EP1573177A1 - Vorrichtung zum verstellen der phasenlage zwischen nockenwelle und kurbelwelle - Google Patents

Vorrichtung zum verstellen der phasenlage zwischen nockenwelle und kurbelwelle

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EP1573177A1
EP1573177A1 EP03776826A EP03776826A EP1573177A1 EP 1573177 A1 EP1573177 A1 EP 1573177A1 EP 03776826 A EP03776826 A EP 03776826A EP 03776826 A EP03776826 A EP 03776826A EP 1573177 A1 EP1573177 A1 EP 1573177A1
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crankshaft
camshaft
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adjusting
control
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Markus Wilke
Massimiliano Gasparro
Frank Pachan
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    • F02D2041/1418—Several control loops, either as alternatives or simultaneous
    • F02D2041/1419—Several control loops, either as alternatives or simultaneous the control loops being cascaded, i.e. being placed in series or nested

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the phase position between the camshaft and crankshaft according to the preamble of claim 1.
  • the crankshaft drives one or more camshafts via a primary drive, which is designed, for example, as a toothed belt.
  • a camshaft gear is attached to each camshaft, via which the primary drive drives the camshaft.
  • the crankshaft rotation angle is translated at any time, with 720 ° crankshaft rotation angle ⁇ ⁇ being converted into 360 ° camshaft rotation angle ⁇ .
  • the operating properties of an internal combustion engine can be optimized, in particular with regard to fuel consumption, exhaust gas emission and smooth running, if the system coupled via the primary drive can be changed between the camshaft and the crankshaft.
  • DE 100 38 354 A1 discloses an arrangement for adjusting the angle of rotation relationship between the camshaft and the crankshaft by means of a swashplate mechanism.
  • An additional drive works here a swash plate gear, which is arranged between the camshaft gear and the camshaft, additionally on the camshaft. This means that the camshaft can be adjusted relative to the crankshaft.
  • the object of the invention is to show a simple and inexpensive adjusting device with which the phase position between the camshaft and crankshaft can be adjusted.
  • the adjusting device is part of an electronic control circuit which automatically or indirectly sets the desired phase position directly or via another variable, the control circuit comprising the control device and the control system having a structure designed for this application.
  • the advantage of the invention is that such an adjusting device with such an electronic control loop sets the desired value very quickly and exactly in the controlled system.
  • the setpoint can be set even faster and more accurately with the adjusting device.
  • Figure 1 Adjustment device with disturbance variable compensation.
  • Figure 3 Adjustment device with optimized state control.
  • FIG. 1 shows an adjustment device which has a position control 1 with disturbance variable compensation 2.
  • the relative speed of the electric motor corresponds to the speed of the chain or belt pulley that couples the crankshaft to the camshaft.
  • the relative speed of the electric motor is greater or less than that of the chain wheel, depending on the direction of adjustment.
  • the effect of the disturbance variable of the crankshaft speed z is not only recorded as an effect on the controlled variable, but is already used for pilot control of the actuator 3.
  • the speed of the chain / belt pulley can be determined from the crankshaft speed.
  • This speed z can be set in relation to a corresponding self-induction voltage VR in the electric motor.
  • the setpoint w - in the exemplary embodiment the desired phase position - is entered into the controller 4.
  • This setpoint w influences the electric motor of the actuator in the controlled system 3, e.g. a swash plate gear. This causes the speed of the chain or belt wheel to change, as a result of which the phase position is changed.
  • the actual value x of the phase position and / or the speed of the chain or belt pulley is fed back. This feedback actual value determines a new setpoint for the controller. This new setpoint is then fed into the controller.
  • the disturbance variable compensation 2 is formed by additionally determining the self-induction voltage yz from the crankshaft speed z as a further manipulated variable for the electric motor of the actuator, which also determines the speed of the electric motor.
  • Figure 2 shows an adjustment device with cascaded position control.
  • the position control which has a position feedback, is subordinated to a speed control of the electric motor, the one Has angular velocity feedback.
  • the speed or the angular speed of the electric motor can be recorded as a measurement variable or calculated indirectly via the trigger information from the camshaft and crankshaft.
  • this speed control is subordinate to a control of the armature current, in which an additional compensation controller can further improve the dynamics.
  • This regulation of the armature current or the measurement of the armature current can also take place via a measurement of the torque of the electric motor that drives the adjustment device.
  • a set angle of rotation ⁇ s is specified, which describes the position or phase position between the camshaft and crankshaft.
  • the speed or the angular velocity ⁇ s is specified for the electric motor.
  • the angular velocity in turn is determined by the torque of the electric motor.
  • This torque ML or the corresponding current is measured and fed back and compared there with the corresponding setpoint Ms. If the values do not match, adjustment is made accordingly.
  • the superordinate actual value ⁇ of the angular velocity is also recorded and then fed back for comparison with its target value ⁇ s. If there is a discrepancy, the adjustment is made accordingly.
  • the current phase position ⁇ is then determined, returned and adapted to the setpoint ⁇ s.
  • Figure 3 shows an adjustment device with a state control.
  • the dynamics of the control system are largely determined by means of the state control, since the states determining the dynamics are incorporated directly into the control. If the state to be determined cannot be measured directly, it can be calculated using a state observer or a state calibration.
  • a time-dependent input value w (t) is fed into a pre-filter 5.
  • the pre-filter generates an output value Uw (t) which, together with a value u (t) generated by a state controller 6, forms an input value u (t) for the state differential equation 7.
  • the state differential equation 7 is supplied with the state value x (to) at the time to.
  • the state differential equation 7 calculates the state x (t) from these values.
  • This state can be measured directly or indirectly via a measuring device 8, whereby With this measured value, the state controller 6 can be influenced, which in turn influences the input value u (t) for the state differential equation 7.
  • the state value x (t) can be supplied for further processing of an output equation 9, which then generates an output value y (t) for the controlled system 10 Generate controlled variable.
  • the control device 11, which controls the controlled variable, is essentially formed by the measuring device 8 and the state controller 6. In the application example, the control device 11 also contains the prefilter 5.

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Abstract

Schnelle und genaue elektronische Regelung für mechanische Verstellvorrichtungen zum Verstellen der Phasenlage zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle sind bisher noch nicht bekannt. Die neue Verstellvorrichtung ist Bestandteil eines elektronischen Regelkreises, der die gewünschte Phasenlage direkt oder über eine andere Grösse indirekt automatisch einstellt, wobei der Regelkreis zwischen der Regeleinrichtung und der Regelstrecke mindestens eine Regelschleife beinhaltet, wodurch ein schnelleres und genaues Einregeln erzielt wird. Solche Anordnungen werden zum schnellen und exakten Einstellen der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle in Brennkraftmaschinen benötigt.

Description

Vorrichtung zum Verstellen der Phasenlaqe zwischen Nockenwelle und
Kurbelwelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Brennkraftmaschinen treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, der beispielsweise als Zahnriemen ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen an. Dazu ist an jeder Nockenwelle ein Nockenwellenrad befestigt, über welches der Primärantrieb die Nockenwelle antreibt. Dabei erfolgt zu jedem Zeitpunkt eine Übersetzung des Drehwinkels der Kurbelwelle, wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel φι< in 360° Nockenwellendrehwinkel φπ umgesetzt werden. Das Verhältnis der beiden Drehwinkel ist durch diese Kopplung konstant. In den meisten Anwendungen ergibt diese feste Kopplung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ein Verhältnis von: ^A- = - φκ(t) 2
Jedoch lassen sich die Betriebseigenschaften einer Brennkraftmaschine optimieren, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemission und der Laufkultur, wenn das über den Primärantrieb gekoppelten System zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle verändert werden kann.
In der DE 100 38 354 A1 wird eine Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle mittels Taumelscheibengetriebe offenbart. Hier wirkt ein zusätzlicher Antrieb über ein Taumelscheibengetriebe, das zwischen dem Nockenwellenrad und der Nockenwelle angeordnet ist, zusätzlich auf die Nockenwelle ein. Dies bewirkt, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Versteilvorrichtung aufzuzeigen mit der die Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Hierbei ist die Versteilvorrichtung Bestandteil eines elektronischen Regelkreises, der die gewünschte Phasenlage direkt oder über eine andere Größe indirekt automatisch einstellt, wobei der Regelkreis aus Regeleinrichtung und Regelstrecke eine auf diese Anwendung ausgelegte Struktur aufweist.
Die Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine solche Versteilvorrichtung mit einem solchen elektronischen Regelkreis sehr schnell und exakt in der Regelstrecke den gewünschten Wert einstellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei kann z.B. durch eine Störgrößenkompensation, oder durch eine kaskadierte Lageregelung oder durch eine Zustandsregelung der Sollwert noch schneller und genauer mit der Versteilvorrichtung eingestellt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 : Verstellvorrichtung mit Störgrößenkompensation.
Figur 2: Verstellvorrichtung mit kaskadierter Lageregelung
Figur 3: Verstellvorrichtung mit optimierter Zustandsregelung.
Figur 1 zeigt eine Verstellvorrichtung, die eine Lageregelung 1 mit Störgrößenkompensation 2 aufweist. Bei elektromotorisch angetriebenen, mechanischen Phasenverstellvorrichtungen nach dem Stand der Technik wie z.B. aus der DE 100 38 354 A1 entspricht bei unveränderter Phasenlage die Relativdrehzahl des Elektromotors der Drehzahl des Ketten-/ oder Riemenrades, das die Kurbelwelle mit der Nockenwelle koppelt. Während der Phasenverstellung ist die Relativdrehzahl des Elektromotors je nach Verstellrichtung größer oder kleiner als die des Kettenrades.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Auswirkung der Störgröße der Kurbelwellendrehzahl z nicht erst als Auswirkung auf die Regelgröße erfasst, sondern bereits zur Vorsteuerung des Stellgliedes 3 genutzt. Beispielsweise kann aus der Kurbelwellendrehzahl die Drehzahl des Ketten-/ -oder Riemenrades ermittelt werden. Diese Drehzahl z kann in Relation zu einer entsprechende Selbstinduktionsspannung VR im Elektromotor gesetzt werden. In der Abbildung wird der Sollwert w -im Ausführungsbeispiel die gewünschte Phasenlage- in den Regler 4 eingegeben. Dieser Sollwert w beeinflusst den Elektromotor des Stellgliedes in der Regelstrecke 3, z.B. ein Taumelscheibengetriebe. Dies bewirkt, dass sich die Drehzahl des Ketten-/ oder Riemenrades verändert, wodurch die Phasenlage verändert wird. Der Istwert x der Phasenlage und/oder der Drehzahl des Ketten-/ oder Riemenrades wird zurückgeführt. Dieser zurückgeführte Istwert bestimmt einen neuen Sollwert für den Regler. Dieser neue Sollwert wird dann in den Regler eingespeist. Die Störgrößenkompensation 2 wird dadurch gebildet, dass zusätzlich aus der Kurbelwellendrehzahl z die Selbstinduktionsspannung yz als weitere Stellgröße für den Elektromotor des Stellgliedes ermittelt wird, welcher auch die Drehzahl des Elektromotors bestimmt.
Figur 2 zeigt eine Verstellvorrichtung mit kaskadierter Lageregelung. Um die Einregelzeiten zu verbessern und eine höhere Dynamik im Regelkreis zu erzielen werden hier mehrere Regelkreise parallel verschachtelt zueinander angeordnet. Störungen werden dabei in den unterlagerten Regelkreisen ausgeregelt bevor sie auf sich auf die überlagerten Regelkreise auswirken können. Im vorliegenden Anwendungsfall wird der Lageregelung, die eine Positionsrückführung aufweist eine Drehzahlregelung des Elektromotors unterlagert, die eine Winkelgeschwindigkeitsrückführung aufweist. Die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors kann hierbei als Messgröße erfasst werden oder indirekt über die Triggerinformation von Nockenwelle und Kurbelwelle berechnet werden. Ferner ist dieser Drehzahlregelung eine Regelung des Ankerstroms unterlagert, bei der ein zusätzlicher Kompensationsregler die Dynamik weiter verbessern kann. Diese Regelung des Ankerstroms bzw. die Messung des Ankerstroms kann auch über eine Messung des Drehmoments vom Elektromotor erfolgen, der die Verstellvorrichtung antreibt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Soll- Verdrehwinkel φs vorgegeben, der die Position bzw. Phasenlage zwischen Nocken- und Kurbelwelle beschreibt. Abhängig von diesem Winkel φs wird die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit ωs für den Elektromotor vorgegeben. Die Winkelgeschwindigkeit wiederum wird bestimmt durch das Drehmoment des Elektromotors. Dieses Drehmoment ML bzw. der entsprechende Strom wird gemessen und zurückgeführt und dort mit dem entsprechenden Sollwert Ms verglichen. Stimmen die Werte nicht überein wird entsprechend nachgeregelt. Gleichzeitig wird auch der übergeordnete Istwert ω der Winkelgeschwindigkeit erfasst und dann zum Vergleich mit seinem Sollwert ωs zurückgeführt. Bei Diskrepanz wird auch hier entsprechend nachgeregelt. Letztendlich wird dann auch die aktuelle Phasenlage φ ermittelt, zurückgeführt und an den Sollwert φs angepasst.
Figur 3 zeigt eine Verstellvorrichtung mit einer Zustandsregelung. Mittels der Zustandsregelung wird die Dynamik des Regelsystems weitgehend festgelegt, da die die Dynamik bestimmenden Zustände direkt in die Regelung eingehen. Ist der zu bestimmende Zustand nicht direkt messbar kann er mittels eines Zustandsbeobachters bzw. einer Zustandsgieichung berechnet werden.
Hierbei wird ein zeitabhängiger Eingangswert w(t) in einem Vorfilter 5 eingespeist. Der Vorfilter generiert daraus einen Ausgangswert Uw(t), der zusammen mit einem Wert u.(t), der von einem Zustandsregler 6 erzeugt wird, einen Eingangswert u(t) für die Zustandsdifferentialgleichung 7 bildet. Ferner wird der Zustandsdifferentialgleichung 7 der Zustandswert x(to), zum Zeitpunkt to zugeführt. Aus diesen Werten berechnet die Zustandsdifferentialgleichung 7 den Zustand x(t). Dieser Zustand kann direkt oder indirekt über eine Messeinrichtung 8 gemessen werden, wobei mit diesem Messwert der Zustandsregler 6 beeinflusst werden kann, der wiederum den Eingangswert u(t) für die Zustandsdifferentialgleichung 7 beeinflusst. Zusätzlich kann der Zustandwert x(t) zur weiteren Verarbeitung einer Ausgangsgleichung 9 zugeführt werden, die dann einen Ausgangswert y(t) für die Regelstrecke 10 erzeugt Bei dem dargestellten Regelkreis wird die Regelstrecke 10 von der Zustandsdifferentialgleichung 7 und der Ausgangsgleichung 9 gebildet, welche die Regelgröße erzeugen. Die Regeleinrichtung 11, welche die Regelgröße regelt wird im wesentlichen von der Messeinrichtung 8 und dem Zustandsregler 6 gebildet. Im Anwendungsbeispiel beinhaltet die Regeleinrichtung 11 auch den Vorfilter 5.
All diese Ausführungsbeispiele lassen sich auf in beliebiger Weise miteinander kombinieren.

Claims

Patentansprüche
1) Elektronisch angetriebene mechanische Verstellvorrichtung zum Verstellen der Phasenlage (φ) zwischen einer Nockenwelle und einer
Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Versteller Bestandteil eines elektronischen Regelkreises ist, der die gewünschte Phasenlage (φ) zwischen Nocken- und Kurbelwelle automatisch einstellt und der Regelkreis mindestens eine Schleife beinhaltet bei der ein Ausgangswert an den Eingang zurückgeführt wird.
2) Verstellvorrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis eine Störgrößenkompensation (2) beinhaltet.
3) Verstellvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis mehrere parallel kaskadiert angeordnete Regelschleifen beinhaltet, wobei mindestens eine Regelschleife von einer anderen überlagert wird.
4) Verstellvorrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis in dem die Verstellvorrichtung angeordnet ist eine Zustandsregelung (10, 11) beinhaltet.
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