DE102009023695B4 - Device for variable camshaft adjustment in motor vehicles - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zur variablen Nockenwellenverstellung in Kraftfahrzeugen, wobei ein kurbelwellenfestes Bauteil mit einem nockenwellenfesten Bauteil über mindestens zwei innerhalb der Einrichtung gebildete Druckkammern in Kraftübertragungsverbindung steht, die bei Druckbeaufschlagung eine Relativdrehung oder eine hydraulische Einspannung des nockenwellenfesten Bauteils gegenüber dem kurbelwellenfesten Bauteil bewirken, wobei die Druckbeaufschlagung zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Nockenwellenverstellung von einem elektronischen Steuergerät mittels eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals mit üblicherweise eingestellter Grundfrequenz für ein Regelventil zum Schließen oder Freigeben von Hydraulikkanälen vorgenommen wird,dadurch gekennzeichnet, dass zum Lösen einer möglichen Verschmutzung die Frequenz (f) des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zeitweise gegenüber der üblicherweise eingestellten Grundfrequenz in der Weise verringert wird, dass sämtliche Hydraulikkanäle (A, B) durch die dadurch verursachte Verstellung des Regelventils (Kolbens 1) zumindest kurzzeitig geöffnet werden, wobei während der Verringerung der Frequenz (f) das für die Soll-Verstellung der Nockenwelle erforderliche Tastverhältnis im Wesentlichen beibehalten wird.Device for variable camshaft adjustment in motor vehicles, wherein a component fixed to the crankshaft is in power transmission connection with a component fixed to the camshaft via at least two pressure chambers formed within the device, which, when pressure is applied, cause a relative rotation or hydraulic clamping of the component fixed to the camshaft in relation to the component fixed to the crankshaft, the pressure being applied to achieve a specified setpoint camshaft adjustment is carried out by an electronic control unit by means of a pulse-width-modulated control signal with a usually set basic frequency for a control valve for closing or releasing hydraulic channels, characterized in that in order to solve a possible contamination, the frequency (f) of the pulse-width-modulated control signal is at times compared to the usual set basic frequency is reduced in such a way that all hydraulic channels (A, B) through the resulting adjustment of the control valve (piston 1) can be opened at least briefly, with the pulse duty factor required for the setpoint adjustment of the camshaft being essentially maintained during the reduction in frequency (f).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur variablen Nockenwellenverstellung in Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for variable camshaft adjustment in motor vehicles according to the preamble of patent claim 1.

Eine derartige Einrichtung zur vorzugsweise stufenlos variablen Nockenwellenverstellung ist beispielsweise aus der DE 100 55 770 A1 bekannt. Hierbei steht ein kurbelwellenfestes Bauteil mit einem nockenwellenfesten Bauteil über mindestens zwei innerhalb der Einrichtung gebildete Druckkammern in Kraftübertragungsverbindung, die bei Druckbeaufschlagung eine Relativdrehung oder eine hydraulische Einspannung des nockenwellenfesten Bauteils gegenüber dem kurbelwellenfesten Bauteil bewirken. Die Druckbeaufschlagung wird von einem elektronischen Steuergerät mittels eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für ein Regelventil zum Schließen oder Freigeben von Hydraulikkanälen vorgenommen. Ein derartiges Regelventil ist üblicherweise als elektromagnetisch bewegter Kolben in einem Zylinder mit mehreren Ausnehmungen zum Öffnen und Schließen von Hydraulikkanälen ausgestaltet.Such a device for preferably continuously variable camshaft adjustment is for example from DE 100 55 770 A1 famous. A crankshaft-fixed component is in power transmission connection with a camshaft-fixed component via at least two pressure chambers formed within the device, which cause a relative rotation or hydraulic clamping of the camshaft-fixed component relative to the crankshaft-fixed component when pressure is applied. The pressure is applied by an electronic control unit using a pulse width modulated control signal for a control valve to close or release hydraulic channels. Such a control valve is usually designed as an electromagnetically moved piston in a cylinder with a number of recesses for opening and closing hydraulic channels.

Weiterhin wird zum technischen Hintergrund auf die DE 199 29 393 A1 hingewiesen.Furthermore, the technical background on the DE 199 29 393 A1 pointed out.

Bei der bekannten Einrichtung beispielsweise nach der DE 100 55 770 A1 steht ein Verriegelungsmechanismus für den Start der Brennkraftmaschine im Vordergrund.In the known device, for example, after DE 100 55 770 A1 a locking mechanism for starting the internal combustion engine is in the foreground.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung eingangs genannter Art derart weiterzubilden, dass ein Verklemmen des Regelventils durch Verschmutzungen im Hydraulikfluid weitgehend verhindert wird.The object of the invention is to further develop the device of the type mentioned at the outset in such a way that the control valve is largely prevented from becoming jammed due to contamination in the hydraulic fluid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of patent claim 1 . The dependent claims are advantageous developments of the invention.

Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde:

  • Regelventile von Einrichtungen zur variablen Nockenwellenverstellung werden üblicherweise über ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundfrequenz angesteuert, durch die das Regelventil nicht oszilliert, da anderenfalls längerfristig ein schnellerer Bauteileverschleiß entsteht.
The invention is based on the following finding:
  • Control valves of devices for variable camshaft adjustment are usually controlled via a pulse width modulated signal with a basic frequency that does not cause the control valve to oscillate, since otherwise there would be faster component wear over a longer period of time.

Weiterhin wird in Serienfahrzeugen zum Entfernen von Verschmutzungen eine spezielle Spülfunktion durchgeführt, die erst gestartet wird, wenn aufgrund eines bereits vorliegenden Verklemmens eine Regelung nicht mehr möglich ist, und die ein Verstellen der Nockenwelle auf die Soll-Position für die Dauer der Spülfunktion nicht ermöglicht. Während der Spülfunktion wird das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal unterbrochen und es wird eine längere Stromlosschaltung bzw. eine längere maximale Bestromung durchgeführt.Furthermore, a special rinsing function is carried out in production vehicles to remove dirt, which is only started if control is no longer possible due to an existing jamming, and which does not allow the camshaft to be adjusted to the target position for the duration of the rinsing function. During the rinsing function, the pulse width modulated control signal is interrupted and a longer period of de-energization or a longer maximum energization is carried out.

Erfindungsgemäß wird die Frequenz des Ansteuersignals zeitweise stark reduziert, das erforderliche Tastverhältnis für die Regelung der Nockenwellenverstellung jedoch beibehalten. Somit oszilliert der Kolben für eine kurze vorgegebene Zeit, um eine mögliche Verschmutzung zu lösen. According to the invention, the frequency of the control signal is temporarily greatly reduced, but the duty cycle required for controlling the camshaft adjustment is maintained. Thus, the piston oscillates for a short predetermined time to loosen any contamination.

Dieser erfindungsgemäße Spülvorgang kann beispielsweise zu definierten Kilometerständen oder zeitgesteuert gestartet und für eine vorgegebene Zeitdauer durchgeführt werden.This flushing process according to the invention can be started, for example, at defined mileages or time-controlled and carried out for a predetermined period of time.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

  • 1 den Kolben eines möglichen Regelventils mit schematischer Darstellung der Steuerkanten zum Öffnen und Schließen der erforderlichen Hydraulikkanäle
  • 2 eine mögliche Vorgehensweise zur Erkennung eines beginnenden Verklemmens
  • 3 eine Skizze zur Erläuterung der Mittellage des Regelventils
In the drawing an embodiment of the invention is shown. It shows
  • 1 the piston of a possible control valve with a schematic representation of the control edges for opening and closing the required hydraulic channels
  • 2 a possible procedure for detecting an incipient jamming
  • 3 a sketch to explain the middle position of the control valve

In 1 ist der Kolben 1 eines Regelventils, vorzugsweise in Form eines bekannten 4/3 Zylinder-/Kolben-Ventils, mit sogenannten Steuerkanten zum Öffnen und Schließen der Hydraulikkanäle A und B dargestellt. Die Steuerkanten werden durch die Kerben 1a, 1b und 1c des Kolbens 1 gebildet. Das Zylindergegenstück ist in der Zeichnung nicht genauer dargestellt, da derartige 4/3 Zylinder-/Kolben-Ventile bekannt sind und es bei der Erfindung auf die genaue Ausgestaltung des Regelventils nicht ankommt. Diesbezüglich werden lediglich schematisch die Hydraulikkanäle A und B als einen Durchfluss anzeigende Kreise dargestellt. Der Pfeil P zeigt den Zufluss der Hydraulikflüssigkeit von einer Pumpe an und der Pfeil T zeigt den Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum des Kolbens 1 an.In 1 shows the piston 1 of a control valve, preferably in the form of a known 4/3 cylinder/piston valve, with so-called control edges for opening and closing the hydraulic channels A and B. The control edges are formed by the notches 1a, 1b and 1c of the piston 1. The cylinder counterpart is not shown in more detail in the drawing, since such 4/3 cylinder/piston valves are known and the exact configuration of the control valve is not important in the invention. In this regard, the hydraulic channels A and B are shown only schematically as flow-indicating circles. The arrow P indicates the inflow of hydraulic fluid from a pump and the arrow T indicates the outflow of hydraulic fluid from the cavity of the piston 1.

Im Diagramm ist auf der Abszisse der Kehrwert der Frequenz f des pulsweitenmodulierten Signals und auf der Ordinate der Verstellweg s des Kolbens 1 aufgetragen. Die durchgezogene Linie s_abs_max zeigt den absoluten maximalen Verstellweg s zum Öffnen des Hydraulikkanals B und die durchgezogene Linie s_abs_min zeigt den absoluten maximalen Verstellweg s zum Öffnen des Hydraulikkanals A. Die strichpunktierte Linie zeigt die Mittellage s_mw des Kolbens 1.In the diagram, the reciprocal of the frequency f of the pulse-width-modulated signal is plotted on the abscissa, and the displacement path s of the piston 1 is plotted on the ordinate. The solid line s_abs_max shows the absolute maximum adjustment path s to open hydraulic channel B and the solid line s_abs_min shows the absolute maximum adjustment path s to open hydraulic channel A. The dot-dash line shows the middle position s_mw of piston 1.

Die Frequenz f des Ansteuersignals wird gegenüber der Grundfrequenz für den erfindungsgemäßen Spülvorgang, beispielsweis auf etwa 10 Hz, reduziert. Trotz der daraus folgenden Schwingungen des Kolbens 1 ist der Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit immer noch direkt vom Tastverhältnis des Ansteuersignals anhängig und somit regelfähig zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Nockenwellenverstellung bzw. zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Spreizung in °KW (= Nockenwellenverdrehung gegenüber der Kurbelwelle).The frequency f of the control signal is reduced compared to the basic frequency for the flushing process according to the invention, for example to about 10 Hz. Despite the resulting vibrations of piston 1, the flow of the hydraulic fluid is still directly dependent on the duty cycle of the control signal and can therefore be regulated to achieve a specified target camshaft adjustment or to achieve a specified target spread in °KW (= camshaft rotation relative to the crankshaft) .

Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine Reduzierung der Frequenz f dann vorgenommen, wenn beim daraus folgenden Oszillieren des Kolbens 1 dessen mittlerer Ventilweg s innerhalb eines Toleranzbandes um die Mittellage s_mw liegt, wobei das Toleranzband derart gewählt wird, dass durch das Oszillieren sämtliche Hydraulikkanäle zumindest kurzzeitig geöffnet werden. In 1 ist ein Toleranzband zwischen der gestrichelten oberen Linie s_f_max(f) und der punktierten unteren Linie s_f_min(f) gezeigt. Schematisch sind die Schwingungen des Kolbens 1 für drei verschiedene Ausgangslagen bzw. mittlere Verstellwege s dargestellt. Liegt der mittlere Verstellweg s auf der oberen Linie s_f_max(f) schwingt der Kolben 1 gerade noch unter die Mittellage s_mw. Liegt der mittlere Verstellweg s auf der unteren Linie s_f_min(f) schwingt der Kolben 1 gerade noch über die Mittellage s_mw. Die Verringerung der Frequenz f wird also bevorzugt dann gestartet, wenn sich das Regelventil in oder nahe der Mittellage befindet, wobei das Tastverhältnis dabei beispielsweise etwa 50% sein kann.According to the invention, the frequency f is preferably reduced if, during the resulting oscillation of the piston 1, its mean valve travel s lies within a tolerance band around the central position s_mw, with the tolerance band being selected in such a way that all the hydraulic channels are opened at least briefly by the oscillation will. In 1 a tolerance band between the dashed upper line s_f_max(f) and the dotted lower line s_f_min(f) is shown. The oscillations of the piston 1 for three different initial positions or mean adjustment paths s are shown schematically. If the mean adjustment path s is on the upper line s_f_max(f), the piston 1 just oscillates below the middle position s_mw. If the mean adjustment path s is on the lower line s_f_min(f), the piston 1 just oscillates above the middle position s_mw. The reduction in frequency f is therefore preferably started when the control valve is in or near the middle position, with the pulse duty factor being able to be around 50%, for example.

Allerdings kann auch die Frequenz f entsprechend noch stärker reduziert werden, wenn der Kolben 1 verhältnismäßig weit entfernt von der Mittellage s_mw liegt; d.h. das Toleranzband hängt von der Frequenz f ab. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch das Tastverhältnis zumindest etwas in Richtung Mittellage verstellt werden, wobei die Spülfunktion verbessert, die Regelgüte aber etwas verschlechtert werden würde.However, the frequency f can also be correspondingly reduced even more if the piston 1 is relatively far away from the central position s_mw; i.e. the tolerance band depends on the frequency f. Alternatively or additionally, however, the pulse duty factor can also be adjusted at least somewhat in the direction of the central position, in which case the scavenging function would be improved but the control quality would be somewhat deteriorated.

Die erfindungsgemäße Spülfunktion mit Reduzierung der Frequenz f kann in besonders vorteilhafterweise aber auch bei sich ankündigendem Verklemmen gestartet werden, wenn dies durch ein entsprechendes Beobachtungsmodul im Steuergerät erkannt werden kann. Ein derartiges Beobachtungsmodul beobachtet, ob sich bei einer Änderung der Soll-Verstellung die Ist-Verstellung innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungs-Zeitfensters dt mit einem definierten Minimal-Gradienten ändert. Ein Ausführungsbeispiel hierzu wird anhand von 2 näher erläutert. Die Soll-Verstellung der Nockenwelle entspricht der sogenannten Soll-Spreizung SOLL_KW. Die Soll-Spreizung SOLL_KW ist die Verdrehung der Nockenwellen gegenüber der Kurbelwelle um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel KW. Die Spreizung in °KW ist in 2 auf der Ordinate, die Zeit t ist auf der Abszisse aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t_n-1 soll sich gemäß 2 die Soll-Spreizung SOLL_KW gegenüber der Ist-Spreizung IST KW_n-1 wesentlich, d.h. über einen vorgegebenen Toleranzbereich hinaus, ändern. Der Toleranzbereich liegt zwischen der oberen punktierten Linie und der unteren gestrichelten Linie. Die Ist-Spreizung ist strichpunktiert eingezeichnet. Nach einem vorgegebenen Zeitfenster dt überprüft das Beobachtungsmodul, ob sich die Ist-Spreizung mit einem Minimal-Gradienten geändert hat. Dies wird beispielsweise daran erkannt, ob die Ist-Spreizung IST_KW_n nach Ablauf des Zeitfensters dt zum Zeitpunkt t_n außerhalb des Toleranzbereiches liegt. In 2 wird bei einer Ist-Spreizung IST_KW_n oberhalb der punktierten Linie zum Zeitpunkt t_n erkannt, dass keine Verklemmgefahr droht; dagegen wird bei einer Ist-Spreizung IST_KW_n' zum Zeitpunkt t_n ein drohendes Verklemmen angenommen und die Spülfunktion gestartet. Vorzugsweise wird die Spülfunktion nicht gestartet, wenn sich die Soll-Spreizung nur innerhalb des Toleranzbandes ändert. Das Zeitfenster dt kann immer dann gestartet werden, wenn sich die Soll-Spreizung, auch nach einem Richtungswechsel, über oder unter den Toleranzbereich geändert hat.The flushing function according to the invention with a reduction in the frequency f can also be started in a particularly advantageous manner when jamming is indicated, if this can be detected by a corresponding monitoring module in the control unit. Such an observation module observes whether the actual displacement changes within a specified observation time window dt with a defined minimum gradient when the target displacement changes. An embodiment of this is based on 2 explained in more detail. The target adjustment of the camshaft corresponds to the so-called target spread SOLL_KW. The target spread SOLL_KW is the rotation of the camshafts relative to the crankshaft by a specified crankshaft angle KW. The spread in °CA is in 2 on the ordinate, time t is plotted on the abscissa. At a point in time t_n-1, according to 2 change the target spread SOLL_KW compared to the actual spread ACTUAL KW_n-1 significantly, ie beyond a predetermined tolerance range. The tolerance range is between the upper dotted line and the lower dashed line. The actual spread is shown in dot-dash lines. After a specified time window dt, the monitoring module checks whether the actual spread has changed with a minimal gradient. This is recognized, for example, by whether the actual spread IST_KW_n is outside the tolerance range at the time t_n after the time window dt has expired. In 2 if the actual spread IST_KW_n is above the dotted line at time t_n, it is recognized that there is no risk of jamming; on the other hand, with an actual spread IST_KW_n' at time t_n, an imminent jamming is assumed and the flushing function is started. The flushing function is preferably not started if the setpoint spread only changes within the tolerance band. The time window dt can always be started when the target spread has changed above or below the tolerance range, even after a change of direction.

Sollte über diese Schnellerkennung eines drohenden Verklemmens durch das Beobachtungmodul die erfindungsgemäße Spülfunktion nicht zu einer Verbesserung führen, kann das bekannte Spülen durchgeführt werden, wodurch das Tastverhältnis längere Zeit auf 0% bzw. 100% geändert wird und somit die Regelung zur Nockenwellenverstellung verlassen wird.If the scavenging function according to the invention does not lead to an improvement via this rapid detection of an impending jamming by the monitoring module, the known scavenging can be carried out, whereby the duty cycle is changed to 0% or 100% for a longer period of time and the control for camshaft adjustment is thus abandoned.

Erläuterung zum Mittellagentastverhältnis anhand von 3:

  • Der Strom über das Proportionalventil wird durch dessen elektrischen Widerstand, dessen Versorgungsspannung und mit dem eingestellten Tastverhältnis erzeugt. Das Mittellagentastverhältnis ist das Tastverhältnis, bei dem der Mittellagenstrom eingestellt wird. Der Mittellagenstrom führt dazu, dass der Steuerkolben so positioniert wird, dass die Kanäle A und B verschlossen werden. Je nach Dimensionierung des Ventils und Batteriespannung kann die Mittellagentastverhältnis variieren. Im Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass das Ventil so dimensioniert ist, dass der Mittellagestrom sich bei etwa 50% befindet. Der Mittellagenstrom kann in bekannter Weise „online“ berechnet werden, oder in Kenngrößen abgelegt werden.
Explanation of the center position duty cycle based on 3 :
  • The current through the proportional valve is generated by its electrical resistance, its supply voltage and the set duty cycle. The mid-level duty cycle is the duty cycle at which the mid-level current is set. The mid-position flow causes the control piston to be positioned in such a way that channels A and B are closed. Depending on the dimensioning of the valve and the battery voltage, the middle position duty cycle can vary. In the exemplary embodiment, it was assumed that the valve is dimensioned in such a way that the mid-position current is around 50%. The current in the middle layer can be calculated “online” in a known way, or it can be stored in parameters.

Claims (4)

Einrichtung zur variablen Nockenwellenverstellung in Kraftfahrzeugen, wobei ein kurbelwellenfestes Bauteil mit einem nockenwellenfesten Bauteil über mindestens zwei innerhalb der Einrichtung gebildete Druckkammern in Kraftübertragungsverbindung steht, die bei Druckbeaufschlagung eine Relativdrehung oder eine hydraulische Einspannung des nockenwellenfesten Bauteils gegenüber dem kurbelwellenfesten Bauteil bewirken, wobei die Druckbeaufschlagung zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Nockenwellenverstellung von einem elektronischen Steuergerät mittels eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals mit üblicherweise eingestellter Grundfrequenz für ein Regelventil zum Schließen oder Freigeben von Hydraulikkanälen vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Lösen einer möglichen Verschmutzung die Frequenz (f) des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zeitweise gegenüber der üblicherweise eingestellten Grundfrequenz in der Weise verringert wird, dass sämtliche Hydraulikkanäle (A, B) durch die dadurch verursachte Verstellung des Regelventils (Kolbens 1) zumindest kurzzeitig geöffnet werden, wobei während der Verringerung der Frequenz (f) das für die Soll-Verstellung der Nockenwelle erforderliche Tastverhältnis im Wesentlichen beibehalten wird.Device for variable camshaft adjustment in motor vehicles, wherein a component fixed to the crankshaft is in power transmission connection with a component fixed to the camshaft via at least two pressure chambers formed within the device, which, when pressure is applied, cause a relative rotation or hydraulic clamping of the component fixed to the camshaft in relation to the component fixed to the crankshaft, the pressure being applied to achieve a predetermined target camshaft adjustment is carried out by an electronic control unit by means of a pulse-width-modulated control signal with a usually set basic frequency for a control valve for closing or releasing hydraulic channels, characterized in that in order to solve a possible contamination, the frequency (f) of the pulse-width-modulated control signal is at times compared to the usual set base frequency is reduced in such a way that all hydraulic channels (A, B) byc h the resulting adjustment of the control valve (piston 1) can be opened at least briefly, with the pulse duty factor required for the setpoint adjustment of the camshaft being essentially maintained during the reduction in frequency (f). Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Frequenz (f) dann gestartet wird, wenn sich das Regelventil (der Kolben 1) in oder nahe der Mittellage (s_mw) befindet.setup after Claim 1 , characterized in that the reduction in frequency (f) is started when the control valve (piston 1) is in or near the central position (s_mw). Einrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitweise Verringerung der Frequenz (f) zeitgesteuert oder ereignisgesteuert gestartet wird und für eine vorgegebene Zeit beibehalten wird.Device according to one of the preceding patent claims, characterized in that the temporary reduction in the frequency (f) is started in a time-controlled or event-controlled manner and is maintained for a predetermined time. Einrichtung nach dem vorangegangenen Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitweise Verringerung der Frequenz (f) gestartet wird, wenn sich bei einer Änderung der Soll-Verstellung die Ist-Verstellung innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungs-Zeitfenster (dt) nicht mit einem definierten Minimal-Gradienten ändert.Device according to the preceding patent claim, characterized in that the temporary reduction in frequency (f) is started if the actual adjustment does not change with a defined minimum gradient within a predetermined observation time window (dt) when the target adjustment changes changes.
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