DE102008015152A1

DE102008015152A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellsystems

Info

Publication number: DE102008015152A1
Application number: DE200810015152
Authority: DE
Inventors: Jonathan Heywood; Jens Schäfer; Andreas THÖLKE
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellsystems mit einem elektrischen Verstellmotor, welches in einem von einer Endlage "früh" und einer Endlage "spät" begrenzten Bereich einstellbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Nockenwellenverstellsystem während des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors im Bereich der Endlage "früh" eingestellt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellsystems gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
Nockenwellenversteller werden insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Verstellen der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eingesetzt und bestehen aus einem mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Verstellmechanismus und einem am Verbrennungsmotor befestigten elektromotorischen Verstellantrieb, dessen Motorwelle an der der Verstellwelle des mit Nockenwellendrehzahl umlaufenden Verstellmechanismus angreift. Als Verstellmechanismus werden häufig Dreiwellengetriebe in Form von Taumelscheibengetrieben eingesetzt. Ein elektromechanisches Nockenwellenverstellsystem ist beispielsweise in der DE 102 48 355 A1 und der DE 10 2004 038 681 A1 beschrieben.
Nockenwellenversteller können in einem durch zwei mechanische Endlagen „früh” und „spät” begrenzten Bereich eingestellt werden. Dabei beziehen sich die Bezeichnungen ”früh” und ”spät” auf den Einlassschluss bzw. Auslassschluss der mit dem Nockenwellenversteller zu steuernden Ventilöffnung.
Für den Betrieb moderner Verbrennungsmotoren, insbesondere unter Anwendung innovativer Brennverfahren, ist es häufig erforderlich, den Nockenwellenversteller beim Motorstart mit möglichst geringem Energieaufwand in eine zwischen beiden Endlagen befindliche Mittenlage einzustellen. Dieses Erfordernis lässt sich vor allem im Hinblick auf die Startfähigkeit, die Startzeit, den Startkomfort und die durch den Startvorgang verursachte Schadstoffemission begründen.
Idealerweise sollte die Mittenlage möglichst schnell nach dem Startwunsch, d. h. nach Betätigen des Zündschlüssels bzw. bei Hybridfahrzeuganwendungen nach Betätigung des Fahrpedals erreicht sein. Bei einigen Anwendungsfällen ist ein Motorstart ohne Erreichen einer mittleren Position überhaupt nicht möglich.
Beim Start des Verbrennungsmotors wirken auf die Nockenwelle Reibmomente. Bei Antrieb des Nockenwellenverstellers kann infolge dieser Reibmomente die Nockenwelle zurückbleiben, so dass sich eine ungewollte Verstellung des Nockenwellenverstellers in Richtung „spät” ergeben kann. Dies tritt vor allem bei kalten und sehr kalten Betriebstemperaturen von beispielsweise –40°C des Verbrennungsmotors auf, da das Nockenwellenreibmoment unter diesen Bedingungen vergleichsweise hoch ist. Das Nockenwellenreibmoment weist üblicherweise keine Nulldurchgänge auf.
Aufgrund dieses hohen Reibmomentes wird der Nockenwellenversteller bei unbestromtem Elektromotor in die Richtung „spät” verstellt, sofern das Reibmoment annähernd höher ist als das um den Wirkungsgrad geminderte gewandelte Reibungsmoment des Elektromotors an der Verstellwelle. Eine genauere Betrachtung kann für den konkreten Anwendungsfall über die „Willis-Gleichung” erfolgen.
Problematisch ist diese sich ungewollt ergebende Nockenwellenverstellung dann, wenn die für den Start des Verbrennungsmotors notwendige bzw. gewünschte Position des Nockenwellenverstellers nicht der Position „spät” entspricht. Dies ist zum Beispiel bei Mittellagenstart oder bei Start in Position „früh” der Fall. In diesen Fällen muss eine aktive Verstellung des Nockenwellenverstellers in eine mittlere Startposition in Richtung „früh” erfolgen.
Bei kalten bis sehr kalten Betriebsbedingungen wird zum Erreichen einer bestimmten bei Motorstart geforderten Verstellgeschwindigkeit für eine Verstellung gegen das Reibmoment der Nockenwelle in Richtung „früh” jedoch ein Vielfaches an Leistung bzw. Energie benötigt, wie für eine Verstellung in die Verstellrichtung „spät”, da dort das in Richtung geringerer Öltemperaturen zunehmend hohe Reibmoment der Nockenwelle unterstützt.
1 zeigt beispielhaft eine Funktion von Batteriestrom und Bordnetzspannung für eine Starttemperatur von –40°C zur Erreichung einer bestimmten bei Motorstart geforderten Verstellgeschwindigkeit. Der Darstellung kann entnommen werden, dass für eine Verstellung gegen das Reibmoment der Nockenwelle in Richtung „früh” (Kurve A) etwa das 25- bis 40-fache an Leistung im Vergleich zum Verstellen in Richtung „spät” (Kurve B) benötigt wird. In anderen Ausführungen kann der Absolutwert des für die Verstellung erforderlichen Stroms geringer ausfallen. In allen herkömmlichen Verstelleinrichtrungen wird der für die Verstellung in Richtung „früh” (gegen das Reibmoment der Nockenwelle) benötigte Strom jedoch 10- bis 50-fach höher ausfallen als für eine Verstellung in Richtung „spät”.
Im Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, in der eine Ansteuerschaltung einer für die Anwendung typischen Beschaltung dargestellt ist. Bei Verfolgung des so genannten Hochstrompfades, d. h. Steckverbinder – Spannungsversorgung – Verpolschutz – Schalttransistor – Steckverbinder – Elektromotor – Steckverbinder – Schalttransistor – Masse, erkennt man ein Reihe von Bauelementen und Übergängen, an denen jeweils eine Verlustleistung entsprechend des Spannungsabfalls an diesen Bauelementen und Übergängen entsteht.
Entsprechend der lokalen Wärmekapazitäten bzw. der thermischen Anbindung führen diese lokal entstehenden Verlustleistungen, zum Beispiel bei Bestromung mit 40 A bereits bei geringen Zeitdauern zu signifikanten Temperaturanstiegen und damit zu thermischen Spannungen, die zu Ausfällen über die Lebensdauer führen können.
Diese zyklische Beanspruchung mit hohen Temperaturgradienten ist besonders kritisch bei Anwendungen mit sehr häufigen Motorstarts, wie sie beispielsweise bei Hybridfahrzeugen vorkommen. Besonders gefährdet sind dabei die Leistungshalbleiterbauelemente, wie der Verpolschutztransistor 01 und die Schalttransistoren 02 sowie die Elektrolytkondensatoren 03 auf Seiten der Eingangsbefilterung. Typische auftretende Ausfälle sind der Abriss der inneren Bonddrähte bzw. das Versagen von Lotverbindung auf der Leiterplatte sowie das Versagen der Elektrolytkondensatoren, die ausdampfen, auslaufen oder „platzen” können, was durch den höheren ESR-Innenwiderstand der Kondensatoren bei geringen Temperaturen noch begünstigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellsystems zur Verfügung zu stellen, mit welchem während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors die Belastung des elektrischen Bordnetzes und der elektronischen Komponenten des Nockenwellenverstellsystems reduziert wird, wobei durch das Verfahren nur allenfalls geringe Zusatzkosten gegenüber herkömmlichen Lösungen entstehen sollen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Nockenwellenverstellsystem bereits während des Abstellvorgangs eines Verbrennungsmotors im Bereich einer Endlage „früh” auf eine Startposition eingestellt wird.
Aus der im Bereich der Endlage „früh” befindlichen erfindungsgemäßen Startposition soll beim Motorstart möglichst schnell in die gewünschte Position hinein verstellt werden, um den Zielverstellwinkel vorzugsweise bereits bei der ersten Zündung zu erreichen. Diese Dynamik kann selbst bei sehr geringen Öltemperaturen realisiert werden, da für ein Verstellen in die Verstellrichtung „spät” wesentlich weniger Leistung benötigt wird, als für ein Verstellen in die Verstellrichtung „früh” (siehe 1 und die hierzu gemachten Ausführungen in der Beschreibungseinleitung).
Eine schnellere Zielwinkelverstellung kann bereits dadurch erreicht werden, dass anstelle der in 1 gezeigten Bestromung mit ca. 1–2% des maximalen mittleren Stromwertes, der bei einer gegebenen Bordnetzspannung während der Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „früh” auftritt, eine höhere Bestromung mit beispielsweise 5–10% erfolgt. Mit einer solchen, noch vergleichsweise geringen Bestromung, ist keine Gefahr von erheblichen Temperaturanstiegen und damit verbundenen thermischen Spannungen verbunden, wie sie beispielsweise bei einer für eine Verstellung in die Verstellrichtung „früh” erforderlichen Bestromung, also mit 100% auftreten. Dadurch, dass der Zielwinkel bei Motorstart relativ schnell erreicht werden kann, wird ein schnellerer und angenehmer Motorstart realisiert.
Da zum Verstellen des Nockenwellenverstellsystems in die Verstellrichtung „spät” wesentlich weniger Leistung benötigt wird, kann die Stellelektronik auf einen geringeren mittleren Strom ausgelegt werden. Damit können preiswerterer Bauteile eingesetzt werden. Durch den geringeren Temperaturanstieg infolge des geringeren Stromflusses muss weniger Wärme von den Bauteilen abgeführt werden, wodurch sich das Wärmemanagement vereinfacht.
Da es sich bei der erfindungsgemäßen Lösung um ein Verfahren in Form einer veränderten Steuerstrategie handelt, wodurch keine zusätzlichen Bauelemente benötigt werden, entstehen hierdurch keine zusätzlichen Kosten. Gleichzeitig können die Kosten erheblich gesenkt werden, da das elektrischen Bordnetz und die elektronischen Komponenten des Nockenwellenverstellsystems weniger belastet werden, was sich positiv auf deren Verschleißverhalten und damit auf die Lebensdauer des gesamten Nockenwellenverstellsystems auswirkt.
Von Vorteil ist es, wenn während des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors ein vorgegebener Winkelabstand zur Endlage „früh” eingestellt wird. Der erforderliche Winkelabstand ist dabei definiert als Differenz eines für den Startvorgang minimal notwendigen Winkelabstands und eines Betrags, um den das Nockenwellenverstellsystem während des Abstellvorgangs in Folge dynamischer Nockenwellenmomente maximal variieren kann. Insbesondere bei sehr geringen Kurbelwellendrehzahlen von beispielsweise 150 U/min ist sicherzustellen, dass beim Einstellen der gewünschten Startposition die Endlage „früh” nicht erreicht wird, da dies bei bestimmten Betriebspunkten zu einer Anschlaggeräuschentwicklung führen könnte.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird der elektrische Verstellmotor bis zum Stillstand des Verbrennungsmotors bestromt. Hierdurch wird das Halten des gewählten Winkelabstands von der Endposition während des Motorabstellens unterstützt.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird beim Auslösen des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors zunächst die Endlage „früh” angefahren und mittels Anschlagerkennung für eine mechanische Nullung erfasst. Anschließend erfolgt eine geringfügige Verstellung in Richtung Endlage „spät” um einen vorbestimmten Winkelabstand, den so genannten Abstellwinkel. Typische Werte für den Abstellwinkel liegen zwischen 1 und 45 Grad Kurbelwinkel. Als vorteilhaft hat sich ein Abstellwinkel zwischen 1 und 30 Grad Kurbelwinkel er wiesen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstellwinkel zwischen 1 und 10 Grad Kurbelwinkel.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur des Nockenwellenverstellsystems erfasst und bei der Verstellung der Nockenwelle berücksichtigt wird. Die Temperatur wird hierbei vorzugsweise über Sensoren erfasst, die im elektrischen Bordnetz und/oder an den elektronischen Komponenten des Nockenwellenverstellsystems angeordnet sind. Eine Anordnung der Sensoren im Bereich dieser Komponenten ist vorteilhaft, da diese Komponenten besonders temperaturempfindlich sind. Die Sensoren können direkt in ein Bauteil integriert werden, beispielsweise in einen Elektrolytkondensator. Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur eine Begrenzung der Stromzufuhr. Auf diese Weise kann während der gesamten Betriebszeit eine durch zu hohe Temperaturanstiege hervorgerufene Überlastung der gefährdeten Bauteile wirksam vermieden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und einem zweiten Antrieb. Beim Abstellen des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb wird das Nockenwellenverstellsystem im Bereich der Endlage „früh” eingestellt, wenn eine vorbestimmte Schwelltemperatur unterschritten wird. In diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, wenn die Öltemperatur und/oder die Wassertemperatur des Verbrennungsmotors und/oder die Temperatur des Nockenwellenverstellsystems erfasst wird. Die erfasste Temperatur wird anschließend mit der Schwelltemperatur verglichen. In dem Fall, dass die erfasste Temperatur kleiner als die Schwelltemperatur ist, wird das Nockenwellenverstellsystem im Bereich der Endlage „früh” eingestellt.
Charakteristisch für Hybridfahrzeuge sind sehr häufige Motorstarts. Erfolgt ein sogenannter Wiederstart, d. h. ein erneuter Start des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb ist ein Verstellen in die Endlage „früh” nur erforderlich, wenn das Fahrzeug noch keine ausreichend hohe Betriebstemperatur aufweist. Dadurch, dass die Betriebstemperatur mit einer vorgegebenen Schwelltemperatur vergli chen wird, ist sichergestellt, dass kein unnötiges Verstellen des Nockenwellenverstellsystems erfolgt. Ein Verstellen erfolgt lediglich dann, wenn sich hieraus die oben erwähnten Vorteile für den Wiederstart während des Betriebs ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar sowohl bei intelligenten Steuergeräten, bei denen eine Regelung des elektrischen Nockenwellenverstellers im Steuergerät erfolgt, als auch bei nicht intelligenten Steuergeräten, bei denen eine übergeordnete Regelung stattfindet und nur die Kommutierung und die Hilfsfunktionen in das Steuergerät integriert sind. Außerdem ist es auch anwendbar bei Wegbausteuergeräten mit separatem Steuergerät und bei integrierten Steuergeräten, bei denen das Steuergerät im oder am Elektromotor bzw. einem Anbauteil zum Elektromotor angeordnet ist. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Anwendungen erfolgen. Andere Anwendungen sind durchaus denkbar.

01: Verpolschutztransistor
02: Schalttransistoren
03: Elektrolytkondensatoren
Kurve A: Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „früh”
Kurve B: Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „spät”

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10248355 A1 [0002]
- DE 102004038681 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellsystems mit einem elektrischen Verstellmotor, wobei das Nockenwellenverstellsystem in einem von einer Endlage „früh” und einer Endlage „spät” begrenzten Bereich einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellenverstellsystem während des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors im Bereich der Endlage „früh” auf eine Startposition voreingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors ein vorbestimmter Winkelabstand zur Endlage „früh” eingestellt wird, wobei dieser Winkelabstand der Differenz eines für den Startvorgang minimal notwendigen Winkelabstands und eines Betrags, um den das Nockenwellenverstellsystem während des Abstellvorgangs in Folge dynamischer Nockenwellenmomente maximal variieren kann, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verstellmotor des Nockenwellenverstellsystems bis zum Stillstand des Verbrennungsmotors bestromt wird, um das Halten des vorbestimmten Winkelabstandes zu unterstützen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auslösen des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors zunächst die Endlage „früh” angefahren wird, welche mittels Anschlagerkennung für eine mechanische Nullung erfasst wird, und anschließend eine Verstellung in Richtung Endlage „spät” um einen vorbestimmten Winkelabstand erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abstellvorgangs des Verbrennungsmotors das Nockenwellenverstellsystem der Winkelabstand zur Endlage „früh” zwischen 1 und 45 Grad Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelabstand zur Endlage „früh” zwischen 1 und 30 Grad Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelabstand zur Endlage „früh” zwischen 1 und 10 Grad Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Nockenwellenverstellsystems erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur über Sensoren erfasst wird, wobei die Sensoren im elektrischen Bordnetz und/oder an den elektronischen Komponenten des Nockenwellenverstellsystems angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur eine Begrenzung der Stromzufuhr erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und einem zweiten Antrieb dient, wobei beim Abstellen des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb das Nockenwellenverstellsystem im Bereich der Endlage „früh” eingestellt wird, wenn am Verbrennungsmotor eine vorbestimmte Schwelltemperatur unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öltemperatur und/oder die Wassertemperatur des Verbrennungsmotors und/oder die Temperatur des Nockenwellenverstellsystems erfasst wird, dass die erfasste Temperatur mit der Schwelltemperatur verglichen wird, und dass beim Abstellen des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb das Nockenwellenverstellsystem im Bereich der Endlage „früh” eingestellt wird, wenn die erfasste Temperatur kleiner als die Schwelltemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „spät” eine Bestromung mit einem mittleren Stromwert von < 10% des maximalen mittleren Stromwertes, der bei einer gegebenen Bordnetzspannung während der Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „früh” auftritt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „spät” eine Bestromung mit einem mittleren Stromwert von < 5% des maximalen mittleren Stromwertes während der Verstellung in Richtung Endlage „früh” erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstellung der Nockenwelle in Richtung Endlage „spät” eine Bestromung mit einem mittleren Stromwert von < 1% des maximalen mittleren Stromwertes während der Verstellung in Richtung Endlage „früh” erfolgt.