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Die Erfindung betrifft einen für einen Verbrennungsmotor, nämlich Hubkolbenmotor, geeigneten Nockenwellenversteller, welcher einen Elektromotor und ein mit diesem zusammenwirkendes Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, umfasst.
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Ein derartiger Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
US 2007/0101956 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem BLDC-Motor, das heißt einen elektronisch kommutierenden Motor. Hierbei werden Kommutierungssignale gleichzeitig zur Bestimmung der Drehwinkellage der Nockenwelle genutzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten elektrischen Nockenwellenversteller mit besonders kompaktem, robustem und fertigungsfreundlichem Aufbau anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Nockenwellenversteller, und umgekehrt.
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Der Nockenwellenversteller umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau einen Elektromotor und ein von diesem betätigtes Stellgetriebe. Das Stellgetriebe weist eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und eine Verstellwelle auf. Hierbei wird die Eingangswelle von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, beispielsweise über einen Ketten- oder Riementrieb oder über ein Zahnradgetriebe, angetrieben. Die Ausgangswelle des Stellgetriebes ist mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors drehfest verbunden oder identisch. Die Verstellwelle des Stellgetriebes ist mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt, wobei optional ein weiteres Getriebe zwischen den Elektromotor und die Verstellwelle des Stellgetriebes geschaltet ist. In jedem Fall handelt es sich bei dem Elektromotor um einen sensorlosen elektronisch kommutierenden Elektromotor, wobei der Begriff „sensorlos” auf eine Winkelsensorik bezogen ist. Dies heißt, dass weder eine absolute noch eine inkrementelle Winkelsensorik des elektromotors vorgesehen ist. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt in jedem Betriebszustand des Nockenwellenverstellers in einem von zwei Ansteuermodi, welche jeweils einen geregelten Betrieb des Elektromotors ermöglichen. Hierbei ist ein erster Ansteuermodus vom Stillstand des Elektromotors bis zu einer nicht notwendigerweise festen Drehzahlgrenze wirksam, wogegen ein zweiter Ansteuermodus bei Drehzahlen ab der Drehzahlgrenze aktiviert ist.
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Bei dem ersten, im unteren Drehzahlbereich wirksamen Ansteuermodus handelt es sich vorzugsweise um einen impulsbasierten Modus. Hierbei werden Testimpulse in Form von Spannungsimpulsen, deren Dauer extrem kurz sein kann, beispielsweise nur einige Mikrosekunden beträgt, in Statorwicklungen des Elektromotors eingespeist. Durch Messung des generierten Phasenstroms wird die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors ermittelt. Im höheren Drehzahlenbereich, das heißt im zweiten Ansteuermodus, wird dagegen eine in Statorwicklungen des Elektromotors induzierte elektromotorische Kraft ausgewertet, um den Elektromotor anzusteuern. Dieses Verfahren wird auch als BEMF-Verfahren (back electro-magnetic force) bezeichnet. Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 10 2012 211 356 A1 sowie
DE 10 2011 017 517 A1 verwiesen.
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Zur Durchführung der verschiedenen Ansteuermodi sowie zur Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Ansteuermodus weist der Nockenwellenversteller eine Ansteuereinheit auf, bei welcher es sich nicht notwendigerweise um eine einzige bauliche Einheit handelt. Die Ansteuereinheit kann in den Elektromotor integriert oder räumlich vom Elektromotor getrennt sein.
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Die Ansteuerung eines Elektromotors mit einem impulsbasierten Verfahren im unteren Drehzahlbereich sowie bei Stillstand des Elektromotors und mit einem Verfahren, welches eine induzierte elektromagnetische Kraft nutzt, im oberen Drehzahlbereich ist beispielsweise in folgender Publikation beschrieben:
M. Schrödl, E. Robeischl: Sensorlose Drehzahl- und Lageregelung von Permanentmagnet-Synchronmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens; e&i Elektrotechnik und Informationstechnik, Februar 2000, Volume 117, Issue 2, pp 103–112
(online veröffentlicht bei Springer Link)
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Die Abkürzung INFORM steht hierbei für INdirekte Flussermittlung durch Online-Reaktanz-Messung.
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Bei dem Elektromotor des Nockenwellenverstellers kann es sich beispielsweise um einen Permanentmagneterregten Motor oder um einen Synchron-Reluktanzmotor handeln. Als Stellgetriebe innerhalb des Nockenwellenverstellers kommt beispielsweise ein Wellgetriebe, das heißt ein Getriebe mit einem flexiblen Verzahnungsbauteil, oder ein Dreiwellengetriebe sonstiger Bauart, zum Beispiel ein Planetengetriebe, ein Innenexzentergetriebe oder ein Taumelscheibengetriebe, zum Einsatz.
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Mit dem Nockenwellenversteller ist folgendes Verfahren durchführbar:
- – Bei Stillstand des Elektromotors wird im ersten Ansteuermodus die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors durch Beaufschlagung von Statorwicklungen des Elektromotors mit Testsignalen, nämlich Spannungimpulsen, und Auswertung der Antwortsignale, nämlich Stromsignale, bestimmt,
- – der erste Ansteuermodus wird bis zu einer Drehzahlgrenze des Elektromotors, welche optional veränderlich ist, beibehalten,
- – mit Überschreitung der Drehzahlgrenze wird die Ansteuerung des Elektromotors auf den zweiten Ansteuermodus, nämlich BEMF-Modus, umgestellt.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise als Innenläufermotor ausgebildet. Prinzipiell kann es sich bei dem Elektromotor auch um einen Motor in Außenläuferbauart handeln.
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Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi in Abhängigkeit sowohl von der Drehzahl des Elektromotors als auch von der Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Ebenso können Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Geschwindigkeit von Drehzahländerungen, Einfluss auf die Umschaltung zwischen den verschiedenen Ansteuermodi des Elektromotors haben. So kann beispielsweise bei einem schnellen Hochlaufen des Verbrennungsmotors eine besonders frühe Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus vorgesehen sein.
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Bei jedem Ansteuermodus erfolgt die Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Winkelstellung dessen Rotors. Somit ist auch bei dem im unteren Drehzahlbereich und bei Stillstand des Elektromotors gegebenen, impulsbasierten Ansteuermodus des Elektromotors kein „blinder” Betrieb des Elektromotors und damit keine Vergleichbarkeit mit dem Betriebsmodus eines Schrittmotors gegeben.
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Ein elektromechanischer Nockenwellenversteller hat gegenüber einem hydraulischen Nockenwellenversteller generell den Vorteil, dass eine Verstellung der Nockenwelle bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors möglich ist. Im vorliegenden Fall kann auch die Umschaltung zwischen dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus des Elektromotors schon bei Stillstand der Kurbelwelle erfolgen. Vorzugsweise wird bei einer Drehzahl des Elektromotors, welche mindestens 3% und höchstens 20% der Nenndrehzahl des Elektromotors beträgt, vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus gewechselt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 einen elektromechanischen Nockenwellenversteller in grob schematisierter Darstellung,
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2 in einem Diagramm verschiedene Betriebsmodi des Nockenwellenverstellers nach 1,
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3 in einem weiteren Diagramm einen Anlassvorgang eines Verbrennungsmotors mit dem Nockenwellenversteller nach 1.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektrischer Nockenwellenversteller umfasst einen Elektromotor 2, nämlich sensorlosen BLDC-Motor, und dient der Phasenverstellung einer nur ansatzweise gezeigten Nockenwelle 5 eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, in Relation zur nicht dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Bei einem mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichneten Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers 1 handelt es sich um ein Wellgetriebe. Eine gehäusefeste Eingangswelle 4 des Stellgetriebes 11 ist mit einem Antriebsrad 7 verbunden, welches mittels eines Ketten- oder Riementriebs von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die mit 3 bezeichnete Ausgangswelle des Stellgetriebes 11 ist mit der Nockenwelle 5 identisch oder drehfest verbunden.
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Eine Verstellwelle 6 des Stellgetriebes 11 ist mit einem Rotor 8 des Elektromotors 2 entweder – wie in 1 skizziert – direkt oder über eine zwischengeschaltete Ausgleichskupplung, nämlich Oldham-Kupplung, gekoppelt. Mit 9 sind Statorwicklungen, mit 10 das Gehäuse des Elektromotors 2 bezeichnet. Insgesamt handelt es sich bei dem Elektromotor 2 um einen permanentmagneterregten Motor. Dessen Ansteuerung erfolgt mit Hilfe einer Ansteuereinheit 12.
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Die Ansteuereinheit 12 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 2 in zwei verschiedenen Ansteuermodi zu betreiben, wie im Folgenden anhand 2 näher erläutert wird.
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In 2 sind verschiedene Ansteuermodi des Elektromotors 2 in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl (nK) des Verbrennungsmotors sowie von der Nockenwellendrehzahl (nN) und der Drehzahl des Elektromotors 2 veranschaulicht. Erfolgt keine Phasenverstellung der Nockenwelle 5 in Relation zur Kurbelwelle, so ist ein proportionaler Zusammenhang zwischen Nockenwellendrehzahl und Kurbelwellendrehzahl gegeben. Im Diagramm nach 2 ist dieser Zusammenhang durch die Proportionalitätslinie PL visualisiert. Hierbei stimmt die Drehzahl nN der Nockenwelle 5 mit der Drehzahl des Rotors 8 überein. Sobald die Drehzahl der Verstellwelle 6, das heißt Rotordrehzahl des Elektromotors 2, von der Drehzahl der Eingangswelle 4 abweicht, wird die Phase der Nockenwelle 5 relativ zur Kurbelwelle verstellt.
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Unabhängig davon, ob die Nockenwelle 5 mit konstanter Phasenrelation zur Kurbelwelle rotiert oder verstellt wird, wird der Elektromotor 2 im größten Teil des möglichen Drehzahlbandes des Verbrennungsmotors im BEMF-Verfahren betrieben. Dies entspricht dem zweiten Ansteuermodus, in 2 mit M2 bezeichnet.
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Bereits bei Stillstand des Verbrennungsmotors, sowie bei niedrigen Kurbelwellendrehzahlen, insbesondere während des Anlassvorgangs des Verbrennungsmotors, ist die Nockenwelle 5 mittels des Nockenwellenverstellers 1 verstellbar. Der Elektromotor 2 wird hierbei in einem ersten, impulsbasierten Ansteuermodus betrieben. In diesem ersten, in 2 mit M1 bezeichneten Ansteuermodus werden Statorwicklungen 9 mit Hilfe der Ansteuereinheit 12 mit sehr kurzen, im Extremfall nur wenige Mikrosekunden dauernden Spannungsimpulsen beaufschlagt. Da die Impedanzen von der Winkelstellung des Rotors 8 abhängig sind, kann durch eine ebenfalls mittels der Ansteuereinheit 12 erfolgenden Rückmessung des Phasenstroms auf die Winkelstellung des Rotors 8 geschlossen werden. Auf diese Weise wird der Elektromotor 2 bereits ab Stillstand des Rotors 8 geregelt betrieben. Wie weiter aus 2 hervorgeht, kann bereits während des Stillstandes der Kurbelwelle ein Übergang zwischen dem ersten, impulsbasierten Betriebsmodus des Elektromotors 2 und dem zweiten Ansteuermodus, das heißt BEMF-Verfahren, erfolgen. Ebenso ist eine Umschaltung zwischen den beiden Ansteuermodi möglich, nachdem die Rotation der Kurbelwelle begonnen hat. Bei Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors und höheren Drehzahlen kommt ausschließlich das BEMF-Verfahren zum Einsatz.
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Durch den Entfall jeglicher Sensorik, etwa in Form von Hall-Sensoren, Resolvern oder Encodern, ist ein besonders kompakter und robuster Aufbau des Elektromotors 2 sowie des gesamten Nockenwellenverstellers 1 gegeben. Ebenso entfällt die Notwendigkeit, auf die Temperaturempfindlichkeit etwaiger Winkelsensorik zu achten. Die dennoch in jedem Betriebszustand verfügbare Information über die Winkellage des Rotors 8 ist nicht nur zur Ansteuerung des Elektromotors 2 nutzbar, sondern liefert auch eine Information betreffend die Phase der Nockenwelle 5.
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Zustände des Verbrennungsmotors einschließlich des Nockenwellenverstellers 1 während des Anlassens des Verbrennungsmotors sind in 3 veranschaulicht. Vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl wird der Elektromotor 2 zunächst im ersten Ansteuermodus M1 betrieben. Mit steigender Drehzahl wird auf den zweiten Ansteuermodus M2 umgestellt.
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Bei gleichbleibender Drehzahl wird im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors eine Verstellung des mit α bezeichneten Stellwinkels der Nockenwelle 5 betrachtet: Der Übergang zu einem größeren Stellwinkel α wird durch eine kurzzeitige, in 3 als Peak erkennbare Beschleunigung des Rotors 8 des Elektromotors 2 bewerkstelligt. Die Drehzahl des Elektromotors 2, das heißt des Rotors 8, ist in 3 mit nE bezeichnet. Um den Stellwinkel α wieder auf den ursprünglichen Wert zurück zu stellen, ist kurzzeitig eine langsamere Rotation des Rotors 8 erforderlich. Während dieser Herabsetzung der Drehzahl nE des Elektromotors 2 wird dessen Ansteuerung vorübergehend auf den ersten Ansteuermodus M1 zurückgesetzt. Mit Beendigung des die Nockenwelle 6 betreffenden Verstellvorgangs, welcher im Beispiel nach 3 unter Beibehaltung der Motordrehzahl nK des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, erfolgt eine erneute Umstellung auf den zweiten Ansteuermodus M2 des Elektromotors 2. Im Fall sehr niedriger Leerlaufdrehzahlen ist in nicht dargestellter Weise auch eine Beibehaltung des ersten Ansteuermodus M1 während des Leerlaufs möglich.
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In Zeiträumen, in denen eine Umstellung zwischen den Ansteuermodi M1, M2, welche auch als Standardphasen bezeichnet werden, erfolgt, kann eine aus den vereinfachten 2 und 3 nicht hervorgehende Zwischenphase vorgesehen sein, in der vorübergehend keiner der Ansteuermodi M1, M2 zum Einsatz kommt. In einer solchen Zwischenphase werden beispielsweise Kommutierungsschritte entsprechend einem Schrittmotor durchgeführt. Aufgrund der kurzen Dauer der Zwischenphase und der gegebenen Trägheitsmomente ist der Elektromotor 2 während der Zwischenphase „blind” betreibbar, wobei zugleich dessen Betriebszustand einschließlich der Winkellage des Rotors 8 mit guter Genauigkeit als bekannt angenommen werden kann.
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Unabhängig davon, ob beim Übergang zwischen den Ansteuermodi M1, M2 eine Zwischenphase existiert, ist bei hintereinander erfolgenden Umschaltvorgängen in verschiedene Richtungen vorzugsweise eine Hysterese gegeben. Auf diese Weise werden unnötig häufige Umschaltvorgänge vermieden. Insofern sind die in 2 mit M1 und M2 markierten Flächen nicht unveränderlich. Vielmehr ist beispielsweise die mit M1 gekennzeichnete Fläche bei einem Betrieb des Elektromotors 2, in welchem mit dem ersten Ansteuermodus M1 gestartet und im weiteren Verlauf auf den zweiten Ansteuermodus M2 gewechselt wird, größer als in Fällen, in denen der Elektromotor 2 bereits im zweiten Ansteuermodus M2 läuft und – im Zuge der Absenkung der Motordrehzahl und/oder einer Verstellung der Nockenwelle 5 – auf den ersten Ansteuermodus M1 zurück gestellt wird. Insbesondere im letztgenannten Fall, das heißt bei einem Wechsel vom zweiten Ansteuermodus M2 auf den ersten Ansteuermodus M1, ist während eines Verstellvorgangs die Drehrichtung des Rotors 8 umkehrbar. Die umgekehrte Drehrichtung bedeutet im Fall eines positiven Stellgetriebes 11, dass die Drehrichtung des Rotors 8 der Drehrichtung der Nockenwelle 5 entgegengesetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Elektromotor
- 3
- Ausgangswelle
- 4
- Eingangswelle
- 5
- Nockenwelle
- 6
- Verstellwelle
- 7
- Antriebsrad
- 8
- Rotor
- 9
- Statorwicklung
- 10
- Gehäuse
- 11
- Stellgetriebe
- 12
- Ansteuereinheit
- α
- Stellwinkel der Nockenwelle
- M1
- erster Ansteuermodus
- M2
- zweiter Ansteuermodus
- NE
- Drehlzahl des Elektromotors
- nK
- Kurbelwellendrehlzahl
- nN
- Nockenwellendrehzahl
- PL
- Proportionalitätslinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0101956 A1 [0002]
- DE 102013220220 A1 [0003]
- DE 102014202060 A1 [0003]
- DE 102012211356 A1 [0007]
- DE 102011017517 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Schrödl, E. Robeischl: Sensorlose Drehzahl- und Lageregelung von Permanentmagnet-Synchronmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens; e&i Elektrotechnik und Informationstechnik, Februar 2000, Volume 117, Issue 2, pp 103–112 [0009]