DE102014213253B4 - Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers und Regelvorrichtung für einen Nockenwellenversteller - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers und Regelvorrichtung für einen Nockenwellenversteller Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers (1), welcher einen Aktor (2) und ein Verstellgetriebe (3) umfasst, wobei der Nockenwellenversteller (1) Bestandteil eines Regelkreises ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung einer mechanischen Schwingung im Regelkreis präventiv entgegengewirkt wird, wobei eine Amplitude einer sich periodisch ändernden Stellgröße (x(t)) bereits vor Erreichen einer maximalen, im Regelkreis auftretenden Schwingungsamplitude maximiert wird und die Stellgröße (x(t)) derart mit einer Frequenz variiert wird, welche der Frequenz der mechanischen Schwingung im Regelkreis entspricht, dass die Phasenverschiebung zwischen der sich periodisch ändernden Stellgröße (x(t)) und der mechanischen Schwingung im Regelkreis mindestens 2° und höchstens 180° beträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb eines Nockenwellenverstellers, welcher einen Aktor, insbesondere Elektromotor, sowie ein mit dem Aktor zusammenwirkendes Verstellgetriebe umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine Regelvorrichtung für einen solchen Nockenwellenversteller.
  • Verfahren zum geregelten Betrieb von elektrischen Nockenwellenverstellern sind zum Beispiel aus der WO 2005/047 657 A2 sowie aus der EP 1 573 177 B1 bekannt. Beim Betrieb eines Nockenwellenverstellers sind danach beispielsweise Positionssignale sowie Signale, welche eine Winkelgeschwindigkeit wiedergeben, in einem Regelkreis rückführbar. Ein beispielsweise als Taumelscheibengetriebe ausgebildetes Getriebe eines Nockenwellenverstellers fungiert hierbei als Regelstrecke innerhalb des Regelkreises. Bei der Regelung kann es sich zum Beispiel um eine Zustandsregelung handeln.
  • Eine weitere Regelstruktur für einen Verstellmotor eines elektrischen Nockenwellenverstellers ist in der DE 102 51 347 A1 offenbart. Ein Regler ist hierbei dafür ausgelegt, auch bei einem Nullwert eines Eingangs-Differenzsignals sinnvolle Werte für die Sollverstelldrehzahl des Verstellmotors zu liefern. Dies wird erreicht, indem dem Ausgangssignal einer geregelten Solldrehzahl das Signal einer ungeregelten Drehzahl aufgeschaltet wird.
  • Die DE 10 2004 037 262 A1 beschreibt einen Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor, wobei wenigstens eine Zugmitteltriebkomponente gezielt steuer- oder regelbar ist, um dem Zugmitteltrieb eine Ungleichförmigkeit aufzuprägen. Bei der Zugmitteltriebkomponente kann es sich beispielsweise um einen schaltbaren Dämpfer oder um einen Nockenwellenversteller handeln.
  • Vertiefte Hintergrundinformationen zu Modellen der Regelung sind folgender Dissertation zu entnehmen:
    Rau, Martin; Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme, Technische Universität München vom 15.01.2003: Nichtlineare modellbasierte prädiktive Regelung auf Basis lernfähiger Zustandsraummodelle
    Insbesondere wird auf das Kapitel 4 (Selbstlernender Regler für periodische Nichtlinearitäten, Seite 64 ff) verwiesen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung eines der Phasenverstellung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dienenden Nockenwellenverstellers, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Regelvorrichtung für einen solchen Nockenwellenversteller gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Regelvorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt.
  • Der Nockenwellenversteller weist einen Aktor auf, sowie ein Verstellgetriebe mit einer durch den Aktor verstellbaren Welle. Insbesondere handelt es sich bei dem Getriebe des Nockenwellenverstellers um ein Drei-Wellen-Getriebe, beispielsweise ein Taumelscheibengetriebe oder ein Wellgetriebe. Als Aktor ist vorzugsweise ein Elektromotor vorgesehen; prinzipiell kann diese Regelstrategie auch an hydraulischen Nockenwellenverstellsystemen eingesetzt werden.
  • In jedem Fall ist der Nockenwellenversteller Bestandteil eines Regelkreises. Im Regelkreis ist eine mechanische Schwingungsfähigkeit gegeben, wobei durch die Regelung der mechanischen Schwingung präventiv entgegengewirkt wird.
  • Die Stellgröße im Regelkreis wird periodisch variiert, wobei der Betrag der Amplitude der Stellgröße ein Maximum erreicht, bevor ein Maximum der im Regelkreis feststellbaren Schwingung auftritt. Die Maßnahme, welche der als Störung zu verstehenden Schwingung entgegenwirkt, eilt somit der Störung voraus. Hierbei erfolgt die Variation der Stellgröße mit einer Frequenz, welche der Frequenz der mechanischen Schwingung im Regelkreis entspricht. Die Phasenverschiebung zwischen der sich periodisch ändernden Stellgröße und der mechanischen Schwingung im Regelkreis beträgt dabei 2 bis 180 Grad. Ein einfaches und dennoch wirksames Modell, welches der Tilgung von Schwingungen zugrunde gelegt wird, ist das Modell eines Massenschwingers, insbesondere eines Einmassenschwingers oder Zweimassenschwingers.
  • Eine besonders einfache Regelstrategie, mit welcher mechanischen Schwingungen im Regelkreis präventiv entgegengewirkt wird, sieht vor, dass eine von der Regelung generierte Stellgröße, basierend auf zumindest annähernd bekannten Eigenschaften des Regelkreises, unter Anwendung mindestens eines festen Korrekturparameters automatisch korrigiert wird. Ein Korrekturparameter kann hierbei beispielsweise direkt zu einer auszugebenden Stellgröße addiert werden oder indirekt auf einen Verstärkungsfaktor einwirken.
  • Gemäß einer verfeinerten Regelstrategie wird von einem Referenzmodell ausgegangen, welches physikalische Eigenschaften des Nockenwellenverstellers wiedergibt. Unter Nutzung des Referenzmodells generierte Ergebnisse, die Aussagen über eine voraussichtliche Änderung des Schwingzustands des Nockenwellenverstellers sowie damit direkt oder indirekt verbundener mechanischer Komponenten zulassen, werden in den Regelkreis eingespeist, um mechanischen Schwingungen präventiv entgegenzuwirken.
  • Eine weitere Regelstrategie, die mit der Referenzmodell-basierten Regelstrategie kombinierbar ist, berücksichtigt bei Regelvorgängen gemessene Schwingungen, welche in einem Zeitraum vor dem Regelvorgang detektiert wurden. Im Extremfall kann eine Prognose einer Schwingung bereits auf einer einzigen vorhergehenden Schwingungsperiode basieren. Vorzugsweise wird jedoch eine Mehrzahl von Schwingungsperioden bezüglich Phase, Amplitude und/oder Frequenz ausgewertet, um den Aktor des Nockenwellenverstellers im unmittelbar folgenden Zeitraum derart anzusteuern, dass weitere Schwingungen weitestmöglich getilgt werden. Mit der Schwingungsmessung kann hierbei eine Frequenzanalyse verknüpft sein, welche zum Beispiel eine Laplace-Transformation und/oder eine Fourier-Transformation einschließt. Hiermit ist es insbesondere möglich, die Frequenz eines in den Regelkreis eingespeisten Korrektursignals exakt auf die Frequenz einer zu unterdrückenden mechanischen Schwingung abzustimmen.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
  • 1 einen in einen Regelkreis eingebundenen elektrischen Nockenwellenversteller,
  • 2 bis 5 verschiedene Ausgestaltungen der Regelung des Nockenwellenverstellers nach 1,
  • 6 grundsätzliche Zusammenhänge zwischen Schwingungen in einem den Nockenwellenversteller nach 1 umfassenden mechanischen System und einem diesen Schwingungen präventiv entgegenwirkenden, einen Aktor des Nockenwellenverstellers ansteuernden Signal.
  • In 1 ist schematisch ein Nockenwellenversteller 1 einer Brennkraftmaschine, nämlich eines Diesel- oder Ottomotors, dargestellt, welcher einen Aktor 2, nämlich Elektromotor, sowie ein Verstellgetriebe 3 umfasst. Beim Verstellgetriebe 3 handelt es sich um ein Drei-Wellen-Getriebe, beispielsweise ein Taumelscheibengetriebe oder ein Wellgetriebe. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik sowie auf die WO 2004/027 223 A1 verwiesen.
  • Der Aktor 2 ist über eine Verstellwelle 4 mit dem Verstellgetriebe 3 verknüpft. Das Verstellgetriebe 3 wiederum ist ausgangsseitig mit einer Nockenwelle 5, nämlich Einlass- oder Auslassnockenwelle, der nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine verbunden. Im Kraftfluss vom Aktor 2 über das Verstellgetriebe 3 zur Nockenwelle 5 sind mechanische Elastizitäten gegeben, welche in 1 in Form einer gesonderten schwingungsfähigen Komponente 6 symbolisiert sind. Tatsächlich verteilen sich die elastischen Eigenschaften, welche beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 zu Tage treten, auf eine Mehrzahl funktionaler Komponenten des Nockenwellenverstellers 1 sowie damit verbundener Bauteile einschließlich der Nockenwelle 5. Ein Nocken 7 auf der Nockenwelle 5 dient in an sich bekannter Weise der Betätigung eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine. Weiter ist auf der Nockenwelle 5 ein Geberrad 8 befestigt, welches durch einen Sensor 9 abgetastet wird, um die Drehung und Winkelstellung der Nockenwelle 5 zu erfassen.
  • Ein vom Sensor 9 geliefertes Signal wird von einer Steuerungseinheit 10 erfasst und verarbeitet. Mit Hilfe der Steuerungseinheit 10 wird der Aktor 2 angesteuert, um eine bestimmte Einstellung des Nockenwellenverstellers 1 vorzunehmen. Das Ergebnis dieser Einstellung wird wiederum mittels des Sensors 9 erfasst, sodass ein geschlossener Regelkreis gebildet ist. Dieser Regelkreis ist, wie im Folgenden anhand der 2 bis 6 beispielhaft erläutert wird, derart gestaltet, dass mechanische Schwingungen, welche in der in 1 gezeigten Anordnung auftreten können, aktiv und vorausschauend unterdrückt werden.
  • Jede der in den 2 bis 5 gezeigten Regelungsvorrichtungen weist ein Verhalten auf, dessen Grundzüge in 6 veranschaulicht sind. In Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine ist in 6 unten eine vereinfacht als Sinusschwingung dargestellte mechanische Schwingung des mechanischen Systems nach 1, welches den Nockenwellenversteller 1 umfasst, erkennbar. Bei dieser Schwingung handelt es sich um eine unerwünschte, nach Möglichkeit zu unterdrückende Schwingung. Um dies zu erreichen, wird mit Hilfe der Steuerungseinheit 10 der Aktor 2 mit einem ebenfalls oszillierenden Signal beaufschlagt, welches in 6 oben gezeigt ist.
  • Zum Zeitpunkt T1 weist das auf den Aktor 2 aufgegebene Korrektursignal ein absolutes Minimum auf. Der Betrag der Amplitude des Korrektursignals, mit welchem der Aktor 2 angesteuert wird, ist damit zum Zeitpunkt T1 maximal. Wie aus 6 hervorgeht, liegt der Zeitpunkt T1 deutlich vor einem mit T2 bezeichneten Zeitpunkt, zu welchem die mechanische Schwingungsamplitude maximal ist. Die Frequenz des durch die Steuerungseinheit 10 erzeugten Korrektursignals stimmt mit der Frequenz der zu unterdrückenden mechanischen Schwingung überein. Während mit herkömmlichen Regelungen das Korrektursignal der mechanischen Schwingung hinterherhinken würde, wirkt das in der Vorrichtung nach 1 auf den Aktor 2 aufgebrachte Korrektursignal der mechanischen Schwingung, wie aus 6 hervorgeht, präventiv entgegen. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Unterdrückung von mechanischen Schwingungen erreicht. Dies gilt auch dann, wenn die Schwingungen, anders als in 6 gezeigt, nicht sinusförmig sind.
  • Eine einfache Variante eines innerhalb der Anordnung nach 1 realisierbaren Regelkreises ist in 2 dargestellt. Die Steuerungseinheit 10 umfasst hierbei einen mit 11 bezeichneten Regler sowie ein mit 12 bezeichnetes Korrekturelement. Die in 2 mit 13 bezeichnete Regelstrecke schließt den elektrischen Nockenwellenversteller 1 ein. Zeitabhängige Größen sind in 2 mit w(t), y(t), e(t), p(t), z(t) und ξ(t) bezeichnet. Bei der Führungsgröße w(t) des Regelkreises handelt es sich um einen Winkel der Nockenwelle 5 oder um eine Größe, in die die Winkelstellung und/oder Winkeländerung der Nockenwelle 5 eingeht. Die Führungsgröße w(t) wird nicht direkt dem Regler 11 zugeführt. Vielmehr ist eine in 2 gestrichelt angedeutete Verknüpfung zwischen der Führungsgröße w(t) und dem Korrekturelement 12 hergestellt. Ein Ausgangssignal des Korrekturelementes 12, in 2 ebenfalls gestrichelt dargestellt, wird zusammen mit der Führungsgröße w(t) einem Summenbildner 14 zugeführt. Auf diese Weise wird eine modifizierte Führungsgröße bereitgestellt, welche einem Differenzbildner 15 zugeführt wird, der in an sich üblicher Weise mit dem Regler 11 verknüpft ist. Die Ausgabe des Korrekturelementes 12 ist weiter abhängig von zeitabhängigen Größen z(t) und ξ(t), die auch auf die Regelstrecke 13 wirken. Im Übrigen wirkt die vom Regler 11 ausgegebene Größe x(t) auf die Regelstrecke 13 ein. Die mit y(t) bezeichnete Regelgröße, welche mittels des Sensors 9 erfassbar ist, wirkt in prinzipiell bekannter Weise über den Differenzbildner 15 auf den Regler 11 ein, sodass der Regelkreis geschlossen ist.
  • Insgesamt werden mit der Regelvorrichtung nach 2 auf Basis eines bekannten Systemverhaltens feste Parameter dem Regler 11 überlagert. Durch diese mit Hilfe des Korrekturelementes 12 vorgenommene Überlagerung wird ein sich periodisch änderndes Korrektursignal p(t), welches Einfluss auf die vom Regler 11 ausgegebene Stellgröße x(t) hat, derart generiert, dass korrigierende Eingriffe des Reglers 11 innerhalb des Regelkreises zeitlich vorgezogen werden, um vorauseilend einer Aufschwingung mechanischer Komponenten in der Anordnung nach 1 entgegenzuwirken. Diese präventive Schwingungsbekämpfung wirkt besonders effizient bei niedrigen Drehzahlen der den Nockenwellenversteller 1 aufweisenden Brennkraftmaschine.
  • Ebenso wie die Regelvorrichtung nach 2 sind auch die Regelvorrichtungen nach den 3 bis 5 im gesamten Drehzahlbereich der den Nockenwellenversteller 1 aufweisenden Brennkraftmaschine nutzbar.
  • In der Variante des Regelkreises nach 3 ist eine Verknüpfung hergestellt zwischen der Führungsgröße w(t) und einem Referenzbaustein 16, welcher ebenso wie der Regler 11 innerhalb der Steuerungseinheit 10 realisiert sein kann. Eine zeitabhängige Ausgangsgröße des Referenzbausteins 16, der ein sogenanntes Referenzmodell abbildet, ist mit y*(t) bezeichnet. Idealerweise sollte der unter Nutzung des Referenzmodells berechnete Ausgangswert y*(t) der tatsächlich am Ausgang der Regelstrecke 13 vorliegenden Regelgröße y(t) entsprechen. Um festzustellen, inwieweit dies gegeben ist, werden die Größen y*(t) und y(t) einem Vergleichselement 17 zugeführt. Die vom Vergleichselement 17 ausgegebene Größe ε(t) wird einer Adaptionseinrichtung 18 zugeführt, welche eine weitere Komponente der Steuerungseinheit 10 darstellt. Die Adaptionseinrichtung 18 ist, vergleichbar mit dem Korrekturelement 12 nach 2, mit dem Regler 11 verknüpft.
  • Die Regelung nach 3 wird derart betrieben, dass der von der Adaptionseinrichtung 18 verarbeitete Differenzwert ε(t) minimal ist. Das im Referenzbaustein 16 hinterlegte Referenzmodell kann im einfachsten Fall ein einfacher ungedämpfter Einmassenschwinger sein.
  • Im Unterschied zu den Regelungen nach den 2 und 3 welche von bekannten, festen Eigenschaften des den Nockenwellenversteller 1 aufweisenden schwingungsfähigen Systems ausgehen, wird bei den Anordnungen nach den 4 und 5 das tatsächliche Verhalten des gegebenen schwingungsfähigen Systems ausgewertet.
  • Gemäß 4 wird das vom Differenzbildner 15 ausgegebene Signal e(t) nicht nur dem Regler 11, sondern auch einem Beobachtungsmodul 19 zugeleitet, welches in die Steuerungseinheit 10 integriert ist. Mit Hilfe des Beobachtungsmoduls 19, welches insbesondere Phase, Amplitude und Frequenz des Signals e(t) auswertet, wird über eine Vorsteuerung 20 ein Schwingungssignal v(t) einem weiteren Differenzbildner 21 zugeführt, der zwischen den Regler 11 und die Regelstrecke 13 geschaltet ist. Das vom Differenzbildner 21 ausgegebene, der Regelstrecke 13 als Stellgröße zugeführte Signal x(t) wirkt einem unerwünschten oszillierenden Signal z(t), welches ebenfalls auf die Regelstrecke 13 einwirkt, entgegen, sodass das ausgangsseitig der Regelstrecke 13 detektierbare Signal y(t) weitgehend frei von nicht erwünschten Schwingungen ist.
  • Die Variante der Regelung gemäß 5 unterscheidet sich von der Variante gemäß 4 dadurch, dass ausgehend von der Vorsteuerung 20 über ein Überlagerungselement 22 eine Rückkopplung zum Beobachtungsmodul 19 aufgebaut ist. Durch das Überlagerungselement 22 wird somit das von der Vorsteuerung 20 ausgegebene, oszillierende Signal v(t) mit dem dem Regler 11 zugeführten Signal e(t) verknüpft. Zur Frequenzbestimmung mittels des Beobachtungsmoduls 19 können an sich bekannte Frequenzanalyseverfahren wie Laplace-Transformation oder Fourier-Transformation genutzt werden.
  • Solange die von der Vorsteuerung 20 ausgegebene Größe v(t) noch eine unbekannte oder falsch gewählte Frequenz aufweist, steht die dem Signal e(t) entnehmbare Frequenz, welche eine Schwingung innerhalb der Regelstrecke 13 wiedergibt, zur Verfügung, um mit Hilfe des Beobachtungsmoduls 19 Parameter des als Korrektursignals verwendeten Signals v(t) zu bestimmen. Jede Änderung des störenden, auf die Regelstrecke 13 einwirkenden Signals z(t) zieht eine Änderung des Signals e(t) und damit auch eine Änderung des präventiv eingespeisten, korrigierenden Signals v(t) nach sich. Insgesamt werden damit Schwingungen in der Regelstrecke 13 sehr wirksam unterdrückt, was sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorteilhaft auf die Eigenschaften des Nockenwellenverstellers 1 auswirkt.
  • Bezugszeichenliste
    • T1, T2
    Zeitpunkte
    e(t), p(t), v(t), w(t), y(t), y*(t), z(t), ε(t), ξ(t)
    Größen (zeitabhängig)
    1
    Nockenwellenversteller
    2
    Aktor
    3
    Verstellgetriebe
    4
    Verstellwelle
    5
    Nockenwelle
    6
    Komponente
    7
    Nocken
    8
    Geberrad
    9
    Sensor
    10
    Steuerungseinheit
    11
    Regler
    12
    Korrekturelement
    13
    Regelstrecke
    14
    Summenbildner
    15
    Differenzbildner
    16
    Referenzbaustein
    17
    Vergleichselement
    18
    Adaptionseinrichtung
    19
    Beobachtungsmodul
    20
    Vorsteuerung
    21
    Differenzbildner
    22
    Überlagerungselement

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers (1), welcher einen Aktor (2) und ein Verstellgetriebe (3) umfasst, wobei der Nockenwellenversteller (1) Bestandteil eines Regelkreises ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung einer mechanischen Schwingung im Regelkreis präventiv entgegengewirkt wird, wobei eine Amplitude einer sich periodisch ändernden Stellgröße (x(t)) bereits vor Erreichen einer maximalen, im Regelkreis auftretenden Schwingungsamplitude maximiert wird und die Stellgröße (x(t)) derart mit einer Frequenz variiert wird, welche der Frequenz der mechanischen Schwingung im Regelkreis entspricht, dass die Phasenverschiebung zwischen der sich periodisch ändernden Stellgröße (x(t)) und der mechanischen Schwingung im Regelkreis mindestens 2° und höchstens 180° beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (x(t)) auf Basis eines Modells eines Massenschwingers generiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Regelung generierte Stellgröße (x(t)), basierend auf bekannten Eigenschaften des Regelkreises, unter Anwendung mindestens eines festen Korrekturparameters automatisch korrigiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Regelung generiertes Korrektursignal (p(t)), basierend auf einem physikalische Eigenschaften des Nockenwellenverstellers (1) wiedergebenden Referenzmodell, automatisch korrigiert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Regelung generiertes Korrektursignal (p(t), v(t)), basierend auf einem gemessenen Verhalten des Nockenwellenverstellers (1), automatisch korrigiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bereits nach einer einzigen vorhergehenden Schwingungsperiode des Nockenwellenverstellers (1) eine Schwingungsprognose erstellt wird, auf Basis derer der Aktor (2) angesteuert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Verhaltens des Nockenwellenverstellers (1) eine Schwingungsmessung umfasst und auf Basis dieser Schwingungsmessung eine Frequenzanalyse durchgeführt wird.
  8. Regelvorrichtung für einen Nockenwellenversteller (1), ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
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