DE102019113300B3 - Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers - Google Patents

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Abstract

Ein elektromechanischer Nockenwellenversteller (3) umfasst ein Stellgetriebe (4) sowie einen Elektromotor (5), der mittels eines Elektromotorsteuergerätes (6) angesteuert wird. Daten, die den Betrieb des Elektromotors (5) einschließlich Lageänderungen seiner Motorwelle betreffen, werden vom Elektromotorsteuergerät (6) über einen Datenbus (8) an ein Motorsteuergerät (7) des den Nockenwellenversteller (3) umfassenden Verbrennungsmotors (1) übertragen, wobei zusätzlich, über eine gesonderte Leitung (9), mit welcher im Vergleich zum Datenbus (8) härtere Echtzeitanforderungen erfüllt werden, wiederkehrend Zeitsignale vom Elektromotorsteuergerät (6) an das Motorsteuergerät (7) übertragen werden, und wobei diese Zeitsignale verwendet werden, um in dem Motorsteuergerät (7) durch Vergleich mit den durch das Motorsteuergerät (7) empfangenen Daten ein Differenzzeitsignal zu generieren, welches über den Datenbus (8) zurück an das Elektromotorsteuergerät (6) geleitet wird und dort zur Synchronisation des Elektromotorsteuergerätes (6) mit dem Motorsteuergerät (7) genutzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors, welcher mindestens einen elektromechanischen Nockenwellenversteller umfasst.
  • Betriebsverfahren eines Verbrennungsmotors mit elektromechanischem Nockenwellenverstellen sind zum Beispiel in der DE 102 59 133 A1 beschrieben. Der Nockenwellenversteller, das heißt die Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, ist in diesem Fall modular aufgebaut, wobei Komponenten der Anordnung teilweise von anderen Steuer- und Regelvorrichtungen des Verbrennungsmotors mit benutzt werden. Ein Steuergerät des Elektromotors des Nockenwellenverstellers steht mit einem zweiten Steuergerät in Verbindung, bei welchem es sich um das Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors handelt.
  • Elektromechanische Nockenwellenversteller haben gegenüber hydraulischen Nockenwellenverstellern allgemein den Vorteil, dass eine Verstellung der Nockenwelle auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors möglich ist. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf das Dokument DE 10 2012 219 297 A1 hingewiesen.
  • Weitere Verfahren zum Betrieb von Nockenwellenverstellern sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 102 36 507 A1 , DE 10 2005 022 714 A1 , DE10 2017 104 015 A1 und DE 102 42 659 A1 offenbart.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Nockenwellenversteller gegenüber dem genannten Stand der Technik unter dem Aspekt einer möglichst effizienten Nutzung von Ressourcen, insbesondere was Datenverarbeitungsprozesse betrifft, weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren ist mit Hilfe einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 6 durchführbar. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Ansteuervorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der Nockenwellenversteller, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, umfasst ein Stellgetriebe, insbesondere in Form eines Dreiwellengetriebes, sowie einen zur Betätigung des Stellgetriebes vorgesehenen Elektromotor, der mittels eines Elektromotorsteuergerätes angesteuert wird. Daten, die den Betrieb des Elektromotors einschließlich Lageänderungen seiner Motorwelle betreffen, werden vom Elektromotorsteuergerät über einen Datenbus, an ein Motorsteuergerät des den Nockenwellenversteller umfassenden Verbrennungsmotors übertragen. Zusätzlich werden über eine gesonderte Leitung, mit welcher im Vergleich zum Datenbus härtere Echtzeitanforderungen erfüllt werden, wiederkehrend Zeitsignale vom Elektromotorsteuergerät an das Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors übertragen. Diese Zeitsignale werden verwendet, um in dem Motorsteuergerät durch Vergleich mit den durch das Motorsteuergerät vom Elektromotorsteuergerät empfangenen Daten ein Differenzzeitsignal zu generieren, welches über den Datenbus zurück an das Elektromotorsteuergerät geleitet wird und dort zur Synchronisation des Elektromotorsteuergerätes mit dem Motorsteuergerät genutzt wird.
  • Bei dem Datenbus, welcher das Elektromotorsteuergerät mit dem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors und beide Steuergeräte mit weiteren Komponenten des Verbrennungsmotors verbindet, handelt es sich insbesondere um einen CAN-Bus. Dieser Datenbus wird, obwohl er keine harten Echtzeitanforderungen erfüllt, genutzt, um das zur Synchronisation erforderliche Differenzzeitsignal vom Elektromotorsteuergerät an das Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors zu übertragen. In der umgekehrten Richtung, das heißt vom Elektromotorsteuergerät zum Motorsteuergerät, wird dagegen der Datenbus umgangen, indem Zeitsignale über die gesonderte Leitung übermittelt werden. Insgesamt ist damit unter bestmöglicher Ausnutzung der Hardwareressourcen eine hochpräzise Synchronisation möglich.
  • Was die Verteilung von Datenverarbeitungsprozessen auf die zwei Steuergeräte, das heißt einerseits das Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors und andererseits das den Nockenwellenversteller ansteuernde Elektromotorsteuergerät, betrifft, sind diverse Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise werden aufeinanderfolgende Vorgänge, welche den Nockenwellenversteller betreffen, sowohl im Elektromotorsteuergerät als auch im Motorsteuergerät verarbeitet, wobei Daten zu den Vorgängen jeweils in einen in das Elektromotorsteuergerät beziehungsweise in das Motorsteuergerät integrierten Ringspeicher geschrieben werden. In bevorzugter Verfahrensführung erfolgt die Auswertung der in den Ringspeichern abgelegten Daten zum größten Teil innerhalb des Elektromotorsteuergerätes.
  • Die Dauer eines jeden Vorgangs, welcher allgemein auch als Task bezeichnet wird, beträgt typischerweise mindestens das Doppelte, insbesondere mindestens das Dreifache, der zur Synchronisation zwischen den verschiedenen Steuergeräten verwendeten Differenzzeit.
  • Die vom Elektromotorsteuergerät erfassten und weitergeleiteten Daten können unter anderem Triggersignale, welche sich auf eine bestimmte Nockenwellenposition beziehen und mit einem Zeitstempel versehen werden, umfassen.
  • Zur Erfassung der Winkellage und/oder Drehrichtung des Rotors des Elektromotors sind in an sich bekannter Weise zum Beispiel Hall-Sensoren verwendbar. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Elektromotor um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Das Stellgetriebe, welches mit Hilfe des Elektromotors betätigt wird, ist zum Beispiel als Wellgetriebe ausgebildet. Zu Konstruktionsmerkmalen eines Wellgetriebes wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2017 119 860 A1 und DE 10 2017 126 527 A1 hingewiesen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
    • 1 in symbolisierter Darstellung einen Verbrennungsmotor mit Nockenwellenversteller und Steuergeräten,
    • 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des Verbrennungsmotors nach 1.
  • Ein in 1 lediglich symbolisiert dargestellter Verbrennungsmotor 1, dessen Motorblock mit 2 bezeichnet ist, weist einen elektromechanischen Nockenwellenversteller 3 auf. Ein Stellgetriebe 4 des Nockenwellenverstellers 3 ist als Dreiwellengetriebe, beispielsweise Wellgetriebe, aufgebaut. Hierbei ist eine erste Welle des Stellgetriebes 4 mit einem Riemen- oder Kettenrad identisch oder fest verbunden und rotiert in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors 1. Eine zweite, ausgangsseitige Welle des Stellgetriebes 4 ist drehfest mit der zu verstellenden Nockenwelle verbunden. Zur Verstellung des Winkels zwischen der eingangsseitigen, mit dem Ketten- oder Riemenrad verbundenen Welle und der ausgangsseitigen Welle des Stellgetriebes 4 weist dieses eine dritte Welle in Form einer Verstellwelle auf, welche drehfest mit der Motorwelle eines Elektromotors 5, der dem Nockenwellenversteller 3 zuzurechnen ist, gekoppelt ist. Der Elektromotor 5 wird über eine Leitung 9 mittels eines Elektromotorsteuergeräts 6 angesteuert, welches auch als Treiberbox bezeichnet wird.
  • Das Elektromotorsteuergerät 6 ist über einen Datenbus 8, nämlich CAN-Bus, mit dem mit 7 bezeichneten Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 1 verknüpft. Die Steuergeräte 6, 7 sind zur Verarbeitung von Vorgängen ausgebildet, welche allgemein als Tasks bezeichnet werden und in 1 durch Diagramme veranschaulicht sind. Jedes Steuergerät 6, 7 umfasst einen als Ringspeicher 10, 11 konzipierten Datenspeicher. Einzelne Datenpakete, die für Evaluationen im Ringspeicher 10, 11 des jeweiligen Steuergeräts 6, 7 bereitgehalten werden, sind 1 durch zueinander parallele Linien veranschaulicht. Die Abarbeitung dieser Daten ist als stapelweise Bearbeitung von Daten zu verstehen. Wie in 1 veranschaulicht ist, übertrifft die Anzahl der Datenverarbeitungsaufträge, die durch das Elektromotorsteuergerät 6 abzuarbeiten sind, die Anzahl an Datenverarbeitungsaufträgen, welche durch das Motorsteuergerät 7 zu erledigen sind. Im skizzierten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis zwischen der Anzahl der im Ringspeicher 10 des Elektromotorsteuergeräts 6 abgelegten, abzuarbeitenden Datenpakete zur Anzahl der auf analoge Weise durch das Motorsteuergerät 7 abzuarbeitenden Datenpakete 4:3. In abgewandelten, nicht dargestellten Varianten sind auch andere Verhältnisse, beispielsweise das Verhältnis 4:1, möglich. In allen Fällen erfolgt die Auswertung der in den verschiedenen Ringspeichern 10, 11 abgelegten Daten, soweit diese den Nockenwellenversteller 3 betreffen, zum größten Teil innerhalb des Elektromotorsteuergerätes 6. Dies bedeutet, dass das Motorsteuergerät 7 nur in untergeordnetem Maße durch die Verarbeitung von Daten, welche den Betrieb des Nockenwellenverstellers 3 betreffen, belastet ist.
  • Zusätzlich zum CAN-Bus 8 existiert eine Leitung 9, mit welcher das Elektromotorsteuergerät 6 mit dem Motorsteuergerät 7 datentechnisch verknüpft ist. Die Leitung 9 wird genutzt, um Zeitsignale vom Elektromotorsteuergerät 6 an das Motorsteuergerät 7 zu senden. Das Datenvolumen der gesendeten Zeitsignale beträgt nur einen kleinen Bruchteil der über den CAN-Bus 8 zwischen dem Elektromotorsteuergerät 6 und dem Motorsteuergerät 7 übermittelten Daten. Im Unterschied zum CAN-Bus 8 sind mit Hilfe der Leitung 9 jedoch harte Echtzeitanforderungen erfüllbar.
  • Datenverarbeitungsprozesse, die sich auf bestimmte, gleichartige Signalmuster beziehen und im Elektromotorsteuergerät 6 sowie im Motorsteuergerät 7 durchzuführen sind, sind in 2 veranschaulicht. Hierbei bezieht sich das obere Diagramm in 2 auf das Elektromotorsteuergerät 6. Durch das Elektromotorsteuergerät 6 zu verarbeitende Signale sind mit Sv bezeichnet. Das untere Diagramm in 2 betrifft die Datenverarbeitung durch das Motorsteuergerät 7. In diesem Fall sind zu verarbeitende Signale mit SM bezeichnet. Es wird von einem durch das Elektromotorsteuergerät 6 zu verarbeitenden Vorgang ausgegangen, welcher zum Zeitpunkt to beginnt und bis zum Zeitpunkt t1 dauert. Die Dauer dieses Vorgangs, das heißt Tasks, ist mit TT bezeichnet. Daten, die dem Task der Dauer TT zuzurechnen sind, umfassen Informationen, die den Elektromotor 5 und die zu verstellende Nockenwelle betreffen. Hierunter fällt beispielsweise die Erfassung von Referenzmarkierungen an der Nockenwelle oder einem Teil, welches eine feste Winkelrelation zur Nockenwelle hat. Auch die Drehrichtung der Verstellwelle, welche mit der Motorwelle des Elektromotors 5 identisch oder fest verbunden ist, wird erfasst und im Zusammenhang mit dem Task ausgewertet. Gleiches gilt für beliebige Zustandsänderungen oder die Dauer einzelner Zustände von Komponenten des Elektromotors 5. Als Komponente des Elektromotors 5 ist insbesondere dessen Rotor zu nennen, wobei dessen Winkelstellung und Winkeländerung, soweit im Ringspeicher 10 abgelegt, in die Datenverarbeitung innerhalb des Elektromotorsteuergeräts 6 eingeht.
  • Soweit Daten des Tasks, mit welchem sich das Elektromotorsteuergerät 6 beschäftigt, an das Motorsteuergerät 7 übermittelt werden, tauchen die entsprechenden Signalmuster auch im Motorsteuergerät 7 auf, wie aus 2 hervorgeht. Den Zeitpunkten t0 , t1 und t2 zuzuordnende Zeitpunkte im Motorsteuergerät 7 sind mit t0', t1' und t2' bezeichnet. Aufgrund der gegebenen Eigenschaften des CAN-Busses 8 tritt zwischen den im Motorsteuergerät 7 empfangenen Daten und den vom Elektromotorsteuergerät 6 gesendeten Daten eine Zeitdifferenz auf, welche in 2 mit TD bezeichnet ist. Die Zeitdifferenz TD beträgt weniger als die Hälfte der Taskdauer TT . Der Betrag der Zeitdifferenz TD wird genutzt, um die Uhr des Elektromotorsteuergeräts 6 nach dem Motorsteuergerät 7 zu stellen und damit die Datenverarbeitungsprozesse in den Steuergeräten 6, 7 zu synchronisieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Motorblock
    3
    Nockenwellenversteller
    4
    Stellgetriebe
    5
    Elektromotor
    6
    Elektromotorsteuergerät
    7
    Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors
    8
    CAN-Datenbus
    9
    Leitung
    10
    Ringspeicher im Elektromotorsteuergerät
    11
    Ringspeicher im Motorsteuergerät
    SM
    Signal, verarbeitet durch Motorsteuerung
    SV
    Signal, verarbeitet durch Elektromotorsteuerung
    t
    Zeit
    t0, t1, t2
    Zeitpunkte, betreffend die Datenverarbeitung im Elektromotorsteuergerät
    t0', t1', t2'
    Zeitpunkte, betreffend die Datenverarbeitung im Motorsteuergerät
    TD
    Differenzzeit
    TT
    Dauer eines Tasks

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers (3), welcher ein Stellgetriebe (4) sowie einen zur Betätigung des Stellgetriebes (4) vorgesehenen Elektromotor (5) umfasst, der mittels eines Elektromotorsteuergerätes (6) angesteuert wird, wobei Daten, die den Betrieb des Elektromotors (5) einschließlich Lageänderungen seiner Motorwelle betreffen, vom Elektromotorsteuergerät (6) über einen Datenbus (8) an ein Motorsteuergerät (7) des den Nockenwellenversteller (3) umfassenden Verbrennungsmotors (1) übertragen werden, und wobei zusätzlich, über eine gesonderte Leitung (9), mit welcher im Vergleich zum Datenbus (8) härtere Echtzeitanforderungen erfüllt werden, wiederkehrend Zeitsignale vom Elektromotorsteuergerät (6) an das Motorsteuergerät (7) übertragen werden, und wobei diese Zeitsignale verwendet werden, um in dem Motorsteuergerät (7) durch Vergleich mit den durch das Motorsteuergerät (7) empfangenen Daten ein Differenzzeitsignal zu generieren, welches über den Datenbus (8) zurück an das Elektromotorsteuergerät (6) geleitet wird und dort zur Synchronisation des Elektromotorsteuergerätes (6) mit dem Motorsteuergerät (7) genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Vorgänge, welche den Nockenwellenversteller (3) betreffen, sowohl im Elektromotorsteuergerät (6) als auch im Motorsteuergerät (7) verarbeitet werden, wobei Daten zu den Vorgängen jeweils in einen in das Elektromotorsteuergerät (6) beziehungsweise in das Motorsteuergerät (7) integrierten Ringspeicher (10, 11) geschrieben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der in den Ringspeichern (10, 11) abgelegten Daten zum größten Teil innerhalb des Elektromotorsteuergerätes (6) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Elektromotorsteuergerät (6) erfassten und weitergeleiteten Daten Triggersignale, welche sich auf eine bestimmte Nockenwellenposition beziehen und mit einem Zeitstempel versehen werden, umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Lage des Rotors des Elektromotors (5) mittels Hall-Sensoren erfasst werden.
  6. Vorrichtung zur Ansteuerung eines mindestens einen elektromechanischen Nockenwellenversteller (3) aufweisenden Verbrennungsmotors (1), umfassend zwei Steuergeräte (6, 7), nämlich ein Motorsteuergerät (7) und ein Elektromotorsteuergerät (6), welche zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgebildet sind.
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