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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme zur variablen Nockenwellensteuerung
(VCT-Systeme). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Kompensieren eines VCT-Phasenstellerfehlers über den Drehzahlbereich.
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Die
Betrachtung von Informationen der nachfolgenden amerikanischen Patente,
die alle durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingearbeitet
werden, ist für
die Untersuchung des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung von
Nutzen.
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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
Hydraulikdurchflusselementen aufweist, um wahlweise ein Hydraulikmittel
von einem der Zylinder zum anderen oder umgekehrt zu übertragen
und auf diese Weise die Umfangsposition einer Nockenwelle relativ
zu einer Kurbelwelle zu beschleunigen oder zu verzögern. Das
entsprechende Steuersystem benutzt ein Steuerventil, in dem die
Abgabe von Hydraulikmittel von dem einen oder dem anderen der entgegengesetzt
wirkenden Zylinder durch Bewegung eines Ven tilschiebers innerhalb
des Ventils in der einen oder anderen Richtung von dessen Nullposition
aus ermöglicht
wird. Die Bewegung des Ventilschiebers tritt in Abhängigkeit
von einem Ansteigen oder Abfallen des hydraulischen Steuerdrucks
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 aus einer hierauf einwirkenden Druckfeder resultiert,
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 besitzt,
der die entgegengesetzt wirkenden Zylinder der vorstehend beschriebenen
US-PS 5 002 023 ersetzt.
Der Flügel
kann sich relativ zum Gehäuse
hin- und herbewegen,
wobei geeignete hydraulische Durchflusselemente Hydraulikmittel
im Gehäuse
an einer Seite einer Ausbauchung zur anderen oder umgekehrt übertragen,
um auf diese Weise den Flügel
relativ zum Gehäuse
in der einen oder anderen Richtung zu bewegen, wobei hierdurch die
Position der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle beschleunigt oder
verzögert
wird. Das Steuersystem dieses VCT-Systems ist mit dem der
US-PS 5 002 023 identisch,
wobei die gleiche Art von Steuerventil Verwendung findet, das auf
die gleiche Art von darauf 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 beschriebenen
Arten von VCT-Systemen, die durch den Versuch hervorgerufen werden,
die gegen ein Ende des Ventilschiebers wirkende hydrau lische Kraft
und die gegen das andere Ende ausgeübte mechanische Kraft auszugleichen.
Das in beiden US-PS'en
5 172 659 und 5 184 578 offenbarte verbesserte Steuersystem macht
von einer hydraulischen Kraft Gebrauch, die auf beide Enden des
Ventilschiebers einwirkt. Dabei resultiert die auf ein Ende einwirkende
hydraulische Kraft aus dem von der Motorölgalerie unter vollem Hydraulikdruck
PS direkt aufgebrachten Hydraulikmittel.
Die auf das andere Ende des Ventilschiebers einwirkende hydraulische
Kraft stammt aus einem Hydraulikzylinder oder einem anderen Kraftvervielfacher,
der in Abhängigkeit
vom Systemhydraulikmittel unter reduziertem Druck PC von
einem PWM-Solenoid hierauf 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 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, das von einer hydraulischen PWM-Ventilschieberpositionssteuerung
und einem verbesserten Steueralgorithmus Gebrauch macht, der 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 nichtoszillierenden Drehung. Die Nockenwelle besitzt ferner
eine von einem Steuerriemen angetriebene Riemenscheibe, die sich
zusammen mit der Nockenwelle drehen kann, jedoch zu dieser hin-
und herbewegbar ist. Der Flügel
besitzt gegenüberlie gende
Ausbauchungen, die in gegenüberliegenden
Ausnehmungen der Riemenscheibe aufgenommen sind. Die Nockenwelle
neigt dazu, infolge von Drehmomentimpulsen, die sie während ihres
Normalbetriebes erfährt,
ihre Reaktion zu verändern,
und kann durch wahlweises Blockieren oder Ermöglichen des Durchflusses von
Motoröl
von den Ausnehmungen durch Steuern der Position eines Ventilschiebers
in einem Ventilgehäuse
eines Steuerventils in Abhängigkeit
von einem Signal von einer Motorsteuereinheit beschleunigt oder
verzögert
werden. Der Ventilschieber wird durch Einrichtungen zur Überführung einer
Drehbewegung in eine lineare Bewegung, die von einem Elektromotor,
vorzugsweise vom Schrittmotortyp, gedreht werden, in eine vorgegebene
Richtung gedrückt.
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Die
US-PS 5 497 738 beschreibt
ein Steuersystem, das die auf ein Ende eines Ventilschiebers einwirkende
hydraulische Kraft, die aus dem direkt aufgebrachten Hydraulikmittel
von der Motorölgalerie unter
vollem Hydraulikdruck P
S resultiert und
von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des VCT-Systems
eingesetzt wird, eliminiert. Die auf das andere Ende des entlüfteten Ventilschiebers
einwirkende Kraft resultiert aus einer elektromagnetischen Betätigungseinheit,
vorzugsweise vom Typ eines Solenoides mit veränderlicher Kraft, die direkt
auf den entlüfteten
Ventilschieber in Abhängigkeit
von einem elektronischen Signal einwirkt, das von einer Motorsteuereinheit
(ECU) abgegeben wird, die diverse Motorparameter überwacht.
Die ECU empfängt
Signale von Sensoren, die den Positionen der Nockenwelle und Kurbelwelle
entsprechen, und benutzt diese Information, um einen relativen Phasenwinkel
zu berechnen. Ein Rückkopplungssystem
mit geschlossener Schleife, das jedwe den Phasenwinkelfehler korrigiert,
findet vorzugsweise Verwendung. Durch die Verwendung eines Solenoides
mit veränderlicher Kraft
wird das Problem eines trägen
dynamischen Ansprechverhaltens gelöst. Eine solche Vorrichtung kann
so ausgebildet sein, dass sie so schnell wie das mechanische Ansprechverhalten
des Steuerventils reagiert, insbesondere viel schneller als das
herkömmliche
(vollständig
hydraulische) Differenzdrucksteuersystem. Durch das schnellere Ansprechverhalten
lässt sich
eine verbesserte Verstärkung
der geschlossenen Schleife erzielen, wodurch das System weniger
empfindlich wird gegenüber
Bauteiltoleranzen und der Betriebsumgebung.
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Des
weiteren ist es bekannt, eine Schleife mit negativer Rückkopplung
zum Regeln von Systemen zur variablen Nockenwellensteuerung (VCT)
zu verwenden. Die
US-PS 5 289
805 beschreibt ein verbessertes Rückkopplungssystem mit geschlossener Schleife
für ein
VCT-System. Das gleiche Patent lehrt ferner ein robustes Regelgesetz,
das im Rückkopplungssystem
mit geschlossener Schleife für
das VCT-System Verwendung findet. Das Regelgesetz besitzt einen
Phasenintegrations(PI)-Block und einen Phasenvoreilblock. Die
1 und
1A zeigen
die Rückkopplungsschleife
und das Regelgesetz.
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In 1 ist
eine Rückkopplungsschleife 10 des
Standes der Technik dargestellt. Ziel dieser Rückkopplungsschleife 10 ist
es, den VCT-Phasensteller in der korrekten Phase (Sollwert 12)
zu haben und den Änderungswert
der Phase auf Null zu stellen. In diesem Zustand befindet sich das
Steuerventil 14 in seiner Nullposition, und es strömt kein Strömungsmittel
zwischen den beiden Strömungsmittelhaltekammern
eines Phasenstellers (nicht gezeigt). Ein Computerprogrammprodukt,
das den dynamischen Zustand des VCT-Mechanismus benutzt, findet
Verwendung, um den obigen Zustand zu erreichen.
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Der
VCT-Regelmechanismus mit geschlossener Schleife wird erreicht, indem
eine Nockenwellenphasenverschiebung. θ0 16 gemessen
und mit dem gewünschten
Sollwert 12 verglichen wird. Der VCT-Mechanismus wird dann
so eingestellt, dass der Phasensteller eine Position erreicht, die
vom Sollwert 12 vorgegeben wird. Ein Regelgesetz 18 vergleicht den
Sollwert 12 mit der Phasenverschiebung θ0 16. Das
Vergleichsergebnis findet als Referenzwert Verwendung, um Befehle
an ein Solenoid 20 abzugeben, um das Steuerventil 14 zu
positionieren. Diese Positionierung des Steuerventils 14 geschieht,
wenn der Phasenfehler (die Differenz zwischen dem Sollwert 12 und
der Phasenverschiebung θ0 16) ungleich Null ist.
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Das
Steuerventil 14 wird in eine erste Richtung (d.h. nach
rechts) bewegt, wenn der Phasenfehler positiv ist (Verzögerung),
und in eine zweite Richtung (d.h. nach links), wenn der Phasenfehler
negativ ist (Beschleunigung). Wenn der Phasenfehler Null ist, entspricht
die VCT-Phase dem Sollwert 12, so dass das Steuerventil 14 in
der Nullposition gehalten wird und kein Strömungsmittel im Steuerventil
strömt.
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Die
Nockenwellen- und Kurbelwellenmessimpulse im VCT-System werden von
Nockenwellen- und Kurbelwellenimpulsrädern 22 und 24 erzeugt. Wenn
sich die Kurbelwelle (nicht gezeigt) und Nockenwelle (ebenfalls
nicht gezeigt) drehen, drehen sich die Räder 22, 24 hiermit.
Die Räder 22, 24 besitzen
Zähne,
die von Sensoren 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 die Zeit von aufeinanderfolgenden Kurbelwellen-Nockenwellen-Impulsen
geteilt durch die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Kurbelwellenimpulsen
und multipliziert mit der Winkeldistanz entsprechend den aufeinanderfolgenden
Kurbelwellenimpulsen (in Grad) definiert. Mit anderen Worten, die
Winkelpositionsdifferenz wird auf den Unterschied zwischen der Nockenwelle
und der Kurbelwelle bezogen. Die gemessene Phasendifferenz kann
als θ0 16 ausgedrückt werden. Diese Phasendifferenz
wird dann dem Regelgesetz 18 zugeführt, um die gewünschte Ventilschieberposition
zu erhalten.
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Ein
Regelgesetz
18 der geschlossenen Schleife
10 ist
in der
US-PS 5 184 578 beschrieben und
wird hiermit in die vorliegende Offenbarung eingearbeitet (siehe
die
1 und
1A). Eine vereinfachte Darstellung
des Regelgesetzes ist in
1A gezeigt.
Die gemessene Phase
26 wird anfangs im Block
30 dem
Regelgesetz
18 ausgesetzt, wobei ein Proportional-Integral(PI)-Prozess
auftritt. Ein typischer PI-Prozess lässt sich in zwei Unterprozesse unterteilen.
Der erste Unterprozess umfasst einen Verstärkungsvorgang, wäh-rend der
zweite Unterprozess einen Integrationsvorgang aufweist.
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Die
gemessene VCT-Phase wird des weiteren einer Phasenkompensation im
Block 32 unterzogen.
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Was
den Phasenkompensator 32 anbetrifft, so ist es infolge
von Phasenmessänderungen über den
Drehzahlbereich der für
die variable Nockensteuerung (VCT) verwendeten Motoren wünschenswert,
ein Verfahren zu besitzen, das zum automatischen Einstellen der
Phasenmessveränderung
geeignet ist. Ferner ist es aufgrund der zum Abtasten verwendeten
Sensoren mit variabler Reluktanz erforderlich, in dem Verfahren
eine Vorgehensweise zum Kompensieren einer unerwünschten fehlerhaften Phasenverschiebung
zu verwirklichen. Auf der Basis von Untersuchungen hat es sich gezeigt,
dass bei einer Motordrehzahl von 500 bis 6.000 UpM die Phasenverschiebung
von 8° bis
zu 1° in
bezug auf die Kurbelwellenposition reichen kann. Ferner ändert sich
die Größe der Phasenverschiebung
von Phasensteller zu Phasensteller, so dass eine feste Tabelle im
Verfahren nur einen Durchschnittswert des Fehlers bildet. Es ist
daher wünschenswert,
ein Verfahren zur automatischen Verwirklichung einer Phasenkompensation
bei verschiedenartigen Motordrehzahlen, wie beispielsweise einen
Satz von vorgegebenen Korrekturwerten, die zur Verwendung in einer Motorsteuereinheit
(ECU) gespeichert sind, zu besitzen.
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In
der JP-A-11082073 ist ein System zur variablen Nockensteuerung beschrieben,
das die Nockenwellen/Kurbelwellenphasendifferenz unter Verwendung
einer Schautabelle, die Lernwerte einer Position maximaler Verzögerung aufzeichnet,
welche von der vorhandenen Nockenwellen/Kurbelwellenphasendifferenz,
die aus den Kurbelwellen- und Nockenwellenpha senimpulssignalen ermittelt
wird, abgezogen werden, steuert. Die Lernwerte werden für den gesamten
Bereich der Motorbetriebsdrehzahlen erstellt und aufgezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird ein
Kompensationsverfahren für
die variable Nockenwellensteuerung einer Brennkraftmaschine mit
mindestens einem Phasensteller für
die variable Nockensteuerung zur Einstellung einer Phase zwischen
einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle, einem periodischen Kurbelwellenimpulssignal
und einem periodischen Nockenwellenimpulssignal vorgesehen, das
die folgenden Schritte umfasst:
- a) Aufbau eins
Satzes von Testpunkten durch die Schritte:
- i) Einstellen des Motors auf eine ausgewählte UpM-Zahl;
- ii) Befehlen des Phasenstellers in eine bekannte Phasenposition;
- iii) Berechnen der gemessenen Phase aus dem Kurbelwellenimpulssignal
und dem Nockenwellenimpulssignal;
- iv) Berechnen des Zphase-Versatzes zwischen der bekannten Phasenposition
und der gemessenen Phasenposition;
- v) Speichern des Zphase-Versatzes für die ausgewählte UpM-Zahl;
- vi) Wiederholen der Schritte (i) bis (v) für einen Bereich von UpM-Werten;
- b) Bestimmen eines Segmentes des Satzes von Testpunkten, in
dem die Brennkraftmaschinendrehzahl die flüchtigste Änderung auf die Zphase-Werte
induziert;
- c) Interpolieren einer Vielzahl von Zphase-Werten zwischen den
in Schritt (b) im Segment gespeicherten Zphase-Werten; und
- d) Verwenden der gespeicherten Zphase-Werte aus den Schritten
(a) bis (c) zum Korrigieren der gemessenen Phase zum Reduzieren
des Nockenwellenpositionsmessfehlers während des normalen Betriebes
der Brennkraftmaschine.
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Es
folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnung. Hiervon zeigen:
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1 eine
Regelschleife des Standes der Technik;
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1A einen
Abschnitt der 1 in größeren Einzelheiten;
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2 ein
Timing-Diagramm, das die Beziehung zwi schen einer Sequenz von Kurbelwellenimpulsen
und Nockenwellenimpulsen zeigt;
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3 das
Timing-Diagramm der 2 in einer detaillierteren Form;
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4 ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen Zphase-Werten und der Motordrehzahl
wiedergibt; und
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5 ein
Ablaufdiagramm der Erfindung.
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Die 2–5 zeigen
ein generalisiertes Verfahren, das die vorliegende Erfindung verkörpert. In 2 ist
die Impulsbeziehung 60 zwischen einer Sequenz von periodischen
Kurbelwellenimpulsen 62 und einer Sequenz von periodischen
Nockenwellenimpulsen 64 gezeigt. Die Kurbelwellenimpulse 62 besitzen
eine Periode T, die als die Zeit zwischen den fallenden Kanten von
benachbarten Impulsen definiert wird. Die Zeit zwischen der fallenden
Kante 66 eines Nockenwellenimpulses und einer vorhergehenden
fallenden Kante 68 eines Kurbelwellenimpulses 62 wird
als ΔT bezeichnet.
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Ein
VCT-Phasenberechnungsverfahren ist nachfolgend wiedergegeben: Phase = (ΔT/T·Kurbelwinkel)-Zphaseworin
bedeuten:
Phase die Phase in Grad bezogen auf die Kurbelwellenposition.
ΔT die Zeit
von einer fallenden Kante des Kurbelwellenzahnsignals 68 bis
zur nächsten
fallenden Kante 66 des Nockenwellenzahnsignals, wobei die
Zeit in μsec
oder Teil-μsec
gemessen wird. T die Zeit zwischen zwei anwendbaren aufeinanderfolgenden
Kurbelwellenzähnensignalen
(fallende Kanten), wobei die Zeit in μsec oder Teil-μsec gemessen
wird. T ist immer größer als ΔT.
Kurbelwinkel
= 360/Anzahl der anwendbaren Kurbelwellenzähne mit gleichem Abstand.
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Beispiele:
Für 2 Kurbelwellenzähne beträgt der Kurbelwinkel
180°. Für 3 Kurbelwellenzähne beträgt der Kurbelwinkel
120°. Für 4 Kurbelwellenzähne beträgt der Kurbelwinkel
90°. Zphase
oder Nullphase ist ein laufzeitberechneter Versatzwert. Die Kalibrierung
kann durch einen Operator oder getriggerte Software durchgeführt werden.
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Die
Anzahl der Zähne
am Nockenwellensensor muss doppelt so groß sein wie die Anzahl der „Messzähne" am Kurbelwellensensorrad.
Es können mehr
Zähne am
Kurbelwellensensorrad als „Messzähne" vorhanden sein.
Die Zahl der Zähne
am Kurbelwellenrad muss jedoch einen integralen Faktor darstellen.
Beispielsweise kann ein Kurbelwellensensor 36 tatsächliche
Zähne besitzen,
wobei 4 davon „Messzähne" sind. Mit anderen
Worten, eine Phasenmessung kann in Soft-ware jeden 9ten Zahn initiiert
werden, d.h. 36/9 = 4. Dies ist das gleiche, als wenn das Kurbelwellensensorrad
nur 4 Zähne
hätte, so
dass dieses Verfahren mit einem Nockenwellensensorrad mit 8 Zähnen gut
arbeitet.
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Der
Zphase-Wert ist die berechnete Phase aus der obigen Gleichung. Durch
das Substituieren von 0 für
Zphase und Anordnung des Phasenstellers in einer anbefohlenen Kantenposition
(beispielsweise volle Beschleunigung) können Zphase-Werte erhalten
werden. Zphase ist letztendlich ein Maß für die Nockenwellensensorradausrichtung
relativ zum Kurbelwellensensorrad.
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Das
Zphase-Kalibrierungsverfahren stellt sicher, dass mathematisch das
Nockenwellenzahnsignal (oder Impulse 64) nach dem Kurbelwellensignal (oder
Impuls 62) und innerhalb des Fensters (oder Zeitsegmentes),
das vom ersten und zweiten Kurbelwellenzahnsignal 68, 70 vorgesehen
wird, auftritt. Das Ergebnis dieses Kalibrierungsvorganges wird von
der berechneten Phase abgezogen, wie vorstehend ge-zeigt, so dass
mathematisch die Phasenmessung zwischen zwei geeigneten Kurbelwellenzahnsignalen
auftritt. Um eine ge-naue Phasenbeziehung zwischen der Kurbelwelle
und Nocken-welle in einem VCT-System aufrechtzuerhalten, muss ein ausreichend
genauer Zphase-Wert bei einer speziellen Motordrehzahl von einer
Steuereinheit, wie der ECU, bekannt sein. Wenn Zphase nicht bei
der Phasenberechnung verwendet wird, kann die Phasenmessung eine „Überschneidungs"-Situation aufweisen,
bei der ein Nockenwellenzahnsignal (oder Impuls 66) das
zweite Kurbelwellenzahnsignal (oder Impuls 70) kreuzt.
Wenn dies auftritt, „rollt" die Phasenmessung von
einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert in Grad über. Dieses „Überrollen" ist nicht erwünscht, da
hierdurch die Genauigkeit der Messung offensichtlich beeinträchtigt wird.
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Wie
in 3 gezeigt, ist für jeden Nockenimpuls, wie den
Impuls 66, das Phasenstellermaß nur innerhalb eines Bereiches
genau, der bei einer Position voller Beschleunigung beginnt und
bei einer Position voller Verzögerung
endet. Die gestrichelten Linien der Impulse 66 und die
Pfeile daran kennzeichnen die Bewegung des Impulses 66.
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Um
genaue Messungen zu erhalten, muss der Bewegungsbereich für den Impuls 66 innerhalb der
in 3 gezeigten vollständigen Beschleunigungsposition
und vollständigen
Verzögerungsposition
liegen.
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Die
Zphase-Kalibrierung wird durchgeführt, indem sowohl die Einlass-
als auch die Auslassnockenwellensolenoideingangssignale über eine
vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise von 3 Sekunden, auf 0 gesetzt
werden. Beispielsweise wird ein Auslassnockenwellenphasensteller
bis zur Position der vollständigen
Beschleunigung bewegt, während
der Einlassnockenwellenphasensteller bis zur Position der vollständigen Verzögerung bewegt
wird. Mit Hilfe des 3 Sekunden-Beispieles werden nach 2 sec oder
während
der verbleibenden 1 sec kontinuierliche Phasenmessungen durchgeführt, wobei
der niedrigste Wert für
jeden Phasensteller genommen wird.
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Für die Auslassnockenwellen
wird ein geringer Bereich des Wertes, wie 2,5° bis 5°, subtrahiert, und die Messung
wird zu den Auslassnockenwellen-Zphase-Werten. Für die Einlass nockenwelle wird ein
größerer Bereichswert,
wie 57,5° bis
60,0°, der dem
vollständigen
Bewegungsbereich der entsprechenden Phasensteller entspricht, subtrahiert,
und diese Werte werden zu den Einlassnockenwellen-Zphase-Werten.
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Um
die Sensorsignalverzögerung über den Drehzahlbereich
zu kompensieren, ist es erforderlich, diverse Zphase-Werte bei unterschiedlichen UpM-Bereichen
abzugreifen. Diese Zphase-Werte müssen für eine Steuereinheit
bekannt sein. Beispielsweise können
die Werte in einem EEPROM-Speicher in der Mikrosteuereinheit gespeichert
werden, wenn die VCT-Einheiten
gesteuert werden. Dies wird erreicht, indem man den Motor über einen
Drehzahlbereich von beispielsweise 500 bis 6.000 UpM laufen lässt. Die
Steuereinheit muss jede 500 UpM-Schwelle oder jeden entsprechenden Schritt
erkennen (es ist zulässig,
eine gewisse Toleranz, wie beispielsweise eine solche von 25 UpM,
zu haben), und berechnet Zphase an diesem Punkt für jeden
Phasensteller. Der Zphase-Wert für
jeden Phasensteller wird dann für
die nachfolgende Verwendung durch die Steuereinheit zugänglich gemacht.
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Nachdem
die Zphase-Werte für
sämtliche Drehzahlbereiche
erhalten worden sind, wird das Verfahren auf seine normale Weise
durchgeführt, d.h.
ohne Zphase-Korrekturen. Das Verfahren kann in eine Steuer-Software
eingebettet werden, die von einer Steuereinheit, wie einer Motorsteuereinheit, verwendet
werden kann. Die gewonnenen Zphase-Werte oder Punkte werden zwischen
den 500 UpM-Schwellenwerten über
den 500 bis 6.000 UpM-Bereich interpoliert. Diese interpolierten
Werte werden verwendet, wenn die Phasenmessung von eine Steuereinheit,
wie der ECU, berechnet wird.
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In 4 zeigt
ein Diagramm 90 die Beziehung zwischen der Motorkurbelwellendrehzahl
und dem Zphase-Wert. Eine Reihe von Testpunkten ist auf der Kurve 92 dargestellt.
Beispielsweise kann der Punkt 94 die Kurbelwellendrehzahl
bei 500 UpM mit einem entsprechenden Zphase-Wert wiedergeben. Wie
man erkennen kann, tritt die Veränderung
der Zphase-Werte
nur an einem Segment der Kurve 92 auf, d.h. dem niedrigen
Motordrehzahlbereich. Diese Punkte, die im Dia-gramm 90 gezeigt
sind, werden für
die Zphase-Kalibrierung verwendet, und für die Werte zwischen den Punkten
findet ein Interpolationsverfahren Anwendung. Die den Punkten entsprechenden
Werte können
in einem nichtflüchtigen
Speicher, wie einem ROM oder EEPROM, für die zukünftige Verwendung gespeichert
werden. Des weiteren können
die gewonnenen Werte von der Steuereinheit, wie der ECU, inter-poliert
werden. Bei höheren Drehzahlen
bleiben die Zphase-Werte relativ stabil, so dass somit weniger Punkte
erfor-derlich sind.
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In 5 ist
ein Ablaufdiagramm 100 zum Berechnen des Zphase-Wertes
gezeigt. Es wird ein periodisches Kurbelwellenimpulssignal vorgesehen (Schritt 102).
Des weiteren wird ein periodisches Nockenwellenimpulssignal vorgesehen
(Schritt 104). Ein flüchtiger
Bereich der Motordrehzahl in Relation zur Zphase wird ermittelt
(Schritt 106). Dieser Bereich ist flüchtig, da sich die Zphase-Punkt-Werte hierin
in Relation zu Motordrehzahländerungen
(in UpM) relativ stärker ändern als
in anderen Drehzahlbereichen. Außerhalb des flüchtigen
Bereiches ist die Änderung
nicht so signifikant, und die Zphase-Werte hierin können als
im wesentlichen konstant angesehen werden. Das Segment der Motor-UpM entspricht dem
Bereich der Motordrehzahl. Der flüchtige Bereich wird des weiteren
in Untersegmente unterteilt, und es werden Zphase-Werte unter Anwendung
des Interpolationsverfahrens berechnet (Schritt 108). Die entstandenen
Zphase-Werte werden in einer Speichervorrichtung gespei-chert (Schritt 110).
Die Speichervorrichtung besitzt einen EEPROM, ROM, eine CD oder
irgendeine geeignete Vorrichtung zum Speichern der Werte. Die gespeicherten
Zphase-Werte werden dann zur Verwendung während der normalen Durchführung der
Motoroperationen rückgewonnen.
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Für unterschiedliche
Arten von Motoren oder unterschiedliche Produktionsmengen von Motoren können die
Zphase-Werte variieren. Daher trägt
die Anwendung des vorliegenden Kalibrierungsverfahrens dazu bei,
veränderliche
Nockenwellenzeitfehler zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung finden Sensoren mit variabler Reluktanz
(VR) Verwendung. Mit anderen Worten, die Sensoren 22a und 24a sind
VR-Sensoren. Um Systeme zur variablen Nockenwellensteuerung zu regeln,
muss die Position der Nockenwellen relativ zur Kurbelwelle gemessen
werden. Bei VCT-Systemen mit hoher Genauigkeit muss auch diese Position
mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Beispielsweise kann es bei
einem Anwendungsfall erforderlich sein, die Nockenwellenposition
innerhalb von 2° der gewünschten
Position über
den größten Teil
des Betriebsbereiches zu regeln. Hierbei handelt es sich um den
gesamten zulässigen
Fehler. Die Bauteile, die den größten Fehler
im Regelsystem verursachen, können
die Nockenwellen- und Kurbelwellenpositionssensoren sein. Daher
betrifft die erfindungsgemäße Lehre
die Verwendung von Sensoren mit variabler Reluktanz und die Reduzie rung
von deren Fehlern bei niedrigen Motordrehzahlen. Bei einem Versuch reicht
der Bereich der Motordrehzahlen von etwa 500 bis 3.000 UpM.
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Für VR-Sensoren
können
diverse Faktoren die Messgenauigkeit beeinflussen. Hierzu zählen: der
Luftspalt, die Drehzahl, die Sensorradcharakteristiken und das Material
sowie die Dicke des Armes, an dem der VR-Sensor montiert ist. Diese
Bauteile können
zu Schwankungen in der Messung führen. Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Kompensieren der vorstehend
genannten Schwankungen oder Faktoren vor, so dass auf diese Weise billige
VR-Sensoren anstelle von teureren Sensoren, wie Hall-Effekt-Sensoren
oder magneto-resistiven Sensoren, verwendet werden können, um
Nockenwellenpositionsmessungen mit hoher Genauigkeit zu erzielen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren oder einen Prozess,
das bzw. der den Schritt der Verwendung der Zphase-Werte zum Reduzieren
des Nockenwellenpositionsmessfehlers während des normalen Motorbetriebes
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch in einem Differenzdrucksteuersystem
(DPCS) eingearbeitet werden, das in einem System zur variablen Nockenwellensteuerung
(VCT) vorhanden ist. Dieses DPCS-System besitzt ein EIN/AUS-Solenoid,
das auf ein Strömungsmittel,
wie Motoröl,
einwirkt, um die Position von mindestens einem Flügel zu steuern, der
sich in einem Hohlraum hin- und herbewegt, und um auf diese Weise
eine gewünschte
Relativlage zwischen der Nockenwelle und einer Kurbelwelle zu erreichen.
Dabei ist das EIN/AUS- Solenoid
des DPCS-Systems kein Solenoid mit veränderlicher Kraft.
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Nachfolgend
werden Begriffe und Konzepte erläutert,
die die vorliegende Erfindung betreffen.
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Hydraulikmittel oder Strömungsmittel
handelt es sich um Betätigungsströmungsmittel.
Ein Betätigungsströmungsmittel
ist ein Strömungsmittel,
das die Flügel
in einem mit Flügeln
versehenen Phasensteller bewegt. Typischerweise umfasst das Betätigungsströmungsmittel Motoröl, wobei
es sich jedoch auch um ein separates Hydraulikmittel handeln kann.
Das VCT-System der vorliegenden Erfindung kann ein nockenwellendrehmomentbetätigtes (CTA)
VCT-System sein, in dem ein VCT-System Verwendung findet, das die
Drehmomentumkehr einer Nockenwelle, die durch die Öffnungs-
und Schließkräfte für die Motorventile
verursacht wird, zur Bewegung des Flügels benutzt. Das Steuerventil
in einem CTA-System ermöglicht
einen Strömungsmitteldurchfluss
von einer Beschleunigungskammer zu einer Verzögerungskammer, so dass sich
der Flügel
bewegen kann, oder stoppt den Durchfluss, so dass der Flügel fixiert
wird. Der CTA-Phasensteller kann ferner eine Ölzufuhr aufweisen, um Leckageverluste
zu ergänzen,
benutzt jedoch nicht den Motoröldruck
zur Bewegung des Phasenstellers. Ein Flügel ist ein radiales Element,
das auf ein in einer Kammer angeordnetes Strömungsmittel einwirkt. Ein mit
einem Flügel
versehener Phasensteller ist ein Phasensteller, der durch sich in Kammern
bewegende Flügel
betätigt
wird.
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Es
können
eine oder mehrere Nockenwellen pro Motor vorgesehen sein. Die Nockenwelle
kann von einem Riemen, einer Kette, Zahnrädern oder einer anderen Nockenwelle
angetrieben werden. Auf einer Nockenwelle können Nocken bzw. Ausbauchungen
vorhanden sein, um auf Ventile einen Druck auszuüben. Bei einem Motor mit mehreren
Nockenwellen ist meistens eine Nockenwelle für die Auslassventile und eine
Nockenwelle für
die Einlassventile vorgesehen. Ein „V"-Motor besitzt üblicherweise zwei Nockenwellen
(eine für
jede Reihe) oder vier Nockenwellen (Einlass- und Auslassnockenwelle
für jede Reihe).
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Eine
Kammer ist als Raum definiert, in dem sich der Flügel dreht.
Die Kammer kann in eine Beschleunigungskammer (die bewirkt, dass
sich die Ventile relativ zur Kurbelwelle früher öffnen) und eine Verzögerungskammer
(die bewirkt, dass sich Ventile relativ zur Kurbelwelle später öffnen) unterteilt
werden. Ein Rückschlagventil
ist ein Ventil, das einen Strömungsmitteldurchfluss
nur in einer Richtung zulässt.
Eine geschlossene Schleife ist ein Regelsystem, das eine Eigenschaft
in Abhängigkeit
von einer anderen verändert,
dann überprüft, ob die Änderung korrekt
durchgeführt
wurde, und den Vorgang so einstellt, dass das gewünschte Ergebnis
erreicht wird (d.h. ein Ventil bewegt, um die Phasenstellerposition in
Abhängigkeit
von einem Befehl von der ECU zu verändern, dann die tatsächliche
Phasenstellerposition überprüft und das
Ventil wiederum bewegt, um die Position zu korrigieren). Ein Steuerventil
ist ein Ventil, das den Durchfluss des Strömungsmittels zum Phasensteller
steuert. Ein Steuersystem kann im Phasensteller im CTA-System vorhanden
sein. Es kann durch Öldruck
oder ein So lenoid betätigt
werden. Eine Kurbelwelle nimmt die Kraft von den Kolben auf und
treibt das Getriebe und die Nockenwelle an. Als Schieberventil wird
ein Steuerventil vom Schiebertyp bezeichnet. Typischerweise gleitet
der Schieber in einer Bohrung und verbindet einen Kanal mit einem
anderen Kanal. Oft ist der Schieber auf der Mittelachse des Rotors
eines Phasenstellers angeordnet.
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Ein
Differenzdrucksteuersystem (DPCS) ist ein System zum Bewegen eines
Schieberventils, das den auf jedes Ende des Schiebers einwirkenden
Betätigungsströmungsmitteldruck
benutzt. Ein Ende des Schiebers ist größer als das andere, und das
auf dieses Ende einwirkende Strömungsmittel
wird gesteuert (üblicherweise über ein
pulsbreitenmoduliertes Ventil (PWM), das auf den Öldruck einwirkt),
während
der volle Versorgungsdruck dem anderen Ende des Schiebers zugeführt wird
(daher Differenzdruck). Bei einer Ventilsteuereinheit (VCU) handelt
es sich um eine Steuerschaltung zum Steuern des VCT-Systems. Typischerweise
agiert die VCU in Abhängigkeit von
Befehlen von der ECU.
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Eine
angetriebene Welle ist irgendeine Welle, die Kraft (im VCT oft die
Nockenwelle) empfängt. Eine
Antriebswelle ist eine Welle, die Kraft abgibt (im VCT oft die Kurbelwelle,
wobei jedoch auch eine Nockenwelle von einer anderen Nockenwelle
angetrieben werden kann). Eine ECU ist eine Motorsteuereinheit,
bei der es sich um den Computer des Fahrzeuges handelt. Motoröl ist das
zum Schmieren des Motors verwendete Öl, wobei der Druck hiervon
abgezapft werden kann, um den Phasensteller über das Steuerventil zu betätigen.
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Als
Gehäuse
wird der äußere Teil
des mit Kammern versehenen Phasenstellers definiert. Bei der Außenseite
des Gehäuses
kann es sich um eine Riemenscheibe (für einen Steuerriemen), um ein Kettenrad
(für eine
Steuerkette) oder um ein Zahnrad (für ein Steuerzahnrad) handeln.
Ein Hydraulikmittel ist irgendeine spezielle Art von Öl, das in
Hydraulikzylindern verwendet wird und einem Bremsmittel oder einem
Servolenkmittel entspricht. Das Hydraulikmittel entspricht nicht
unbedingt dem Motoröl.
Typischerweise findet bei der vorliegenden Erfindung ein „Betätigungsströmungsmittel" Verwendung. Ein
Verriegelungsstift dient dazu, einen Phasensteller in seiner Position
zu verriegeln. Üblicherweise
findet ein Verriegelungsstift Verwendung, wenn der Öldruck zu niedrig
ist, um den Phasensteller zu halten, wie beispielsweise während des
Motorstarts oder Stillsetzens des Motors.
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Ein öldruckbetätigtes (OPA)
VCT-System benutzt einen herkömmlich
ausgebildeten Phasensteller, bei dem der Motoröldruck auf eine Seite des Flügels oder
auf die andere Seite des Flügels
aufgebracht wird, um den Flügel
zu be-wegen.
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Eine
offene Schleife findet in einem Steuersystem Verwendung, das eine
Eigenschaft in Abhängigkeit
von einer anderen Eigenschaft verändert (beispielsweise ein Ventil
in Abhängigkeit
von einem Befehl von der ECU bewegt), und zwar ohne ein Feedback
zur Bestätigung
des Vorganges.
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Als
Phase wird die relative Winkellage der Nockenwelle und Kurbelwelle
(oder der Nockenwelle und einer anderen Nocken welle, wenn der Phasensteller
von einer anderen Nockenwelle angetrieben wird) definiert. Ein Phasensteller
wird als das gesamte Teil definiert, das an der Nockenwelle montiert
ist. Der Phasensteller besteht typischerweise aus einem Rotor und
einem Gehäuse
und möglicherweise
einem Schieberventil und Rückschlagventilen.
Ein Kolbenphasen-steller ist ein Phasensteller, der von Kolben in
Zylindern einer Brennkraftmaschine betätigt wird. Ein Rotor ist der
innere Teil des Phasenstellers, der an einer Nockenwelle befestigt
ist.
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Eine
Pulsbreitenmodulierung (PWM) stellt eine variierende Kraft oder
einen variierenden Druck durch Veränderung des Timings von EIN/AUS-Impulsen
von elektrischem Strom oder Strömungsmitteldruck
zur Verfügung.
Ein Solenoid ist eine elektrische Betätigungseinheit, die in einer
Spule fließenden elektrischen
Strom benutzt, um einen mechanischen Arm zu bewegen. Ein Solenoid
mit veränderlicher Kraft
(VFS) ist ein Solenoid, dessen Betätigungskraft verändert werden
kann, üblicherweise
durch PWM des Versorgungsstromes. Ein VFS steht im Gegensatz zu
einem EIN/AUS(alles oder nichts)-Solenoid.
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Ein
Kettenrad ist ein Element, das zusammen mit Ketten, wie Motorsteuerketten,
verwendet wird. Als Timing wird die Beziehung zwischen dem Zeitpunkt,
an dem ein Kolben eine definierte Position erreicht (üblicherweise
den oberen Totpunkt (TDC)), und dem Zeitpunkt, an dem irgendetwas
anderes passiert, definiert. Beispielsweise bezieht sich das Timing
in VCT- oder VVT-Systemen üblicherweise
darauf, wann sich ein Ventil öffnet
oder schließt.
Als Zündtiming
wird der Zündzeitpunkt
der Zündkerze bezeichnet.
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Ein
torsionsunterstützter
(TA) oder drehmomentunterstützter
Phasensteller ist eine Variante des OPA-Phasenstellers, bei der
ein Rückschlagventil
in der Ölversorgungsleitung
(d.h. einer Ausführungsform
mit einem einzigen Rückschlagventil)
oder ein Rückschlagventil
in der Versorgungsleitung für
jede Kammer (d.h. eine Ausführungsform
mit zwei Rückschlagventilen)
hinzugefügt
ist. Das Rückschlagventil blockiert Öldruckimpulse
infolge einer Drehmomentumkehr in bezug auf eine Fortpflanzung in
das Ölsystem
zurück
und stoppt den Flügel
in bezug auf eine Rückwärtsbewegung
infolge der Drehmomentumkehr. Im TA-System wird eine Bewegung des
Flügels
infolge von vorwärts
gerichteten Drehmomenteffekten ermöglicht, so dass daher der Ausdruck „torsionsunterstützt" verwendet wird.
Die graphische Darstellung der Ventilbewegung entspricht einer Schrittfunktion.
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Ein
VCT-System besitzt einen Phasensteller, ein Steuerventil oder Steuerventile,
eine Steuerventilbetätigungseinheit
oder Betätigungseinheiten
und eine Steuerschaltung. Eine variable Nockensteuerung (VCT) ist
ein Prozess, kein Gegenstand, der das Steuern und/oder Verändern der
Winkellage (Phase) zwischen einer oder mehreren Nockenwellen, die
die Einlass- und/oder Auslassventile des Motors antreiben, betrifft.
Die Winkellage betrifft ferner die Phasenbeziehung zwischen Nocken-
und Kurbelwellen, wobei die Kurbelwelle mit den Kolben in Verbindung steht.
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Eine
variable Ventilsteuerung (VVT) ist irgendein Verfahren, mit dem
das Ventiltiming verändert
wird. Ein VVT kann einem VCT zugeordnet sein oder kann durch Verändern der
Form des Nockens oder der Beziehung von Nockenausbauchungen zum Nocken
oder von Ventilbetätigungseinheiten
zum Nocken oder den Ventilen oder durch unabhängiges Steuern der Ventile
selbst unter Verwendung von elektrischen oder hydraulischen Betätigungseinheiten
durchgeführt
werden. Mit anderen Worten, jedes VCT ist ein VVT, jedoch nicht
jedes VVT ist ein VCT.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird als Programmprodukt zum Einsatz mit einem Computersystem,
beispielsweise der nachfolgend beschriebenen Motorsteuereinheit,
verwirklicht. Das Programm oder die Programme des Programmproduktes
stellen Funktionen der Ausführungsformen
(einschließlich der
nachfolgend in Verbindung mit den 1 und 5 beschriebenen
Verfahren) dar und können
auf einer Vielzahl von Signalträgermedien
angeordnet sein. Beispielhafte Signalträgermedien sind ohne Beschränkung: (i)
permanent auf nichtbeschreibbaren Speichermedien gespeicherte Informationen (ROM-Vorrichtungen
in einem Computer, wie CD-ROMs, die von einem CD-ROM-Antrieb lesbar sind);
(ii) veränderbare
Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien gespeichert
sind (d.h. Floppy Disks in einem Diskettenantrieb oder einem Hartplattenantrieb);
oder (iii) einem Computer über ein
Kommunikationsmedium zugeführte
Informationen, wie beispielsweise über einen Computer oder ein
Telefonnetz, einschließlich
einer drahtlosen Kommunikation, zugeführte Informationen. Die letztgenannte
Ausführungsform
umfasst speziell Informationen, die aus dem Internet und anderen
Netzen heruntergeladen werden. Derartige Signalträgermedien stellen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar, wenn sie computerlesbare Instruktionen tragen, die
sich auf die Funktionen de vorliegenden Er-findung beziehen.
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Generell
werden die zur Verwirklichung der Ausführungsformen der Erfindung
durchgeführten Programme,
ob sie nun als Teil eines Betriebssystems oder als spezieller Anwendungsfall,
Komponente, Programm, Modul, Ziel oder Sequenz von Instruktionen
verwirklicht sind, als „Programm" bezeichnet. Das
Computerprogramm umfasst typischerweise eine Vielzahl von Befehlen,
die vom örtlichen
Computer in ein maschinenlesbares Format und somit ausführbare Befehle übersetzt
werden. Programme umfassen ferner Variable und Datenstrukturen,
die entweder örtlich
im Programm vorhanden sind oder sich in einem Speicher oder Speichervorrichtungen
befinden. Diverse hiernach beschriebene Programme können auf
Basis des Anwendungsfalles, für
den sie in einer speziellen Ausführungsform
der Erfindung verwirklicht sind, identifiziert werden. Es versteht sich,
dass irgendeine spezielle folgende Programmnomenklatur lediglich
aus Zweckmäßigkeitsgründen verwendet
wird und dass die Erfin-dung nicht auf den speziellen, durch eine
derartige Nomen-klatur identifizierten und/oder realisierten Anwendungsfall
beschränkt
ist.
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Es
versteht sich daher, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung lediglich beispielhaft sind für die Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien.
Die Bezugnahme auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen
soll daher nicht den Umfang der Ansprüche, die selbst diejenigen
Merkmale aufführen,
die als für
die Erfindung wesentlich angesehen werden, einschränken.