DE4321976C2 - Verfahren zur Verdrehung einer Nockenwelle bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdrehung einer Nockenwelle bei Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der WO 91/01 435 bekannt, bei dem die Verdrehung der Nocken­ welle gegenüber der Kurbelwelle in Form einer Messung der Winkellage einer Bezugsmarke der Nockenwelle zu einer Be­ zugsmarke der Kurbelwelle ermittelt wird. Diese Verdre­ hung sei im folgenden als Ist-Position der Nockenwelle bezeichnet. Von einem elektronischen Steuergerät wird ab­ hängig von verschiedenen Eingangssignalen eine Soll-Posi­ tion, d. h. eine gewünschte Verdrehung der Nockenwelle ge­ genüber der Kurbelwelle, vorgegeben. Daraufhin wird die Differenz der Ist-Position und der Soll-Position der Nockenwelle berechnet und die Ist-Position der Soll-Posi­ tion geregelt nachgeführt. Dieses bekannte Verfahren ent­ hält kein Diagnose-Verfahren, um eventuell auftretende Fehler zu erkennen.

Weiterhin ist aus der DE 40 36 847 C2 eine Einrichtung zur Steuerung der Ven­ tilsteuerzeiten bei einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei dieser Einrichtung ent­ sprechen den Grundpositionen in Form von Grundventilsteuerzeiten im regelungs­ technischen Sinne Vorsteuerwerte, die gegebenenfalls auf der Basis von vorgege­ benen Betriebsbedingungen korrigiert werden.

Aus der DE 40 05 973 C2 ist beispielsweise ein Diagnose­ verfahren zur Erkennung von Fehlern der Stellglieder, die zur Verdrehung einer Nockenwelle eingesetzt werden, be­ kannt. Bei diesem Diagnoseverfahren werden nach einer Stellgliedansteuerung die erfaßten Ist-Werte von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine mit gespeicherten Soll-Werten verglichen. Mit diesem Diagnoseverfahren wer­ den jedoch Fehler erst erkannt, wenn bereits eine fehler­ hafte Verdrehung eingestellt wurde.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System zur Verdrehung der Nockenwelle derart zu verbessern, daß Fehler früh ge­ nug erkannt werden, um gegebenenfalls durch Fehlerkorrek­ tur eine negative Auswirkung auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu verhindern sowie die Funktionsfähigkeit und Sicherheit eines Systems zur Ver­ drehung einer Nockenwelle zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Soll-Position auf eine vorgege­ bene theoretische Grundposition bezogen, die einer Grund­ verdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen definierten Winkel entspricht. Die Grundverdrehung ist beispielsweise eine durch einen mechanischen Anschlag bestimmte und justierte Verdrehung. Im Optimalfall ist die erfaßte Ist-Position bei der Grundverdrehung gleich der vorgegebenen Grund-Position.

Die tatsächliche Ist-Position der Nockenwelle bei dieser Grundverdrehung kann jedoch von der Grundposition abwei­ chen, wenn elektrische oder mechanische Toleranzen mög­ lich sind. Elektrische Toleranzen treten z. B. durch den Temperaturgang der elektromechanischen Stellglieder, durch die systembedingten Toleranzen des Prozessorsystems sowie durch den Phasengang oder durch Bauteiltoleranzen in der Sensorik auf. Mechanische Toleranzen ergeben sich insbesondere durch eine nicht optimale Justierung oder durch mechanische Alterungsprozesse.

Ist die Grundverdrehung bzw. die der vorgegebenen Grund­ position zugeordnete Verdrehung der Nockenwelle einge­ stellt, wird erfindungsgemäß die Ist-Position erfaßt und mit der vorgegebenen Grund-Position verglichen. Weicht die erfaßte Ist-Position von der vorgegebenen Grund-Posi­ tion ab, wird die Soll-Position mit dem Wert dieser Ab­ weichung beaufschlagt, wenn der Wert dieser Abweichung zwischen einem ersten und einem zweiten definierten Grenzwert liegt.

Der erste Grenzwert ergibt sich vorzugsweise aus empi­ risch erfaßten möglichen elektrischen Toleranzen und ei­ ner maximal zulässigen Toleranz bei der Montage bzw. der Justierung der Grundverdrehung, wie z. B. des mechanischen Anschlags. Der zweite Grenzwert wird vorzugsweise derart definiert, daß mit Abweichungen bzw. Toleranzen bis zu diesem Grenzwert noch eine sichere Funktionsfähigkeit des Nockenwellenverstellsystems gewährleistet wird.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird einerseits die Verfügbarkeit eines Nockenwellenverstellsystems er­ höht, indem bei zunehmenden Toleranzen noch keine Ab­ schaltung des Verstellsystems bewirkt wird, und anderer­ seits die volle Funktionsfähigkeit auch bei zunehmenden Toleranzen gewährleistet, indem zunehmende Abweichungen korrigiert werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Ge­ genstand des Patentanspruchs 2.

Bei einer Abweichung der bei der Grundverdrehung erfaßten Ist-Position von der ihr zugeordneten vorgegebenen Grund- Position unterhalb des ersten Grenzwertes wird keine Kor­ rektur durchgeführt, wodurch bei kleinen bzw. kleinblei­ benden Toleranzen das Verfahren vereinfacht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 3.

Weicht die erfaßte Ist-Position bei der Grundverdrehung von der ihr zugeordneten vorgegebenen Grund-Position um einen Wert ab, der größer als der zweite definierte Grenzwert ist, wird ein sicherer Zustand für die Funkti­ onsfähigkeit der Brennkraftmaschine, wie z. B. ein Strom­ losschalten des Nockenwellenverstellsystems, hergestellt. Dadurch wird bei zu großen Toleranzen eine Zerstörung der Brennkraftmaschine verhindert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Patentanspruch 4.

Zwischen dem ersten und zweiten Grenzwert ist erfindungs­ gemäß ein dritter Grenzwert definiert. Weicht die erfaßte Ist-Position bei der Grundverdrehung von der vorgegebenen Grundposition um einen Wert ab, der unterhalb dieses dritten Grenzwertes liegt, wird das Nockenwellenverstell­ system noch als in Ordnung angesehen. Erhöht sich diese Abweichung über der Zeit und überschreitet der Wert der Abweichung diesen dritten Grenzwert, wird davon ausgegan­ gen, daß das Nockenwellenverstellsystem einem fortschrei­ tenden Alterungsprozeß, insbesondere der Mechanik, unter­ liegt und auch ein Überschreiten des zweiten Grenzwertes zu erwarten ist. Diese Information wird direkt oder indi­ rekt beispielsweise im Diagnosespeicher des Steuergerätes abgespeichert und/oder dem Fahrer z. B. über eine Warnan­ zeige mitgeteilt. Wird das Fahrzeug zur Kontrolle in die Werkstatt gebracht, wird dem Werkstatt-Fachmann beim Aus­ lesen des Steuergeräte-Diagnosespeichers eine Reparatur­ empfehlung ausgegeben. Somit kann einem Totalausfall des Nockenwellenverstellsystems bei fortschreitendem Alte­ rungsprozeß vorgebeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 5.

Anstelle der Definition des dritten Grenzwertes oder zu­ sätzlich wird die Änderung der Abweichung über der Zeit beobachtet und daraus ein Gradient gebildet. Überschrei­ tet dieser Gradient einen definierten Grenzwert, d. h. wird ein unzulässig schneller Alterungsprozeß festge­ stellt, wird ebenso eine Reparaturempfehlung im Steuerge­ rät abgespeichert und/oder dem Fahrer angezeigt.

Anhand der Zeichnung, die die Sensorsignale der Nocken­ wellen- und Kurbelwellengebersysteme zeigt, wird das er­ findungsgemäße Verfahren dargestellt:
Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die vorgegebene Grundposition eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um beispielsweise 0°. Die der Grundposi­ tion zugeordnete Verdrehung sei hier durch einen mechani­ schen Anschlag vorgegeben. Im Idealfall ist also die er­ faßte Ist-Position der Nockenwelle am mechanischen An­ schlag eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kur­ belwelle um 0°.

Der Kurbelwellen-Signalverlauf KW ergibt sich aus den Si­ gnalen, die von einem Kurbelwellen-Geber durch Induktion abgegeben werden. Dabei werden äquidistante Zähne einer Scheibe, die mit der Kurbelwelle fest verbunden ist, in­ duktiv erfaßt. Auf der sonst durchgehend mit äquidi­ stanten Zähnen versehenen Scheibe fehlt ein Zahn. Hier ist beispielsweise die steigende Flanke des dieser Lücke folgenden Zahnes die Bezugsmarke BM_KW der Kurbelwelle.

Die Zähne einer Scheibe, die fest mit der Nockenwelle verbunden ist, werden durch einen Nockenwellen-Geber, z. B. Hall- oder Induktiv-Geber, abgetastet. In diesem Beispiel ist jedem Zylinder (hier Vierzylinder) ein un­ terschiedlich breiter Zahn zugeordnet. Daraus ergeben sich die Signalverläufe NW_{. . .} in der Zeichnung. Die Bezugsmarke BM_NW der Nockenwelle ist hier die fallende Flanke des Impulses, der durch den dem ersten Zylinder zugeordneten Zahn Z1 erzeugt wird. Die Signalverläufe SV1 bis SV6 sind über die Winkelgrade (°) bzw. bei konstant bleibender Drehzahl über der Zeit (t) aufgetragen. Die Bezugsmarken BM_NW der Nockenwelle in den Signalverläufen SV2 bis SV6 sind jeweils bezogen auf die Bezugsmarken BM_KW der Kurbelwelle KW zu betrachten, wenn die Verdre­ hung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle festge­ stellt werden soll.

Mit dem Signalverlauf SV2 ist beispielsweise eine Verdre­ hung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle von 0° dargestellt. Dies entspricht auch der vorgegebenen Grund- Position NW_GP bei mechanischem Anschlag der Nockenwelle. Bei optimalem System ohne Toleranzen wäre der tatsächli­ che Signalverlauf NW_IPmA bei mechanischem Anschlag gleich dem Signalverlauf SV2. Das heißt, die Ist-Position W₀ der Nockenwelle hier beim mechanischem Anschlag NW_IPmA ist gleich der vorgegebenen Grundposition NW_GP.

Ist das System mit Toleranzen behaftet, stellt sich beim mechanischen Anschlag beispielsweise ein Signalverlauf SV3 für die Ist-Position NW_IPmA der Nockenwelle ein. Die hier erfaßte Ist-Position W_ISTmA der Nockenwelle bei mechanischem Anschlag NW_IPmA entspricht gleichzeitig der Abweichung der erfaßten Ist-Position W_ISTmA von der vor­ gegebenen Grund-Position W₀ der Nockenwelle. Diese Abwei­ chung wird mit dW_AB bezeichnet. Der Wert dieser Abwei­ chung dW_AB wird mit den im Steuergerät abgespeicherten Grenzwerten dW_TOL1 und dW_TOL2 verglichen.

Ist der Wert der Abweichung dW_AB größer als der erste Grenzwert dW_TOL1 aber kleiner als der zweite Grenzwert dW_TOL2, ergibt sich nach der Einstellung der Soll-Po­ sition W_SOLL, dargestellt im Signalverlauf SV2 und beispielsweise aus einem Kennfeld des Steuergerätes entnommen, der Signalverlauf SV4 der Ist-Position nach der Verdrehung der Nockenwelle bzw. der eingestellten Soll-Position. Die tatsächlich eingestellte Soll-Position ergibt sich aus der vorgegebenen Soll-Position W_SOLL ad­ diert mit dem Wert der Abweichung dW_AB. Nach dem Signal­ verlauf SV4 findet demnach eine korrigierte Verdrehung der Nockenwelle statt.

Im Signalverlauf SV5 ist die Ist-Position NW_IPnV nach der Verdrehung bzw. die eingestellte Soll-Position der Nockenwelle dargestellt, wenn der Wert der Abweichung dW_AB kleiner als der erste Grenzwert dW_TOL1 ist. Da die Abweichung dW_AB sehr klein ist, wird sie vernachlässigt. Es wird also die vorgegebene Soll-Position W_SOLL auch tatsächlich eingestellt; d. h. NW_IPnV = W_SOLL.

Der Signalverlauf SV6 der Ist-Position NW_IPnV der Nocken­ welle (nach der Verdrehung) ergibt sich, wenn die Abwei­ chung dW_AB größer als der zweite Grenzwert dW_TOL2 ist. Das heißt, die tatsächlich eingestellte Soll-Position ist im Unterschied zur vorgegebenen Soll-Position W_SOLL gleich der Ist-Position der Nockenwelle bei mechanischem Anschlag, W_ISTmA. In diesem Fall findet also keine Ver­ drehung der Nockenwelle, NW_IPnV = NW_IPoV (IP = Ist-Position, mV = nach Verdrehung, oV = ohne Verdrehung), trotz Vorgabe einer Soll-Position W_SOLL statt. Dies ist ein Beispiel für die Herstellung eines sicheren Zustandes der Funkti­ onsfähigkeit der Brennkraftmaschine.

Zu dem anhand der Zeichnung erklärten erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin möglich (hier nicht darge­ stellt), zwischen dem ersten Grenzwert dW_TOL1 und dem zweiten Grenzwert dW_TOL2 einen weiteren Grenzwert zu de­ finieren, wobei bei einer Abweichung dW_AB, die größer als dieser dritte Grenzwert ist, eine Reparaturempfehlungsmeldung an das Steuergerät oder an den Fahrer ausgegeben wird. Auch eine Bewertung des mechanischen Verschleißes über der Zeit durch die Beobachtung der Veränderung der Abweichung dW_AB ist möglich, wenn beispielsweise im Steuergerät ein Betriebsstundenzähler vorhanden ist.

Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird die Genauig­ keit eines Nockenwellenverstellsystems trotz zugelassener Toleranzen sichergestellt und die Verfügbarkeit dieses Systems durch Reparaturempfehlung vor Auftreten eines De­ fekts erhöht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verdrehung einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Kraftfahrzeugen, bei dem die Ist- Position der Nockenwelle erfaßt wird und bei dem in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine eine Soll-Position vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Position (W_SOLL) auf eine durch einen mechanischen Anschlag vorgegebene Grund-Position (W₀) bezogen ist, daß nach einer der Grund-Position (W₀) entsprechenden Verdrehung die Ist-Position (W_ISTmA) erfaßt und mit der Grund-Position (W₀) verglichen wird und daß die Soll-Position (W_SOLL) mit dem Wert der Abweichung (dW_AB) der Ist-Position (W_ISTmA) von der Grund-Position (W₀) beaufschlagt wird, wenn dieser Wert (dW_AB) zwischen einem ersten (dW_TOL1) und einem zweiten (dW_TOL2) definierten Grenzwert liegt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abweichung (dW_AB) um einen Wert unterhalb des ersten Grenzwertes (dW_TOL1) vernachlässigt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abweichung (dW_AB) um einen Wert oberhalb des zweiten Grenzwertes (dW_TOL2) die Nockenwelle in eine Soll-Position (W_SOLL) Verstellt wird, durch die die Funktionssi­ cherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet bleibt.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Grenzwert zwischen dem ersten (dW_TOL1) und dem zweiten (dW_TOL2) Grenzwert definiert wird und daß bei der Abweichung (dW_AB) um einen Wert oberhalb des drit­ ten Grenzwertes eine Reparaturempfehlung ausgelöst wird.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient der Ände­ rung der Abweichung (dW_AB) über der Zeit gebildet wird und daß eine Reparaturempfehlung ausgelöst wird, wenn ein Gradienten-Grenzwert überschritten wird.