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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/012,149,
eingereicht am 07. Dezember 2007. Der Offenbarungsgehalt der obigen
Anmeldung ist hier vollständig
durch Bezugnahme mit aufgenommen.
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GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Motorsteuerung und insbesondere
auf die Nockenwellenpositionssteuerung.
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HINTERGRUND
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Die
hier gegebene Beschreibung des Hintergrunds bezweckt eine allgemeine
Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der genannten
Erfinder, soweit sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben
wird, sowie Aspekte der Beschreibung, die nicht anderweitig als
Stand der Technik zur Zeit der Anmeldung in Frage kommen, werden
weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der
vorliegenden Offenbarung anerkannt.
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Eine
Nockenwelle betätigt
Ventile eines Verbrennungsmotors. Bei einer Konfiguration mit doppelter oben
liegender Nockenwelle umfasst der Motor für jede Zylinderreihe eine Auslassnockenwelle
und eine Einlassno ckenwelle. Die Drehung der Nockenwellen betätigt die
Einlass- und Auslassventile des Motors. Die zeitliche Steuerung
von Ventilereignissen kann den Luftdurchfluss, eingeschlossene Rückstände und
die Zündpunktverstellungsempfindlichkeit
beeinflussen und somit den Motorwirkungsgrad hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs
und des Schadstoffausstoßes
verbessern.
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Ein
Motorsteuersystem kann eine oder mehrere Nockenwellenverstellvorrichtungen
(Nockenwellensteller) umfassen. Ein Nockenwellensteller kann dazu
verwendet werden, einen stufenlos veränderlichen Drehversatz zwischen
der Auslassnockenwelle und der Einlassnockenwelle und/oder der Kurbelwelle
zu erzeugen, was den Öffnungs-
und den Schließzeitpunkt
zwischen Einlass- und Auslassventilen verändert.
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Ein
auf einem Nockenwellensteller basierendes Steuersystem umfasst im
Allgemeinen ein Steuerventil und einen Phasensteller. Das Steuerventil
wird dazu verwendet, den Durchgang von Hydraulikfluid zum Phasensteller
auf Grundlage eines Signals für
eine befohlene Position einzustellen. Der Durchfluss von Hydraulikfluid
steuert die Bewegung eines Schiebers im Phasensteller und somit
die relative Positionierung zwischen den Nockenwellen und/oder einer
Kurbelwelle. Sobald sich der Nockenwellensteller in der befohlenen
Position befindet, ist der Fluidfluss zu beiden Seiten des Stellgliedes
ausgeglichen, womit der Nockenwellensteller in einer festen Position
ist. Diese Steuerventilposition wird als Steuerhalteposition bezeichnet.
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Die
Positionierung des Steuerventils wird dadurch erreicht, dass die
Energie, die einem Solenoid, das das Steuerventil über ein
Steuertastverhältnissignal
verstellt, zugeführt
wird, verändert
wird. Im Allgemeinen basiert ein Steuerhaltetastverhältnis (control
hold duty cycle, CHDC) auf einem Regressionsmodell, das während der
Entwicklung eines Fahrzeugs berechnet wird. Das CHDC wird anhand
eines Regressionsmodells berechnet, das durch Fahrzeugtesten und
Nachverarbeitung von Testdaten mit der Zeit entwickelt wird. Das
Regressionsmodell wird, sobald es entwickelt ist, in einem Nockenwellensteller-Steuersystem
eines Fahrzeugs gespeichert und bleibt unverändert. Infolge von Komponentenverschleiß nimmt
die Genauigkeit des Regressionsmodells mit der Zeit ab.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein Nockenwellensteller-Steuersystem für einen Motor geschaffen, das
einen Nockenwellenpositionssensor umfasst, der auf Grundlage der
Position einer Nockenwelle ein Signal für eine momentane Nockenwellenposition
erzeugt. Ein erster Komparator erzeugt auf Grundlage des Signals
für die
momentane Nockenwellenposition und einer Kurbelwellenposition ein
Nockenwellenpositionssignal. Der zweite Komparator erzeugt auf Grundlage
des Signals für
die relative Nockenwellenposition und eines Signals für die befohlene Nockenwellenposition
ein Fehlersignal. Ein Steuermodul bestimmt auf Grundlage eines Motorzustandsparameters
ein momentanes Steuerhaltetastverhältnis (CHDC) für einen
Nockenwellensteller. Das Steuermodul erzeugt außerdem auf Grundlage des Fehlersignals
ein Korrektursignal, gleicht auf Grundlage des Korrektursignals
das momentane CHDC ab, um ein Signal für ein befohlenes Tastverhältnis zu
erzeugen, und erzeugt auf Grundlage des Signals für das befohlene
Tastverhältnis
ein weiteres CHDC. Das Signal für
das befohlene Tastverhältnis
kann erzeugt und/oder gespeichert werden, nachdem der dem Fehlersignal
zugeordnete Positionsfehler abgeschwächt ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal umfasst ein adaptives Nockenwellensteller-Steuersystem
für einen Motor
einen Speicher, der Steuerhaltetastver hältnis-(CHDC)-Werte speichert.
Ein Nockenwellenpositionssensor erzeugt auf Grundlage der Position
einer Nockenwelle ein Signal für
eine momentane Nockenwellenposition. Ein erster Komparator erzeugt
auf Grundlage des Signals für
die momentane Nockenwellenposition und einer Kurbelwellenposition
ein Signal für
eine relative Nockenwellenposition. Ein zweiter Komparator erzeugt auf
Grundlage des Signals für
die relative Nockenwellenposition und eines Signals für die befohlene
Nockenwellenposition ein Fehlersignal. Ein Steuermodul bestimmt
auf Grundlage eines Motorzustandsparameters einen CHDC-Wert für einen
Nockenwellensteller. Das Steuermodul erzeugt außerdem auf Grundlage des Fehlersignals
ein Korrektursignal, gleicht auf Grundlage des Korrektursignals
den CHDC-Wert ab,
um ein Signal für
das befohlene Tastverhältnis
zu erzeugen, und speichert das befohlene Tastverhältnis als
CHDC-Signal im Speicher. Das Signal für das befohlene Tastverhältnis kann
erzeugt und/oder gespeichert werden, nachdem der dem Fehlersignal
zugeordnete Positionsfehler abgeschwächt ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Merkmal umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Nockenwellensteller-Steuersystems
das Bestimmen eines Steuerhaltetastverhältnisses (CHDC) für einen
Nockenwellensteller auf Grundlage eines Motorzustandsparameters.
Es wird ein Signal für
eine befohlene Nockenwellenposition erzeugt. Es wird eine momentane
Nockenwellenposition relativ zu einer Kurbelwelle bestimmt. Auf
Grundlage des Signals für
die befohlene Nockenwellenposition und der momentanen Nockenwellenposition
wird ein Fehlersignal erzeugt. Auf Grundlage des Fehlersignals wird
ein Korrektursignal erzeugt. Das CHDC wird auf Grundlage des Korrektursignals
abgeglichen, um ein Signal für
das befohlene Tastverhältnis
zu erzeugen. Das Signal für
das befohlene Tastverhältnis
wird im Speicher gespeichert.
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Weitere
Anwendungsgebiete werden aus der hier gegebenen Beschreibung deutlich.
Selbstverständlich
sind die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich zum
Zweck der Veranschaulichung gedacht und nicht dazu gedacht, den
Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung
und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise
begrenzen. In den Zeichnungen sind:
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1 ein
funktionaler Blockschaltplan eines Motorsteuersystems, das ein Nockenwellensteller-Steuersystem
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung umfasst;
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2 ein
Diagramm der Einlass- und Auslassnockenwellengeschwindigkeit über dem
Tastverhältnis;
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3 ein
funktionaler Blockschaltplan, der ein beispielhaftes Nockenwellensteller-Betätigungssystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung zeigt;
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4 ein
funktionaler Blockschaltplan einer Nockenwellensteller-Steuerschaltung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung; und
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5 ein
logischer Ablaufplan, der ein Verfahren zum Betreiben eines Nockenwellensteller-Steuersystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung ist dem Wesen nach rein beispielhaft, wobei
keineswegs beabsichtigt ist, die Offenbarung, ihre Anwendung oder
ihre Verwendungen zu beschränken.
Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen
zum Kennzeichnen ähnlicher
Elemente verwendet. Der Ausdruck "wenigstens eines von A, B und C" soll als logisches "A oder B oder C" unter Verwendung
eines nicht-exklusiven logischen ODER interpretiert werden. Wohlgemerkt
können
Schritte in einem Verfahren in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden,
ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
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Der
Begriff "Modul", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam
genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher,
der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische
Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene
Funktionalität
verschaffen.
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Die
nachstehend beschriebenen Ausführungsformen
schaffen Systeme und Schaltungen zum adaptiven Lernen eines geeigneten
Steuersignals, um einen Ventilschieber eines Phasenstellers in eine
Steuerhalteposition zu positionieren. Dies erübrigt ein Regressionsmodell
zum Berechnen eines Steuerhaltetastverhältnisses und eine damit verbundene
Kalibrierung jenes Modells. Die Systeme und Schaltungen besitzen
eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Spannungs-, Temperatur-
und Komponentenaufbauabweichungen. Außerdem erlauben die Systeme
und Schaltungen weniger strenge Entwurfsanforderungen an Phasensteller.
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In 1 ist
ein funktionaler Blockschaltplan eines Motorsteuersystems 10 gezeigt,
das ein Nockenwellensteller-Steuersystem 12 umfasst. Ein
Motorsteuersystem 10 umfasst einen Motor 14, der
eine oder mehrere Nockenwellen 16, 18 besitzt.
Die Position der Nockenwellen 16, 18 wird durch
das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 gesteuert. Das
Nockenwellensteller-Steuersystem 12 ist auf Grundlage der
Nockenwellensteller-Steuerschaltungseigenschaften
und des Regelungssystemverhaltens, die bekannt sind und anhand von
Informationen zur Verbesserung der Motorleistung erhalten werden
können,
abgestimmt. Das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 bestimmt während des
Betriebs des Motors 14 adaptiv das befohlene Steuerhaltetastverhältnis (CHDC).
Das Steuerhaltetastverhältnis
wird auf ein Ölregulierventil
eines Phasenstellers angewandt, um den Ölfluss zu beiden Seiten eines
Schiebers im Phasensteller zu blockieren. Um die Position eines Phasenstellers
abzugleichen und gemessenen Positionsfehler zu beseitigen, werden
Proportional- und Integral-Modifizierfaktoren verwendet. Dies wird
weiter unten beschrieben. Das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 lernt
mit der Zeit ein geeignetes CHDC für momentane Motorbetriebsbedingungen
und -zustände.
Die CHDC-Werte werden gespeichert und können während eines momentanen Betriebsereignisses
des Fahrzeugs verwendet und aktualisiert werden und/oder während eines
künftigen
Betriebsereignisses verwendet werden.
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Die
Nockenwellensteller-Systemeigenschaften können die Verstärkung, Zeitkonstanten,
Verzögerungszeiten
und andere Nockenwellenstellereigenschaften umfassen. Die Informationen
zur Verbesserung der Motorleistung können sich auf Nockenwellen-
und Kurbelwellenpositionsinformationen, die Funkenzündung, die
Kraftstoffeinspritzung, den Luftdurchfluss und andere Motorleistungsparameter
beziehen. Das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 besitzt
geplante Verstärkungen
zur Steuerung eines oder mehrerer Nockenwellensteller, um Phasen-
und Verstärkungs spielräume für die Regelung
zu verschaffen, die Robustheitskriterien erfüllen.
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Bei
Gebrauch ermöglicht
das Motorsteuersystem 10 das Ansaugen von Luft durch eine
Drosselklappe 22 in einen Ansaugkrümmer 20. Die Drosselklappe 22 reguliert
den Massenluftdurchfluss in den Ansaugkrümmer 20. Die Luft
im Ansaugkrümmer 20 wird
in Zylinder 24 verteilt. Obwohl ein einziger Zylinder 24 gezeigt
ist, kann das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 wohlgemerkt
in Motor in Kraft gesetzt sein, die irgendeine Anzahl von Zylindern
besitzen.
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Ein
Einlassventil 26 öffnet
und schließt
wahlweise, um den Eintritt des Luft/Kraftstoff-Gemischs in den Zylinder 24 zuzulassen.
Die Einlassventilposition wird durch eine Einlassnockenwelle 16 reguliert.
Ein Kolben komprimiert das Luft/Kraftstoff-Gemisch im Zylinder 24.
Eine Zündkerze 28 löst die Verbrennung
des Luft/Kraftstoff-Gemischs aus, womit der Kolben im Zylinder 24 angetrieben
wird. Der Kolben treibt eine Kurbelwelle an, um ein Antriebsmoment
zu erzeugen. Das Verbrennungsabgas im Zylinder 24 wird
aus einer Auslassöffnung gezwungen,
wenn sich ein Auslassventil 30 in einer geöffneten
Stellung befindet. Die Auslassventilstellung wird durch eine Auslassnockenwelle 18 reguliert.
Das Abgas wird in einem Abgassystem behandelt und an die Umgebung
abgegeben. Obwohl nur ein Einlassventil 26 und ein Auslassventil 30 gezeigt
sind, kann der Motor 14 wohlgemerkt mehrere Einlass- und
Auslassventile 26, 30 pro Zylinder 24 aufweisen.
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Das
Motorsystem 10 umfasst ferner einen Einlassnockenwellensteller 32 und
einen Auslassnockenwellensteller 34, die die Drehsteuerung
der Einlassnockenwelle 16 bzw. der Auslassnockenwelle 18 vornehmen.
Genauer kann die Steuerzeit der Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 16, 18 in
Be zug zueinander oder in Bezug auf einen Ort des Kolbens im Zylinder 24 oder
eine Kurbelwellenposition verzögert
oder vorverlegt werden. Die Einlass- bzw. Auslassnockenwellensteller 32, 34 regulieren
die Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 16, 18 auf
Grundlage einer Signalausgabe von einem oder mehreren Nockenwellenpositionssensoren 36.
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Die
Nockenwellenpositionssensoren 36 können die Form eines Nockenwellen-Zielradsensors
(Impulsgeberradsensor) besitzen und die relative Position von Flanken
an jenem Rad messen. Die Nockenwellenpositionssensoren 36 können unter
anderem Sensoren mit veränderlichem
magnetischem Widerstand oder Halleffekt-Sensoren umfassen. Bei einer
Ausführungsform
können
die Nockenwellenpositionssensoren 36 Codiereinrichtungen
sein, die Zähne
an einem sich drehenden Kettenrad der Nockenwellen 16, 18 erfassen.
Die Nockenwellenpositionssensoren 36 übertragen Ausgangssignale,
die die Drehposition der Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 16, 18 angeben.
Die Übertragung
kann erfolgen, wenn die Nockenwellenpositionssensoren 36 den
Durchgang einer beabstandeten Positionsmarkierung (z. B. eines Zahns,
einer Zunge und/oder eines Schlitzes) an einer Scheibe oder einem
Zielrad, die bzw. das mit den Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 16, 18 gekoppelt
ist, angeben.
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Ein
Hauptsteuermodul 40 betreibt der Motor auf Grundlage des
Nockenwellensteller-Steuersystems 12. Das Hauptsteuermodul 40 kann
ein Positionssteuermodul, ein Verstärkungsplanungsmodul und ein
Verstärkungsberechnungsmodul
umfassen, die in 2 am besten zu erkennen sind.
Das Hauptsteuermodul 40 erzeugt Steuersignale zum Regulieren
von Motorkomponenten in Ansprechen auf Motorbetriebszustände. Das
Hauptsteuermodul 40 erzeugt auf Grundlage einer Stellung
eines Fahrpedals und eines Drosselklappenstellungssignals, das von
einem Drosselklappenstellungssensor (throttle position sensor, TPS) 42 erzeugt wird,
ein Drosselklappensteuersignal. Anhand des Drosselklappensteuersignals
stellt ein Drosselklappenstellglied die Drosselklappenstellung ein.
Das Drosselklappenstellglied kann einen Motor oder einen Schrittmotor umfassen,
der eine begrenzte und/oder grobe Steuerung der Drosselklappenstellung
bewirkt.
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Das
Hauptsteuermodul 40 reguliert außerdem ein Kraftstoffeinspritzsystem 43 sowie
die Nockenwellensteller 32, 34. Das Hauptsteuermodul 40 bestimmt
anhand der Ausgabe der Nockenwellenpositionssensoren 36 und
weiterer Sensoren 47 die Positionierung und die Steuerzeit
(z. B. die Phase) zwischen der Einlassnockenwelle 16 oder
der Aulassnockenwelle 18 (dem Einlassventil oder dem Auslassventil)
und der Kurbelwelle. Beispielsweise können die Positionierung und
die Steuerzeit auf Grundlage eines Temperatursignals von einem Hydrauliktemperatursensor 45 und/oder
einer Spannung einer Energiequelle 49 aufbereitet werden. Der
Temperatursensor 45 kann die Temperatur von Öl in dem
Motor 14 und/oder in einer Nockenwellensteller-Steuerschaltung
wie etwa jener, die in 2 gezeigt ist, liefern. Die
weiteren Sensoren können
die nachstehend erwähnten
Sensoren umfassen.
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Ein
Ansauglufttemperatur-(intake air temperature, IAT)-Sensor 44 spricht
auf eine Temperatur des Ansaugluftdurchflusses an und erzeugt ein
Ansauglufttemperatursignal. Ein Massenluftdurchfluss-(mass airflow, MAF)-Sensor 46 spricht
auf die Masse des Ansaugluftdurchflusses an und erzeugt ein MAF-Signal.
Ein Krümmerabsolutdruck-(manifold
absolute pressure, MAP)- bzw. Absolutladedrucksensor 48 spricht
auf den Druck im Ansaugkrümmer 20 an
und erzeugt ein MAP-Signal. Ein Motorkühlmitteltemperatursensor 50 spricht
auf eine Kühlmitteltemperatur
an und erzeugt ein Motortemperatursignal. Ein Motordrehzahlsensor 52 spricht
auf eine Drehzahl des Motors 14 an und erzeugt ein Motordrehzahlsignal.
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Jedes
der von den Sensoren erzeugten Signale wird vom Hauptsteuermodul 40 empfangen.
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Das
Nockenwellensteller-Steuersystem 12 umfasst ferner einen
Parkzustandsdetektor. Der Parkzustandsdetektor 60 erfasst,
wann sich der Motor in einem Parkzustand befindet. Der Parkzustand
bezieht sich darauf, dass der Motor zunächst gestartet wird und sich
das Fahrzeug nicht bewegt. Der Parkzustandsdetektor 60 gibt
an, dass sich die Nockenwellen 16, 18 in anfänglichen
Startpositionen befinden, die bei Ruhepositionen Vorgabe sein können. Beispielsweise
können
die Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 16, 18 nach
dem Abschalten des Motors 14 in unbekannte feste, vorgegebene
Positionen gezwungen werden. Außerdem
können nach
dem Starten des Motors anfängliche
vorgegebene CHDC-Werte während
der Nockenwellenstellersteuerung verwendet werden. Die vorgegebenen
CHDC-Werte können
Vorgabewerte oder während
eines vorhergehenden Betriebsereignisses gespeicherte Werte sein.
Der Parkzustandsdetektor 60 kann einen Motorsensor, einen
Getriebesensor, einen Zündungssensor
usw. umfassen. Der Parkzustandsdetektor 60 kann Teil des Steuermoduls 40 sein.
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In 2 ist
ein Diagramm der Einlass- und Auslassnockenwellengeschwindigkeit über dem
befohlenen Tastverhältnis
gezeigt. Das Diagramm enthält
Einlassgeschwindigkeits-, Auslassgeschwindigkeits-, Einlassdurchflussmengen-
und Auslassdurchflussmengen-Beispieldatendiagramme für eine normale
Betriebstemperatur. Die Einlass- und Auslassdiagramme repräsentieren
die relative Änderung
der Geschwindigkeit einer Nockenwelle in Bezug auf eine Kurbelwelle.
Bei etwa 50% des befohlenen Tastverhältnisses, wie durch den Pfeil 70 angegeben
ist, sind die relativen Nockenwellengeschwindigkeiten annähernd null.
An diesem Punkt befindet sich ein Ventilschieber eines zugeordneten
Phasenstellers in einer festen Position, wobei Hydraulikfluid weder
in den Phasensteller eintritt noch aus diesem austritt.
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Eine
Technik zum Modulieren der Energie für eine elektrische Vorrichtung
besteht darin, das Tastverhältnis
in Prozent oder die Zeitspanne, für die ein Schaltsteuersignal
an die Vorrichtung angelegt wird, zu verändern. Wenn die Frequenz des
Schaltsteuersignals wesentlich höher
als die Eigenfrequenz der Vorrichtung ist, wirkt die Vorrichtung
als Integrator. Die Stellung bzw. Position der Vorrichtung wird
auf einen Punkt eingestellt, der der mittleren Energie, die aufgebracht
wird, entspricht.
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Die
Bewegung und Positionierung eines hydraulischen Nockenwellenstellers
wird dadurch vorgenommen, dass der Durchfluss von Öl zu einem
Stellglied gesteuert wird. Die Durchflusssteuerung wird ausgeführt, indem
einer Seite eines Ventilschiebers des Phasenstellers Öl zugeführt wird,
während
auf der anderen Seite des Ventilschiebers ein Pfad für das Öl geschaffen
wird, um es zu einem Vorratsbehälter
abzuziehen oder zurückzuführen. Sobald
sich der Ventilschieber in eine befohlene Position bewegt hat, wird
ein Steuerventil in eine Position verstellt, die die Zufuhr- und
Rückführöffnungen
des Ventils verschließt,
das Fluid im Phasensteller einschließt und den Ventilschieber in
einer festen Position verriegelt. Diese Position wird als Steuerhalteposition
bezeichnet. Die Positionierung des Ventilschiebers wird dadurch
vorgenommen, dass die Energie, die einem Solenoid des Steuerventils,
das den Ventilschieber bewegt, zugeführt wird, verändert wird.
Diese Positionierung wird mit Bezug auf die Ausführungsform nach 3 näher beschrieben.
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In 3 ist
ein funktionaler Blockschaltplan gezeigt, der ein beispielhaftes
Nockenwellensteller-Betätigungsteilsystem 72 zeigt.
Das Betätigungsteilsystem 72 steuert
die Position eines Phasenstellers (hydraulischen Stell glieds) 130,
das einen Rotor (Ventilschieber) 132 umfassen kann, um
dessen Linearpositionierung längs
eines Bewegungsbereichs zu bewirken. Der Rotor 132 kann
sich in zwei Richtungen bewegen. Der Rotor 132 kann sich
in eine erste Richtung bewegen, wenn eine erste Seite 136 der
Schaufeln des Rotors 132 mit Hydraulikfluiddruck vom Durchgang 134 beaufschlagt
wird. Der Rotor 132 kann sich in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung
bewegen, wenn eine zweite Seite 140 der Schaufeln des Rotors 132 mit
Fluiddruck beaufschlagt wird. Der Rotor 132 bewegt sich
entsprechend dem Einfluss des auf ihn ausgeübten Hydraulikdrucks. Der Phasensteller 132 verändert die
Winkelbeziehung zwischen einer Motorkurbelwelle 142 und
einer Motornockenwelle 144. Der Rotor 132 kann
beispielsweise durch eine paarweise Blockkonfiguration oder eine Schraubenkeilkonfiguration
an einem Zahnrad angebracht sein. Am Zahnrad kann eine mit der Kurbelwelle 142 verbundene
Kette 146 angeordnet sein. Der Phasensteller 130 ist
mit der Nockenwelle 144 mechanisch verbunden.
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Es
ist ein Steuerventil A angeordnet, um eine veränderliche Menge von Hydraulikfluid
durch einen Durchgang 138 zu lassen. Der relative Öldurchfluss
zu den Seiten bestimmt die Position des Rotors 132 im eingeschwungenen
Zustand. Durch eine genaue Steuerung der relativen Position des
Steuerventils A wird eine genaue Rotorpositionierung längs eines
Kontinuums von Positionen innerhalb des Stators des Phasenstellers 130 bewirkt.
Das Steuerventil A empfängt
Hydraulikfluid wie etwa herkömmliches
Motoröl
von einem Ölzufuhrsystem 154.
Das Ölzufuhrsystem 154 kann
eine Ölpumpe
umfassen, die Hydraulikfluid aus einem Vorratsbehälter ansaugt
und das Fluid bei geregeltem Druck zu einer Einlassseite des Steuerventils
A weiterleitet. Das Steuerventil A kann ein Dreiwegeventil sein,
das ein lineares, durch Magnetfeld angetriebenes Solenoid besitzt.
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Das
Steuerventil A wird auf Grundlage eines von einer Spule 156 gelieferten
Stroms positioniert. In einer Ruheposition ist das Steuerventil
A so positioniert, dass Fluid vom Rotor 132 weg abgezogen
wird, damit die Position des Rotors 132 durch den Fluidfluss
nicht beeinflusst wird. Wenn das Steuerventil A aus seiner Ruheposition
heraus betätigt
wird, wird ein Teil des abgezogenen Fluids zur entsprechenden Verlagerung
des Rotors 132 zu den entsprechenden Seiten von diesem
geleitet.
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Die
Pulsweitenmodulation-(PWM)-Steuerung wird durch Stromsteuerung der
Spule 156 über
eine PWM-Treiberschaltung 159 bewirkt. Die PWM-Treiberschaltung 159 setzt
das Positionssteuersignal U in ein PWM-Signal 163 um. Die
Spule 159 wird durch einen Transistor 160 aktiviert.
Das PWM-Signal 163 wird zum Transistor 160 weitergeleitet.
Das PWM-Signal 163 kann ein veränderliches Tastverhältnissignal
und zu einer begrenzten und umgesetzten Version des Positionssteuersignals
U ähnlich
sein. Das PWM-Signal 163 wird an die Basis des Transistors 160 angelegt.
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Der
Transistor 160 ist zwischen eine untere Seite 170 der
Spule 156 und eine Massereferenz 172 geschaltet.
Eine obere Seite 174 der Spule 156 ist mit einer
Versorgungsspannung V+ elektrisch verbunden. Das Steuerventil A
wird für
ein gegebenes Tastverhältnis
in einer festen Position, die dem mittleren Strom in der Spule 156 entspricht,
gehalten.
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Die
Position des Rotors 132 wird vom Nockenwellenpositionssensor 36,
der in unmittelbarer Nähe
des Rotors 132 positioniert sein kann, um die Rotorbewegung
zu abzutasten, erfasst. Das Nockenwellenpositionssignal 76 wird
zum Hauptsteuermodul 40 zurückgeführt. Das Hauptsteuermodul 40 kann
durch Ausführung
periodischer Steueroperationen Nockenwellenpositions-Befehlssignale 180 erzeugen,
um die hydraulische Verzögerung
im Betätigungsteilsystem, 72 zu
bestimmen. Die Differenz zwischen dem Positionsbefehlssignal 180 und
dem Nockenwellenpositionssignal 76 wird berechnet und einem
Positionssteuermodul 70 zugeführt. Das Positionssteuermodul 70 ist
mit einer Verstärkungsschaltung 74 und
mit einer PWM-Treiberschaltung 163 gekoppelt. Die PWM-Treiberschaltung 163 erzeugt
das PWM-Signal 163 auf Grundlage eines Positionssteuersignals
U.
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Das
Positionssteuermodul 70 gleicht das Positionssteuersignal
U in gesteuerter Weise so ab, dass die hydraulische Verzögerung beseitigt
wird, um eine reaktionsfähige
Positionssteuerung des Rotors 132 ohne Oszillation, Überschwingen
und/oder Ansprechverzögerung
zu bewirken. Das Positionssteuersignal U und die Nockenwellenpositions-Befehlssignale 180 können beispielsweise
als vorgegebene Funktion, die Motorparameter wie etwa die Motordrehzahl,
die Last und den Ansaugdruck umfassen, erzeugt werden. Das PWM-Signal 163 wird
mit einer geeigneten Phasenlage zwischen der Nockenwelle und der
Kurbelwelle erzeugt. Als Beispiel kann ein Vergleich zwischen dem
Wert der Veränderung
der PWM-Signale und der resultierenden Veränderung des Nockenwellenpositionssignals 76 über eine
vorgegebene Einschwingzeitperiode dazu verwendet werden, eine Einschwing-Übergangsfunktion
zu erzeugen. Als weiteres Beispiel kann die Rate der Verkleinerung
des Positionsfehlersignals die Systemansprechempfindlichkeit angeben.
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Es
sei nun auf 1 und 4, die einen
funktionalen Blockschaltplan einer Nockenwellensteller-Steuerschaltung 200 zeigen,
Bezug genommen. Obwohl die Nockenwellensteller-Steuerschaltung 200 bezüglich eines
einzigen Nockenwellenstellers gezeigt ist und in erster Linie hinsichtlich
eines solchen beschrieben wird, kann sie für mehrere Nockenwellensteller
modifiziert werden. Die Nockenwellensteller-Steuerschaltung 200 umfasst
ein CHDC-Modul 202, einen ersten Komparator 204,
einen zweiten Komparator 206, eine Proportional-Integral-Schaltung 208 und
einen Summierer 210, die jeweils Teil eines einzigen Steuermoduls oder
einer einzigen integrierten Schaltung sein können oder eigenständige Komponenten
sein können.
Außerdem
kann ein Steuermodul wie etwa das Steuermodul 40 mehr als
eine der Nockenwellensteller-Steuerschaltungen 200 umfassen.
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Das
CHDC-Modul 202 empfängt
ein oder mehrere Zustandsparametersignale. Bei der gezeigten Ausführungsform
empfängt
das CHDC-Modul ein Spannungssignal 212, das die Spannung
einer Energiequelle angibt, und ein Öltemperatursignal 213.
Das Spannungssignal 212 kann eine Spannung repräsentieren,
die von einem Solenoid eines einem Phasensteller zugeordneten Steuerventils
empfangen wird. Das Öltemperatursignal
kann vom Temperatursensor 45 erzeugt werden. Das CHDC-Modul 202 bestimmt
CHDC-Werte auf Grundlage der Zustandsparametersignale. Bei einer
Ausführungsform
umfasst das CHDC-Modul 202 einen Speicher 214 wie
etwa einen flüchtigen
oder einen nichtflüchtigen
Speicher. Der Speicher 214 speichert eine Verweistabelle 216,
die die empfangenen Zustandsparametersignale auf CHDC-Werte bezieht.
Die Verweistabelle 216 kann zunächst erzeugt und während der
Fertigung eines Fahrzeugs gespeichert werden oder während des
Betriebs des Fahrzeugs erzeugt werden. Die Verweistabelle 216 wird
während
des Betriebs des Fahrzeugs aktualisiert. Die aktualisierten Daten
können
in Verbindung mit einem spezifischen Betriebsereignis in der Verweistabelle
gespeichert und während
anderer Betriebsereignisse verwendet werden.
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Der
erste Komparator 204 bestimmt eine Nockenwellen-Winkelposition
relativ zu einer Kurbelwelle wie etwa der Kurbelwelle 142.
Der erste Komparator 204 empfängt ein Signal für eine momentane
Nockenwellenposition 218, das von einem Nockenwellensensor
oder einem Steuermodul wie etwa dem Nockenwellensensor 36 und
dem Steuermodul 40 stammen kann. Der erste Komparator 204 empfangt
außerdem
in ähnlicher Weise ein
Kurbelwellenpositionssignal 220, das von einem Kurbelwellensensor
oder einem Steuermodul erzeugt werden kann.
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Der
zweite Komparator 206 empfängt die relative Nockenwellen-Winkelposition 222 und
eine befohlene Nockenwellen-Winkelposition 224. Die befohlene
Nockenwellen-Winkelposition 224 kann von einem Steuermodul
wie etwa dem Steuermodul 40 erzeugt werden und auf verschiedenen
Motorzuständen
und Anforderungen an den Motor 14 basieren. Die befohlene
Nockenwellen-Winkelposition 224 kann beispielsweise auf Grundlage
der angeforderten Leistungsabgabe des Motors 14, der Emissionssteuerung,
der Kraftstoffwirtschaftlichkeit usw. erzeugt werden. Der zweite
Komparator 206 subtrahiert die momentane Nockenwellen-Winkelposition 222 von
der befohlenen Nockenwellen-Winkelposition 224, um ein
Nockenwellen-Winkelpositions-Fehlersignal 226 zu
erzeugen.
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Die
Proportional-Integral-Schaltung 208 empfängt das
Nockenwellen-Winkelpositions-Fehlersignal 226 und erzeugt
ein oder mehrere Korrektursignale. Die Proportional-Integral-Schaltung 208 umfasst
eine Proportionalverstärkungsvorrichtung 230,
eine Integralverstärkungsvorrichtung 232 und
einen Integrator 234. Bei der gezeigten Ausführungsform
erzeugt die Proportionalverstärkungsvorrichtung 230 ein
auf dem Fehlersignal 226 basierendes Proportionalverstärkungs-
oder erstes Korrektursignal 236. Die Variable K kann sich auf
einen Koeffizientenwert beziehen, der einem vorgegebenen Prozentsatz
entspricht, der damit verbunden ist, um wie viel der Tastverhältniswert
abzugleichen ist. Die Integralverstärkungsvorrichtung 232 erzeugt
ein auf dem Fehlersignal 226 basierendes Integralverstärkungssignal 238.
Der Integrator 234 integriert das Integralverstärkungssignal 238,
um ein zweites Korrektursignal 240 zu erzeugen. Die Proportional-Integral-Schaltung 208 kann
die Form eines Seriell- oder Parallel-Proportional-Integral-(PI)-
oder -Proportional-Integral-Differential- (PID)-Controllers besitzen. Somit kann
das Nockenwellensteller-Steuersystem 12 als elektrohydraulisches
System betrachtet werden, das einem System erster Ordnung mit einem
Integrator entspricht.
-
Der
Summierer 210 summiert die Ausgaben des CHDC-Moduls 202 und
der Proportional-Integral-Schaltung 208, um ein Signal
für das
befohlene Tastverhältnis
zu erzeugen, das einem Solenoid eines Nockenwellenstellers wie etwa
einem der Steuerventil-A-Solenoide zugeführt wird.
-
In 5 ist
ein Ablaufplan gezeigt, der ein Verfahren zum Betreiben eines Nockenwellensteller-Steuersystems
veranschaulicht, das mit dem Schritt 300 beginnt. Obwohl
die folgenden Schritte in erster Linie bezüglich der Ausführungsformen
nach den 1–4 beschrieben
werden, können
sie ohne weiteres so modifiziert sein, dass sie für andere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gelten. Obwohl die im Folgenden angeführten Schritte
bezüglich
einer einzigen Nockenwelle und deren Steuerung beschrieben werden, können diese
auch auf irgendeine Anzahl von Nockenwellen angewandt werden. Außerdem kann
die nachstehend beschriebene Steuerung durch ein Steuermodul wie
etwa das Steuermodul 40 eines Nockenwellensteller-Steuersystems
ausgeführt
werden.
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Im
Schritt 302 ermittelt ein Parkzustandsdetektor wie etwa
der Parkzustandsdetektor 60, ob sich ein Phasensteller
in einem anfänglichen
geparkten Zustand befindet. Wenn der Phasensteller in seinen anfänglichen
geparkten Zustand befohlen ist, kehrt die Steuerung zum Schritt 300 zurück; andernfalls
fährt die
Steuerung mit dem Schritt 306 fort.
-
Im
Schritt 306 wird ein Nockenwellen-Winkelpositions-Fehlersignal
erzeugt. Das Nockenwellen-Winkelpositions-Fehlersignal kann wie
oben mit Bezug auf den zweiten Komparator 206 der Ausführungsform nach 4 beschrieben
erzeugt werden.
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Im
Schritt 308 fährt
die Steuerung dann, wenn das Nockenwellen-Winkelpositions-Fehlersignal
kleiner als ein erster Schwellenwert ist, mit dem Schritt 310 fort;
andernfalls fährt
die Steuerung mit dem Schritt 312 fort. Der erste Schwellenwert
kann ein im Speicher gespeicherter vorgegebener Wert sein.
-
Im
Schritt 310 wird die Änderung
der Nockenwellengeschwindigkeit relativ zur Kurbelwelle bestimmt. Wenn
sich die relative Nockenwellen-Winkelposition einer befohlenen Nockenwellen-Winkelposition
annähert, nimmt
die die relative Änderung
der Geschwindigkeit zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle,
die sich zugeordnet sind, ab.
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Im
Schritt 312 wird die Nockenwellen-Winkelposition relativ
zur Kurbelwelle abgeglichen. Die Nockenwellen-Winkelposition wird
so abgeglichen, dass sie mit der befohlenen Nockenwellen-Winkelposition übereinstimmt
und der Nockenwellenpositionsfehler berichtigt wird. Die Steuerung
kann den Schritt 312 während
des Ausführens
der Schritte 300–314 ausführen. Es
werden Korrektursignale erzeugt. Die Korrektursignale können ein
Proportional-Korrektursignal, ein Integral-Korrektursignal usw.
umfassen.
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Im
Schritt 314 fährt
die Steuerung dann, wenn die Änderung
der Nockenwellengeschwindigkeit relativ zur Geschwindigkeit der
Kurbelwelle kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, mit dem Schritt 316 fort.
Andernfalls kann die Steuerung zum Schritt 312 zurückkehren,
wie gezeigt ist, oder zum Schritt 300 zurückkehren. Der
zweite Schwellenwert kann ein vorgegebener Wert sein, der im Speicher
gespeichert ist. Wenn die momentane Nockenwellen-Winkelposition
mit der befohlenen Nockenwellen-Winkelpo sition übereinstimmt und die relative Änderung
der Geschwindigkeit unter einem zweiten Schwellenwert liegt, wird
ein Ventilschieber des Phasenstellers in einer festen Position gehalten.
-
Im
Schritt 316 wird ein Vor-CHDC-Wert erzeugt. Der Vor-CHDC-Wert
kann, wie oben mit Bezug auf die Ausführungsform nach 4 beschrieben
wurde, durch das CHDC-Modul erzeugt werden. Der Vor-CHDC-Wert kann
ein anfänglich
gespeicherter CHDC-Wert, ein berechneter CHDC-Wert, ein CHDC-Wert von einem vorhergehenden
Betriebsereignis oder ein zuvor während der Ausführung irgendwelcher
der Schritte 300–324 erzeugter
CHDC-Wert sein. Die Solenoidkraft und die Ventilschieberpositionierungskraft
eines Nockenwellenstellers sind gegenüber der Temperatur und der
Energiequellenspannung empfindlich. Um dieser Empfindlichkeit gegenüber der
Temperatur und der Energiequellenspannung Rechnung zu tragen, bestimmt folglich
das Nockenwellensteller-Steuersystem die Steuerenergiemenge zum
Verstellen des Ventilschiebers in eine Steuerhalteposition.
-
Im
Schritt 317 kann ein Integral-Korrektursignal wie etwa
das Integralverstärkungssignal 238 bestimmt werden.
Außerdem
können,
wie hier beschrieben wurde, weitere Korrektursignale erzeugt werden.
-
Im
Schritt 318 ermittelt die Steuerung, ob das Integral-Korrektursignal
größer oder
gleich null ist. Wenn das Integral-Korrektursignal größer oder
gleich null ist, wird es zum Vor-CHDC-Wert addiert, um ein Signal
für das
befohlene (aktualisierte) CHDC zu erzeugen. Wenn das Integral-Korrektursignal
kleiner als null ist, wird es vom Vor-CHDC-Wert subtrahiert, um
ein Signal für
das befohlene (aktualisierte) CHDC zu erzeugen. Folglich ist das
Signal für
das befohlene CHDC oder das tatsächliche
Tastverhältnis,
das an den Phasensteller geliefert wird, die Summe aus einem Steuerhaltewert
und einem Wert, der durch einen Positionssteueralgorithmus (d. h.
PI, PID usw.) beschafft wird.
-
Im
Schritt 320 wird der Vor-CHDC-Wert auf Grundlage des Integral-Korrektursignals
verkleinert, um das Signal für
das befohlene CHDC zu erzeugen. Im Schritt 322 wird der
Vor-CHDC-Wert auf Grundlage des Integral-Korrektursignals vergrößert, um
das Signal für
das befohlene CHDC zu erzeugen.
-
Im
Schritt 324 wird das Signal für das befohlene CHDC gespeichert
und dem Solenoid des Phasenstellers zugeführt, um den Ventilschieber
in einer festen Position zu halten. Nach Abschluss des Schritts 324 kehrt
die Steuerung zum Schritt 300 zurück. Der befohlene CHDC-Wert
kann den Vor-CHDC-Wert in einem Speicher wie etwa dem Speicher 214 ersetzen.
Dies ermöglicht
einen adaptiven Abgleich von CHDC-Werten, beispielsweise in einer
Tabelle des Speichers. Die Tabellenwerte können kontinuierlich aktualisiert,
ersetzt und/oder dazu verwendet werden, neue CHDC-Werte zu erzeugen.
Der befohlene CHDC-Wert oder gelernte Wert kann anders als in den
Schritten 318–322 vorgegeben
berechnet werden. Beispielsweise kann der befohlene CHDC-Wert berechnet
werden, indem der Vor-CHDC-Wert mit einem vorgegebenen Prozentsatze
eines Integral-Korrekturwerts multipliziert wird. Dies begrenzt
den Betrag, um den sich ein Vor-CHDC-Wert während einer einzelnen Iteration ändert.
-
Die
oben beschriebenen Schritte können
ununterbrochen wiederholt werden. Die oben beschriebenen Schritte
sind als veranschaulichende Beispiele gemeint; die Schritte können je
nach Anwendung nacheinander, synchron, gleichzeitig, während sich überlappender
Zeitperioden oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden.
-
Die
hier offenbaren Ausführungsformen
schaffen adaptive Nockenwellensteller-Steuersysteme, die Veränderungen
der Motorzustandsparameter Rechnung tragen und Veränderungen
von Motorkomponenten, beispielsweise infolge des Verschleißes mit
der Zeit, abgleichen.
-
Fachleute
können
der vorangehenden Beschreibung entnehmen, dass die weit reichenden
Lehren der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Formen implementiert
sein können.
Daher soll, obwohl diese Offenbarung in Verbindung mit speziellen
Beispielen von ihr beschrieben worden ist, der wahre Umfang der
Offenbarung nicht darauf begrenzt sein, da dem erfahrenen Praktiker
nach einem Studium der Zeichnungen, der Patentbeschreibung und der
folgenden Ansprüche
weitere Abänderungen
offenbar werden. Legende zu Fig. 5:
| 300 | Beginn |
| 302 | Befindet
sich ein Phasensteller in einem anfänglichen geparkten Zustand? |
| 306 | Bestimme
den Nockenwellenpositionsfehler relativ zu einer Kurbelwelle |
| 308 | Ist
der Nockenwellenpositionsfehler < ein
erster Schwellenwert? |
| 310 | Bestimme
die Nockenwellengeschwindigkeit relativ zur Kurbelwelle |
| 312 | Gleiche
die relative Nockenwellenposition ab |
| 314 | Ist
die Nockenwellengeschwindigkeit < ein
zweiter Schwellenwert? |
| 316 | Bestimme
ein Vor-Steuerhaltetastverhältnis
(CHDC) |
| 317 | Bestimme
eine Integral-Korrektur |
| 318 | Ist
die Integral-Korrektur ≥ 0? |
| 320 | Verkleinere
das Vor-CHDC, um ein befohlenes CHDC zu erzeugen |
| 322 | Vergrößere das
Vor-CHDC, um ein befohlenes CHDC zu erzeugen |
| 324 | Speichere
das befohlene (aktualisierte) CHDC |