DE4317527A1 - Verfahren zur selbsttätigen, kontinuierlichen Winkelverstellung zwischen zwei in Antriebsverbindung stehenden Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Winkelverstellung zwischen zwei in Antriebsverbindung stehenden Wellen, einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle, eingesetzt in einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die in Brennkraftmaschinen eingesetzten Nockenwellen betätigen die Gaswechselventile entsprechend dem Profil ihrer Nocken. Feste Ventilsteuerzeiten sind ein Kompromiß, vor allem hinsichtlich der Anforderungen an Nennleistung und Drehmoment. Zur Optimierung der Steuerzeiten ist es bekannt, eine Phasenverschiebung der Steuerzeiten vorzunehmen, d. h. bei einer Brennkraftmaschine mit Doppelnockenwellen wird die Stellung der Nockenwelle für die Einlaß- oder die Aus­ laßventile im Verhältnis zur Kurbelwelle um einen bestimmten Kurbelwinkel verlagert, mit der Folge, daß eine Änderung der Ventilüberschneidung des Ein- und Auslaßventils entsteht. Die Steuerzeitenoptimierung bei Brennkraftmaschinen mit nur einer Nockenwelle für Ein- und Auslaßventile erfolgt durch simultanes Verschieben der Steuerzeiten (dual equal phase shift). Beide Verfahren sind bei Brennkraftmaschinen mit V- förmig zueinander angeordneten Brennräumen zylinderbankse­ lektiv anwendbar. Der Winkel zwischen beiden Zylinderbänken kann bis 180° (Boxermotor) betragen.

Generell ist bei Einsatz von Doppelnockenwellen unabhängig voneinander die getrennte Verschiebung der Steuerzeiten für Ein- und Auslaßventile im Verhältnis zur Kurbelwelle möglich (dual independent phase shift).

Bei allen Motorbauformen sind Konstruktionen bekannt, welche sich einer Zwischenwelle als Verbindungsglied zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bedienen, z. B. um das Über­ setzungsverhältnis in zwei Stufen zu realisieren. Dabei kann die Zwischenwelle in ihrer Phase verstellt werden, wodurch der Einfluß auf die Steuerzeiten der Gaswechselventile wie oben beschrieben erfolgt.

Ein Regelverfahren zur stufenlosen Verstellung des Nocken­ wellenantriebs ist aus der DE-OS 40 06 950 bekannt, bei dem ein kontinuierlicher Vergleich der Kurbel- und der Nocken­ wellenlage drehzahlabhängig erfolgt. Die Meßsignale werden einem Differenzbildner zugeführt, der diese aufbereitet einem Regelglied überträgt, dessen Ausgangssignal als Stellsignal für eine mechanische Regelstrecke dient.

Nachteilig verlangt das bekannte, ausschließlich drehzahl­ abhängig wirkende Regelverfahren eine häufige Signalumfor­ mung verbunden mit einem aufwendigen Verfahrensaufbau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine exakte, eine kurze Ansprechzeit aufweisende Regelung eines Nockenwellen-Verstellelementes zu schaffen, mit dem eine kontinuierliche Einstellung beliebiger Zwischenlagen der Nockenwelle erreichbar ist.

Mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren wird eine kontinuierliche oder Zweipunkt-Nockenwellenverstellung aufgezeigt, mit der eine exakte Bestimmung der augenblick­ lichen Lageposition der Kurbelwelle und der Nockenwelle ermittelt wird und ein Differenzwinkel bestimmbar ist, der als Grundlage für die kontinuierliche Nockenwellenver­ stellung dient. Erfindungsgemäß ist ein Regelkreis vor­ gesehen, der einen Regler und Meßwertaufnehmer aufweist, mit dem eine genaue Meßwertermittlung möglich ist. Die Meßwer­ termittlung erfolgt durch Auswertung des zeitlichen Ver­ satzes zwischen Triggerimpulsen der Kurbel- und Nockenwel­ len, wobei durch einen Abgleich mit Vorgabewerten eine genaue, stufenlose Einstellung des Verstellelementes möglich ist, verbunden mit einer vorteilhaft kurzen Ansprechzeit. Es können sowohl eigene Sensoriken für beide Signale als auch vom allgemeinen Motormanagement aufbereitete Signale verwertet werden. Die Anzahl der Impulse kann bei ver­ schiedenen Brennkraftmaschinen differieren. Es können z. B. bei 4/8-Zyl.-Motoren 1, 2 oder 4 Kurbelwellentriggerimpulse gegenüber 1,3 oder 6 Impulsen bei 6/12-Zyl.-Motoren mit 1, 2 oder 4 bzw. 1, 3, 6 Nockenwellenimpulsen verarbeitet werden, wobei die zahlenmäßige Zuordnung der Impulse frei wählbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt weiter Verbes­ serungen der Motorzielgrößen: Drehmomentverhalten, Ver­ brauch, Abgasemission und Komfort.

Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, daß die Winkelstellung der Kurbelwelle als Referenzgröße für die Regelung dient und die erfaßte Nockenwellenposition als auswertbare Lageinformation für die zu verstellende Nocken­ welle gilt.

Die Anordnung weiterer Kennimpulse auf dem Nockenwellen­ triggerrad kann zu Zylinderidentifikationen herangezogen werden. Das Triggerrad kann so mit 2+1, 3+1 oder 4+1 Marken versehen sein, wobei die Lagezuordnung der zusätzli­ chen Marke gegenüber den Winkelmarken eindeutig sein muß. Die Generierung von weiteren Nutzsignalen für das Motormana­ gementsystem ist möglich.

Grundlage einer jeden Einstellung des Verstellelementes ist zu Beginn des Programmablaufes nach Anlegen der Betriebs­ spannung die Feststellung, daß sich das Verstellelement in einer definierten Ruhelage/Endlage befindet, wobei in dieser Lage der Differenzwinkel zwischen Kurbelwellen- und Nockenwellenimpuls in einem vorgegebenen Bereich liegen muß und das Verstellelement zusätzlich keine Verstellbewegung innerhalb dieses Toleranzbereiches durchführt. Dieser ermittelte Wert gilt als Basis für jede sich anschließende Verstellung der Nockenwelle.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vor, daß bei einem Systemstart der Differenzwinkel zwischen der Kurbel­ wellen- und der Nockenwellenposition durch eine gleitende Mittelwertbildung über mehrere Messungen, vorteilhaft über acht Messungen, mit einer Auflösung von 0,10 KW bestimmt wird. In gleicher Weise erfolgt eine Berechnung der Drehzah­ len. Nach Beendigung der Anlaufphase erfolgt dann eine Bestimmung des Differenzwinkels aus den Augenblickswerten der Lagepositionen der Kurbelwelle und der Nockenwelle.

In vorteilhafter Weise sieht die Erfindung ein elektrohy­ draulisch zu betätigendes Proportional-, Schalt- oder schnell getaktetes Steuerventil vor, das mit einer positiven oder negativen Überdeckung der Steuerkanten als Zulauf- oder Ablaufsteuerung ausgeführt ist. Damit kann vorteilhaft das Steuerelement in jeder Zwischenposition gehalten werden und stellt somit zusammen mit der exakten Meßwerterfassung eine feinfühlige Einstellung der jeweils erforderlichen Diffe­ renzwinkel zwischen der Kurbelwellen- und Nockenwellen­ position sicher.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß der Regler ein Hydraulikventil, vorteilhafterweise ein Proportionalventil, pulsbreitenmoduliert ansteuert, das heißt das Proportional­ ventil wird mit einer Frequenz von ca. 300 Hz unterschied­ lich lange eingeschaltet. Damit wird erreicht, daß mit Zunahme der Einschaltdauer durch Vergrößerung des Tast­ verhältnisses, der fließende Strom und die Betätigung des Proportionalventils vergrößert wird.

Der erfindungsgemäß eingesetzte Regler berechnet aus den Informationen mehrerer Programmdurchläufe das Tastverhältnis in Abhängigkeit der ermittelten Winkeldifferenz zur ange­ strebten Nockenwellenposition. Diese wird von einer program­ mierbaren Anzahl von Winkelfenstern unterschiedlicher Breite bestimmt, die beliebig wählbar sind und die eine Abweichung zwischen dem Soll- und Istwinkel darstellen. Den Winkelfen­ stern ist je ein Faktor zugeordnet, der unterschiedliche Werte besitzt und der mit einer Konstanten multipliziert wird. Das Produkt ist die Tastverhältnisablage von der augenblicklichen Mittenposition des Proportionalventils. Je nach Regelrichtung, das heißt nach Annäherungsrichtung des Sollwinkels an den Istwinkel wird das Produkt zu der Winkel­ mittellage addiert oder von ihr subtrahiert.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht Sensoren vor zur Meßwerterfassung für die Lageposition der Kurbel- und der Nockenwelle sowie zur Erfassung der Drehzahl. Anwendbar ist auch die Verarbeitung von Signalen, die die Kurbelwellen- und/oder Nockenwellenpositionen wiedergeben und vom Motormanagement oder anderen externen Geräten erzeugt werden.

Vorteilhaft ist der Regelkreis so ausgelegt, daß auch bei sich verändernden Randbedingungen, wie z. B. Versorgungs­ spannung, Versorgungsdruck, sich wandelnden Umgebungs­ temperaturen, die Einfluß nehmen auf die Zähflüssigkeit des Druckmittels sowie bei auftretenden oder sich verändernden Leckagen, insbesondere am Kolben des Verstellelementes gewährleistet bleibt, daß der Regelkreis ohne einen zusätz­ lichen Sensor eine stabile Position des Verstellelementes sicherstellt. Der erfindungsgemäße Regelkreis ist darüber hinaus in der Lage, Fallunterscheidungen und eine Nullung des Systems vorzunehmen, um so eine Basis für das Regelver­ fahren zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist als Regler ein PI-Regler vorgesehen, der in Abhängigkeit der Anforderungen der Regelstrecke hinsicht­ lich der Optimierung von sowohl Regelgüte als auch Aus­ regelzeit durch einen P-, PD-, PID-Regler oder eine Fuzzy­ strukturierte Variante der vorgenannten Reglertypen ersetzt werden kann, der mit einem Stellglied in Verbindung steht, dessen Stellvermögen so ausgelegt ist, daß eine stufenlose Verstellung oder auch Positionierung des Proportionalventils in jeder erforderlichen Lage gewährleistet ist. Alternativ bietet sich erfindungsgemäß ebenfalls die Verwendung eines PID-Reglers an.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Zeich­ nung und der dazugehörigen Figurenbeschreibung.

Die Zeichnung zeigt schematisch dargestellt, einen Schal­ tungsaufbau eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Den Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht schematisch die Zeichnung. Die Brennkraftmaschine 1, von der sinnbildlich lediglich die Kurbelwelle 11, der Kurbeltrieb 10 und die Nockenwelle 12 dargestellt sind, ist versehen mit dem Verstellelement 3 von dem seitlich vergrößert ebenfalls sinnbildlich der Kolben 14 abgebildet ist. Zur Druckbe­ aufschlagung des Kolbens 14 dient die Druckmittelpumpe 16, wozu vorteilhaft die in der Brennkraftmaschine 1 vorhandene Druckmittelpumpe für die Druckumlaufschmierung zur Anwendung kommt. Zur feinfühligen, kontinuierlichen Verstellung des Kolbens 14 ist ein Regelkreis 9 vorgesehen, der im wesent­ lichen das Proportionalventil 8, den Regler 5 sowie zur Meßwertermittlung die Sensoren 6, 7 umfaßt. Der Sensor 6 für die Kurbelwelle 11 und der Sensor 7 für die Nockenwelle 12 sind zur Bestimmung des Differenzwinkels zwischen der Position der Kurbelwelle 6 und der Nockenweile 7 vorgesehen. Der Regelkreis 9 kann erweitert werden, z. B. durch einen Sensor zur Erfassung der Drehzahl. Alternativ können zur Erfassung der Drehzahlen und der Lageposition auch getrennte Sensoren eingesetzt werden. Die Meßwertsignale werden vom Regler 5 verarbeitet und mit Vorgabewerten verglichen zur Bestimmung eines Tastverhältnises, das heißt Betätigung des elektromagnetisch schaltbaren Proportionalventils 8, über das ein abgestimmter, dosierter Druckmittelstrom zum Kolben 14 geleitet werden kann, zur Erreichung einer kontinuierlichen Winkelverstellung der Nockenwelle 12. Dazu ist vor­ teilhaft das Proportionalventil 8 mit einer positiven Überdeckung der Steuerkanten ausgeführt, das heißt bei Erreichen der durch die Sensoren 6, 7 an der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 ermittelten Winkelstellung wird das Proportionalventil 8 in die Mittelstellung gebracht, in der aufgrund der positiven Überdeckung der Steuerkanten alle Verbindungen unterbrochen sind und der Kolben 14 damit lagefixiert ist. Eine durch Leckage bedingte Verstellung des Kolbens 14 wird von dem Regelkreis 9 erkannt und selbsttätig nachgestellt, ohne Verwendung weiterer Sensoren.

Des weiteren sind im Regler noch ein oder mehrere Ein- und Ausgänge vorgesehen, die dazu dienen, mit anderen Systemen Daten auszutauschen. Vorteilhaft kann dies genutzt werden, um Sollwerte zu empfangen, bestimmte Betriebszustände zu erkennen, die zu einer Sonderfunktion des Reglers führen, z. B. Verstellungsunterbindung oder schnellstmögliches Anfahren einer Endstellung bzw. Nutzsignale für externe Geräte zu generieren, wie z. B. Zylinderkennung für ein Motormanagementsystem. Der Regler 5 ist gemäß dem Aus­ führungsbeispiel dazu mit der Datenschnittstelle 4 versehen, über die ebenso eine Grundparametrierung bzw. Parameter­ änderung der im Regler eingesetzten wichtigsten Variablen durchgeführt werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zur selbsttätigen Winkelverstellung zwischen zumindest zwei in Antriebsverbindung stehenden Wellen, insbesondere einer Kurbelwelle (11) und einer Nockenwel­ le (12), in einer Brennkraftmaschine, wozu ein elek­ trisch betätigbares, auf ein Steuersignal ansprechendes Ventil vorgesehen ist, über das ein Verstellelement (3) ansteuerbar ist zur Verstellung der Nockenwelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis (9) vor­ gesehen ist, der einen Regler (5) und einen Meßwert­ aufnehmer umfaßt, dem die Lageposition der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) als Meßwertsignal über­ tragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zumindest je einer Triggermarke an der Kurbel­ welle (11) und der Nockenwelle (12) ein Differenzwinkel bestimmbar ist, der als Grundlage für eine kontinuier­ liche Einstellung des Verstellelementes (3) dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Winkelstellung der Kurbelwelle (11) als Referenzgröße für die Regelung dient und die erfaßte Position der Nockenwelle (11) als auswertbare Lageinfor­ mation für die zu verstellende Nockenwelle gilt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzwinkel zwischen der Kurbelwellen- und der Nockenwellenposition und die Drehzahlen bei einem Systemstart durch eine gleitende Mittelwertbildung über mehrere Messungen bestimmt-wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventil ein elektrohydraulisches mit positiver Überdeckung der Steuerkanten ausgeführtes Proportionalventil (8) vorgesehen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (5) das Proportionalven­ til (8), pulsbreitenmoduliert ansteuert und ein Tast­ verhältnis, die Betätigung des Proportionalventils (8), aus dem Ergebnis mehrerer Programmdurchläufe bestimmt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleingriff des Reglers (5) beeinflußbar ist von der Winkeldifferenz der Augen­ blicksposition der Nockenwelle (12) zum angestrebten Sollwert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassung mittels Sensoren erfolgt, wobei ein Sensor (6) der Kurbelwelle (11) sowie ein weiterer Sensor (7) der Nockenwelle (12) zugeordnet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis (9) zur Anwendung kommt, der sich auf ändernde Umgebungsbedingungen oder Leckagen im Verstellelement (3, 4) selbsttätig einstellt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion des Reglers (5) einem PI-Regler entspricht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (5) das Proportionalven­ til (8) in jeder Position halten, oder stufenlos ver­ stellen kann.