Kurbelwellen-Drehzahlsignal, der Standgetriebeübersetzung und einem Sollwert für die Phasengeschwindigkeit ausgebildet ist, und dass das Sollwert-Signals mit einem Rotordrehzahl-Sollwerteingang (9) des Regelkreises (7) verbunden ist.
  3. Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (6) mit Hilfe eines Betriebsartenumschalters (15) zumindest zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umschaltbar ist, dass in der ersten Betriebsart die Phasengeschwindigkeit des Verdrehwinkels und in der zweiten Betriebsart die Rotordrehzahl des Verstellmotors geregelt wird.
  4. Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (6) mit Hilfe des Betriebsartenumschalters (15) in mindestens eine weitere Betriebsart umschaltbar ist, in welcher die Rotordrehzahl des Verstellmotors mit mindestens einem von einem Regelparameter der zweiten Betriebsart abweichenden Regelparameter geregelt wird.
  5. Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor ein Elektromotor ist, und dass der Regelkreis mit Hilfe des Betriebsartenumschalters (15) in mindestens eine Betriebsart umschaltbar ist, in der die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom des Verstellmotors geregelt wird.
  6. Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsartenumschalter (15) mindestens einen Eingang (16) für ein vom Betriebszustand der Hubkolben-Verbrennungsmaschine abhängiges Betriebszustandssignal aufweist, dass dieser Eingang mit einer Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands der Hubkolben-Verbrennungsmaschine verbunden ist, und das der Betriebsartenumschalter (15) derart ausgebildet ist, dass die Betriebsart des Regelkreis in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebszustandssignal einstellt wird.
  7. Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (6) eine Begrenzungseinrichtung (12, 14) für das Drehmoment des Verstellmotors aufweist, und dass die Begrenzungseinrichtung (12, 14) vorzugsweise derart auf die beim Verstellen der Verstellwelle auftretenden Drehmomentwerte abgestimmt ist, dass eine Begrenzung des Drehmoments nur beim Positionieren gegen einen Anschlag auftritt.
  8. Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anschlagerkennungseinrichtung (17) aufweist, die einen ersten Eingang für das Phasengeschwindigkeitssignal und einen mit der Begrenzungseinrichtung (12, 14) verbundenen zweiten Eingang für ein Drehmoment-Begrenzungssignal aufweist, und dass die Anschlagerkennungseinrichtung (17) derart ausgebildet ist, dass bei einem Begrenzen des Drehmoments des Verstellmotors und einer gleichzeitigen Abnahme der Phasengeschwindigkeit ein Positionieren gegen einen Anschlag detektiert wird.
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