DE102004041232A1

DE102004041232A1 - Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers

Info

Publication number: DE102004041232A1
Application number: DE102004041232A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Heintzen
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: DE102004041232B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers (15), bei welchem ein Winkel zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle automatisiert erfasst wird und eine verschleißabhängige Änderung dieses Winkels durch eine Korrekturbewegung des Nockenwellenverstellers (15) ausgeglichen wird. DOLLAR A Die Genauigkeit eines Nockenwellenverstellers (15) kann auch über längere Betriebszeiten trotz eintretenden Verschleißes dadurch erhöht werden, dass in einer Speichereinrichtung (23) ein Referenzwert des vorgenannten Winkels abgespeichert wird. Ein aktuell gemessener Winkel in einem ausgewählten Betriebszustand, insbesondere bei einem Motorstart, wird anschließend mit dem Referenzwert verglichen. Nach Maßgabe des Ergebnisses dieses Vergleichs erfolgt dann eine Korrektur des Nockenwellenverstellers (15).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Aus der DE 689 27 264 T2 ist es bekannt, dass bei bekannten Motoren, bei denen die mechanische Verbindung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle mit Hilfe einer Kette oder eines Zahnriemens und durch Ritzel oder Zahnräder hergestellt wird, die Verbindung der Kurbelwelle und Nockenwelle durch Ketten oder Riemen infolge mechanischer Toleranzen zwischen den einzelnen Teilen sowie durch den durch Hitze, Belastungen, hohe Geschwindigkeiten und Drehzahlwechsel entstehenden Verschleiß zu unerwünschten Veränderungen des Winkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle führt. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Abweichungen werden durch Sensoren die Drehwinkel der Nockenwellen und der Kurbelwelle erfasst und einer elektronischen Steuereinheit zugeführt. Stellt sich während des Betriebes des Motors durch einen Vergleich der Drehwinkel heraus, dass die Winkelbeziehung zwischen No ckenwellen und Kurbelwelle mangelhaft ist, werden diese Abweichungen durch eine Korrekturbewegung des Nockenwellenverstellers ausgeglichen. Bei dem vorgenannten Nockenwellenversteller handelt es sich um verstellbare Riemenräder, bei welchen eine Stellbewegung mittels einer Verschwenkung der Riemenräder um eine Exzenterachse zu einer Veränderung der Riemenlänge zwischen der Kurbelwelle und den Nockenwellen zugeordneten Zahnrändern führt.

Ebenfalls aus der DE 44 15 524 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers bekannt, bei welchem von einer Motorsteuerung ein relativer Phasenwinkel zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle errechnet wird.

Die DE 690 12 997 T2 offenbart ein Regelungsverfahren für einen Nockenwellenversteller, bei welchem in ausgewählten Betriebszuständen, in denen die Winkelbeziehung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bekannt ist, durch einen Vergleich der bekannten Winkelbeziehung mit einer gemessenen Winkelbeziehung eine Eichung der Messsignale und damit eine Korrektur eines messtechnisch ermittelten Winkels zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle erfolgt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers vorzuschlagen, mittels dessen Veränderungen der Einstellgenauigkeiten des Nockenwellenverstellers über längere Betriebsdauern zumindest verringert werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Winkel zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle unabhängig von einer Stellbewegung eines zwischengeschalteten Nockenwellenverstellers nicht konstant ist, sondern vielmehr während des Betriebes Veränderungen unterworfen ist. Ursache dieser Veränderungen sind beispielsweise elastische, plastische oder thermische Verlängerungen eines zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle zwischengeschalteten Zugmittels, beispielsweise eines Riemens oder einer Kette. Weitere Ursachen können Veränderungen der Kontakte zwischen Zugmitteln und Nocken- und Kurbelwellen sein, Verformungen der Zahn- oder Riemenräder der Nocken- und Kurbelwelle oder Unzulänglichkeiten der Verbindung der Zahnräder oder Riemenräder mit der Nocken- oder Kurbelwelle. Soll im Betrieb des Nockenwellenverstellers eine definierte Soll-Winkelstellung zwischen Kurbelwelle und Nockenwellenversteller angesteuert oder eingeregelt werden, so führen die vorgenannten Veränderungen zu unerwünschten Abweichungen von der Soll-Winkelstellung, die bspw. Leistungseinbußen, erhöhte Emissionen und/oder einen vergrößerten Kraftstoffverbrauch zur Folge haben können.

Eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist, dass zwischen schnellen Veränderungen, welche teilweise reversibel sind, wie beispielsweise Temperaturänderungen oder elastische Verformungen, und langsamen Änderungen, beispielsweise Verschleißerscheinungen oder Längungen des Zugmittels, welche unter Umständen irreversibel sind, zu unterscheiden ist.

Erfindungsgemäß werden langsame Veränderungen ausgeglichen. Hierzu wird zunächst in einer Speichereinrichtung ein Referenzwert eines Basiswertes abgespeichert. Der Basiswert korreliert mit einem Winkel zwischen mindestens einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle. Bei diesem Winkel handelt es sich vorzugsweise um einen solchen bei einer bestimmten Kurbelwellenstellung, insbesondere einem oberen Totpunkt oder einem unteren Totpunkt. Über die Verwendung einer Speichereinrichtung kann erfindungsgemäß ein Referenzwert über einen längeren Zeitraum und auch für ein nicht betriebsbereites Fahrzeug abgespeichert werden.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein aktueller Basiswert in einem ausgewählten Betriebszustand erfasst. Dadurch, dass dieser aktuelle Basiswert bei einem ausgewählten Betriebszustand aufgenommen wird, können Fehlereinflüsse durch den hier interessierenden langsamen Veränderungen überlagerte schnelle Veränderungen, welche in unterschiedlichen Betriebszuständen begründet sind, verringert werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der aktuelle Basiswert einen zeitlich jüngeren Betriebszustand kennzeichnet als der Referenzwert. Durch die unterschiedliche zeitliche Zuordnung von Basiswert und Referenzwert kann auf einfache Weise eine in der Zwischenzeit zwischen der Erfassung des Basiswertes und des Referenzwertes erfolgte Veränderung erfasst werden. Hierbei handelt es sich bei dem aktuellen Basiswert um einen immer wieder neu und aktuell erfassten Basiswert. Der Referenzwert wird zu einem konkreten zeitlich zurückliegenden Betriebspunkt festgelegt (d.h. konstanter Referenzwert) oder in einem zeitlich um eine bestimmte Zeitspanne von dem Zeitpunkt des aktuellen Basiswertes zurückliegenden Zeitpunkt ermittelt (d.h. zeitlich veränderlicher "mitwandernder" Referenzwert). Sowohl bei dem Referenzwert als auch dem aktuellen Basiswert kann es sich um konkrete Werte, wie beispielsweise automatisiert aufgenommene diskrete Messwerte, um mehrere Messwerten, beispielsweise zeitlich hintereinander liegenden konkrete Messwerte, oder um aus mehreren Messwerten ermittelte Werte, beispielsweise um gewichtete oder ungewichtete Mittelwerte aus mehreren Messwerten, handeln. Ebenfalls ist es möglich, dass der Referenzwert einen zeitlich zurückliegenden Kurvenverlauf beschreibt, während der aktuelle Basiswert einen aktuellen, zeitlich jüngeren Kurvenverlauf beschreibt.

Zeitlich anschließend an eine Erfassung des aktuellen Basiswertes erfolgt erfindungsgemäß ein Vergleich des aktuellen Basiswertes mit dem Referenzwert. Ein derartiger Vergleich kann besonders einfach durch eine elektronische Steuereinrichtung durchgeführt werden. Stimmt beispielsweise der aktuelle Basiswert mit dem Referenzwert überein, so kann dies als Anzeichen dafür gesehen werden, dass eine Korrekturbewegung des Nockenwellenverstellers nicht notwendig ist.

Nach Maßgabe des Ergebnisses des Vergleichs erfolgt eine Korrektur des Nockenwellenverstellers. Hierbei kann die notwendige Korrekturbewegung beispielsweise proportional der Abweichung von Basiswert und Referenzwert sein oder über geeignete Kennfelder vorgegeben sein. Alternativ ist eine Regelungsvorgang der Korrektur des Nockenwellenverstellers möglich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für eine Bestimmung des Referenzwertes ein Basiswert bei einer Erstbetriebnahme berücksichtigt wird. Geht man davon aus, dass Längungen oder Verschleißerscheinungen bei einer Erstbetriebnahme noch nicht eingetreten sind, so kann beispielsweise als Referenzwert ein a priori konstruktiv fest vorgegebener Wert in der Speichereinrichtung vorgegeben sein. Alternativ ist es möglich, dass es sich bei dem bei einer Erstbetriebnahme berücksichtigten Referenzwert um einen für die Erstbetriebnahme gemessenen aktuellen Basiswert handelt. Ein derartiger gemessener Referenzwert erfasst damit auch etwaige Toleranzen und Fertigungsabweichungen, welche bereits für die Erstbetriebnahme vorliegen. Unter Erstbetriebnahme kann in diesem Sinne auch eine Wiederinbetriebnahme nach einem Werkstattaufenthalt, beispielsweise bei einem Austausch von einem Bauteil des Nockenwellentriebes, verstanden werden.

Um das erfindungsgemäße Verfahren von (schnellen) Schwankungen zu entkoppeln, ist es vorteilhaft, wenn für eine Bestimmung des Referenzwertes und/oder des aktuellen Basiswertes eine zeitliche Mittelung mehrerer zeitlich zurückliegender Basiswerte erfolgt. Hierdurch können beispielsweise Messungenauigkeiten herausgemittelt werden. Weiterhin kann der Einfluss eines unter Umständen vorhandenen Spiels herausgemittelt werden. Reversible Anteile von Veränderungen des Winkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle werden auf diese Weise ebenfalls entfernt.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt eine zusätzliche Korrektur des aktuellen Basiswertes, des Referenzwertes und/oder der Korrektur des Nockenwellenverstellers nach Maßgabe des Ergebnisses des Vergleiches unter Berücksichtigung eines Betriebs- oder Umgebungszustands. Hierdurch kann die Genauigkeit des Nockenwellenverstellers weiter erhöht werden. Beispielsweise können Längungen des Zugmittels durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur (bspw. Sommer- oder Winterbetrieb) berücksichtigt werden. Hierbei kann ein a priori bekanntes Kennfeld, eine funktionale Abhängigkeit oder ein Proportionalitätsfaktor in einer Steuereinrichtung Verwendung finden. Beispielsweise kann hier ein thermischer Längendehnungskoeffizient oder eine Längung des Zugmittels als Funktion der Betriebsdauer auf einfache Weise berücksichtigt sein.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem ausgewählten Betriebszustand, in welchem der aktuelle Basiswert erfasst wird, (jeweils) um einen Inbetriebnahmezustand, also einen Zustand in zeitlicher Umgebung des Anlassvorgangs der mit dem Nockenwellenversteller ausgestatteten Brennkraftmaschine. Für derartige Inbetriebnahmezustände liegen besonders definierte Bedingungen vor, so dass die Möglichkeit von Fehlereinflüssen weiter minimiert ist.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist bei einer Erfassung des aktuellen Basiswertes der Nockenwellenversteller in einem definierten Betriebspunkt. Beispielsweise befindet sich der Nockenwellenversteller in einer Nulllage oder an einem Anschlag. Hierdurch kann eine definierte Winkellage zwischen einem dem Nockenwellenversteller zugeordneten Antriebselement und der Nockenwelle hergestellt werden, so dass Abweichungen einer Ist-Lage des Nockenwellenverstellers von einer Soll-Lage nicht zu einer Verfälschung des aktuellen Basiswertes führen können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Nockenwellentriebes mit einem Zugmittel und Sensoren zur Erfassung der Drehwinkel von Nockenwellen und einer Kurbelwelle;
2 ein schematisches Diagramm für den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Teil eines Ventiltriebes 10 dargestellt. Über ein drehfest mit einer Kurbelwelle verbundenes Antriebselement 11, insbesondere ein Kettenrad oder ein Riemenrad, werden unter Zwischenschaltung des Zugmittels 12, insbesondere einer Kette oder eines Riemens, nicht dargestellten Nockenwellen zugeordnete Abtriebselemente 13, 14, insbesondere Kettenräder oder Riemenräder, angetrieben.
Zwischen die Abtriebselemente 13, 14 und die zugeordneten Nockenwellen ist jeweils ein Nockenwellenversteller 15 zwischengeschaltet. Über ein geeignetes elektrisches, mechanisches oder hydraulisches Stellsignal 16 kann mittels des Nockenwellenverstellers 15 die Nockenwelle gegenüber dem zugeordneten Abtriebselement 13, 14 (begrenzt oder unbegrenzt) verschwenkt werden, womit eine Veränderung der Öffnungs- und/oder Schließzeiten von Einlass- und/oder Auslassventilen einer Brennkraftmaschine einhergeht. Bei dem Nockenwellenversteller 15 handelt es sich um einen Nockenwellenversteller beliebiger Bauart, insbesondere mit elektrischer oder hydraulischer Stelleinrichtung. Über den Nockenwellenversteller 15 kann eine Verstellung der Öffnungs- und Schließzeiten unabhängig voneinander oder eine gemeinsame Verschiebung der Öff nungs- und Schließzeiten erfolgen. Lediglich beispielhaft werden als mögliche Ausgestaltungsformen für einen Nockenwellenversteller 15 Nockenwellenversteller mit einer hydraulischen Steuereinrichtung unter Verwendung einer Taumelscheibe (vgl. DE 41 35 378 A1 ), mit einem Taumelscheibengetriebe (vgl. DE 100 38 354 C2 ) oder mit einem Planetengetriebe, einem Einzel- oder Doppelexzentergetriebe (vgl. DE 102 48 355 A1 ) genannt.
Die Abtriebselemente 13, 14 rotieren mit halber Winkelgeschwindigkeit des Antriebselementes 11. Aus der schematischen Darstellung gemäß 1 ist ersichtlich, dass mit einer Längung des Zugmittels 12 eine Veränderung der Verhältnisse der Winkels β₁, α₁, α₂ eintritt.
Die Drehwinkel des Antriebselementes 11 und der Abtriebselemente 13, 14 werden durch Sensoren 17, 18, 19 erfasst.
Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden einer Steuereinrichtung 20 Motorparameter 21 zugeführt. Die Motorparameter 21 beinhalten beispielsweise eine aktuelle Drehzahl des Motors, Betriebsgrößen einer Gemischaufbereitung, eines Katalysators oder einer Lambda-Sonde, Leistungsparameter, eine Leistungsanforderung des Fahrers, ein Motorkennfeld, die Laufkultur des Motors beschreibende Parameter, eine Betriebsdauer des Motors, Betriebsbedingungen wie beispielsweise eine Kaltstartbedingung, Kraftstoffersparnisanforderungen oder Abgasemissionsanforderungen. Aus den vorgenannten Motorparametern ermittelt die Steuereinrichtung 20 ein Stellsignal 16 zur Ansteuerung des Nockenwellenverstellers 15, welcher entsprechend dem Stellsignal einen geeigneten Betriebspunkt des Motors mit zugeordneten Öffnungs- und/oder Schließzeiten der Ventile einstellt.
Zur Berücksichtigung von Veränderungen der relativen Lage zwischen Nockenwellen und Kurbelwelle bzw. Abtriebselementen 13, 14 und Antriebselement 11 werden der Steuereinrichtung 20 die Messsignale der Sensoren 17, 18 und 19 zugeführt sowie ggf. weitere Signale 22, beispielsweise eine Umgebungstemperatur, mittels welcher eine thermische Wärmedehnung des Zugmit tels 12 bestimmt werden kann. Aus den Signalen der Sensoren 17, 18, 19 sowie Signal 22 ermittelt die Steuereinrichtung 20 eine geeignete Korrektur des Stellsignals 16, welche die Veränderung der relativen Winkellage zwischen Antriebselement 11 und Abtriebselementen 13, 14 berücksichtigt.
Zur Korrektur des Stellsignals 16 führt die Steuereinrichtung 20 einen Vergleich eines aktuellen Basiswertes, welcher mit einem Winkel zwischen mindestens einem Abtriebselement 13, 14 und einem Antriebselement 11 korreliert, und einem Referenzwert durch. Der aktuelle Basiswert ist aus den Messwerten der Sensoren 17, 18, 19 aktuell ermittelt und insbesondere mit zurückliegenden ermittelten Basiswerten verrechnet. Zurückliegende Basiswerte können aus einer Speichereinrichtung 23 ausgelesen werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem aktuellen Basiswert um einen Mittelwert aus dem aktuell bestimmten Basiswert und mehreren zeitlich zurückliegenden Basiswerten.
Bei dem Referenzwert handelt es sich um einen aus einer Speichereinrichtung 23 ausgelesenen Wert, welcher a priori in der Speichereinrichtung abgelegt ist, einem zeitlich zurückliegenden Basiswert entspricht oder aus mehreren zeitlich zurückliegenden Basiswerten gemittelt wurde.
Das Ergebnis des Vergleichs des aktuellen Basiswerts mit dem Referenzwert wird über eine Proportionalitätskonstante oder ein Kennfeld, welches beispielsweise in der Steuereinrichtung 20 oder der Speichereinrichtung 23 abgelegt ist, in eine geeignete Korrektur des Stellsignals 16 umgerechnet.
Anstelle einer Erfassung der Drehwinkel von Antriebselement 11 und/oder Abtriebselementen 13, 14 kann unmittelbar der Drehwinkel der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle(n) verwendet werden.

10: Ventiltrieb
11: Antriebselement
12: Zugmittel
13: Abtriebselement
14: Abtriebselement
15: Nockenwellenversteller
16: Stellsignal
17: Sensor
18: Sensor
19: Sensor
20: Steuereinrichtung
21: Motorparameter
22: Signale
23: Speichereinrichtung

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers (15), bei welchem ein mit einem Winkel zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle korrelierender Basiswert automatisiert erfasst wird und eine verschleißabhängige Änderung des Basiswertes durch eine Korrektur des Nockenwellenverstellers (15) ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer Speichereinrichtung (23) ein Referenzwert abgespeichert wird, – ein aktueller Basiswert in einem ausgewählten Betriebszustand erfasst wird, – ein Vergleich des aktuellen Basiswertes mit dem Referenzwert durchgeführt wird und – nach Maßgabe des Ergebnisses des Vergleiches eine Korrektur der Nockenwellenverstellers (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Bestimmung des Referenzwertes ein aktueller Basiswert bei einer Erstinbetriebnahme berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Bestimmung des Referenzwertes und/oder aktuellen Basiswertes eine zeitliche Mittelung mehrerer zeitlich auseinanderliegender Basiswerte erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Korrektur des Basiswertes, des Referenzwertes und/oder des Ergebnisses des Vergleiches nach Maßgabe weiterer Betriebs- oder Umgebungsparameter (Signale 22) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ausgewählten Betriebszustand, bei welchem der aktuelle Basiswert erfasst wird, um einen Inbetriebnahmezustand handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Basiswert ermittelt wird, wenn sich der Nockenwellenversteller (15) in einem definierten Betriebszustand befindet.