-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Nockenwellenverstellung bei Brennkraftmaschinen, sowie eine dazu eingerichtete Brennkraftmaschine und ein dazu eingerichtetes Steuerelement.
-
Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen die Zylinder nicht in Reihe, sondern in zwei oder mehreren Zylinderbänken angeordnet sind. Beispiele hierfür sind sogenannte V-Motoren, die zwei Zylinderbänke aufweisen und sogenannte W-Motoren, die drei Zylinderbänke aufweisen. Üblicherweise weist jede Zylinderbank zwei Nockenwellen auf, von denen die Nocken der einen Nockenwelle die Einlassventile – Einlassnockenwelle – und die Nocken der anderen Nockenwelle die Auslassventile – Auslassnockenwelle – betätigt. Die Nockenwellen werden mittels eines Steuerriemen oder einer Steuerkette synchron mit der Kurbelwelle mitbewegt, wobei die Kurbelwelle 2 Umdrehungen ausführt, während die Nockenwellen eine Umdrehung ausführt. Die relative Lage der Nocken bezüglich der Drehbewegung der Kurbelwelle definieren die Öffnungs- und Schließzeiten der betätigten Ventile, wobei diese häufig bezüglich der Umdrehung der Kurbelwelle als Winkelmaß angegeben werden.
-
Es sind Nockenwellensteller bekannt, mittels derer die Lage der Nocken bezüglich der durch die Kurbelwelle vorgegebenen Referenzposition verändert werden kann. Mittels dieser Nockenwellensteller kann die Position der Nocken gegenüber einer von der Kurbelwellendrehung vorgegebenen Referenzposition innerhalb einer gewissen Bandbreite verändert werden. Für jede unabhängig verstellbare Nockenwelle muss dabei ein Nockenwellensteller vorgesehen sein, dessen maximaler Stellweg die Bandbreite der möglichen Verstellung der Nockenwelle festlegt. Die Sollposition für die Stellung der Nockenwelle bezüglich der Referenzposition wird in einem Steuergerät ermittelt. Über den jeweiligen Nockenwellensteller wird der Sollwert an den Nockenwellen eingesteuert.
-
Für die einander entsprechende Ventile unterschiedlicher Zylinderbänke betätigende Nockenwellen ist jeweils ein unabhängiger Steller vorgesehen. Diese Nockenwellensteller können als Gruppe zusammengefasst werden. Für diese Gruppe von Nockenwellensteller wird in einem Steuergerät ein gemeinsamer Sollwert für die Stellung der Nockenwellen bezüglich einer Referenzposition ermittelt.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 234 968 ist ein Verfahren zur Synchronisierung der Füllung von Zylindern einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei ist eine Brennkraftmaschine mit Zylindern versehen, die in wenigstens zwei Zylinderbänken angeordnet sind, wobei jede Zylinderbank wenigstens ein eigenes Stellglied zur variablen Ventilsteuerung der jeweiligen Zylinderbank aufweist. Mit Hilfe sensorischer Erfassung der Luftmenge und der Kraftstoffmenge für jede Zylinderbank wird ein Bankmittelwert gebildet. Diese Bankmittelwerte werden untereinander verglichen und bei der Feststellung relativer Abweichungen Stellgrößen angepasst, um z. B. Laufunruhen entgegenzuwirken.
-
Bei Motoren mit mehreren Zylinderbänken erfolgt die Verstellung der verstellbaren Nockenwellen, welche einander entsprechende Ventile unterschiedlicher Zylinderbänke betätigen, über voneinander unabhängige Nockenwellensteller. Da die Nockenwellensteller selbst innerhalb einer Gruppe von Nockenwellenstellern, die verwendeten Schaltelemente sowie die Versorgung der Nockenwellensteller mit Energie, meist Hydrauliköl, z. B. aus dem Motorölkreislauf, schon aufgrund von Unterschieden im Bereich der Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile unterschiedlich sind, führt dies auch dazu, dass die Stellgeschwindigkeiten und somit auch die Stellzeiten der einzelnen Nockenwellensteller innerhalb einer Gruppe voneinander abweichen. Diese Abweichung führt aber zu voneinander verschiedenen Zylinderfüllungen und damit zu unterschiedlicher Antriebsleistung der Zylinderbänke voneinander. Diese Abweichungen dauern dabei über die ganze Stellbewegung bis an allen Nockenwellen der Sollwert eingesteuert ist. Daher kann dies zu einem unerwünschten, spürbaren Ungleichlauf der Brennkraftmaschine führen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehreren Zylinderbänken einen durch Nockenwellensteller bedingten Ungleichlauf zu vermeiden.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, ein Steuerelement nach Patentanspruch 11 sowie durch eine Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 12. Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Steuern der Nockenwellenverstellung von Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylinderbänken, insbesondere von Kraftfahrzeugen. Es werden dabei die Nockenwellen, die einander entsprechende Ventile der unterschiedlichen Zylinderbänke betätigen, zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Nockenwellen der Gruppe sind mit voneinander unabhängigen Nockenwellenstellern bezüglich einer Referenzposition verstellbar. In einem Steuergerät wird für die Gruppe von Nockenwellen ein gemeinsamer Sollwert für die Stellung der Nockenwelle bezüglich der Referenzposition ermittelt. Mittels der Nockenwellensteller der Gruppe von Nockenwellen wird diese Sollposition für die Stellung der Nockenwelle eingesteuert. Die Istpositionen der Nockenwellen, gemessen bezüglich der Referenzposition, werden erfasst. Es wird dabei ein Maß für die Differenz der Istpositionen der Nockenwellen der Gruppe untereinander ermittelt. Das Einsteuern der gemeinsamen Sollposition durch die Nockenwellensteller der Gruppe wird in Abhängigkeit dieses Maßes vorgenommen.
-
Dadurch dass ein Maß für die Differenzen der Istpositionen der Nockenwellen der Gruppe von Nockenwellenstellern ermittelt und dies beim Einsteuern des gemeinsamen Sollwertes durch die Nockenwellensteller berücksichtigt wird, kann ein erhöhter Gleichlauf der Nockenwellen innerhalb der Gruppe von Nockenwellenstellern erreicht werden. Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte bezüglich der Referenzposition der durch die Nockenwellen der Gruppe betätigten einander entsprechenden Ventile unterschiedlicher Zylinderbänke weichen auch während eines Verstellens der Nockenwellen nicht zu weit voneinander ab. Es wird auch über die Verstellbewegungen der Nockenwellensteller der Gruppe von Nockenwellen ein runder, gleichmäßiger Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet.
-
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Einsteuern des gemeinsamen Sollwertes durch die voneinander unabhängigen Nockenwellensteller der Gruppe von Nockenwellen, so lange unabhängig voneinander, solange das Maß für die Differenz der Istpositionen einen ersten Grenzwert nicht überschreitet. Der erste Grenzwert legt also das Toleranzmaß fest, bis zu dem ein Abweichen der Istpositionen der Nockenwellen einer Gruppe untereinander hingenommen werden kann. Der erste Grenzwert ist festlegbar. Er ist insbesondere so zu bestimmen, dass ein merklicher Ungleichlauf der Brennkraftmaschine vermieden wird. Diese Bestimmung erfolgt vorzugsweise empirisch.
-
Nach dem Überschreiten des ersten Grenzwertes erfolgt gemäß vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, das Einsteuern des gemeinsamen Sollwertes durch den Nockenwellensteller einer Nockenwelle der Gruppe in Abhängigkeit der Istpositionen der anderen Nockenwellen der Gruppe. Hierdurch können die Stellbewegungen des einzelnen Nockenwellenstellers an die Stellbewegungen der anderen Steller angepasst werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Einsteuern des Sollwertes eines Nockenwellenstellers in Abhängigkeit von den anderen Nockenwellenstellern der Gruppe, bis das Maß einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Der zweite Grenzwert ist dabei insbesondere kleiner als der erste Grenzwert. Es wird so eine Hysterese in der Umschaltung zwischen der unabhängigen Steuerung und der abhängigen Steuerung der Nockenwellensteller erreicht. Dies soll verhindern, dass allzu oft zwischen der abhängigen und der unabhängigen Nockenwellenverstellung gewechselt wird. Bei dem Einsteuern des Sollwertes in Abhängigkeit der anderen Nockenwellensteller kann dies beispielsweise durch Angleichung der Istpositionen oder der Stell- bzw. Verfahrgeschwindigkeit der einzelnen Steller der Gruppe aneinander erfolgen. Die Stellbewegung des Stellers, dessen Regelabweichung am größten ist, wird relativ zur Stellbewegung des Stellers, dessen Regelabweichung am geringsten ist, angeglichen. Es wird ein größerer Gleichlauf der Nockenwellensteller untereinander erreicht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Maß für die Differenz der Istpositionen aus den Beträgen der Differenz zwischen der Istposition und dem gemeinsamen Sollwert, also aus den Beträgen der Regelabweichung der einzelnen Nockenwellensteller, abgeleitet. Insbesondere wird das Maximum der Differenz zwischen zwei Beträgen der Regelabweichung bestimmt. Es kann vorgesehen sein, dass die Nockenwellensteller, bei denen der Betrag der Differenz zwischen Istposition und gemeinsamem Sollwert am geringsten ist, in dieser Istposition verharren. Das Verharren erfolgt dabei solange, bis sich die Istpositionen soweit angeglichen haben, dass das sich daraus ergebende Maß geringer ist wie der zweite Grenzwert. Schneller verstellende Nockenwellensteller verharren demgemäss in einer von dem Sollwert verschiedenen Zwischenposition des schnellsten Nockenwellenstellers bis auch der langsamste Nockenwellensteller im Bereich dieser Position angelangt ist. Es ist auch denkbar, dass das Verharren in der Zwischenposition so gestaffelt beendet wird, dass alle Steller gleichzeitig oder mit unter dem ersten Grenzwert liegender Abweichung die gemeinsame Sollstellung erreichen. Hierzu müssen die schnelleren Steller länger in der Zwischenposition verharren, den langsameren Stellern wird also ein Vorlauf eingeräumt, der im weiteren Verstellvorgang aber reduziert wird. Selbstverständlich kann der gewährte Vorsprung durch den ersten Grenzwert begrenzt sein. Durch diese Maßnahme soll vermieden werden, dass Steller mehrmals in Zwischenstellung verharren und auf langsamere Steller warten müssen.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Maß für die Differenz der Istpositionen für jeden Nockenwellensteller einem Integrator zugeführt. Das Maß wird dabei für jeden Nockenwellensteller bezüglich seiner Istposition ermittelt. Dem Ergebnis des Integrators wird über eine Gleichlauffunktion, deren Wertebereich insbesondere auf Werte zwischen 0 und 1 beschränkt ist, ein Gleichlauffaktor zugeordnet. Für jeden Nockenwellensteller wird die Regelabweichung, also die Differenz zwischen dem Istwert der Stellung des Nockenwellenstellers zu dem gemeinsamen Sollwert, mit dem Gleichlauffaktor multipliziert. Zum Einsteuern des Sollwertes am Nockenwellensteller wird die so gewichtete Regelabweichung verwendet. Es ist möglich vorzusehen, dass diese Verstellung über die Integratoren erst angewendet wird, wenn das Maß für die Differenzen der Istpositionen einen ersten Grenzwert überschritten hat. Durch geeignete Gestaltung der Gleichlauffunktion und durch die Integratoren kann erreicht werden, dass die Gleichlaufeinstellung mit möglichst großer Stellergeschwindigkeit realisiert wird. Auch diese Maßnahme erhöht den Gleichlauf der Nockenwellensteller einer Gruppe unabhängig verstellbarer Nockenwellensteller untereinander.
-
Die Erfindung betrifft ebenso ein Steuerelement, wie einen Speicher und insbesondere einen nur lesbaren Speicher (ROM), der ein Programm enthält, bei dessen Ausführung in einem Rechner, wie einem Mikroprozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf Brennkraftmaschinen mit wenigstens zwei Zylinderbänken mit einem Steuergerät, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
-
Im übrigen wird die Erfindung nachfolgend auch anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigt:
-
1 das schematische Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerung; und
-
2 das schematische Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerung.
-
Die beiden Ausführungsformen der Erfindung sind beide für den Fall dargestellt, dass eine Gruppe von Nockenwellen aus zwei verstellbaren Nockenwellen gebildet wird. Eine derartige Brennkraftmaschine weist also zwei Zylinderbänke auf. Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen eine häufige Ausführungsform. Die Erfindung ist aber ohne weiteres auch bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Zylinderbänken anwendbar.
-
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild. Das Verfahren ist so gestaltet, dass der schnellere Nockenwellensteller nach dem Überschreiten eines ersten Grenzwertes in der dann erreichten Stellung verharrt, bis der zweite Steller nachgezogen hat. Es sind also in einer Gruppe von Nockenwellenstellern zwei Nockenwellensteller zusammengefasst. Dies können sowohl die Einlassnockenwellen oder aber die Auslassnockenwellen der Zylinderbänke sein.
-
Die ermittelte gemeinsame Sollposition soll wird den beiden Differenzierern 11 und 12 zugeführt. Im Differenzierer 11 wird aus der Istposition ist1 des ersten der beiden Nockenwellensteller der Gruppe und der gemeinsamen Sollposition soll die Regelabweichung e1 ermittelt. Daraus wird im Betragsbildner 13 der Betrag eb1 der Regelabweichung für den ersten Nockenwellensteller ermittelt. In gleicher Weise wird in dem Differenzierer 12 die Regelabweichung e2 aus dem Istwert ist2 des zweiten Nockenwellenstellers der Gruppe und dem gemeinsamen Sollwert soll ermittelt. In dem Betragsbildner 14 wird dann der Betrag eb2 der Regelabweichung des zweiten Nockenwellenstellers ermittelt.
-
Die beiden Regeldifferenzen werden dem Differenzierer 15 zugeführt, der die Differenz eb1 – eb2 ermittelt. Diese Differenz wird den beiden hysteresebehafteten Schwellwertschaltern 17 und 18 für den ersten bzw. zweiten Nockenwellenstellers zugeführt. Dabei wird für den ersten hysteresebehafteten Schwellenwertschalter 17 zuvor durch den Inverter 16 das Vorzeichen der Differenz geändert. Die beiden Schwellenwertschalter sind so ausgebildet, dass dann, wenn die Differenz aus den Beträgen eb1 und eb2 einen ersten Grenzwert überschreitet, an der Ausgangsseite ein Schaltsignal gesetzt wird, das zurückgenommen wird, sobald die Differenz aus den Beträgen den zweiten Grenzwert wieder unterschreitet. Die Werte des ersten und zweiten Grenzwertes der beiden Schwellenwertschalter 17 und 18 stimmen untereinander überein, sie sind in Abhängigkeit der Ausbildung der Brennkraftmaschine beispielsweise empirisch zu bestimmen. Die Hysterese der Schwellenwertschalter wird dadurch erreicht, dass der zweite Schwellenwert kleiner als der erste Schwellenwert gewählt wird.
-
Das Signal des ersten Schwellenwertschalters 17, der dem ersten Nockenwellensteller zugeordnet ist, wird der Schalteinrichtung 19 zugeführt. Diese Schalteinrichtung schaltet die Zufuhr des Signales der Regelabweichung zu der Steuerung die den ersten Nockenwellensteller ansteuert. Solange im Schwellenwertschalter 17 festgestellt wird, dass der erste Schwellenwert nicht überschritten oder der zweite Schwellenwert wieder unterschritten ist, ist die Schalteinrichtung so geschaltet, dass die im Differenzierer 11 ermittelte Regelabweichung e1 als Regelabweichung er1 an die Steuerung übermittelt wird. Wenn der erste Schwellenwert im Schwellenwertschalter 17 überschritten wird, wird das Schaltsignal gesetzt und dadurch die Schalteinrichtung 19 umgeschaltet. Die Schalteinrichtung 19 leitet dann den Wert 0 als Regelabweichung er1 an die Steuerung weiter, dadurch verharrt der entsprechende Nockenwellensteller in der zu diesem Zeitpunkt erreichten, von der Sollstellung abweichenden Istposition. Der zugehörigen Steuerung wird vorgetäuscht, die Sollposition wäre bereits erreicht.
-
Entsprechend wird das Signal des zweiten Schwellenwertschalters 18, der dem zweiten Nockenwellensteller zugeordnet ist, der Schalteinrichtung 20 zugeführt. Diese Schalteinrichtung 20 schaltet die Zufuhr des Signals der Regelabweichung zu der Steuerung die den zweiten Nockenwellensteller ansteuert. Solange im Schwellenwertschalter 18 festgestellt wird, dass der erste Schwellenwert nicht überschritten oder der zweite Schwellenwert wieder unterschritten ist, ist die Schalteinrichtung so geschaltet, dass die im Differenzierer 12 ermittelte Regelabweichung e2 als Regelabweichung er2 an die Steuerung übermittelt wird. Wenn der erste Schwellenwert im Schwellenwertschalter 18 überschritten wird, wird das Schaltsignal gesetzt und dadurch die Schalteinrichtung 20 umgeschaltet. Die Schalteinrichtung 20 leitet dann den Wert 0 als Regelabweichung er2 an die Steuerung weiter, dadurch verharrt der entsprechende Nockenwellensteller in der zu diesem Zeitpunkt erreichten, von der Sollstellung abweichenden Istposition. Der zugehörigen Steuerung wird vorgetäuscht, die Sollposition wäre bereits erreicht.
-
Durch diese Ansteuerung verharrt der schnellere, vorauseilende Nockenwellensteller in einer Zwischenposition bis der langsamere, nacheilende Nockenwellensteller diese Zwischenposition wenigstens annähernd erreicht hat. Wird der zweite Grenzwert negativ gewählt, so hat der langsamere Nockenwellensteller nach dem Eingriff einen Vorsprung gegenüber dem schnelleren Nockenwellensteller.
-
Die 2 zeigt ein weites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren werden, in gleicher Weise wie zu 1 beschrieben, aus der gemeinsamen Sollposition und den beiden Istwerten der Stellung der Nockenwellensteller ist1 und ist2 in Differenzierern 11 und 12 zunächst die jeweilige Regelabweichung e1, e2 und dann in Betragsbildnern 13 und 14 die Beträge eb1 und eb2 der Regelabweichungen ermittelt. Diese beiden Signale werden einem Differenzierer 15 zugeführt, der die Differenz eb1 – eb2 der Beträge eb1 und eb2 der Regelabweichungen ermittelt.
-
Das Ergebnis des Differenzierers 15 wird dem Integrierer 23, der dem ersten Nockenwellensteller zugeordnet ist, direkt zugeführt, während der dem zweiten Nockenwellensteller zugeordnete Integrierer 24 erst nach einem Vorzeichenwechsel im Inverter 22 zugeführt wird. Die zugeführten Ergebnisse, Werte, werden in den beiden Integrierern 23 und 24 aufsummiert. Aus dem ermittelten Summenwert wird über eine Gleichlauffunktion jeweils ein Gleichlauffaktor fer1 bzw. fer2 ermittelt.
-
Bei der Gleichlauffunktion handelt es sich um eine Funktion mit einem Wertebereich zwischen 0 und 1. Die Funktion ist insbesondere als monoton steigende Funktion über dem Wert des Integrierers ausgebildet.
-
Der im ersten Integrierer 23 ermittelte Gleichlauffaktor fer1 wird dem Multiplizierer 25 zugeführt, dem auch die Regelabweichung e1 zugeführt wird. Das Produkt zwischen Regelabweichung e1 und Gleichlauffaktor fer1 wird ermittelt und der Steuerung des ersten Nockenwellenstellers als Regelabweichung zugeführt. Ebenso wird der im zweiten Integrierer 24 ermittelte Gleichlauffaktor fer2 wird dem Multiplizierer 26 zugeführt, dem auch die Regelabweichung e2 zugeführt wird. Das Produkt zwischen Regelabweichung e2 und Gleichlauffaktor fer2 wird ermittelt und der Steuerung des ersten Nockenwellenstellers als Regelabweichung zugeführt.
-
Durch die beiden Integrierer und den Einfluss des Gleichlauffaktors wird dem schnelleren, vorauseilenden der beiden Nockenwellensteller eine geringere Regelabweichung zum Sollwert suggeriert, als dem nacheilenden, langsameren der beiden Nockenwellensteller. Hierdurch wird ein Gleichlauf der beiden Steller erreicht, da die Steuerung des langsameren Stellers immer einer größeren Regelabweichung entgegenarbeitet, als die des schnelleren Nockenwellenstellers. Beide Regelabweichungen sind dabei höchstens so groß, wie die tatsächliche Regelabweichung.
-
Mit dem Einschalten der Zündung können die Werte der beiden Gleichlauffunktionen auf 1 gesetzt werden und die Gleichlauffaktoren fer1, fer2 haben dann ebenfalls den Wert 1, alternativ ist es möglich, bei Fahrzeugstart die beiden zuletzt verwendeten Werte der Gleichlauffunktion fer1, fer2 wieder zu verwenden. Wenn eine Nockenwellenverstellung erfolgt und der Betrag der Regelabweichung des zweiten Stellers größer ist als die des ersten Stellers, so erhält der Integrator 18 des zweiten Stellers ein positives Eingangssignal. Das Ausgangssignal müsste vergrößert werden, ist aber durch den Wertebereich der Gleichlauffunktion auf 1 begrenzt. Der Faktor fer2 bleibt also gleich 1.
-
Gleichzeitig erhält jedoch der Integrator 17 des ersten Stellers ein negatives Eingangssignal. Der Integrator verringert rampenförmig über die Zeit seinen Wert. Über die Gleichlauffunktion wird daher der Wert des Faktors fer1 verringert, er ist also kleiner 1. Die Regelabweichung er1 wird in dem Multiplikator 25 durch den Faktortor fer1 reduziert. Dadurch verstellt der Regler des ersten Stellers diesen langsamer. Dadurch baut sich die Regelabweichung eb1 langsamer ab. Schließlich gleichen sich die beiden Regelabweichungen aneinander an. Der Eingang des Integrators geht auf Null. Der Ausgangswert der Gleichlauffunktion verharrt, die Werte der Gleichlauffaktoren fer1, fer2 verharren ebenso. Die beiden Steller sind im Gleichlauf. Wenn beispielsweise der zweite Steller grundsätzlich um 20% langsamer ist als der erste Steller, so würde die Gleichlauffunktion des ersten Stellers nach dem Einschwingen auf den Wert 0,8 laufen und dort stehen bleiben.
