Die Erfindung betrifft einen als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, welcher unter anderem einen Nockenwellenversteller aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines solchen Verbrennungsmotors.

Nockenwellenversteller von Verbrennungsmotoren können beispielsweise hydraulisch oder elektromechanisch betätigt sein. Mögliche Bauformen elektromechanischer Nockenwellenversteller sind in den Dokumenten DE 102021 119 027 A1 ,

DE 10 2020 121 213 A1 und DE 10 2018 130 468 A1 beschrieben. In jedem dieser Fälle kommt ein Wellgetriebe als Stellgetriebe des jeweiligen Nockenwellenverstellers zum Einsatz.

Nockenwellenversteller mit Freiläufen sind zum Beispiel in den Dokumenten

EP 3 121 395 B1 und US 11 053 990 B2 beschrieben. In den Dokumenten

US 10 557 383 B2 und US 10 900 387 B2 offenbarte Nockenwellenversteller weisen verschiedene Feststellmechanismen auf. Ein in der WO 2020 / 227229 A1 beschriebenes Getriebe eines Nockenwellenverstellers ist als Planetengetriebe ausgebildet.

DE 10 2013 211 929 A1 und DE 698 05 123 T2 zeigen Verbrennungsmotoren, bei denen eine Vorverstellung der Nockenwelle erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Möglichkeiten der Phasenverstellung von Nockenwellen anzugeben, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und erzielbarer Funktionalität angestrebt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Starten eines einen Nockenwellenversteller aufweisenden Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder durch einen Nockenwellenversteller gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit den Vorrichtungen, das heißt dem Nockenwellenversteller sowie dem einen solchen Nockenwellenversteller aufweisenden Verbrennungsmotor, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Motorstartverfahren und umgekehrt.

Das Motorstartverfahren ist anwendbar bei einem als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, welcher in an sich bekannter Weise eine Kurbelwelle, mindestens eine Nockenwelle, einen Starter sowie mindestens einen Nockenwellenversteller aufweist. Im Rahmen des anmeldungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Zustand des Nockenwellenverstellers mittels eines Elementes des Starters des Verbrennungsmotors geändert. Anschließend wird der Verbrennungsmotor angelassen.

Die vor dem Anlassen des Motors erfolgende gezielte Änderung des Zustandes des Nockenwellenverstellers mit Hilfe einer dem Starter zuzurechnenden Komponente ermöglicht die Verwendung eines im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen schwächer ausgelegten Stellantriebs des Nockenwellenverstellers.

Zur Erreichung dieses Zieles, das heißt der Minimierung des apparativen Aufwandes auf Seiten des Nockenwellenverstellers, sind zwei verschiedene Ansätze geeignet:

Gemäß eines ersten möglichen Ansatzes erfolgt die Änderung des Zustandes des Nockenwellenverstellers vor dem Startvorgang in Form eines Losbrechens der Nockenwelle mittels Verdrehung der Kurbelwelle durch den Starter. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Starter des Verbrennungsmotors ausreichend stark ist, um selbst bei sehr tiefen Temperaturen die Kurbelwelle und damit auch die Nockenwelle in Drehung zu versetzen. Die Aufgabe, das Losbrechmoment der Nockenwelle zu überwinden, wird damit vom Nockenwellenversteller auf den Starter verlagert. Da das Losbrechen der Nockenwelle dem eigentlichen Anlassvorgang vorgelagert ist, bleibt trotz der im Vergleich zu älteren Konzepten schwachen Auslegung des Nockenwel- lenverstellers, insbesondere dessen Stellmotors, die Möglichkeit erhalten, die Nockenwelle bereits vor dem Motorstart zu verdrehen. Beispielsweise wird die Nockenwelle im Zuge des Losbrechens um einen Winkel von mindestens 50° und maximal 90° verdreht.

Gemäß eines alternativen Ansatzes erfolgt die dem Starten des Verbrennungsmotors vorgelagerte Änderung des Zustandes des Nockenwellenverstellers, indem der als Elektromotor, insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor, vorliegende Stellmotor des Nockenwellenverstellers temporär über die Leistungselektronik des Starters mit elektrischer Energie versorgt wird. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Leistungselektronik des Starters auf eine deutlich höhere elektrische Leistung ausgelegt ist als die Ansteuerung des Stellmotors des Nockenwellenverstellers. Die vergleichsweise leistungsstarke Ansteuerung des Starters wird somit für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise mindestens 1 s und maximal 2 s zweckentfremdet, um damit temporär den Stellmotor des Elektromotors zu betreiben. Diese Zeitspanne ist ausreichend, um den Nockenwellenversteller vor dem Anlassen der Verbrennungsmotors in eine definierte Kaltstartposition zu verfahren. Der weitere Betrieb des Stellmotors, das heißt der Betrieb bei laufendem Verbrennungsmotor, kann dann mit der relativ schwach ausgelegten Ansteuerelektronik, die ausschließlich dem Stellmotor zugeordnet ist, erfolgen.

Unabhängig davon, welcher der beiden beschriebenen Ansätze realisiert ist, kann vorgesehen sein, dass die Änderung des Zustandes des Nockenwellenverstellers vor dem Startvorgang ausschließlich bei einer Unterschreitung eines Grenzwertes der Öltemperatur des Verbrennungsmotors erfolgt. Der anmeldungsgemäße Verbrennungsmotor ist als typischerweise mehrzylindriger Hubkolbenmotor ausgebildet und umfasst eine Kurbelwelle, mindestens eine Nockenwelle, einen Starter sowie mindestens einen Nockenwellenversteller, wobei ein Element des Starters datentechnisch mit dem Nockenwellenversteller verknüpft und zur vorübergehenden Einwirkung auf den Nockenwellenversteller vor dem Starten des Verbrennungsmotors ausgebildet ist.

Bei dem genannten Element des Starters kann es sich um eine Starterkomponente oder um den Starter als Ganzes handeln. Der Starter kann in an sich bekannter Grundkonzeption beispielsweise als einspurender Anlasser oder als Startergenerator ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall kann der Starter beispielsweise über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotor gekoppelt sein oder einen Rotor ausweisen, welcher drehfest mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Im Übrigen kann es sich bei dem mit dem Nockenwellenversteller bereits vor dem Anlassen des Motors zusammenwirkenden Element des Starters um die bereits erwähnte Leistungselektronik des Starters handeln.

Die Erfindung ermöglicht damit, den Nockenwellenversteller schwächer auszulegen, als es für den Kaltstart des Verbrennungsmotors erforderlich ist. Zugrunde liegt der Erfindung die Überlegung, den Nockenwellenversteller auf die im Dauerbetrieb des Verbrennungsmotors maximal auftretenden Verstellmomente, nachfolgend Maximalbetriebsmomente genannt, zuzüglich eines Sicherheitspuffers auszulegen. Diese sind regelmäßig geringer als das Verstellmoment, das bei einem Kaltstart und sehr hoher Reibung aufgebracht werden muss.

Im Dauerbetrieb des Verbrennungsmotors sind die aufzubringenden Verstellmomente bei der Maximaldrehzahl der Nockenwelle am höchsten; die Maximalbetriebsmomente werden also bei Maximaldrehzahl erreicht. Der Sicherheitspuffer kann beispielsweise 100%, insbesondere 50%, der Maximaldrehmomente betragen. Für den Fall, dass beim Kaltstart die Leistungselektronik des Starters die des Nockenwellenverstellers ergänzt oder ersetzt, kann auch vorgesehen sein, lediglich die Leistungselektronik des Nockenwellenverstellers schwächer auszubilden und auf die Maximalbetriebsmomente abzustimmen. Dadurch kann diese beispielsweise um den Faktor 4 oder 5 schwächer ausgebildet werden. Der Elektromotor kann dann als Gleichteil von anderen No- ckenwellenverstellern übernommen werden.

Der Verbrennungsmotor kann verschiedenste an sich bekannte Bauformen haben, wobei es sich bei der zu verstellenden Nockenwelle in vielen Fällen um eine Einlassnockenwelle handelt, jedoch auch um eine Auslassnockenwelle handeln kann. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor Teil eines Hybrid-Antriebsstrangs sein.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 in grob schematisierter Darstellung einen Verbrennungsmotor mit einem Starter und einem Nockenwellenversteller,

Fig. 2 in einem Diagramm drehzahlabhängige Momente, die im Rahmen des anmeldungsgemäßen Verfahrens sowie bei einem nicht beanspruchten, herkömmlichen Vergleichsverfahren durch den Nockenwellenversteller aufzubringen sind,

Fig. 3 in einem Flussdiagramm ein erstes, mit dem Verbrennungsmotor nach Figur 1 durchführbares Verfahren,

Fig. 4 in einem weiteren Flussdiagramm ein alternatives, mit dem Verbrennungsmotor nach Figur 1 durchführbares Verfahren. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Verbrennungsmotor, nämlich Hubkolbenmotor, ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, vorgesehen und umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption unter anderem eine Kurbelwelle 2 und eine Mehrzahl an Nockenwellen 3, wobei Nocken, welche auf nicht dargestellte Gaswechselventile, das heißt Ein- oder Auslassventile, einwirken, allgemein mit 4 bezeichnet sind. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Verbrennungsmotors 1 wird auf den zitierten Stand der Technik verwiesen.

Dem Verbrennungsmotor 1 ist ferner eine Ölpumpe 5 sowie ein Temperatursensor 6, mit welchem die Temperatur des Motoröls erfassbar ist, zuzurechnen. Der Temperatursensor 6 befindet sich im vorliegenden Fall in der Ölgalerie des Verbrennungsmotors 1 . Ebenso kann der Temperatursensor 6 zur Erfassung der Temperatur des in der Ölpumpe 5 befindlichen Öls vorgesehen sein.

Zum Anlassen des Verbrennungsmotors 1 ist ein Starter 7 vorgesehen, welcher im vorliegenden Fall als Startergenerator ausgebildet ist. In der in Figur 1 skizzierten Ausführungsform des Verbrennungsmotors 1 handelt es sich bei dem Startergenerator 7 um einen Kurbelwellen-Startergenerator. Dies heißt, dass der Rotor des Starters 7, optional über eine nicht dargestellte Reibungskupplung, drehfest mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt beziehungsweise koppelbar ist. Alternativ kann der Starter 7 beispielsweise über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt sein.

Der Verbrennungsmotor 1 ist weiterhin mit einem Nockenwellenversteller 8 ausgerüstet, welcher im vorliegenden Fall als elektromechanischer Versteller ausgebildet ist. Ein Stellgetriebe 10, nämlich Wellgetriebe, des Nockenwellenverstellers 8 weist ein Gehäuse auf, das zugleich das Abtriebselement eines Umschlingungsgetriebes 9 dar- stellt, welches durch die Kurbelwelle 2 angetrieben wird. Bei dem Stellgetriebe 10 handelt es sich um ein Dreiwellengetriebe, wobei das genannte Gehäuse als erste Welle und die Nockenwelle 2 als zweite Welle fungiert.

Als dritte Welle des Dreiwellengetriebes 10 ist ein rotierbares Verstellelement vorgesehen, welches mit der Motorwelle eines Elektromotors 11 identisch oder über eine nicht dargestellte Ausgleichskupplung gekoppelt ist. Solange die Motorwelle des Elektromotors 11 mit der Drehzahl der Nockenwelle 3 rotiert, findet keine Verstellung der Nockenwelle 3 statt. Erst bei einer Differenz zwischen der Drehzahl des Elektromotors 11 und der Drehzahl der Nockenwelle 3 ändert sich die Phasenrelation zwischen der Nockenwelle 3 und der Kurbelwelle 2.

Zur Ansteuerung des Elektromotors 11 ist eine Ansteuereinheit 12 vorgesehen, welche, wie in Figur 1 angedeutet, mit dem Elektromotor 11 zu einer Baueinheit zusammengefasst sein kann. Ebenso kann die Ansteuereinheit 12 vom Elektromotor 11 be- abstandet sein. In jedem Fall ist die Ansteuereinheit 12 auf eine elektrische Leistung ausgelegt, welche wesentlich kleiner als die Leistung des Starters 7 ist.

Die Ansteuereinheit 12 ist im in Figur 1 skizzierte Fall datentechnisch mit einer hiervon beabstandeten, übergeordneten Datenverarbeitungseinheit 14 gekoppelt. Die Datenverarbeitungseinheit 14 ist darüber hinaus mit einer Steuerungseinheit 15 verknüpft, welche der Ansteuerung des Starters 7 dient. Die Steuerungseinheit 15 kann in nicht dargestellter Weise baulich mit der Datenverarbeitungseinheit 14 zusammengefasst sein. In jedem Fall ist die Steuerungseinheit 15 von der Ansteuereinheit 12 getrennt, wobei aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leistung der verschiedenen anzusteuernden elektrischen Maschinen 7, 8, das heißt einerseits des Starters 7 und andererseits des Stellmotors 11 des Nockenwellenverstellers 8, eine deutlich höhere elektrische Leistungsfähigkeit der Steuerungseinheit 15 im Vergleich zur Ansteuereinheit 12 gegeben ist. Ein erster möglicher Modus des Startens des Verbrennungsmotors 1 wir im Folgenden anhand der Figuren 2 und 3 erläutert.

Das Diagramm nach Figur 2 vergleicht ein drehzahlabhängiges, in der Nockenwelle 3 wirkendes Moment M beim anmeldungsgemäßen Startvorgang (Kurve K1 ) und anschließender Erhöhung der Drehzahl (in 1/min) mit dem Verlauf des Momentes M bei einem herkömmlichen, nicht beanspruchten Startvorgang (Kurve K2).

Die Besonderheit des anmeldungsgemäßen Startvorgangs, wie er sich in der Kurve K1 ausdrückt, liegt darin, dass bereits vor dem Anlassen des Verbrennungsmotors 1 die Kurbelwelle 2 und damit auch die Nockenwelle 3 mittels des Starters 7 um einen begrenzten Winkel verdreht wird. Dieser Vorgang wird als Losbrechen der Nockenwelle 3 bezeichnet. Die Nockenwelle 3 dreht sich hierbei typischerweise um einen Winkel im Bereich von 50° bis 90°. In Figur 1 ist dies durch einen waagrechten Verlauf der Kurve K1 veranschaulicht. Eine Leistungsabgabe durch den Elektromotor 11 des No- ckenwellenverstellers 8 ist in diesem Bereich noch nicht erforderlich. Die Leistung, die der Starter 7 aufzubringen hat, ist bei diesem Vorgang ohne Belang, da der Starter 7 ohnehin dafür ausgelegt ist, die Kurbelwelle 2 und damit auch die Nockenwelle 3 selbst bei tiefsten Temperaturen in Bewegung zu versetzen.

Im Anschluss an das Losbrechen der Nockenwelle 3 kann der eigentliche Startvorgang in bekannter Weise - mit Zufuhr von Kraftstoff und, im Fall eines Ottomotors, Fremdzündung - beginnen, wobei das anfangs aufzubringende Moment in Figur 2 mit M1 bezeichnet ist. Mit zunehmender Drehzahl (rpm) der Kurbelwelle 2 ist zunächst eine rasche Abnahme des Drehmoments M und später eine allmähliche Zunahme des Drehmoments M zu beobachten.

Das nicht beanspruchte Vergleichsszenario (Kurve K2) geht davon aus, dass der No- ckenwellenversteller 8 zeitgleich mit Beginn des Anlassvorgangs in Funktion gesetzt wird. Der Nockenwellenversteller 8 muss hierbei zunächst hohe mechanische Wider- stände, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen, überwinden. In Figur 2 ist das vom Nockenwellenversteller 8 beim Beginn des herkömmlichen Startvorgangs bereitzustellende Moment mit M2 bezeichnet. Das Moment M2 ist deutlich höher als das mittels des Starters 7 auf den Wert M1 abgesenkte Moment M. Das Diagramm nach Figur 2 ist nicht maßstäblich. Tatsächlich beträgt das Moment M2 beispielsweise ca.

6 Nm, wogegen das reduzierte Moment M1 bei etwa 3 Nm, das heißt ungefähr der Hälfte des Moments M2, liegt. Sobald der eigentliche Anlassvorgang beginnt, das heißt Kraftstoff zugeführt und, soweit erforderlich, die Zündung eingeschaltet wird, sind keine Unterschiede mehr bei den verschiedenen Szenarien gegeben.

Das Flussdiagramm nach Figur 3 zeigt einzelne Schritte, die beim anmeldungsgemäßen Startvorgang (Fig. 2, Kurve K1 ) ablaufen. Der erste Schritt S1 steht für die Initiierung des Starts des Verbrennungsmotors 1. Im Schritt S2 wird mittels des Temperatursensors 6 die Öltemperatur erfasst. Diese wird im Schritt S3 mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Ist der Grenzwert überschritten, erfolgt im Schritt S4 ein Motor-Warmstart in herkömmlicher Weise. Bei einer Unterschreitung des Grenzwertes der Öltemperatur wird dagegen im Schritt S5 die Nockenwelle 3 in der beschriebenen Weise losgebrochen und durch den Starter 7 um einen Winkel von 50° bis 90° gedreht. Anschließend wird im Schritt S7 die Nockenwelle 3 durch den Nockenwellenversteller 3 in eine definierte Kaltstartposition verstellt. Der Motorstart, das heißt Kaltstart, erfolgt schließlich im Schritt S9.

Das Motorstartverfahren nach Figur 4 stellt eine Alternative zum Startverfahren nach Figur 3 dar. Bei den Schritten S1 bis S4 existieren keine Unterschiede zwischen den beiden Startverfahren. Im Fall eines Kaltstartes, das heißt bei Detektion einer Unterschreitung des Grenzwertes der Motoröltemperatur im Schritt S3, wird im Verfahren nach Figur 4 die Steuerungseinheit 15, das heißt die Leistungselektronik des Starters 7, zur Bestromung des Elektromotors 11 des Nockenwellenversteller 8 aktiviert. Der Starter 7 selbst tritt zu diesem Zeitpunkt noch nicht in Funktion. Durch die vorübergehende Zweckentfremdung der Leistungselektronik 15 zur Betätigung des Nockenwellenverstellers 8 kann dessen Elektromotor 11 mit einer temporär mit einer deutlich höheren Leistung betrieben werden, als es die ansonsten für den Betrieb des Elektromotors 11 vorgesehene Ansteuereinheit 12 erlauben würde. Somit wird auch in diesem Fall das im Vergleich zum Dauerbetrieb hohe Losbrechmoment

M2 überwunden. Die Versorgung des Elektromotors 11 , welcher die Verstellwelle des Stellgetriebes 10 betätigt, durch die Leistungselektronik 15 des Starters 7 geschieht lediglich über einen Zeitraum von etwa einer bis zwei Sekunden. Im Schritt S7 wird im Verfahren nach Figur 4, ebenso wie im Verfahren nach Figur 3, die Nockenwelle 3 in die Kaltstartposition verfahren. Anschließend, im Schritt S8, welcher ausschließlich im Verfahren nach Figur 4 gegeben ist, wird die Energieversorgung des Nockenwellenverstellers 8 wieder auf dessen eigene Ansteuereinheit 12, das heißt ECP-Leistungselektronik, umgestellt.

Bezuqszeichenliste

1 Verbrennungsmotor

Kurbelwelle

3 Nockenwelle

Nocken

5 Ölpumpe

6 Temperatursensor

7 Starter, Startergenerator

8 Nockenwellenversteller

9 Umschlingungsgetriebe

10 Stellgetriebe

11 Elektromotor

12 Ansteuereinheit

13 Datenleitung

14 Datenverarbeitungseinheit

15 Steuerungseinheit, Leistungselektronik des Starters

K1 , K2 Kurve

M, M1 , M2 Moment

S1 ... S9 Schritte