Der Ölfluß wird über ein Proportionalventil gesteuert. Zusammen mit Lagewinkelsensoren an Kurbelwelle und Nockenwelle bildet das System einen geschlossenen Regelkreis. So können alle Verstellwinkel kontinuierlich eingestellt werden. Das hydraulische Konzept ist robust und hat sich in unzähligen Anwendungen bewährt. Allerdings stößt es mit den künftig weiter steigenden Verbrauchs- und Emissionsanforderungen an technische Grenzen. Beispielsweise ist die Verstellung an den Motoröldruck gebunden, der von der zentralen Motorölpumpe aufgebaut wird. Um den Kraftstoffverbrauch zu verringern, wird bei modernen Motoren immer mehr Wert auf eine hohe Effizienz der peripheren Motorsysteme gelegt. Das betrifft auch den Schmierkreislauf: Der Öldruck wird reduziert, um den Energiebedarf der Ölpumpe zu senken. Bild 2 zeigt als Beispiel den Öldruck verschiedener Generationen einer Motorfamilie von 2004 bis 2016.

Bei der aktuellen Motorversion von 2016 liegt der Öldruck teilweise nur noch bei zirka 1 bar, sodass die erforderlichen Verstellgeschwindigkeiten im transienten Betrieb schwieriger zu erreichen sind. Das wird künftig kritischer, da der 2017 in der EU für den Emissionstest neu eingeführte Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC) einen sehr viel größeren Drehzahl- und Lastbereich des Motors abdeckt und mehr Dynamikanteile mit hoher Beschleunigung enthält als der bisherige Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ). Diese erhöhte Dynamik erfordert deutlich mehr Stellvorgänge. Jede Abweichung vom Zielwinkel kann zu einer Erhöhung der Rohemissionen führen.

Im abgestellten Zustand baut der Verbrennungsmotor keinen Öldruck für die Nockenwellenverstellung auf. Da auch unmittelbar nach Start des Motors kein oder zu wenig Öldruck vorhanden ist, um den Versteller zu betätigen, wird dieser nach dem Abstellen in einer Ruheposition verriegelt. Deshalb ist mit hydraulischen Phasenstellern für den Motorstart nur eine vordefinierte Steuerzeit darstellbar, die nicht auf die momentanen Betriebsbedingungen des Motors adaptierbar ist. Mit der Einführung von Stopp-Start-Funktionen, die den Verbrennungsmotor bei stehendem Fahrzeug, etwa an einer roten Ampel, abstellen und beim Anfahren automatisch wieder anlassen, steigt die Anzahl der Motorwiederstarts im Fahrbetrieb. Um den Verbrauch und die Emissionen auch in diesen Situationen zu optimieren zu können, ist künftig ein Verstellsystem erforderlich, dass unterschiedliche Steuerzeiten für individuelle Startbedingungen realisieren kann.

Beim elektrischen Nockenwellenverstellersystem verstellt ein bürstenloser E-Motor (brushless DC, BLDC) statt des hydraulischen Stellers den Phasenwinkel zwischen Kurbel- und Nockenwelle. Im Vergleich zu konventionellen Bürstenmotoren bieten BLDC-Antriebe einen größeren Wirkungsgrad und eine höhere Lebensdauer. Zusammen mit einem hochübersetzten Dreiwellen-Verstellgetriebe bildet der E-Motor eine Funktionseinheit. Das Getriebe besteht aus zwei Hohlrädern sowie einem ovalen Wälzlager der mit dem Flexring zusammen den Wellgenerator bildet, Bild 4.

Die im E-Motor integrierten Sensoren dienen der Positionserkennung des Rotors und der Temperaturüberwachung. Das ECP Steuergerät kommuniziert über CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät und erhält so die Sollwinkelwerte der Nockenwelle, die es mit der Ist-Position abgleicht. Soll der Phasenwinkel verändert werden, baut die Abtriebswelle des Elektromotors eine Drehzahldifferenz zum Getriebegehäuse auf. Der elektromechanische Phasensteller wechselt zwischen den drei Betriebszuständen Frühverstellung, Halten des Phasenwinkels und Spätverstellung. Zur Verstellung in Richtung „früh“ dreht die Abtriebswelle schneller, in Richtung „spät“ langsamer als die Nockenwelle. Der Verstellwinkel wird konstant gehalten, indem die Abtriebswelle des Elektromotors mit Nockenwellendrehzahl rotiert.

Mit der zunehmenden Hybridisierung wird der verfügbare Bauraum im Motorraum der Fahrzeuge immer knapper. Deshalb wurde bei der Entwicklung ein besonderer Schwerpunkt auf die Schaffung einer möglichst kompakten elektrischen Aktuatorik gelegt.

Im ausgeführten Konzept passt der elektrische Phasensteller ohne Änderungen am Motor oder am Zylinderkopf in den Bauraum eines konventionellen hydraulischen Stellers, Bild 6.

Die modulare Austauschbarkeit ermöglicht einen problemlosen Wechsel zwischen hydraulischem und elektrischem Nockenwellenversteller und unterstützt Plattformkonzepte, bei denen die unterschiedlichen Varianten des Grundmotors mit verschiedenen Stellern ausgerüstet werden.

Um die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Nockenwellenverstellung auch im realen Betrieb zu untersuchen, hat Schaeffler Tests mit einem Fahrzeug durchgeführt, dessen Motor von hydraulischen auf elektromechanische Nockenwellenversteller umgerüstet wurde. Dabei wurde untersucht, wie schnell die Nockenwellen von einer Ruhelage auf die für den Motorstart optimale Position verstellt werden können. Wie Bild 8 zeigt, stellen die Aktuatoren den gewünschten Phasenwinkel bereits vor der ersten Zündung des Verbrennungsmotors ein.

Dabei ist beim Motorstart die Einstellung jeder Steuerzeit möglich. Deutlich zu erkennen ist, dass der Ist-Wert des Verstellwinkels nahezu verzögerungsfrei dem vom Motorsteuergerät vorgegeben Soll-Wert folgt und dieser sehr präzise eingehalten wird.

Für Stopp-Start-Strategien bei Verbrennungsmotoren hat Schaeffler eine spezielle Unterstützungsfunktion entwickelt. Die elektronische Steuerung des Phasenstellers ist dabei auch bei stehendem Motor weiter aktiv, wertet die Daten der Positionssensoren aus und synchronisiert die Nocken- mit der Kurbelwellenstellung. Dabei werden die Steuerzeiten während des Motorstillstands zunächst auf einem voreingestellten Winkel gehalten und – abhängig von der Applikation – entweder vor oder direkt beim Motorstart sehr schnell auf Position gestellt. Bild 9 zeigt die Wirkungsweise der Funktion anhand von Messwerten aus Fahrzeugtests.

Die rechte rote Markierung in Bild 10 kennzeichnet den normalen Schließzeitpunkt der Einlassventile. Durch eine Verstellung der Einlassnockenwelle in Richtung „spät“ wandert dieser Punkt auf der Verdichtungskurve nach links, sodass im Kompressionshub zunächst über die noch geöffneten Einlassventile angesaugte Luft zurückgeschoben wird. Sobald die Einlassventile schließen, beginnt der effektive Teil des Verdichtungshubes. Das effektive Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors wird reduziert. Ein sanfterer Motorstart ist die Folge.

Zur Bewertung der Wirkung verschiedener Einlassschluss Steuerzeiten wurden Simulationen durchgeführt, Bild 11. Im Diagramm werden Drehhochlaufkurven des Verbrennungsmotors für verschiedene Einlasssteuerzeiten aufgeführt. Die hellrote Kurve repräsentiert eine Einlasssteuerzeit von 60 °KW. Das ist ein typischer Wert, der bei heutigen hydraulischen Verstellsystemen in der Startphase des Motors fest eingestellt ist. Die Hochlaufkurve bei einer Einlasssteuerzeit von 110 °KW ist in schwarz eingezeichnet. Deutlich ist zu erkennen, dass die durch die Verbrennung verursachten Drehzahlspitzen und damit auch die resultierenden Luft- und Köperschallemissionen abgemildert sind. Im Gegensatz dazu führen sehr frühe Steuerzeiten (grün) zu einem deutlichen Anstieg des Zünddrucks und damit der Drehzahlamplituden; diese Strategie ist für eine komfortorientierte Applikation nicht sinnvoll und kann sogar zu Schäden am Zweimassenschwungrad führen.

Nachteil der Einlass-Spätverstellung beim Anlassen des Motors ist, dass der Startvorgang länger dauert, weil aufgrund reduzierten Drehmomentes die Leerlaufdrehzahl erst später erreicht wird. Wie aus Bild 11 hervorgeht, ist dies umso ausgeprägter, je weiter die Einlassnockenwelle auf „spät“ gestellt ist. Bei der NVH-optimierten Steuerzeit von 110 °KW (schwarze Kurve) würde es fast 1 s dauern, bis der Motor betriebsbereit ist. Dies kann bei Stopp-Start-Applikationen zu Verzögerungen des Startvorgangs führen. Einen Weg, einen sanften und gleichzeitig schnellen Motorstart zu erreichen, zeigt Bild 12.

Dabei verstellt die Aktorik wie beim Ansatz in Bild 11 die Nockenwelle vor dem Start des Motors auf eine „späte“ Position. Anders als bei der ersten Simulation verharrt sie jedoch nicht bei dieser Steuerzeit, sondern wird noch vor der ersten Zündung kontinuierlich auf „früh“ zurückgestellt. Im Bild 12 ist auf der Ordinate dazu neben der Motordrehzahl die momentane Steuerzeit in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel aufgetragen. Wie an der schwarzen Kurve zu erkennen ist, wird damit, ausgehend von 110 °KW ursprünglicher Verstellung, bei der zweiten Zündung 90 und bei der dritten 70 °KW erreicht. Die Zeit bis zum Leerlaufdrehzahl-Niveau von 800/min verkürzt sich so von 1,0 auf rund 0,6 s. Nach wie vor verläuft der Start äußerst sanft, da die besonders NVH-kritischen ersten Zündungen bei „später“ Nockenposition erfolgen. In den Simulationen hat Schaeffler unterschiedliche Verstellgeschwindigkeiten bis 800 °KW/s untersucht. Dabei hat sich ein Wert von 200 °KW/s als ideal herauskristallisiert. Dieser liegt auch den Kurvenverläufen in Bild 12 zugrunde.

Neben dem Start ist auch das Abstellen des Motors im Stopp-Start-Betrieb komfortrelevant. Wie Schaeffler durch Versuche nachgewiesen hat, kann auch die Auslaufphase des Motors durch das oben beschriebene Verfahren optimiert werden. In Bild 13 sind die Ergebnisse von Prüfstandsmessungen an einem nicht mehr gezündeten Motor mit einer Spätverstellung der Einlasssteuerzeit dargestellt. Während die Ursprungsapplikation mit unveränderten Steuerzeiten erhebliche Beschleunigungsamplituden verursacht (rot), sind diese bei einer späten Steuerzeit gänzlich verschwunden (blau).

Auf der Abszisse in Bild 15 ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors aufgetragen. Da der Verbrennungsmotor die Nockenwelle mit einem festen Übersetzungsverhältnis von 1:2 antreibt, ist das auch gleichsam ein Maß für die Nockenwellendrehzahl. Die Ordinate zeigt die Drehzahl des ECP-Motors. Die vertikale graue Linie markiert die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors. Die weiße Diagonale im Diagramm spiegelt den Zustand wider, bei dem Elektromotor und Nockenwelle mit identischer Geschwindigkeit rotieren und daraus folgend kein Verstellwinkel eingestellt ist. Der dunkelgrüne Balken darüber zeigt den Bereich der Steuerzeit-Vorverstellung, der Elektromotor dreht dabei schneller als die Nockenwelle. Der hellgrüne Bereich unter der weißen Linie umfasst eine Phasenverstellung nach „spät“, bei der der Elektromotor langsamer als die Nockenwelle läuft. Es ist erkennbar, dass große Teile der Startphase des Verbrennungsmotors bis in den Bereich der Leerlaufdrehzahl hinein mit der Impulsmethode abgedeckt werden. Bei höheren Drehzahlen wird auf die BEMF-Methode umgeschaltet. In diesen Betriebsbereichen ist das Impuls-Verfahren ungeeignet, weil die Bestimmung der Rotorposition zu lange dauert, um bei hohen Drehzahlen exakte Ergebnisse zu liefern.