Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenanordnung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer phasenverstellbaren Einlass-Nockenwelle und mindestens einer phasenverstellbaren Auslass-Nockenwelle sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer solchen Nockenwellenanordnung.
Aus
Aus
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellenanordnung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer phasenverstellbaren Einlass-Nockenwelle und mindestens einer phasenverstellbaren Auslass-Nockenwelle sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer solchen Nockenwellenanordnung zur Verfügung zu stellen, die eine Schnellstartfähigkeit der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewährleisten, kostengünstig realisierbar sind und zugleich eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionserfassung der Nockenwelle ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Bei einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer phasenverstellbaren Einlass-Nockenwelle und mindestens einer phasenverstellbaren Auslass-Nockenwelle ist der mindestens einen phasenverstellbaren Auslass-Nockenwelle eine Schnellstartgeberrad-Einheit zugeordnet und der mindestens einen phasenverstellbaren Einlass-Nockenwelle eine Präzisionsgeberrad-Einheit zugeordnet, wobei die Präzisionsgeberrad-Einheit eine höhere Auflösung aufweist als die Schnellstartgeberrad-Einheit.
Unter einer Schnellstartgeberrad-Einheit wird in diesem Zusammenhang eine Einheit verstanden, die einen Signalverlauf erzeugt, welcher in Zusammenhang mit dem Signalverlauf einer Kurbelwellensensor-Einheit eine eindeutige Zuordnung des Arbeitstaktes jedes Zylinders der Hubkolbenbrennkraftmaschine ermöglicht. Dies kann im Falle eines Vierzylindermotors insbesondere dadurch erfolgen, dass die Kombination der Signale der Schnellstartgeberrad-Einheit und der Kurbelwellensensor-Einheit (z.B. Erfassung einer einen Sensor passierenden Flanke oder sonstigen Markierung) eindeutig ist. Auf Einzelheiten hierzu wird in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel noch im Detail Bezug genommen.
Unter einer Schnellstartgeberrad-Einheit wird in diesem Zusammenhang insbesondere die Kombination eines Schnellstartgeberrades umfassend n1 Segmente mit einem mit diesem zusammenwirkenden Schnellstartgeberrad-Sensor verstanden, welche dazu ausgebildet ist, die Startzeit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verringern, indem sie während des Startvorgangs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eine verlässliche Information zur Position der Auslassventile liefert. Aus dem Stand der Technik sind derartige Schnellstartgeberrad-Einheiten bekannt. Die Erfindung geht davon aus, dass die Phasenversteller der Einlass-Nockenwelle und der Auslass-Nockenwelle beim Start der Hubkolbenbrennkraftmaschine in einer bekannten Art und Weise in eindeutigen Referenzpositionen verriegelt sind, so dass mit Hilfe der genannten Schnellstartgeberrad-Einheit nicht nur die Position der Auslass-Nockenwelle, sondern auch die Position der Einlass-Nockenwelle bekannt ist.
Unter einer Präzisionsgeberrad-Einheit wird vorliegend insbesondere die Kombination eines Präzisionsgeberrades mit n2 Segmenten und einem mit diesem zusammenwirkenden Präzisionsgeberrad-Sensor verstanden, welche eine höhere Auflösung aufweist als die Schnellstartgeberrad-Einheit und dazu ausgebildet ist, während des Betriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zusätzliche Informationen hinsichtlich des Füllungsgrades einzelner Zylinder durch genaue Ermittlung des Schließzeitpunkts der Einlassventile über die Einlass-Nockenwellenstellung bereitzustellen. Dies erfolgt durch die permanente Signalauswertung des Präzisionsgeberrades mittels des Präzisionsgeberrad-Sensors, insbesondere während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Mit einer "höheren Auflösung" ist vorliegend gemeint, dass die Zahl der Segmente des Präzisionsgeberrades größer ist als die entsprechende Zahl des Schnellstartgeberrades. Eine Umdrehung der Einlass-Nockenwelle ist daher mit Hilfe der Präzisionsgeberrad-Einheit "höher aufgelöst", d.h. in kleinere Abschnitte eingeteilt, als mit der Schnellstartgeberrad-Einheit.
Zu berücksichtigen ist auch, dass die Schnellstartgeberrad-Einheit und die Präzisionsgeberrad-Einheit für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, nämlich die Schnellstartgeberrad-Einheit zur möglichst schnellen Erfassung der Position des Kurbel- und Steuertriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine während des Startvorgangs mit verriegelten Nockenwellenstellern einerseits und die Präzisionsgeberrad-Einheit zur Verbesserung der Füllungserfassung während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine andererseits. Das Präzisionsgeberrad ist daher vorzugsweise in eine Vielzahl gleich großer Segmente mit gleichmäßiger Segmentteilung geteilt (einzige Ausnahme ist häufig eine Referenzmarkierung mit Wegfall oder Dopplung eines Segments), während das Schnellstartgeberrad weniger Segmente umfasst und häufig eine ungleichmäßige Segmentteilung aufweist. Die Schnellstartgeberrad-Einheit ermöglicht zusätzlich eine Positionserfassung der Auslass-Nockenwelle während des Motorbetriebs, allerdings mit geringerer Genauigkeit als die Präzisionsgeberrad-Einheit.
Eine erfindungsgemäße Nockenwellenanordnung hat den Vorteil, dass durch Zuordnung einer Anordnung einer Präzisionsgeberrad-Einheit zu einer phasenverstellbaren Einlass-Nockenwelle und Zuordnung einer Schnellstartgeberrad-Einheit zu einer phasenverstellbaren Auslass-Nockenwelle eine hohe Genauigkeit der Positionserfassung der Einlass-Nockenwelle bei gleichzeitiger Schnellstartfähigkeit ermöglicht wird und dadurch in einer Vielzahl von Betriebszuständen eine präzisere und somit effizientere Einspritzung und Verbrennung in einem Hubkolbenverbrennungsmotor ermöglicht wird. Die Erfindung stellt daher für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit zweifacher Phasenverstellung (d.h. mit phasenverstellbarer Einlass-Nockenwelle und mit phasenverstellbarer Auslass-Nockenwelle) einen bevorzugten Kompromiss aus Herstellungs-kosten und Genauigkeit hinsichtlich der Füllungserfassung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen dar.
Mit dem Begriff Segment wird im vorliegenden Fall jedes Mittel zur Erzeugung und Erfassung mindestens zwei verschiedener Signale verstanden, das eine Positionsauswertung ermöglicht. Solche Mittel sind insbesondere geometrisch erkennbare Elemente (wie z.B. Flanken mit dazwischen angeordneten erhöhten und vertieften Bereichen, Zähne, Lücken, Schlitze), magnetische Felder und/oder optische Marken, die mit Hilfe bekannter Sensoren erfasst werden können. Vorzugsweise werden Segmente und Sensoren eingesetzt, mit welchen zwischen genau zwei verschiedenen Zuständen bzw. Signalen (z.B. Hoch/Tief oder 0/1) unterschieden werden kann.
In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung besteht jedes Segment des Schnellstartgeberrades und/oder des Präzisionsgeberrades aus einem erhöhten Bereich e und einem vertieften Bereich v, wobei die erhöhten Bereiche e und die vertieften Bereiche v über sich radial erstreckende Flanken F miteinander verbunden sind. Mit "sich radial erstreckend" ist nicht zwangsläufig eine ausschließlich radiale Erstreckungsrichtung gemeint. Von dieser Formulierung umfasst sollen auch Erstreckungsrichtungen von Flanken F sein, die teilweise in radialer Richtung und teilweise in Umfangsrichtung verlaufen. Sie können von den erhöhten Bereichen e und den vertieften Bereichen v im letzt genannten Fall insbesondere dann unterschieden werden, wenn die erhöhten Bereiche e und die vertieften Bereiche v sich ausschließlich in Umfangsrichtung erstrecken.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung sind sämtliche erhöhten Bereiche e und/oder sämtliche vertieften Bereiche v eines Schnellstartgeberrades und/oder eines Präzisionsgeberrades jeweils auf einem konzentrisch um die Drehachse D der jeweiligen Nockenwelle angeordneten Kreis angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein in radialer Richtung auf das Schnellstartgeberrad und/oder das Präzisionsgeberrad gerichteter Sensor in wie vorstehend beschriebenen erhöhten Bereichen e und in wie vorstehend beschriebenen vertieften Bereich v jeweils einen konstanten Abstand erfassen muss. Es sind daher einfach aufgebaute und kostengünstig verfügbare Sensoren einsetzbar.
Weiter bevorzugt ist es bei einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung, wenn die Zahl der Segmente n1 des Präzisionsgeberrades mindestens (2*n2-1) beträgt. Vorzugsweise beträgt die Zahl der Segmente n1 entweder (x*n2), (x*n2+1) oder (x*n2-1), wobei x eine positive, ganze Zahl und n2 die Zahl der Segmente des Schnellstartgeberrades ist.
Der Wert (x*n2+1) ergibt sich, wenn als Markierung einer vollständigen Umdrehung für das Präzisionsgeberrad ein Segment der "Standard-Größe" in zwei Segmente halber Größe unterteilt wird, d.h. wenn die Markierung durch einen zusätzlichen erhöhten Bereich e realisiert wird.
Der Wert (x*n2-1) ergibt sich, wenn als Markierung einer vollständigen Umdrehung für das Präzisionsgeberrad ein erhöhter Bereich e entfällt (Lücke als Markierung). Eine Lücke als Markierung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der vorgesehene Präzisionsgeberrad-Sensor eine zusätzliche Markierung nicht oder nicht zuverlässig auslösen könnte, d.h. wenn mit den vorhandenen Markierungen bereits die Auflösung des vorgesehenen Präzisionsgeberrad-Sensors vollständig oder weitestgehend ausgeschöpft wird.
Der Wert (x*n2) ergibt sich, wenn eine von den Segmenten unabhängige, zusätzliche Markierung an dem Präzisionsgeberrad vorgenommen wird. Eine zusätzliche Markierung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn diese von dem vorgesehenen Präzisionsgeberrad-Sensor zuverlässig erfasst werden kann.
Um die Herstellungskosten eines Präzisionsgeberrades und somit auch die Kosten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung gering zu halten, kann es vorteilhaft sein, wenn das Präzisionsgeberrad einen größeren Außendurchmesser aufweist als das Schnellstartgeberrad. In diesem Fall kann das mit einer höheren Auflösung (d.h. mit mehr Segmenten) versehene Präzisionsgeberrad mit größeren absoluten Toleranzwerten gefertigt werden, weil die Länge der erhöhten und vertieften Bereiche (dabei handelt es sich üblicherweise um Kreisbogenabschnitte) mit Vergrößerung des Durchmessers länger werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer wie vorstehend beschriebenen Nockenwellenanordnung. Auf die damit verbundenen Vorteile, die vorstehend in Verbindung mit der Nockenwellenanordnung bereits beschrieben wurden, wird hiermit noch einmal Bezug genommen. Unter dem Begriff Hubkolbenbrennkraftmaschine sind vorstehend insbesondere Viertakt-Ottomotoren von Kraftfahrzeugen gemeint. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann darüber hinaus insbesondere auch für andere Fahrzeuge, wie z.B. für Marine- oder Flugmotoren, sowie für stationäre Motoren eingesetzt werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine weist diese z Zylinder auf, wobei die Zahl n2 der Segmente des Schnellstartgeberrades (12) einem ganzzahligen Vielfachen der Zahl z der Zylinder entspricht. Ganzzahliges Vielfaches bezeichnet insbesondere auch eine genau der Zahl z der Zylinder entsprechenden Zahl der Segmente n2. Dadurch wird jedem einzelnen Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine im Ladungswechsel- bzw. Arbeitstakt die gleiche Anzahl auswertbarer Signale zugeordnet.
Weiter bevorzugt ist es, wenn eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Kurbelwelle umfasst, welcher eine eigene Kurbelwellen-Geberrad-Einheit zugeordnet ist. Bei einer derartigen Kurbelwellen-Geberrad-Einheit handelt es sich vorzugsweise um ein Geberrad mit einer Vielzahl von Zähnen, Nasen und/oder Schlitzen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wobei die Auflösung umso höher ist, je mehr Zähne, Nasen und/oder Schlitze über den Umfang verteilt angeordnet sind. Durch Kombination der von der Kurbelwellen-Geberrad-Einheit erfassten Signale mit den von der Schnellstart-Geberrad-Einheit erfassten Signale kann die Position des Kurbel- und Steuertriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine (bei verriegelten Nockenwellenstellern) eindeutig bestimmt werden. Dies ist mit einer geringeren Genauigkeit ebenso über eine Kombination der Signale der Schnellstart-Geberrad-Einheit mit der Präzisionsgeberrad-Einheit möglich (z.B. für Notlauf).
Vorzugsweise sind die Kurbelwelle, die mindestens eine Einlass-Nockenwelle und die mindestens eine Auslass-Nockenwelle einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine über einen gemeinsamen Steuertrieb miteinander verbunden und werden gemeinsam angetrieben. Dies erspart separate Antriebseinheiten sowie eine Synchronisierung dieser Antriebseinheiten.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Die Auslass-Nockenwelle ist mit einer Schnellstartgeberrad-Einheit 10 gekoppelt, welche ein Schnellstartgeberrad 12 und einen Schnellstartgeberrad-Sensor 14 umfasst. Das Schnellstartgeberrad 12 umfasst vier wechselweise angeordnete erhöhte Bereiche e und vertiefte Bereiche v, die über sich ausschließlich in radialer Richtung erstreckende Flanken F miteinander verbunden sind. Die erhöhten Bereiche können auch als "Zähne" bezeichnet werden. Mit "gekoppelt" ist vorliegend gemeint, dass das Schnellstartgeberrad 12 drehfest mit der Auslass-Nockenwelle verbunden ist. Dies kann insbesondere durch einstückige Ausbildung eines Schnellstartgeberrades 12 mit der Nockenwelle erfolgen oder durch drehfeste Verbindung eines separaten Schnellstartgeberrades 12 (wie in
Die Einlass-Nockenwelle ist mit einer Präzisionsgeberrad-Einheit 20 gekoppelt, welche ein Präzisionsgeberrad 22 und einen Präzisionsgeberrad-Sensor 24 umfasst. Das Präzisionsgeberrad 22 umfasst 12+1 (=13) wechselweise angeordnete Bereiche e und vertiefte Bereiche v, die über sich ausschließlich in radialer Richtung erstreckende Flanken F miteinander verbunden sind. Durch "Zählen" und Auswerten der Signale mittels des Präzisionsgeberrad-Sensors 24 kann die aktuelle Position der Einlass-Nockenwelle eingegrenzt werden. Die Auswertung kann beispielsweise in bekannter Art und Weise durch Messen der magnetischen Flussdichte über den Drehwinkel der Einlass-Nockenwelle erfolgen. Die Auswertung wird für die Ermittlung des Füllungsgrades der Hubkolbenbrennkraftmaschine verwendet. Der erhöhte Bereich e, welcher in
Die Kurbelwelle ist mit einer Kurbelwellen-Geberrad-Einheit 30 gekoppelt, welche ein Kurbelwellen-Geberrad 32 und einen Kurbelwellen-Geberrad-Sensor 34 umfasst. Das Kurbelwellen-Geberrad 32 umfasst eine Vielzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Zähne 36 und eine Zahnlücke 38, die als Referenzmarkierung dient.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Sensoren 14, 24, 34 um bekannte Hall-Sensoren. Es obliegt dem Fachmann, anstelle dieser Sensoren 14, 24, 34 andere geeignete Sensoren zu verwenden, auch und insbesondere dann, wenn die Segmente anstelle erhöhter Bereich e und vertiefter Bereiche v abweichend gestaltet sind (z.B. magnetische und/oder optische Segmente und entsprechende Sensoren).
In
In der gezeigten Ausführungsform wurden folgende Maße verwendet: de1=80 mm, dv1=72 mm, de2=60 mm. Das Maß dv2 kann in geeigneter Art und Weise an die Genauigkeit des Schnellstartgeberrad-Sensors 14 angepasst werden. In der gezeigten Ausführungsform beträgt dv2 ca. 50 mm. Vorteilhaft ist es bei einer erfindungsgemäßen Anordnung, wenn de1 größer gewählt wird als de2, da die Auflösung des Präzisionsgeberrades 22 höher ist und die erforderlichen Toleranzen umso größer ausfallen können, je größer dei1 gewählt wird.
Die in
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.