DE102018220743A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Nockenwellen-Phasenstellers in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Nockenwellen-Phasenstellers in einem Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Nockenwellen-Phasensteller (82, 92), mit folgenden Schritten:- Bereitstellen eines nichtlinearen Stellermodells, das über einen funktionalen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit einer Relativverstellung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) abhängig von einer Aktuatorstellgröße (x) zur Ansteuerung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) angibt,- Durchführen einer Regelung basierend auf einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwert (φ), der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert (φ), der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt, um als Regelausgang eine Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇) des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) zu erhalten;- Berechnen der Aktuatorstellgröße (x) abhängig von der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇) mithilfe des invertierten Stellermodells;- Beaufschlagen der Aktuatorstellgröße (x) mit einer vorgegebenen Korrekturgröße,- Ansteuern des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) mit der mit der Korrekturgröße beaufschlagten Aktuatorstellgröße (x) um den Verbrennungsmotor (2) zu betreiben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, und insbesondere Verbrennungsmotoren, bei denen ein Betrieb der Einlass- und Auslassventile mithilfe einer Nockenwelle erfolgt. Weiterhin betrifft die Erfindung Verbrennungsmotoren mit Nockenwellen-Phasenstellern, mit denen die Phasenlagen der Öffnungsdauer der Einlass- bzw. der Auslassventile eingestellt werden können.
  • Technischer Hintergrund
  • Bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren wird der Ventilbetrieb der Einlass- und Auslassventile üblicherweise mechanisch mithilfe einer Einlass-Nockenwelle bzw. einer Auslass-Nockenwelle gesteuert. Nocken der jeweiligen Nockenwelle beaufschlagen Stößel der Einlassventile bzw. der Auslassventile und geben synchron zu einer Drehung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors die Phasen vor, in denen die Einlass- und Auslassventile geöffnet werden.
  • Um einen weiteren Freiheitsgrad beim Betrieb des Verbrennungsmotors zu erhalten, kann eine Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Phasensteller versehen sein, der den relativen Bezug der Nockenwelle zur Phasenlage der Kurbelwelle variiert. Dadurch lassen sich Motoreigenschaften grundlegend verändern, da die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der angesteuerten Einlass- oder Auslassventile wesentlich die Zylinderfüllung und/oder die Restgasrate bestimmen sowie Strömungsvorgänge im Verbrennungsmotor und damit den Drehmomentenverlauf über der Drehzahl beeinflussen können.
  • Der Nockenwellen-Phasensteller kann beispielsweise als hydraulischer Steller vorgesehen sein, der die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verdrehen kann. Der hydraulische Phasensteller ist so konstruiert, dass dieser sich verstellt, wenn ein entsprechendes Stellmoment in dem Phasensteller generiert wird. Dieses Stellmoment hängt direkt von einer Öldruckdifferenz in gegeneinander arbeitenden Hydraulikkammern ab. Die Öldruckdifferenz lässt sich über ein elektromagnetisches Ventil im Betrieb des Verbrennungsmotors durch Vorgabe einer Stellgröße beeinflussen.
  • Das elektromagnetische Ventil kann durch Bereitstellen einer elektrischen Leistung angesteuert werden, die durch Vorgabe der Stellgröße, die ein Tastverhältnis angibt, effektiv eingestellt werden kann. Zum Einstellen des Tastverhältnisses und damit zur Steuerung des Verstellgrades des Nockenwellen-Phasenstellers ist eine Lageregelung vorgesehen, die in der Regel als PID-Regler ausgeführt wird.
  • Aufgrund von Serienstreuung in der Fertigung und von Alterungseffekten während des Fahrzeugbetriebs kann es zu deutlichen Abweichungen in der zu regelnden Strecke und als Folge in der Regelgüte kommen, die zu Überschwingen, stationären Regelabweichungen und dergleichen führen. Diese Abweichungen der Regelgüte der Lageregelung für den Nockenwellen-Phasensteller wirken sich erheblich in Motoreigenschaften hinsichtlich Leistung und Emissionsverhalten aus.
  • Zusätzlich wird aus dem integralen Anteil der Lageregelung ein Teil des stationären Haltetastverhältnisses berechnet, das zusammen mit einem applizierten Haltetastverhältnis zusätzlich berücksichtigt wird. Damit können quasistationäre Störeinflüsse, wie beispielsweise zeitliche Änderungen eines Federmoments oder eines Reibmoment, das Auftreten von Leckagen oder Störmomenten aus externen Verbrauchern und dergleichen kompensiert werden.
  • Zum Ausgleich des Reglerverhaltens müssen bislang dazu die Reglerparameter in der Regel aufwendig an die jeweilige Serienstreuung und für die unterschiedlichen Arbeitspunkte des jeweiligen Typs des Verbrennungsmotors angepasst werden, um damit für jeden individuellen Verbrennungsmotor eine einheitliche Regelgüte über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zu gewährleisten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betrieben eines Verbrennungsmotors mit einem Nockenwellen-Phasensteller gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Nockenwellen-Phasenstellers sowie ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
  • Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Nockenwellen-Phasensteller vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    • - Bereitstellen eines nichtlinearen Stellermodells, das über einen funktionalen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit einer Relativverstellung des Nockenwellen-Phasenstellers abhängig von einer Aktuatorstellgröße zur Ansteuerung des Nockenwellen-Phasenstellers angibt,
    • - Durchführen einer Lageregelung basierend auf einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwert, der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert, der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt, um als Regelausgang eine Soll-Stellgeschwindigkeit des Nockenwellenphasenstellers zu erhalten;
    • - Berechnen einer Aktuatorstellgröße abhängig von der Soll-Stellgeschwindigkeit mithilfe eines invertierten Stellermodells;
    • - Beaufschlagen der Aktuatorstellgröße mit einer vorgegebenen Korrekturgröße,
    • - Ansteuern des Nockenwellen-Phasenstellers mit der mit der Korrekturgröße beaufschlagten Aktuatorstellgröße, um den Verbrennungsmotor zu betreiben.
  • Das obige Verfahren sieht eine verbesserte Lageregelung einer variabel einstellbaren Nockenwelle mithilfe eines Nockenwellen-Phasenstellers vor. Dazu ist die Regelung als modellbasierte Regelung vorgesehen, die sowohl das nichtlineare Systemverhalten, d. h. einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen einer Regelungsstellgröße und einer Winkelgeschwindigkeit des Stellglieds des Nockenwellen-Phasenstellers, als auch das dynamische lineare Verhalten, d. h. den Einfluss einer Zeitverzögerung zum Aufbau der entsprechenden Stellgeschwindigkeit, berücksichtigt. Das nichtlineare Systemverhalten kann beispielsweise unter Nominalbedingungen anhand vorgegebener Bewegungsprofile manuell oder automatisiert ermittelt werden und in geeigneter Weise invertiert werden, um eine Kennlinie zur Ermittlung der Regelungsstellgröße abhängig von Stellgeschwindigkeitsvorgaben bereitzustellen. Durch die Möglichkeit, das invertierte Stellermodell mithilfe einer Korrekturgröße zu adaptieren, können Einflüsse aus der Temperatur des Hydrauliköls, des Hydraulikdrucks, der Motordrehzahl und anderen Parametern gemeinsam berücksichtigt werden, ohne die Regelungsparameter der Lageregelung anpassen zu müssen. Dadurch kann die Regelgüte verbessert werden und der Applikationsaufwand deutlich reduziert werden.
  • Vorteile des obigen Verfahrens bestehen darin, eine modellbasierte Lageregelung für einen Nockenwellen-Phasensteller zur Verfügung zu stellen, der eine nichtlineare Systemkennlinie berücksichtigt und der in besonders einfacher Weise adaptiert werden kann. Dadurch lässt sich das nichtlineare Systemverhalten quantitativ beschreiben, so dass die Nichtlinearitäten durch die Lageregelung kompensiert werden können. Eine aufwändige und möglicherweise redundante Berücksichtigung der Nichtlinearitäten des Systems anhand von betriebspunktabhängigen Regelungsparametern kann somit entfallen. Dies vereinfacht den Applikationsprozess und reduziert die Komplexität der entsprechenden Softwarefunktion im Steuergerät.
  • Weiterhin kann das invertierte Stellermodell auch während des laufenden Fahrzeugbetriebs und auch während der Lebensdauer wiederholt adaptiert werden, so dass auch Alterungseffekte und Verschleißeffekte ausgeglichen werden können.
  • Weiterhin kann eine stationäre Vorsteuerung vorgesehen werden, die eine Vorsteuergröße zu der Soll-Stellgeschwindigkeit addiert, um eine modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit zu erhalten, mit der die Aktuatorstellgröße mithilfe des invertierten Stellermodells berechnet wird. Durch die Aufteilung der Regelungsfunktion in einen nichtlinearen Teil und einen dynamischen linearen Teil kann die Applikation der Regelungsteile unabhängig voneinander erfolgen. Hierzu muss lediglich das invertierte Stellermodell hinterlegt werden, das in entsprechender Weise, d.h. in der Regel durch einen oder wenige Parameter, adaptiert wird. Die individuelle Kalibrierung der Nockenwellen-Lageregelung kann insbesondere lediglich durch Anpassen des nichtlinearen Stellermodells erfolgen, während die Regelungsparameter unverändert beibehalten werden können. Diese Möglichkeit reduziert den Applikationsaufwand erheblich.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Störgrößenbeobachter verwendet wird, der zu der Soll-Stellgeschwindigkeit eine Beobachterkomponente der Soll-Stellgeschwindigkeit zur Kompensation von Störungen am Eingang der Regelstrecke addiert, um eine modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit zu erhalten, mit der die Aktuatorstellgröße mithilfe des invertierten Stellermodells berechnet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Aktuatorstellgröße mit der Korrekturgröße multipliziert werden.
  • Weiterhin kann die Korrekturgröße bestimmt werden, indem
    • - aus der Soll-Stellgeschwindigkeit des Reglers mithilfe des Stellermodells die modellierte Stellgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei das Stellermodell einen Modellparameter aufweist, der der Korrekturgröße entspricht,
    • - eine Differenz zwischen der momentanen Ist-Stellgeschwindigkeit und der modellierten Stellgeschwindigkeit ermittelt wird, und
    • - die Korrekturgröße durch Minimierung der resultierenden Abweichung der Stellgeschwindigkeit bestimmt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Nockenwellen-Phasenstellers zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist:
    • - eine Regelung basierend auf einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwert, der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert, der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt, durchzuführen, um als Regelausgang eine Soll-Stellgeschwindigkeit des Nockenwellenphasenstellers zu erhalten;
    • - Berechnen einer Aktuatorstellgröße abhängig von der Soll-Stellgeschwindigkeit mithilfe eines invertierten Stellermodells, wobei das Stellermodell über einen funktionalen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit einer Relativverstellung des Nockenwellen-Phasenstellers abhängig von der Aktuatorstellgröße zur Ansteuerung des Nockenwellen-Phasenstellers angibt,
    • - die Aktuatorstellgröße mit einer vorgegebenen Korrekturgröße zu beaufschlagen,
    • - den Nockenwellen-Phasensteller mit der mit der Korrekturgröße beaufschlagten Aktuatorstellgröße anzusteuern, um den Verbrennungsmotor zu betreiben.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet ist, wobei der Verbrennungsmotor mindestens eine von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle zum Betätigen eines Einlass- und/oder Auslassventils eines Zylinders des Verbrennungsmotors aufweist, wobei die Nockenwelle mit einem Nockenwellenphasensteller für eine Relativverstellung zwischen Kurbelwelle und der Nockenwelle gekoppelt ist, und mit der obigen Vorrichtung.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor;
    • 2 eine Anordnung mit einem hydraulischen Nockenwellen-Phasensteller, der über ein elektromechanisches Ventil ansteuerbar ist;
    • 3 eine schematische Darstellung einer Reglerstruktur für eine Nockenwellenlageregelung der Anordnung der 2;
    • 4 eine schematische Darstellung einer Adaption der Korrekturgröße zur Anpassung einer Nockenwellenlageregelung; und
    • 5 eine schematische Darstellung der Ermittlung der Korrekturgröße basierend auf der modellierten Stellgeschwindigkeit.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet sein kann. Der Verbrennungsmotor 2 kann einem luftgeführten (Otto-Motor) oder kraftstoffgeführten Verbrennungsmotor (Diesel-Motor) entsprechen. Der Verbrennungsmotor 2 weist Kolben 3 auf, die innerhalb von Brennräumen der Zylinder 3 translatorisch bewegbar sind und über Pleuelstangen 4 in an sich bekannter Weise mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt sind.
  • Die Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 werden gemäß einem Viertaktbetrieb betrieben, wobei zyklisch über Einlassventile 6 Luft in die Zylinder 3 eingelassen wird und über Auslassventile 7 Verbrennungsabgas aus den Zylindern 3 ausgestoßen wird. Die Ventilbetriebe der Einlass- und Auslassventile 6, 7 werden über jeweilige Nockenwellen, d.h. eine Einlassnockenwelle 8 und eine Auslassnockenwelle 9 angesteuert. Die Nockenwellen 8, 9 sind z. B. über einen Zahnriemen 10 oder in sonstiger Weise mechanisch mit der Kurbelwelle 5 phasensynchron verbunden.
  • Die Nockenwellen 8, 9 weisen jeweils für jeden Zylinder 3 Nocken 81, 91 auf, die die Einlassventile 6 und Auslassventile 7 betätigen, um diese so zum Öffnen und Schließen anzusteuern. Eine der oder beide Nockenwellen 8, 9 können mit einem Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 versehen sein, der es ermöglicht, die Lage der Nocken 81, 91 relativ zur Lage der Kurbelwelle 5 des Kurbelwellenwinkels zu verstellen.
  • Da die Nockenwellen 8, 9 über einen Zahnriemen 10 von der Kurbelwelle 5 angetrieben werden, werden die Steuerzeiten als Drehwinkel angegeben, der auf die Position, d.h. die Winkellage der Kurbelwelle 5 bezogen ist.
  • Der Verbrennungsmotor 2 wird über eine Steuereinheit 20 betrieben, die insbesondere auch die Ansteuerung der Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 übernimmt.
  • In 2 ist schematisch ein hydraulischer Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 und eine Ansteuereinheit 15 für diesen gezeigt. Der Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 weist ein Gehäuse G und ein Stellglied S auf, die rotatorisch zueinander verstellbar sind. Das Gehäuse G und das Stellglied S weisen zueinander gerichtete Zähne auf, um Hydraulikkammern zu definieren. Jeweils bezüglich eines Zahns des Stellglieds S gegenüberliegende Hydraulikkammern wirken gegeneinander, so dass das Stellglied S an seiner Position gehalten wird, wenn gleiche Drücke in den Hydraulikkammern vorliegen, und das Stellglied in Richtung der Kammer mit dem niedrigeren Druck bewegt wird, wenn ungleiche Drücke in den Hydraulikkammern vorliegen. Bei einer Federbeaufschlagung des Stellglieds S ist zum Halten des Stellglieds S ein bestimmter Druckunterschied zwischen den Hydraulikkammern notwendig. Jede Abweichung von diesem Druckunterschied führt zu einer Stellbewegung des Nockenwellen-Phasenstellers 82, 92. Die Hydraulikkammern stehen mit einer Pumpe in Verbindung, die den benötigten Hydraulikdruck bereitstellt.
  • Die Ansteuereinheit 15 weist ein elektromechanisches Stellventil 16 auf, das durch einen Stellaktuator 17 mithilfe einer Aktuatorstellgröße x ansteuerbar ist, um eine bestimmte Ventilstellung bereitzustellen. Die Ventilstellung bewirkt eine Beaufschlagung der Hydraulikkammern mit Öl unter einem durch die Ventilstellung vorgegebenen Druck. Hydrauliköl wird dazu aus einem Hydraulikspeicher 18 und einer Öldruckpumpe 19 bereitgestellt. Es handelt sich dabei um eine integrale Stellstrecke, bei der der Nockenwellenlagewinkel durch Verstellen des Stellglieds S so lange verstellt wird, bis ein mechanischer Anschlag erreicht ist oder bis dieser Bewegung mit einem entgegengesetzten Tastverhältnis oder einer entsprechenden Last entgegengewirkt wird.
  • Der Zusammenhang zwischen der Winkelgeschwindigkeit φ̇ des NockenwellenPhasenstellers 82, 92 und der Aktuatorstellgröße x ist nichtlinear und wird über ein entsprechendes nichtlineares Stellermodell beschrieben, das diesen funktionalen Zusammenhang angibt. Insbesondere kann aufgrund von konstruktiven Maßnahmen das Übersetzungsverhältnis zwischen der Aktuatorstellgröße x und der resultierenden Stellgeschwindigkeit φ̇ variieren. Die Kennlinie des Stellermodells beschreibt somit die resultierende Stellgeschwindigkeit abhängig von der verwendeten Aktuatorstellgröße x. Die Kennlinie des Stellermodells ermöglicht es insbesondere, das variierende Übersetzungsverhältnis über den nichtlinearen Zusammenhang zu beschreiben. Es wurde festgestellt, dass Alterungs- und Verschleißeffekte sowie Bauteiltoleranzen sich vorwiegend in einer Skalierung der Stellerkennlinie auswirken.
  • Wird das Haltetastverhältnis ufwd,steady nicht als Teil der Stellerkennlinie gesehen, ist auch dieses (bzw. der hier nicht beschriebene Korrekturwert aus dem Störgrößenbeobachter) wesentlich abhängig von diesen Einflüssen. Es handelt sich um einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Applikation. Bei der Inbetriebnahme kann man evtl. nicht alle Einflüsse in Geschwindigkeitskoordinaten ausdrücken.
  • In 3 ist schematisch der Aufbau der Nockenwellenlageregelung dargestellt, die in der Steuereinheit 20 ausgeführt wird. Dazu wird aus einem durch einen Motorsteuerungsalgorithmus vorgegebener Nockenwellenwinkelverstellungssollwert φsp , der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert φist , der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt und die durch einen Positionssensor gemessen werden kann, einem Differenzblock 21 zugeführt, um eine Lageabweichung als Regeldifferenz e zu ermitteln.
  • Die Regeldifferenz e wird einer Regelungseinheit 22 zugeführt, die vorzugsweise als PD-Regler ausgebildet ist. Der PD-Regler wird ausgebildet, so dass der Regelausgang als Stellgröße einen Sollwert φ̇ctrl für eine Stellgeschwindigkeit (Soll-Stellgeschwindigkeit) des Nockenwellenphasenstellers 82, 92 entspricht.
  • Um die Regelung im transienten Betrieb zu entlasten, kann z. B. eine dynamische Vorsteuerung verwendet werden, die eine vorgegebene dynamische Vorsteuergröße φ̇fwd,dyn der Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇ctrl aus der Regelung in einem ersten Summationsblock 23 addiert. Die dynamische Vorsteuergröße φ̇fwd,dyn kann ausgebildet sein, um auf Grundlage des mathematischen Stellgebermodells aus dem zeitlichen Verlauf des vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwerts φsp auf den erforderlichen Verlauf eine Vorsteuerungs-Geschwindigkeit zu schätzen. Der Nockenwellenwinkelverstellungssollwert φsp dient als Ausgangsinformation für eine durch das Stellgebermodell zurückgerechnete Trajektorie, die dann durch die Vorsteuerung realisiert werden soll. Die Trajektorie kann auch dem Verlauf des Nockenwellenwinkelverstellungssollwert φsp entsprechen. Diese Trajektorie kann auch eine zeitliche Filterung des Nockenwellenwinkelverstellungssollwerts φsp beinhalten.
  • Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich ein Störgrößenbeobachter 25 verwendet werden, der zu der Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇ctrl eine vorgegebene Beobachterkomponente φ̇distobs der Soll-Stellgeschwindigkeit aus der Regelungseinheit 22 in einem zweiten Summationsblock 24 addiert..Der Störgrößenbeobachter 25 kann einen Modellblock zur Berechnung eines inversen Stellgebermodells und einen Filter aufweisen. Der Störgrößenbeobachter 25 dient dazu, Positionsabweichungen, die aufgrund einer Eingangsstörung im Stellgebersystem auftreten können, auszugleichen und insbesondere auch unbekannte Störungen am Eingang der Regelstrecke zu kompensieren. Ändert sich die Position aufgrund einer Störung, z.B. einem Federmoment einer Rückstellfeder, einem Reibmoment, von Leckage der Hydraulik oder Störmomenten aus externen Verbrauchern, so kann die Störung durch den Störgrößenbeobachter 25 kompensiert werden. Der Störgrößenbeobachter 25 kann die Störung aus der aktuellen Stellgröße und der Istposition φ berechnen.
  • Aus dem Ergebnis der Beaufschlagung der Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇ctrl mit der Vorsteuergröße φ̇fwd,dyn und der Beobachterkomponente φ̇distobs erhält man eine modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇sp, die als Eingangsgröße für ein vorgegebenes invertiertes Stellermodell einem Kennlinienblock 26 zugeführt wird. Durch das invertierte Stellermodell wird die modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇speiner vorläufigen Aktuatorstellgröße x zugeordnet, die beispielsweise als Tastverhältnis für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Stellaktuators 17 oder dergleichen ausgebildet sein kann.
  • Zum Adaptieren dieser Regelung kann die so ermittelte vorläufige Aktuatorstellgröße xroh mit einer Korrekturgröße K beaufschlagt werden, insbesondere in einem Divisionsblock 27 als Quotient beaufschlagt werden.
  • Weiterhin kann der korrigierten Aktuatorstellgröße xkorr in einem Summierblock 28 eine Haltestellgröße xsteady hinzuaddiert werden, um die Aktuatorstellgröße x zur Ansteuerung des Stellaktuators 17 zu erhalten.
  • Die Stellerkennlinie kann insbesondere in an sich bekannter Weise auf einem Prüfstand ermittelt werden, wobei vorgegebene Aktuatorstellgrößen an den Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 angelegt werden, um eine entsprechende Stellgeschwindigkeit erfassen zu können.
  • 4 zeigt schematisch ein Funktionsmodell zum Bereitstellen der Korrekturgröße K, wobei der Nockenwellenwinkelverstellungsistwert φist des Stellglieds des Nockenwellen-Phasenstellers 82, 92 gemäß einem Hochpassfilter 31 zeitlich abgeleitet wird, um eine momentane Ist-Stellgeschwindigkeit φ̇ist zu erhalten. Weiterhin wird aus der Soll-Stellgeschwindigkeit φ̇sp über das nicht-invertierte Stellermodell die Modellstellgeschwindigkeitφ̇mod,flt bestimmt. Das nicht-invertierte Stellermodell weist dabei einen Modellparameter auf, der der Korrekturgröße K entspricht.
  • In einem Differenzblock 33 wird eine Differenz zwischen der momentanen Ist-Stellgeschwindigkeit φ̇ist und der modellierten Stellgeschwindigkeit φ̇mod,flt ermittelt.
  • Die resultierende Abweichung err (Stellgeschwindigkeitsdifferenz) der Stellgeschwindigkeit (Stellgeschwindigkeitsdifferenz) wird einem Ermittlungsblock 34 zugeführt, indem die Korrekturgröße K z.B. mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens optimiert wird.
  • Der Ermittlungsblock 34 ist schematisch in 5 ausführlicher dargestellt. Die resultierende Stellgeschwindigkeitsdifferenz err wird mit einem Skalierungsfaktor β in einem ersten Multiplikationsblock 41 multipliziert. Der Skalierungsfaktor β gibt das Maß für eine Konvergenzgeschwindigkeit vor.
  • Weiterhin wird die modellierte Stellgeschwindigkeit φ̇mod,flt in einem Ableitungsblock 44 bei vorgegebener Zeitkonstante τ partiell abgeleitet und ebenfalls mit der Stellgeschwindigkeitsdifferenz err in einem zweiten Multiplikationsblock 42 multipliziert.
  • Das Ergebnis wird in einem Integratorblock 43 integriert, um die Korrekturgröße K zu erhalten.
  • Insgesamt wird die Korrekturgröße K berechnet, indem man die Stellgeschwindigkeitsdifferenz err aus der momentanen Ist-Stellgeschwindigkeit φ̇ist und der modellierten Stellgeschwindigkeit φ̇mod,flt mit einem konstanten und/oder variablen Skalierungsfaktor β multipliziert und anschließend aufintegriert.
  • Der obige Ansatz ermöglicht eine besonders zuverlässige Regelung eines Nockenwellen-Phasenstellers 82, 92, die insbesondere einfach zu adaptieren ist. Durch das Trennen des nichtlinearen Verhaltens des Regelungssystems in das Stellermodell und die Erkenntnis, dass Alterungs- und Verschleißtoleranzen sich über einen multiplikativen Korrekturfaktor K in dem Stellermodell abbilden lassen, kann das obige Regelsystem in besonders flexibler Weise für verschiedene Nockenwellen-Phasensteller 82, 92 eingesetzt werden. Weiterhin kann durch die automatische Einstellung der Korrekturgröße K durch ein Optimierungsverfahren eine automatische Anpassung an die Gegebenheiten des Regelungssystems erfolgen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Nockenwellen-Phasensteller (82, 92), mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines nichtlinearen Stellermodells, das über einen funktionalen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit einer Relativverstellung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) abhängig von einer Aktuatorstellgröße (x) zur Ansteuerung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) angibt, - Durchführen einer Regelung basierend auf einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwert (φsp), der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert (φist), der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt, um als Regelausgang eine Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) zu erhalten; - Berechnen der Aktuatorstellgröße (xroh) abhängig von der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) mithilfe des invertierten Stellermodells; - Beaufschlagen der Aktuatorstellgröße (xroh) mit einer vorgegebenen Korrekturgröße, - Ansteuern des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) mit der mit der Korrekturgröße beaufschlagten Aktuatorstellgröße (x) um den Verbrennungsmotor (2) zu betreiben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine dynamische Vorsteuerung vorgesehen wird, die eine dynamische Vorsteuergröße zu der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) addiert, um eine modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇sp) zu erhalten, abhängig von der die Aktuatorstellgröße (x) mithilfe des invertierten Stellermodells berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Störgrößenbeobachter verwendet wird, der zu der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) eine vorgegebene Beobachterkomponente (φ̇distobs) der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) zur Kompensation von Störungen am Eingang der Regelstrecke addiert, um eine modifizierte Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇sp) zu erhalten, mit der die Aktuatorstellgröße (x) mithilfe des invertierten Stellermodells berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktuatorstellgröße mit der Korrekturgröße (K) multipliziert oder dividiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Korrekturgröße (K) bestimmt wird, indem - aus der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) des Reglers mithilfe des Stellermodells die modellierte Stellgeschwindigkeit (φ̇mod,flt) bestimmt wird, wobei das Stellermodell einen Modellparameter aufweist, der der Korrekturgröße (K) entspricht, - eine Differenz zwischen der momentanen Ist-Stellgeschwindigkeit (φ̇) und der modellierten Stellgeschwindigkeit (φ̇mod,flt) ermittelt wird, - die Korrekturgröße (K) durch Minimierung der resultierenden Abweichung der Stellgeschwindigkeit bestimmt wird.
  6. Vorrichtung zum Betreiben eines Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist: - eine Lageregelung basierend auf einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Nockenwellenwinkelverstellungssollwert (φsp), der einen Sollwert der Relativverschiebung zwischen Kurbelwellenlagewinkel und Nockenwellenlagewinkel angibt, und einem Nockenwellenwinkelverstellungsistwert (φist), der eine tatsächliche Relativverschiebung angibt, durchzuführen, um als Regelausgang eine Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) zu erhalten; - eine Aktuatorstellgröße (xroh) abhängig von der Soll-Stellgeschwindigkeit (φ̇ctrl) mithilfe eines invertierten Stellermodells zu berechnen, wobei das Stellermodell über einen funktionalen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit einer Relativverstellung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) abhängig von einer Ansteuerung des Nockenwellen-Phasenstellers (82, 92) angibt, - die Aktuatorstellgröße (xroh) mit einer vorgegebenen Korrekturgröße (K) zu beaufschlagen, - den Nockenwellen-Phasensteller (82, 92) mit der beaufschlagten Korrekturgröße (K) anzusteuern, um den Verbrennungsmotor (2) zu betreiben.
  7. Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet ist, wobei der Verbrennungsmotor (2) mindestens eine von der Kurbelwelle (5) angetriebene Nockenwelle (8, 9) zum Betätigen eines Einlass- und/oder Auslassventils eines Zylinders des Verbrennungsmotors (2) aufweist, wobei die Nockenwelle (8, 9) mit einem Nockenwellen-Phasensteller (82, 92) für eine Relativverstellung zwischen Kurbelwelle (5) und der Nockenwelle (8, 9) gekoppelt ist, und mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6.
  8. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
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