DE10315317A1

DE10315317A1 - Phasenverstellvorrichtung

Info

Publication number: DE10315317A1
Application number: DE10315317A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Neubauer; Markus Dr.-Ing. Wilke
Original assignee: AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: DE10315317B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Phasenverstellvorrichtung (1), die einen Antrieb (2) mit Antriebswelle (4) und ein Getriebe (5) umfasst, zum Verstellen der Phase zwischen Nockenwelle (9) und Kurbelwelle (12). Erfindungsgemäß umfasst die Phasenverstellvorrichtung (1) eine Sensorvorrichtung (14, 15, 16, 17, 18, 19), mit der die Drehzahl oder die Position einer Komponente (2, 3, 4, 5, 6) der Phasenverstellvorrichtung (1) gemessen wird. Dadurch wird eine höhere Auflösung bezüglich der Position der Nockenwelle erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenverstellvorrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle.
Bei Brennkraftmaschinen treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, der beispielsweise als Zahnriemen ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen an. Dazu ist an jeder Nockenwelle ein Nockenwellenrad befestigt, über welches der Primärantrieb die Nockenwelle antreibt. Dabei erfolgt zu jedem Zeitpunkt eine Übersetzung des Drehwinkels der Kurbelwelle, wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel φ_K in 360° Nockenwellendrehwinkel φ_N umgesetzt werden. Das Verhältnis der beiden Drehwinkel ist durch diese Kopplung konstant. In den meisten Anwendungen ergibt diese feste Kopplung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ein Verhältnis von:
Jedoch lassen sich die Betriebseigenschaften einer Brennkraftmaschine optimieren, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemission und der Laufkultur, wenn das über den Primärantrieb gekoppelte System zwischen der Nockenwelle und Kurbelwelle verändert werden kann und dadurch die Phase zwischen den beiden Wellen verstellt wird.

In der DE 100 38 354 A1 sind zur Sensierung der Phasenverstellung an der Nockenwelle und der Kurbelwelle oder am Nockenwellenrad Sensorvorrichtungen angebracht, welche die Ist-Position der Nockenwelle gegenüber der Ist-Position der Kurbelwelle oder des Nockenwellenrades sensieren, wodurch die Positionen oder auch die Drehzahlen der Wellen ermittelt werden können. Eine solche Sensorvorrichtung kann dabei z. B. durch berührungsfrei arbeitende Hall-Sensoren realisiert werden.

Nachteilig bei einem solchen Aufbau ist es, dass diskrete Winkelmarken an der Nockenwelle und Kurbelwelle angebracht werden müssen, die dann von den Sensoren abgetastet werden können. Die Anzahl dieser Winkelmarken an der Nockenwelle ist abhängig von der Zylinderzahl bzw. dem periodischen Nockenwellen-Wechselmoment. Weil nicht beliebig viele Winkelmarken an der Nockenwelle angebracht werden können, ist die Messgenauigkeit der Positionserfassung abhängig vom Abstand zweier benachbarter Winkelmarken. Je länger der Zeitraum ist, der für die Sensierung zweier benachbarter Winkelmarken benötigt wird, desto ungenauer ist das Messergebnis, das heißt die Phasenverstellung kann nicht exakt ermittelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Phasenverstellvorrichtung aufzuzeigen, die auch bei niedrigen Drehzahlen oder sogar bei Stillstand der Kurbelwelle einen genauen Messwert für die Phasenverstellung ermittelt und somit die Phasenverstellung auch im unteren Drehzahlbereich auf den gewünschten Wert regeln kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst, hierbei werden zusätzliche Sensoren direkt an oder in der Phasenverstellvorrichtung angebracht, wobei die Phasenverstellvorrichtung einen Antrieb und ein Getriebe umfasst, das eine hohe Übersetzung gegenüber der Nockenwelle aufweist, wobei eine hohe Übersetzung bedeutet, dass die Drehzahl von dem sensierten Teil der Phasenverstellvorrichtung zumindest während der Verstellung je nach Verstellrichtung um ein Vielfaches größer oder kleiner ist als die Drehzahl der Nockenwelle.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine höhere Auflösung bezüglich der Position der Nockenwelle erreicht werden kann, da einzelne mechanische Komponenten des Phasenverstellers zumindest bei der Verstellung je nach Verstellrichtung eine höhere oder niedrigere Verstelldrehzahl aufweisen als die Drehzahl der Nockenwelle. Die Sensoren für solche Phasenverstellvorrichtungen sind einfach und kostengünstig integrierbar. Ein solcher Aufbau weist eine höhere Güte bei der Messung der Phasenverstellung auf. Mit solchen Phasenverstellvorrichtungen lassen sich auch Brennkraftmaschinen bei niedriger Drehzahl bzw. aus dem Stand exakt regeln.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei kann der Sensor am Phasenvers teller entweder die Position des Elektromotor-Rotors oder aber die Stellung eines Getriebeteils, das bei Verstellung im Vergleich zur Nockenwelle aufgrund der Übersetzung eine unterschiedliche Drehzahl aufweist, erfassen. Bei der Bestimmung der Position des Elektromotor-Rotors erweisen sich Inkrementalsensoren als besonders vorteilhaft, die sowohl extern am Motor angebracht werden können oder aber bei manchen Elektromotoren bereits beispielsweise als Hall-Sensor integriert sind. Alternativ, das heißt ohne diskrete Sensorik, können auch durch die Messung elektrischer Größen des laufenden Elektromotors, insbesondere die Gegeninduktionsspannung, Rückschlüsse auf die Position des Rotors erfolgen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
1: Nockenwelle mit Phasenverstellvorrichtung;
2: Phasenverstellvorrichtung mit Inkrementalsensor am Rotor eines Elektromotors;
3: Phasenverstellvorrichtung mit Inkrementalsensor an der Antriebsachse eines Elektromotors;
4: Phasenverstellvorrichtung mit Inkrementalsensor an einem Getriebeteil;
5: Phasenverstellvorrichtung mit Spannungsmes ser am Elektromotor.
1 zeigt eine Nockenwelle 9 mit Phasenverstellvorrichtung 1. Hierbei treibt die Kurbelwelle 12 über einen Primärantrieb 7 das Nockenwellenrad 8 an. Hierbei wird die jeweilige Position oder Drehzahl der Kurbelwelle 12 mit einem Sensor 13 erfasst. Diese Positionsinformation wird an eine nicht abgebildete Steuereinheit weitergeleitet und zur weiteren Bearbeitung bereitgestellt. Die Kurbelwelle 12 treibt über den Primärantrieb 7 und dem damit gekoppelten Nockenwellenrad 8 die Nockenwelle 9 an. Auch die Position oder Drehzahl der Nockenwelle 9 wird mit Hilfe eines Sensors 11 erfasst. Hierfür sind an der Nockenwelle im Anwendungsbeispiel vier Nockenwellenmarkierungen 10 angebracht, so dass bei bekannter Drehzahl der Kurbelwelle z. B. die Zeit gemessen werden kann, die zwischen der Sensierung einer Kurbelwellenmarkierung und einer Nockenwellenmarkierung vergangen ist. Diese Zeitspanne kann in einer nicht abgebildeten Signalverarbeitung zu einem Phasenverstellwinkel verrechnet werden, der die Phasenverstellung zwischen Nockenwelle 9 und Kurbelwelle 12 darstellt, die vom Phasenversteller 1 verursacht wird. Bei niedrigen Drehzahlen bzw. Stillstand der Kurbelwelle 12 ist der Zeitraum zwischen der Erfassung einer Kurbelwellenmarkierung und einer Nockenwellenmarkierung 10 zu groß. Allein mit dem Nockenwellensensor 11 und dem Kurbelwellensensor 13 kann bei niedrigen Drehzahlen die Phasenverstellung nicht oder nur sehr ungenau ermittelt werden. Aus diesem Grund befindet sich am Phasenversteller 1 mindes tens eine weitere Sensorvorrichtung 14, die verschiedene Positionen oder Drehzahlen von sich bewegenden, insbesondere rotierenden oder taumelnden, Komponenten 3, 4, 6 im Phasenversteller erfassen kann. Dieser Phasenversteller 1 kann hierbei auf das Nockenwellenrad 8 oder direkt auf die Nockenwelle 9 einwirken, so dass sie gegenüber dem Primärantrieb 7 und damit auch der Kurbelwelle 12 beschleunigt oder verzögert wird. Soll der Phasenversteller 1 keinen Einfluss auf die Nockenwelle 9 haben, so passt er sich der Bewegung des Nockenwellenrades 8 an. Der hier dargestellte Phasenversteller 1 beinhaltet einen Antrieb 2, 4 und ein Getriebe 5, wobei das Getriebe durch den Elektromotor 2 über eine Antriebswelle 4 bewegt wird. Dieses Getriebe 5 wirkt auf das Nockenwellenrad 8 bzw. die Nockenwelle 9 ein. Die Drehzahl der Komponenten 3, 4, 6 am Elektromotor 2 und im Getriebe 5 des Phasenverstellers 1 sind proportional zu der Nockenwellendrehzahl. Das heißt, verändert eine Komponente des Phasenverstellers 1 seine Position, so wird auch die Position der Nockenwelle 9 in vorgegebener Weise verändert. Jedoch sind auf der Seite des Phasenverstellers 1 die Drehzahlen zumindest bei der Verstellung abhängig von der Verstellrichtung wesentlich höher oder geringer als die Drehzahl der Nockenwelle 9. Bei einem Phasenversteller 1 mit Taumelscheibengetrieben ist die relative Drehzahl des Elektromotors 2 während der Verstellung etwa 60 mal höher als die Verstelldrehzahl der Nockenwelle 9. Erfasst man die Anzahl der Drehungen im Phasenversteller 1, so kann man auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle 12 die Position der Nockenwelle 9 ermitteln, da dann die hohe Übersetzung (im Anwendungsbeispiel 60:1) eine Feinmessung der relativen Verstellung der Nockenwelle erlaubt. Eine Bestimmung der Phasenverstellung zwischen Nockenwelle 9 und Kurbelwelle 12 kann beispielsweise wie folgt vonstatten gehen:

– Aus den Kurbelwellensignalen, die entstehen, wenn die nicht dargestellten Kurbelwellenmarkierungen vom Sensor erfasst werden, wird die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle 12 errechnet.
– Aus der Kurbelwellendrehzahl wird die Drehzahl des Nockenwellenrades 8 berechnet.
– Mittels des Phasenverstellvorrichtungssensors 14 wird die Drehzahl einer Komponente 3, 4, 6 der Phasenverstellung 1 ermittelt, mit der auch der Verdrehwinkel dieser Komponente als Absolut- oder Relativwert berechnet wird.
– Aus den Drehzahlen bzw. den Verdrehwinkeln einer Komponente 3, 4, 6 der Phasenverstellvorrichtung 1 und dem Primärantrieb 7 wird die relative Verdrehung zwischen dieser Komponente 3, 4, 6 und dem Primärantrieb 7 berechnet.
– Mittels der Übersetzung der Phasenverstellvorrich tung ist der Zusammenhang zwischen: der relativen Verdrehung zwischen einer Komponente 3, 4, 6 der Phasenverstellvorrichtung 1 und dem Primärantrieb 7 und damit auch der Kurbelwelle 12 bekannt, damit ist auch die relative Verdrehung der Nockenwelle 9 gegenüber dem Primärantrieb 7 und damit auch gegenüber der Kurbelwelle 12 be kannt, wobei sich ein erster Istwinkel aus der aktuellen Phasenlage der Nockenwelle 9 gegenüber der Kurbelwelle 12 ergibt.
– Dieser erste Istwinkel wird nun mit dem Istwinkel des Sensorsystems aus Nocken- und Kurbelwellen-Sensor 11, 13, die einen zweiten Istwinkel bilden, abgeglichen; dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn der zweite Istwinkel aufgrund einer entsprechend hohen Kurbelwellen-Drehzahl eine ausreichende Güte besitzt.

Im Bereich sehr kleiner Kurbelwellendrehzahlen und im Stillstand kann die Phasenverstellung gemessen werden, indem:

– der Phasenversteller 1 in eine Position gebracht wird, die als Referenzmarke dient (hierfür eignen sich besonders die Endanschläge des Phasenverstellers 1)
– dann erfolgt die Istwinkelbestimmung und die Regelung der Phasenlage allein auf Basis des ersten Istwinkels.
– Steigen die Kurbewellendrehzahlen wieder an, erfolgt wieder der Abgleich mit dem zweiten Istwinkel.

Solche Sensorvorrichtung 14 zur Erfassung der Position einer Komponente 3, 4, 6 des Phasenverstellers kann, wie in 2 gezeigt, einen Inkrementalsensor 19 aufweisen, der z. B. über Markierungen 15 am Rotor 3 des Elektromotors 2 die Bewegung des Phasenversteller 1 erfasst. Hierbei werden zumindest die Anzahl der Drehungen des Rotors 3 erfasst. Gleichfalls können, im Falle mehrerer Markierungen 15 auf dem Rotor 3 auch die Position des Rotors 3 während einer Umdrehung ge nauer spezifiziert werden. Ist die Übersetzung zwischen Rotor 3 und Nockenwelle 9 bekannt und beträgt diese z. B. 60:1 kann die Position der Nockenwelle auch bei niedrigen Drehzahlen oder im Stillstand auf ca. 1/60 innerhalb einer Umdrehung der Nockenwelle 9 bestimmt werden. Als Beispiel für einen Inkrementalsensor 19 ist der Hallsensor zu nennen, der beispielsweise bereits im Elektromotor 2 integriert sein kann. Auch externe Sensoren z. B. in Form von Lichtschranken können für die Messungen verwendet werden. Auch diese können auf einfache Weise Markierungen 15 sensieren, die eine Umdrehung oder eine bestimmte Position anzeigen. Ein solcher Inkrementalsensor 19 kann auch alternaiv, wie in 3 dargestellt, an der Antriebswelle 4 zwischen Elektromotor 2 und Getriebe 5 oder direkt an einem Getriebeteil 6 wie in 4 dargestellt angebracht sein. Hierfür weisen dann die entsprechenden Teile gleichfalls Markierungen 16, 17 auf, die der entsprechende Sensor 19 vermessen kann. Wichtig bei derartigen Phasenverstellvorrichtungen 1 ist nur, dass bedingt durch die Getriebeübersetzung, ein Teil 3, 4, 6 der Phasenverstellvorrichtung 1, dessen Drehzahl oder Position gemessen wird, zumindest während der Verstellung je nach Verstellrichtung eine höhere oder geringere Drehzahl als die Drehzahl der Nockenwelle 9 aufweist.
In 5 wird gezeigt, dass auch ohne diskrete Sensorik die Position eines rotierenden Teiles 3 der Phasenverstellvorrichtung 1 ermittelt werden kann. Dies erfolgt beispielsweise, indem bei elektronisch kommu tierten Gleichstrommotoren die Gegeninduktionsspannung der nicht stromdurchflossenen Spule gemessen wird. Mit diesem Wert kann dann die Drehzahl bzw. die Position des Rotors 3 im Elektromotor 2 sensiert werden. Hierfür ist ein Sensor 18 zur Messung einer elektrischen Größe, insbesondere der Gegeninduktionsspannung in der Phasenverstellvorrichtung 1 angebracht.
Für eine solche Phasenverstellvorrichtung eignen sich auch alle anderen Sensortypen und Messverfahren, mit denen die Drehzahl bzw. Position einer Komponente des Phasenverstellers ermittelt werden kann.

1: Phasenverstellvorrichtung
2: Antrieb
3: Elektromotorrotor
4: Antriebswelle
5: Getriebe
6: Komponente des Phasenverstellers
7: Primärantrieb
8: Nockenwellenrad
9: Nockenwelle
10: Nockenwellenmarkierung
11: Nockenwellensensor
12: Kurbelwelle
13: Kurbelwellensensor
14: Phasenverstellvorrichtungssensor
15: Markierung am Rotor
16: Markierung an der Antriebswelle
17: Markierung am Getriebe
18: Sensorvorrichtung
19: Inkrementalsensor

Claims

1) Phasenverstellvorrichtung (1), einen Antrieb (2) mit Antriebswelle (4) und ein Getriebe (5) umfassend, zum Verstellen der Phase zwischen Nockenwelle (9) und Kurbelwelle (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverstellvorrichtung (1) eine Sensorvorrichtung (14, 15, 16, 17, 18, 19) umfasst, mit der die Drehzahl oder die Position einer Komponente (2, 3, 4, 5, 6) der Phasenverstellvorrichtung (1) gemessen wird.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aus den Relativdrehzahlen oder Relativdrehwinkeln zwischen Kurbelwelle (12) und Phasenverstellvorrichtung (1) unter Berücksichtigung der Übersetzung Verdrehungen der Nockenwelle (9) im Bezug zur Kurbelwelle (12) berechnet werden.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelabgleich zwischen der Sensorik an der Phasenverstellvorrichtung (1) und der Nockenwelle (9) stattfindet.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei der Antrieb (2) ein Elektromotor ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung einen Inkrementalsensor (19) umfasst, der die Bewegung des Elektromotorrotors (3) erfasst.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung einen Inkrementalsensor (19) umfasst, der die Bewegung der Antriebswelle (4) oder eines Getriebeteils (6) im Getriebe (5) erfasst.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Inkrementalsensor (19) ein Hall-Sensor ist.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor im Elektromotor (2) integriert ist.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei der Antrieb (2) ein Elektromotor ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung einen Sensor (18) zur Messung einer elektrischen Größe umfasst, mit der die Drehzahl des Elektromotors (2) bestimmt wird.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Sensorvorrichtung (18) gemessene elektrische Größe die Gegeninduktionsspannung der stromlosen Spule des Elektromotors (2) ist.

Phasenverstellvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während der Verstellung Teile der Phasenverstellvorrichtung (1) entsprechend der Getriebeübersetzung je nach Verstellrichtung eine höhere oder geringere Drehzahl als die Drehzahl der Nockenwelle (9) aufweisen.