DE102005017658A1 - Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors umfasst einen die Verstellung bewirkenden geschalteten Reluktanzmotor (1), dessen Rotor-Drehzahl bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl entspricht.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
• Hintergrund der Erfindung
• Bei einem Verbrennungsmotor treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, beispielsweise einen Ketten- oder Riemenantrieb, die Nockenwelle an, wobei die Nockenwellendrehzahl der halben Kurbelwellendrehzahl entspricht. Um eine Anpassung der Steuerzeiten der von der Nockenwelle betätigten Ventile an unterschiedliche Betriebszustände des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, kann die Winkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle variabel gestaltet werden, wie prinzipiell beispielsweise aus der DE 100 38 354 C2 bekannt.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellung des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit besonders ausgeprägter Variabilität zu erreichen.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren genannte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umgekehrt. Die Steuereinrichtung weist einen geschalteten Reluktanzmotor (SRM, switched reluctance motor) auf, der die Verstellung des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere Fahrzeugmotors, ermöglicht. Der geschaltete, elektronisch angesteuerte Reluktanzmotor arbeitet im Gegensatz beispielsweise zu üblichen elektronisch kommutierenden Motoren (EC-Motoren) ohne permanentmagnetische Erregung. Das Drehmoment des geschalteten Reluktanzmotors wird durch eine Änderung der magnetischen Energie entwickelt, wobei als Rotor zweckmäßigerweise ein Stahlblechpaket verwendet wird.
• Durch die Verwendung eines Stahlblechpaketes anstelle von Permanentmagneten als Rotor ist der Reluktanzmotor (SRM) in einem größeren Temperaturbereich einsetzbar als beispielsweise ein EC-Motor. Der Rotor ist zudem wesentlich einfacher aufgebaut und rationeller herstellbar als etwa ein Permanentmagnete aufweisender Rotor eines EC-Motors. Dagegen kann als Stator für den geschalteten Reluktanzmotor ein Bauteil verwendet werden, das in entsprechender Funktion auch in herkömmlichen EC-Motoren in identischer oder ähnlicher Form zum Einsatz kommt. Dies begünstigt zusätzlich die rationelle Herstellung des geschalteten Reluktanzmotors. Die Rotor-Drehzahl des Reluktanzmotors entsprich bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl, wobei die Bezeichnung „Kettenrad" unabhängig davon verwendet wird, welches Zugmittel zum Antrieb der Nockenwelle eingesetzt wird.
• Ein wesentlicher Vorteil des geschalteten Reluktanzmotors liegt darin, dass durch den Verzicht auf Permanentmagnete oder Elektromagnete als Teile des Rotors nur eine vernachlässigbar geringe Selbstinduktionsspannung auftritt. Dadurch sind die Eigenschaften des Reluktanzmotors praktisch unabhängig davon, ob bei als Teil der Nockenwellenverstellvorrichtung rotierendem Rotor des Reluktanzmotors die Geschwindigkeit des Rotors erhöht oder vermindert wird. Dies bedeutet, dass die maximale Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „spät", bezogen auf die Winkellage der Nockenwelle in Relation zur Winkellage der Kurbelwelle, von der maximalen Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „früh" höchstens geringfügig abweicht. Beispielsweise weicht die maximale Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „spät" von der maximalen Verstellgeschwindigkeit in Verstellrichtung „früh" um nicht mehr als 10%, z.B. nicht mehr als 5%, insbesondere nicht mehr als 2%, ab. Unabhängig vom Antrieb der Nockenwellenverstellvorrichtung können Reibungs- und Trägheitsauswirkungen zu leichten Unsymmetrien hinsichtlich der erreichbaren Verstellgeschwindigkeiten in unterschiedlicher Verstellrichtung führen, wobei der Antrieb per geschaltetem Reluktanzmotor in jedem Fall eine hohe Verstellgeschwindigkeit, insbesondere von mehr als 500° KW pro Sekunde, ermöglicht (KW = Kurbelwelle).
• Zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors sind unterschiedliche Arten von Wechselrichtern verwendbar: Nach einer ersten, besonders einfachen Ausführungsform wird ein so genannter n+1-Wechselrichter verwendet, wobei n die Anzahl der Phasen des Wechselrichters angibt. Die Bezeichnung „n+1" gibt die Anzahl der Leistungsschalter des Wechselrichters an.
• Nach einer zweiten, erweiterte Steuerungsmöglichkeit bietenden Ausführungsform ist ein 2n-Wechselrichter vorgesehen. In diesem Fall ist die Anzahl an Leistungsschaltern doppelt so groß wie die Anzahl der Phasen, wobei sich in jedem Phasenzweig des Wechselrichters zwei Leistungsschalter befinden.
• Der Wechselrichter ist unabhängig von dessen genauer Ausführungsform vorzugsweise ein an die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs angeschlossener Dreiphasen-Wechselrichter.
• Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
• Kurze Beschreibung der Zeichnung
• 1 einen schematischen Querschnitt eines geschalteten Reluktanzmotors einer Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug,
• 2 eine erste Ausführungsform eines Umrichters für den geschalteten Reluktanzmotor nach 1,
• 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Umrichters für den Reluktanzmotor nach 1,
• 4 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Verstellung einer Nockenwelle in Relation zu einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• Ein in 1 symbolisiert dargestellter geschalteter Reluktanzmotor 1 ist Teil einer Nockenwellenverstellung eines Hubkolbenmotors eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist ein Stator 2 nicht drehbar an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors befestigt, während sich ein als in sich elektrisch isoliertes, auf eine Welle gepresstes Stahlblechpaket ausgebildeter Rotor 3 mit der Nockenwelle dreht.
• Im Ausführungsbeispiel weist der aus lamilierten Blechteilen zusammengesetzte Rotor 3 lediglich ein Paar an Rotorpolen 4, 5 auf; ebenso sind jedoch auch Ausführungsformen mit einer höheren Anzahl an Rotorpolen realisierbar. In jedem Fall weist der Rotor 3 weder Permanent-Magnete, wie etwa ein EC-Motor (elektronisch kommutierender Motor), noch Rotorwicklungen auf. Dies begünstigt sowohl eine rationelle Herstellung des geschalteten Reluktanzmotors 1 als auch ein hohes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis, was für eine besonders kurze Ansprechzeit sorgt.
• Der Aufbau des Stators 2 des Reluktanzmotors 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Stators eines herkömmlichen EC-Motors. Insgesamt sechs Statorpole 6, 7, 8, 9, 10, 11 bilden drei Statorpolpaare, wobei die Wicklungen sich diametral gegenüberliegender Statorpole jeweils in Reihe oder parallel geschaltet sind, um eine unabhängige Maschinenphasenwicklung des dreiphasigen Reluktanzmotors 1 zu bilden. Eine zum Betrieb des Reluktanzmotors 1 erforderliche Drehwinkelsensorik ist nicht dargestellt. Ein Drehmoment des Stators 2 wird gebildet, indem der Strom in den Wicklungen jedes Statorpolpaares in einer bestimmten Sequenz geschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors 3 synchronisiert ist, so dass eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotorpolen 4, 5 und demjenigen Statorpolpaar entsteht, dem sich die Rotorpole 4, 5 nähern. Sobald sich die Rotorpole 4, 5 an einem Statorpolpaar vorbeidrehen, wird die betreffende Motorphase abgeschaltet.
• Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines für den geschalteten Reluktanzmotor 1 nach 1 geeigneten Umrichters 12, nämlich einen 2n-Umrichter. Der Umrichter 12 weist entsprechend der Anzahl der Statorpolpaare des geschalteten Reluktanzmotors 1 drei Phasenzweige 13, 14, 15 auf. In jedem Phasenzweig 13, 14, 15 befindet sich eine Induktivität 16, 17, 18, die im vereinfachten Schaltbild nach 2 jeweils als einzelne Spule dargestellt ist. Tatsächlich handelt es sich bei jeder Induktivität 16, 17, 18 um eine Anordnung parallel und/oder in Reihe geschalteter Spulen, die auf ein Paar gegenüberliegender Statorpole 6, 7, 8, 9, 10, 11 verteilt ist. In jedem Phasenzweig 13, 14, 15 des Umrichters 12 befinden sich weiter jeweils zwei Leistungsschalter 19 sowie zwei Freilaufdioden 20. Insgesamt umfasst der Umrichter 12 somit sechs Leistungsschalter 19. Entsprechend der Anzahl an Leistungsschaltern 19, die doppelt so groß ist wie die Anzahl der Phasen, wird der Umrichter 12 auch als 2n-Wechselrichter bezeichnet. Die Freilaufdioden 20 haben die Funktion, die induktiven Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen. An die mit Gleichspannung, insbesondere der Batteriespannung des Kraftfahrzeugs, beaufschlagten Pole 21, 22 des Umrichters 12 ist ferner eine Kapazität 23 angeschlossen, welche dem Herausfiltern von transienten Spannungen dient, die durch das Ein- und Ausschalten der Induktivitäten 13, 14, 15 entstehen.
• Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Umrichters 24, welcher ebenfalls für den geschalteten Reiuktanzmotor 1 nach 1 geeignet ist, ist in 3 dargestellt. In diesem Fall weist jeder Phasenzweig 13, 14, 15 lediglich einen einzigen Leistungsschalter 19 sowie eine Freilaufdiode 20 auf. Zusätzlich umfasst der Umrichter 24 noch einen gemeinsamen Leistungsschalter 25 sowie eine gemeinsame Freilaufdiode 26. Mit insgesamt vier Leistungsschaltern 19, 25 handelt es sich beim Umrichter 24 um einen so genannten n+1-Wechselrichter.
• In 4 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf des Verstellwinkels, d.h. der Winkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, sowie der Verstellgeschwindigkeit dargestellt. Hierbei entspricht einem zunehmenden Verstellwinkel die Verstellrichtung „früh", einem abnehmenden Verstellwinkel die Verstellrichtung „spät". Bei Verstellung in Richtung „früh" wird die Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle beschleunigt. In jedem Fall wird bei einer Verstellung der Nockenwelle der durch die halbe Kurbelwellendrehzahl gegebenen Kettenraddrehzahl die Verstelldrehzahl des Reluktanzmotors 1 überlagert. Solange die Nockenwelle nicht verstellt wird, läuft der Rotor 3 mit der Drehzahl des Kettenrades. Da der Rotor 3 weder Permanent- noch Elektromagneten umfasst, tritt im geschalteten Reluktanzmotor 1 praktisch keine Selbstinduktionsspannung auf. Damit ist die der Kettenraddrehzahl überlagerte Verstelldrehzahl nahezu ohne Einfluss auf die Verstelldynamik und Regelgüte. Entsprechend sind die Parameter der Verstellung, insbesondere die Verstellgeschwindigkeit, höchstens in geringem Maße von der Verstellrichtung abhängig.

1

geschalteter Reluktanzmotor

2

Stator

3

Rotor

4, 5

Rotorpol

6...11

Statorpol

12

Umrichter

13...15

Phasenzweig

16...18

Induktivität

19

Leistungsschalter

20

Freilaufdiode 20

21, 22

Pol

23

Kapazität

24

Umrichter

25

Leistungsschalter

Claims (6)

1. Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch einen die Verstellung bewirkenden geschalteten Reluktanzmotor (1), dessen Rotor-Drehzahl bei konstanter Phasenlage der Kettenrad-Drehzahl entspricht.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen den geschalteten Reluktanzmotor ansteuernden dreiphasigen Wechselrichter (12, 24).
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors (1) ein Wechselrichter (24) vorgesehen ist, dessen Anzahl an Leistungsschaltern (19, 25) die Anzahl der Phasen um 1 übertrifft.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors (1) ein Wechselrichter (12) vorgesehen ist, dessen Anzahl an Leistungsschaltern (19) doppelt so groß wie die Anzahl der Phasen ist.
5. Verfahren zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, wobei die Verstellung mittels eines geschalteten Reluktanzmotors (1) erfolgt und die Verstellgeschwindigkeit von der Verstellrichtung nahezu unabhängig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors mehr als 500° KW pro Sekunde beträgt.