Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verstellen der Drehwinlkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, mit einen Nockenwellenversteller, der den Drehwinkel der Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel der Kurbelwelle verstellt, einen Elektromotor, der den Nockenwellenversteller antreibt, und einem ersten Steuergerät für diesen Elektromotor zum Regeln auf einen Sollwert.

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: $$\frac{{\mathit{\varphi }}_{\mathit{N}}\left(t\right)}{{\mathit{\varphi }}_K\left(t\right)}=\frac{1}{2}\mathrm{.}$$

Jedoch lassen sich die Betriebseigenschaften einer Brennkraftmaschine optimieren, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemission und der Laufkultur, wenn das über den Primärantrieb gekoppelten System zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle verändert werden kann.

In der DE 100 38 354 A1 wird eine Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle mittels Taumelscheibengetriebe offenbart. Hier wirkt ein zusätzlicher Antrieb über ein Taumelscheibengetriebe, das zwischen dem Nockenwellenrad und der Nockenwelle angeordnet ist, zusätzlich auf die Nockenwelle ein. Dies bewirkt, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt werden kann.

In der US 5,218,935 ist ein hydraulischer Nockenwellenversteller mit einem Innen- und einem Außenrotor offenbart. Der Nockenwellenversteller umfasst zwei Druckkammern, welche durch jeweils einen einteilig mit dem Rotor ausgebildeten Flügel in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern geteilt ist. Durch Druckmittelbeaufschlagung beziehungsweise -entleerung der Druckkammern ist die Phasenlage des Innenrotors relativ zum Außenrotor variabel einstellbar.
Die Druckmittelzufuhr bzw. Druckmittelabfuhr zu und von den Druckkammern wird mittels eines Steuerventils vorgenommen. Das Steuerventil besteht aus einem Ventilgehäuse, an dem mehrere Anschlüsse ausgebildet sind, und einem in dem Ventilgehäuse axial verschiebbaren Steuerkolben. Die Position des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses wird durch einen Steppermotor festgelegt.
Des Weiteren ist eine Regelung dieses Steppermotors offenbart, wobei ein Sollwert der relativen Winkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle mit einem Istwert verglichen wird. Die Differenz der beiden Signale wird einem ersten Steuergerät zugeführt, welches eine benötigte Position des Steppermotors errechnet und diesen in diese Position, und damit den Steuerkolben gegen die gewünschte Stellung innerhalb des Ventilgehäuses, steuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 2, 3, 4 oder 12 gelöst. Hierbei ist eine solche Anordnung modular aufgebaut, so dass die verschiedenen Aufgaben einer solchen Anordnung auf mehrere Steuergeräte verteilt sind, die wiederum unabhängig voneinander angeordnet sein können.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein solcher Aufbau sehr kostengünstig ist, weil Funktionen andere Steuergeräte gleichfalls genutzt werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einzelne Steuergeräte der Anordnung kleiner dimensioniert werden können. Auch ist es mit einer solchen Anordnung möglich, die Aufgaben in Abhängigkeit von bestimmten mechanischen und/oder elektrischen Parametern, wie z.B. der Leistung, dem Strom und der Spannung auf die dafür am besten geeignete Module, insbesondere Steuergeräte, zu verteilen, die den Anforderungen am ehesten entsprechen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei kann der Sollwert von der Motorsteuerung vorgegeben werden. Gleichfalls von Vorteil ist es wenn der Sollwert ein Winkel-, ein Drehzahl-, ein Strom- oder Drehmomentwert ist, die sich besonders einfach messen und regeln lassen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1:

Anordnung mit Soll-Winkel-Vorgabe.

Figur 2:

Anordnung mit Soll-Drehzahl-Vorgabe

Figur 3:

Anordnung mit Soll-Strom bzw. Soll-Moment -Vorgabe

Figur 1 zeigt eine Anordnung bei dem der Sollwert für die Regeleinrichtung 7 vom Motorsteuergerät 1 vorgegeben wird. Hierbei handelt es sich um einen Sollwinkel, der als bestimmter Verdrehwinkel zwischen Kurbelwelle 6 und Nockenwelle 5 gegenüber einer Grundstellung einzustellen ist. Dadurch wird die Drehwinkelrelation der beiden Wellen 5, 6 zueinander verändert. Das Motorsteuergerät 1, das diesen Sollwinkel festlegt 1 steuert eigentlich die Brennkraftmaschine, welche die Kurbelwelle 6 antreibt. Dieser Sollwinkel dient als Referenzwert für ein zweites Steuergerät 2, das gleichzeitig auch Messwerte von Sensoren 8a, 8b aufnimmt, die den Ist-Wert der zu regelnden Größe erfassen. Hierbei können beispielsweise Sensoren 8a, 8b die Position von Nocken- und Kurbelwelle 5, 6 erfassen. Aus den Positionsmessungen von Kurbel- und Nockenwelle 5, 6 lässt sich der Verdrehwinkel zwischen den beiden Wellen ermitteln. Dieser Verdrehwinkel kann vom Versteller 4 verändert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert des Sollwinkels vom Motorsteuergerät 1 in ein zweites Steuergerät 2 weitergeleitet. Das zweite Steuergerät 2 steuert einen Elektromotor 3 an, der den Versteller 4 betätigt. Das zweite Steuergerät 2 für den Elektromotor 3 beinhaltet im Anwendungsbeispiel die Endstufe zur Ansteuerung des Elektromotors 3 und die Lageregelung der Anordnung. Die abgebildete Anordnung ist ein Regelkreis mit einer Regeleinrichtung 7 und einer Regelstrecke 9, wobei die Regelstrecke die Nocken- und die Kurbelwelle 5, 6 ist, deren Drehwinkelrelation zueinander verändert wird, und die Regeleinrichtung aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

• einem aus mehreren Steuergeräten 1, 2 zusammengesetzten Sollwerteinsteller, wobei der Sollwert von der Motorsteuerung 1 generiert wird, welcher in das Steuergerät 2 übertragen wird, in dem sich die Schaltung zur Sollwerteinstellung befindet.
• einer Messeinrichtung, die im Ausführungsbeispiel von den Sensoren 8a, 8b an der Nocken- bzw. an der Kurbelwelle ausgebildet werden und alternativ oder zusätzlich aus Sensoren bestehen, die die Position des Elektromotors bzw. des Verstellers erkennen.
• einem Vergleicher, der den Istwert mit dem Sollwert vergleicht, wobei im Anwendungsbeispiel diese Funktion gleichfalls im Steuergerät 2 integriert ist.
• und dem Stellglied, das den Verdrehwinkel der Nockenwelle beeinflusst und das im Anwendungsbeispiel vom Elektromotor 3 und dem Versteller 4 gebildet wird.

Figur 2 zeigt gleichfalls eine Anordnung bei dem der Sollwert für die Regeleinrichtung 7 von der Motorsteuerung 1 vorgegeben wird. Hierbei wird jedoch nicht der Sollwinkel direkt ermittelt und weitergegeben, sondern es wird die Soll-Drehzahl für den Elektromotor 3 von der Motorsteuerung 1 der Brennkraftmaschine ermittelt und weitergegeben, mit dem sich der gewünschte Verdrehwinkel zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle einstellen lässt.
Dieser Soll-Drehzahl-Wert dient als Referenzwert für das Steuergerät 2, das gleichzeitig auch Messwerte von Sensoren 8a, 8b verarbeiten kann, die den Ist-Wert der Regelgröße dem Verdrehwinkel darstellen. Diese Sensoren 8a, 8b können beispielsweise die Position von Nocken- und Kurbelwelle 5, 6 in der Regelstrecke 9 erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die momentane Drehzahl des Elektromotors 3 gemessen und dann im Steuergerät 2 mit dem Sollwert verglichen werden. Das Steuergerät 2 für den Elektromotor 3 beinhaltet auch die Endstufe zur Ansteuerung des Elektromotors 3. Die Lageregelung der Anordnung übernimmt jedoch die Motorsteuerung 1, welche die Soll-Drehzahl entsprechend variiert, bis der gewünschte Zustand zwischen Nocken- und Kurbelwelle erreicht ist. Jedoch kann diese Lageregelung auch in einer anderen Anordnung realisiert sein.. Selbstverständlich kann das Steuergerät 2 auch andere Funktionen mit übernehmen. Die abgebildete Anordnung ist ein Regelkreis mit einer Regeleinrichtung 7 und einer Regelstrecke 9, wobei die Regelstrecke die Nocken- und die Kurbelwelle 5, 6 ist, deren Drehwinkelrelation zueinander verändert wird, und die Regeleinrichtung aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

• einem aus mehreren Steuergeräten 1, 2 zusammengesetzten Sollwerteinsteller, wobei der Sollwert von der Motorsteuerung 1 generiert wird, welcher in das Steuergerät 2 übertragen wird, das die Endstufe für den Elektromotor beinhaltet. Die Lageregelung kann hierbei sowohl im Motorsteuerung 1 oder im Steuergerät 2 untergebracht sein.
• einer Messeinrichtung, die im Ausführungsbeispiel am Elektromotor 3 in Form eines Drehzahlmessers ausgebildet ist und/oder von den Sensoren 8a und 8b aus dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel gebildet werden.
• einem Vergleicher, der den Istwert mit dem Sollwert vergleicht, wobei im Anwendungsbeispiel diese Funktion gleichfalls im Steuergerät 2 integriert ist.
• und dem Stellglied, das den Verdrehwinkel der Nockenwelle beeinflusst und das im Anwendungsbeispiel vom Elektromotor 3 und dem Versteller 4 gebildet wird.

Die einzelnen elektrischen und elektronischen Funktionen und Aufgaben werden in der Anordnung an unterschiedlichen Stellen erledigt. Insbesondere übernehmen andere Steuergeräte oder Vorrichtungen Teilaufgaben bzw. Teilfunktionen der Anordnung. Gleichfalls ist es nicht zwingend notwendig, das sich die oben aufgeführten Komponenten in ein und demselben Gehäuse befinden. Äquivalent zur oben beschriebenen Regelung auf eine Soll-Drehzahl des Elektromotors 3 ist die Regelung auf eine Soll-Drehzahl des Verstellers 4, da die Drehzahl des Verstellers 4 direkt von der Drehzahl des Elektromotors 3 abhängig ist.

Figur 3 zeigt eine Anordnung bei dem der Sollwert für die Regeleinrichtung 7 dem Steuergerät 2 als Soll-Strom oder als Soll-Moment für den Elektromotor 3 vom Motorsteuergerät 1 vorgegeben wird. Dieser Soll-Strom bzw. das Soll-Moment bestimmt bzw. verändert indirekt den Verdrehwinkel zwischen Nocken- und Kurbelwelle 6, 7. Die Höhe des Soll-Stroms bzw. Moments wird vom Motorsteuergerät vorgegeben. Der Sollwert von der Motorsteuerung 1 wird an das Steuergerät 2 weitergeleitet. Hier beeinflusst der Wert die Betriebsparameter für den Elektromotor 3, der wiederum den Versteller 4 dann mehr oder weniger antreibt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Versteller 4 ein Taumelscheibengetriebe auf, das mit der Nockenwelle 5 in Verbindung steht, welche von der Kurbelwelle 6 angetrieben wird. Um das Erreichen des Soll-Wertes im Steuergerät zu bestimmen werden aktuelle Ist-Werte im Elektromotor 3 oder aber auch im Versteller erfasst und dem Steuergerät als Vergleichswert zum Soll-Ist-Vergleich zur Verfügung gestellt.

Auch hier steuert das Motorsteuergerät 1, das den Soll-Strom oder das Soll-Moment festlegt, eigentlich die Brennkraftmaschine, welche die Kurbelwelle 6 antreibt. Dieser Soll-Stromwert bzw. der Soll-Momentwert dient als Referenzwert für das Steuergerät 2, das gleichzeitig auch Messwerte am Elektromotor 3 und/oder am Versteller 4 erfasst, die den aktuellen Vergleichswert zum Sollwert darstellen. Hierbei beinhaltet die Regelstrecke die Nocken- und die Kurbelwelle 5, 6, deren Drehwinkelrelation zueinander verändert wird, indem der Betriebsstrom des Elektromotors und damit auch das Drehmoment bzw. die Drehzahl von Elektromotor bzw. dem Versteller verändert wird. Die dazugehörige Regeleinrichtung setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• einen Sollwerteinsteller, wobei der Sollwert von der Motorsteuerung 1 generiert und aktualisiert wird und der Sollwert in das Steuergerät 2 übertragen wird, in dem sich die Schaltung befindet, mit der dieser Sollwert eingestellt werden kann.
• einer Messeinrichtung, die im Ausführungsbeispiel einen Strom, eine Drehzahl oder ein Drehmoment am Elektromotor oder am Versteller misst, die einen aktuellen Istwert für das Steuergerät 2 zum Vergleich mit dem Sollwert liefert.
• einem Vergleicher, der den Istwert mit dem Sollwert vergleicht, wobei im Anwendungsbeispiel diese Funktion im Steuergerät 2 integriert ist.
• und dem Stellglied, das den Verdrehwinkel der Nockenwelle 5 beeinflusst und das im Anwendungsbeispiel vom Elektromotor 3 und dem Versteller 4 gebildet wird.

Die einzelnen elektrischen und elektronischen Funktionen und Aufgaben werden in der Anordnung an unterschiedlichen Stellen erledigt. Insbesondere übernehmen andere Steuergeräte oder Vorrichtungen Teilaufgaben bzw. Teilfunktionen der Anordnung. Gleichfalls ist es nicht notwendig, das sich die oben aufgeführten Komponenten in ein und demselben Gehäuse befinden, sondern sie können auch in verschiedenen Geräten, die auch noch andere Funktionen aufweisen können, eingebaut bzw. integriert werden.

All diese Ausführungsbeispiele lassen sich auf beliebige Weise kombinieren, wichtig ist dabei nur, dass die Regeleinrichtung einen modularen Aufbau aufweist.