EP2326805B1 - Verfahren zur verstellung einer kurbelwelle eines verbrennungsmotors, nockenwellenverstellsystem und verbrennungsmotor mit verstellbarer kurbelwelle - Google Patents

Verfahren zur verstellung einer kurbelwelle eines verbrennungsmotors, nockenwellenverstellsystem und verbrennungsmotor mit verstellbarer kurbelwelle Download PDF

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EP2326805B1
EP2326805B1 EP09780891.9A EP09780891A EP2326805B1 EP 2326805 B1 EP2326805 B1 EP 2326805B1 EP 09780891 A EP09780891 A EP 09780891A EP 2326805 B1 EP2326805 B1 EP 2326805B1
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EP
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camshaft
crankshaft
adjustment
shaft
internal combustion
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Jens Schäfer
Mike Kohrs
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • F02N2019/008—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation the engine being stopped in a particular position

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting a crankshaft of an internal combustion engine by means of a camshaft adjuster with a three-shaft transmission. Generic methods are used in particular in so-called start-stop concepts for internal combustion engines. In addition, the invention relates to a camshaft adjuster and an internal combustion engine with an adjustable crankshaft at engine standstill.
  • electromechanical camshaft adjusting systems are known from the prior art.
  • electromechanical Nockenwellenverstellsystemen usually three-shaft transmissions are used in which a first shaft of the transmission, usually the drive shaft is connected to the camshaft sprocket of an internal combustion engine, a second shaft (output shaft) is operatively connected to the camshaft effective via the camshaft sprocket and a third shaft, the Adjusting shaft, with the rotor shaft of an electric adjusting motor (electric motor) is connected.
  • the adjusting shaft serves to adjust the relative angular position between the camshaft and crankshaft during operation of the internal combustion engine.
  • swash plate gear and inner eccentric gear which in the WO 2006/018080 are described. This includes the from the WO 2005/080757 known wave gear and in the US 2007/0051332 A1 and US 2003/0226534 A1 contained gear.
  • actuators in such three-shaft systems are often electric motors for adjusting the adjusting used.
  • electrical, mechanical or hydraulic brakes or rotary or linear electromagnets it is also possible to use electrical, mechanical or hydraulic brakes or rotary or linear electromagnets to enable the phase adjustment.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and, by a camshaft adjusting system according to claim.
  • a control shaft is driven during the engine standstill or in a transitional phase in which at least one of the three shafts of the three-shaft gear is stationary completely or partially, to adjust the crankshaft and possibly one or more camshafts in their angular position.
  • n A , n B and n c are the rotational speeds of the three shafts of the three-shaft transmission.
  • n A is the speed of the camshaft
  • n B is the speed of the control shaft
  • n C is the speed of the camshaft sprocket
  • i 0_AC is the level translation between shaft A and C with shaft B stationary, ie here between the input and output shafts of the three-shaft transmission
  • T NW the moment of the crankshaft acting on the camshaft sprocket
  • T NW-KRAD T KW * 0.5
  • the torque ratio at the shafts can also be changed by relieving the control and crank mechanism, e.g. by decompressing or relaxing the chains of the timing drive.
  • An inventive extended Nockenwellenverstellsystem with a three-shaft gearbox comprises a control device which allows an adjustment of the control shaft when at least one of the other two shafts of the three-shaft transmission is stationary.
  • the camshaft phasing system includes an additional pre-gearbox which additionally pre-gears the drive connection between actuator (e.g., e-motor) and actuator actuator shaft (three-shaft gearbox).
  • the pre-reduction gear can be arranged between the control shaft and the actuator housing or between the control shaft and the actuator housing (Nockenwellenkettenrad).
  • the camshaft adjusting system in this embodiment comprises a control device for carrying out the method according to the invention.
  • crankshaft angle in engine standstill by means of the camshaft adjusting system according to the invention allows the pre-positioning of the shaft and thus the gas piston for the realization of the direct start of the internal combustion engine, without further units such as starters or positioning motors are required.
  • the crankshaft may be pre-positioned with or without superimposed variation of the camshaft phase angle.
  • an activation of the camshaft adjusting system by a switch or a message for example via a CAN bus, or by opening the driver's door of the vehicle or by the seat occupancy or the like is triggered to set and maintain the desired crankshaft angle and / or camshaft angle.
  • the method according to the invention should also be effective in the transition areas between engine standstill and starting process, as well as between engine standstill and shutdown.
  • a transitional region exists, for example, when one of the three shafts of the camshaft adjuster is already or still stationary or, in engines with several adjustment systems, resting individual shafts and still rotating the other shafts.
  • a pre-positioning of the control drive, the crankshaft and / or the camshaft can be controlled or unregulated. With unregulated pre-positioning, "blind" is adjusted in one direction. With controlled adjustment, a continuous target-actual comparison is carried out.
  • the regulated operation is generally preferred.
  • crankshaft and camshaft position are detected by a sensor system, and the adjustment selected such that the shorter adjustment is used to position the optimal piston of 1 to 4 for the direct start concept in a four-cylinder engine with the least time and energy ,
  • a camshaft sprocket 01 is connected as an actuator of a camshaft adjuster via a chain 02 in operative connection with a crankshaft 03. These components form the timing drive.
  • the crankshaft 03 drives the or the camshaft sprockets 01 at half the crankshaft speed in a direction of rotation 04.
  • actuators or camshafts and camshaft adjuster eg for separate camshafts for intake and exhaust valves
  • Further actuators and camshafts may be arranged in a separate secondary drive 05 ( Fig. 2 , Fig. B and c).
  • the secondary drive 05 can be designed in a known manner as a chain drive (FIG. B) or as a spur gear drive (FIG. C).
  • the primary drive can also be designed as a spur gear drive.
  • a stop washer 06 is rotatably connected to a camshaft (not shown).
  • the stop disk 06 has a cutout 07 which defines a boundary of the adjustment range.
  • the cutout 07 has radially spaced from each other an early stop 08 and a late stop 09 on.
  • a stop lug 11 on the camshaft sprocket 01 is provided such that camshaft sprocket 01 and stopper plate 06 between the stops 08, 09 can be rotated relative to each other.
  • the control drive and crankshaft 03 are now rotated within an adjustment range 12 via the camshaft sprocket 01 for the purpose of pre-positioning the crankshaft 03.
  • the adjustment range 12 is determined by the distance or the angle between the stop lug 11 and one of the stops 08, 09.
  • the actuating shaft of Electric motor driven as a controller.
  • the camshaft is stationary.
  • camshaft sprocket 01 has a similar high reduction to the control shaft when the camshaft is stationary, as is the case during normal operation of the internal combustion engine, ie when the camshaft sprocket 01 rotates as the reference system for the camshaft-side driven wheel.
  • the angle range between the stops 08, 09 is limited to less than 180 ° crankshaft in current camshaft adjustments due to fail-safe concepts.
  • the crankshaft positioning must be largely regardless of the camshaft phase angle, which could possibly adversely affect the start and exhaust behavior.
  • the camshaft may need to be held in place by an auxiliary device (eg lock or brake device) during crankshaft positioning.
  • crankshaft 03 can take place with referencing of the stop lug 11 on one of the two end stops 08, 09 of the stop plate 06 and with knowledge of the camshaft angle and the Verstellwellenwinkels.
  • crankshaft position is determined directly.
  • active crankshaft and / or camshaft sensors are required because parts of the engine stand still at the time of adjustment. Active sensors are voltage-fed sensors that can be sensed even at low speeds until the motor stops.
  • a second adjustment strategy is used when the camshaft adjuster has been turned off at one of the two stops 08, 09.
  • the corresponding stop can already be set active when the internal combustion engine is switched off. It depends on the towing direction and the type of the variable speed gear, which stop is to be approached in the stop strategy used.
  • An adjustment in the direction of the late stop must be used in the case of a negative gear ratio of the three-shaft gearbox, right-hand drive direction and right-hand drive motor direction, or if the three-shaft gearbox is positive, the direction of control is left and the left direction of rotation is left.
  • An adjustment in the direction of the early limit stop must be used for a positive gear ratio of the three-shaft gearbox, right-hand drive direction and right-hand drive motor direction, or for negative gear ratio of the three-shaft gearbox, left direction control drive and left hand drive direction of rotation.
  • the camshaft is initially stationary (or may need to be held in addition). Upon reaching the other end stop the camshaft is entrained in the drive direction of the camshaft adjuster and thus the crankshaft. In the case of inverse towing operation, the opposite end stop must be used accordingly.
  • a particular advantage of this adjustment strategy is that any crankshaft angle can be adjusted.
  • crankshaft start position After successful acceptance of the crankshaft start position, a subsequent pre-adjustment of the camshaft phase position is possible before the injection takes place and the internal combustion engine is ignited.
  • a third adjustment strategy the control drive and the crankshaft are first to be towed out of the static friction with the assistance of the high gear ratio of the three-shaft transmission during an adjustment of the camshaft sprocket within the adjustment range 12 (according to the first adjustment strategy).
  • the crankshaft 03 can be adjusted beyond the adjustment range 12 with a pre-translation in front of the control shaft.
  • a lower pretranslation is required in comparison to the second adjustment strategy, since the breakaway torque of the crankshaft 03 has already been overcome.
  • This strategy requires that when the internal combustion engine of the camshaft adjuster takes a camshaft phasing outside of a tow stop so that can always be towed with the high translation.
  • the tow stop is the stop, from which then the camshaft is towed with.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mittels eines Nockenwellenverstellers mit einem Dreiwellengetriebe. Gattungsgemäße Verfahren kommen insbesondere bei so genannten Start-Stopp-Konzepten für Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Daneben betrifft die Erfindung einen Nockenwellenversteller und einen Verbrennungsmotor mit einer bei Motorstillstand verstellbaren Kurbelwelle.
  • Zur Verstellung einer Nockenwelle sind aus dem Stand der Technik u.a. elektromechanische Nockenwellenverstellsysteme bekannt. Bei elektromechanischen Nockenwellenverstellsystemen werden üblicherweise Dreiwellengetriebe verwendet, bei denen eine erste Welle des Getriebes, gewöhnlich die Antriebswelle, mit dem Nockenwellenkettenrad eines Verbrennungsmotors verbunden ist, eine zweite Welle (Abtriebswelle) mit der Nockenwelle antriebswirksam über das Nockenwellenkettenrad wirksam verbunden ist und eine dritte Welle, die Verstellwelle, mit der Rotorwelle eines elektrischen Verstellmotors (Elektromotor) verbunden ist. Die Verstellwelle dient der Verstellung der relativen Winkellage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle bei Betrieb des Verbrennungsmotors. Beispiele für derartige Dreiwellengetriebe sind Taumelscheibengetriebe und Innenexzentergetriebe, welche in der WO 2006/018080 beschrieben sind. Hierzu gehören auch die aus der WO 2005/080757 bekannten Wellengetriebe und die in der US 2007/0051332 A1 und US 2003/0226534 A1 enthaltenen Getriebe.
  • Als Aktuatoren in solchen Dreiwellensystemen kommen häufig Elektromotoren zur Verstellung der Verstellwelle zum Einsatz. Es ist aber ebenso möglich, elektrische, mechanische oder hydraulische Bremsen oder rotatorisch oder linear wirkende Elektromagnete zu verwenden, um die Phasenverstellung zu ermöglichen.
  • Aus der DE 10 2004 006337 A1 und der EP 1 367 256 A1 ist eine Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Strategien bereitzustellen, die es ermöglichen, mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors aus dem Stand heraus zu verdrehen, um damit für den folgenden Startvorgang des Verbrennungsmotors die Kolbenposition und ggf. die Nockenwellenphasenlage vorzupositionieren.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und, durch ein Nockenwellenverstellsystem gemäß Anspruch gelöst.
  • In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, welcher einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem Dreiwellengetriebe aufweist, wird während des Motorstillstandes oder in einer Übergangsphase, in welcher mindestens eine der drei Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht, eine Stellwelle angetrieben, um einen Steuertrieb komplett oder teilweise, die Kurbelwelle und gegebenenfalls eine oder mehrere Nockenwellen in ihrer Winkellage zu verstellen.
  • Das Dreiwellengetriebe dient der Leistungsverzweigung. Es unterliegt folgenden physikalischen Zusammenhängen: Drehzahlen : n A - i 0 _AC × n C - 1 - i 0 _AC × n B = 0 ,
    Figure imgb0001
    wobei nA, nB und nc sind die Drehzahlen der drei Wellen des Dreiwellengetriebes. Im vorliegenden Fall ist also nA die Drehzahl der Nockenwelle, nB die Drehzahl der Stellwelle und nC die Drehzahl des Nockenwellenkettenrades; i0_AC ist die Standübersetzung zwischen Welle A und C bei stillstehender Welle B, also hier zwischen Antriebs- und Abtriebswelle des Dreiwellengetriebes (Die Standübersetzung ermittelt sich aus den Zähnezahlverhältnissen der Getriebestufen im Dreiwellengetriebe, die Übersetzung zwischen NW und KW mit i=0,5 ergibt sich aus dem Zähnezahlverhältnis im Steuertrieb.
  • Die Summe der äußeren Drehmomente ist Null: TA + TB + TC = 0.
  • Die Leistung berechnet sich für jede Welle aus P = 2 π x n x T.
  • Zur Verstellung bzw. Vorpositionierung der Welle A (= Nockenwelle) oder C (= Nockenwellenkettenrad, kurbelwellenfest) über den Steller (Elektromotor, Stellwelle) muss die Antriebsleistung des Stellers zu der zu positionierenden Welle abfließen. Soll nur eine der beiden Wellen über die Stellwelle verstellt werden, muss die Leistung für die nicht zu verstellende Welle Null sein. Im einfachsten Fall ist die Welle also festzuhalten (d.h. n=0).
  • Für die Vorpositionierung von Nockenwellenkettenrad und Kurbelwelle muss entsprechend das Moment der Nockenwelle (TNW) größer sein, als das am Nockenwellenkettenrad wirkende Moment der Kurbelwelle, (TNW-KRAD=TKW*0,5), d.h. TNW>TNW-KRAD. bzw. TA>TC, damit nicht ein Teil der Leistung des Stellers in die Nockenwelle abfließt. Ein solches Drehmomentverhältnis ist eher bei Motoren mit wenigen Zylindern und hoher Nockenwellenreibung (z. B. bei der Verwendung von Tassenstößeln) vorstellbar. Deshalb muss bei größeren Motoren ggf. eine Vorrichtung zum Blockieren der Nockenwelle vorgesehen werden.
  • Das Momentverhältnis an den Wellen kann auch verändert werden, indem man den Steuer- und Kurbeltrieb entlastet, z.B. durch Dekompression oder Entspannen der Ketten des Steuertriebes.
  • Ein erfindungsgemäßes erweitertes Nockenwellenverstellsystem mit einem Dreiwellengetriebe umfasst eine Steuereinrichtung, die eine Verstellung der Stellwelle erlaubt, wenn mindestens eine der beiden anderen Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Nockenwellenverstellsystem ein zusätzliches Vorübersetzungsgetriebe, welches die Antriebsverbindung zwischen Steller (z.B. E-Motor) und Stellwelle des Stellgliedes (Dreiwellengetriebe) zusätzlich (vor-) untersetzt. Das Vorübersetzungsgetriebe kann zwischen der Stellwelle und dem Stellergehäuse oder zwischen Stellwelle und Stellgliedgehäuse (Nockenwellenkettenrad) angeordnet sein. Ferner umfasst das Nockenwellenverstellsystem in dieser Ausführungsform eine Steuervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Verstellbarkeit des Kurbelwellenwinkels im Motorstillstand mittels des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystems erlaubt das Vorpositionieren der Welle und damit der Gaskolben für die Realisierung des Direktstarts des Verbrennungsmotors, ohne dass weitere Aggregate wie Anlasser oder Positioniermotoren erforderlich sind. Zur Steuerung von Kompression, Luftmenge, Zündfähigkeit, Katalysatorerwärmung u. a. kann die Vorpositionierung der Kurbelwelle mit oder ohne überlagerter Veränderung des Nockenwellenphasenwinkels erfolgen.
  • Vorzugsweise wird eine Aktivierung des Nockenwellenverstellsystems durch einen Schalter oder eine Botschaft, zum Beispiel über einen CAN-Bus, oder durch das Öffnen der Fahrertür des Fahrzeuges oder durch die Sitzbelegung oder dergleichen ausgelöst, um den gewünschten Kurbelwellenwinkel und/oder Nockenwellenwinkel einzustellen und zu halten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren soll auch in den Übergangsbereichen zwischen Motorstillstand und Anlassvorgang, sowie zwischen Motorstillstand und Abstellvorgang wirksam sein. Ein solcher Übergangsbereich liegt beispielsweise vor, wenn eine der drei Wellen des Nockenwellenverstellers schon bzw. noch stillsteht bzw. bei Motoren mit mehreren Verstellsystemen einzelne Wellen stillstehen und die anderen Wellen noch drehen.
  • Eine Vorpositionierung des Steuertriebes, der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle kann geregelt oder ungeregelt erfolgen. Bei ungeregelter Vorpositionierung wird "blind" in eine Richtung verstellt. Bei geregeltem Verstellen erfolgt ein kontinuierlicher Soll-Ist-Vergleich. Der geregelte Betrieb wird im Allgemeinen bevorzugt.
  • Erfindungsgemäß sind drei Verstellstrategien anwendbar:
    1. 1. Die Nockenwelle steht während der Positionierung der Kurbelwelle still.
    2. 2. Die Nockenwelle dreht während der Positionierung der Kurbelwelle mit.
    3. 3. Die Nockenwelle steht zunächst still und wird nachfolgend mitgeschleppt.
  • Unabhängig von der Wahl einer der drei möglichen Verstellstrategien beim Motorstillstand sind die nachfolgend angeführten Bedingungen für die Vorpositionierung der Kurbelwellen zu berücksichtigen:
    • Bei Verbrennungsmotoren mit mehreren Nockenwellenverstellsystemen (beispielsweise für Einlass- und Auslassnockenwelle) sollen alle Steller durch eine entsprechende Schaltung synchron genutzt werden können, um die Kurbelwelle zu verstellen.
    • Das Schleppen der Kurbelwelle soll vorzugsweise entgegen der normalen Antriebsrichtung des Steuertriebes erfolgen. Dabei ist unter der normalen Antriebsrichtung die gewöhnliche Drehrichtung des Motors (vorwärts) zu verstehen. Die entgegengerichtete Drehung der Kurbelwelle hat den Vorteil, dass der Zugtrum für den späteren Start gestrafft wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Vorpositionierung allerdings ohne Rücksicht auf die Kettenspannung des Stelltriebes in die Richtung mit dem geringsten Drehwiderstand erfolgen, um Positionierzeit und Energie zu sparen. Bei Bedarf wird anschließend der Steuertrieb durch Drehen in die Gegenrichtung wieder gestrafft.
    • Im Aggregatetrieb und in den Verbindungen zu Zusatzaggregaten der Nockenwelle oder Kurbelwelle sind vorzugsweise Freiläufe in den jeweiligen Naben vorzusehen, damit diese Komponenten beim Vorpositionieren in die entgegengesetzte Drehrichtung nicht mitzuschleppen sind. Solche Freiläufe sind teilweise bereits vorhanden.
    • Die Kurbelwelle ist während des Vorpositioniervorganges vom Fahrzeuggetriebe zu entkuppeln. Dies kann durch eine automatisierte Kupplung oder auch durch einen Freilauf geschehen. Hier muss eine Sicherung, die ein unbeabsichtigtes Wegrollen des Fahrzeuges bei entkuppeltem Getriebe verhindert, genutzt werden.
    • Vorzugsweise ist eine Vorrichtung zum Dekomprimieren der Zylinder vorzusehen, um das Schleppmoment der Kurbelwelle zu reduzieren.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Kurbelwellen- und Nockenwellenstellung von einem Sensorsystem erfasst, und die Verstellrichtung derart gewählt, dass der kürzere Verstellweg genutzt wird, um für das Direktstartkonzept den optimalen Kolben von 1 bis 4 bei einem Vierzylindermotor mit geringstem zeitlichen und energetischem Aufwand zu positionieren.
  • Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem Verbrennungsmotor ausführen zu können, müssen sowohl am Nockenwellenversteller als auch am Verbrennungsmotor bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden:
    • Das Nockenwellenverstellsystem benötigt gegenüber einem herkömmlichen Nockenwellenversteller einen verstärkten Elektromotor mit einer Motorkonstante ke > 13mVs/rad, der bei passiven Nockenwellenverstellern zusätzlich vorzusehen ist.
    • Zwischen der Stellwelle und der Abtriebswelle, in diesem Fall das Nockenwellenkettenrad, ist eine Gesamtuntersetzung von mehr als 1 : 50 bzw. 1 : -50 einzuhalten.
    • Entsprechend den erhöhten Anforderungen müssen die Mechanik und die Elektronik des Nockenwellenverstellers ausgelegt sein.
    • Der Verbrennungsmotor muss über einen Generator (Lichtmaschine) die benötigte elektrische Energie von > 100 W zur Verfügung stellen.
    • Das Nockenwellenlosbrechmoment, das Nockenwellenschleppmoment, das Kurbelwellenlosbrechmoment und das Kurbelwellenschleppmoment müssen jeweils < 30 Nm sein.
    • Vorzugsweise wird ein aktiver Nockenwellen- und Kurbelwellensensor für die exakte Bestimmung von Kurbelwellen- und Nockenwellenposition verwendet.
  • Die genannten Voraussetzungen müssen nicht alle parallel erfüllt sein. Durch eine entsprechende Auslegung kann das Fehlen einer oder mehrer spezifischer Anforderungen kompensiert werden. Erfindungsgemäße Verstellstrategien werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    eine Teilansicht eines Nockenwellenverstellsystems;
    Fig. 2:
    schematische Ansichten von drei Konfigurationsvarianten eines Steuertriebes.
  • Anhand der Fig. 1 und 2 werden nachfolgend der Aufbau eines Nockenwellenverstellers und die verschiedenen erfindungsgemäßen Verstellstrategien erläutert. Ein Nockenwellenkettenrad 01 steht als Stellglied eines Nockenwellenverstellers über eine Kette 02 in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle 03. Diese Komponenten bilden den Steuertrieb. Im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors treibt die Kurbelwelle 03 das bzw. die Nockenwellenkettenräder 01 mit halber Kurbelwellendrehzahl in einer Drehrichtung 04 an.
  • Im Steuertrieb können auch weitere Stellglieder bzw. Nockenwellen und Nockenwellenversteller (z.B. für separate Nockenwellen für Einlass- und Auslassventile) angeordnet sein. Weitere Stellglieder und Nockenwellen können in einem separaten Sekundärtrieb 05 angeordnet sein (Fig. 2, Abb. b und c). Der Sekundärtrieb 05 kann in bekannter Weise als Kettentrieb (Abb. b) oder als Stirnrädertrieb (Abb. c) ausgeführt sein. Auch der Primärtrieb kann als Stirnrädertrieb ausgeführt sein.
  • Eine Anschlagscheibe 06 ist drehfest mit einer Nockenwelle verbunden (nicht dargestellt). Die Anschlagscheibe 06 weist einen Ausschnitt 07 auf, welcher eine Begrenzung des Verstellbereichs definiert. Der Ausschnitt 07 besitzt radial voneinander beabstandet einen Früh-Anschlag 08 und einen Spät-Anschlag 09 auf. Eine Anschlagnase 11 am Nockenwellenkettenrad 01 ist derart vorgesehen, dass Nockenwellenkettenrad 01 und Anschlagscheibe 06 zwischen den Anschlägen 08, 09 relativ zueinander verdreht werden können.
  • Im Normalbetrieb des Nockenwellenverstellers bestimmen diese Anschläge 08, 09 den Bereich der Phasenverstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle 03. Dadurch werden in bekannter Weise die Ventilöffnungszeiten den veränderlichen Lastverhältnissen am Verbrennungsmotor angepasst, um eine Effizienzsteigerung zu erzielen. Beim Abstellen des Verbrennungsmotors ist die relative Position zwischen Nockenwellenkettenrad 01 und Anschlagscheibe 06 ohne die Verwendung von sogenannten Start-Stopp-Strategien nicht bestimmt, d.h. die Anschlagnase im Kettenrad ist innerhalb des Ausschnitts 07 positioniert.
    • Verstellstrategie 1:
  • Gemäß einer ersten Verstellstrategie werden nun Steuertrieb und Kurbelwelle 03 innerhalb eines Verstellbereiches 12 über das Nockenwellenkettenrad 01 zum Zweck der Vorpositionierung der Kurbelwelle 03 verdreht. Der Verstellbereich 12 wird bestimmt durch den Abstand bzw. den Winkel zwischen der Anschlagnase 11 und einem der Anschläge 08, 09. Dazu wird die Stellwelle vom Elektromotor als Steller angetrieben. Während dieser Zeit steht die Nockenwelle still.
  • Der Vorteil bei dieser Strategie ist darin zu sehen, dass das Nockenwellenkettenrad 01 bei stehender Nockenwelle eine ähnliche hohe Untersetzung zur Stellwelle aufweist, wie das im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, also bei drehendem Nockenwellenkettenrad 01 als Bezugssystem zum nockenwellenseitigen Abtriebsrad der Fall ist. Je nach Anwendungsfall kann auf ein separates Untersetzungsgetriebe zur weiteren Erhöhung der Übersetzung (= Vorübersetzung) verzichtet werden.
  • Der Winkelbereich zwischen den Anschlägen 08, 09 ist bei gängigen Nockenwellenverstellen allerdings aufgrund von Fail-Safe-Konzepten auf weniger als 180° Kurbelwelle begrenzt. Weiterhin muss die Kurbelwellenpositionierung weitgehend ohne Rücksicht auf den Nockenwellen-Phasenwinkel erfolgen, was eventuell das Start- und Abgasverhalten ungünstig beeinflussen könnte. Je nach den gegebenen Reibungsverhältnissen muss eventuell die Nockenwelle durch eine Zusatzvorrichtung (z. B. Verriegelung oder Bremsvorrichtung) während des Positionierens der Kurbelwelle festgehalten werden.
  • Eine Positionsbestimmung der Kurbelwelle 03 kann unter Referenzierung der Anschlagnase 11 auf einen der beiden Endanschläge 08, 09 der Anschlagscheibe 06 und unter Kenntnis des Nockenwellen-Winkels und des Verstellwellenwinkels erfolgen. Vorzugsweise wird die Kurbelwellenposition direkt bestimmt. Unabhängig davon sind sogenannte aktive Kurbelwellen- und/oder Nockenwellensensoren erforderlich, da Teile des Verbrennungsmotors zum Verstellzeitpunkt stillstehen. Unter aktiven Sensoren versteht man mit Spannung gespeiste Sensoren, die auch bei niedrigen Drehzahlen bis zum Motorstillstand sensierfähig sind.
    • Verstellstrategie 2:
  • Eine zweite Verstellstrategie wird verwendet, wenn der Nockenwellensversteller an einem der beiden Anschläge 08, 09 abgestellt wurde. Bei der Verwendung einer Stopp-Strategie kann der entsprechende Anschlag bereits beim Abstellen des Verbrennungsmotors aktiv eingestellt werden. Dabei ist es von der Schlepprichtung und der Art des Verstellgetriebes abhängig, welcher Anschlag bei der verwendeten Stopp-Strategie anzufahren ist.
  • Eine Verstellung in Richtung Spät-Anschlag muss bei einer negativen Übersetzung des Dreiwellengetriebes, Schlepprichtung Steuertrieb rechts und Drehrichtung Stellermotor rechts, bzw. bei positiver Übersetzung des Dreiwellengetriebes, Schlepprichtung Steuertrieb links und Drehrichtung Stellermotor links verwendet werden. Eine Verstellung in Richtung Früh-Anschlag muss bei einer positiven Übersetzung des Dreiwellengetriebes, Schlepprichtung Steuertrieb rechts und Drehrichtung Stellermotor rechts, bzw. bei negativer Übersetzung des Dreiwellengetriebes, Schlepprichtung Steuertrieb links und Drehrichtung Stellermotor links verwendet werden.
  • Die Nockenwelle ist zunächst stillstehend (bzw. muss eventuell zusätzlich festgehalten werden). Mit Erreichen des jeweils anderen Endanschlages wird die Nockenwelle in Antriebsrichtung des Nockenwellenverstellers und damit der Kurbelwelle mitgeschleppt. Bei inversem Schleppbetrieb ist entsprechend der entgegengesetzte Endanschlag zu verwenden.
  • Besonders vorteilhaft an dieser Verstellstrategie ist, dass beliebige Kurbelwellenwinkel einstellbar sind.
  • Allerdings muss der Elektromotor Steuertrieb, Kurbelwelle und Nockenwelle im Verhältnis 1:1 schleppen, weshalb ein separates Vorübersetzungsgetriebe zur Erhöhung der wirksamen Übersetzung erforderlich ist oder der Elektromotor ähnlich groß einer Anlassermaschine dimensioniert werden muss.
  • Optional ist nach erfolgreicher Einnahme der Kurbelwellen-Startposition eine nachträgliche Vorjustierung der Nockenwellen-Phasenlage möglich, bevor die Einspritzung erfolgt und der Verbrennungsmotor gezündet wird.
    • Verstellstrategie 3
  • Bei einer dritten Verstellstrategie soll zunächst unter Zuhilfenahme der hohen Übersetzung des Dreiwellengetriebes bei einer Verstellung des Nockenwellenkettenrades innerhalb des Verstellbereiches 12 (gemäß erster Verstellstrategie) der Steuertrieb und die Kurbelwelle aus der Haftreibung heraus angeschleppt werden. Mit Erreichen des Anschlages 08 bzw. 09 (je nach Schlepprichtung) kann mit einer Vorübersetzung vor der Stellwelle die Kurbelwelle 03 über den Verstellbereich 12 hinaus verstellt werden. Hier ist eine geringere Vorübersetzung im Vergleich zur zweiten Verstellstrategie erforderlich, da das Losbrechmoment der Kurbelwelle 03 bereits überwunden ist.
  • Diese Strategie erfordert, dass beim Abstellen des Verbrennungsmotors der Nockenwellenversteller eine Nockenwellen-Phasenlage außerhalb eines Schlepp-Anschlages einnimmt, damit immer mit der hohen Übersetzung angeschleppt werden kann. Der Schlepp-Anschlag ist der Anschlag, ab dem dann die Nockenwelle mit angeschleppt wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 01
    Nockenwellenkettenrad
    02
    Kette
    03
    Kurbelwelle
    04
    Drehrichtung NORMAL
    05
    Sekundärtrieb
    06
    Anschlagscheibe
    07
    Ausschnitt
    08
    Anschlag FRÜH
    09
    Anschlag SPÄT
    10
    -
    11
    Anschlagnase
    12
    Verstellbereich

Claims (8)

  1. Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle (03) eines Verbrennungsmotors mit einem Nockenwellenversteller mit einem Dreiwellengetriebe, umfassend eine Stellwelle, ein Nockenwellenkettenrad (01) und eine Nockenwelle, wobei das Nockenwellenkettenrad (01) antriebswirksam mit der Kurbelwelle (03) verbunden ist, wobei während des Motorstillstandes oder in einer Übergangsphase, in welcher mindestens eine der drei Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht, ein Antrieb der Stellwelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (03) von einem Fahrzeuggetriebe entkuppelt wird, bevor die Stellwelle angetrieben wird und/oder die Zylinder des Verbrennungsmotors dekomprimiert werden, bevor die Stellwelle angetrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb Kurbelwelle mittels der Stellwelle entgegengesetzt zur gewöhnlichen Antriebsrichtung der Kurbelwelle (03) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Stellwelle in der Richtung mit dem geringsten Drehwiderstand erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des geringsten Drehwiderstandes in Abhängigkeit der Kurbelwellenstellung ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle während des Verstellens der Kurbelwelle (03) stillsteht und die Verstellung der Stellwelle innerhalb eines Verstellbereiches (12) zwischen zwei mechanischen Endanschlägen (08, 09) des Nockenwellenverstellers erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle während des Verstellens der Kurbelwelle (03) mitdreht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle während des Verstellens der Kurbelwelle (03) zu-nächst stillsteht und im weiteren Verlauf der Kurbelwellenverstellung nach Erreichen eines Endanschlags (08, 09) am Nockenwellenversteller mitdreht.
  8. Nockenwellenverstellsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Dreiwellengetriebe, umfassend eine Stellwelle, ein Nockenwellenkettenrad (01) und eine Nockenwelle, wobei das Nockenwellenkettenrad (01) antriebswirksam mit der Kurbelwelle (03) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinrichtung umfasst, welche die Verstellung der Stellwelle steuert, indem die Steuereinrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, um über die Stellwelle eine Verstellung der Kurbelwelle zu bewirken, während mindestens eine der Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht.
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