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WO2010020509A1 - 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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WO2010020509A1
WO2010020509A1 PCT/EP2009/059373 EP2009059373W WO2010020509A1 WO 2010020509 A1 WO2010020509 A1 WO 2010020509A1 EP 2009059373 W EP2009059373 W EP 2009059373W WO 2010020509 A1 WO2010020509 A1 WO 2010020509A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
camshaft
crankshaft
internal combustion
shaft
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/059373
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Schäfer
Mike Kohrs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Priority to US13/060,147 priority Critical patent/US8813703B2/en
Priority to EP09780891.9A priority patent/EP2326805B1/de
Publication of WO2010020509A1 publication Critical patent/WO2010020509A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N19/005—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation
    • 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.
  • electro-mechanical camshaft adjustment systems are known from the prior art.
  • three-shaft transmissions are commonly 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 via the camshaft sprocket and a third shaft , the adjusting shaft, with the rotor shaft of an electric variable speed 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.
  • Examples of such three-shaft transmissions are swashplate transmissions and internal eccentric transmissions, which are described in WO 2006/018080. These also include the shaft gears known from WO 2005/080757 and the transmissions contained in US 2007/0051332 A1 and US 2003/0226534 A1. As actuators in such three-shaft systems are often electric motors for adjusting the adjusting used. However, it is also possible to use electrical, mechanical or hydraulic brakes or rotary or linear electromagnets to enable the phase adjustment.
  • camshaft adjuster systems are designed due to their operating principle and / or their dimensions for the phase adjustment of the camshaft during engine operation. Joint use of actuator and actuator for pre-positioning of the crankshaft at engine standstill is not possible with such systems.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, by a camshaft adjusting system according to claim 10 and an internal combustion engine according to claim 16.
  • an actuating 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 to complete a timing drive or partially to adjust the crankshaft and optionally one or more camshaft in its angular position.
  • 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
  • T NW KRAD T KW * 0.5
  • T N W 51 TNW KRAD - or T A > T C> so that part of the power of the actuator does not flow into the camshaft.
  • An inventive extended camshaft adjustment system with a three-shaft transmission 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., electric motor) and actuator stem (three-shaft gearbox).
  • actuator e.g., electric motor
  • actuator stem three-shaft gearbox.
  • the Vors GmbHsgetriebe can be arranged between the control shaft and the Steliergephaseuse or between the actuating 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.
  • the adjustability of the 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 starter or positioning niermotoren are required.
  • the pre-positioning of the crankshaft can take place with or without superimposed change of the camshaft phase angle.
  • activation of the camshaft phasing system is triggered by a switch or message, for example via a CAN bus, or by opening the driver's door of the vehicle or by seat occupancy or the like to adjust 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 area is, for example, se, if one of the three shafts of the camshaft adjuster already or still stands still or in motors with multiple adjustment individual shafts resting and still rotate the other waves.
  • a pre-positioning of the control drive, the crankshaft and / or the camshaft can be controlled or unregulated.
  • uncontrolled pre-positioning "blind" is adjusted in one direction With controlled adjustment, a continuous target / actual comparison is carried out, and regulated operation is generally preferred.
  • the camshaft stops during the positioning of the crankshaft.
  • the camshaft rotates during the positioning of the crankshaft. 3.
  • the camshaft stops first and is subsequently carried along.
  • crankshaft adjustment systems for example, for intake and exhaust camshaft
  • all actuators are to be used synchronously by a corresponding circuit to adjust the crankshaft.
  • the tow of the crankshaft should preferably be carried out against the normal drive direction of the control drive.
  • the normal direction of drive is the normal direction of rotation of the motor (forward).
  • the opposing rotation of the crankshaft has the advantage of tightening the draft margin for later launch.
  • the pre-positioning can take place in the direction with the lowest rotational resistance regardless of the chain tension of the actuator in order to save positioning time and energy. If needed then tightened the timing drive by turning in the opposite direction again.
  • Camshaft or crankshaft are preferably provided freewheels in the respective hubs so that these components are not mitzuschleppen when pre-positioning in the opposite direction. Such freewheels are already partially available.
  • crankshaft must be decoupled from the vehicle transmission during the pre-positioning process. This can be done by an automated clutch or by a freewheel. Here, a fuse that prevents unintentional rolling away of the vehicle when the gearbox is disengaged must be used.
  • an apparatus for decompressing the cylinders is provided to reduce the drag torque of the crankshaft.
  • crankshaft and camshaft position are detected by a sensor system, and the adjustment selected such that the shorter adjustment is used to the direct start the optimal piston from 1 to 4 in a four-cylinder engine with the least time and energy to position.
  • the camshaft adjusting system requires a reinforced electric motor with an engine constant ke> 13 mVs / rad compared to a conventional camshaft adjuster, which is additionally provided in the case of passive camshaft adjusters is.
  • the internal combustion engine must provide the required electrical energy of> 100 W via a generator (alternator).
  • camshaft breakaway torque, the camshaft drag torque, the crankshaft breakaway torque, and the crankshaft drag torque must each be ⁇ 30 Nm.
  • an active camshaft and crankshaft sensor is used for the accurate determination of crankshaft and camshaft position.
  • Fig. 1 a partial view of a camshaft adjusting system
  • Fig. 2 schematic views of three configuration variants of a control drive.
  • a camshaft sprocket 01 is 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 sprocket wheels 01 at half the crankshaft rotational speed in a direction of rotation 04.
  • the control drive can also be arranged further 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, FIGS. B and c).
  • the secondary drive 05 can in a known manner as a chain drive (Fig b) or as Gear drive (Fig. C) be executed.
  • 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 adjustment range 12 is determined by the distance or the angle between the stop lug 11 and one of the stops 08, 09.
  • the control shaft is driven by the electric motor as a controller. During this time, the camshaft is stationary.
  • camshaft sprocket 01 with a stationary camshaft has a similar high reduction to the control shaft, as in normal operation of the internal combustion engine, ie when the camshaft sprocket 01 is rotating as a reference system for the camshaft-side driven gear.
  • 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 1 1 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. Irrespective of this, so-called active crankshaft and / or camshaft sensors are required because parts of the internal combustion engine are stationary 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 limit stop must be used for 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 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 aid 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 stop 08 or 09 Qe is reached after trailing direction
  • the crankshaft 03 on the adjustment 12 addition can be adjusted with a pre-translation in front of the control shaft, the crankshaft 03 on the adjustment 12 addition.
  • 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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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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, dadurch gekennzeichnet, dass während des Motorstillstandes oder in einer Übergangsphase, in welcher mindestens eine der drei Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht, ein Antrieb der Stellwelle erfolgt. Daneben betrifft die Erfindung einen Nockenwellenverstellsystem mit einem Dreiwellengetriebe, das eine Steuereinrichtung umfasst, welche die Kurbelwelle während der Motorstillstandes oder in einer Übergangsphase verstellt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, No- ckenwellenverstellsystem und Verbrennungsmotor mit verstellbarer Kurbelwelle
Beschreibung
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. elekt- romechanische Nockenwellenverstellsysteme bekannt. Bei elektromechani- schen 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.
Alle bekannten Nockenwellenverstellersysteme sind aufgrund ihres Wirkprinzips und/oder ihrer Dimensionierung für die Phasenverstellung der Nockenwelle während des Motorbetriebes ausgelegt. Eine Mitbenutzung von Steller und Stellglied zur Vorpositionierung der Kurbelwelle bei Motorstillstand ist mit solchen Systemen nicht möglich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Strategien bereitzustellen, die es ermöglichen, mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers die Kurbel- welle 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 , durch ein Nocken- wellenverstellsystem gemäß Anspruch 10 und einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 16 gelöst.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verstellung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, welcher einen elektromechanischen Nockenwellen- versteller 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. nA - !0_AC x πc - (1 - io_Ac) x nB = 0, 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; ιo_Ac ist die Standubersetzung zwischen Welle A und C bei stillstehender Welle B, also hier zwischen Antriebs- und Abtriebswelle des Dreiwellengetπebes (Die Standübersetzung ermittelt sich aus den Zähnezahlverhältnissen der Getriebestufen im Dreiwellengetriebe, die Übersetzung zwischen NW und KW mit ι=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 Antnebsleistung 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. TNW51TNW 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 Drei- wellengetriebes stillsteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Nockenwellenverstellsystem ein zusätzliches Vorübersetzungsgetriebe, welches die Antriebsverbindung zwischen Steller (z.B. E-Motor) und Stellwelle des Stellgliedes (Dreiwellenge- triebe) zusätzlich (vor-) untersetzt. Das Vorübersetzungsgetriebe kann zwischen der Stellwelle und dem Steliergehäuse oder zwischen Stellwelle und Stellgliedgehäuse (Nockenwellenkettenrad) angeordnet sein. Femer 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 Positio- niermotoren erforderlich sind. Zur Steuerung von Kompression, Luftmenge, Zündfähigkeit, Katalysatorerwärmung u. a. kann die Vorpositionierung der Kurbelwelle mit oder ohne überlagerter Veränderung des Nockenwellenphasen- winkels 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 beispielswei- se 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. Die Nockenwelle steht während der Positionierung der Kurbelwelle still.
2. Die Nockenwelle dreht während der Positionierung der Kurbelweile mit. 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 Vorposi- tionierung 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 entgegeπgerichtete Drehung der Kurbelwelle hat den Vorteil, dass der Zugtrum für den späteren Start gestrafft wird. In einer anderen Aus- führungsform 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 Vierzylindermo- tor 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 Nockenwellenverstellem zusätzlich vorzusehen ist.
Zwischen der Stellwelle und der Abtriebswelle, in diesem Fall das No- ckenwellenkettenrad, 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 Nockenwellen- verstellers und die verschiedenen erfindungsgemäßen Verstellstrategien erläutert. Ein Nockenwellenkettenrad 01 steht als Stellglied eines Nockenwellen- verstellers über eine Kette 02 in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle 03. Diese Komponenten bilden den Steuertrieb. Im Normalbetrieb eines Verbren- nungsmotors 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 No- ckenwellenversteller (z.B. für separate Nockenwellen für Einlass- und Auslass- ventile) 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 nockenwel- lenseitigen 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 Nocken- wellenverstellen 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 1 1 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 No- ckenwellensensoren 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 Verstell Strategie wird verwendet, wenn der Nockenwellensverstel- ler 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 Verstellstrate- gie) der Steuertrieb und die Kurbelwelle aus der Haftreibung heraus angeschleppt werden. Mit Erreichen des Anschlages 08 bzw. 09 Qe nach Schlepp- richtung) 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.
Bezugszeϊchenliste
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

Patentansprüche
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, dadurch gekennzeichnet, dass während des Motorstillstandes oder in einer Übergangsphase, in welcher mindestens eine der drei Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht, ein Antrieb der Stellwelle erfolgt.
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 gekennzeich- net, dass die Kurbelwelle (03) von einem Fahrzeuggetriebe entkuppelt wird, bevor die Stellwelle angetrieben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder des Verbrennungsmotors dekomprimiert werden, bevor die Stellwelle angetrieben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle während des Verstellens der Kurbelwelle (03) mitdreht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, 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.
10. 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 Ver- Stellung der Stellwelle steuert, indem die Steuereinrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, um über die Stellwelle eine Verstellung der Kurbelwelle zu bewirken, während mindestens eine der Wellen des Dreiwellengetriebes stillsteht.
11. Nockenwellenverstellsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stellwelle und einem Stellergehäuse oder zwischen der Stellwelle und dem Nockenwellenkettenrad (01 ) ein Vorübersetzungsgetriebe geschaltet ist.
12. Nockenwellenverstellsystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiwellengetriebe und das Vorübersetzungsgetriebe eine Gesamtuntersetzung von mehr als 1 :50 oder 1 :-50 bereitstellen.
13. Nockenwellenverstellsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin ein Sensorsystem zur Erfassung einer Kurbelwellenlage und/oder einer Nockenwellenlage umfasst.
14. Nockenwellenverstellsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Elektromotor zum Antrieb der Stellwelle umfasst.
15. Nockenwellenverstellsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich- net, dass der Elektromotor eine Motorkonstante ke von größer als 15 mVs/rad hat.
16. Verbrennungsmotor mit einem Nockenwellenverstellsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er für den Be- trieb des Nockenwellwellenverstellers ein Leistung von mehr als 100 W bereitstellt.
17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Nockenwellen-Losbrechmoment, ein Nockenwellen- Schleppmoment, ein Kurbelwellen-Losbrechmoment und ein Kurbelwellen-Losbrechmoment von jeweils kleiner als 30 Nm aufweist.
18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass er einen aktiven Nockenwellensensor zur Bestimmung der Po- sition der Nockenwelle umfasst.
19. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er einen aktiven Kurbelwellensensor zur Bestimmung der Position der Kurbelwelle (03) umfasst.
20. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Sperre für die Kurbelwelle (03) und/oder eine Sperre für die Nockenwelle umfasst.
21. Verbrennungsmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperre eine mechanische Bremse oder ein elektromagnetischer oder hydraulischer Riegel-Pin ist.
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