DE4307010C2

DE4307010C2 - Selbstkalibrierendes, variables Nockenwellen-Steuersystem

Info

Publication number: DE4307010C2
Application number: DE4307010A
Authority: DE
Inventors: Jun Stanley B Quinn; Earl W Ekhahl
Original assignee: BorgWarner Automotive Transmission and Engine Component Corp; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc; BorgWarner Automotive Transmission and Engine Component Corp
Priority date: 1992-03-05
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: JP3767634B2; US5289805A; DE4307010A1; JPH0642317A

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftma schine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Brennkraftmaschinen mit zwei Nockenwellen, nämlich eine für die Einlass ventile und die andere für die Auslassventile, verbessern bekanntlich die Motorbe triebsweise. Bekanntlich ist meistens eine Nockenwelle von der Kurbelwelle des Motors über eine Steuerkette oder einen Riemen angetrieben, und die andere No ckenwelle wird von der ersten über eine zweite Steuerkette oder einen zweiten Riemen angetrieben. Es können auch beide Nockenwellen von der Kurbelwelle über die Kette oder Riemen angetrieben sein. Es ist auch bei Doppelnockenwellen be kannt, den Brennstoffverbrauch und den Leerlauf zu verbessern, Emissionen zu ver ringern und das Drehmoment zu steigern, indem die Drehlage der einen Nocken welle, gewöhnlich der Nockenwelle für die Einlassventile, gegenüber der anderen Nockenwelle und gegenüber der Kurbelwelle verändert wird, um so die Steuerzei ten des Motors, also die Betätigung der Einlassventile in Bezug auf die Auslassven tile oder die Betätigung der Ventile gegenüber der Drehlage der Kurbelwelle zu verändern.

Ein Nockenwellenantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs von An spruch 1 ist aus der EP 0 388 244 A1 bekannt. Bei einem derartigen Nockenwellen antrieb können Schwierigkeiten insofern auftreten, als eine kontinuierliche Verän derung der Phaseneinstellung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle sowie größe re Phasenverstellungen nicht ohne weiteres möglich sind. Außerdem reagiert ein derartiger Nockenwellenantrieb im allgemeinen sehr empfindlich auf mechanische Einflüsse und Umgebungsänderungen, was zu Regelungenauigkeiten aufgrund von Störgrößeneinflüssen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwel lenantrieb mit dem Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 so weiterzubilden, dass eine kontinuierliche Phaseneinstellung zwischen Nockenwelle und Kurbelwel le bei gleichzeitiger Minimierung von Störeinflüssen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäß vorgesehene und ausgebildete Regelschaltung ermög licht es, dass der Flügel der Flügelanordnung in die zugehörige Nullstellung zu rückkehrt, wenn die Nockenwellenphase den Sollwert erreicht. Ein weiterer Vorteil dieser Regelung besteht darin, dass die Phaseneinstellung weniger empfindlich auf mechanische Einflüsse und Umgebungsänderungen reagiert. Insbesondere wird hierdurch der Einfluss kurzzeitiger Veränderungen wie z. B. des Öldrucks oder der Temperatur oder auch langzeitige Veränderungen infolge von Verschleiß verringert. Außerdem werden Suchfehler für den Sollwert der Phaseneinstellung bei unvorher gesehenen Störungen wie beispielsweise Drehmomentänderungen verringert.

Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerzeitanpassung bzw. Phasen veränderung für eine Nockenwelle bzw. für eine zweifache Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle mittels einer Betäti gungsanordnung, die ein Regelsystem mit einer hydraulischen Pilotstufe und einem impulsbreitenmodulierten Magnetventil aufweist. Ein einstellbarer Sollwert bestimmt einen ge wünschten Phasenwinkel der Nockenwelle entsprechend bestimm ten Betriebsbedingungen des Motors. Diese veränderliche Nockenwellensteuerung (VCT) kann bestimmte Betriebseigen schaften verbessern, wie den Leerlauf, den Brennstoffver brauch, Schadstoffausstoß und Drehmoment. Vorzugsweise weist die Verstelleinrichtung für die Nockenwelle eine oder mehre re radiale Flügel am Umfang der Nockenwelle auf, die inner halb eines auf der Nockenwelle oszillierenden Gehäuses an geordnet sind. Über ein Proportionalventil (Kolbenschieber) wird hydraulisches Strömungsmittel auf die eine oder andere Seite des Flügels gepumpt, so daß der Vorlauf bzw. Nachlauf der Nockenwelle gegenüber dem Kettenrad einstellbar ist. Das Pumpen erfolgt abhängig von einem in einer Regelanordnung erzeugten Signal. Eine solche Regelung ist immer dann erfor derlich, wenn die Einstellung nicht nur in zwei Positionen, d. h. voller Vorlauf oder voller Nachlauf erfolgen soll. Dies beruht darauf, daß die Nockenwellenphase vom Integral der Po sition des Kolbenschieberventils gesteuert wird. Das heißt, die Ventilschieberposition entspricht nicht der Nockenwel lenphase, sondern der Phasenänderung. Deshalb hat jede sta tische Ventilschieberposition außerhalb der Nullage (Mittel lage) zur Folge, daß das VCT letztlich sich auf einen seiner Phasengrenzwerte einstellt. Eine geschlossene Regelschleife ermöglicht es dem Ventilschieber in die Nullstellung zu rückzukehren, wenn die Nockenwellenphase den Sollwert er reicht. Ein weiterer Vorteil der Regelung besteht darin, daß der Vorgang weniger empfindlich auf mechanische Änderungen und Umgebungsänderungen reagiert. Dadurch wird der Einfluß kurzzeitiger Veränderungen verringert, wie Änderungen des Öldrucks oder der Temperatur, oder auch langzeitige Verände rungen infolge von Verschleiß oder Vergrößerung der Toleran zen. Außerdem werden Suchfehler für den Sollwert bei unvor hergesehenen Störungen, beispielsweise Drehmomentverände rungen, verringert. Infolge der geringeren Empfindlichkeit und geringeren Störungsanfälligkeit kann dieses erfindungs gemäße Regelsystem auch als robust angesehen werden.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Verbesse rungen dieses Systems. So handelt es sich darum, mechanische Ungenauigkeiten zu vermeiden, die bei der Phasenmessung wäh rend des Einstellvorgangs auftreten können. Eine Phasenver schiebung läßt sich manuell berechnen und in die Steuerlogik eingeben, um die Ungenauigkeiten zu kompensieren. Erfin dungsgemäß wird nun die notwendige Phasenverschiebung auto matisch berechnet, sowohl beim Starten des Systems und wenn nötig auch später, so daß man ein selbstkalibrierendes VCT- System erhält.

Gelegentlich stellt sich auch eine weitere Schwierigkeit ein, wenn der Phasenvorlauf so groß ist, daß ein falscher Impuls, d. h. ein vorhergehender Impuls zur Phasenberechnung benutzt wird, anstelle des richtigen Impulses. Dann verhält sich der berechnete Phasenwinkel wie ein großer positiver (Verzögerungs-) Wert und nicht wie der an sich richtige, nur leicht negative (voreilende) Wert. Dieses Problem, das auch als "Impulsüberkreuzung" bezeichnet wird, läßt sich korri gieren, indem man die falsche Phasenmessung kompensiert und die früher bestimmte Phasenverschiebung Z benutzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nach stehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Blockschaltbild einer Regelanordnung für ein VCT-System;

Fig. 1b ein Blockschaltbild der Regelkomponenten für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1c ein Blockschaltbild der in Fig. 1b gezeigten Komponenten in digitaler Ausführungsform;

Fig. 1d ein Blockschaltbild einer geänderten Ausführungs form der Erfindung mit einfacher Regelschleife und gefiltertem Sollwert;

Fig. 1e ein Blockschaltbild einer Ausführungsform mit Kom pensation und Störungsgrößeneingabe;

Fig. 1f ein Blockschaltbild der Komponenten eines synchro nen Rückführungsfilters;

Fig. 1g ein Diagramm der phasenabhängigen Impulssteuerzei ten für das VCT-System in normalem Betriebszu stand;

Fig. 1h ein Diagramm für die phasenabhängige Impulszeit steuerung für das VCT-System in voreilender Posi tion;

Fig. 2 eine Endansicht einer Nockenwelle mit veränderli cher Nockenwellensteuerung;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 mit weggebrochenen Teilen zur Klarstellung;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3;

Fig. 6 einen Teilschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 3;

Fig. 7 eine Endansicht eines Elementes der Nocken wellensteuerung gemäß Fig. 2 bis 6;

Fig. 8 eine Endansicht der anderen Seite des Elements in Fig. 7;

Fig. 9 eine Seitenansicht des Elementes der Fig. 7 und 8;

Fig. 10 eine Seitenansicht der anderen Seite des Ele ments in Fig. 9 und

Fig. 11 eine vereinfachte schematische Darstellung der Nockensteuerung gemäß Fig. 2 bis 10.

Wie bekannt, kön nen von Impulsgebern 27 bzw. 28 an der Nockenwelle bzw. der Kurbelwelle Impulse erzeugt werden, die zur Betätigung eines hydraulischen VCT-Systems dienen. Die in den Sensoren 27a und 28a erzeugten Impulse werden einer Phasenmeßschaltung 107 zugeführt. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Im pulsen der Kurbelwelle und der Nockenwelle, geteilt durch die Zeitdauer für eine Gesamtumdrehung und multipliziert mit 360° liefert das Signal 20, nämlich die gemessene Phasen differenz θ₂, die zu einem Synchronfilter 25 geführt wird, der näher in Fig. 1f dargestellt ist. Rotiert die Nocken welle, so überlagern die Drehmomentimpulse 10 eine hoch frequente Störung der VCT-Phase θ_O. Deshalb gibt es eine exakte Synchronisierung zwischen den Drehmomentimpulsen 10 und der hochfrequenten Störung. Ebenso sind die Nockenwel len-Meßimpulse 27a mit der Störung synchron.

Erfindungsgemäß ist es möglich, diese Synchronisierung zu benutzen, um die Phasenmessung θ_O, also das Signal 20 zu filtern, so daß die hochfrequente Störung herausgefiltert wird. Verändert sich die Nockenwellendrehzahl, so folgt die Filterfrequenz automatisch der Störungsfrequenz. Das Filter ist ein discrete-time notch Filter mit einer Abtastfrequenz gleich der Nockenwellenimpuls-Meßfrequenz 27a. Das Signal 30 entsprechend der gefilterten Phasenmessung θ_f wird der Re gelschaltung 108 zugeführt. Da die hochfrequenten Störungen ausgefiltert sind, muß die Regelschaltung 108 diesbezüglich nicht kompensieren. Infolge der geschilderten Filterung wird so ermöglicht, daß Antriebsleistung gespart, Verschleiß ver ringert und die Linearität des Signals verbessert wird.

Fig. 1f zeigt eine Ausführungsform für das Filter 25, wenn die Anzahl der Nockenwellen-Meßimpulse pro Umdrehung (n) größer ist als 2-mal die Anzahl der Drehmomentimpulse pro Umdrehung (m). Das Filter 25 eliminiert die Grundfrequenz der Drehmomentstörung. Wenn n kleiner als 2 m, so wird die Störung auf eine niedrigere Frequenz "verlagert" und dies ist die von dem Filter 25 angesprochene Frequenz. Weitere Stufen kann man hinzufügen, um Harmonische der Störfrequenz zu eliminieren. Die Variablen in Fig. 1f sind wie folgt:
z^-1 = Verzögerung um einen Nockenwellen-Meßimpuls
B = -2cos(2πm/n)
A = 1/(2 + B).

Die in Fig. 1a dargestellte Regelschaltung 108 ist in Fig. 1b näher erläutert. Das Signal 30 für die kompensierte und gefilterte Phase θ_f wird zunächst von einem Signal 35 für den Sollwert r subtrahiert und liefert das Signal 32 für den Fehler e₀. Der Fehler wird in einem Proportional-Integral- Regler 208 verarbeitet, so daß sich eine endliche Gleich spannungsverstärkung sowie eine Phasenvoreilung ergibt, um die Nacheilung des integrierenden Reglerteils zu kompensie ren. Das Integrierverhalten ermöglicht es, daß der statische Fehlerwert nach 0 geht.

Der Ausgang des PI-Verstärkers 208 regelt dann die innere Regelschleife des Systems. Das Signal 30 für die gefilterte Phasenwinkelmessung θ_f wird subtrahiert, so daß sich ein Signal 33 für den inneren Regelschleifen-Fehlerwert e₁ er gibt. Dieses Signal 33 wird mit einem Verstärkungsfaktor K₂ multipliziert und wird in der Phasenvoreilungskompensation 308 verarbeitet. Diese Schaltung 308 liefert eine schnelle Antwort, indem sie im wesentlichen die Phasennacheilung niedriger Frequenz der Impulsbreiten-Steuerstufe eines Magnetventils 106 (s. Fig. 1a und 11) eliminiert. Die Verstärkung und die Phasen voreilfrequenzen liefern ausreichende Freiheit, um eine un abhängige Regelung der Regeldynamik und Robustheit zu erzie len.

Fig. 1c zeigt eine identische Rückführungsregelung 108 in digitaler Bauweise. Die Veränderlichen für den PI-Verstärker 408 sind wie folgt:
T_s = 0,02 s
z^-1 = Einheitsverzögerung.

Die Veränderlichen für die Phasenvoreilkompensations schaltung 508 sind wie folgt:
c = w_lag/w_lead
b = exp - w_lagT_s.

In Fig. 1d ist eine geänderte Ausführungsform der VCT- Regelschaltung 108 mit nur einer Rückführschleife darge stellt. Das Signal 35 für den Sollwert r wird in einem Filter 35a gefiltert und dann wird das Signal 30 für die Rückführgröße θ_f substrahiert. Das Signal 34 für den Fehler e₂ wird dann in einem PI-Verstärker 218 und einer Phasen voreilschaltung 318 verarbeitet und liefert ein impulsbrei tenmoduliertes Signal. Man kann also bei dieser Ausführungs form die Vorteile der in den Fig. 1b und 1c dargestellten Regelschaltung auch in einer Bauweise mit einer einzigen Rückführung verwirklichen.

Fig. 1e ist eine geänderte Ausführungsform der Erfindung, bei der für die Regelschaltung zusätzlich eine Störgrös senkompensation 608 aufgeschaltet ist. Der Verstärkungsfak tor des hydromechanischen Systems wird abhängig von einer Reihe variabler Größen verändert, wie dem hydraulischen Speisedruck, der Motordrehzahl, der Öltemperatur und der naturgegebenen Ausrichtung von Kurbelwelle und Nockenwelle. Um diese Störgrößen in der Regelschaltung 208 zu kompensie ren, wird der Nettoeffekt aller variablen Größen geschätzt und der proportionale Verstärkungsfaktor KP vergrößert, wenn sich das Ansprechverhalten verringert. Die Regelschaltung 100 nimmt das Auftreten von Störgrößen vorweg, indem eine bestimmte Nullarbeitsfrequenz U₀ (Signal 611) entsprechend der Schätzung des Nettoeffektes eingestellt wird. Ein Schätzwert 609 mit Δ₀ wird als nicht lineare Funktion des Druckes, der Temperatur und des Sollwertes 35 bestimmt. Dieser Schätzwert Δ₀ wird von einem Nullnennwert U₀ (Signal 610) subtrahiert und es ergibt sich ein Gesamtwert U₀ (Sig nal 611), der in der Regelschleife benutzt wird.

Erfindungsgemäß sind ferner folgende Annahmen getroffen:

1. Für die Phasenberechnung werden nur gleich beab standete Meßimpulse benutzt (alle Extraimpulse werden ig noriert), d. h. N = Anzahl der Kurbelwellenimpulse pro Um drehung des Impulsrades und M = Anzahl der Nockenwellen- Impulse pro Umdrehung des Impulsrades;
2. die maximale Phasenveränderung in Nockenwellengra den ist kleiner als 360°/M und
3. die maximale Phasenänderung in Kurbelwellengraden ist kleiner als 360°/N.

Die folgenden Variablen werden ebenfalls für die Erfindung benutzt:

1. K₁ = 360°/N in Kurbelwellengraden pro Kurbel wellenimpuls
2. K₂ = 2 × 360°/M in Kurbelwellengraden pro Nockenwellenimpuls
3. Z = Phasenverschiebung in Graden
4. PHMIN = minimale Phasenveränderung in Graden
5. PHMAX = maximale Phasenveränderung in Graden
6. LCAMPW = Zeitdauer in s zwischen den Rückflanken der Kurbelwelle- und Nockenwelleimpulse
7. NEPW = Zeitdauer in s zwischen aufeinanderfol genden Kurbelwellenimpulsen.

Zur anfänglichen Kalibrierung wird eine Phasenverschiebung der Phasenwinkelmessung hinzuaddiert, um eine physikalische Fehlausrichtung der Impulsräder zu korrigieren. Bisher hat man die Verschiebung experimentell ermittelt und in die Logikanordnung eingegeben. Damit konnte man den Phasenmeß bereich kalibrieren, damit er unmittelbar der wahren physi kalischen Anordnung im VCT-System entspricht. Erfindungsge mäß wird diese Verschiebung automatisch ermittelt. In Fig. 1a wird eine Anfangskalibrierung des Systems nach dem Star ten des VCT-Systems vorgenommen, wenn es veranlaßt wird, die volle Voreilposition einzunehmen, bevor man von der Regel schaltung 108 Gebrauch macht und den Sollwert 35 eingibt. Zu Beginn des Programms wird ein Kennzeichen (flag) für die Neukalibrierung auf "wahr" gesetzt, um anzuzeigen, daß ein Kalibrieren erforderlich ist. Die Anfangsstufe benötigt etwa die ersten zwei Sekunden des Vorgangs. Der Wert der Phasen verschiebung Z ist Null, da bis jetzt noch kein Phasenwinkel gemessen wurde. Nach Programmbeginn erfolgt die Kalibrie rung, in der die Arbeitsfrequenz auf ein Minimum gesetzt wird und der kleinste Wert θ_min der Phase überwacht wird. Dieser Wert θ_min wird benutzt, um die Phasenverschiebung Z wie folgt zu berechnen:

Z = θ_min - PHMIN.

Setzt man diese Formel zur Bestimmung eines Phasenwinkels in bekannter Weise ein, so erhält man:

Damit wird die Phasenverschiebung Z automatisch in der an fänglichen Kalibrierstufe 105 des VCT-Systems berechnet und damit wird vermieden, daß man vor dem Starten willkürlich einen Festwert errechnen muß. Die Kalibrierung wird immer dann wiederholt, wenn das VCT-System in die volle Voreilpo sition verstellt wird.

Zur Phasenmessung und Kompensation wird sofort nach der an fänglichen Kalibrierung 105 der Phasenrohwinkel θ₁ (nicht gezeigt) zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle 26 kontinuierlich berechnet, indem die Kurbelwellen- und Nockenwellenimpulse in Fig. 1g und 1h wie folgt berechnet werden:

dabei ist:
θ₁ = Phasenrohwinkel;
LCAMPW 2,4 = Zeit zwischen Rückflanken der Kurbel wellen- und Nockenwellenimpulse;
NEOW 1,3 = Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Kurbelwellenimpulsen und
N = Anzahl der Kurbelwellenimpulse.

Ist das System in der normalen Betriebsposition, die in Fig. 1g dargestellt ist, kann der Phasenrohwinkel θ₁ genau bestimmt werden. Die diesbezüglichen Nockenwellenimpulse a und aa treten zwischen den Kurbelwellenimpulsen A und B rechtzeitig auf, d. h. PHMIN < θ₁ < PHMAX und deshalb θ₂ = θ₁. In dieser Position sind die zum Berechnen des Phasen rohwinkels θ₁ benutzten Zeiten LCAMPW = t_Aa 2 und NEPW = t_AB 1.

Ist jedoch das System in der in Fig. 1h dargestellten Vor eilposition, ohne sich die Erfindung zunutze zu machen, so geht der korrekte Nockenwellenimpuls e zum genauen Berechnen des Phasenrohwinkels θ₁ (nicht gezeigt) dem Kurbelwellen impuls E zeitlich voran, so daß sich das System fälschli cherweise des folgenden Impulses f bedient, um den Phasen rohwinkel θ₁ zu bestimmen. Während die Zeit zwischen den Kurbelwellenimpulsen NEPW = t_EF 3 konstant und deshalb korrekt ist, wird die falsche Nockenwellenzeit LCAMPW = t_Ef 4 zum Berechnen der Phase benutzt anstelle der korrekten Zeit LCAMP = t_Ee 5. Da das System den falschen Nockenwellenimpuls f zur Bestimmung des Phasenrohwinkels θ₁ benutzt, ergibt sich ein großer positiver (Verzögerung) Phasenwert, also ein falscher Wert anstelle des richtigen, leicht negativen (vor eilenden) Phasenwertes.

Um dieses Problem zu meistern, wird folgende Gleichung in der Stufe 107 zur Phasenmessung und Kompensation verwendet:

wobei θ₂ = kompensierter Phasenwinkel 20. Während der vol len Voreilposition, d. h. wenn θ₁ < PHMAX ist, gilt

θ₂ = θ₁ - K₂

oder

In entsprechender Weise gilt für die Nacheilposition (nicht gezeigt), d. h. θ₁ < PHMIN und mit "überkreuzten" Kurbelwel len- und Nockenwellenimpulsen, jedoch in umgekehrter Rich tung die folgende Beziehung:

θ₂ = θ₁ + K₂

oder

Damit ist das gegebene Ziel erreicht. Die Phasenmessung zeigt automatisch die wahre physikalische Position des VCT- Systems.

Die Fig. 2 bis 10 zeigen eine Ausführung einer hydraulischen Verstelleinrichtung, bei der ein Gehäuse in Gestalt eines Kettenrades oszillierend auf der Nockenwelle 26 gelagert ist. Die Nockenwelle 26 kann die einzige Nockenwelle für den Motor sein, entweder im Motorblock eingebaut oder OH oder kann auch eine Nockenwelle für die Einlaß- oder Auslaßven tile sein. Jedenfalls rotieren das Kettenrad 32 und die Nockenwelle 26 zusammen und sind von einer Kette 38 von der Kurbelwelle her angetrieben. Das Kettenrad 32 ist auf der Nockenwelle 26 in einem bestimmten Winkel verschwenkbar, so daß die Phase der Nockenwelle 26 gegenüber der Kurbelwelle einstellbar ist.

Eine Flügelanordnung 60 ist an der Nockenwelle 26 befestigt und hat zwei diametral liegende, radial nach außen reichende Flügel 60a, 60b. Die Befestigung erfolgt am Endteil 26a der Nockenwelle mit Schrauben 62. Mit einer Anlageschulter 26b an der Nockenwelle 26 läßt sich diese zum nicht dargestell ten Motorblock genau ausrichten. Die Flügelanordnung 60 wird am Endteil 26a mittels eines Zapfens 64 positioniert. Die Flügel 60a, 60b liegen in Ausnehmungen 32a, 32b des Ketten rades 32, wobei die Umfangslänge der Ausnehmungen etwas größer ist als die der Flügel 60a, 60b, so daß eine begrenz te Schwenkbarkeit des Kettenrades 32 gegenüber der Flügelan ordnung 60 möglich ist. Die Ausnehmung 32a, 32b umschließen die Flügel 60a, 60b mit beabstandeten ringförmigen Platten 66, 68, die untereinander und mit den Flügeln durch Schrau ben 70 verbunden sind. Der Innendurchmesser 32c des Kettenrades 32 ist gegenüber dem Augendurchmesser am Rand 60d der Flügelanordnung 60 abgedichtet, wobei die Außenränder der Flügel 60a, 60b mit Schlitzen 60e, 60f zur Aufnahme von Dichtungen versehen sind. So kann sich in jeder Ausnehmung 32a, 32b hydraulischer Druck aufbauen.

Die Wirkungsweise geht insbesondere aus Fig. 11 hervor. Druckmittel, beispielsweise Motorschmieröl, strömt über eine gemeinsame Einlaßleitung 82 in die Ausnehmungen bzw. Kammern 32a, 32b. Die Einlaßleitung 82 endet innerhalb zweier Rückschlagven tile 84a, b, c und 86a, b, c die über Zweigleitungen 88, 90 mit den Kammern 32a, 32b verbunden sind. Die Rückschlagventile 84a, b, c und 86a, b, c mit ihren Sit zen 84a, 86a, Kugeln 84b, 86b und Federn 84c, 86c öffnen in Richtung auf die Kammern 32a, 32b, so daß diese anfänglich aufgefüllt werden und bei Leckage nachfüllbar sind. Die Strömung in die Leitung 82 wird von einem Schieberventil 92 gesteuert, das in der Nockenwelle 26 angeordnet ist. Das Druckmittel kehrt zum Schieberventil 92 aus den Kammern 32a, 32b über Rückströmleitungen 94, 96 zurück. Da die Rückschlag ventile 84a, b, c und 86a, b, c Rückströmen von Druckmittel sperren, braucht der Schieber 100 nicht in die Nullage zurück kehren, um das Rückströmen zu vermeiden.

Das Schieberventil 92 hat eine Hülse 98 und einen Schieber 100 mit Bunden 100a und 100b an beiden Enden, die in Gleit passung in der Hülse 98 liegen und zwar derart, daß der Bund 100b die Rückleitung 96 sperrt oder der Bund 100a die Rück leitung 94 sperrt oder beide Bunde 100a und 100b beide Rück leitungen 94 und 96 sperren, wobei diese Schaltstellung in Fig. 11 dargestellt ist, in der die Nockenwelle 26 in einer Zwischenlage gegenüber der Kurbelwelle des Motors gehalten ist. Die Positionierung des Schiebers 100 in der Hülse 98 erfolgt mit Hilfe zweier entgegengesetzter Federn 102 und 104, die einander entgegengerichtet angeordnet sind. Ferner kann ein Federraum 98a mit Druckmittel beaufschlagt werden, um den Schieber 100 nach links zu drücken. Der Federraum 98a ist an die Schmieröldruckquelle 130 des Motors angeschlossen, die auch das Schmieröl für ein Lager 132 liefert, mit dem die Nockenwelle 26 gelagert ist.

Die Schieberstellung in der Hülse 98 wird entsprechend dem hydraulischen Druck in einem Steuerzylinder 134 verstellt, dessen Kolben 134a am Schieber 100 an einer Verlängerung 100c des Schiebers 100 anliegt. Die Stirnfläche des Kolbens 134a ist größer als die Stirnfläche des Schiebers 100 im Fe derraum 98a, vorzugsweise doppelt so groß. Damit sind die entgegengerichtet auf den Schieber 100 wirkenden hydrauli schen Drücke ausgeglichen, wenn der Druck im Zylinder 134 halb so groß ist wie der Druck im Federraum 98a. Dies er leichtert die Einstellung des Schiebers 100, da bei gleich großen Federn 102 und 104 der Schieber 100 in seiner zent rierten Nullposition verharrt, die in Fig. 11 dargestellt ist, wobei der Druck im Zylinder 134 kleiner ist als der volle Schmieröldruck, und so der Schieber 100 durch Ver größern oder Verkleinern des Druckes im Zylinder 134 ver stellbar ist.

Der Druck im Zylinder 134 wird von einem Magnetventil 106 eingestellt, das vorzugsweise impulsbreitengesteuert ist, abhängig von einem Stellsignal aus einem Regelsystem 108, das vorstehend beschrieben wurde. Nach der anfänglichen Ka librierung verarbeitet die Stufe 107 zur Phasenmessung und Kompensation ein dem Phasenrohwinkel θ₁ zwischen der Nockenwelle 26 und der Kurbelwelle entsprechendes Signal, kompensiert Ungenauigkeit und liefert einen kompensierten Phasenwert θ₂. Nach Durchgang durch das Synchronfilter 25 wird das gefilterte und kompensierte Phasensignal θ_f mit einem vorbestimmten Sollwert r in der Regelstufe 108 ver glichen und das impulsbreitenmodulierte Signal dem Magnet ventil 106 zugeführt. Ist der Schieber 100 in der Ausgangs lage, wenn der Druck im Zylinder 134 halb so groß ist wie der Druck im Federraum 98a, so sind die EIN/AUS-Impulse des Magnetventils 106 von gleicher Länge. Wird die Länge gegen über der Ausschaltzeit vergrößert oder verkleinert, so steigt oder sinkt der Druck im Zylinder 134 über bzw. unter diesen Halbwertdruck, und der Schieber 100 verschiebt sich nach rechts oder nach links. Das Magnetventil 106 erhält Schmieröl aus dem Schmieröldruck-Kreislauf 130 über eine Einlaßleitung 114 und beaufschlagt den Zylinder 134 über eine Zuleitung 138. Gemäß Fig. 4 und 5 kann der Zylinder 134 am freien Ende der Nockenwelle 26 angeordnet sein, so daß der Kolben 134a am freien Ende 100c des Schiebers 100 an liegt. Dabei wird das Magnetventil 106 vorzugsweise in einem Gehäuse 134b angeordnet, das den Zylinder 134a aufnimmt.

Ein Nachfüllen der Kammern 32a, 32b bei einer Leckage er folgt über einen kleinen inneren Kanal 120 im Schieber 100, aus dem Raum 98a in die Ringkammer 98b der Hülse 98 und von dort in die Einlaßleitung 82. Ein Rückschlagventil 122 liegt im Kanal 120 und sperrt den Durchgang aus der Ringkammer 98b in den Federraum 98a.

Die Flügelanordnung 60 wird von der Drehmomentpulsation der Nockenwelle 26 abwechselnd in beiden Drehrichtungen beauf schlagt, so daß die Flügelanordnung 60 und damit die Nocken welle 26 zu Schwingungen gegenüber dem Kettenrad 32 angeregt werden kann. Mit der in Fig. 11 gezeigten Position des Schiebers 100 in der Hülse 98 ist diese Schwingung durch das Strömungsmittel in den Kammern 32a, 32b vermieden, da beide Rückleitungen 94, 96 vom Schieber 100 abgesperrt sind und da mit aus den Kammern 32a und 32b kein Druckmittel austreten kann. Soll beispielsweise die Nockenwelle 26 und die Flügel anordnung 60 im Gegenuhrzeigersinn gegenüber dem Kettenrad 32 verschwenkt werden, ist es nur nötig, den Druck im Zylin der 134 über den Halbwertdruck hinaus zu vergrößern, so daß der Schieber 100 nach rechts verschoben wird und die Rück leitung 94 öffnet. In diesem Zustand drücken die im Gegen uhrzeigersinn wirkenden Drehmomentpulsationen der Nockenwelle 26 Druckmittel aus der Kammer 32a hinaus, so daß der Flügel 60a sich in Richtung auf die entleerte Kammer hin verschwenkt. Ein Schwenken des Flügels in Gegenrichtung erfolgt jedoch nicht, wenn sich die Pulsationen der Nocken welle umkehren, außer wenn der Schieber 100 nach links wandert, da die Druckmittelströmung durch die Rückleitung 96 vom Bund 100b des Schiebers 100 abgesperrt ist. Somit können große, von den Drehmomentimpulsen der Nockenwelle herrührende Druckänderungen das System nicht beeinflussen und damit entfällt die Notwendigkeit, das Öff nen und Schließen des Schieberventils 92 mit den einzelnen Drehmomentimpulsen zu synchronisieren. In Fig. 11 ist zwar ein getrennter, geschlossener Kanal dargestellt, doch hat der Umfang der Flügelanordnung 60 tatsächlich einen offenen Öldurchgangsschlitz, nämlich das Element 60c in den Fig. 2 bis 10, über den Öl zwischen der Kammer 32a auf der rechten Seite des Flügels 60a und der Kammer 32b auf der rechten Seite des Flügels 60b ausgetauscht werden kann, wobei dies die nicht aktiven Seiten der Flügel 60a und 60b sind. Somit wird eine Verschwenkung der Flügelanordnung 60 gegenüber dem Kettenrad 32 im Gegenuhrzeigersinn erfolgen, wenn die Rück leitung 94 durchströmt wird, während ein Verschwenken im Uhrzeigersinn erfolgt, wenn die Rückleitung 96 durchströmt ist.

Ferner ist der Kanal 82 mit einer Verlängerung 82a zur nicht aktiven Seite einer der Flügel 60a, 60b, hier als Flügel 60b gezeigt, versehen, um die nicht aktiven Seiten der Flügel 60a und 60b mit Öl aufzufüllen, um die Unsymmetrie beim Dre hen zu verringern und die Dämpfung und die Schmierung der La gerflächen der Flügelanordnung 60 zu verbessern.

In Fig. 11 sowie in den Fig. 2 bis 10 sind gleiche Bezugs zeichen für gleiche Bauteile eingetragen. Nur die Rück schlagventile 84 und 86 sind in den Fig. 2 bis 10 Scheibenventile und nicht Kugelventile wie in Fig. 11. Auch andere Rückschlagventile können verwendet werden.

Claims

1. Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine, mit einer aus mindes tens einem Flügel (60a; 60b) bestehenden Flügelanordnung (60), die an einer No ckenwelle (26) befestigt ist, mit einem gegenüber der Nockenwelle (26) drehbar angeordneten, von der Kurbelwelle angetriebenen Gehäuse (32), mit mindestens einer Kammer (32a; 32b), in der ein Flügel drehbar angeordnet und durch hydrau lisches Druckmittel zur Einstellung der Ventilsteuerzeit verstellbar ist, und mit einer auf Drehmomentpulsationen ansprechenden Verstelleinrichtung (27, 28, 107) zur Verstellung des Gehäuses (32) gegenüber der Nockenwelle (26), wobei die Ver stelleinrichtung (27, 28, 107) Sensoren (27, 28) und eine Phasenmessschaltung (107) zum Bestimmen des Phasenwinkels zwischen der Kurbelwelle und der No ckenwelle (26) aufweist und an eine Regelschaltung (108) angeschlossen ist, in der aus einem Vergleich eines Sollwerts (35) mit dem Phasenwinkel-Istwert ein Stell signal gebildet wird, das einer Betätigungseinrichtung (100, 106) zum Einstellen der Lage des Gehäuses (32) gegenüber der Nockenwelle (26) abhängig von Drehmo mentpulsationen in der Nockenwelle zugeführt wird, und mit Rückschlagventilen (84a, b, c-86a, b, c), die stromauf der Flügelanordnung (60) angeordnet sind, da durch gekennzeichnet, dass die Phasenmessschaltung (107) über eine Rückführung (30) an der Regelschaltung (108) angeschlossen ist, dass der Regelschaltung (108) eine Einrichtung für eine anfängliche Kalibrierung (105) zum Verändern der Dreh lage des Gehäuses (32) zugeordnet ist, wobei die Einrichtung automatisch eine Pha senverschiebung berechnet, und dass die Regelschaltung (108) einen Phasenroh winkel zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle (26) bestimmt und eine Ein richtung zum Kompensieren des Phasenrohwinkelsignals aufweist (Fig. 1a, 11).

2. Nockenwellenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (108) ein Filter (35a) zum Filtern des Sollwerts (35) in einem Re gelsystem mit einfacher Rückführung (30) aufweist (Fig. 1d).

3. Nockenwellenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (108) mindestens ein Filter (25) zum Kompensieren des Unterschieds zwischen dem tatsächlichen dynamischen Verhalten des Motors und Schätzwerten des dynamischen Verhaltens aufweist (Fig. 1a).

4. Nockenwellenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass von dem Flügel (60a; 60b) in der mindestens einen Kammer (32a; 32b) zwei Räume abgeteilt werden, wobei einem Raum von der auf Drehmoment pulsationen ansprechenden Einrichtung Flüssigkeit zugeführt wird.

5. Nockenwellenantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Flüssigkeit aus dem anderen Raum abgeführt wird.

6. Nockenwellenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass von der Regelschaltung (108) ein impulsbreitenmoduliertes Signal zum Ansteuern eines Magnetventils (106) zur Verstellung des Nockenwellenan triebs geliefert wird.

7. Nockenwellenantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Magnetventil (106) über einen Steuerzylinder (134) ein Ventilschieber (100) einstellbar ist (Fig. 11).

8. Nockenwellenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Regelschaltung (108) einen Proportionalverstärker (208, 408) und einen Integralverstärker (208, 408) aufweist, dass von der Regelschaltung (108) ei ne Phasenvoreilung kompensiert wird und dass von der Regelschaltung (108) ex terne Störgrößen kompensiert werden.

9. Nockenwellenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass beim Auftreten eines Drehmomentimpulses in der Nockenwelle in einer ersten Richtung das Ge häuse (32) gegenüber der Nockenwelle (26) in einer ersten Richtung einstellbar ist und beim Auftreten eines Drehmomentimpulses in der Nockenwelle in einer zwei ten Richtung eine Verstellung des Gehäuses in einer zweiten Richtung verhindert ist.