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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Nockenwellenverstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
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Es ist allgemein bekannt, zur Anpassung eines Verbrennungsmotors an verschiedene Betriebszustände die Relativlage der die Ein- und/oder Auslassventile betätigenden Nockenwelle(n) zur Kurbelwelle einzustellen. Hierfür sind hydraulisch betätigte Steller Stand der Technik. Die Verstellung der Relativlage wenigstens einer Nocken- zur Kurbelwelle ist bei Einstellung mittels hydraulischer Stellorgane stark von der Temperatur des als Hydraulikmedium genutzten Motoröls abhängig, da die Verstellgeschwindigkeit und damit die Regelgenauigkeit von der temperaturabhängigen Viskosität des Hydraulikmediums beeinflusst wird. Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors wird meist die Regelung der Relativlage der Nocken- zur Kurbelwelle gesperrt, was beispielsweise über eine mechanische Verriegelung erfolgen kann, so dass der Nockenwellensteller eine vordefinierte Lage der Nocken- zur Kurbelwelle sichert. Im einfachsten Fall erfolgt eine Freigabe der Nockenwellenverstellung, also der Zeitpunkt, ab dem der Nockenwellensteller beginnt, die Relativlage zur Kurbelwelle zu regeln, anhand einer Zeitschwelle, welche vom Motorstart als Beginn ausgehend die Regelung nach Ablauf einer Mindestzeit freigibt. Ein solches Verfahren ist in der
DE 699 19 308 T2 beschrieben. Hier wird ein die Nockenwellenverstellung im verriegelten Zustand blockierender Verriegelungsstift nach dem Verstreichen einer festgelegten Zeitdauer gelöst, um die Relativlage bzw. den Drehwinkel zwischen Nocken- und Kurbelwelle einzustellen.
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Weiterhin ist aus der deutschen Patentanmeldung
DE 103 24 416 A1 bekannt, den Zeitpunkt der Freigabe der Nockenwellenverstellung auf Basis der Kraft zum Lösen eines hydraulischen Sperrmechanismus zu bestimmen. Die auf den Sperrmechanismus wirkende Kraft ist dabei abhängig vom wirksamen Druck und wird damit von der Temperatur und Viskosität des Hydraulikmediums beeinflusst. Es wird beschrieben, dass ein Basiswert für die Viskosität vor dem Start des Motors auf Basis der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenstellers (Änderungsrate des relativen Drehwinkels Nocken- zur Kurbelwelle) bestimmt wird, welcher nachfolgend mittels einer Temperaturmessung oder eines Temperaturmodells korrigiert oder ganz durch die Temperaturbetrachtung ersetzt wird.
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Weiterhin ist aus der europäischen Patentschrift
EP 2 569 519 B1 vorbekannt, das Umschalten von verschiedenen Druckstufen einer Ölversorgung auf Basis der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenstellers zu diagnostizieren. Es wird die Änderung der Verstellgeschwindigkeit hinsichtlich einer Korrelation zur Änderung des anliegenden Drucks bewertet. Temperatur-, Viskosität- und Arbeitspunktabhängigkeiten werden nicht betrachtet. Es wird für die Diagnose ein Arbeitspunkt gewählt, welcher bei Verstellung der Nockenwellenlage nur geringe Änderungen der Emissionen hervorruft.
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Weiterhin ist aus der europäischen Patentschrift
EP 2 733 332 B1 ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulisch betätigten Sperrpins bekannt, welches auf Basis der Eigenschaften des den Sperrpin betätigenden Hydraulikmediums eine Wartezeit für dessen Verstellbewegung anpasst. Es sollen so Druckunterschiede bei der Betätigung des Sperrpins, welche sich in einer verzögerten mechanischen Freigabe des Verstellmechanismus niederschlagen, abgewartet werden, so dass die mechanische Freigabe des Sperrpins erfolgt ist, bevor die Verstellbewegung des Nockenwellenstellers beginnt. Eine verzögerte Bewegung des Sperrpins soll dabei nicht zur Diagnose eines Freigabefehlers führen. Die hydraulischen Eigenschaften werden dabei unter Nutzung der Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle ermittelt.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2013 200 301 A1 ist eine Öldruckmodifikation für eine variable Nockensteuerung bekannt. Die Öldruckmodifikation erfolgt derart, dass ein die Nockenwellenverstellung verriegelnder und hydraulisch betätigter Stift einfacher entriegelt werden kann. Der zur Nockenverstellung zugeführte Druck wird für eine vorbestimmte Zeitdauer reduziert, so dass keine Bewegung zur Nockenverstellung stattfindet, der Druck jedoch ausreicht, um den Verriegelungsstift zu entriegeln.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 102 53 892 A1 ist eine Ventileinstellungsvorrichtung bekannt, welche zum Verstellen der Relativlage der Nockenwelle ein hydraulisch betätigtes Nockenphasenstellglied aufweist, das mittels eines Sperrmechanismus verriegelt werden kann. Der Sperrmechanismus wird unter Wirkung des Hydraulikdrucks freigegeben. Es erfolgt eine Phasenrückführungssteuerung des Winkels bei Freigabe aus dem gesperrten Zustand, wobei die Änderungsgröße der Ventileinstellung für die Freigabe auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Freigabe einer Nockenwellenverstellung zu einem möglichst frühen Zeitpunkt nach dem Start des Verbrennungsmotors, an dem eine Nockenwellenverstellung mit der erforderlichen Regelgüte gewährleistet werden kann, zu ermöglichen. Das Verfahren soll ohne zusätzliche Sensorik auf Basis der Auswertung der die Lage von Nocken- und Kurbelwelle kennzeichnenden Signale erfolgen.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren steuert die Winkellage wenigstens einer Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Es kann sich dabei um eine oder mehrere Ein- und/oder Auslassnockenwelle(n) handeln, welche mit jeweils einem Nockenwellensteller, zum Verstellen der Relativlage zwischen der jeweiligen Nockenwelle und der Kurbelwelle ausgerüstet sind. Zum Zeitpunkt des Starts des Verbrennungsmotors ist die Relativverstellung der jeweiligen Nocken- zur Kurbelwelle gesperrt. Der Nockenwellensteller kann mit einem mechanischen Sperrglied versehen sein oder ist anderweitig, z. B. hydraulisch, in seiner Lage fixiert, so dass eine feste Winkelzuordnung der jeweiligen Nocken- zur Kurbelwelle gegeben ist. Um die Relativverstellung zu aktivieren, bedarf es einer Freigabe der Relativverstellung, welche nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgt. Mit der Freigabe kann beispielsweise ein mechanisch wirkendes Sperrglied elektrisch oder hydraulisch so betätigt werden, dass die Relativverstellung der jeweiligen Nockenwelle zur Kurbelwelle durch eine entsprechende Ansteuerung eines hydraulischen Verstellaktors möglich wird. Ein an den Kammern eines Verstellaktors anliegender Hydraulikdruck kann beispielsweise über ein Regelventil eingestellt werden, so dass eine Relativverstellung der jeweiligen Nocken- zur Kurbelwelle erfolgt. Im Stand der Technik sind Nockenwellensteller hinreichend bekannt. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird wenigstens einmalig vor der ersten Freigabe für die im Betrieb des Verbrennungsmotors gemäß dessen Betriebsparametern erfolgende Relativverstellung nach dem Start des Verbrennungsmotors ein hydraulisch betätigter Steller zum Verstellen der relativen Winkellage der Nocken- zur Kurbelwelle derart angesteuert, dass sich eine Relativverstellung der Nocken- zur Kurbelwelle ergibt. Für diese Verstellung muss bei einer mechanischen Verriegelung, z. B. ein Sperrpin, vorübergehend gelöst oder eine hydraulische Verriegelung muss vorübergehend freigegeben werden. Es wird die Zeit der relativen Verstellung der Nocken- zur Kurbelwelle und der Betrag der Relativverstellung erfasst und ausgewertet. Eine Freigabe der Relativverstellung für den normalen Regelbetrieb des Nockenwellenstellers nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgt, wenn die Relativverstellung bzw. deren Betrag in Bezug zu der zur Verstellung benötigten Zeit (beispielsweise Verstellwinkel pro Zeiteinheit) einen Freigabeschwellwert erreicht oder überschreitet. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird durch die Relativverstellung und die dazu benötigte Zeit ein für die Verstelldynamik kennzeichnender Wert ermittelt. Dieser entspricht den realen Bedingungen beim Verstellen zu diesem Zeitpunkt und ist somit bestimmend für die zu erwartende Regelgenauigkeit. Eine Temperatur- oder Viskositätsbestimmung des im Nockenwellensteller vorhandenen oder an dessen Eingang anliegenden Hydraulikmediums braucht daher nicht zu erfolgen, da sich diese Parameter direkt in der Verstellbewegung widerspiegeln. Es kann damit der Schwellwert, ab welchem eine genaue Einstellung der Nockenwellenlage mit der erforderlichen Dynamik erfolgen kann, sicher bestimmt werden, da die Regeldynamik unter realen Bedingungen über die zur Verstellung benötigte Zeit bewertet wird. Die Einstellung ist genauer als ein zeitbasiertes Modell, welches mit entsprechender Sicherheit kalibriert werden müsste. Es kann daher eine frühere Freigabe der Relativverstellung erfolgen. Weiterhin muss die Temperatur des Hydraulikmediums (vorzugsweise des Motoröls) nicht bekannt sein. Eine Messung nahe am Nockenwellensteller ist nicht notwendig. Das Verstellen der Relativlage nach dem Start des Verbrennungsmotors hat weiterhin den Vorteil der schnelleren Aufwärmung des als Hydraulikfluid genutzten Motoröls direkt am Nockenwellensteller, da durch den Betrieb des Verbrennungsmotors erwärmtes Motoröl in die Kammern des Verstellers gepumpt wird, wobei sich das zum Verstellen genutzte Motoröl im und nahe dem Nockenwellensteller schneller aufwärmt und somit eine frühere Freigabe der Verstellung ermöglicht. Alternativ zur Betrachtung des Betrags der Relativverstellung in Bezug zu der benötigten Zeit (Verstellwinkel pro Zeiteinheit) kann auch für einen definierten Verstellwinkel, z. B. 5°, eine Zeitmessung erfolgen. Es wird also die Zeitdauer ermittelt, welche vom Start der Ansteuerung bis zum Erreichen des definierten Verstellwinkels vergeht. Diese Zeitdauer kann dann direkt mit einem zeitbasierten Freigabeschwellwert verglichen werden. Dieser wird dann als Zeitwert definiert und eine Freigabe erfolgt, wenn der Freigabeschwellwert erreicht oder unterschritten wird. Der Zeitwert kann dabei ebenfalls vorher durch Versuche ermittelt oder durch eine theoretische Modellbildung ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Relativverstellung in Bezug zu der zur Verstellung benötigten Zeit als Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Verstellung bzw. der Verstellbewegung ausgewertet und mit einem entsprechend vordefinierten Freigabeschwellwert für Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung verglichen. Der Freigabeschwellwert kann vorher durch Versuche ermittelt werden oder ist durch eine theoretische Modellbildung des Streckenmodells des Nockenwellenstellers berechenbar. Der Freigabeschwellwert kann so gewählt werden, dass die für eine genaue Verstellbewegung erforderliche Dynamik und Verstellgenauigkeit des Nockenwellenstellers erreicht wird.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Ansteuerung des hydraulischen Stellers nach dem Start des Verbrennungsmotors derart, dass eine bevorzugte Relativverstellung kleiner 10° Verstellwinkel und besonders bevorzugt zwischen 3° und 7° Verstellwinkel erfolgt. Der kleine Verstellwinkel wird so bemessen, dass die zur Ermittlung der Freigabe notwendige messbare Verstellung hinsichtlich Winkel und Zeit erreicht wird und trotz dieser Verstellung sich keine für den Fahrer spürbaren Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors ergeben. Weiterhin wird durch eine geringe Verstellung des Winkels keine oder nur eine geringe Änderung der Emissionswerte erzeugt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die erste Ansteuerung des hydraulischen Nockenwellenstellers zur Relativverstellung des Winkels der Nockenwelle zur Kurbelwelle unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors. Hier würde ein betriebswarmes Motorenöl aufgrund der hohen Verstelldynamik erkannt und es kann eine direkte Freigabe des Nockenwellenstellers ohne Ablauf einer Sicherheitszeit erfolgen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft kann alternativ oder zusätzlich zum ersten Verstellen nach dem Start eine Ansteuerung des hydraulischen Stellers für die Freigabe der Relativverstellung zeitverzögert nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgen, wobei die Zeitverzögerung entsprechend einem aktuell gemessenen oder beim Betrieb des Verbrennungsmotors vor dem aktuellen Start abgespeicherten Temperaturwert der Öl- und/oder Kühlflüssigkeit erfolgt. Sowohl die Temperatur des Motoröls als auch des Kühlwassers geben Aufschluss über den Erwärmungszustand des Motors, selbst wenn keine aktuelle Motoröltemperatur nahe dem Nockenwellensteller gemessen wird, kann auch die Temperatur in der Ölwanne oder an einem Kühler einem Vorlauf etc. einen Hinweis auf die am Nockenwellensteller vorliegende Motoröltemperatur und die davon beeinflusste Viskosität und somit Verstelldynamik des Nockenwellenstellers liefern. Bei komplett abgekühltem Verbrennungsmotor nach langer Standzeit kann somit vorteilhaft eine erste Verstellung einen definierten, von der Temperaturmessung abhängigen Zeitraum nach dem Start verschoben werden. Eine Freigabe ist bei kaltem Motor direkt nach dem Start nicht zu erwarten, ebenfalls der Effekt der beschleunigten Aufwärmung des Nockenwellenstellers durch das Einströmen des Motoröls während der Verstellbewegung erfolgt auch erst ab einem minimal erwärmten Motoröl. Weiterhin kann ein alternativer oder zusätzlicher Parameter die Kühlwassertemperatur sein. Die Motoröltemperatur folgt der Kühlwassertemperatur speziell beim Aufwärmen zeitverzögert. Die Kühlwassertemperatur gibt ebenso einen Aufschluss über einen möglicherweise noch betriebswarmen Verbrennungsmotor, so dass eine Verstellbewegung zur Ermittlung der Freigabe zu einem entsprechend zeitlich verschobenen Zeitpunkt nach dem Start oder bei betriebswarmem Kühlmittel unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgt.
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Weiterhin kann für den Zeitpunkt der ersten Verstellung oder die Zeitspanne zwischen erster Verstellung und der weiteren Verstellungen des Nockenwellenstellers zum Bestimmen der Freigabe ein Modell genutzt werden, in welches die Geschwindigkeit der ersten Verstellbewegung und/oder die Kühlmittel- und/oder die Öltemperatur einfließen.
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Anstelle eines aktuellen Messwertes kann auch ein Messwert beim Abstellen und eine Zeitspanne des Stillstandes des Verbrennungsmotors zum Bestimmen der ersten Verstellung oder der Zeitspanne zwischen der ersten Verstellung und der weiteren Verstellungen des Nockenwellenstellers genutzt werden.
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Es können damit sowohl die erste Verstellung des Nockenwellenstellers für die Freigabe als auch die weiteren Verstellungen so getaktet werden, dass sich eine entsprechend geringe Anzahl an Verstellungen ergibt, so dass die Freigabebedingung der erforderlichen Dynamik der Verstellbewegung, welche über den Vergleich mit dem Freigabeschwellwert ermittelt wird, eingehalten wird.
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Erfindungsgemäß erfolgen die für die Freigabe der Relativverstellung nach dem Start erfolgten Ansteuerungen des hydraulischen Stellers mehrfach solange bis die bei der jeweiligen Ansteuerung des hydraulischen Stellers ermittelte Relativverstellung in Bezug zu der zur jeweiligen Verstellung benötigten Zeit den Freigabeschwellwert erreicht oder überschreitet.
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Die 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockschaltbild. Der Block 1 symbolisiert den Start des Verbrennungsmotors. Der Block 2 ist strichliert dargestellt, da er eine mögliche Option einer festen oder variablen Wartezeit für den Algorithmus enthält. In einer einfachen Form ohne die Wartezeit im Block 2 erfolgt unmittelbar die Ansteuerung des Nockenwellenstellers, welche durch den Block 3 symbolisiert wird. Diese Ansteuerung erfolgt, um eine geringe Relativverstellung der Nockenwelle zur Kurbelwelle zu realisieren. Der Betrag der Relativverstellung wird dabei vorgegeben. Es soll sich um eine kleine, das abgegebene Drehmoment des Verbrennungsmotors bzw. die Fahrbarkeit des Fahrzeuges nicht beeinflussende, geringfügige Relativverstellung kleiner 10° Abweichung von der definierten Lage bei gesperrter Nockenwellenverstellung handeln. Ein bevorzugter Bereich, in welchem eine Zeitmessung erfolgen kann und eine entsprechende geringe Relativverstellung erfolgt, liegt zwischen 3° und 7°. Die Verstellung kann ohne Wartezeit unmittelbar nach dem Motorstart 1 erfolgen oder ist um eine im Block 2 ablaufende Wartezeit zeitverzögert. Im Block 4 wird die Zeit zur Relativverstellung der Nocken- zur Kurbelwelle erfasst und es wird aus der Relativverstellung in Bezug zu der dafür benötigten Zeit ein Kennwert, vorzugsweise die Verstellgeschwindigkeit als Winkelgeschwindigkeit oder die Winkelbeschleunigung, ermittelt. Der Kennwert wird im Block 5 mit einem Freigabeschwellwert verglichen, so dass für den Fall einer den Freigabeschwellwert erreichenden oder diesen überschreitenden Verstellgeschwindigkeit eine Freigabe der Nockenwellenverstellung im Block 10 erfolgt. Ist die Verstellgeschwindigkeit kleiner als der Freigabeschwellwert, so wird auf ein noch kaltes Hydraulikfluid geschlossen. Die für eine genaue Regelung der Nockenwellenlage erforderliche Dynamik der Nockenwellenverstellung kann nicht erreicht werden, so dass keine Freigabe der Nockenwellenverstellung erfolgt. Der Algorithmus geht über den Pfad 6 zurück zum Block 3, in welchem erneut eine Ansteuerung des Nockenwellenstellers erfolgt und der Algorithmus bis zum Vergleich mit dem Freigabeschwellwert im Block 5 erneut abläuft. In einem einfachen Fall erfolgt die Verstellung immer wieder fortlaufend solange, bis der Freigabeschwellwert erreicht oder überschritten ist. Alternativ kann im Block 7 eine weitere Wartezeit ablaufen, welche eine erneute Ansteuerung des Nockenwellenstellers im Block 3 zeitlich verzögert. Hier kann ein fester Zeitwert eingetragen sein. Der Zeitwert für die weitere Wartezeit kann in einer alternativen Ausgestaltung adaptiert werden. Hierfür können Temperaturwerte des Verbrennungsmotors, z. B. die Öltemperatur und/oder die Kühlmitteltemperatur genutzt werden. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die in der vorherigen Ansteuerung des Nockenwellenstellers für die jeweilige Relativverstellung benötigte Zeit t berücksichtigt wird. Sollte die zur Relativverstellung benötigte Zeit t weit überschritten sein bzw. alternativ die Verstellgeschwindigkeit im Vergleich zum Freigabeschwellwert weit unterschritten sein, so ist es von Vorteil, eine aus dem bekannten Aufwärmverhalten des Verbrennungsmotors abgeleitete, weitere Wartezeit ablaufen zu lassen, bevor um diese zeitlich verzögert die nächste Ansteuerung des Nockenwellenstellers im Block 3 erfolgt. Im umgekehrten Fall, dass bereits bei der vorherigen Verstellung eine Verstellgeschwindigkeit nahe dem Freigabeschwellwert realisiert wurde, ist es möglich, die Ansteuerung direkt oder nach einer sehr kurzen weiteren Wartezeit wieder zu ermöglichen, so dass eine entsprechende Freigabe der Nockenwellenverstellung so früh wie möglich nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgen kann. Die Adaption der weiteren Wartezeit ist im Block 9 symbolisiert, wobei als beispielhafte Eingangsgrößen die Temperaturwerte T des Verbrennungsmotors und die Zeit t bis zur Realisierung der Nockenwellenverstellung als Eingangsgrößen dargestellt sind. Es kann sich dabei um eine einfache Zuordnung mittels einer Kennlinie (z. B. weitere Wartezeit = f(t)) oder ein Modell z. B. in Form eines Kennfeldes (weitere Wartezeit =f(T,t)) handeln. Der Block 9, welcher die Adaption der weiteren Wartezeit im Block 7 realisiert, kann auch genutzt werden, um die Adaption einer Wartezeit nach Motorstart im Block 2 zu ermöglichen. Wie bereits beschrieben, erfolgt in einem einfachen Fall die erste Ansteuerung des Nockenwellenstellers im Block 3 unmittelbar nach dem Motorstart. Als mögliche Option kann die Ansteuerung im Block 3 um eine Wartezeit im Block 2 zeitlich verzögert werden. Diese Wartezeit kann bei betriebswarmem Verbrennungsmotor sehr klein oder nicht vorhanden sein, so dass zeitlich nur gering oder nicht verzögert unmittelbar nach dem Start die erste Ansteuerung des Nockenwellenstellers erfolgt, welche beim Erreichen oder Überschreiten des Freigabeschwellwertes im Block 4 zu einer Freigabe im Block 10 führt. Im entgegengesetzten Fall, wenn z. B. aus den bereits beim Start vorliegenden Temperaturwerten T des Verbrennungsmotors, wie Kühlmittel oder Öltemperatur, eine Freigabe noch nicht zu erwarten ist und auch der Effekt der beschleunigten Aufwärmung des Öls im Nockenwellensteller durch ein Betätigen von diesem nicht zu erwarten ist, kann eine Wartezeit im Block 2, welche die erste Ansteuerung des Nockenwellenstellers im Block 3 zeitlich verzögert, vorteilhaft sein. Die Wartezeit kann sich dabei an der gemessenen Temperatur des Schmieröls als Hydraulikfluid und/oder der Temperatur der Kühlflüssigkeit beim Start bemessen. Es ist alternativ möglich, eine abgespeicherte Temperatur beim Abstellen des Verbrennungsmotors und eine Abstellzeit zu berücksichtigen.
