DE4317527B4

DE4317527B4 - Verfahren zur selbsttätigen, kontinuierlichen Winkelverstellung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE4317527B4
Application number: DE19934317527
Authority: DE
Inventors: Dirk Heintzen; Michael Lienenkämper; Helmut Schilly
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2013-05-27
Also published as: DE4317527A1

Abstract

Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Winkelverstellung zwischen einer Kurbelwelle (11) und einer Nockenwelle (12), die in einer Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehen, wozu ein elektrisch betätigbares, auf ein Steuersignal ansprechendes Ventil vorgesehen ist, über das ein Verstellelement (3) zur Verstellung einer Nockenwelle (12) ansteuerbar ist, wobei ein Regelkreis (9) vorgesehen ist, der einen Regler (5) und einen Messwertaufnehmer umfasst, dem die Lagepositionen der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) als Messwertsignale übermittelt werden und mittels zumindest je einer Trigger-Marke an der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) ein Differenzwinkel bestimmbar ist, der als Grundlage für eine kontinuierliche Einstellung des Verstellelements (3) dient, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil ein elektrohydraulisches mit positiver Überdeckung der Steuerkanten ausgeführtes Proportionalventil (8) vorgesehen ist und dass der Regler (5) das Proportionalventil (8) in jeder Position halten oder in diese stufenlos verstellen kann, so dass bei Betätigung des Proportionalventils (8) in eines seiner Durchflussstellungen zur Erreichung einer kontinuierlichen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Winkelverstellung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle, 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 Auslaßventile 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 zylinderbankselektiv 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 Übersetzungsverhältnis 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 Nockenwellenantriebs ist aus der DE-OS 40 06 950 bekannt, bei dem ein kontinuierlicher Vergleich der Kurbel- und der Nockenwellenlage 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 drehzahlabhängig 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.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem angegebenen Verfahren wird eine kontinuierliche oder Zweipunkt-Nockenwellenverstellung aufgezeigt, mit der eine exakte Bestimmung der augenblicklichen Lageposition der Kurbelwelle und der Nockenwelle ermittelt wird und ein Differenzwinkel bestimmbar ist, der als Grundlage für die kontinuierliche Nockenwellenverstellung dient. Erfindungsgemäß ist ein Regelkreis vorgesehen, der einen Regler und Meßwertaufnehmer aufweist, mit dem eine genaue Meßwertermittlung möglich ist. Die Meßwertermittlung erfolgt durch Auswertung des zeitlichen Versatzes zwischen Triggerimpulsen der Kurbel- und Nockenwellen, 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 verschiedenen 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 Verbesserungen der Motorzielgrößen: Drehmomentverhalten, Verbrauch, Abgasemission und Komfort.
In Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Winkelstellung der Kurbelwelle als Referenzgröße für die Regelung dient und die erfaßte Nockenwellenposition als auswertbare Lageinformation für die zu verstellende Nockenwelle gilt.
Die Anordnung weiterer Kennimpulse auf dem Nockenwellentriggerrad kann zu Zylinderidentifikationen herangezogen werden. Das Triggerrad kann so mit 2 + 1, 3 + 1 oder 4 + 1 Marken versehen sein, wobei die Lagezuordnung der zusätzlichen Marke gegenüber den Winkelmarken eindeutig sein muß. Die Generierung von weiteren Nutzsignalen für das Motormanagementsystem ist möglich.
Grundlage einer jeden Einstellung des Verstellelementes ist zu Beginn des Programmablaufes nach Anlegen der Betriebsspannung 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 Kurbelwellen- und der Nockenwellenposition durch eine gleitende Mittelwertbildung über mehrere Messungen, vorteilhaft über acht Messungen, mit einer Auflösung von 0,1° KW bestimmt wird. In gleicher Weise erfolgt eine Berechnung der Drehzahlen. 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 elektrohydraulisch zu betätigendes Proportionalventil vor, das mit einer positiven 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 Differenzwinkel zwischen der Kurbelwellen- und Nockenwellenposition sicher.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß der Regler das Proportionalventil, pulsbreitenmoduliert ansteuert, das heißt das Proportionalventil wird mit einer Frequenz von ca. 300 Hz unterschied lich lange eingeschaltet. Damit wird erreicht, daß mit Zunahme der Einschaltdauer durch Vergrößerung des Tastverhältnisses, 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 angestrebten Nockenwellenposition. Diese wird von einer programmierbaren Anzahl von Winkelfenstern unterschiedlicher Breite bestimmt, die beliebig wählbar sind und die eine Abweichung zwischen dem Soll- und Istwinkel darstellen. Den Winkelfenstern 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 Winkelmittellage 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. Versorgungsspannung, Versorgungsdruck, sich wandelnden Umgebungstemperaturen, 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 zusätzlichen 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 Regelverfahren zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist als Regler ein PI-Regler vorgesehen, der in Abhängigkeit der Anforderungen der Regelstrecke hinsichtlich der Optimierung von sowohl Regelgüte als auch Ausregelzeit durch einen P-, PD-, PID-Regler oder eine Fuzzystrukturierte 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.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und die dazugehörige Figurenbeschreibung verwiesen.
Die Zeichnung zeigt schematisch dargestellt, einen Schaltungsaufbau 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 Druckbeaufschlagung 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 wesentlichen 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 Nockenwelle 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 Tastverhältnisses, das heißt Betätigung des elektromagnetisch schaltbaren Proportionalventils 8, über das ein abgestimmter, dosierter Druckmittelstrom zum Kolben 14 geleitet werden kann, zur Erreichung einer kontinuierli chen Winkelverstellung der Nockenwelle 12. Dazu ist vorteilhaft 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 Ausführungsbeispiel dazu mit der Datenschnittstelle 4 versehen, über die ebenso eine Grundparametrierung bzw. Parameteränderung der im Regler eingesetzten wichtigsten Variablen durchgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Winkelverstellung zwischen einer Kurbelwelle (11) und einer Nockenwelle (12), die in einer Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehen, wozu ein elektrisch betätigbares, auf ein Steuersignal ansprechendes Ventil vorgesehen ist, über das ein Verstellelement (3) zur Verstellung einer Nockenwelle (12) ansteuerbar ist, wobei ein Regelkreis (9) vorgesehen ist, der einen Regler (5) und einen Messwertaufnehmer umfasst, dem die Lagepositionen der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) als Messwertsignale übermittelt werden und mittels zumindest je einer Trigger-Marke an der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) ein Differenzwinkel bestimmbar ist, der als Grundlage für eine kontinuierliche Einstellung des Verstellelements (3) dient, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil ein elektrohydraulisches mit positiver Überdeckung der Steuerkanten ausgeführtes Proportionalventil (8) vorgesehen ist und dass der Regler (5) das Proportionalventil (8) in jeder Position halten oder in diese stufenlos verstellen kann, so dass bei Betätigung des Proportionalventils (8) in eines seiner Durchflussstellungen zur Erreichung einer kontinuierlichen Winkelverstellung der Nockenwelle (12) über dieses ein abgestimmter, dosierter Druckmittelstrom zum Kolben (14) geleitet wird, während bei Erreichen der durch die Sensoren (6, 7) an der Kurbelwelle (11) und der Nockenwelle (12) ermittelten Winkelstellung das Proportionalventil (8) in seine Mittelstellung gebracht wird, in der aufgrund der positiven Überdeckung der Steuerkanten alle Verbindungen zwischen der Druckmittelpumpe (16) sowie einem Ölsumpf einerseits und Druckmittelräumen des Kolben (14) andererseits unterbrochen sind, so dass der Kolben (14) lagefixiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der Kurbelwelle (11) als Referenzgröße für die Regelung dient und die erfasste Position der Nockenwelle (11) als auswertbare Lageinformation für die zu verstellende Nockenwelle gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (5) das Proportionalventil (8), pulsbreitenmoduliert ansteuert und ein Tastverhältnis, die Betätigung des Proportionalventils (8), aus dem Ergebnis mehrerer Programmdurchläufe bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleingriff des Reglers (5) beeinflussbar ist von der Winkeldifferenz der Augenblicksposition der Nockenwelle (12) zum angestrebten Sollwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis (9) zur Anwendung kommt, der sich auf ändernde Umgebungsbedingungen oder Leckagen im Verstellelement (3, 4) selbsttätig einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Reglers (5) einem PI-Regler entspricht.