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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Nockenwellenverstellsysteme (VCT-Systeme).
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Regelverfahren
zum Erzielen eines erwarteten VCT-Betätigungswertes unter Verwendung
eines Sollwertbegrenzers.
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Die
Betrachtung der in den nachfolgenden amerikanischen Patenten, deren
Offenbarung durch Bezugnahme eingearbeitet wird, enthaltenen Informationen
ist zur Auswertung des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung
nützlich.
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Die
US-PS 5 002 023 beschreibt
ein VCT-System auf dem Gebiet der Erfindung, bei dem die Systemhydraulik
ein Paar von entgegengesetzt wirkenden Hydraulikzylindern mit geeigneten
Hydraulikmitteldurchflußelementen
aufweist, um wahlweise Hydraulikmittel von einem der Zylinder zum
anderen oder umgekehrt zu überführen und
auf diese Weise die Umfangsposition einer Nockenwelle relativ zu
einer Kurbelwelle vorzubewegen oder zu verzögern. Bei dem Regelsystem findet
ein Regelventil Verwendung, bei dem die Abgabe von Hydraulikmittel
von dem einen oder anderen der entgegengesetzt zu einander wirkenden
Zylinder ermöglicht wird,
indem ein Ventilschieber im Ventil aus seiner zentierten Position oder
Nullposition in die eine oder die andere Richtung bewegt wird. Die
Bewegung des Ventilschiebers tritt in Abhängigkeit von einem Anstieg
oder Abfall des hydraulischen Regeldrucks P
C an
einem Ende des Ventilschiebers und der Beziehung zwischen der hydraulischen
Kraft an diesem Ende und einer entgegengesetzt gerichteten mechanischen
Kraft am anderen Ende, die von einer hierauf einwirkenden Druckfeder
stammt, auf.
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Die
US-PS 5 107 804 beschreibt
eine andere Art eines VCT-Systems
auf dem Gebiet der Erfindung, bei dem die Systemhydraulik einen
Flügel
mit Ausbauchungen innerhalb eines umschlossenen Gehäuses umfaßt, der
die von der vorstehend erwähnten
US-PS 5 002 023 offenbarten
entgegengesetzt wirkenden Zylinder ersetzt. Der Flügel ist
relativ zum Gehäuse
hin- und herbewegbar. Es sind geeignete Elemente zur Überführung von
Hydraulikmittel im Gehäuse
von einer Seite einer Ausbauchung zur anderen oder umgekehrt vorgesehen,
um auf diese Weise den Flügel
relativ zum Gehäuse
in der einen Richtung oder der anderen Richtung hin- und herzubewegen,
wodurch die Position der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle vorbewegt
oder verzögert
wird. Das Regelsystem dieses VCT-Systems ist identisch mit dem der
US-PS 5 002 023 , wobei die
gleiche Art von Regelventil Verwendung findet, das auf die gleiche
Art von hierauf einwirkenden Kräften
anspricht.
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Die
US-PS'en 5 172 659
und 5 184 578 befassen sich beide mit den Problemen der vorstehend
erwähnten
Arten von VCT-Systemen,
die durch den Versuch hervorgerufen werden, die gegen ein Ende des Ventilschiebers
ausgeübte
hydraulische Kraft und die gegen das andere Ende ausgeübte mechanische
Kraft auszugleichen. Das in den US-PS'en 5 172 659 und 5 184 578 offenbarte
verbesserte Regelsystem benutzt eine auf beide Enden des Ventilschiebers
einwirkende hydraulische Kraft. Die auf ein Ende einwirkende hydraulische
Kraft resultiert aus dem direkt aufgebrachten Hydraulikmittel von
der Motorölgalerie
unter vollem Hydraulikdruck PS. Die auf
das andere Ende des Ventilschiebers einwirkende hydraulische Kraft
resultiert aus einem Hydraulikzylinder oder einem anderen Kraftvervielfacher,
der hierauf in Abhängigkeit
von einem Systemhydraulikmittel unter einem reduzierten Druck PC von einem PWM-Solenoid einwirkt. Da die
auf jedes der gegenüberliegenden
Enden des Ventilschiebers einwirkende Kraft einen hydraulischen
Ursprung besitzt und auf dem gleichen Hydraulikmittel basiert, gleichen
sich Änderungen
im Druck oder der Viskosität
des Hydraulikmittels selbst aus und beeinflussen nicht die zentrierte
Position oder Nullposition des Ventilschiebers.
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Die
US PS 5 289 805 beschreibt ein verbessertes VCT-Verfahren, bei dem eine hydraulische PWM-Steuerventilpositionsregelung
und ein verbesserter Regelalgorithmus Verwendung finden, welch letzterer
zu einem vorgegebenen Sollwertfolgeverhalten mit einem hohen Grad
an Robustheit führt.
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Gemäß der
US-PS 5 361 735 besitzt
eine Nockenwelle einen an einem Ende befestigten Flügel zur Durchführung einer
Drehung und keiner Schwingung. Die Nockenwelle trägt desweiteren
eine von einem Steuerriemen angetriebene Riemenscheibe, die sich
zusammen mit der Nockenwelle drehen kann, jedoch relativ zu dieser
hin- und herschwingt. Der Flügel
besitzt gegenüberliegende
Ausbauchungen, die in gegenüberliegenden
Ausnehmungen der Riemenscheibe aufgenommen sind. Die Nockenwelle
neigt dazu, sich in Abhängigkeit
von Drehmomentimpulsen, mit denen sie während ihres Normalbetriebes
beaufschlagt wird, zu verändern
und kann voreilen oder verzögert
werden, indem der Zufluß von
Motoröl
von den Ausnehmungen wahlweise blockiert oder zugelassen wird, und
zwar durch das Regeln der Position eines Schiebers in einem Ventilkörper eines
Regelventils in Abhängigkeit
von einem Signal von einer Motorsteuereinheit. Der Ventilschieber wird über eine
eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung überführende Einrichtung, die von
einem Elektromotor, vorzugsweise vom Schrittmotortyp, gedreht wird,
in eine vorgegebene Richtung gedrückt.
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Die
US-PS 5 497 738 zeigt ein
Regelsystem, das die auf ein Ende eines Ventilschiebers einwirkende hydraulische
Kraft eliminiert, die aus dem direkt aufgebrachten Hydraulikmittel
von der Motorölgalerie
unter vollem Hydraulikdruck P
S resultiert
und von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des VCT-System
benutzt wird. Die auf das andere Ende des belüfteten Ventilschiebers einwirkende
Kraft resultiert aus einem elektromechanischen Aktuator, vorzugsweise
vom Solenoidtyp mit veränderlicher
Kraft, der in Abhängigkeit
von einem elektronischen Signal, das von einer Motorsteuereinheit
(ECU) abgegeben wird, die diverse Motorparameter überwacht,
direkt auf den belüfteten
Ventilschieber einwirkt. Die ECU empfängt Signale von Sensoren, die
den Nockenwellen- und Kurbelwellenpositionen entsprechen, und benutzt
diese Information zur Berechnung eines relati ven Phasenwinkels.
Ein Rückkopplungssystem
mit geschlossener Schleife, das jeglichen Phasenwinkelfehler korrigiert,
wird vorzugsweise verwendet. Durch den Einsatz eines Solenoides
mit mit veränderlicher
Kraft wird das Problem eines trägen
dynamischen Ansprechverhaltens gelöst. Eine derartige Vorrichtung
kann so ausgebildet sein, daß sie
so schnell reagiert, wie es dem mechanischen Ansprechverhalten des
Steuerventils entspricht, und mit Sicherheit viel schneller als
das herkömmliche
(vollhydraulische) Differenzdruckregelsystem. Durch das schnellere
Ansprechverhalten kann eine verbesserte Verstärkung mit einer geschlossenen
Schleife erzielt werden, die das System gegenüber Toleranzen der Bauteile
und der Betriebsumgebung weniger empfindlich macht.
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Die
US-PS 6 318 314 beschreibt
eine Regeleinheit zum Regeln einer Vorrichtung zum Einstellen einer Nockenwelle
relativ zur einer Kurbelwelle, wobei die Regeleinheit ein Pilotregelsystem
zum Bestimmen eines Schätzwertes
zum Einstellen der Nockenwelle ohne Berücksichtigung der Zeitverzögerung der
Einstellvorrichtung und zum Korrigieren des Einstellsignales in
Abhängigkeit
vom Schätzwert
und einem speziellen erforderlichen Wert aufweist.
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In 1 ist
ein Feedbacksystem 10 mit geschlossener Schleife dargestellt.
Das Regelziel der Feedbackschleife 10 besteht darin, ein
Steuerventil in einer Nullposition zu halten. Mit anderen Worten,
die Zielsetzung besteht darin, keinen Strömungsmittelfluß zwischen
zwei Strömungsmittelhaltekammern
eines Phasenstellers (nicht gezeigt) zu haben, so daß sich bei
dem VCT-Mechanismus bei dem von einem Soll wert 12 vorgegebenen
Phasenwinkel der Ventilschieber 14 stationär in seiner
Nullposition befindet. Auf diese Weise befindet sich der VCT-Mechanismus
in der korrekten Phasenposition und ist der Phasenänderungswert
gleich 0. Ein Regelcomputerprogrammprodukt, das den dynamischen
Zustand des VCT-Mechanismus benutzt, findet zum Erreichen dieses
Zustandes Verwendung.
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Der
VCT-Regelmechanismus mit geschlossener Schleife wird erreicht, indem
eine Nockenwellenphasenverschiebung θ016
gemessen und diese mit dem gewünschten
Sollwert r12 verglichen wird. Der VCT-Mechanismus wird dann so eingestellt,
daß der
Phasensteller eine Position erreicht, die vom Sollwert r12 bestimmt
wird. Ein Regelgesetz 18 vergleicht den Sollwert 12 mit
der Phasenverschiebung θ016. Das Vergleichsergebnis wird als Referenz
verwendet, um Befehle an ein Solenoid 20 abzugeben und
den Schieber 14 zu positionieren. Eine Positionierung des
Schiebers 14 findet statt, wenn der Phasenfehler (die Differenz
zwischen dem Sollwert r12 und der Phasenverschiebung 20)
ungleich Null ist.
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Der
Schieber 14 wird in eine erste Richtung (d.h. nach rechts)
bewegt, wenn der Phasenfehler positiv (Verzögerung) ist, und in eine zweite
Richtung (d.h. nach links), wenn der Phasenfehler negativ ist (Voreilung). Wenn
der Phasenfehler Null ist, entspricht die VCT-Phase dem Sollwert
r12, so daß der
Schieber 14 so in der Nullposition gehalten wird, daß kein Strömungsmittel
im Steuerventil fließt.
Nockenwellen- und Kurbelwellenmeßimpulse im VCT-System werden
von Nockenwellen- und Kurbelwellenimpulsreglern 22 und 24 erzeugt. Wenn
sich die Kurbelwelle (nicht gezeigt) und die Nockenwelle (ebenfalls
nicht gezeigt) drehen, drehen sich die Räder 22, 24 hiermit.
Die Räder 22, 24 besitzen
Zähne,
die in Abhängigkeit
von von den Sensoren erzeugten Meßimpulsen abgetastet und gemessen
werden können.
Die Meßimpulse
werden von Nockenwellen- und Kurbelwellenmeßimpulssensoren 22a und 24a detektiert.
Die abgetasteten Impulse werden von einer Phasenmeßvorrichtung 26 verwendet.
Dann wird eine Meßphasendifferenz
ermittelt. Die Phasendifferenz wird als Zeit von aufeinanderfolgenden
Kurbelwellen-Nockenwellen-Impulsen,
geteilt durch die Zeit für
eine gesamte Umdrehung und multipliziert mit 360°, definiert. Die gemessene Phasendifferenz
kann als θ016 ausgedrückt werden. Dieses Phasendifferenz
wird dann dem Regelgesetz 18 zugeführt, um die gewünschte Steuerschieberposition
zu erreichen.
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Der Änderungswert
für den
Sollwert 12 kann zu einem Überschießen führen, wenn der Wert eine für das VCT-System
inhärente
Grenze übersteigt.
Da eine Steuereinheit, wie eine Motorsteuereinheit (ECU), die Grenze
des Wertes steuern muß,
ist es wünschenswert,
ein Verfahren, beispielsweise ein Verfahren, das in ein Computerprogrammprodukt
eingearbeitet werden kann, zur Verfügung zu haben, um feststellen
zu können, wann
oder in welchem Bereich der Sollwertänderung das System gerade arbeitet.
Wenn einmal der Bereich des Überschießens identifiziert
worden ist, kann eine geeignete Filterung durchgeführt werden.
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Es
wird ein Verfahren für
ein VCT-System zur Verfügung
gestellt, mit dem eine Begrenzung der zeitlichen Änderung
des Sollwertes erreicht wird.
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Es
wird ein Verfahren für
ein VCT-System zur Vermeidung eines Überschießens im Systemansprechverhalten
zur Verfügung
gestellt. Mit diesem Verfahren wird ein Filter vorgesehen, wann
immer ein Zustand detektiert wird, der sonst zu einem Überschießen führen würde. Durch
das Filtern des Sollwertes wird die Nulldynamik der Regelschleife
eliminiert, die zum Überschießen führt.
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Es
wird ein Verfahren für
ein VCT-System zur Verfügung
gestellt, das die Voreilung (der Sollwertsteigungsinformation) in
der Feedbackregelschleife benutzt. Die momentane Steigung der modifizierten
Sollwertänderungsrate
wird für
das Regelgesetz zur Verfügung
gestellt, um auf diese Weise sofortige Änderungen der Ventilschieberposition
zu bewirken. Es treten somit Änderungen
im VCT-Phasenwert auf, wodurch der Schleifenfehler reduziert wird.
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Daher
wird in einem VCT-System mit einer Feedbackschleife zum Regeln der
Winkelbeziehung eines Phasenstellers ein Regelgesetz zur Verfügung gestellt,
das mehrere Sollwerte und mehrere Rückkopplungswerte empfängt, wobei
das Regelgesetz aufweist: einen Rechnerblock zum Empfang der Sollwerte
als Eingangsgrößen, wobei
der Rechnerblock eine erste Ausgangsgröße und eine zweite Ausgangsgröße ausgibt, ein
erstes Summierglied zum Summieren der ersten Ausgangsgröße und der
Rückkopplungswerte,
um eine erste Summe zu erzeugen, ein Phasenintegrierglied und ein
Phasenkompensierglied, das die erste Summe und Ableitung hiervon
empfängt
und einen verarbeiteten Wert ausgibt, einen Verstärker zum
Verstärken
der zweiten Ausgangsgröße um einen
vorgegebenen Skalenwert und ein zweites Summierglied zum Summieren des
verarbeiteten Wertes und der verstärkten zweiten Ausgangsgröße zur Erzeugung
einer zweiten Summe.
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Es
wird daher ein VCT-System vorgesehen, das umfaßt: Sensoren zum Empfangen
von Positionsinformationen einer Nocken- und Kurbelwelle, einen Phasensteller
zum Einstellen von kleinen Änderungen
zwischen der Kurbelwelle und Nockenwelle und einen Aktuator, der
mit dem Phasensteller in Eingriff steht. Das VCT-System umfaßt desweiteren
einen Regler zum Regeln des Aktuators, wobei der Regler ein Regelgesetz aufweist,
das umfaßt:
einen Rechnerblock zum Empfangen der mehreren Sollwerte als Eingangsgrößen, wobei
der Rechnerblock eine erste Ausgangsgröße und eine zweite Ausgangsgröße ausgibt,
ein erstes Summierglied zum Summieren der ersten Ausgangsgröße und der
Vielzahl der Rückkopplungswerte,
um eine erste Summe zu erzeugen, ein Phasenintegrierglied und ein
Phasenkompensierglied, die die erste Summe und Ableitungen hiervon
empfangen und einen verarbeiteten Wert erzeugen, einen Verstärker, der
die zweite Ausgangsgröße um einen
vorgegebenen Skalenwert verstärkt,
und ein zweites Summierglied zum Summieren des verarbeiteten Wertes
und der verstärkten
zweiten Ausgangsgröße, um eine
zweite Summe zu erzeugen.
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Es
wird daher ein VCT-Systemregler für ein VCT-System mit einer
Rückkopplungsschleife
zum Regeln einer Phasenbeziehung geschaffen. Der Regler besitzt
ein Regelgesetz, das eine Vielzahl von Sollwerten und eine Vielzahl
von Rückkopplungswerten
empfängt.
Das Regelgesetz führt
ein Verfahren durch, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen
einer Sollwertänderung,
Bestimmen eines Modus des VCT-Systems unter einer Gruppe von vier
Moden und wahlweises Anlegen eines Filters an die Sollwertänderung,
wodurch ein durch die Sollwertänderung
verursachtes Überschießen reduziert
wird.
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Es
folgt nun eine Kurzbeschreibung der Zeichnung. Hiervon zeigen:
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1 eine
Regelschleife des Standes der Technik;
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2 ein
Diagramm, das die vorliegende Erfindung zeigt;
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3 das
verbesserte Regelgesetz der Erfindung, wobei eine Steigungsinformation
geregelt und verstärkt
wird;
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4 eine
schematische Darstellung eines VCT-Systems einschließlich eines
Phasenstellers, der für die
vorliegende Erfindung geeignet ist; und
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5 ein
Ablaufdiagramm, das die vorliegende Erfindung zeigt.
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Die Änderung
eines VCT-Sollwertes wird durch eine Grenze begrenzt, wobei unerwünschte Dinge,
wie ein nichtakzeptables Überschießen, auftreten
können,
wenn der Wert der Sollpunktänderung
die Grenze übersteigt.
Das VCT-System, das etwas schneller ansprechen kann, wird gedrosselt,
um auf vorhersagbare Weise eine konsistente Änderung durchzuführen. Ein
Filter kann in einem Bereich (der später im einzelnen beschrieben
wird) des Sollwertes Anwendung finden, um das Überschießen zu verringern. Mit anderen
Worten, wann immer ein Zustand detektiert wird, der sonst zu einem Überschießen beim
Ansprechen des Systems führen würde, wird
ein Filter angelegt. Durch das Filtern des Sollwertes wird die Regelschleifendynamik
beseitigt, die zum Überschießen führt. Desweiteren
wird auch ein Regelversuch in der Regelschleife durchgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung lehrt, die momentane Steigung des modifizierten
Sollpunktes dem Regelgesetz zur Verfügung zu stellen. Hierdurch
werden sofortige Änderungen
der Ventilschieberposition verursacht, so daß daher ein Schleifenfehler
unter Verwendung des VCT-Phasenwertes verringert werden kann.
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Plötzliche Änderungen
des groben Sollwertes, die zu einem nichtakzeptablen Überschießen führen, können durch
die vorliegende Erfindung verringert werden. Die vorliegende Erfindung
begrenzt den zeitlichen Änderungswert
des Sollwertes über
eine vorgegebene Grenze des Wertes. Durch Erstellen dieser Grenze
wird das VCT, das etwas schneller ansprechen kann, gedrosselt, um
sich in einer vorhersagbaren Weise konsistent zu ändern. VCT
bedeutet ein veränderliches
Nockentiming, was einen Prozeß und
kein Gegenstand darstellt. VCT bezieht sich auf das Regeln oder
Verändern
der Winkelbeziehung (Phase) zwischen einer oder mehreren Nockenwellen,
die die Einlaß-
und/oder Auslaßventile
des Motors antreiben, und der Kurbelwelle, die mit den Kolben in
Verbindung steht. Das Verändern
der Winkelbeziehung wird typischerweise unter Verwendung eines Phasenstellers
durchgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung vermeidet desweiteren ein Überschießen im Ansprechverhalten des
Systems. Es findet ein Filter Verwendung, wann immer ein Zustand
detektiert wird, der sonst zu einem Überschießen führen würde. Durch Filtern des Sollpunktes
wird der Grund für
das Überschießen eliminiert.
Desweiteren wird durch einen Regelungsversuch innerhalb des Regelgesetzes
die momentane Steigung des modifizierten Sollwertes für das Regelgesetz
für eine
verbesserte Verarbeitung zugänglich
gemacht. Dadurch wird durch Bewirkung von sofortigen Änderungen
der Ventilschieberposition und somit des VCT-Phasenwertes der Schleifenfehler
reduziert.
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Die
vorliegenden Erfindung unterteilt den Sollwertänderungsprozeß in vier
Moden für
eine Realzeitverarbeitung. Die Realzeitverarbeitung läuft in zwei
Stufen ab. Zuerst wird der geeignete Modus in Abhängigkeit von
den momentanen Eingangssignalen und den vorherigen Betriebsbedingungen
bestimmt. Dann werden die Berechnungen für den geeigneten Modus durchgeführt. Der
entstandene modifizierte Sollwert bildet eine Eingangsgröße für die momentane
geschlossene Schleife, beispielsweise die Eingangsgröße für das Solenoid 20. Diese
Eingangsgröße ist eine
wenn auch geringfügige
Modifikation des vorhandenen Regelgesetzes des Standes der Technik,
wie beispielsweise des Regelgesetzes 18.
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2 zeigt
das momentane Verfahren. Die y-Achse gibt einen Satz von Sollwerten
für die
Phasenstellerposition wie der (es sind nur zwei Positionen von 10° und 30° dargestellt).
Auf der x-Achse ist die Zeit angegeben. Die Kurve 30 zeigt
eine Änderung
der Sollwerte in einem VCT-Anwendungsfall.
Beispielsweise kann ein Regler an ein Schieberventil 14 den
Befehl geben, einen Phasensteller von 10° bis 30° zu bewegen, wie in der ersten
Schrittänderung
der quadratischen Welle 30 dargestellt. In der idealisierten
Situation, in der das System keine Trägheit aufweist, kann die Reaktion
des Systems exakt dem Weg der quadratischen Welle 30a folgen.
In Wirklichkeit kann die Reaktion des Systems jedoch der Welle 30 entsprechen.
Wie man erkennen kann, besitzt die Kurve 30 ein Überschießen. Sie
ist ferner in vier Abschnitte unterteilt, die als vier Moden für digitalisierte
Ermittlungszwecke bezeichnet werden. Es wird darauf hingewiesen,
daß eine
Steuereinheit, wie beispielsweise eine Motorsteuereinheit (ECU),
nur getrennte Punkte der Kurve 30 bearbeitet. Die vier
Moden dienen dazu, der Steuerung digital anzuzeigen, welchen Modus
oder Zustand das System zu einer bestimmten Zeit besitzt. Die Moden
sind mit den Bezugszeichen 32, 34, 36 und 38 gekennzeichnet.
Der Modus 32 gibt den Zustand wieder, bei dem keine wesentliche Änderung
der Sollpunktwerte stattfindet. Der Modus 34 kennzeichnet
den Zustand, bei dem ein beträchtlicher
Anstieg der Sollpunktwerte vorhanden ist. Der Modus 36 gibt
den Zustand wieder, bei dem ein wesentlicher Abfall der Sollpunktwerte
vorhanden ist, und der Modus 38 kennzeichnet den Zustand,
bei dem sich der gemessene Phasensteller nahe am Sollpunkt oder
in der Nachbarschaft desselben befindet und das Sollpunktfilter
angerufen ist. Die vier Moden sind sowohl separat als auch im in
die Kurve 30 eingearbeiteten Zustand gezeigt. Dieses Überschießen ist unerwünscht, und
der Regler muß das Überschießen im wesentlichen
Umfang regeln oder reduzieren. Für
den Regler ist es erforderlich zu wissen, wann der Modus 38 auftritt,
bevor eine Verringerung des Überschießens durchgeführt werden
kann.
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Der
Regler führt
eine Realzeit-Abwicklung in zwei Stufen durch. Zuerst wird der geeignete
Modus in Abhängigkeit
von den momentanen Eingangssignalen und den vorhergehenden Betriebsbedingungen
bestimmt. Dann werden die Berechnungen für den geeigneten Modus durchgeführt. Der
entstandene modifizierte Sollwert bildet die Eingangsgröße für das Regelgesetz.
Eine Modifikation des Regelgesetzes 18 wird durchgeführt, um
die Steigungsinformation oder den Änderungswert des Sollpunktes
zu verwenden. Bei dieser Modifikation kann es sich um eine sehr
geringe Modifikation des Regelgesetzes 18 handeln.
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Nachfolgend
wird eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben, die von einem Regler verwendet
werden kann. Die Ausführungsformen
der Eingangssignale und vorhergehenden Betriebsbedingungen sind
nachfolgend dargestellt. Ein Satz von Parametern ist nachfolgend
aufgelistet, der vom Regler verwendet werden kann. Bei der Eingangsgröße kann
es sich um den groben Sollpunkt handeln, der in Grad angegeben ist.
Eine erste Ausgangsgröße (ebenfalls
in Grad) kann ein modifizierter Sollpunkt auf Basis der Eingangsgröße sein.
Eine zweite Ausgangsgröße kann
ein zeitlicher Änderungswert
des modifizierten Sollpunktes sein, der in Grad pro Sekunde angegeben
ist. Einige dieser Ausführungsformen
sind nachfolgend formell aufgelistet.
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Eingangsgröße
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- uraw = grober Sollwert in Grad
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Ausgangsgrößen
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- umod = modifizierter Sollwert in Grad
- Steigung = zeitlicher Änderungswert
des modifizierten Sollwertes, Grad/sec
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Die
Parameter umfassen „mup", was den maximalen
Anstieg des Drehwertes wiedergibt. „mdown" ist der maximale abnehmende Drehwert
(ein positiver Wert), der in Grad pro Sekunde (Grad/sec) angegeben
ist. Sowohl „mup" als auch „mdown" basieren auf der
VCT-Systemspezifikation. „wset" ist die Filtereckfrequenz, die
in rad/sec wiedergegeben ist. Bei dieser speziellen Ausführungsform
sind mup/wset und mdown/wset vorzugsweise vorberechnete Konstanten,
wie nachfolgend gezeigt. „Epsilon" ist die Schwelle
für einen
stetigen Übergang,
die in Grad angegeben ist. Der Schwellenwert kann je nach Bedarf
ermittelt werden. „ts" ist die Samplezeit
in sec. „Kff" ist die Vorwärtsverstärkung, die
in %/(Grad/sec) angegeben ist. Die Parameter sind nachfolgend formell
aufgelistet.
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Parameter
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- mup = maximaler ansteigender Drehwert, Grad/sec
- mdown = maximaler absinkender Drehwert (ein positiver Wert),
Grad/sec
- wset = Filtereckfrequenz, rad/sec
- (wie nachfolgend erläutert,
sind mup/wset und mdown/wset vorzugsweise vorberechnete Konstanten)
- epsilon = Schwelle für
stetigen Übergang,
in Grad
- Ts = Samplezeit, sec
- alpha = exp(–wset*s)
- Kff = Vorwärtsverstärkung, %(Grad/sec)
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Die
Variablen umfassen statische Variabln und temporäre Variablen. Die statischen
Variablen umfassen „OLDURAW", bei dem es sich
um das „uraw" aus der vorhergehenden
Iteration, beispielsweise Iteration unmittelbar vor der momentanen
Iteration, handelt. Die statischen Variablen umfassen desweiteren „oldumod", bei dem es sich
um das „umod" aus der vorhergehenden
Iteration, beispielsweise der unmittelbar vorhergehenden Iteration,
handelt. Die temporären
Variablen umfassen uchange, bei dem es sich um die erforderliche Änderung
in uraw von umod handelt. Die temporären Variablen umfassen ferner „deltaraw", bei dem es sich um
die Änderung
in uraw aus der vorhergehenden Iteration handelt. Die Variablen
sind nachfolgend formell aufgelistet.
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Statische
Variablen
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- olduraw = uraw aus der vorhergehenden Iteration
- oldumod = umod aus der vorhergehenden Iteration
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Temporäre Variablen
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- uchange = erforderliche Änderung
in uraw von umod
- deltaraw = Änderung
in uraw von der vorhergehenden Iteration
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Wie
man ersehen kann, umfassen die vier Moden die nachfolgenden Zustände oder
Bedingungen. Als erstes befindet sich das System in einem stetigen
Zustand, wobei der modifizierte Sollwert einfach der grobe Sollwert
ist. Als zweites befindet sich das System in einem aufsteigenden
Rampenmodus, bei dem der modifizierte Sollwert mit dem maximalen
positiven Drehwert ansteigt. Als drittes befindet sich das System
in einem abfallenden Rampenmodus, bei dem der modifizierte Sollwert
mit dem maximalen negativen Drehwert abnimmt. Als viertes befindet
sich das System in einem Filtermodus, bei dem der grobe Sollwert
ein Tiefpaßfilter erster
Ordnung passiert, um den modifizierten Sollwert zu erzeugen. Das
Filter wird automatisch korrekt initialisiert, wenn mit diesem Modus
begonnen wird. Nachfolgend sind die Moden formell aufgeführt.
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Moden
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- Stetiger Zustand – bei
dem modifizierten Sollwert handelt es sich in einfacher Weise um
den groben Sollwert
- Rampe aufwärts – der modifizierte
Sollpunkt steigt mit dem maximalen positiven Drehwert an
- Rampe abwärts – der modifizierte
Sollpunkt fällt
mit dem maximalen negativen Drehwert ab.
- Filter – der
grobe Sollwert passiert ein Tiefpaßfilter erster Ordnung, um
den modifizierten Sollwert zu erzeugen. Das Filter wird automatisch
korrekt initialisiert, wenn mit diesem Modus begonnen wird.
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Nachfolgend
ist die Logik zum Bestimmen der verschiedenen Zustände beschrieben,
die in ein Computerproduktunterprogramm eingearbeitet werden kann.
Beispielsweise kann eine Fahrzeugmotorsteuereinheit (ECU) die eingearbeitete
Logik aufweisen. Anfangs wird „uchange" als „uraw" minus „oldumod", d.h. das umod von
der vorhergehenden Iteration, definiert. Bei uraw handelt es sich
um den groben Sollwerteingang in Grad. Desweiteren wird „deltaraw" als „uraw" minus „olduraw" definiert. Wenn
der Absolutwert von uchange geringer ist als ein vorgegebener Wert
(d.h. epsilon), wird bestimmt, das sich der Systemmodus im steigen
Zustand befindet. Wenn die folgende Bedingung erfüllt wird
wenn
((uchange > = mup/wset)|((uchange > = epsilon) & (stetiger Zustand
Rampe abwärts)))
befindet
sich das System im Rampen-aufwärts-Modus.
Wenn die folgende Bedingung erfüllt
wird
wenn ((uchange < = –mdown/wset)|((uchange < = –epsilon) & (stetiger Zustand|Rampe
aufwärts)))
befindet
sich das System im Rampen-abwärts-Modus.
Wenn die folgende Bedingung erfüllt
wird
wenn (((Rampe aufwärts) & (0 < = uchange < mup/wset) & (deltaraw < = epsilon))|((Rampe
abwärts) & (–mdown/wset < uchange < 0) & (deltaraw < = –epsilon)))
befindet
sich das System im Filtermodus. Wenn keine der obigen Bedingungen
erfüllt
wird, findet keine Modusänderung
statt. Nachfolgen ist die statische Logik formell aufgeführt
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Statische
Logik
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- uchange = uraw – oldumod
- deltaraw = uraw – olduraw
- wenn abs (uchange) < epsilon
- Modus = stetiger Zustand
- wenn ((uchange > =
mup/wset)|((uchange > =
epsilon) & (stetiger
Zustand|Rampe abwärts)))
- Modus = Rampe aufwärts
- wenn ((uchange < = –mdown/wset)|((uchange < = –epsilon) & (stetiger Zustand|Rampe
aufwärts)))
- Modus = Rampe abwärts
- wenn ((uchange < = –mdown/wset)|((uchange < = –epsilon) & (stetiger Zustand|Rampe
aufwärts)))
- Modus = Rampe abwärts
- wenn (((Rampe aufwärts) & (0 < = uchange < mup/wset) & (deltaraw < = epsilon))|((Rampe
abwärts) & (–mdown/wset < uchange < 0) & (deltaraw > = –epsilon)))
- Modus = Filter
- /* sonstiger Modus = Modus, keine Änderung*/
-
In
bezug auf die Sollpunktberechnung wird der Modus des Systems auf
die folgende Weise bestimmt. Wenn sich das System im stetigen Zustand
befindet, wird „uraw" als Systemmodus
gesetzt. Wenn sich das System im Rampe-aufwärts-Modus befindet, wird der
Systemmodus wie folgt ausgedrückt:
umod
= oldumod + mup*Ts
-
Wenn
sich das System im Rampe-abwärts-Modus
befindet, wird der Systemmodus wie folgt ausgedrückt:
umod = oldumod – mup*Ts
-
Wenn
keine der obigen Bedingungen erfüllt
wird, wird angenommen, daß sich
das System in einem Filtermodus befindet, wobei umod als alpha =
exp(–wset*Ts)
ausgedrückt
wird, wie auf Seite 9 gezeigt.
umod = (1 – alpha)*uraw + alpha*oldumod
wenn
(oldumod > = uraw)
umod
= max (umod, uraw)
sonst
umod = min (umod, uraw)
Steigung
= (umod – oldumod)/Ts
oldumod
= umod
olduraw = uraw
-
Nachfolgend
ist die Sollwertrechnung formell aufgeführt.
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Sollpunktberechnung
-
- wenn stetiger Zustand
- umod = uraw
- sonst, wenn Rampe aufwärts
- unmod = oldumod + mup*Ts
- sonst, wenn Rampe abwärts
- umod = oldumod – mup*Ts
- sonst/*Filter*/
- unmod = (1 – alpha)*uraw
+ alpha*oldumod
- wenn (oldumod > =
uraw)
- umod = max(umod, uraw)
- sonst
- umod = min(umod, uraw)
- Steigung = (umod – oldumod)/Ts
- oldumod = umod
- olduraw = uraw
-
Was
das Regelgesetz anbetrifft, so folgt nachfolgend eine Beschreibung
auf hohem Niveau in formativen Ausdrücken ohne Bemaßung der
Daten oder Koeffizienten. Die Einzelheiten eines Computerprogrammproduktes,
in das ein Verfahren des Sy stems eingearbeitet ist, bleiben unverändert, mit
Ausnahme der Zugabe des Vorwärtssignales
(Kff*Steigung) in e3. Das e0 des Systems befindet sich noch im umod
minus theta, wobei theta die VCT-Phase wiedergibt. e1 wird ausgedrückt als:
Kp*e0 + Ki*x, wobei im PI-Regelblock x dem Integratorzustand entspricht
und e2 das kompensierte e1 oder die Phasenvoreilkompensation ist.
e3 wird ausgedrückt
als: dcnull – e2
+ Kff*Steigung, wobei das Vorzeichen von e2 von der VCT-System-Hydraulik
abhängig ist.
Der Regelparameter wird durch den folgenden Ausdruck weiter begrenzt:
Regelung
= max(min(e3, dcmax), dcmin) + Zittersignal/*Grenze und Zusatzzittersignal*/
-
Nachfolgend
ist das Regelgesetz formell aufgelistet.
-
Regelgesetz
-
/*
Es folgt eine Beschreibung auf hohem Niveau ohne Bemessung der Daten
oder Koeffizienten. Die Einzelheiten des Algorhithmus bleiben unverändert mit
Ausnahme des Zusatzes des Vorwärtssignales (Kff*Steigung)
in e3. */
| e0
= mod – theta | /*
theta= VCT phase */ |
| e1
= Kp*e0 + Ki*x | /*
PI Regelung, x= Integratorzustand */ |
| e2
= Kompensation(e1) | /*
Phasenvoreilkompensation*/ |
| e3
= dcnull – e2
+ Kff*Steigung | /*
Vorzeichen von e2 hängt
von der Einlaß-
oder Auslaßnockenwelle
ab*/ |
-
Regelung
= max(min(e3, dcmax), decmin) + Zittersignal/* Grenze und Zusatzzittersignal*/
-
3 zeigt
ein verbessertes Regelgesetz 18a der vorliegenden Erfindung
gegenüber
dem Stand der Technik, wie dem Regelgesetz 18 der 1.
Wie in 3 gezeigt, finden der Sollwert 12 und
die Nockenwellenphasenverschiebung .θ016
bei dem Regelgesetz 18a in gleicher Weise wie beim Stand
der Technik Verwendung, wie in 1 gezeigt.
Ein Berechnungsblock 40 führt im wesentlichen die nachfolgend
aufgeführten Funktionen
oder Schritte durch. Das Eingangssignal zum Berechnungsblock 40 ist „uraw". Die Ausgangssignale
sind „umod" und die Steigungsinformation.
umod wird mit der Nockenwellenphasenverschiebung .θ016 summiert. Die Summe wird in e0 ausgedrückt.
Die Summe e0 wird dann einem Phasenintegierglied 42 zugeführt, um
e1 zu bilden. Ein Phasenkompensierglied 44 empfängt e1, verarbeitet dieses und gibt e2 ab.
Bei dem anderen Ausgangssignal des Berechnungsblocks 40 handelt
es sich um die Steigungsinformation, die dem Verstärker Kff zugeführt
und mit e2 summiert wird. Die entstandene
Summe wird als e3 bezeichnet, welche vom Regler
als Wert oder Parameter benutzt wird, um einen physikali schen Gegenstand,
wie das Solenoid 20 der 1, zu regeln.
-
4 ist
eine schematische Darstellung, die teilweise die physikalische Beziehung
der vorhergehenden Figuren zeigt. In 4 ist eine
Null-Position dargestellt. Das Solenoid 20 steht mit dem
Schieberventil 14 in Eingriff, indem es eine erste Kraft
auf ein erstes Ende 13 desselben ausübt. Dieser ersten Kraft wirkt
eine Kraft gleicher Größe entgegen,
die von einer Feder 21 auf ein zweites Ende 17 des
Schieberventils 14 ausgeübt wird, um auf diese Weise
die Nullposition aufrechtzuerhalten. Das Schieberventil 14 besitzt
einen ersten Block 19 und einen zweiten Block 23,
die jeweils einen Strömuingsmitteldurchfluß blockieren.
-
Der
Phasensteller 42 besitzt einen Flügel 58 und ein Gehäuse 57,
das eine Kammer umgibt, welche den Flügel 58 benutzt, um
eine Voreilkammer A und eine Verzögerungskammer R darin abzugrenzen.
Die Kammer ia bildet den Raum, innerhalb der sich der Flügel 58 dreht.
Sie ist in eine Voreilkammer A, die bewirkt, daß sich die Ventile relativ
zur Kurbelwelle früher öffnen, und
eine Verzögerungskammer,
die bewirkt, daß sich die
Ventile relativ zur Kurbelwelle später öffnen, unterteilt.
-
In
typischer Weise sind das Gehäuse
und der Flügel 58 mit
einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) und einer Nockenwelle (ebenfalls
nicht gezeigt) verbunden. Der Flügel 58 kann
sich relativ zum Phasenstellergehäuse bewegen, indem die Strömungsmittelmenge
der Voreil- und Verzögerungskammer
A und R eingestellt wird. Wenn es gewünscht wird, den Flügel 58 zur
Verzögerungsseite
hin zu bewegen, drückt
das Solenoid 20 das Schieberventil 14 aus der
ursprünglichen
Nullposition weiter nach rechts, so daß die Flüssigkeit in der Kammer A entlang
dem Kanal 4 durch den Kanal 8 abgeführt wird.
Das Strömungsmittel
strömt
weiter in einen Außensumpf
(nicht gezeigt) oder steht in Strömungsmittelverbindung mit diesem,
da der Block 19 weiter nach rechts gleitet, so daß diese
Strömungsmittelverbindung
auftreten kann. Gleichzeitig dringt Strömungsmittel von einer Quelle
durch den Kanal 29 und steht über ein Einwegventil 15 in
einer Einweg-Strömungsmittelverbindung
mit dem Kanal 11, so daß auf diese Weise Strömungsmittel über den
Kanal 5 der Kammer R zugeführt wird. Dies ist möglich, da
der weiter nach rechts bewegte Block 23 bewirkt, daß die vorstehend
erwähnte
Einwegströmungsmittelverbindung
auftritt. Wenn die gewünschte
Flügelposition
erreicht ist, wird der Befehl abgegeben, daß sich das Schieberventil nach
links in seine Nullposition bewegt, um auf diese Weise eine neue
Phasenbeziehung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle aufrechtzuerhalten.
Bei dem Strömungsmittel
kann es sich um irgendeine Art eines Betätigungsmittels handeln, das
die Flügel
in mit Flügeln
versehenen Phasenstellern bewegt. Bei dem Betätigungsmittel handelt es sich
typischerweise um Motoröl.
Es können
aber auch andere Arten eines separaten Hydraulikmittels Verwendung
finden. Ein Einwegventil wird auch als Rückschlagventil bezeichnet,
das einen Strömungsmitteldurchfluß nur in
einer Richtung zuläßt.
-
Ein
Flügel
wird als radiales Element definiert, das in einer Kammer untergebracht
ist und auf das ein Betätigungsmittel
einwirkt. Ein mit einem Flügel
versehener Phasen steller ist ein Phasensteller, der durch sich in
Kammern bewegende Flügel
betätigt
wird. Das Steuerventil ist vom Schiebertyp (typischerweise bewegt sich
der Schieber in einer Bohrung und verbindet einen Kanal mit einem
anderen). Desweiteren ist das Schieberventil oft auf der Mittelachse
eines Rotors angeordnet, der den inneren Teil eines Phasenstellers
bildet. Der Rotor ist typischerweise an einer Nockenwelle befestigt.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird die Genauigkeit des VCT-Systems
verbessert. Desweiteren verringert die Erfindung das Überschießen in bezug
auf eine verbesserte Realzeitregelung mit geschlossener Schleife
von physikalischen Gegenständen,
wie einem Solenoid 20. Bei dem Solenoid handelt es sich
typischerweise um ein solches mit veränderlicher Kraft (VFS), dessen
Betätigungskraft üblicherweise
durch eine PWM des Versorgungsstromes variiert werden kann. Ein
solches VFS bildet das Gegenteil von einem EIN/AUS (Alles oder Nichts)-Solenoid.
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In 5 ist
ein Ablaufdiagramm 60 dargestellt, das die vorliegende
Erfindung zeigt. Dieses Ablaufdiagramm 60 ist anwendbar
bei einem VCT-System, das eine Rückkopplungsschleife
zum Regeln eines Phasenstellers oder einer Winkelbeziehung besitzt.
Das System umfaßt
einen Regler, wie beispielsweise eine ECU, die ein Regelgesetz besitzt,
das eine Vielzahl von Sollwerten und eine Vielzahl von Rückkopplungswerten
empfängt.
Das Regelgesetz führt
ein Verfahren durch, das die folgenden Schritte aufweist: Vorsehen
einer Sollwertänderung
(Schritt 62), Bestimmen eines Modus des VCT-Systems unter
einer Gruppe von vier Moden (Schritt 64) und wahlweises
Anlegen eines Filter an die Sollwertänderung (Schritt 66).
Auf diese Weise wird ein durch die Sollwertänderung verursachtes Überschießen reduziert.
Das Verfahren umfaßt
ferner das Berechnen eines Vorwärts-
bzw. Voreilsignales (Schritt 68).
-
Zur
Verwirklichung der Erfindung kann ein Programmprodukt zur Verwendung
mit einem Computersystem vorgesehen werden, um beispielsweise die
Funktionen der in Figur gezeigten und vorstehend beschriebenen Schemata
zu verwirklichen. Das Programm bzw. die Programme des Programmproduktes
definieren Funktionen der entsprechenden Ausführungsformen (einschließlich der
vorstehend in Verbindung mit informellen Darstellungen beschriebenen
Verfahren) und können
auf einer Vielzahl von Signalträgermedien angeordnet
sein. Beispielhafte Signalträgermedien
sind ohne jegliche Beschränkung:
(i) Informationen, die permanent auf programmierbaren, in Schaltungen
enthaltenen Vorrichtungen, wie PROM, EPPOM, etc., gespeichert sind;
(ii) Informationen, die permanent auf nichtbeschreibbaren Speichermedien
gespeichert sind (d.h. ROMs in einem Computer, wie CD-ROMs, die
von einem CD-ROM-Antrieb lesbar sind); (iii) veränderbare Informationen, die
auf beschreibbaren Speichermedien gespeichert sind (d.h. Floppy
Disks in einem Diskettenantrieb oder Hartplattenantrieb); (iv) Informationen,
die über
Kommunikationsmedien, wie beispielsweise einen Computer oder ein
Telefonnetz, einschließlich
einer drahtlosen Kommunikation, einem Computer oder einer Fahrzeugsteuereinheit
eines Kraftfahrzeuges zugeführt
werden. Einige Ausführungsformen
umfassen speziell Informationen, die aus dem Internet und anderen
Netzwerken heruntergeladen werden. Derartige Signalträger medien
stellen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar, wenn sie computerlesbare Instruktionen
tragen, die sich auf die Funktionen der vorliegenden Erfindung beziehen.
-
Generell
können
die Programme, die zur Verwirklichung der Ausführungsformen der Erfindung
durchgeführt
werden, ob nun als Teil eines Betriebssystems oder eines speziellen
Anwendungsfalls, einer Komponente, eines Programms, eines Moduls,
einer Zielsetzung oder Sequenz von Instruktionen, als „Programm" bezeichnet werden.
Ein Computerprogramm umfaßt
typischerweise eine Vielzahl von Befehlen, die von einem örtlichen
Computer in ein maschinenlesbares Format und somit in ausführbare Befehle übersetzt
werden. Ferner umfassen Programme Strukturen von Variablen und Daten,
die entweder örtlich
zum Programm gehören oder
sich in einem Speicher oder auf Speichervorrichtungen befinden.
Desweiteren können
diverse Programme auf Basis der jeweiligen speziellen Ausführungsformen
der Erfindung umfaßt
werden.
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Ein
VCT-System umfaßt
typischerweise einen Phasensteller, ein Regelventil bzw. Regelventile,
einen Regelventilaktuator oder Regelventilaktuatoren und eine Regelschaltung.
Ein Sollwert ist ein Wert aus einem Satz von Werten, die von einer
Steuer- bzw. Regeleinheit, beispielsweise einer ECU, ermittelt werden.