Bezeichnung der Erfindung

Motorsteuerstrategie für hydraulischen Nockenwellenversteller mit mechanischer Mittenverriegelung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerstrategie für einen hydraulischen Nockenwellenversteller mit mechanischer Mittenverriegelung, insbesondere einen hydraulischen Nockenwellenversteller gemäß Flügelzellenprinzip, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Nockenwellen von Brennkraftmaschinen werden meistens über eine Kette oder einen Zahnriemen von Kurbelwellen angetrieben und dabei in einem geschlossenen Regelkreis kontinuierlich verstellt, wobei typische Verstellbereiche bei 40° bis 60° Kurbelwinkel liegen. Einzustellende Kurbelwinkel sind in Kennfeldern hinterlegt. Verstellungen erfolgen z. B. hydraulisch, gespeist aus dem Motorölkreis über ein elektrisch betätigtes Steuerventil und ermöglichen optimierte Ventilsteuerzeiten über die Parameter Motorlast und -drehzahl. Je nach Motorkonzept und Anzahl der Versteller ist so eine deutliche Absenkung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen sowie eine Steigerung von Leistung und Drehmoment erreichbar.

Nockenwellen und damit fest verbundene Rotoren eines hydraulischen No- ckenwellenverstellers neigen im nicht hydraulisch eingespannten Zustand auf- grund von Wechselmomenten an der Nockenwelle zu akustisch auffälligem Schwingen. Verhindert werden kann dieses Schwingen mit einer mechanischen Verbindung von Rotor zu Stator und damit zur Kurbelwelle. Eine bekannte derartige mechanische Verbindung ist der in der Mitte, also zwischen den Endan-

schlagen SPäT und FRüH verriegelte Nockenwellenversteller. Zwei im Rotor axial verschiebbare Verriegelungskolben, auch unter der Bezeichnung Pin bekannt, können mittels Federkraft in eine Verriegelungskulisse gedrückt werden, welche gegenüberliegend in einem axial angeordneten Verriegelungsdeckel untergebracht ist, der fest mit dem Stator verschraubt ist und so Rotor und Stator drehfest miteinander verriegeln. Entriegeln erfolgt hydraulisch mittels öldruck aus dem Schmierkreislauf des Motors, der durch gesteuertes Beaufschlagen eines Magnetventils mit Strom zu den Verriegelungskolben gelenkt wird und diese axial aus der Verriegelungskulisse in den Rotor verschiebt, so dass Rotor und Stator zueinander verdrehbar sind.

Nicht hydraulisch eingespannte Zustände sind typisch für den Motorstart, bei dem die geringe Drehzahl der ölpumpe und entsprechend niedriger öldruck im Schmierkreislauf des Motors nicht ausreichend sein können für einen öldruck, der die Position von Rotor zu Stator hält. Während die Drehzahl des Motors hochläuft, entstehen Reibmomente an den Nockenwellen entgegen deren Drehrichtung, die eine mittige Verriegelung unterstützen, wenn der Rotor des Nockenwellenverstellers zwischen Mittenverriegelungsposition (MVP) und FRüH-Endanschlag abgestellt wurde. Wurde beim Motorstop der Rotor des Nockenwellenverstellers jedoch zwischen SPäT-Endanschlag und MVP abgestellt, erfolgt dessen Verstellung durch Reibmomente ausschließlich in Richtung SPäT und die MVP ist für den Rotor ohne ausreichenden öldruck nicht erreichbar.

Die US-6,450,137 B2 offenbart einen Nockenwellenversteller, dessen Rotor relativ zum Stator hydraulisch entweder zum FRüH-Endanschlag oder zum SPäT-Endanschlag gedrückt werden kann. Ein elektrisches Steuerventil schaltet einen Zugang zu öl unter Druck von einer Pumpe und einen druckfreien Rücklauf zu einem ölreservoir wechselweise auf den FRüH-Endanschlag oder auf den SPäT-Endanschlag. Das elektrische Steuerventil wird von einer Steuervorrichtung eingestellt. Zum Unterdrücken von Geräuschen aus dem Nockenwellenantrieb soll der Rotor von der Kurbelwelle beim Motorstart mechanisch so zum Stator gedreht werden, dass der Rotor mit dem Stator mittig ver-

riegelt werden kann. Wurde beim Motorstop der Rotor des Nockenwellenvers- tellers jedoch zwischen SPäT-Endanschlag und MVP abgestellt, erfolgt dessen Verstellung durch Reibmomente ausschließlich in Richtung SPäT und die MVP ist so nur über Umwege und unzuverlässig zu erreichen, so dass das akustisch auffällige Schwingen der Nockenwelle nicht verhindert ist.

Bei hydraulischem Verriegeln des Nockenwellenverstellers während des Motorstarts ist die Abhängigkeit von öltemperatur, Restöl in den ölkammern zwischen Rotor und Stator, Reibmoment und Nockenwellenwechselmoment nachteilig, da es eine gewisse Zeit dauert, den Nockenwellenversteller mittig zu verriegeln und das Motorsteuergerät diese Zeit abwarten muss bevor der Motor gezündet werden kann, wobei akustische Auffälligkeiten vor der Mittenverriegelung und zusätzliche Lasten auf Steuertrieb, Nockenwellen und anschließende Komponenten aufgrund der Schwingungen im nicht verriegelten Zustand des Nockenwellenverstellers möglich sind.

Die US-6,684,835 B2 offenbart einen hydraulischen Nockenwellenversteller, dessen Mittenverriegelung beim Abstellen des Motors erfolgt. Eine elektronische Steuereinheit erfasst ein Signal, das beim Abstellen des Motors erzeugt wird und Signale, die den Stand von Stator relativ zum Rotor wiedergeben. Ein elektrisches Steuerventil weist 5 Ports auf, von denen ein Port Pumpe den öl- zufluss zum Magnetventil aus dem Schmierölkreislauf des Motors aufnimmt, ein Port Kammer A das Steuerventil und Kammern A des Nockenwellenverstellers verbindet, ein Port Kammer B das Magnetventil mit Kammern B des Nocken- wellenverstellers verbindet, ein Port Pins das Magnetventil mit allen Verriegelungskolben im Nockenwellenversteller verbindet und ein Port Tank den ölab- fluss aus dem Magnetventil mit dem Schmierölkreislauf des Motors verbindet, so dass dieser Nockenwellenversteller des Standes der Technik je eine separate ölleitungen zu den Kammern A, den Kammern B und allen Verriegelungs- kolben offenbart. Für die hydraulische Verrieglung des Nockenwellenverstellers in der MVP kann auf eine für den Betrieb des Motors geeignete öltemperatur zurückgegriffen werden und das Motorsteuergerät kann den Motor sofort zünden, wobei die erforderliche Größe für diese Strategie die Winkelposition des

Rotors im Nockenwellenversteller vor Signal "Zündung aus" ist und keine zusätzliche Messtechnik gegenüber konventionellen Motoren erforderlich ist. Gemäß der Lehre der US-6,684,835 B2 werden vor der Mittenverriegelung die Kammern A, Kammern B und die Pins durch das Magnetventil drucklos gestellt und das Verriegeln in der Mitte von Stator und Rotor soll durch spontane Bewegungen der Nockenwelle erfolgen, die den Rotor in geeignete Stellung zum Stator drehen. Akustische Auffälligkeiten durch die fehlende hydraulische Einspannung vor der Mittenverriegelung und zusätzliche Lasten auf Steuertrieb, Nockenwellen und anschließende Komponenten aufgrund der Schwingungen im nicht verriegelten Zustand des Nockenwellenverstellers sind mit der Lehre der US-6,684,835 B2 nicht zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motorsteuerstrategie für einen hydraulischen Nockenwellenversteller zu schaffen, mit der eine Mittenverriegelung kon- trolliert und schwingungsfrei erfolgt.

Die Lösung erfolgt mit einer Motorsteuerstrategie für hydraulische Nockenwellenversteller mit mechanischer Mittenverriegelung, insbesondere hydraulische Nockenwellenversteller gemäß Flügelzellenprinzip, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung wird eine Motorsteuerstrategie vorgeschlagen für einen hydraulischen Nockenwellenversteller mit mechanischer Mittenverriegelung mit mindestens einem Rotor und einem Stator, zwischen denen hydraulisch beaufschlagbare Kammern A und Kammern B vorgesehen sind zur steuerbaren Drehung von Rotor und Stator relativ zueinander. Mindestens zwei im Rotor axial verschieblich gelagerte Verriegelungskolben sind mittels Federkraft in eine Verriegelungskulisse drückbar für die mechanische Mittenverriegelung von Rotor und Stator. Eine Hydraulik ist mit mindestens je einer ölleitung zur Kammer A, zur Kammer B und zu den Verriegelungskolben von mindestens einem elektrisch steuerbaren Magnetventil versehen, wobei die Verriegelungskolben durch gesteuertes Bestromen des Magnetventils so beaufschlagbar sind, dass sie aus der Verriegelungskulisse drückbar sind zur mechanischen

Entkopplung von Rotor und Stator. Mindestens ein Motorsteuergerät, das beim Abstellen des Motors mindestens ein Signal „Zündung aus" und mindestens ein Signal zur aktuellen Winkelposition des Nockenwellenverstellers erhält, vergleicht die Winkelposition mit im Motorsteuergerät hinterlegten Vergleichswer- ten, bildet daraus Steuerbefehle und gibt diese an das elektrische Magnetventil ab. Erfindungsgemäß sind die im Motorsteuergerät hinterlegten Vergleichswerte in vier Zonen unterteilt und ist in einer Zone a _N , in der der Rotor des Nockenwellenverstellers einen Winkel > α zur MVP in Richtung SPäT aufweist, das Magnetventil voll bestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers in Richtung FRüH zu verstellen und die Verriegelungskolben auf Tank zu schalten für Verriegelung in MVP, in einer Zone A _R , in der der Rotor des Nockenwellenverstellers einen Winkel < α zur MVP in Richtung SPäT aufweist, das Magnetventil zunächst unbestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers in Richtung SPäT in die Zone A _N ZU verstellen und danach das Magnetventil voll bestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers wieder in Richtung FRüH zu verstellen und die Verriegelungskolben auf Tank zu schalten für Verriegelung in MVP, in einer Zone Br, in der der Rotor des Nockenwellenverstellers einen Winkel < ß zur MVP in Richtung Früh aufweist, das Magnetventil zunächst voll bestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers in Richtung FRüH in eine Zone B _N , in der der Rotor des Nockenwellenverstellers einen Winkel > ß zur MVP in Richtung Früh aufweist, zu verstellen und danach das Magnetventil unbestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers in Richtung SPäT zu verstellen und die Verriegelungskolben auf Tank zu schalten für Verriegelung in MVP, in der Zone B _n das Magnetventil unbestromt, um den Rotor des Nockenwellenverstellers in Richtung SPäT zu verstellen und die Verriegelungskolben auf Tank zu schalten für Verriegelung in MVP. Vorteilhaft erfolgt die Verriegelung bis in die MVP zu jedem Zeitpunkt hydraulisch gesteuert, so dass der Rotor kontrolliert in die MVP geführt und dort die Verrieglung erfolgen kann ohne akustische Auffälligkeiten und ohne zusätzliche Lasten auf Steuertrieb, Nockenwellen und anschließende Komponenten aufgrund von Schwingungen im nicht eingespannten Zustand des Nockenwellenverstellers. Insbesondere die Nutzung des Restöldrucks beim Motorstop erlaubt die Ver-

riegelung in MVP unabhängig von der Winkellage des Rotors im Nockenwel- lenversteller bei Leerlaufdrehzahl vor Motorstop.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein z. B. als hydrau- lischer öldruckspeicher ausgestalteter Energiespeicher zur Verriegelung des Rotors des Nockenwellenverstellers vorgesehen, der im Motorbetrieb aufladbar ist und bei unzureichendem öldruck für eine Verstellung während des Motorabstellvorgangs zur Unterstützung zuschaltbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verriegelung des Rotors des Nockenwellenverstellers in MVP beim Motorstart, falls die Verriegelungszeit beim Motorstop zu kurz ist, wobei die Verriegelung beim Motorstart mit TV = 0 % oder TV = 100 % erfolgt in Abhängigkeit davon, in welcher der Zonen A _N , A _R oder B _N , B _R sich der Rotor 2 des Nockenwellen- verstellers 1 vor dem Signal „Zündung aus" befindet. Vorteilhafterweise ist die Winkelposition des Nockenwellenverstellers beim Motorstart mit extrem niedriger Motordrehzahl nur zu ermitteln bei Verriegelung in MVP während Motorstart.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für die mechanische Mittenverriegelung des Rotors mit dem Stator eine axiale Mehrfachrasterverriegelung vorgesehen für eine weiter beschleunigte Verriegelung des Rotors mit dem Stator, wobei bei Winkelpositionen im Leerlaufbetrieb zwischen SPäT und Mittenverriegelungsposition bei ausreichend Motoröldruck die me- chanische Mittenverriegelung während eines Motorstops auch ohne axiale Mehrfachrasterverriegelung funktioniert mit einer geringfügig größeren Verriegelungszeit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbei- spiels dargelegt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Nockenwellenversteller für eine

Motorstopstrategie gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Graph der Steuerungscharakteristik und Schaltstellungen des Magnetventils für eine Motorstopstrategie gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Aufteilung des Verstellwinkelbereichs für eine Motorstopstrategie gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 einen Ablaufplan zur Motorstopstrategie gemäß der Erfindung.

Fig. 1 : Ein hydraulischer Nockenwellenversteller 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf, zwischen denen mehrere durch Flügel 4 getrennte Kammern A und Kammern B gleichmäßig über den Umfang verteilt vorgesehen sind. Rotor 2 ist drehbar zu Stator 3. Die im Rotor 2 gelagerten Flügel 4 wirken mit gleichmäßig über den inneren Umfang des Stators 3 verteilten Früh- und Spät-Anschlägen 5 zusammen. Im Rotor 2 sind axial verschieblich gelagerte Verriegelungskolben 6 - 10 vorgesehen, die mittels Federn (nicht dargestellt) in eine Verriegelungskulisse des Stators 3 gedrückt werden können für eine gegen Verdrehen gesicherte Verbindung von Rotor 2 und Stator 3 in MVP. Ra- dial nach außen gerichtet ist ein Zahnkranz 11 vorgesehen über den ganzen Umfang des Stators 3 für eine zu einer Kurbelwelle führenden Kette (nicht dargestellt).

Von den zwei im Rotor axial verschiebbaren Verriegelungskolben 6 und 7 für Mittenverriegelung, die abhängig von der Winkelposition des Rotors 2 zum Stator 3 in gegenüberliegende Verriegelungskulissen im Verriegelungsdeckel eingreifen oder nicht, sperrt Verriegelungskolben 6 in Richtung SPäT und Verriegelungskolben 7 in Richtung FRüH.

Von einem elektrisch steuerbaren Magnetventil (nicht dargestellt) führt eine ölleitung 12 von einem Port A zu den Kammern A, eine ölleitung 13 von einem Port B zu den Kammern B und eine ölleitung 14 von einem Port Pins zu den Verriegelungskolben 6 - 10, die mittels öldruck vom Port Pins entriegelbar

sind. Das Magnetventil wird über eine Pumpe (nicht dargestellt) mit öl unter Druck beaufschlagt. über einen Rücklauf (nicht dargestellt) kann öl druckfrei aus dem Magnetventil in einen Tank abfließen.

Fig. 2: Das elektrisch steuerbare Magnetventil ist in drei auf der Abszisse des Graphen aufgetragene Bereiche unterteilt: Stopp I für Motorstopstrategie für Verstellung in Richtung SPäT, Arbeitsbereich für Regelung während des Motorbetriebs und Stopp Il für Motorstopstrategie für Verstellung in Richtung FRüH. Alle Verriegelungskolben 6 - 10 sind im Stopp I- und Stopp II- Bereich auf Tank geschaltet, so dass der Rotor den Nockenwellenversteller bei Motorstop in MVP verriegeln kann. Der öldruck in den Leitungen zu den Verriegelungskolben 6 - 10 ist im Bereich Stopp I: 0 ... 0,5 bar, im Arbeitsbereich > 0,5 bar und im Bereich Stopp II: 0,5 ... 0 bar, wobei die Verriegelungskolben 6, 7 bei der Auslegung gemäß Beispiel nur oberhalb von 0,5 bar vollständig entrie- gelt sind für Verstell- und Regelbarkeit des Nockenwellenverstellers 1 im kompletten Winkelbereich. Für andere Auslegungen mit anderen Verriegelungsfedern für die Verriegelungskolben 6 - 10, anderen Verriegelungskolbenmassen, Verriegelungskolbenflächen, usw. ergeben sich entsprechend andere öldruckgrenzen.

Bei niedrigerem öldruck als 0,5 bar kann der Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 nicht über MVP verstellt werden, da die Verriegelungskolben 6 - 10 auf Tank geschaltet sind und somit beim Durchgang über MVP verriegeln können.

Bei Schaltung des Magnetventils so, dass die Pumpe auf die Kammer A wirkt und gleichzeitig Kammer B mit dem Tank verbunden ist, werden die Gaswech- selventilsteuerzeiten in Richtung FRüH und bei Schaltung des Magnetventils so, dass die Pumpe auf die Kammer B wirkt und gleichzeitig Kammer A mit dem Tank verbunden ist, die Gaswechselventilsteuerzeiten in Richtung SPäT ver- stellt.

Fig. 3: Für die Motorstopstrategie ist der gesamte Verstellwinkelbereich des Rotors 2 im Nockenwellenversteller 1 in vier Zonen A _N , A _R , B _N und B _R aufge-

teilt. Zone A _N ist eine neutrale Zone in der Kammer A. Befindet sich der Rotor 2 in der Zone A _N , reicht dessen Abstand bis zur MVP aus, um bei Druckabfall in der ölleitung 14 die Verriegelungskolben 6 - 10 sicher in den Verriegelungskulissen zu verriegeln. Wenn sich der Rotor 2 in der Zone A _R befindet, ist dessen Abstand α in Richtung spät zur MVP zu klein, um bei Druckabfall in der ölleitung 14 die Verriegelungskolben 6 - 10 sicher in den Verriegelungskulissen zu verriegeln, so dass der Rotor 2 drehbar bleibt zum Stator 3. Der Winkel α kann 8° - 12°, z. B. 10° betragen. Wenn sich der Rotor 2 in der Zone B _N befindet, reicht dessen Abstand bis zur MVP aus, um bei Druckabfall in der ölleitung 14 die Verriegelungskolben 6 - 10 sicher in den Verriegelungskulissen zu verriegeln und wenn sich Rotor 2 in der Zone B _R befindet, ist dessen Abstand ß in Richtung FRüH bis zur MVP zu klein, um bei Druckabfall in der ölleitung 14 die Verriegelungskolben 6 - 10 sicher in den Verriegelungskulissen zu verriegeln, so dass der Rotor 2 drehbar bleibt zum Stator 3. Der Winkel ß kann 6° - 10°, z. B. 8° betragen, wobei α > ß ist, da Reibmomente an der Nockenwelle in Richtung SPäT wirken und somit Verstellgeschwindigkeiten in Richtung SPäT generell größer sind.

Fig. 4: Der Verriegelungsvorgang während eines Motorabstell-vorgangs läuft bei normalem Betrieb des Motors in Leerlaufdrehzahl zeitlich ab wie folgt:

Der Fahrer schaltet den Motor aus und ein Signal „Zündung aus" wird an das Motorsteuergerät weitergeleitet. Das Motorsteuergerät wertet die aktuelle Winkelposition des Rotors 2 im Nockenwellenversteller 1 aus und vergleicht diese mit den hinterlegten Zonendefinitionen. Abhängig von der erfassten Zone wird vom Motorsteuergerät eines der vorgegebenen Tastverhältnisse (TV) ans Magnetventil abgegeben.

Befindet sich der Rotor 2 beim Motorstop in Zone An wird das Magnetventil mit maximalem Strom beaufschlagt (TV = 100%; Bereich: Stopp II), um den Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung FRüH zu verstellen. Daraus folgt die Verriegelung des Rotors 2 mit dem Stator 3 in MVP, da die Verriegelungskolben 6 - 10 drucklos auf Tank geschaltet sind.

Befindet sich der Rotor 2 beim Motorstop in Zone A _R bleibt das Magnetventil zunächst ohne Strom (TV = 0%; Bereich: Stopp I), um den Rotor 2 des No- ckenwellenverstellers 1 in Richtung SPäT in neutrale Zone zu verstellen; danach wird das Magnetventil mit maximalem Strom beaufschlagt (TV = 100%; Bereich: Stopp II), um den Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung FRüH zu verstellen. Daraus folgt die Verriegelung des Rotors 2 mit dem Stator 3 in MVP, da die Verriegelungskolben 6 - 10 auf Tank geschaltet sind.

Befindet sich der Rotor 2 beim Motorstop in der Zone B _r wird das Magnetventil zunächst mit maximalem Strom beaufschlagt (TV = 100%; Bereich: Stopp II), um den Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung FRüH in neutrale Zone zu verstellen und danach das Magnetventil vom Strom getrennt (TV = 0%; Bereich: Stopp I), um den Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung SPäT zu verstellen. Daraus folgt die Verriegelung des Rotors 2 mit dem Stator 3 in MVP, da die Verriegelungskolben 6 - 10 auf Tank geschaltet sind.

Befindet sich der Rotor 2 beim Motorstop in Zone Bn bleibt das Magnetventil vom Strom getrennt (TV = 0%; Bereich: Stopp I), um den Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung SPäT zu verstellen. Daraus folgt die Verriege- lung des Rotors 2 mit dem Stator 3 in MVP, da die Verriegelungskolben 6 - 10 auf Tank geschaltet sind.

Die Verriegelung des Rotors 2 mit dem Stator 3 in MVP bei abnehmender Drehzahl erfolgt unter Nutzung des Restöldruckes im Motor.

Der Nockenwellenversteller 1 ist normalerweise vor Motorstillstand bereits verriegelt. Falls die Verriegelungszeit beim Motorstop jedoch zu kurz ist, erfolgt die Verriegelung beim Motorstart, nämlich mit TV = 0 % oder TV = 100 % in Abhängigkeit davon, in welcher der Zonen A _N , A _R oder B _N , B _R sich der Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 vor dem Signal „Zündung aus" befindet. Ist der Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 vor Signal "Zündung aus" in den Zonen A _N , A _R , also zwischen SPäT und MVP, wird TV = 100 % am Magnetventil angelegt. Wird der Rotor 2 des Nockenwellenverstellers 1 vor Signal "Zündung aus"

in den Zonen B _N , B _R erfasst, also zwischen MVP und FRüH, wird TV = 0 % angelegt, so dass der öldruck immer in Richtung MVP wirkt, d.h. zusätzlich zu Nockenwellen-Reibmoment oder Rasterverriegelung. Gleichzeitig fließt Restöl aus der ölkammer, welche eine Verstellung in Richtung MVP verhindern könn- te.