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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Phasenlage
mindestens einer Nockenwelle bei einer Brennkraftmaschine.
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Stand der
Technik
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Moderne
Verbrennungsmotoren haben zunehmend in der Phase verstellbare Nockenwellen. Dies
ermöglicht
eine variable Steuerung von Einlass- und Auslassventilen, und erlaubt
es, über
einen großen
Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eine möglichst hohe maximale Füllung des
Brennraumes zu erreichen, wobei gegenüber üblichen Systemen mehr Leistung
bei günstigen
Schadstoffwerten erzielt wird. Gleichzeitig kann über eine
Ventilsteuerung das Restgas in weiten Bereichen gesteuert werden,
so dass in einigen Fällen
ein externes AGR-Ventil entfallen kann.
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Um
die Ventile, die Zündung,
die Brennstoffzumessung und weitere Systeme sicher zu betreiben,
ist es notwendig die genaue Phasenlage der Nockenwellen gegenüber dem
Kurbeltrieb zu kennen. Schon ein kleiner Versatz in der Phasenlage,
bspw. verursacht durch eine Fehlmontage des Zahnriemens oder einen
Zahnspringer, führt
zu einer fehlerhaften Gemischsteuerung und unpassenden Zündwinkeln.
Auch ein fehlerhaft eingebauter Phasensensor oder Phasengeberrad
kann dazu führen,
dass die Nockenwellen auf eine falsche Phasenlage geregelt werden.
Ein solcher Versatz der Phasenlage gefährdet nicht nur die Brennkraftmaschine,
bspw. durch eine mögliche
Kolben-Ventilkollision, sondern führt insbesondere auch zu einer
deutlich ansteigenden Schadstoffemission. Um Schadstoffemissionen
zu begrenzen, ist daher von einigen Behörden – bspw. der CARB = Cali fornian
Air Resources Board – zwingend
vorgeschrieben, die Phasenlagen der Nockenwellen zu diagnostizieren
und ggf. zu kontrollieren bzw. den Fehler zur Anzeige zu bringen.
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Zur
Diagnose der Phasenlage ist aus der
DE 40 28 442 A1 ein Verfahren bekannt, bei
dem an der Kurbelwelle ein Drehzahlsensor und an der Nockenwelle
ein Phasensensor angeordnet ist. Über die ausgewerteten Sensorsignale
wird die Phasenlage der Nockenwelle bestimmt.
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Bekannt
sind auch Verfahren, die in einer vorgegebenen Ruheposition der
Nockenwellen-Phasensteller
die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Phasenlage der Kurbelwelle
bestimmen und dann ggf. Einbautoleranzen des Phasenstellers korrigieren.
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Es
zeigt sich jedoch in der Praxis, dass die Winkel-Toleranzen beim
Einbau des Phasengebers und die Winkel-Toleranzen der Ruheposition
der Phasensteller recht groß sein
können.
Bei einer Nockenwelle sind durchaus 3 – 5° Einbau-Phasentoleranz bezogen
auf die Nockenwelle möglich.
Treten Phasenverschiebungen innerhalb dieses Toleranzbereiches auf,
wie beispielsweise bei einem Versatz eines Zahnriemens um einen
Zahn, ist dieser Versatz nicht zuverlässig zu detektieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung der Phasenlage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des unabhängigen
Hauptanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Ermittlung der Phasenlage anhand von Betriebgrößen des
Luftsystems erfolgt und somit unabhängig ist von Toleranzen eines
Nockenwellengeberrades oder Nockenwellensensors. Außerdem werden
originär
von der Fehlsensierung betroffene Größen – bspw. Frischluftfüllung und/oder
Restgasfüllung – mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
direkt diagnostiziert.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass die Ermittlung der Phasenlage der Nockenwelle
an mindestens einem Betriebspunkt mit konstanter Drehzahl- und Lastanforderung
erfolgt, wodurch die Bestimmung der Phasenlage an Zuverlässigkeit
gewinnt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung liegen für mindestens eine Phasenlage
erwartete Betriebsgrößen vor,
wobei bei der mindestens einen Phasenlage an mindestens einem Betriebspunkt
mit konstanter Drehzahl- und Lastanforderung Betriebsgrößen des
Luftsystems ermittelt werden, wobei die ermittelten Betriebsgrößen mit den
bei der vorliegenden Phasenlage zu erwartenden Betriebsgrößen verglichen
werden, und wobei bei Abweichungen, die einen Grenzwert überschreiten
auf eine fehlerhaft erfasste Phasenlage geschlossen wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird mindestens
eine Nockenwelle in mindestens zwei verschiedene Phasenlagen gebracht,
wobei zu jeder eingestellten Phasenlage an mindestens einem Betriebspunkt
mit konstanter Drehzahl- und Lastanforderung Betriebsgrößen des
Luftsystems ermittelt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zu mindestens zwei Phasenlagen
die Differenz der bei den verschiedenen Phasenlagen ermittelten
Betriebsgrößen gebildet
und mit einer zu erwartenden Differenz verglichen. Eine Abweichung der
ermittelten Differenz von der erwarteten Differenz wird festgestellt
und mit einem Grenzwert verglichen. Übersteigt die festgestellte
Abweichung diesen Grenzwert, so wird auf eine fehlerhaft erfasste
Phasenlage geschlossen. Durch die Bildung von Differenzen können systematische
Fehler, wie beispielsweise ein Offset, eliminiert werden, wodurch
die Diagnose der Phasenlage in vorteilhafter Weise weiter an Zuverlässigkeit
gewinnt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform,
wird nachdem eine fehlerhaft erfasste Phasenlage erkannt wurde,
die Erfassung der Phasenlage bzw. des Nockenwellenwinkels adaptiv
korrigiert. Mit dem Vorteil, dass die Brennkraftmaschine zunächst ohne
signifikante Einbußen
weiter betrieben werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform,
erfolgt zwingend eine Fehlermeldung, bspw. an den Fahrer, wenn die
fehlerhaft erkannte Phasenlage nach vorbestimmten Kriterien nicht
mehr adaptiv zu korrigieren ist und beispielsweise Sollstellungen
der No ckenwellen nicht mehr erreicht werden. Dies hat den Vorteil,
dass größere Korrekturen,
die nicht mehr neutral für
den Betrieb der Brennkraftmaschine sind oder im Extremfall zu einer
Zerstörung des
Motors führen
könnten
(Kolben-Ventil-Kollision) frühzeitig
signalisiert werden.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
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Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 in
einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck ps und Frischluftfüllung im
Brennraum r1 bei verschiedenen Phasenlagen der Nockenwelle,
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 zeigt
in einem Diagramm den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel
mit einer Ventilüberschneidung;
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4 zeigt
in einem Diagramm den Verlauf des Saugrohrdruckes ps in Abhängigkeit
von der Ventilüberschneidung.
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Beschreibung
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In 1 ist
in einem Diagramm die Masse der Frischluftfüllung im Brennraum r1 in Bezug
auf den Saugrohrdruck ps für
verschiedene Phasenstellungen Ph der Einlass- und Auslassnockenwellen dargestellt,
wobei die Kurven durch den maximalen Saugrohrdruck psmax begrenzt
sind.
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Die
mit der Ziffer 1 gekennzeichnete durchgezogene Kurve stellt
den Verlauf der Frischluftfüllung
bei einer geringen Ventilüberschneidung
und einer Phasenstellung Ph_1 dar, bei der praktisch keine Rücksaugung
von Restgas aus dem Abgassystem über
den Brennraum in das Ansaugsystem vorhanden ist; der Schließwinkel
des Auslassventils derart ist, dass die im Brennraum verbleibende
Restgasfüllung
minimal ist und ein Einlassventil-Schließwinkel vorliegt, bei dem im
Brennraum eine maximale Gesamtfüllung
erreicht wird.
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Die
mit der Ziffer 2 gekennzeichnete gepunktete Kurve stellt
den Verlauf der Frischluftfüllung
bei einer ebenfalls geringen Ventilüberschneidung und einer Phasenstellung
Ph 2 dar, bei der jedoch auf Grund zu frühem oder zu späten Schließens des Auslassventils
vermehrt Restgas im Brennraum verbleibt, wodurch sich ein paralleler
Versatz der Kurve 2 gegenüber der Kurve 1 nach
unten ergibt. Weiterhin liegt ein Einlassventil-Schließwinkel vor, bei dem im Brennraum
eine maximale Gesamtfüllung
erreicht wird. Die mit der Ziffer 3 gekennzeichnete strich-punktierte
Kurve stellt den Verlauf der Frischluftfüllung bei einer gleichfalls
geringen Ventilüberschneidung
und einer Phasenstellung Ph_3 dar, bei der ein Einlassventil-Schließwinkel
vorliegt, bei dem die Gesamtfüllung
im Brennraum reduziert ist. Die reduzierte Gesamtfüllung ist
durch die geringere Steigung der Kurve erkennbar.
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Die
mit der Ziffer 4 gekennzeichnete durchgezogene gekrümmte Kurve
stellt den Verlauf der Frischluftfüllung bei maximaler Ventilüberschneidung und
einer Phasenstellung Ph 4 dar, bei der eine starke Rücksaugung
des Restgases vorliegt, wobei der Einlassventil-Schließwinkel derart ist, dass eine
maximale Gesamtfüllung
des Brennraumes vorliegt. Prinzipiell verlaufen die Kurven bei einer
geringen Ventilüberschneidung
linear, wobei die Steigung im Wesentlichen durch die Schließwinkel
des Einlassventils vorgegeben wird. Mit zunehmender Ventilüberschneidung
geht der Zusammenhang zwischen Frischluftfüllung und Saugrohrdruck in
ein nichtlineares Verhalten über,
wobei die Steigung bei kleinen Saugrohrdrücken nach wie vor von dem Schließwinkel
des Einlassventils abhängt.
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Die
Frischluftfüllung
kann somit als Funktion von Saugrohrdruck und den Phasenstellungen
r1= f(ps, Ph_i) dargestellt werden, wobei die Funktionswerte beispielsweise
durch Messungen an der Brennkraftmaschine oder an einer Vergleichs-Brennkraftmaschine
unter bekannten und kontrollierbaren Betriebsbedingungen ermittelt
und in Tabellen bzw. Kennfeldern abgelegt werden. Darüber hinaus
ist es auch denkbar, diese Funktionswerte durch Berechnungen oder
Simulationen zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß ist es
nun möglich
auf Grund der bekannten Abhängigkeiten
der Frischluftfüllung
vom Saugrohrdruck und den Phasenlagen, allein anhand von Betriebsgrößen des
Luftsystems auf eine Phasenlage der Nockenwellen der Brennkraftmaschine
zu schließen.
Wobei unter den zu ermittelnden Betriebsgrößen des Luftsystems zumindest die
Masse der Frischluftfüllung
im Brennraum r1 und der Saugrohrdruck ps zu verstehen sind, wobei
jedoch auch andere Betriebsgrößen des
Luftsystems denkbar sind, die entweder einen eigenen Zusammenhang
zu den Phasenlagen zeigen oder in bekannte Größen umgerechnet werden können.
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Alternativ
oder zusätzlich
können/müssen auch
weitere Betriebsgrößen, die
nicht unmittelbar zum Luftsystem gehören herangezogen werden wie beispielsweise
die Ansauglufttemperatur.
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Wie
in 1 weiter dargestellt ist, wird erfindungsgemäß für einen
bestimmten Saugrohrdruck ps1 eine vorliegende Frischluftfüllung r1(ps_1,
Ph_i) ermittelt. Vorzugsweise wird für die Messung ein Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine gewählt,
bei der eine konstante Drehzahl- und Lastanforderung vorliegt, so
dass auch bei der Messung im Wesentlichen stationäre Bedingungen
vorliegen. Ein bevorzugter Betriebspunkt ist der Leerlauf, wobei
jedoch auch andere Betriebspunkte mit im Wesentlichen stationären Betriebsbedingungen
gewählt
oder gezielt angefahren werden können.
Wie in 1 dargestellt stellen sich für einen bestimmten Saugrohrdruck
ps1 bei verschiedenen Phasenlagen Ph_i unterschiedliche Frischluftfüllungen
r1(ps_1, Ph_i), i=1, 2, 3, 4 ein.
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Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass auf im System bereits verfügbare Signale
und/oder Daten zurückgegriffen
werden kann, ohne dass eine zusätzliche
Sensorik benötigt
wird.
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Die 2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Bestimmung der Phasenlagen von Nockenwellen, bei dem in einem
ersten Schritt 510 entweder ein vorliegender stationärer Betriebszustand erkannt
oder gezielt eingestellt wird, des Weiteren wird überprüft, ob die
Phasenregelung der Nockenwellen einwandfrei funktioniert. Im nächsten Schritt 520 sind
entweder die Soll-Phasenlagen bereits bekannt oder werden gezielt
durch eine Messroutine bzw. andere Vorgaben eingestellt. Im folgenden Schritt 530 werden
dann die aktuellen Betriebsgrößen des
Luftsystems BG_A, bspw, die Frischluftfüllung r1_i, der Saugrohrdruck
ps_i, und/oder auch weitere Betriebsgrößen wie bspw. die Ansauglufttemperatur
o der ein Zündwinkel
ZW_i ermittelt. Im weiteren Schritt 540 werden die ermittelten
Betriebsgrößen BG A
mit den bei den vorliegenden Phasenlagen zu erwartenden Betriebsgrößen BG E,
die bspw. in Kennfeldern oder Tabellen abgelegt sind, verglichen. Liegt
der Betrag der Abweichungen unterhalb eines Grenzwertes |BG_A – BG_E| < GW, so wird in
einem Schritt 550 die Phasenlage als fehlerfrei gemeldet. Überschreitet
mind. eine Abweichung ihren jeweiligen Grenzwert, wird in einem
Schritt 560 überprüft, ob die
gemessenen und gewonnenen Informationen ausreichen, um eindeutig
auf eine fehlerhafte Phasenlage einer Nockenwelle schließen zu können. Die Informationen
sind beispielsweise nicht ausreichend, wenn der Grenzwert nur geringfügig überschritten wird,
die aktuellen gemessenen Betriebsgrößen zwar auf einen stationären aber
nicht unbedingt langzeitstabilen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
hinweisen oder nur eine einzige Messung vorliegt. Werden die Informationen
als ausreichend erachtet, wird in einem Schritt 570 die
Phasenlage als fehlerhaft gemeldet. Werden die Informationen als
nicht ausreichend erachtet, werden über einen Schritt 580 neue Vorgaben
für eine
Phaseneinstellung im Schritt 520 vorgegeben. Die Vorgaben
aus dem Schritt 580 können
darin bestehen, dass aus einer vorgegebenen Anzahl von Phasenlagen
die nächsten
Phasenlagen der Ein- und Auslassnockenwellen in einem Inkrementierungsschritt
oder anhand anderer Vorgaben geeignete Phasenlagen für eine erneute
Messung ausgewählt
wird. Die Verfahrensschritte werden so lange fortgeführt, bis
entweder ausreichende Informationen vorliegen und die Phasenlagen
als fehlerfrei erkannt wird oder ein Abbruchkriterium erreicht wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden zusätzlich
oder alternativ zu den einzelnen aktuellen Betriebsgrößen im Schritt 540 auch
die Differenzen der aktuell gemessenen Betriebsgrößen betrachtet.
Hierzu müssen
für mindestens
zwei verschiedenen Phaseneinstellung Ph_i entsprechende Betriebsgrößen BG_A(Ph_i)
vorliegen. Unterschiedliche Phasenlagen führen zu unterschiedlichen Betriebsgrößen, insbesondere
zu einer Differenz von Füllungsgrößen, beispielsweise
dem Saugrohrdruck ps. Die aktuelle Differenz ΔA_ps_i,j = |BA_A(ps_i) – BG_A(ps_j)|
wird mit einer erwarteten Differenz ΔE_ps_i,j; i,j = 1, 2, 3 ...,
i≠j verglichen
und eine Abweichung δΔps_i,j =|ΔA_ps_i,j – ΔE_ps_i,j|
ermittelt. Bleibt die Abweichung δΔps_i,j unterhalb
eines entsprechenden Grenzwertes, so wird in einem Schritt 550 die
Phasenlage als fehlerfrei gemeldet; wird der Grenzwert überschritten
wird im Schritt 560 weiter verfahren. Dieses Vorgehen hat
den besonderen Vorteil, dass durch die Bildung von Differenzen systematische
Fehler, wie beispielsweise ein Offset, die Diagnose der Phasenlage
nicht beeinflussen. Anstelle der Differenzen des Saugrohrdrucks
können
auch andere durch die Nockenwellenstellungen beeinflusste Füllungsgrößen bzw.
Betriebsgrößen genommen
werden.
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In
einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können zusätzlich zu
den unterschiedlichen Einstellungen der Phasenlage weitere stationärer Betriebszustände eingestellt
werden. Durch die Ermittlung weiterer Betriebsgrößen bei unterschiedlichen Bedingungen
kann somit die Zuverlässigkeit
der Erfassung der Phasenlage der Nockenwellen weiter erhöht werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es vorgesehen die Phasenlage anhand einer bekannten Beziehung
zwischen dem Saugrohrdruck ps und dem Winkel der Ventilüberschneidung
zu plausibilisieren. In 3 sind beispielhaft die Ventilhübe in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel KW dargestellt, wobei die durchgezogene Kurve 800 den
Hubverlauf des Auslassventils und die gestrichelte Kurve 810 den
Hubverlauf des Einlassventils schematisch darstellt. Öffnet das
Einlassventil bevor das Auslassventil schließt, liegt einer Ventilüberschneidung
vor, wobei der Kurbelwellenwinkel, der zwischen Öffnen des Einlassventils und
Schließen
des Auslassventils verstreicht als Überschneidungswinkel φ_cross bezeichnet
wird. Es wird in der 3 zwar ein Überschneidungsbereich gezeigt,
der symmetrisch um den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung gelegt
ist, es sind jedoch auch andere Überschneidungsbereiche
und insbesondere asymmetrische möglich.
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In 4 ist
schematisch die Abhängigkeit des
Saugrohrdrucks ps vom Überschneidungswinkel φ_cross dargestellt,
wobei die Ventilüberschneidung von
den Stellungen der Nockenwelle und insbesondere des Winkels Einlass-Schließt abhängt. Mit
zunehmendem Überschneidungswinkel φ_cross nimmt auch
der Saugrohrdruck ps zu, wobei ab einem bestimmten Überschneidungswinkel φ_x zunehmend stärker ansteigt.
Es ist bekannt, dass ab einem bestimmten Überschneidungswinkel das Restgas
im Saugrohr beispielsweise im Leerlauf stark zunimmt. Prinzipiell
ist der Druck des Restgases bevor das Einlassventil öffnet und
das Auslassventil schließt
etwas so groß wie
der Abgasgegendruck und damit in der Teillast höher als der Saugrohrdruck.
Beim Öffnen des
Einlassventils entspannt sich dieser Druck und das Restgas strömt ins Saugrohr.
Liegt darüber
hinaus eine Ventilüberschneidung
vor, strömt
nicht nur das sich entspannende Restgas, das ur sprünglich den
oberen Totraum des Brennraums füllte,
sondern auch das Restgas vom Abgassystem über die beiden offenen Ventile
ins Saugrohr. In der folgenden Ansaugphase strömt dieses Restgas wieder in
den Brennraum zurück.
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Wird
nun der über
eine Drosselklappe fließende
Massenstrom mit dem gemessenen Saugrohrdruck ps verglichen, so steigt
der Saugrohrdruck ps ab einem bestimmten Überschneidungswinkel φ_x stark
an. Die genaue Größe dieses Überschneidungswinkels φ_x kann
beispielsweise mit Hilfe eines Differenzverfahrens, vorzugsweise
in der Applikationsphase, ermittelt werden und liegt bei einer Vielzahl
von Anwendungen bei zirka 10° Überschneidung.
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In
Kenntnis des Überschneidungswinkels φ_x und somit
der Anstiegscharakteristik des Saugrohrdrucks besteht so die Möglichkeit,
bspw. durch Variation der Phasenlagen beider Nockenwellen verschiedene Überschneidungswinkel
einzustellen und über
den gemessenen Saugrohrdruck ps die Größe des Überschneidungswinkels φ_x zu bestimmen,
ab dem die Restgasfüllung
stark zunimmt.
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Die
Position der Einlassnockenwelle alleine kann beispielsweise bei
sehr geringer oder keiner Nockenwellenüberschneidung durch Variation
des Schließwinkels
der Einlassnockenwelle bestimmt werden. Die Einlassnockenwelle wird
vorzugsweise in einem Bereich variiert, bei dem ein großer Einfluss auf
den Umrechnungsfaktor (fupsr1) – Umrechnung Saugrohrdruck
ps in Zylinderfüllung
r1 – zu
erwarten ist. Auf diese Weise kann dann die Phasenlage der Einlassnockenwelle
plausibilisiert werden. Aus der bekannten Phasenlage einer Nockenwelle
(hier im Beispiel der Einlassnockenwelle) unter der bekannten Überschneidung
kann auf die Phasenlage der anderen Nockenwelle (hier der Auslassnockenwelle) geschlossen
werden. Auf diese Weise können
die Phasensignale der Phasengeber der beiden Nockenwellen plausibilisiert
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausprägung
ist eine Adaption des Winkelfehlers der Nockenwelle, um bei z.B.
erkanntem Zahnversatz diesen Winkelversatz zu lernen und damit die
Phasenlage zu korrigieren. Somit kann die Nockenwellensteuerung
in einem weiten Bereich wieder die Nockenwelle auf die „richtigen" Sollwerte regeln
und die Brennkraftmaschine weiter sicher im gewünschten Betrieb gehalten werden, ohne
dass signifikante Einbußen
bspw. in Leistung oder Abgas auftreten.
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Erst
wenn so vielen Phasenspringer aufgetreten sind, dass der Verstellbereich
der Nockenwelle signifikant eingeschränkt wird und Einbußen im Betrieb
zu befürchten
sind oder sogar Motorschäden nicht
auszuschließen
sind (Kolben- Ventilkollision), muss dann eine Fehlermeldung bspw.
eine Fehlerlampe zwingend aktiviert werden. Die Kriterien ab wann
eine adaptive Korrektur nicht mehr sinnvoll möglich ist, können im
Vorfeld bspw. durch Versuche oder Simulationen vorbestimmt werden.
Beispielsweise kann als ein Kriterium für eine maximal zu tolerierende
Phasenverschiebung das Maß der
Einschränkung
des Verstellbereichs der Nockenwellen vorgeben sein.