EP1797287A1 - Verfahren zum einstellen der drehwinkellage der nockenwelle einer hubkolben-verbrennungsmaschine relativ zur kurbelwelle - Google Patents

Verfahren zum einstellen der drehwinkellage der nockenwelle einer hubkolben-verbrennungsmaschine relativ zur kurbelwelle

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EP1797287A1
EP1797287A1 EP05794745A EP05794745A EP1797287A1 EP 1797287 A1 EP1797287 A1 EP 1797287A1 EP 05794745 A EP05794745 A EP 05794745A EP 05794745 A EP05794745 A EP 05794745A EP 1797287 A1 EP1797287 A1 EP 1797287A1
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EP
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signal
crankshaft
camshaft
phase angle
angle
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Heiko Dell
Holger Stork
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LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG
LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
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    • F01L2820/04—Sensors
    • F01L2820/041—Camshafts position or phase sensors

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the rotational angle position of the camshaft of a reciprocating internal combustion engine relative to the crankshaft, in particular during a starting operation of the internal combustion engine, wherein the crankshaft is in drive connection with the camshaft via an adjusting mechanism, which is a three-shaft transmission with a drive shaft which is fixed to the crankshaft camshaft-fixed output shaft and an adjusting shaft is made ⁇ forms, which is in drive connection with an electric motor.
  • the electric motor When a deviation occurs, the electric motor is driven in such a way that the deviation is reduced.
  • the relative displacement by means of a drive shaft connected to the stop element, which cooperates with a camshaft fixed counter-stop element, limited to a maximum adjustment.
  • the stop element In the case of a fault, the stop element is positioned against the counter stop element and thus the camshaft and the crankshaft are braced relative to one another. Compared to a corresponding reciprocating internal combustion engine, which is operated with a constant phase position, this results in a better cylinder filling, whereby fuel can be saved, reduces the pollutant emissions and / or the output of the internal combustion engine can be increased.
  • crankshaft is rotated and a crankshaft sensor signal is detected, which changes state at a rotational angle change of the crankshaft
  • phase angle signal is set to a reference value associated with the reference position
  • phase angle signal is tracked upon a change of state of the rotation angle measurement signal and / or the position measurement signal, I) and that the phase angle is controlled by comparing the reference-position-related phase angle signal thus obtained with a desired value signal and when the ei ⁇ ner phase angle deviation of the electric motor is controlled such that the deviation is reduced.
  • the phase angle signal is thus determined indirectly from a rotational angle measuring signal for the crankshaft, a position measuring signal for the adjusting shaft and a transmission characteristic variable, namely the ratio between the three-shaft transmission with the drive shaft stationary and between the adjusting shaft and the camshaft.
  • a position sensor for determining the position of the adjusting motor rotor relative to the stator can be used for the measurement of the phase angle signal. Since no information about the crankshaft angle of rotation and the rotational angle position of the adjusting shaft is initially available when starting the internal combustion engine, the rotational angle measuring signal and the position measuring signal are set to start values, which can be arbitrary.
  • the rotational angle measuring signal is tracked when the crankshaft sensor signal changes its state.
  • the La ⁇ measuring signal is tracked when the Verstellwellen sensor signal changes its state.
  • the crankshaft and the camshaft are clamped in a reference position relative to each other and reaching the reference position is detected by means of a sensor.
  • the phase angle signal is set to a predetermined reference value, which was previously determined by measurement or in another way and stored, for example, in a nonvolatile memory.
  • phase angle signal is tracked in dependence on the state changes of the rotational angle measuring signal and the position measuring signal.
  • the phase angle is regulated to a ready-set desired value signal.
  • a stop member connected to the drive shaft is positioned against a counter-abutment member connected to the camshaft. The method can then be carried out with the aid of an economically producible camshaft adjusting device.
  • crankshaft and the camshaft are braced together by means of at least one spring element.
  • the spring element may be arranged in the reference position in a neutral or middle position.
  • the reaching of the reference position is detected by means of a change in the rate of change of the phase angle signal.
  • it is also conceivable to detect the achievement of the reference position by applying a torque to the electric motor and checking whether the phase angle signal retains its value before, during and / or after the application of the torque.
  • a reference mark is generated in the crankshaft sensor signal, a second rotational angle measuring signal being set to a value associated with the reference rotational angle position when the reference mark occurs.
  • the second rotational angle measurement signal is tracked upon occurrence of a change in state of the crankshaft sensor signal, wherein upon reaching a predetermined rotational position of the camshaft, a camshaft reference signal is generated, wherein the respectively present upon the occurrence of the camshaft reference signal measured values of the rotational angle measurement signal and the position measurement signal determined and with these Measured values and the transmission characteristic a value for an absolute phase angle signal is determined, wherein the speed of the Verbren ⁇ tion machine measured and compared with a predetermined Drehiereschwellwert and when exceeding the Dre the control of the phase angle with the ab ⁇ solute phase angle signal is continued as an actual value signal.
  • crankshaft sensor signal is preferably determined by means of a stationary, for example, on the engine block of Verbren ⁇ tion machine arranged magnetic detector which cooperates with a rotatably mounted on the Kur ⁇ belwelle, magnetically conductive ring gear.
  • One of the teeth and / or tooth gaps of the ring gear is different from the other teeth or tooth gaps and serves as a reference for the absolute determination of the crankshaft rotation angle.
  • the camshaft reference signal can be generated with the aid of a trigger device as a function of the absolute rotational position of the camshaft.
  • the second rotational angle measuring signal derived from the camshaft reference signal and the absolute crankshaft sensor signal has the advantage over the first reference rotational position measuring signal that tolerances and / or wear in the camshaft drive (crankshaft gear, drive chain or toothed belt, chain or Timing belt tensioner, camshaft toothed wheel, stop and counter stop element) do not influence the accuracy of the rotational angle measurement.
  • tolerances and / or wear in the camshaft drive crankshaft gear, drive chain or toothed belt, chain or Timing belt tensioner, camshaft toothed wheel, stop and counter stop element
  • the electric motor - before the reference position is reached - piloted by pulse width modulation with a predetermined pulse-pause ratio in the direction of the reference position.
  • the electric motor is initially controlled "blind.”
  • the pulse-pause ratio is selected such that damage to the stop element and the counter-stop element, regardless of the position in which These are just starting when the internal combustion engine, safely avoided.
  • the pulse-pause ratio is changed as a function of the detection of the rotational speed measured value, the pulse-pause ratio preferably being increased as soon as the rotational speed measured value is detected.
  • the value to which the pulse-pause ratio is increased can be determined as a function of at least one parameter, such as the engine temperature of the internal combustion engine and da ⁇ be selected with the drag losses in the valve train.
  • the detection of the Drehieremess ⁇ value is preferably carried out from a crankshaft speed of about 50 U / min.
  • the phase angle signal is differentiated to form a phase velocity signal when the phase velocity signal is compared with a phase velocity threshold value and, if the phase velocity signal is greater than the threshold value in that the phase velocity signal is compared with a desired value signal and, when a deviation occurs, the electric motor is controlled in such a way that the deviation is reduced.
  • the measured values for the phase velocity are present with sufficient accuracy for a phase velocity control if the phase velocity signal exceeds the threshold value. Due to the phase velocity control, the wear on the stop element reduced ment and the counter-stop element and / or destruction of these parts ver ⁇ prevented.
  • the operating current and / or the operating voltage and / or the rotational speed of the electric motor are (are) limited and / or regulated before the reaching of the reference position is detected.
  • FIG. 1 is a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine having a device for adjusting the phase angle of the camshaft relative to the crankshaft,
  • 3 is a graphical representation of a state signal for the control of the phase angle of the camshaft relative to the crankshaft, wherein the abscissa on the time in seconds and on the ordinate the state are plotted
  • Fig. 5 is a graph showing the actual phase angle (line marked by plus sign) and a target value signal (unmarked line) for the phase angle, wherein the abscissa represents the time in seconds and the ordinate represents the phase angle in degrees.
  • Fig. 6 is a graph of one related to a reference position
  • Fig. 7 is a graphical representation of the actual crankshaft rotation angle
  • FIG. 8 is a graph showing the actual rotation angle (hatched line) of an electric motor, in which the abscissa represents the time in seconds and the ordinate represents the rotation angles in degrees.
  • An adjusting device for the rotational angle position of the camshaft 3 relative to the crankshaft 5 of a reciprocating internal combustion engine has, according to FIG. 1, an adjusting mechanism 1 which is designed as a three-shaft transmission with a crankshaft-fixed drive shaft, a camshaft-fixed output shaft and an adjusting shaft.
  • the adjusting mechanism can be a planetary gear, for example a planetary and / or swashplate gearbox.
  • the drive shaft is rotatably connected to a camshaft gear 2, which is in a conventional manner via a chain or a toothed belt with a rotatably mounted on the crankshaft 5 of the engine crankshaft gear in drive connection.
  • the output shaft is rotatably connected to the camshaft 3.
  • the adjusting shaft is connected to the rotor of an electric motor 4 at least.
  • the adjusting gear 1 is integrated in the hub of the camshaft gear 2.
  • the adjusting device For limiting the angle of rotation between the camshaft 3 and the crankshaft 5 of the internal combustion engine, the adjusting device has a fixed to the drive shaft of the Ver ⁇ adjusting gear 1 stop element 6 and a counter-stop element 7 which is rotatably connected to the camshaft 3 and in the position of use in a reference ⁇ position comes to the stop element 6 to the plant.
  • a magnetic detector 8 which detects the tooth flanks of a consisting of a magnetically conductive material existing, arranged on the crankshaft 5 ring gear 9.
  • One of the tooth gaps or teeth of the toothed rim 9 has a greater width than the other tooth gaps or teeth and marks a reference rotational angle position of the crankshaft 5.
  • a first rotation angle measurement signal to a rotation angle measurement signal start value set which can have the value zero, for example.
  • the crankshaft is then rotated, for example, by means of an electric starter, and with the aid of the magnetic detector 8, a crankshaft sensor signal is detected, which changes its state when a tooth flank of the toothed ring 9 passes by.
  • an interrupt is triggered in an operating program of a control device, in which the rotational angle measuring signal is tracked in each case, for example by incrementing.
  • a reference mark is generated in the sensor signal of the magnetic detector 8, which is also referred to below as the crankshaft sensor signal. This is achieved in that the crankshaft sprocket 9 at the reference rotational angle position has a larger gap than between its other teeth.
  • a second rotational angle measuring signal is set to a value assigned to the reference rotational position. Thereafter, the second rotation angle measurement signal is tracked at each rising and / or falling edge (state change) of the crankshaft sensor signal.
  • an EC motor is preferably provided which has a rotor, on the circumference of a series of magnet sections alternately magnetized in opposite directions is arranged, which interact magnetically via an air gap with teeth of a stator.
  • the teeth are wound with a winding, which is energized via a drive device.
  • the position of the magnet segments relative to the stator and thus the Verstellwellenen loftwinkel is detected by means of a measuring device having a plurality of magnetic field sensors 10 which are arranged offset to one another in the circumferential direction of the stator such that per revolution of the rotor, a number of magnetic segment sensor Combinations will go through.
  • the magnetic field sensors 10 generate a digital sensor signal which passes through an order of sensor signal states that repeat as often as the measuring device has magnetic field sensors 10 during a mechanical full rotation of the rotor. This sensor signal is also referred to below as Verstellwellen sensor signal.
  • an inductive sensor 11 As a reference signal generator for the camshaft rotation angle, an inductive sensor 11 is provided, which cooperates with a arranged on the camshaft 3 trigger 12. If the inductive sensor 11 detects an edge of the trigger wheel 12, an interrupt is triggered in an operating program of a control unit, in which the crankshaft rotation angle and the adjustment shaft rotation angle for the control of the phase angle are temporarily stored for further processing.
  • phase position The angular position of the camshaft relative to the crankshaft is hereinafter also referred to as phase position. This describes the timing of the valve opening relative to Kolben ⁇ movement of the internal combustion engine. It is defined as follows:
  • ⁇ (t) ⁇ cnk (t) - 2 - ⁇ C am (t), (1)
  • phase angle When starting the internal combustion engine, it is necessary to regulate a target position of the phase angle as quickly as possible. This can be done only on the basis of a reference angle, since the phase angle can not be determined until the tooth gaps or tooth marking the reference rotational angle position are found and an edge of the camshaft is detected.
  • the stop element is controlled by means of the electric motor 4 with a predetermined force in the direction of the counter-stop element until the reference position is reached.
  • phase velocity is regulated to a predetermined target phase velocity until the reference position is reached.
  • phase angle ⁇ (t) is also unknown.
  • the relative portion of the phase angle is needed. This is used to adjust the phase velocity to calculate the speed required for phase velocity control in the run-up if strategy b) is used (see above).
  • the relative proportion of the phase angle is used to find the reference position. When the reference position is reached, the phase angle and thus also its relative proportion remain nearly constant, although the electric motor is energized even further in the same direction.
  • phase angle with the reference position as desired value and the first rotational angle measuring signal as actual value signal is controlled until conditions for operation explained in more detail below the control of the phase angle with the second rotation angle measurement signal are fulfilled as a setpoint signal.
  • the phase angle can here again be divided into two parts:
  • ⁇ s top of the phase angle at the reference stop and ⁇ Re ⁇ (t) is the phase angle, which was adjusted from the beginning of the control phase, in which the first rotation angle measurement signal ver ⁇ used as the actual value signal until the current time t. It is the relative proportion of the phase angle with respect to the reference position. This relative proportion of the phase angle can in turn be calculated using the gear ratio of the variable speed gearbox:
  • ⁇ P Em , H stop ⁇ Em (t) is the rotation angle of the electric motor rotor at the beginning of the control phase, in which the first rotation angle measurement signal is used as an actual value signal,
  • • ⁇ P Em (t) is the angle of rotation of the electric motor rotor from the beginning of the control phase, in which the first rotation angle measurement signal is used as an actual value signal until the current time t is and
  • • ⁇ c nk (t) is the crankshaft rotation angle from the beginning of the control phase, in which the first rotation angle measurement signal is used as an actual value signal until the current time t be ⁇ draws.
  • the phase angle is controlled by the second crankshaft rotational angle measurement signal as an actual value signal. During this phase of regulation, the phase angle goes through
  • ica m is the angle of rotation of the electric motor rotor from the last detection of the reference mark to the last cyclic interrupt
  • phase angle control is performed with the second rotational angle measurement signal as a setpoint signal only in an engine speed range in which the flanks of the teeth of the crankshaft sprocket 9, the reference mark and the camshaft Reference signal can be detected safely.
  • the phase angle control is performed with the second rotational angle measurement signal as a setpoint signal only when the phase angle, which was determined with the aid of the second crankshaft rotational angle signal is in the adjustment of the adjustment.
  • An uneasy phase angle can be caused by a hardware defect (eg stop failure), measurement signal detection error (eg false edge detection at the crankshaft sprocket 9) or signal processing (incorrect recognition of the reference mark, incorrect tracking of the rotation angle measurement signal, etc.). Such errors are dealt with by appropriate emergency measures.
  • a hardware defect eg stop failure
  • measurement signal detection error eg false edge detection at the crankshaft sprocket 9
  • signal processing incorrect recognition of the reference mark, incorrect tracking of the rotation angle measurement signal, etc.
  • the electric motor 4 is operated with a pulse width modulation ratio of, e.g., at least one operating parameter. 30% in the direction of the reference position with a given speed and a limitation of its operating current and its operating voltage.
  • the phase angle is calculated according to equation (3). This phase of the control is terminated when the stop is reached and detected, or is aborted when the conditions for a phase angle control are met with the second crankshaft rotation angle signal as a setpoint signal.
  • phase angle control is aborted when the stop is reached and detected, or is aborted when the conditions for a phase angle control with the second crankshaft rotation angle signal as a setpoint signal are met and the stop has not yet been reached. d) The phase angle control with the second crankshaft rotation angle signal as
  • Setpoint signal is carried out as soon as the following conditions are met: the engine speed of the internal combustion engine is greater than or equal to 500 rpm, the reference mark has been detected and the phase angle determined with the aid of the second crankshaft rotational angle signal lies in a plausible range. For this control the phase angle is calculated by equation (6).
  • the internal combustion engine is started.
  • the crankshaft rotation angle has a value of 7 ° with respect to the engine start position and the rotation angle of the electric motor has a value of 0 °.
  • the phase angle at the reference position is 154 °, see equation (4).
  • the invention thus relates to a method for adjusting the rotational angle position of the camshaft 3 of a reciprocating internal combustion engine relative to the crankshaft 5.
  • the crankshaft 5 is connected via an adjusting 1 with the camshaft 3 in drive connection, as the Dreiwellen ⁇ gear with a crankshaft fixed drive shaft, a camshaft fixed output shaft and is formed with an electric motor 4 in driving connection adjusting shaft.
  • a stop element 6 is connected to the drive shaft and a counter-stop element 7 is connected to the camshaft 3, which element cooperates with the stop element 6 in at least one reference position.
  • a phase angle signal for the rotational angle position of the camshaft 3 relative to the crankshaft 5 is determined for a starting position. After the stop element 6 has been positioned against the counterstop element 7 and the reaching of the reference position has been detected, the phase angle is measured relative to the reference position and regulated to a desired value signal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle (3) einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle (5). Die Kurbelwelle (5) steht über ein Verstellgetriebe (1) mit der Nockenwelle (3) in Antriebsverbindung, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer mit einem Elektromotor (4) in Antriebsverbindung stehenden Verstellwelle ausgebildet ist. Mit der Antriebwelle ist ein Anschlagelement und mit der Nockenwelle (3) ein Gegenanschlagelement verbunden. Bei einem Startvorgang der Verbrennungsmaschine werden ein Kurbelwellen-Drehwinkelmesssignal und ein Lagemesssignal für den Drehwinkel der Verstellwelle erfasst. Mit Hilfe des Drehwinkelmesssignals, des Lagemesssignals und einer Getriebekenngröße des Dreiwellengetriebes wird ein Phasenwinkelsignal für die auf eine Startposition bezogene Drehwinkellage der Nockenwelle (3) relativ zur Kurbelwelle (5) ermittelt. Nachdem die Kurbelwelle (5) und die Nockenwelle (3) in einer Referenzposition relativ zueinander verspannt werden und das Erreichen der Referenzposition detektiert wurde, wird der Phasenwinkel relativ zur Referenzposition gemessen und auf ein Sollwertsignal geregelt.

Description

Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellaqe der Nockenwelle einer Hubkolben- Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, insbesondere während eines Startvorgangs der Verbrennungsmaschine, wobei die Kurbelwelle über ein Verstellgetriebe mit der Nockenwelle in Antriebsverbindung steht, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwel¬ lenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausge¬ bildet ist, die mit einem Elektromotor in Antriebsverbindung steht.
Ein derartiges Verfahren ist aus DE 41 10 195 A1 bekannt. Dabei wird die Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle mit Hilfe eines Elektromotors verstellt, der eine Verstell¬ welle eines Dreiwellengetriebes antreibt, das zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle angeordnet ist. Auf der Antriebwelle des Dreiwellengetriebes ist ein Nockenwellenzahnrad vorgesehen, das über eine Kette von einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Kur¬ belwellenzahnrad angetrieben wird. Die Abtriebswelle des Dreiwellengetriebes ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden. Um die Dreh- oder Phaselage, welche die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle aufweist, auf ein bereitgestelltes Sollwertsignal zu regeln, wird der Phasen¬ winkel gemessen und mit dem Sollwertsignal verglichen. Beim Auftreten einer Abweichung wird der Elektromotor derart angesteuert, dass sich die Abweichung reduziert. Damit auch im Störungsfall der Verstellvorrichtung die Motorfunktion aufrechterhalten werden kann, wird die Relativverstellung mit Hilfe eines mit der Antriebswelle verbundenen Anschlagelements, das mit einem nockenwellenfesten Gegenanschlagelement zusammenwirkt, auf einen maximalen Verstellwinkel begrenzt. Im Falle einer Störung wird das Anschlagelement gegen das Gegen¬ anschlagelement positioniert und somit die Nockenwelle und die Kurbelwelle relativ zueinan¬ der verspannt. Im Vergleich zu einer entsprechenden Hubkolben-Verbrennungsmaschine, die mit konstanter Phasenlage betrieben wird, ergibt sich dadurch eine bessere Zylinderfüllung, wodurch Kraftstoff eingespart, der Schadstoffausstoß reduziert und/oder die Ausgangsleistung der Verbrennungsmaschine erhöht werden kann. Dies gilt jedoch für den Startvorgang der Verbrennungsmaschine nur bedingt, da während des Startvorgangs zum Teil noch keine Messwertwerte für die Phasenlage der Nockenwelle vorliegen. Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu anzugeben, das während des Startvorgangs der Verbrennungsmaschine einen geringen Schadstoffaus¬ stoß und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
a) dass ein Drehwinkelmesssignal auf einen Drehwinkelmesssignal-Startwert gesetzt wird,
b) dass die Kurbelwelle verdreht und ein Kurbelwellen-Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Drehwinkeländerung der Kurbelwelle seinen Zustand ändert,
c) dass bei einem Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals das Drehwinkelmesssignal nachgeführt wird,
d) dass ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal-Startwert gesetzt wird,
e) dass die Verstellwelle verdreht und ein Verstellwellen-Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Veränderung der Drehlage der Verstellwelle seinen Zustand ändert,
f) dass bei einem Auftreten einer Zustandsänderung des Verstellwellen-Sensorsignals das Lagemesssignal nachgeführt wird,
g) dass mit Hilfe des Drehwinkelmesssignals, des Lagemesssignals und einer Getriebekenngröße des Verstellgetriebes ein Phasenwinkelsignal für die Drehwinkella¬ ge der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle ermittelt wird,
h) dass die Kurbelwelle und die Nockenwelle in einer Referenzposition relativ zueinander verspannt werden und das Erreichen der Referenzposition detektiert wird,
i) dass beim Detektieren der Referenzposition das Phasenwinkelsignal auf einen der Referenzposition zugeordneten Referenzwert gesetzt wird,
k) dass danach das Phasenwinkelsignal bei einer Zustandsänderung des Drehwinkelmesssignals und/oder des Lagemesssignals nachgeführt wird, I) und dass der Phasenwinkel geregelt wird, indem das so erhaltene referenzpositionsbe- zogene Phasenwinkelsignal mit einem Sollwertsignal verglichen und beim Auftreten ei¬ ner Phasenwinkel-Abweichung der Elektromotor derart angesteuert wird, dass sich die Abweichung reduziert.
Das Phasenwinkelsignal wird also indirekt aus einem Drehwinkelmesssignal für die Kurbelwelle, einem Lagemesssignal für die Verstellwelle und einer Getriebekenngröße ermit¬ telt, nämlich der Übersetzung, die das Dreiwellengetriebe bei stillstehender Antriebswelle zwi¬ schen der Verstellwelle und der Nockenwelle aufweist. Dadurch kann die in der Regel relativ hohe Auflösung eines zur Bestimmung der Lage des Verstellmotor-Rotors relativ zum Stator vorhandenen Lagesensors für die Messung des Phasenwinkelsignals genutzt werden. Da beim Starten der Verbrennungsmaschine zunächst keine Informationen über den Kurbelwel¬ len-Drehwinkel und die Drehwinkellage der Verstellwelle vorliegen, werden das Drehwinkel¬ messsignal und das Lagemesssignal auf Startwerte gesetzt, die beliebig sein können. Ausge¬ hend von dem entsprechenden Startwert wird das Drehwinkelmesssignal nachgeführt, wenn das Kurbelwellen-Sensorsignal seinen Zustand ändert. In entsprechender weise wird das La¬ gemesssignal nachgeführt, wenn das Verstellwellen-Sensorsignal seinen Zustand ändert. Da für die Regelung des Phasenwinkels aber die Kenntnis der Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle erforderlich ist, werden die Kurbelwelle und die Nockenwelle in einer Referenzposition relativ zueinander verspannt und das Erreichen der Referenzposition wird mittels einer Sensorik detektiert. Beim Erreichen der Referenzposition wird das Phasenwin¬ kelsignal auf einen vorgegebenen Referenzwert gesetzt, der zuvor durch Messung oder auf andere Weise ermittelt und beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt wurde. Ausgehend von diesem Referenzwert, welcher der relativen Lage der Nockenwelle zur Kur¬ belwelle an der Referenzposition entspricht, wird das Phasenwinkelsignal in Abhängigkeit von den Zustandsänderungen des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals nachgeführt. Mit Hilfe des nun vorliegenden Phasenwinkelsignals wird der Phasenwinkel auf ein bereitge¬ stelltes Sollwertsignal geregelt. Somit ist also schon relativ früh, nämlich kurz nach dem Errei¬ chen der Referenzposition eine Phasenwinkelregelung möglich, wodurch während des Start¬ vorgangs der Verbrennungsmaschine ein entsprechend geringer Schadstoffausstoß und ei¬ nen niedriger Kraftstoffverbrauch ermöglicht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Verspannen der Kurbelwelle mit der Nockenwelle ein mit der Antriebwelle verbundenes Anschlagelement gegen ein mit der Nockenwelle verbundenes Gegenanschlagelement positioniert. Das Verfahren kann dann mit Hilfe einer kostengünstig herstellbaren Nockenwellenverstellvorrichtung durchgeführt werden. - A -
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Kurbelwelle und die Nockenwelle mit Hilfe mindestens eines Federelements miteinander verspannt. Dabei kann das Federelement in der Referenzposition in einer Neutral- oder Mittellage angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise wird das Erreichen der Referenzposition anhand einer Veränderung der Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkelsignals detektiert. Es ist aber auch denkbar, das Erreichen der Referenzposition dadurch zu erkennen, dass mit dem Elektromotor ein Dreh¬ moment aufgebracht und geprüft wird, ob das Phasenwinkelsignal vor, während und/oder nach dem Aufbringen des Drehmoments seinen Wert beibehält.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Erreichen einer vorgegebe¬ nen Referenz-Drehwinkellage der Kurbelwelle in dem Kurbelwellen-Sensorsignal eine Refe¬ renzmarke erzeugt, wobei beim Auftreten der Referenzmarke ein zweites Drehwinkelmess- signal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt wird, wobei das zweite Drehwinkelmesssignal beim Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen- Sensorsignals nachgeführt wird, wobei beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle ein Nockenwellen-Referenzsignal erzeugt wird, wobei die beim Auftreten des Nockenwellen-Referenzsignals jeweils vorliegenden Messwerte des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals bestimmt und mit diesen Messwerten und der Getriebekenngröße ein Wert für ein absolutes Phasenwinkelsignal ermittelt wird, wobei die Drehzahl der Verbren¬ nungsmaschine gemessen und mit einem vorgegebenen Drehzahlschwellwert verglichen und beim Überschreiten des Drehzahlschwellwerts die Regelung des Phasenwinkels mit dem ab¬ soluten Phasenwinkelsignal als Istwertsignal weitergeführt wird. Dabei wird das Kurbelwellen- Sensorsignal bevorzugt mit Hilfe eines ortsfest beispielsweise am Motorblock der Verbren¬ nungsmaschine angeordneten Magnetdetektors ermittelt, der mit einem drehfest auf der Kur¬ belwelle angeordneten, magnetisch leitenden Zahnkranz zusammenwirkt. Einer der Zähne und/oder Zahnlücken des Zahnkranzes unterscheidet sich von den übrigen Zähnen bzw. Zahnlücken und dient als Referenz für die absolute Bestimmung des Kurbelwellen- Drehwinkels. Das Nockenwellen-Referenzsignal kann mit Hilfe einer Triggereinrichtung in Ab¬ hängigkeit von der absoluten Drehlage der Nockenwelle erzeugt werden. Das aus dem No¬ ckenwellen-Referenzsignal und dem absoluten Kurbelwellen-Sensorsignals abgeleitete zweite Drehwinkelmesssignal hat gegenüber dem ersten, auf die Referenzposition bezogenen Dreh¬ winkelmesssignal den Vorteil, dass Toleranzen und/oder Verschleiß im Nockenwellenantrieb (Kurbelwellenzahnrad, Antriebskette oder Zahnriemen, Ketten- oder Zahnriemenspanner, No¬ ckenwellenzahnrad, Anschlag- und Gegenanschlagelement) die Genauigkeit der Drehwinkel¬ messung nicht beeinflussen. Somit kann durch das Umschalten der Phasenwinkel-Regelung von dem referenzpositionsbezogenen Phasenwinkelsignal auf das absolute Phasenwinkelsig- nal die Genauigkeit der Phasenwinkeleinstellung weiter verbessert werden.
Vorteilhaft ist, wenn zunächst für die Drehzahl der Kurbelwelle mindestens ein Drehzahl¬ messwert detektiert wird, und wenn erst danach die Regelung des Phasenwinkels mit dem absoluten Phasenwinkelsignal weitergeführt wird. Dadurch wird vermieden, dass bei niedrigen Drehzahlen, bei denen mit Hilfe eines mit dem Kurbelwellenzahnrad zusammenwirkenden Magnetdetektors noch kein Drehzahlmesswert gemessen werden kann, nicht plausible Werte des absoluten Phasenwinkelsignals Positionierfehler der Nockenwelle verursachen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Elektromotor - bevor die Referenzposition erreicht wird - durch Pulsweitenmodulation mit einem vorgegeben Puls- Pausenverhältnis in Richtung der Referenzposition vorgesteuert. Solange noch keine brauch¬ baren Messwerte für die Phasenlage vorliegen, wird der Elektromotor zunächst „blind" ange¬ steuert. Dabei wird das Puls-Pausenverhältnis so gewählt, dass eine Beschädigung des An¬ schlagelements und des Gegenanschlagelements, unabhängig von der Position in der sich diese beim Start der Verbrennungsmaschine gerade befinden, sicher vermieden werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Puls-Pausenverhältnis in Abhängigkeit von der Detektion des Drehzahlmesswert verändert, wobei das Puls- Pausenverhältnis vorzugsweise vergrößert wird, sobald der Drehzahlmesswert detektiert wird. Der Wert, auf den das Puls-Pausenverhältnis vergrößert wird, kann in Abhängigkeit von min¬ destens einem Parameter, wie z.B. der Motortemperatur der Verbrennungsmaschine und da¬ mit den Schleppverlusten im Ventiltrieb gewählt werden. Die Detektion des Drehzahlmess¬ werts erfolgt vorzugsweise ab einer Kurbelwellendrehzahl von etwa 50 U/Min.
Vorteilhaft ist, wenn vor dem Positionieren des Anschlagelements gegen das Gegenan- schlagelement das Phasenwinkelsignal zur Bildung eines Phasengeschwindigkeitssignals dif¬ ferenziert wird, wenn das Phasengeschwindigkeitssignal mit einem Phasengeschwindigkeits- Schwellwert verglichen wird, und wenn für den Fall, dass das Phasengeschwindigkeitssignals größer ist als der Schwellwert, das Phasengeschwindigkeitssignal mit einem Sollwertsignal verglichen und beim Auftreten einer Abweichung der Elektromotor derart angesteuert wird, dass sich die Abweichung reduziert. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Messwerte für die Phasengeschwindigkeit mit einer für eine Phasengeschwindigkeitsregelung ausreichenden Genauigkeit vorliegen, wenn das Phasengeschwindigkeitssignal den Schwellwert überschrei¬ tet. Durch die Phasengeschwindigkeitsregelung kann der Verschleiß an dem Anschlagele- ment und dem Gegenanschlagelement reduziert und/oder eine Zerstörung dieser Teile ver¬ hindert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird (werden) der Betriebsstrom und/oder die Betriebsspannung und/oder die Drehzahl des Elektromotors begrenzt und/oder geregelt, bevor das Erreichen der Referenzposition detektiert wird. Dadurch wird die Kraft, mit welcher das Anschlagelement während des Startvorgangs der Verbrennungsmaschine gegen das Gegenanschlagelement positioniert wird, und somit der Verschleiß an dem Anschlag¬ bzw. Gegenanschlagelement begrenzt. Ferner wird eine Zerstörung dieser Teile verhindert.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teildarstellung einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine, die eine Einrichtung zum Einstellen der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle aufweist,
Fig. 2 eine Nockenwellen-Verstellvorrichtung,
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Zustandssignals für die Regelung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekun¬ den und auf der Ordinate der Zustand aufgetragen sind,
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines idealisierten Drehzahlverlaufs einer Verbren¬ nungsmaschine, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Drehzahl in U/min aufgetragen sind,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des tatsächlichen Phasenwinkels (durch Pluszeichen markierte Linie) und eines Sollwertsignals (unmarkierte Linie) für den Phasenwinkel, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Phasenwinkel in Grad aufgetragen sind,
Fig. 6 eine graphische Darstellung eines auf eine Referenzposition bezogenen
Phasenwinkelsignals, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordi¬ nate der Phasenwinkel in Grad aufgetragen sind, Fig. 7 eine graphische Darstellung des tatsächlichen Kurbelwellen-Drehwinkels
(unschraffierte Linie) und eines Messsignals (schraffierte Linie) für den Kurbelwellen- Drehwinkel, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Drehwinkel in Grad aufgetragen sind, und
Fig. 8 eine graphische Darstellung des tatsächlichen Drehwinkels (schraffierte Linie) eines Elektromotors, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Drehwinkel in Grad aufgetragen sind.
Eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle 3 relativ zur Kurbelwelle 5 einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine weist gemäß Fig. 1 ein Verstellgetriebe 1 auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist. Das Verstellgetriebe kann ein Umlaufge¬ triebe sein, beispielsweise ein Planeten- und/oder Taumelscheibengetriebe.
Die Antriebwelle ist drehfest mit einem Nockenwellenzahnrad 2 verbunden, das in an sich bekannter Weise über eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem auf der Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors drehfest angeordneten Kurbelwellenzahnrad in Antriebsverbindung steht. Die Abtriebwelle ist drehfest mit der Nockenwelle 3 verbunden. Die Verstellwelle ist dre¬ hest mit dem Rotor eines Elektromotors 4 verbunden. Das Verstellgetriebe 1 ist in der Nabe des Nockenwellenzahnrads 2 integriert.
Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle 3 und der Kurbelwelle 5 der Verbrennungsmaschine weist die Verstellvorrichtung ein fest mit der Antriebwelle des Ver¬ stellgetriebes 1 verbundenes Anschlagelement 6 und ein Gegenanschlagelement 7 auf, das drehfest mit der Nockenwelle 3 verbundenen ist und in Gebrauchsstellung in einer Referenz¬ position an dem Anschlagelement 6 zur Anlage kommt.
In Fig. 1 ist erkennbar, dass zur Messung des Kurbelwellendrehwinkels ein Magnetdetektor 8 vorgesehen ist, der die Zahnflanken eines aus einem magnetisch leitenden Werkstoff beste¬ henden, auf der Kurbelwelle 5 angeordneten Zahnkranzes 9 detektiert. Eine der Zahnlücken oder Zähne des Zahnkranzes 9 weist eine größere Breite auf als die anderen Zahnlücken bzw. Zähne und markiert eine Referenz-Drehwinkellage der Kurbelwelle 5.
Beim Starten des Verbrennungsmotors wird - unabhängig von der Position, in der sich die Kurbelwelle 5 gerade befindet - ein erstes Drehwinkelmesssignal auf einen Drehwinkelmess- signal-Startwert gesetzt, der beispielsweise den Wert null haben kann. Dann wird die Kurbel¬ welle z.B. mittels eines elektrischen Anlassers in Drehung versetzt und mit Hilfe des Magnet¬ detektors 8 wird ein Kurbelwellen-Sensorsignal erfasst, das bei einem Vorbeilaufen einer Zahnflanken des Zahnkranzes 9 jeweils seinen Zustand ändert. Bei Auftreten einer anstei¬ genden und/oder abfallenden Flanke (Zustandsänderung) des Kurbelwellen-Sensorsignals wird in einem Betriebsprogramm eines Steuergeräts ein Interrupt ausgelöst, bei dem das Drehwinkelmesssignal jeweils nachgeführt, beispielsweise durch Inkrementieren.
Beim Erreichen der Referenz-Drehwinkellage wird in dem Sensorsignal des Magnetdetektors 8, das nachstehend auch als Kurbelwellen-Sensorsignal bezeichnet wird, eine Referenzmarke erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kurbelwellen-Zahnkranz 9 an der Referenz- Drehwinkellage eine größere Lücke aufweist als zwischen seinen übrigen Zähnen. Sobald die Referenzmarke in dem Kurbelwellen-Sensorsignal detektiert wird, wird ein zweites Drehwin¬ kelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkellage zugeordneten Wert gesetzt. Danach wird das zweite Drehwinkelmesssignal bei jeder ansteigenden und/oder abfallenden Flanke (Zustandsänderung) des Kurbelwellen-Sensorsignals nachgeführt.
Als Elektromotor 4 ist vorzugsweise ein EC-Motor vorgesehen, der einen Läufer aufweist, an dessen Umfang eine Reihe von abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierten Magnetsegmenten angeordnet ist, die über einen Luftspalt mit Zähnen eines Stators magnetisch zusammenwirken. Die Zähne sind mit einer Wicklung bewickelt, die über eine Ansteuereinrichtung bestromt wird.
Die Lage der Magnetsegmente relativ zum Stator und damit der Verstellwellendrehwinkel wird mit Hilfe einer Messeinrichtung detektiert, die an dem Stator mehrere Magnetfeldsensoren 10 aufweist, die derart in Umfangsrichtung des Stators zueinander versetzt angeordnet sind, dass pro Umdrehung des Rotors eine Anzahl von Magnetsegment-Sensor-Kombinationen durchlaufen wird. Die Magnetfeldsensoren 10 erzeugen ein digitales Sensorsignal, das eine Reihenfolge von Sensorsignal-Zuständen durchläuft, die sich bei einer mechanischen Volldre¬ hung des Rotors so oft wiederholt, wie die Messeinrichtung Magnetfeldsensoren 10 aufweist. Dieses Sensorsignal wird nachfolgend auch als Verstellwellen-Sensorsignal bezeichnet.
Beim Starten des Verbrennungsmotors wird - unabhängig von der Position, in der sich der Rotor bzw. die Verstellwelle gerade befindet - ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal- Startwert gesetzt. Dann wird die Verstellwelle verdreht, wobei bei einem Zustandswechsel des Verstellwellen-Sensorsignals in dem Betriebsprogramm des Steuergeräts ein Interrupt ausge¬ löst wird, bei dem das Lagemesssignal nachgeführt wird.
Als Referenzsignalgeber für den Nockenwellendrehwinkel ist ein induktiver Sensor 11 vorgesehen, der mit einem auf der Nockenwelle 3 angeordneten Triggerrad 12 zusammen¬ wirkt. Wenn der induktive Sensor 11 eine Flanke des Triggerrads 12 detektiert, wird in einem Betriebsprogramm eines Steuergeräts ein Interrupt ausgelöst, bei dem der Kurbelwellendreh- winkel und der Verstellwellendrehwinkel für die Regelung des Phasenwinkels zur weiteren Verarbeitung zwischengespeichert werden.
Die Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle wird nachfolgend auch als Phasenlage bezeichnet. Diese beschreibt den Zeitpunkt der Ventilöffnung relativ zur Kolben¬ bewegung der Verbrennungsmaschine. Sie ist wie folgt definiert:
ε(t) = φcnk(t) - 2-φCam(t), (1)
wobei φcπk(t) der Kurbelwellendrehwinkel zum Zeitpunkt t, und φcam(t) den Nockenwellen¬ drehwinkel zum Zeitpunkt t bedeuten.
Beim Start der Verbrennungsmaschine ist es notwendig, so schnell wie möglich eine Sollposition des Phasenwinkels einzuregeln. Dies kann nur anhand eines Bezugswinkels er¬ folgen, da der Phasenwinkel erst ermittelt werden kann, wenn die die Referenz- Drehwinkellage markierende Zahnlücken bzw. der Zahn gefunden und eine Flanke der No¬ ckenwelle erkannt ist.
Nach dem Starten der Verbrennungsmaschine wird zunächst eine Anschlagfahrt durchgeführt, bei zwei Strategien denkbar sind:
a) Das Anschlagelement wird mit Hilfe des Elektromotors 4 mit einer vorgegeben Kraft in Richtung des Gegenanschlagelements gesteuert, bis die Referenzposition erreicht ist.
b) Es wird die Phasengeschwindigkeit auf eine vorgegebene Sollphasengeschwindigkeit geregelt, bis die Referenzposition erreicht ist.
Der Phasenwinkel kann während der Anschlagfahrt in zwei Teile zerlegt werden: ^(0 - [Ä -2 - Ä] + ([^(0 -^l] + 2-[^m(0-Ä] )= ^(0) + ^Re/(0. (2)
Dabei sind
• Φ(0)cnk(t) = Φcnk(to) der Kurbelwellendrehwinkel am Anfang der Anschlagsfahrtphase,
• φ(0)cam(t) = φcam(to) der Nockenwellendrehwinkel am Anfang der Anschlagsfahrtphase,
• ε (0) = ε cnk(to) der Phasenwinkel am Anfang der Anschlagsfahrtphase und
• ε Rei(t) der Phasenwinkel, der vom Beginn der Anschlagsfahrtphase bis zum aktuellen Zeitpunkt t verstellt wurde. Er kann auch als relativer Anteil des Phasenwinkels bezüglich des Anfangsphasenwinkels bezeichnet werden.
Da die Messeinrichtung für den Drehwinkel des Rotors des Elektromotors 4 eine höhere Auflösung hat als der induktive Sensor 11 der Nockenwelle 3, wird der Drehwinkel der No¬ ckenwelle 3 nicht direkt, sondern mit Hilfe der Getriebegleichung des Verstellgetriebes 1 aus dem Lagemesssignal berechnet. Damit und aus Gleichung (1) ergibt sich die folgende Formel zur Bestimmung des relativen Anteils des Phasenwinkels:
%e/(0 = — ■ (2 -[φEm(t) - φ^]-[φCnk(t) - φ^k] ) (3)
- t
Dabei sind
* Φ(0)Em(t) = cpEm(to) der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors am Anfang der Anschlags¬ fahrtphase,
* ψEm(t) der Drehwinkel des Rotors vom Anfang der Anschlagsfahrtphase bis zu dem aktuellen Zeitpunkt t.
Beim Start der Verbrennungsmaschine ist ε (0) unbekannt. Deswegen ist der aktuelle Phasenwinkel ε(t) während dieser Phase auch unbekannt. Für diese Phase wird nur der rela¬ tive Anteil des Phasenwinkels benötigt. Dieser wird dazu verwendet, die Phasengeschwindig- keit zu berechnen, die für Phasengeschwindigkeitsregelung bei der Anschlagsfahrt benötigt wird, falls Strategie b) zur Anwendung kommt (siehe oben). Außerdem wird der relative Anteil des Phasenwinkels zum Auffinden der Referenzposition verwendet. Wenn die Referenzpositi¬ on erreicht wird, bleibt der Phasenwinkel und somit auch dessen relativer Anteil nahezu kon¬ stant, obwohl der Elektromotor noch weiter in dieselbe Richtung bestromt wird.
Nachdem die beim Erreichen der Referenzposition auftretende Abnahme der Änderungsge¬ schwindigkeit des Phasenwinkelsignals detektiert und die Referenzposition somit erkannt wurde, wird der Phasenwinkel mit der Referenzposition als Sollwert und dem ersten Drehwin- kelmesssignal als Istwertsignal solange geregelt, bis nachstehend noch näher erläuterten Be¬ dingungen für die Regelung des Phasenwinkels mit dem zweiten Drehwinkelmesssignal als Sollwertsignal erfüllt sind. Der Phasenwinkel kann auch hier wieder in zwei Teile zerlegt wer¬ den:
ε(t) = εHstoP + εReι(t), (4)
wobei επstop der Phasenwinkel am Bezugsanschlag und ε Reι(t) der Phasenwinkel ist, der vom Beginn der Regelungsphase, bei der das erste Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal ver¬ wendet wird, bis zum aktuellen Zeitpunkt t verstellt wurde. Er ist der relative Anteil des Pha¬ senwinkels bezüglich der Referenzposition. Dieser relative Anteil des Phasenwinkels kann wiederum mit Hilfe der Getriebegleichung des Verstellgetriebes berechnet werden:
^Re/ (0 = — • (2 • lψEm (t) - φEmmop ] " [<Pc„k (0 - ΨCΛ,HS,OP - ) • (5)
1S
wobei
<PEm,Hstop = φEm(t) der Drehwinkel des Elektromotor-Rotors am Anfang der Regelungsphase ist, bei der das erste Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal verwendet wird,
φcnk,HstoP(t) = <Pcnk(tHstoP) der Drehwinkel des Elektromotor-Rotors am Anfang der Regelungsphase ist, bei der das erste Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal verwendet wird, . _ .
- 12 -
• <PEm(t) der Drehwinkel des Elektromotor-Rotors vom Beginn der Regelungsphase ist, bei der das erste Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal verwendet wird, bis zum aktuellen Zeitpunkt t ist und
• Φcnk(t) der Kurbelwellen-Drehwinkel vom Beginn der Regelungsphase ist, bei der das erste Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal verwendet wird, bis zum aktuellen Zeitpunkt t be¬ zeichnet.
Nachdem die Referenzmarke in dem Kurbelwellen-Sensorsignal und das Nockenwellen- Referenzsignal detektiert wurden, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 500 U/Min über¬ schreitet und der Phasenwinkel in einem plausiblen Bereich liegt, wird der Phasenwinkel mit dem zweiten Kurbelwellen-Drehwinkelmesssignal als Istwertsignal geregelt. Während dieser Phase der Regelung wird der Phasenwinkel durch
£Rel (0 = εAbs + — • (2 • {ψEmJCyc ~ ΨEmJCam ] ~ iψcnkJCyc ~ ΨcnkJCam 1 ) > (6)
— 1„
bestimmt. Dabei sind
• <PEm,icyc = φEmftcyc) der Drehwinkel des Elektromotor-Rotors von der letzten Erkennung der Referenzmarke bis zu dem aktuellen zyklischen Interrupt,
• φcnk,ιcyo = Φcπk(tιcyc) der Kurbelwellen-Drehwinkel von der letzten Erkennung der Referenzmarke bis zu dem aktuellen zyklischen Interrupt,
• <PEm,icam der Drehwinkel des Elektromotor-Rotors von der letzten Erkennung der Referenzmarke bis zu dem letzten zyklischen Interrupt,
• (Pcnwcam der Kurbelwellen-Drehwinkel von der letzten Erkennung der Referenzmarke bis zu dem letzten zyklischen Interrupt,
• εAbs der Phasenwinkel, der bei jedem zyklischen Interrupt ermittelt wird und gleich dem Kurbelwellen-Drehwinkel zum Zeitpunkt des Auftreten des Nockenwellen-Referenzsignals ist. Die Drehzahl-Schwellwert von 500 U/Min, sorgt dafür, dass die Phasenwinkel-Regelung mit dem zweiten Drehwinkelmesssignal als Sollwertsignal nur in einem Motordrehzahlbereich durchgeführt wird, in dem die Flanken der Zähne des Kurbelwellen-Zahnkranzes 9, die Refe¬ renzmarke und das Nockenwellen-Referenzsignal sicher entdeckt werden können. Außerdem wird die Phasenwinkel-Regelung mit dem zweiten Drehwinkelmesssignal als Sollwertsignal nur durchgeführt, wenn der Phasenwinkel, der mit Hilfe des zweiten Kurbelwellen- Drehwinkelsignals ermittelt wurde, in dem Verstellbereich der Verstellvorrichtung liegt. Ein un¬ plausibler Phasenwinkel kann durch einen Hardwaredefekt (z.B. Anschlagausfall), Messsig- nalerfassungsfehler (z.B. falsche Flankenerfassung am Kurbelwellen-Zahnkranz 9) oder die Signalverarbeitung (falsche Erkennung der Referenzmarke, falsche Nachführung des Dreh- winkelmesssignals usw.) verursacht werden. Solche Fehlerfälle werden durch geeignete Not¬ maßnahmen behandelt.
Die oben dargestellte Startstrategie kann wie folgt zusammengefasst werden:
a) Nach dem Motorstart (d.h. nachdem das Anlasser-Signal von Null auf eins springt) bis ein Kurbelwellen-Drehzahlmesswert detektiert wird: Vorsteuerung des Elektromotors 4 in Richtung der Referenzposition mit einem Pulsweiten-Modulationsverhältnis von 20%.
b) Nachdem ein Kurbelwellen-Drehzahlmesswert detektiert wurde, wird der Elektromotor 4 mit einem von mindestens einem Betriebsparameter abhängigen Pulsweiten- Modulationsverhältnis von z.B. 30% in Richtung der Referenzposition mit einer vorgege¬ ben Geschwindigkeit und einer Begrenzung seines Betriebsstroms und seiner Betriebs¬ spannung positioniert. Dafür und auch für die Anschlagserkennung wird der Phasenwinkel gemäß Gleichung (3) berechnet. Diese Phase der Regelung wird beendet, wenn der An¬ schlag erreicht und erkannt wird, oder wird abgebrochen, wenn die Bedingungen für eine Phasenlage-Regelung mit dem zweiten Kurbelwellen-Drehwinkelsignal als Sollwertsignal erfüllt sind.
c) Nachdem die Referenzposition erkannt wurde, wird der Phasenwinkel bezüglich der Referenzposition geregelt. Dafür muss der Phasenwinkel am Anschlag bekannt sein. Der aktuelle Phasewinkel wird mittels Gl. (4) und (5) berechnet. Diese Phase der Regelung wird abgebrochen, wenn der Anschlag erreicht und erkannt wird, oder wird abgebrochen, wenn die Bedingungen für eine Phasenlage-Regelung mit dem zweiten Kurbelwellen- Drehwinkelsignal als Sollwertsignal erfüllt sind und der Anschlag noch nicht erreicht wur¬ de. d) Die Phasenlage-Regelung mit dem zweiten Kurbelwellen-Drehwinkelsignal als
Sollwertsignal wird durchgeführt, sobald die folgenden Bedingungen erfüllt werden: die Motordrehzahl der Verbrennungsmaschine ist größer oder gleich 500 U/Min, die Refe¬ renzmarke wurde erkannt und der mit Hilfe des zweiten Kurbelwellen-Drehwinkelsignal ermittelte Phasenwinkel liegt in einem plausiblen Bereich. Für diese Regelung wird der Phasenwinkel mittels Gleichung (6) berechnet.
Nachstehend wird das Verfahren anhand der in Fig. 4 bis 8 gezeigten Simulationsergebnisse erläutert. Dabei wurde für die Anschlagsfahrt die Strategie Phasengeschwindigkeitsregelung verwendet.
Bei der Zeit t = 0.02 s wird die Verbrennungsmaschine gestartet. Die Motordrehzahl erreicht bei t = 0.2 s den Wert von 800 U/Min und bleibt von da ab bis zum Ende der Simulation kon¬ stant. Bei t = 0.0375 s wird die Anschlagsfahrt begonnen (SCam = 4), da die Motordrehzahl von 50 U/Min zu diesem Zeitpunkt erreicht wird. An dieser Stelle hat der Kurbelwellen- Drehwinkel bezüglich der Motorstartposition einen Wert von 7° und der Drehwinkel des Elekt¬ romotors einen Wert von 0°. Diese Werte werden als Referenzwinkel φ^ und φ^k für die Be¬ rechnung des Phasenwinkels gemäß Gleichung (3) verwendet. Nachdem der Anschlag zum Zeitpunkt t = 0.08 s, erreicht wurde, dauert es 25 ms, bis er erkannt wird (t = 0.105 s). Für die Anschlagsfahrt wird ein Anfangsphasenwinkel von 148° Kurbelwelle angenommen.
Ab t = 0.105 s wird der Phasenwinkel bezüglich der Referenzposition geregelt (SCam =5). Die Werte, die der Kurbelwellen-Drehwinkel (φCnk = 106°) und der Rotor-Drehwinkel (φEm = 213.5°) zu dem Zeitpunkt haben, dienen während dieser Phase als Referenzwinkel φcnk,HstoP und φCnk,Hstop für die Berechung des Phasenwinkels nach Gleichung (5). Dabei be¬ trägt der Phasenwinkel an der Referenzposition 154°, siehe Gleichung (4).
Die Regelung mit dem zweiten Kurbelwellen-Drehwinkelsignal als Sollwertsignal wird erst bei t = 0.2375 s begonnen (SCam = 6), nachdem die Drehzahlschwelle von 500 U/Min bei t = 0.135 s erreicht und die erste Referenzmarke bei t = 0.125 s sowie eine Flanke des No¬ ckenwellen-Referenzsignals entdeckt wurden. Am Anfang der Phase hat der mit Hilfe des zweiten Drehwinkelmesssignals ermittelte Phasenwinkel εAbs den Wert 107.5° und beim nächsten Auftreten der Flanke des Nockenwellen-Referenzsignals (t= 0.39 s) den Wert 119.5°. . _
- 15 -
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle 3 einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle 5. Die Kurbelwelle 5 steht über ein Verstellgetriebe 1 mit der Nockenwelle 3 in Antriebsverbindung, das als Dreiwellen¬ getriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer mit einem Elektromotor 4 in Antriebsverbindung stehenden Verstellwelle ausgebildet ist. Mit der Antriebwelle ist ein Anschlagelement 6 und mit der Nockenwelle 3 ein Gegenan- schlagelement 7 verbunden, das in mindestens einer Referenzposition mit dem Anschlagele¬ ment 6 zusammenwirkt. Bei einem Startvorgang der Verbrennungsmaschine werden ein Kur- belwellen-Drehwinkelmesssignal und ein Lagemesssignal für den Drehwinkel der Verstellwelle erfasst. Mit Hilfe des Drehwinkelmesssignals, des Lagemesssignals und einer Getriebekenn¬ größe des Dreiwellengetriebes wird ein Phasenwinkelsignal für die auf eine Startposition be¬ zogene Drehwinkellage der Nockenwelle 3 relativ zur Kurbelwelle 5 ermittelt. Nachdem das Anschlagelement 6 gegen das Gegenanschlagelement 7 positioniert und das Erreichen der Referenzposition detektiert wurde, wird der Phasenwinkel relativ zur Referenzposition gemes¬ sen und auf ein Sollwertsignal geregelt.
Bezuαszeichenliste
Verstellgetriebe
Nockenwellenzahnrad
Nockenwelle
Elektromotor
Kurbelwelle
Anschlagelement
Gegenanschlagelement
Magnetdetektor
Zahnkranz
Magnetfeldsensor induktiver Sensor
Triggerrad

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle (3) einer Hubkolben- Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle (5), insbesondere während eines Start¬ vorgangs der Verbrennungsmaschine, wobei die Kurbelwelle (5) über ein Verstellge¬ triebe (1) mit der Nockenwelle (3) in Antriebsverbindung steht, das als Dreiwellenge¬ triebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswel¬ le und einer mit einem Elektromotor (4) in Antriebsverbindung stehenden Verstellwelle ausgebildet ist, a) wobei ein Drehwinkelmesssignal auf einen Drehwinkelmesssignal-Startwert gesetzt wird, b) wobei die Kurbelwelle (5) verdreht und ein Kurbelwellen-Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Drehwinkeländerung der Kurbelwelle (5) seinen Zustand än¬ dert, c) wobei bei einem Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen- Sensorsignals das Drehwinkelmesssignal nachgeführt wird, d) wobei ein Lagemesssignal auf einen Lagemesssignal-Startwert gesetzt wird, e) wobei die Verstellwelle verdreht und ein Verstellwellen-Sensorsignal erfasst wird, das bei einer Veränderung der Drehlage der Verstellwelle seinen Zustand än¬ dert, f) wobei bei einem Auftreten einer Zustandsänderung des Verstellwellen- Sensorsignals das Lagemesssignal nachgeführt wird, g) wobei mit Hilfe des Drehwinkelmesssignals, des Lagemesssignals und einer Getriebekenngröße des Verstellgetriebes (1) ein Phasenwinkelsignal für die Drehwinkellage der Nockenwelle (3) relativ zur Kurbelwelle (5) ermittelt wird, h) wobei die Kurbelwelle (5) und die Nockenwelle (3) in einer Referenzposition relativ zueinander verspannt werden und das Erreichen der Referenzposition de- tektiert wird, i) wobei beim Detektieren der Referenzposition das Phasenwinkelsignal auf einen der Referenzposition zugeordneten Referenzwert gesetzt wird, k) wobei danach das Phasenwinkelsignal bei einer Zustandsänderung des Dreh¬ winkelmesssignals und/oder des Lagemesssignals nachgeführt wird,
I) und wobei der Phasenwinkel geregelt wird, indem das so erhaltene referenzposi- tionsbezogene Phasenwinkelsignal mit einem Sollwertsignal verglichen und beim Auftreten einer Phasenwinkel-Abweichung der Elektromotor (4) derart angesteu¬ ert wird, dass sich die Abweichung reduziert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Verspannen der Kur¬ belwelle (5) mit der Nockenwelle (3) ein mit der Antriebwelle verbundenes Anschlag¬ element (6) gegen ein mit der Nockenwelle (3) verbundenes Gegenanschlagelement (7) positioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (5) und die Nockenwelle (3) mit Hilfe eines Federelements miteinander verspannt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Er¬ reichen der Referenzposition anhand einer Veränderung der Änderungsgeschwindig¬ keit des Phasenwinkelsignals detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Er¬ reichen einer vorgegebenen Referenz-Drehwinkellage der Kurbelwelle (5) in dem Kur¬ belwellen-Sensorsignal eine Referenzmarke erzeugt wird, dass beim Auftreten der Re¬ ferenzmarke ein zweites Drehwinkelmesssignal auf einen der Referenz-Drehwinkel¬ lage zugeordneten Wert gesetzt wird, dass das zweite Drehwinkelmesssignal beim Auftreten einer Zustandsänderung des Kurbelwellen-Sensorsignals nachgeführt wird, dass beim Erreichen einer vorgegebenen Drehwinkellage der Nockenwelle (3) ein No¬ ckenwellen-Referenzsignal erzeugt wird, dass die beim Auftreten des Nockenwellen- Referenzsignals jeweils vorliegenden Messwerte des Drehwinkelmesssignals und des Lagemesssignals bestimmt und mit diesen Messwerten und der Getriebekenngröße ein Wert für ein absolutes Phasenwinkelsignal ermittelt wird, dass die Drehzahl der Verbrennungsmaschine gemessen und mit einem vorgegebenen Drehzahlschwellwert verglichen und beim Überschreiten des Drehzahlschwellwerts die Regelung des Pha¬ senwinkels mit dem absoluten Phasenwinkelsignal als Istwertsignal weitergeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ab¬ solute Phasenwinkelsignal mit einem vorgegebenen Wertebereich verglichen wird, und dass die Regelung des Phasenwinkels nur dann mit dem absoluten Phasenwinkelsig¬ nal weitergeführt wird, wenn das Phasenwinkelsignal in dem vorgegebenen Wertebe¬ reich liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst für die Drehzahl der Kurbelwelle (5) mindestens ein Drehzahlmesswert detektiert wird, und dass erst danach die Regelung des Phasenwinkels mit dem absoluten Phasen¬ winkelsignal weitergeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bevor das Anschlagelement (6) gegen das Gegenanschlagelement (7) positioniert wird, der Elektromotor (4) durch Pulsweitenmodulation mit einem vorgegeben Puls-Pausen¬ verhältnis in Richtung auf die Referenzposition vorgesteuert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Puls-Pausenverhältnis in Abhängigkeit von der Detektion des Drehzahlmesswerts verändert wird, wobei das Puls-Pausenverhältnis vorzugsweise vergrößert wird, sobald der Drehzahlmesswert detektiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bevor das Anschlagelement (6) gegen das Gegenanschlagelement (7) positioniert wird, das Phasenwinkelsignal zur Bildung eines Phasengeschwindigkeitssignals differenziert wird, dass das Phasengeschwindigkeitssignal mit einem Phasengeschwindigkeits- Schwellwert verglichen wird, und dass für den Fall, dass das Phasengeschwindigkeits¬ signals größer ist als der Schwellwert, das Phasengeschwindigkeitssignal mit einem Sollwertsignal verglichen und beim Auftreten einer Abweichung der Elektromotor (4) derart angesteuert wird, dass sich die Abweichung reduziert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bevor das Erreichen der Referenzposition detektiert wird, der Betriebsstrom und/oder die Be¬ triebsspannung und/oder die Drehzahl des Elektromotors (4) begrenzt und/oder gere¬ gelt wird (werden).
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