DE4408425A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einregeln der Winkellage einer Nockenwelle - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Einregeln der Winkellage einer NockenwelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer Kurbelwelle eines
Verbrennungsmotors bezogenen Winkellage einer Nockenwelle
auf eine Soll-Winkellage.
In der Patentanmeldungsveröffentlichung DE-A-40 06 950 wer
den ein Verfahren und eine Vorrichtung aus dem vorstehend
genannten Gebiet der Technik im Detail angegeben. Ein Stell
glied wird von einem mit Durchlaufen eines Regelungspro
gramms arbeitenden PID-Regler mit einem Stellsignal ange
steuert. Das Stellglied verfügt über zwei miteinander in
Eingriff stehende Zahnräder mit Schrägverzahnung, von denen
das eine mit der Nockenwelle verbunden ist und das andere
über eine Kette von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die
Zahnräder können durch einen Verstellmechanismus in axialer
Richtung gegeneinander verschoben werden, wodurch sich auf
grund der Schrägverzahnung eine Relativverdrehung zwischen
Kurbelwelle und Nockenwelle ergibt. Der Verstellmechanismus
wird vom Stellsignal angesteuert. Dieses Stellsignal wird
mit PID-Verhalten, ausgehend von einer Regelabweichung,
d. h. der Differenz zwischen der Ist-Winkellage und einer
Soll-Winkellage gebildet. Die Soll-Winkellage wird abhängig
vom jeweils aktuellen Betriebszustand des Motors aus einem
Kennfeld ausgelesen.
Ein derartiges PID-Regelungsverfahren stellt relativ langsam
auf einen neuen Sollwert ein, da die Verstellgeschwindigkeit
mit kleiner werdender Regelabweichung zwischen Soll- und
Istwert immer kleiner wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum schnellen Einregeln der Winkellage
einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage anzugeben.
Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Merkmale von
Anspruch 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale von
Anspruch 10 gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor
richtung arbeiten mit einem Dreipunktregler, der mit Schätz
werten für die zukünftige Istlage arbeitet. Das Stellsignal
kann eines von drei Werten einnehmen, nämlich einen Frühwert
zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes
Öffnen von Einlaßventilen, einen Spätwert zum Verstellen in
Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlaßventilen und einen
Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage. Bei jedem
Durchlaufen des Regelungsprogramms wird untersucht, welche
Schätz-Winkellage die Nockenwelle zu Beginn des nächsten
Programmdurchlaufs aufweisen wird. Stellt sich dabei heraus,
daß sie dann schon so dicht bei der Soll-Winkellage stehen
wird, daß sie diese selbst dann erreichen kann, wenn schon
auf den Haltewert umgestellt wird, erfolgt diese Umstellung,
obwohl die Ist-Winkellage aktuell noch von der Soll-Winkel
lage abweicht. Dadurch ist ein erheblich schnelleres Einre
geln als bei PID-Regelung möglich, da bei PID-Regelung die
Verstellgeschwindigkeit immer mehr abgesenkt wird, je mehr
sich die Ist- der Soll-Winkellage nähert. Beim erfindungsge
mäßen Verfahren erfolgt dagegen Verstellung mit maximaler
Verstellgeschwindigkeit durch Ausgeben des Früh- oder des
Spätwertes so lange, bis die Nockenwelle nur noch so weit
von der Soll-Winkellage entfernt ist, daß sie in diese auf
grund der Trägheit des Verstellmechanismus auch beim Um
schalten auf den Haltewert hineinläuft.
Der Verstellmechanismus verfügt typischerweise über ein Hy
draulikventil mit zwei Kammern, die mit unterschiedlichen
Mengen von Öl versorgt werden. Erhält nur die eine Kammer
Öl, erfolgt eine Verstellung in Richtung Früh, erhält nur
die andere Kammer Öl, erfolgt eine Verstellung in Richtung
Spät, und erhalten beide Kammern im wesentlichen gleich viel
Öl, bleibt der aktuelle Verstellwert erhalten. Diese Versor
gung mit jeweils gleich viel Öl werde durch ein Tastverhält
nis von Ansteuerungssignalen für Stellventile von 50% be
schrieben. In der Praxis sind leicht unterschiedliche Ölmen
gen, also etwas von 50% abweichende Tastverhältnisse erfor
derlich, um den Verstellmechanismus in seiner Lage zu hal
ten. Auch können unterschiedliche Tastverhältnisse für den
Haltewert erforderlich sein, je nachdem ob ein Halten nach
einer Verstellung in Richtung Früh oder nach einer Verstel
lung in Richtung Spät erforderlich ist. Um den Haltewert je
weils optimal einzustellen, wird nach einer vorteilhaften
Weiterbildung eine Adaption des Haltewertes vorgenommen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird auch
eine Adaption der Endverstellgeschwindigkeitswerte vorgenom
men, auf die sich Rechnungen zum Bestimmen der aktuellen
Stellung stützen. Dadurch können Schätzwerte für die aktuel
le Stellung auch dann sehr genau bestimmt werden, wenn sich
Betriebsparameter des Verstellmechanismus ändern, z. B. die Viskosität
der Hydraulikflüssigkeit aufgrund einer Erwärmung der
selben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 ist ein Flußdiagramm eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 3
ist ein Flußdiagramm für eine Prozedur zum Bestimmen der Ju
stierwerte für die Winkellage einer Nockenwelle; Fig. 4 ist ein
Flußdiagramm für eine Prozedur zum Adaptieren der Endverstellge
schwindigkeit der Winkellage der Nockenwelle; Fig. 5 ist ein
Flußdiagramm für eine Prozedur zur Adaption des Haltewerts des
Stellsignals zum Einstellen der Soll-Winkellage; und Fig. 6 ist
ein Flußdiagramm für eine Prozedur zur Bestimmung des neuen
Stellwerts.
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Nockenwellen
verstellmechanismus 11, einem Kurbelwellen-Inkrementgeber 12,
einem Nockenwellensignalgeber 13 und einer Regelungseinrichtung
14. Die Regelungseinrichtung 14 ist ein Mikrocomputer mit einer
CPU 15, einem E/A-Interface 16, einem Taktgeber 17, einem RAM 18
und einem ROM 19, der Programme speichert, deren Funktion nach
folgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 6 erläutert wird.
Der Kurbelwellen-Inkrementgeber 12 gibt beim Ausführungsbeispiel
alle 6° Kurbelwinkel ein Kurbelwelleninkrementsignal aus. Der
Nockenwellen-Signalgeber 13 gibt nach jeweils 90°
Umdrehung der Nockenwelle ein Nockenwellen-Winkelsignal aus.
Bei einer Drehzahl des Motors von 600 U/min bedeutet dies,
daß alle 50 ms ein Nockenwellen-Winkelsignal auftritt.
Der Nockenwellen-Verstellmechanismus 11 verfügt über ein die
Nockenwelle antreibendes Zahnrad und ein von der Kurbelwelle
angetriebenes Zahnrad, die jeweils eine Schrägverzahnung
aufweisen. Diese zwei Zahnräder werden über eine Hydraulik
einrichtung in axialer Richtung gegeneinander verschoben,
wodurch beim Ausführungsbeispiel insgesamt ein Verstellhub
von 40° möglich ist. Der Hydraulikmechanismus verfügt über
zwei Kammern, die mit unterschiedlichen Ölmengen versorgt
werden. Um die Stellung des Hydraulikmechanismus zu halten,
erhalten beide Kammern in etwa gleich viel Öl. Bei der An
steuerung bedeutet dies für die Kammern ein Tastverhältnis
von etwa 50%. Bei Verstellung in Richtung Früh beträgt das
Tastverhältnis nahe 0% und bei Verstellung in Richtung Spät
beträgt es nahe 100%. Diese jeweiligen Tastverhältnisse
werden eingestellt, wenn das dem Nockenwellen-Verstellmecha
nismus 11 von der Regelungseinrichtung 14 zugeführte Stell
signal entweder einen Haltewert oder einen Frühwert bzw.
einen Spätwert aufweist.
Eine Übersicht über im ROM 19 gespeicherte Programme zum Be
stimmen des jeweiligen Wertes des Stellsignals wird nun an
hand des Flußdiagramms von Fig. 2 erläutert. Bei den Pro
grammen handelt es sich um ein Initialisierungsprogramm, ein
(nichtdargestelltes) Hintergrundprogramm und zwei Interrupt
routinen.
Nach dem Start des Verfahrens erfolgt in einem Schritt s1
eine Initialisierung. In diesem werden u. a. bestimmte vor
gegebene Größen eingestellt, wie sie bei im folgenden erläu
terten Berechnungen verwendet werden. Diese Größen werden
für jeden Motortyp und jeden Typ des Nockenwellen-Verstell
mechanismus 11 auf einem Prüfstand appliziert. Beim Ausfüh
rungsbeispiel müssen die applizierten Werte nicht besonders
genau bestimmt werden, da im Programmablauf verschiedene
Adaptionen vorgenommen werden, mit denen applizierte Werte
modifiziert werden. Im Initialisierungsschritt s1 wird auch
eine Größe "nächster Stellwert" auf den Spätwert des Stell
signals gestellt. Der Initialisierungsschritt s1 wird nur
einmalig beim Start des Ablaufs gemäß Fig. 2 durchlaufen.
Im Hintergrundprogramm werden die aktuellen Werte von Motor
betriebsgrößen erfaßt, wie z. B. die Werte der Drehzahl, der
Drosselklappenstellung und der Motortemperatur. Mit Hilfe
dieser Werte wird durch Auswertung von Kennlinien und Kenn
feldern die zum aktuellen Betriebszustand des Motors 10 zu
gehörige Soll-Winkellage der Nockenwelle (NW) bestimmt. In
diesem Programmteil wird des weiteren in Abhängigkeit von
der Drehzahl festgelegt, ob alle Signale des NW-Winkelsi
gnals, z. B. vier Signale pro NW-Umdrehung, ausgewertet wer
den oder ob lediglich eines der Signale je NW-Umdrehung aus
gewertet wird, was bei höheren Drehzahlen von z. B. über
3000 U/min zum einen ausreichend ist und zum anderen die
Rechnerbelastung vermindert. Für das Umschalten zwischen dem
Betrieb unter Ausnutzung aller Signale bzw. unter Ausnutzung
nur eines der Signale wird eine Hysterese von einigen Zig
U/min vorgesehen.
Die in Fig. 2 außer dem Initialisierungsprogramm veranschau
lichten zwei Interruptroutinen werden unter den folgenden
Bedingungen ausgelöst. Die linke Routine wird beim Auftreten
eines NW-Winkelsignals ausgelöst, wobei die eben diskutierte
Fallunterscheidung vorgenommen wird, also bei kleineren
Drehzahlen alle Winkelsignale verwertet werden, bei höheren
Drehzahlen dagegen nur ein Signal pro NW-Umdrehung verwertet
wird. Bei 600 U/min des Verbrennungsmotors wird diese Rou
tine im oben genannten Fall alle 50 ms gestartet. Die rechte
Routine zum Bestimmen eines neuen Stellwertes für den Noc
kenwellen-Verstellmechanismus 11 wird dagegen immer dann
ausgelöst, wenn der beim vorigen Durchlauf der Routine er
mittelte Stellwert ausgegeben wird. Dieses Auslesen erfolgt
in einem festen Zeitraster mit einer Periodendauer von z. B.
5 ms.
Die linke Routine, die maßgeblich zu Adaptionszwecken dient,
verfügt über Schritte s2 bis s6. Im Schritt s2 wird der Ist-
Wert α_IST der NW-Winkellage ausgehend von dem beim Auftre
ten des Interrupts gemessenen Rohwert unter Berücksichtigung
von Justierwerten bestimmt. Die Justierwerte werden bei der
Endmontage eines Fahrzeugs bestimmt und im Schritt s3 adap
tiert, was weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläu
tert wird.
Im Schritt s4 wird der in einem Schritt s13.2, der weiter
unten erläutert wird, berechnete Wert für die geschätzte NW-
Winkellage α_SCHÄTZ ausgehend vom Istwert zum Interrupt
zeitpunkt korrigiert. Dadurch wird ein korrigierter Schätz
wert α_SCHÄTZ′ erhalten. Die Korrektur kann z. B. dadurch
erfolgen, daß zum Istwert, wie er zum Interruptzeitpunkt für
die linke Routine gemessen wurde, diejenige Winkeländerung
addiert wird, die die Nockenwelle unter Berücksichtigung
einer geschätzten Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ im Zeit
raum zwischen dem Interruptzeitpunkt für die linke Routine
und dem nächsten Interruptzeitpunkt für die rechte Routine
zurücklegt. Der sich ergebende Wert α_SCHÄTZ′ wird im fol
genden Schritt s5 zur Adaption der Verstellgeschwindigkeit
der Nockenwelle verwendet, sofern gewisse Voraussetzungen
erfüllt sind. Genauer gesagt, werden eine Endverstellge
schwindigkeit v_FRÜH in Richtung Früh und eine Endverstell
geschwindigkeit in Richtung Spät v_SPÄT adaptiert. Einzel
heiten werden unten anhand des Flußdiagramms von Fig. 4 er
läutert.
Im folgenden Schritt s6 wird die geschätzte NW-Winkellage
α_SCHÄTZ unter Berücksichtigung des gemessenen und korri
gierten Istwerts der NW-Winkellage berechnet und
als Wert abgespeichert, wie er beim Auslösen der rech
ten Routine durch Ausgeben des nächsten Stellwertes vor
liegt.
Diese rechte Routine verfügt über Schritte s7 bis s13, in
denen hauptsächlich der Stellwert berechnet wird, wie er
beim nächsten Auslösen dieser Routine ausgegeben wird. Die
Schritte s7 bis s11 dienen dazu, eine Größe v_END entweder
auf den bereits genannten Wert v_SPÄT oder den Wert v_FRÜH
oder auf 0 zu setzen. v_END ist dabei die Endverstellge
schwindigkeit, wie sie die Nockenwelle in bezug auf die Kur
belwelle erreicht, wenn sie über längere Zeit mit dem Stell
signal für Verstellung in Richtung Spät oder in Richtung
Früh angesteuert wird. Die Größe v_END wird bei der Berech
nung des Stellwerts gemäß dem bereits genannten Schritt s13
benötigt. In den Schritten s8 und s10 wird außerdem festge
halten, ob ein Wechsel vom Haltewert zum Spätwert bzw. zum
Frühwert hin erfolgte. Nach diesen Schritten wird der Halte
wert adaptiert (Schritt s12, Fig. 5) und der neue Stellwert
wird bestimmt (Schritt s13, Fig. 6).
Die oben genannten Justierwerte betreffen das Problem, daß
der Winkel zwischen dem oberen Totpunkt eines Zylinders und
dem zugehörigen Signal des NW-Signalgebers 13 nicht genau
festliegt und daß der NW-Signalgeber seine vier Signale
(beim Ausführungsbeispiel) pro NW-Umdrehung nicht exakt alle
90° ausgibt, sondern z. B. 1° (statt 0°) nach dem oberen
Totpunkt sowie 89°, 178° und 272° nach demselben. Um die
korrekten Werte von 0°, 90°, 180° und 270° zu erhalten, muß
vom jeweiligen Meßwert, wie er die linke Interruptroutine
auslöst, ein jeweiliger Justierwert abgezogen werden, der
für die vier Signale beim Beispielsfall -1°, +1°, +2° bzw.
-2° beträgt, um im Schritt s2 den korrigierten Istwert α_IST
zu erhalten. Beim Ausführungsbeispiel werden ein globaler
Justierwert sowie signalindividuelle Justierwerte bei der
Endmontage und beim weiteren Betrieb des Fahrzeugs mit dem
durch Fig. 3 veranschaulichten Verfahren eingestellt, das
über Schritte s3.1 bis s3.10 verfügt.
Im Schritt s3.1 wird überprüft, ob der Sollwert der NW-Win
kellage lange genug dem Spätanschlag entspricht, so daß da
von ausgegangen werden kann, daß der Spätanschlag erreicht
wurde. Ist die vorgegebene Zeit von z. B. 0,5 s noch nicht
verstrichen, wird unmittelbar der Schritt s4 erreicht. An
dernfalls wird im Schritt s4.2 geprüft, ob die Drehzahl un
ter einer applizierbaren Schwelle von z. B. 3000 U/min
liegt. Ist dies nicht der Fall, wird ebenfalls sofort der
Schritt s4 erreicht. Diese Schritte sorgen dafür, daß Feh
lereinflüsse beim Vornehmen der Adaption nach Möglichkeit
ausgeschlossen werden und die Rechnerbelastung vermindert
wird.
Im Schritt s3.3 wird die Differenz zwischen dem korrigierten
Istwert α_IST für die Endlage und dem vorgegebenen Wert Null
als Winkel α_EINSTELL für die Endlage gebildet. Im Schritt
s3.4 wird die Unterscheidung getroffen, ob der globale Jus
tierwert korrigiert werden soll, der für einen Referenzzy
linder gilt oder ein signalindividueller Wert. Gehört das
aktuelle NW-Winkelsignal zum Referenzzylinder, erfolgt im
Schritt s3.5 eine Veränderung des globalen Justierwertes
durch einen applizierbaren Anteil der ermittelten Differenz,
was durch Tiefpaßfilterung erfolgt, so daß davon auszugehen
ist, daß beim nächsten Programmdurchlauf die Differenz klei
ner ist. Danach wird der Schritt s3.10 erreicht.
Wurde im Schritt s3.4 festgestellt, daß ein signalindivi
dueller Justierwert zu korrigieren ist, wird im Schritt s3.6
geprüft, ob die im Schritt s3.3 ermittelte Differenz größer
als "0" ist. Ist dies der Fall, wird im Schritt s3.7 der zum
betroffenen Zylinder gehörende Justierwert um einen festen
Betrag in solcher Richtung verändert, daß davon auszugehen
ist, daß beim nächsten Programmdurchlauf die Differenz klei
ner ist oder ein Wert mit umgekehrtem Vorzeichen auftritt.
Danach wird der Schritt s3.10 erreicht.
Wurde im Schritt s3.6 festgestellt, daß die Differenz nicht
größer als "0" ist, wird im Schritt s3.8 geprüft, ob die im
Schritt s3.3 ermittelte Differenz kleiner als "0" ist. Ist
dies der Fall, wird im Schritt s3.9 der zum betroffenen Zy
linder gehörende Justierwert um einen festen Betrag in sol
cher Richtung erhöht, daß davon auszugehen ist, daß beim
nächsten Programmdurchlauf die Differenz kleiner wird oder
ein Wert mit umgekehrtem Vorzeichen auftritt. Danach wird
der Schritt s3.10 erreicht.
Im Schritt s3.10 wird der im Schritt s2 bereits schon einmal
korrigierte Meßwert der NW-Winkellage unter Berücksichtigung
des neuen zugehörigen Justierwertes korrigiert. Danach folgt
der Schritt s4.
In die Berechnung der Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ und
damit in die Berechnung der davon abhängigen Werte geht die
Endverstellgeschwindigkeit v_END entscheidend ein. Damit
diese dauernd möglichst genau bekannt ist, erfolgt beim be
vorzugten Ausführungsbeispiel laufend eine Adaption im
Schritt s5, der über Unterschritte s5.1 bis s5.9 verfügt.
In den Schritten s5.1, s5.2, s5.3 und 55.4 werden Bedin
gungen überprüft, unter denen die Adaption der Verstellge
schwindigkeit stattfinden darf. Ist eine der Bedingungen
nicht erfüllt, wird unmittelbar der Schritt s6 erreicht.
Im Schritt s5.1 wird überprüft, ob die Dauer der Verstellung
in einer Richtung eine applizierbare Zeitgrenze von z. B.
50 ms erreicht. Damit soll der Anfangsbereich einer Verstel
lung, in dem nicht von determinierten Zuständen ausgegangen
werden kann, ausgeblendet werden. Im Schritt s5.2 wird ge
prüft, ob sich die NW-Winkellage in der Nähe einer der bei
den Anschlagspositionen befindet, da auch in diesen Fällen
nicht von determinierten Zuständen ausgegangen werden kann.
Im Schritt s5.3 wird geprüft, ob sich die Motordrehzahl im
Übergangsbereich befindet, in dem zwischen der Auswertung
von allen NW-Winkelsignalen und der Auswertung von nur einem
Signal je NW-Umdrehung umgeschaltet wird. Da bei gleichen
physikalischen Verhältnissen aufgrund der unterschiedlichen
Auswertung unterschiedliche Verstellgeschwindigkeiten adap
tiert werden, ist im Übergangsbereich eine Adaption nicht
sinnvoll.
Die Adaption erfolgt durch den Vergleich der gemessenen NW-
Winkellage α_IST mit der geschätzten NW-Winkellage
α_SCHÄTZ′. Diese geschätzte Winkellage wird mit Hilfe der
geschätzten Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ ermittelt.
Stimmen die beiden NW-Winkellagen nicht überein, wird davon
ausgegangen, daß der Wert v_SCHÄTZ nicht richtig ermittelt
wurde. v_SCHÄTZ wird aus den beiden Endverstellgeschwindig
keiten v_FRÜH bzw. v_SPÄT berechnet. Soll einer der beiden
Werte adaptiert werden, muß sichergestellt sein, daß sich
ein vorangegangener Wert nicht zu stark auf v_SCHÄTZ aus
wirkt. Zum Beispiel werden nach dem ersten Ausgeben einer
Anforderung für eine Verstellung in Richtung Spät nach einer
gewissen Zeitspanne andere Verhältnisse erzielt, wenn die
Verstellung in Richtung Spät nach einem Haltezustand er
folgt, als wenn sie nach einer Verstellung in Richtung Früh
erfolgt. Um von solchen Unterschieden weitgehend unabhängig
zu sein, wird die Prüfung gemäß Schritt s5.4 durchgeführt.
Im Schritt s5.5 wird aus der Differenz zwischen der ge
schätzten NW-Winkellage α_SCHÄTZ′ und der Istwinkellage
α_IST unter Verwendung eines Skalierungsfaktors k von z. B.
1°/2sec ein Korrekturwert v_del für die Verstellgeschwindig
keit berechnet. Dieser Korrekturwert wird in den Schritten
5.7 oder 5.8 verwendet, um die Endverstellgeschwindigkeiten
für Früh- bzw. Spätverstellung gemäß den in Fig. 4 angege
benen Formeln zu verändern, nachdem im Schritt s5.6 unter
schieden wurde, ob gerade eine Verstellung in Richtung Früh
oder in Richtung Spät erfolgt.
Im Schritt s5.9 wird abschließend die Einhaltung von Unter-
und Obergrenzen überwacht.
Wie bereits ausgeführt, sollte dann, wenn der Haltewert aus
gegeben wird, die Winkellage der NW unverändert bleiben. Im
Idealfall hätte der Haltewert das oben angegebene Tastver
hältnis von 50%. In der Praxis weicht das erforderliche,
den Haltewert repräsentierende Tastverhältnis von 50% ab
und beträgt z. B. 59%. Außerdem sind im Regelfall unter
schiedliche Haltewerte abhängig davon erforderlich, ob zuvor
der Spätwert oder der Frühwert ausgegeben wurde. Um solche
Abweichungen des Haltewerts von einem Tastverhältnis von
50% an die jeweils aktuelle Anwendung anzupassen, wird der
Adaptionsschritt s12 ausgeführt, der über Unterschritte
s12.1 bis s12.8 verfügt.
Im Schritt s12.1 wird nachgefragt, ob der Sollwert der NW-
Winkellage nach einmaliger Ausgabe des Haltewerts lange ge
nug konstant ist (Wartezeit z. B. 50 msec), damit davon aus
gegangen werden kann, daß im folgenden vorkommende Verstel
lungen nur zur Korrektur eines nicht exakt adaptierten Hal
tewertes erforderlich sind. Ist dies nicht der Fall, wird
sofort der Schritt s13 erreicht.
Im Schritt s12.2 wird überprüft, ob sich die NW-Winkellage
in der Nähe einer der beiden Anschläge befindet. Ist dies
der Fall, wird unmittelbar der Schritt s13 erreicht, da in
diesem Fall eine Adaption des Haltewertes nicht sicher
durchgeführt werden kann.
Nachdem sichergestellt ist, daß die Adaption des Haltewerts
durchgeführt werden kann, beginnt der Hauptteil der Adaption
im folgenden Schritt s12.3.
Fand ein Wechsel vom Haltewert zum Früh- oder Spätwert
statt, wurde dieser im Schritt s8 bzw. s10 festgehalten, und
im Schritt s12.4 wird die Differenz der Wechsel in beiden
Richtungen innerhalb einer Zeitspanne von beim Ausführungs
beispiel 250 msec ausgewertet (Wechsel in Spätrichtung ab
züglich der Wechsel in Frührichtung). Überschreitet die
Differenz einen applizierten Grenzwert von z. B. vier Wech
seln, wird der Haltewert im Schritt s14.5 um eine kleine
vorgegebene Schrittweite d_sw erhöht, die im Tastverhältnis
beim Ausführungsbeispiel 0,4% ausmacht. Danach wird der
Schritt s12.8 erreicht.
Stellt sich im Schritt s12.6 heraus, daß die Zahl der Wech
sel zur Frühverstellung die Zahl der Wechsel zur Spätver
stellung um den applizierbaren Grenzwert überschreitet, wird
im Schritt s12.7 der Haltewert um eine kleine vorgegebene
Schrittweite d_sw verringert, die im Tastverhältnis beim
Ausführungsbeispiel 0,4% ausmacht. Danach wird der Schritt
s12.8 erreicht.
Im Schritt s12.8 werden nach erfolgter Adaption die beiden
Werte für die erfolgten Wechsel der Verstellung initiali
siert (auf 0 gesetzt), und der gespeicherte Sollwert, der im
Schritt s12.1 verwendet wird, wird ebenfalls initialisiert
(auf 0 gesetzt), um eine Änderung desselben erkennen zu kön
nen.
Der Schritt s13 zum Bestimmen des neuen Stellwertes, wie er
beim nächsten Starten der rechten Routine abgerufen wird,
verfügt über Unterschritte s13.1 bis s13.9.
Im Schritt s13.1 wird die geschätzte Verstellgeschwindigkeit
v_SCHÄTZ bestimmt, die für die Verstellung bis zum nächsten
Programmdurchlauf gültig ist. Davon ausgehend, daß sich die
Verstellgeschwindigkeit der Regelstrecke entsprechend einem
Tiefpaß erster Ordnung verhält, ist es erforderlich, den
Endwert der Verstellgeschwindigkeit zu kennen. Diese Erken
nung erfolgte im Schritt s8 (für Spätverstellung) bzw. im
Schritt s10 (für Frühverstellung). Der Endwert v_END wird
mit einem Faktor F multipliziert, der insbesondere von der
Drehzahl n des Motors abhängt. Dies, weil die jeweilige End
geschwindigkeit v_END relativ stark von der NW-Drehzahl ab
hängt. Zum Beispiel ist unterhalb einer Motordrehzahl von
1500 U/min noch nicht der Maximaldruck des den NW-Verstell
mechanismus 11 antreibenden Hydrauliköls erreicht. Darüber
hinaus kann hierbei der Übergang für die Auswertung aller
vier NW-Signale zur Auswertung eines Signals (oder umge
kehrt) berücksichtigt werden.
Die Berechnung der geschätzten Verstellgeschwindigkeit
v_SCHÄTZ erfolgt hiervon ausgehend mit Hilfe einer üblichen
digitalen Übergangsfunktion erster Ordnung, gestützt auf
eine Konstante c, die in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten
τ der NW-Verstelleinrichtung 11 appliziert wird. Im allge
meinen sind die Zeitkonstanten für die beiden Bewegungsrich
tungen voneinander verschieden, weswegen im Schritt s13.1
für c ein Wert c_SPÄT bzw. c_FRÜH eingestellt werden kann.
Im Schritt s13.2 wird die Winkellage α_SCHÄTZ der Nockenwel
le abgeschätzt, wie sie voraussichtlich zu Beginn der näch
sten rechten Interruptroutine vorliegen wird. Dies erfolgt
mit der im Schritt s13.2 angegebenen Formel, gestützt auf
den beim letzten Durchgang berechneten Schätzwert α_SCHÄTZ,
die vorgegebene Zeitspanne dt zwischen zwei Durchläufen der
rechten Interruptroutine (5 ms) und dem im Schritt s13.1
berechneten Schätzwert für die Geschwindigkeit v_SCHÄTZ.
Des weiteren erfolgt im Schritt s13.2 die Berechnung desje
nigen Wertes der NW-Winkellage, der erreicht würde, wenn
beginnend mit dem nächsten Programmdurchlauf der Haltewert
ausgegeben würde und sich dann die Nockenwelle aufgrund der
Trägheit der gesamten Regelstrecke noch etwas weiter ver
stellen würde. Der hierbei mit der in diesem Schritt ange
gebenen Formel berechnete Wert α_SCHÄTZ+ bestimmt, welcher
Wert mit dem Beginn des nächsten Durchlaufs der rechten
Interruptroutine ausgegeben werden soll, denn es ist das
Ziel, bei einer laufenden Verstellung bereits dann auf den
Haltewert überzugehen, wenn der Sollwert noch nicht erreicht
wurde, aufgrund des Tiefpaßverhaltens des NW-Verstellmecha
nismus 11 jedoch davon auszugehen ist, daß der Istwert den
Sollwert auch dann erreichen wird, wenn nur noch der Halte
wert ausgegeben wird. Durch diese Maßnahme kann die Nocken
welle sehr lange mit maximaler Verstellgeschwindigkeit ange
trieben werden, um dann gerade in die Soll-Winkellage zu
gelangen, wenn schon etwas zuvor der Haltewert ausgegeben
wird. Dadurch kann ein jeweiliger Sollwert besonders schnell
eingestellt werden. Die Entscheidung, welcher Wert mit dem
Beginn des nächsten Durchlaufs der rechten Interruptroutine
ausgegeben werden soll, fällt beim jetzigen Durchlauf, in
dem eine Differenz α_DIF zwischen dem Wert α_SCHÄTZ+ und dem
Sollwert α_SOLL gebildet wird.
Im Schritt s13.3 wird geprüft, ob die Differenz oberhalb
einer applizierbaren Toleranzschwelle liegt. Ist dies der
Fall, wird im Schritt s13.4 festgehalten, daß der neue
Stellwert der Spätwert werden soll, und der Durchlauf der
Routine wird beendet. Andernfalls wird im Schritt s13.5 ge
prüft, ob die Differenz α_DIF unterhalb des negierten Wertes
der Toleranzschwelle liegt. Ist dies der Fall, wird im
Schritt s13.6 festgehalten, daß der neue Stellwert der Früh
wert werden soll, und der Durchlauf der Routine wird been
det. Andernfalls wird im Schritt s13.7 festgehalten, daß der
neue Stellwert der adaptierte Haltewert werden soll.
In diesem Fall wird im Schritt s13.8 geprüft, ob die letzte
angeforderte Verstellung eine solche in Richtung Spät war.
Ist dies der Fall, wird der auszugebende Haltewert im
Schritt s13.9 um einen applizierbaren Korrekturwert erhöht.
Hierdurch kann eine Hysterese in der Kennlinie des NW-Ver
stellmechanismus 11 berücksichtigt werden, die sich folgen
dermaßen auswirkt: erfolgte eine Verstellung in Richtung
Früh, so ist anschließend ein Wert von z. B. 56% erforder
lich, um die NW-Winkellage konstant zu halten. Erfolgte da
gegen eine Verstellung in Richtung Spät, so ist anschließend
ein Wert von z. B. 59% erforderlich, um die NW-Winkellage
konstant zu halten.
Nach dem Schritt s13.8 oder dem Schritt s13.9 ist der Durch
lauf der rechten Routine beendet.
Beim Ausführungsbeispiel werden vier Nockenwellen-Winkelsi
gnale pro Nockenwellenumdrehung abgegeben. Es kann jedoch
auch mit noch weniger, aber auch mit mehr Signalen gearbei
tet werden. Je weniger Signale pro Umdrehung ausgegeben wer
den, über desto längere Zeitspannen muß mit Schätzwerten ge
arbeitet werden. Umgekehrt führen häufigere Messungen zu we
niger Schätzwerten und damit im Prinzip genauerer Regelbar
keit. Es ist jedoch zu beachten, daß jede Messung einen zu
sätzlichen Rechenaufwand bedeutet, da mit jeder Messung
nicht nur der gemessene Winkel, sondern auch der Meßzeit
punkt abgespeichert werden muß und dann mit Hilfe dieser
beiden Größen und der Differenz zu einem aktuellen Rechenab
lauf festgestellt werden muß, wie groß der Meßwert auf den
aktuellen Zeitpunkt bezogen ist. Man wird daher versuchen,
mit so wenig wie möglich Meßwerten auszukommen. Je genauer
das zeitliche Verhalten des Gesamtaufbaus bekannt ist, desto
zuverlässiger werden Abschätzungen, und mit desto weniger
Meßwerten kann gearbeitet werden. Es ist auch möglich, bei
relativ geringen Drehzahlen, z. B. unter 2000 U/min vier Si
gnale pro Nockenwellenumdrehung auszuwerten, dagegen bei
höheren Drehzahlen nur zwei Signale.
Die Adaptionen können auch anders als beschrieben ausgeführt
werden. Z. B. kann bei der Adaption der Endverstellgeschwin
digkeiten so vorgegangen werden, daß dann, wenn der Spät-
oder Frühwert relativ lange ausgegeben wird, gewartet wird,
bis der Verstellmechanismus seine Endgeschwindigkeit er
reicht hat und dann diese Endgeschwindigkeit mit Hilfe zwei
er aufeinanderfolgender Winkelmessungen bestimmt wird. Der
Haltewert kann z. B. dadurch adaptiert werden, daß unter
sucht wird, ob es bei dauernder Beibehaltung der Soll-Win
kellage zu einer veränderten NW-Winkellage kommt. Dies kann
nur dann der Fall sein, wenn sich der Istwert wegen eines
unzutreffenden Haltewerts verstellt hat. Kommt es zu Spät
verstellung, zeigt dies an, daß der Haltewert die Winkellage
nicht tatsächlich hielt, sondern in Richtung Spät verstell
te. Das Tastverhältnis wird dann etwas erniedrigt. Im umge
kehrten Fall wird es etwas erhöht.
Ein typischer Wert für die Endverstellgeschwindigkeit be
trägt 20°/100 msec. Ein typischer Wert für die Zeitkonstante
des Systems für den Übergang erster Ordnung nach dem Um
schalten auf das Haltesignal ist 40 msec.
Beim Ausführungsbeispiel wird von den das Übergangsverhalten
erster Ordnung gemäß der Gleichung in Schritt s13.1 bestim
menden Parameter c und v_END nur die Endverstellgeschwindig
keit v_END adaptiert. Jedoch ist es mit einem ähnlichen Ver
fahren, wie dem anhand von Fig. 4 beschriebenen Verfahren,
möglich, die Konstante c in kleinen Schritten so zu verän
dern, daß das aktuelle zeitliche Verhalten besser angenähert
wird.
Claims (10)
1. Verfahren zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer
Kurbelwelle bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine
Soll-Winkellage mit Hilfe eines Stellgliedes, das von einer
mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden Rege
lungseinrichtung mit einem Stellsignal angesteuert wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Stellglied mit jeweils einem von drei Werten des Stellsignals ansteuerbar ist, nämlich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen von Einlaßventilen eines Verbrennungsmotors, eines Spätwer tes zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein spä tes Öffnen von Einlaßventilen und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage;
- - die Verstellgeschwindigkeit (V_SCHÄTZ) der Nockenwelle ab geschätzt wird, wie sie zu Beginn des folgenden Programm durchlaufs vorliegen wird;
- - aus dieser Verstellgeschwindigkeit und dem bekannten zeit lichen Verhalten (c, v_SCHÄTZ) der Nockenwellenverstellung nach dem Umschalten auf das Stellsignal vom Haltewert der Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) abgeschätzt wird, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu Beginn des nächsten Programmdurchlaufs auf den Haltewert umgestellt würde; und
- - bereits dann vom Früh- oder Spätwert des Stellsignals auf dessen Haltewert umgestellt wird, wenn die Abweichung zwi schen dem Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) und der Soll-Winkel lage innerhalb eines Toleranzbandes liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstellgeschwindigkeit (v_SCHÄTZ), wie sie zu Beginn
des folgenden Programmdurchlaufs vermutlich vorliegen wird,
aus der aktuellen Verstellgeschwindigkeit unter Anwendung
einer Übergangsfunktion erster Ordnung mit applizierter
Zeitkonstante (c, Δt) und Endverstellgeschwindigkeit (v_END)
abgeschätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zeitkonstante adaptiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Endverstellgeschwindigkeit (v_END) adaptiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Endverstellgeschwindigkeit (v_END) mit Hilfe der folgen
den Schritte adaptiert wird:
- a) wenn ein die Winkellage (α) der Nockenwelle anzeigendes Signal auftritt, wird dieses als Istwert erfaßt;
- b) beim Auftreten des genannten Signals wird die für diesen Zeitpunkt abgeschätzte Winkellage als Schätzwert ermittelt;
- c) die Differenz zwischen dem Schätzwert und dem Istwert wird gebildet; und
- d) die Endverstellgeschwindigkeit wird mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim nächsten Ausfüh ren der Schritte a) bis c) eine kleinere Differenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwarten ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Haltewert adaptiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Haltewert mit Hilfe folgender Schritte adaptiert wird:
- a) nach einmaliger Ausgabe des Haltewerts wird überwacht, ob der Sollwert annähernd konstant bleibt;
- b) ist der Sollwert annähernd konstant, werden nach Ablauf einer Wartezeit die Wechsel vom Haltewert zum Früh- bzw. Spätwert protokolliert; und
- c) überschreitet der Betrag der Differenz aus den Wechseln einen Grenzwert, wird der Haltewert mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim erneuten Ausführen der Schritte a) und b) eine kleinere Differenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwarten ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß jeder Istwert der Winkellage
der Nockenwelle mit Justierwerten korrigiert wird, die Abweichungen
bezüglich der Lage der einzelnen Nockenwellensi
gnale relativ zur Kurbelwellensignale berücksichtigen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Justierwerte wie folgt bestimmt werden:
- a) die Nockenwelle wird in eine Endstellung verstellt;
- b) die während einer Nockenwellenumdrehung gemessenen Ist werte werden erfaßt; und
- c) es wird aus der Differenz zwischen jedem Istwert und dem jeweils zugehörigen Sollwert der aktuelle Justierwert mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim erneuten Ausführen der Schritte a) und b) eine kleinere Dif ferenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwar ten ist.
10. Vorrichtung zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer
Kurbelwelle bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine
Soll-Winkellage mit Hilfe eines Stellgliedes (11), das von
einer mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden
Regelungseinrichtung (14) mit einem Stellsignal angesteuert
wird; dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Stellglied so ausgebildet ist, daß es mit jeweils mit einem von drei Werten des Stellsignals ansteuerbar ist, näm lich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Rich tung auf ein frühes Öffnen von Einlaßventilen eines Ver brennungsmotors, eines Spätwertes zum Verstellen der Nocken welle in Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlaßventilen und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage; und
- - die Regelungseinrichtung so ausgebildet ist, daß von ihr
- - die Verstellgeschwindigkeit (V_SCHÄTZ) der Nockenwelle abgeschätzt wird, wie sie zu Beginn des folgenden Programm durchlaufs vorliegen wird;
- - aus dieser Verstellgeschwindigkeit und dem bekannten zeitlichen Verhalten (c, v_END) der Nockenwellenverstellung nach dem Umschalten auf das Stellsignal vom Haltewert der Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) abgeschätzt wird, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu Beginn des nächsten Programmdurchlaufs auf den Haltewert umgestellt würde; und
- - bereits dann vom Früh- oder Spätwert des Stellsignals auf dessen Haltewert umgestellt wird, wenn die Abweichung zwi schen dem Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) und der Soll-Winkel lage innerhalb eines Toleranzbandes liegt.
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