DE4408425B4

DE4408425B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einregeln der Winkellage einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE4408425B4
Application number: DE4408425A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Gerd Dipl.-Ing. Meyer (FH); Gerhard Dipl.-Ing. Schneider; Guenther Dr.-Ing. Heling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1994-03-12
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2014-03-13
Also published as: KR950001447A; DE4408425A1; KR100339114B1

Abstract

Verfahren zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer Kurbelwelle bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage mit Hilfe eines Stellgliedes, das von einer mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden Regelungseinrichtung mit einem Stellsignal angesteuert wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
– das Stellglied mit jeweils einem von drei Werten des Stellsignals ansteuerbar ist, nämlich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen von Einlaßventilen eines Verbrennungsmotors, eines Spätwertes zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlaßventilen und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage;
– die Verstellgeschwindigkeit (V_SCHÄTZ) der Nockenwelle abgeschätzt wird, wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vorliegen wird;
– aus dieser Verstellgeschwindigkeit und dem bekannten zeitlichen Verhalten (c, v_SCHÄTZ) der Nockenwellenverstellung nach dem Umschalten auf das Stellsignal vom Haltewert der Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) abgeschätzt wird, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage.

In der Patentanmeldungsveröffentlichung DE-A-40 06 950 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung aus dem vorstehend genannten Gebiet der Technik im Detail angegeben. Ein Stellglied wird von einem mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden PID-Regler mit einem Stellsignal angesteuert. Das Stellglied verfügt über zwei miteinander in Eingriff stehende Zahnräder mit Schrägverzahnung, von denen das eine mit der Nockenwelle verbunden ist und das andere über eine Kette von der Kurbelwelle angetrieben wird. Die Zahnräder können durch einen Verstellmechanismus in axialer Richtung gegeneinander verschoben werden, wodurch sich aufgrund der Schrägverzahnung eine Relativverdrehung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle ergibt. Der Verstellmechanismus wird vom Stellsignal angesteuert. Dieses Stellsignal wird mit PID-Verhalten, ausgehend von einer Regelabweichung, d. h. der Differenz zwischen der Ist-Winkellage und einer Soll-Winkellage gebildet. Die Soll-Winkellage wird abhängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des Motors aus einem Kennfeld ausgelesen.

Ein derartiges PID-Regelungsverfahren stellt relativ langsam auf einen neuen Sollwert ein, da die Verstellgeschwindigkeit mit kleiner werdender Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert immer kleiner wird.

Aus der DE 690 12 997 T2 ist ein veränderliches Zeitsteuersystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Nockenwelle Ventile betätigt. Die Kurbelwelle ist hierbei mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises winkelverstellbar, wobei der Regelkreis einen Fühler enthält, welcher den Winkel der Nockenwelle relativ zu dem Winkel der Kurbelwelle erfasst. Das System korrigiert sich quasi selbstständig, indem Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Nockenwellewinkel relativ zur Kurbelwelle und dem von dem Fühler erfassten scheinbaren Nockenwellewinkel im Wesentlichen ausgeschaltet werden.

Aus der DE 43 07 010 A1 ist ein selbstkalibrierendes, variables Nockenwellensteuersystem bekannt, bei dem ein von der Kurbelwelle über einen Riemen oder eine Steuerkette angetriebenes Rad zur Änderung der Ventilsteuerzeiten gegenüber der Nockenwelle drehbar angeordnet ist. Zur Einstellung der Drehlage des Rades gegenüber der Nockenwelle ist eine hydraulisch beaufschlagbare Flügelanordnung vorgesehen, bei der von der Nockenwelle getragene Flügel in Kammern des gehäuseartig ausgebildeten Rades greifen. Durch Druckbeaufschlagung der von den Flügeln in Räume unterteilten Kammern lässt sich die Drehlage von Rad und Nockenwelle und damit die Steuerzeiten für die Ventile einstellen. Weiterhin wird eine Regelschaltung zur Ansteuerung ein Nockenwellenverstelleinrichtung offenbart, bei der zur Kompensation veränderliche Einflussgrößen, wie beispielsweise Druck, Drehzahl, Temperatur etc., der Nettoeffekt dieser Einflussgrößen abgeschätzt wird. Die Regelschaltung nimmt das Auftreten dieser Einflussgrößen bzw. Störgrößen vorweg, indem eine bestimmte Nullarbeitsfrequenz entsprechend der Schätzung des Nettoeffektes eingestellt wird. Dieser Schätzwert wird von einem Nullnennwert eines Messsignals subtrahiert und ergibt so einen Gesamtwert, der in der Regelschleife zur benutzt wird. Das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine wird so kompensiert.

Aus der DE 393 20 785 A1 ist ein Regelsignalgeber für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Drehstellungsgeber, der eine erste und eine zweite Drehstellung einer Kurbelwelle des Motors signalisiert, wobei die erste und die zweite Drehstellung jeweils einer ersten bzw. zweiten Lage bezüglich des oberen Totpunkts des Kolbens jedes Zylinders entspricht. Hierbei ist der Ausgangsimpuls für einen bestimmten Bezugszylinder des Motors kurzer als die Impulse für die übrigen Zylinder. Der Bezugszylinder wird durch Vergleich der Impulsbreite bzw. des Arbeitsspiels pro Impuls mit der Impulsbreite bzw. des Arbeitsspiels der vorangegangenen, den übrigen Zylindern des Motors entsprechenden Impulsen ermittelt. Der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ausgangsimpulsen wird zur zeitlichen Regelung der Zündeinstellung des Motors herangezogen.

Aus der WO 91/01435 ist ein Steuersystem für variable Ventilsteuerzeiten bekannt, bei dem in einem geschlossenem Regelkreislauf die Ventilphase bestimmt wird, sobald ein entsprechender Eingabebefehl aus einem Steuergerät vorliegt. Hierbei ist der Eingabebefehl ein pulsweitenmoduliertes Signal, das mit einem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine synchronisiert ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Einregeln der Winkellage einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage anzugeben.

Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Merkmale von Anspruch 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale von Anspruch 10 gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeiten mit einem Dreipunktregler, der mit Schätzwerten für die zukünftige Istlage arbeitet. Das Stellsignal kann eines von drei Werten einnehmen, nämlich einen Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen von Einlassventilen, einen Spätwert zum Verstellen in Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlassventilen und einen Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage. Bei jedem Durchlaufen des Regelungsprogramms wird untersucht, welche Schätz-Winkellage die Nockenwelle zu Beginn des nächsten Programmdurchlaufs aufweisen wird. Stellt sich dabei heraus, dass sie dann schon so dicht bei der Soll-Winkellage stehen wird, dass sie diese selbst dann erreichen kann, wenn schon auf den Haltewert umgestellt wird, erfolgt die Umstellung, obwohl die Ist-Winkellage aktuell noch von der Soll-Winkel lage abweicht. Dadurch ist ein erheblich schnelleres Einregeln als bei PID-Regelung möglich, da bei PID-Regelung die Verstellgeschwindigkeit immer mehr abgesenkt wird, je mehr sich die Ist- der Soll-Winkellage nähert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt dagegen Verstellung mit maximaler Verstellgeschwindigkeit durch Ausgeben des Früh- oder des Spätwertes so lange, bis die Nockenwelle nur noch so weit von der Soll-Winkellage entfernt ist, daß sie in diese aufgrund der Trägheit des Verstellmechanismus auch beim Umschalten auf den Haltewert hineinläuft.

Der Verstellmechanismus verfügt typischerweise über ein Hydraulikventil mit zwei Kammern, die mit unterschiedlichen Mengen von Öl versorgt werden. Erhält nur die eine Kammer Öl, erfolgt eine Verstellung in Richtung Früh, erhält nur die andere Kammer Öl, erfolgt eine Verstellung in Richtung Spät, und erhalten beide Kammern im wesentlichen gleich viel Öl, bleibt der aktuelle Verstellwert erhalten. Diese Versorgung mit jeweils gleich viel Öl werde durch ein Tastverhältnis von Ansteuerungssignalen für Stellventile von 50 % beschrieben. In der Praxis sind leicht unterschiedliche Ölmengen, also etwas von 50 % abweichende Tastverhältnisse erforderlich, um den Verstellmechanismus in seiner Lage zu halten. Auch können unterschiedliche Tastverhältnisse für den Haltewert erforderlich sein, je nachdem ob ein Halten nach einer Verstellung in Richtung Früh oder nach einer Verstellung in Richtung Spät erforderlich ist. Um den Haltewert jeweils optimal einzustellen, wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung eine Adaption des Haltewertes vorgenommen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird auch eine Adaption der Endverstellgeschwindigkeitswerte vorgenommen, auf die sich Rechnungen zum Bestimmen der aktuellen Stellung stützen. Dadurch können Schätzwerte für die aktuelle Stellung auch dann sehr genau bestimmt werden, wenn sich Betriebsparameter des Verstellmechanismus ändern, z.B. die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit aufgrund einer Erwärmung derselben.

Zeichnung
1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 ist ein Flußdiagramm für eine Prozedur zum Bestimmen der Justierwerte für die Winkellage einer Nockenwelle; 4 ist ein Flußdiagramm für eine Prozedur zum Adaptieren der Endverstellgeschwindigkeit der Winkellage der Nockenwelle; 5 ist ein Flußdiagramm für eine Prozedur zur Adaption des Haltewerts des Stellsignals zum Einstellen der Soll-Winkellage; und 6 ist ein Flußdiagramm für eine Prozedur zur Bestimmung des neuen Stellwerts.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Nockenwellen-Verstellmechanismus 11, einem Kurbelwellen-Inkrementgeber 12, einem Nockenwellensignalgeber 13 und einer Regelungseinrichtung 14. Die Regelungseinrichtung 14 ist ein Mikrocomputer mit einer CPU 15, einem E/A-Interface 16, einem Taktgeber 17, einem RAM 18 und einem ROM 19, der Programme speichert, deren Funktion nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 erläutert wird.
Der Kurbelwellen-Inkrementgeber 12 gibt beim Ausführungsbeispiel alle 6° Kurbelwinkel ein Kurbelwelleninkrementsignal aus. Der Nockenwellen-Signalgeber 13 gibt nach jeweils 90° Umdrehung der Nockenwelle ein Nockenwellen-Winkelsignal aus. Bei einer Drehzahl des Motors von 600 U/min bedeutet dies, daß alle 50 ms ein Nockenwellen-Winkelsignal auftritt.
Der Nockenwellen-Verstellmechanismus 11 verfügt über ein die Nockenwelle antreibendes Zahnrad und ein von der Kurbelwelle angetriebenes Zahnrad, die jeweils eine Schrägverzahnung aufweisen. Diese zwei Zahnräder werden über eine Hydraulikeinrichtung in axialer Richtung gegeneinander verschoben, wodurch beim Ausführungsbeispiel insgesamt ein Verstellhub von 40° möglich ist. Der Hydraulikmechanismus verfügt über zwei Kammern, die mit unterschiedlichen Ölmengen versorgt werden. Um die Stellung des Hydraulikmechanismus zu halten, erhalten beide Kammern in etwa gleich viel Öl. Bei der Ansteuerung bedeutet dies für die Kammern ein Tastverhältnis von etwa 50 %. Bei Verstellung in Richtung Früh beträgt das Tastverhältnis nahe 0 % und bei Verstellung in Richtung Spät beträgt es nahe 100 %. Diese jeweiligen Tastverhältnisse werden eingestellt, wenn das dem Nockenwellen-Verstellmechanismus 11 von der Regelungseinrichtung 14 zugeführte Stellsignal entweder einen Haltewert oder einen Frühwert bzw. einen Spätwert aufweist.
2: Funktionsübersicht
Eine Übersicht über im ROM 19 gespeicherte Programme zum Bestimmen des jeweiligen Wertes des Stellsignals wird nun anhand des Flußdiagramms von 2 erläutert. Bei den Programmen handelt es sich um ein Initialisierungsprogramm, ein (nichtdargestelltes) Hintergrundprogramm und zwei Interruptroutinen.
Nach dem Start des Verfahrens erfolgt in einem Schritt s1 eine Initialisierung. In diesem werden u. a. bestimmte vorgegebene Größen eingestellt, wie sie bei im folgenden erläu terten Berechnungen verwendet werden. Diese Größen werden für jeden Motortyp und jeden Typ des Nockenwellen-Verstellmechanismus 11 auf einem Prüfstand appliziert. Beim Ausführungsbeispiel müssen die applizierten Werte nicht besonders genau bestimmt werden, da im Programmablauf verschiedene Adaptionen vorgenommen werden, mit denen applizierte Werte modifiziert werden. Im Initialisierungsschritt s1 wird auch eine Größe "nächster Stellwert" auf den Spätwert des Stellsignals gestellt. Der Initialisierungsschritt s1 wird nur einmalig beim Start des Ablaufs gemäß 2 durchlaufen.
Im Hintergrundprogramm werden die aktuellen Werte von Motorbetriebsgrößen erfaßt, wie z. B. die Werte der Drehzahl, der Drosselklappenstellung und der Motortemperatur. Mit Hilfe dieser Werte wird durch Auswertung von Kennlinien und Kennfeldern die zum aktuellen Betriebszustand des Motors 10 zugehörige Soll-Winkellage der Nockenwelle (NW) bestimmt. In diesem Programmteil wird des weiteren in Abhängigkeit von der Drehzahl festgelegt, ob alle Signale des NW-Winkelsignals, z. B. vier Signale pro NW-Umdrehung, ausgewertet werden oder ob lediglich eines der Signale je NW-Umdrehung ausgewertet wird, was bei höheren Drehzahlen von z. B. über 3000 U/min zum einen ausreichend ist und zum anderen die Rechnerbelastung vermindert. Für das Umschalten zwischen dem Betrieb unter Ausnutzung aller Signale bzw. unter Ausnutzung nur eines der Signale wird eine Hysterese von einigen Zig U/min vorgesehen.
Die in 2 außer dem Initialisierungsprogramm veranschaulichten zwei Interruptroutinen werden unter den folgenden Bedingungen ausgelöst. Die linke Routine wird beim Auftreten eines NW-Winkelsignals ausgelöst, wobei die eben diskutierte Fallunterscheidung vorgenommen wird, also bei kleineren Drehzahlen alle Winkelsignale verwertet werden, bei höheren Drehzahlen dagegen nur ein Signal pro NW-Umdrehung verwertet wird. Bei 600 U/min des Verbrennungsmotors wird diese Routine im oben genannten Fall alle 50 ms gestartet. Die rechte Routine zum Bestimmen eines neuen Stellwertes für den Nockenwellen-Verstellmechanismus 11 wird dagegen immer dann ausgelöst, wenn der beim vorigen Durchlauf der Routine ermittelte Stellwert ausgegeben wird. Dieses Auslesen erfolgt in einem festen Zeitraster mit einer Periodendauer von z. B. 5 ms.
Die linke Routine, die maßgeblich zu Adaptionszwecken dient, verfügt über Schritte s2 bis s6. Im Schritt s2 wird der Ist-Wert α_IST der NW-Winkellage ausgehend von dem beim Auftreten des Interrupts gemessenen Rohwert unter Berücksichtigung von Justierwerten bestimmt. Die Justierwerte werden bei der Endmontage eines Fahrzeugs bestimmt und im Schritt s3 adaptiert, was weiter unten unter Bezugnahme auf 3 erläutert wird.
Im Schritt s4 wird der in einem Schritt s13.2, der weiter unten erläutert wird, berechnete Wert für die geschätzte NW-Winkellage α_SCHÄTZ ausgehend vom Istwert zum Interruptzeitpunkt korrigiert. Dadurch wird ein korrigierter Schätzwert α_SCHÄTZ' erhalten. Die Korrektur kann z. B. dadurch erfolgen, daß zum Istwert, wie er zum Interruptzeitpunkt für die linke Routine gemessen wurde, diejenige Winkeländerung addiert wird, die die Nockenwelle unter Berücksichtigung einer geschätzten Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ im Zeitraum zwischen dem Interruptzeitpunkt für die linke Routine und dem nächsten Interruptzeitpunkt für die rechte Routine zurücklegt. Der sich ergebende Wert α_SCHÄTZ' wird im folgenden Schritt s5 zur Adaption der Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle verwendet, sofern gewisse Voraussetzungen erfüllt sind. Genauer gesagt, werden eine Endverstellgeschwindigkeit v_FRÜH in Richtung Früh und eine Endverstellgeschwindigkeit in Richtung Spät v_SPÄT adaptiert. Einzel heiten werden unten anhand des Flußdiagramms von 4 erläutert.
Im folgenden Schritt s6 wird die geschätzte NW-Winkellage α_SCHÄTZ unter Berücksichtigung des gemessenen und korrigierten Istwerts der NW-Winkellage berechnet und als Wert abgespeichert, wie er beim Auslösen der rechten Routine durch Ausgeben des nächsten Stellwertes vorliegt.
Diese rechte Routine verfügt über Schritte s7 bis s13, in denen hauptsächlich der Stellwert berechnet wird, wie er beim nächsten Auslösen dieser Routine ausgegeben wird. Die Schritte s7 bis s11 dienen dazu, eine Größe v_END entweder auf den bereits genannten Wert v_SPÄT oder den Wert v_FRÜH oder auf 0 zu setzen. v_END ist dabei die Endverstellgeschwindigkeit, wie sie die Nockenwelle in bezug auf die Kurbelwelle erreicht, wenn sie über längere Zeit mit dem Stellsignal für Verstellung in Richtung Spät oder in Richtung Früh angesteuert wird. Die Größe v_END wird bei der Berechnung des Stellwerts gemäß dem bereits genannten Schritt s13 benötigt. In den Schritten s8 und s10 wird außerdem festgehalten, ob ein Wechsel vom Haltewert zum Spätwert bzw. zum Frühwert hin erfolgte. Nach diesen Schritten wird der Haltewert adaptiert (Schritt s12, 5) und der neue Stellwert wird bestimmt (Schritt s13, 6).
3: Adaption der Justierwerte (Schritt s3)
Die oben genannten Justierwerte betreffen das Problem, daß der Winkel zwischen dem oberen Totpunkt eines Zylinders und dem zugehörigen Signal des NW-Signalgebers 13 nicht genau festliegt und daß der NW-Signalgeber seine vier Signale (beim Ausführungsbeispiel) pro NW-Umdrehung nicht exakt alle 90° ausgibt, sondern z. B. 1° (statt 0°) nach dem oberen Totpunkt sowie 89°, 178° und 272° nach demselben. Um die korrekten Werte von 0°, 90°, 180° und 270° zu erhalten, muß vom jeweiligen Meßwert, wie er die linke Interruptroutine auslöst, ein jeweiliger Justierwert abgezogen werden, der für die vier Signale beim Beispielsfall –1°, +1°, +2° bzw. –2° beträgt, um im Schritt s2 den korrigierten Istwert α_IST zu erhalten. Beim Ausführungsbeispiel werden ein globaler Justierwert sowie signalindividuelle Justierwerte bei der Endmontage und beim weiteren Betrieb des Fahrzeugs mit dem durch 3 veranschaulichten Verfahren eingestellt, das über Schritte s3.1 bis s3.10 verfügt.
Im Schritt s3.1 wird überprüft, ob der Sollwert der NW-Winkellage lange genug dem Spätanschlag entspricht, so daß davon ausgegangen werden kann, daß der Spätanschlag erreicht wurde. Ist die vorgegebene Zeit von z. B. 0,5 s noch nicht verstrichen, wird unmittelbar der Schritt s4 erreicht. Andernfalls wird im Schritt s4.2 geprüft, ob die Drehzahl unter einer applizierbaren Schwelle von z. B. 3000 U/min liegt. Ist dies nicht der Fall, wird ebenfalls sofort der Schritt s4 erreicht. Diese Schritte sorgen dafür, daß Fehlereinflüsse beim Vornehmen der Adaption nach Möglichkeit ausgeschlossen werden und die Rechnerbelastung vermindert wird.
Im Schritt s3.3 wird die Differenz zwischen dem korrigierten Istwert α_IST für die Endlage und dem vorgegebenen Wert Null als Winkel α_EINSTELL für die Endlage gebildet. Im Schritt s3.4 wird die Unterscheidung getroffen, ob der globale Justierwert korrigiert werden soll, der für einen Referenzzylinder gilt oder ein signalindividueller Wert. Gehört das aktuelle NW-Winkelsignal zum Referenzzylinder, erfolgt im Schritt s3.5 eine Veränderung des globalen Justierwertes durch einen applizierbaren Anteil der ermittelten Differenz, was durch Tiefpaßfilterung erfolgt, so daß davon auszugehen ist, daß beim nächsten Programmdurchlauf die Differenz kleiner. Danach wird der Schritt s3.10 erreicht.
Wurde im Schritt s3.4 festgestellt, daß ein signalindividueller Justierwert zu korrigieren ist, wird im Schritt s3.6 geprüft, ob die im Schritt s3.3 ermittelte Differenz größer als "0" ist. Ist dies der Fall, wird im Schritt s3.7 der zum betroffenen Zylinder gehörende Justierwert um einen festen Betrag in solcher Richtung verändert, daß davon auszugehen ist, daß beim nächsten Programmdurchlauf die Differenz kleiner ist oder ein Wert mit umgekehrtem Vorzeichen auftritt. Danach wird der Schritt s3.10 erreicht.
Wurde im Schritt s3.6 festgestellt, daß die Differenz nicht größer als "0" ist, wird im Schritt s3.8 geprüft, ob die im Schritt s3.3 ermittelte Differenz kleiner als "0" ist. Ist dies der Fall, wird im Schritt s3.9 der zum betroffenen Zylinder gehörende Justierwert um einen festen Betrag in solcher Richtung erhöht, daß davon auszugehen ist, daß beim nächsten Programmdurchlauf die Differenz kleiner wird oder ein Wert mit umgekehrtem Vorzeichen auftritt. Danach wird der Schritt s3.10 erreicht.
Im Schritt s3.10 wird der im Schritt s2 bereits schon einmal korrigierte Meßwert der NW-Winkellage unter Berücksichtigung des neuen zugehörigen Justierwertes korrigiert. Danach folgt der Schritt s4.
4: Adaption der Verstellgeschwindigkeiten (Schritt s5)
In die Berechnung der Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ und damit in die Berechnung der davon abhängigen Werte geht die Endverstellgeschwindigkeit v_END entscheidend ein. Damit diese dauernd möglichst genau bekannt ist, erfolgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel laufend eine Adaption im Schritt s5, der über Unterschritte s5.1 bis s5.9 verfügt.
In den Schritten s5.1, s5.2, s5.3 und s5.4 werden Bedingungen überprüft, unter denen die Adaption der Verstellgeschwindigkeit stattfinden darf. Ist eine der Bedingungen nicht erfüllt, wird unmittelbar der Schritt s6 erreicht.
Im Schritt s5.1 wird überprüft, ob die Dauer der Verstellung in einer Richtung eine applizierbare Zeitgrenze von z. B. 50 ms erreicht. Damit soll der Anfangsbereich einer Verstellung, in dem nicht von determinierten Zuständen ausgegangen werden kann, ausgeblendet werden. Im Schritt s5.2 wird geprüft, ob sich die NW-Winkellage in der Nähe einer der beiden Anschlagspositionen befindet, da auch in diesen Fällen nicht von determinierten Zuständen ausgegangen werden kann.
Im Schritt s5.3 wird geprüft, ob sich die Motordrehzahl im Übergangsbereich befindet, in dem zwischen der Auswertung von allen NW-Winkelsignalen und der Auswertung von nur einem Signal je NW-Umdrehung umgeschaltet wird. Da bei gleichen physikalischen Verhältnissen aufgrund der unterschiedlichen Auswertung unterschiedliche Verstellgeschwindigkeiten adaptiert werden, ist im Übergangsbereich eine Adaption nicht sinnvoll.
Die Adaption erfolgt durch den Vergleich der gemessenen NW-Winkellage α_IST mit der geschätzten NW-Winkellage α_SCHÄTZ'. Diese geschätzte Winkellage wird mit Hilfe der geschätzten Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ ermittelt. Stimmen die beiden NW-Winkellagen nicht überein, wird davon ausgegangen, daß der Wert v_SCHÄTZ nicht richtig ermittelt wurde. v_SCHÄTZ wird aus den beiden Endverstellgeschwindigkeiten v_FRÜH bzw. v_SPÄT berechnet. Soll einer der beiden Werte adaptiert werden, muß sichergestellt sein, daß sich ein vorangegangener Wert nicht zu stark auf v_SCHÄTZ aus wirkt. Zum Beispiel werden nach dem ersten Ausgeben einer Anforderung für eine Verstellung in Richtung Spät nach einer gewissen Zeitspanne andere Verhältnisse erzielt, wenn die Verstellung in Richtung Spät nach einem Haltezustand erfolgt, als wenn sie nach einer Verstellung in Richtung Früh erfolgt. Um von solchen Unterschieden weitgehend unabhängig zu sein, wird die Prüfung gemäß Schritt s5.4 durchgeführt.
Im Schritt s5.5 wird aus der Differenz zwischen der geschätzten NW-Winkellage α_SCHÄTZ' und der Istwinkellage α_IST unter Verwendung eines Skalierungsfaktors k von z. B. 1°/2sec ein Korrekturwert v_del für die Verstellgeschwindigkeit berechnet. Dieser Korrekturwert wird in den Schritten 5.7 oder 5.8 verwendet, um die Endverstellgeschwindigkeiten für Früh- bzw. Spätverstellung gemäß den in 4 angegebenen Formeln zu verändern, nachdem im Schritt s5.6 unterschieden wurde, ob gerade eine Verstellung in Richtung Früh oder in Richtung Spät erfolgt.
Im Schritt s5.9 wird abschließend die Einhaltung von Unter- und Obergrenzen überwacht.
5: Adaption des Stellwertes für Halten (Schritt s.12)
Wie bereits ausgeführt, sollte dann, wenn der Haltewert ausgegeben wird, die Winkellage der NW unverändert bleiben. Im Idealfall hätte der Haltewert das oben angegebene Tastverhältnis von 50 %. In der Praxis weicht das erforderliche, den Haltewert repräsentierende Tastverhältnis von 50 % ab und beträgt z. B. 59 %. Außerdem sind im Regelfall unterschiedliche Haltewerte abhängig davon erforderlich, ob zuvor der Spätwert oder der Frühwert ausgegeben wurde. Um solche Abweichungen des Haltewerts von einem Tastverhältnis von 50 % an die jeweils aktuelle Anwendung anzupassen, wird der Adaptionsschritt s12 ausgeführt, der über Unterschritte s12.1 bis s12.8 verfügt.
Im Schritt s12.1 wird nachgefragt, ob der Sollwert der NW-Winkellage nach einmaliger Ausgabe des Haltewerts lange genug konstant ist (Wartezeit z.B. 50 msec), damit davon ausgegangen werden kann, daß im folgenden vorkommende Verstellungen nur zur Korrektur eines nicht exakt adaptierten Haltewertes erforderlich sind. Ist dies nicht der Fall, wird sofort der Schritt s13 erreicht.
Im Schritt s12.2 wird überprüft, ob sich die NW-Winkellage in der Nähe einer der beiden Anschläge befindet. Ist dies der Fall, wird unmittelbar der Schritt s13 erreicht, da in diesem Fall eine Adaption des Haltewertes nicht sicher durchgeführt werden kann.
Nachdem sichergestellt ist, daß die Adaption des Haltewerts durchgeführt werden kann, beginnt der Hauptteil der Adaption im folgenden Schritt s12.3.
Fand ein Wechsel vom Haltewert zum Früh- oder Spätwert statt, wurde dieser im Schritt s8 bzw. s10 festgehalten, und im Schritt s12.4 wird die Differenz der Wechsel in beiden Richtungen innerhalb einer Zeitspanne von beim Ausführungsbeispiel 250 msec ausgewertet (Wechsel in Spätrichtung abzüglich der Wechsel in Frührichtung). Überschreitet die Differenz einen applizierten Grenzwert von z. B. vier Wechseln, wird der Haltewert im Schritt s14.5 um eine kleine vorgegebene Schrittweite d_sw erhöht, die im Tastverhältnis beim Ausführungsbeispiel 0,4 % ausmacht. Danach wird der Schritt s12.8 erreicht.
Stellt sich im Schritt s12.6 heraus, daß die Zahl der Wechsel zur Frühverstellung die Zahl der Wechsel zur Spätverstellung um den applizierbaren Grenzwert überschreitet, wird im Schritt s12.7 der Haltewert um eine kleine vorgegebene Schrittweite d_sw verringert, die im Tastverhältnis beim Ausführungsbeispiel 0,4 % ausmacht. Danach wird der Schritt s12.8 erreicht.
Im Schritt s12.8 werden nach erfolgter Adaption die beiden Werte für die erfolgten Wechsel der Verstellung initialisiert (auf 0 gesetzt), und der gespeicherte Sollwert, der im Schritt s12.1 verwendet wird, wird ebenfalls initialisiert (auf 0 gesetzt), um eine Änderung desselben erkennen zu können.
6: Bestimmung des neuen Stellwertes (Schritt s13)
Der Schritt s13 zum Bestimmen des neuen Stellwertes, wie er beim nächsten Starten der rechten Routine abgerufen wird, verfügt über Unterschritte s13.1 bis s13.9.
Im Schritt s13.1 wird die geschätzte Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ bestimmt, die für die Verstellung bis zum nächsten Programmdurchlauf gültig ist. Davon ausgehend, daß sich die Verstellgeschwindigkeit der Regelstrecke entsprechend einem Tiefpaß erster Ordnung verhält, ist es erforderlich, den Endwert der Verstellgeschwindigkeit zu kennen. Diese Erkennung erfolgte im Schritt s8 (für Spätverstellung) bzw. im Schritt s10 (für Frühverstellung). Der Endwert v_END wird mit einem Faktor F multipliziert, der insbesondere von der Drehzahl n des Motors abhängt. Dies, weil die jeweilige Endgeschwindigkeit v_END relativ stark von der NW-Drehzahl abhängt. Zum Beispiel ist unterhalb einer Motordrehzahl von 1500 U/min noch nicht der Maximaldruck des den NW-Verstellmechanismus 11 antreibenden Hydrauliköls erreicht. Darüber hinaus kann hierbei der Übergang für die Auswertung aller vier NW-Signale zur Auswertung eines Signals (oder umgekehrt) berücksichtigt werden.
Die Berechnung der geschätzten Verstellgeschwindigkeit v_SCHÄTZ erfolgt hiervon ausgehend mit Hilfe einer üblichen digitalen Übergangsfunktion erster Ordnung, gestützt auf eine Konstante c, die in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten τ der NW-Verstelleinrichtung 11 appliziert wird. Im allgemeinen sind die Zeitkonstanten für die beiden Bewegungsrichtungen voneinander verschieden, weswegen im Schritt s13.1 für c ein Wert c_SPÄT bzw. c_FRÜH eingestellt werden kann.
Im Schritt s13.2 wird die Winkellage α_SCHÄTZ der Nockenwelle abgeschätzt, wie sie voraussichtlich zu Beginn der nächsten rechten Interruptroutine vorliegen wird. Dies erfolgt mit der im Schritt s13.2 angegebenen Formel, gestützt auf den beim letzten Durchgang berechneten Schätzwert α_SCHÄTZ, die vorgegebene Zeitspanne dt zwischen zwei Durchläufen der rechten Interruptroutine (5 ms) und dem im Schritt s13.1 berechneten Schätzwert für die Geschwindigkeit v_SCHÄTZ.
Des weiteren erfolgt im Schritt s13.2 die Berechnung desjenigen Wertes der NW-Winkellage, der erreicht würde, wenn beginnend mit dem nächsten Programmdurchlauf der Haltewert ausgegeben würde und sich dann die Nockenwelle aufgrund der Trägheit der gesamten Regelstrecke noch etwas weiter verstellen würde. Der hierbei mit der in diesem Schritt angegebenen Formel berechnete Wert α_SCHÄTZ+ bestimmt, welcher Wert mit dem Beginn des nächsten Durchlaufs der rechten Interruptroutine ausgegeben werden soll, denn es ist das Ziel, bei einer laufenden Verstellung bereits dann auf den Haltewert überzugehen, wenn der Sollwert noch nicht erreicht wurde, aufgrund des Tiefpaßverhaltens des NW-Verstellmechanismus 11 jedoch davon auszugehen ist, daß der Istwert den Sollwert auch dann erreichen wird, wenn nur noch der Haltewert ausgegeben wird. Durch diese Maßnahme kann die Nockenwelle sehr lange mit maximaler Verstellgeschwindigkeit ange trieben werden, um dann gerade in die Soll-Winkellage zu gelangen, wenn schon etwas zuvor der Haltewert ausgegeben wird. Dadurch kann ein jeweiliger Sollwert besonders schnell eingestellt werden. Die Entscheidung, welcher Wert mit dem Beginn des nächsten Durchlaufs der rechten Interruptroutine ausgegeben werden soll, fällt beim jetzigen Durchlauf, in dem eine Differenz α_DIF zwischen dem Wert α_SCHÄTZ+ und dem Sollwert α_SOLL gebildet wird.
Im Schritt s13.3 wird geprüft, ob die Differenz oberhalb einer applizierbaren Toleranzschwelle liegt. Ist dies der Fall, wird im Schritt s13.4 festgehalten, daß der neue Stellwert der Spätwert werden soll, und der Durchlauf der Routine wird beendet. Andernfalls wird im Schritt s13.5 geprüft, ob die Differenz α_DIF unterhalb des negierten Wertes der Toleranzschwelle liegt. Ist dies der Fall, wird im Schritt s13.6 festgehalten, daß der neue Stellwert der Frühwert werden soll, und der Durchlauf der Routine wird beendet. Andernfalls wird im Schritt s13.7 festgehalten, daß der neue Stellwert der adaptierte Haltewert werden soll.
In diesem Fall wird im Schritt s13.8 geprüft, ob die letzte angeforderte Verstellung eine solche in Richtung Spät war. Ist dies der Fall, wird der auszugebende Haltewert im Schritt s13.9 um einen applizierbaren Korrekturwert erhöht. Hierdurch kann eine Hysterese in der Kennlinie des NW-Verstellmechanismus 11 berücksichtigt werden, die sich folgendermaßen auswirkt: erfolgte eine Verstellung in Richtung Früh, so ist anschließend ein Wert von z. B. 56 % erforderlich, um die NW-Winkellage konstant zu halten. Erfolgte dagegen eine Verstellung in Richtung Spät, so ist anschließend ein Wert von z. B. 59 % erforderlich, um die NW-Winkellage konstant zu halten.
Nach dem Schritt s13.8 oder dem Schritt s13.9 ist der Durch lauf der rechten Routine beendet.
Beim Ausführungsbeispiel werden vier Nockenwellen-Winkelsignale pro Nockenwellenumdrehung abgegeben. Es kann jedoch auch mit noch weniger, aber auch mit mehr Signalen gearbeitet werden. Je weniger Signale pro Umdrehung ausgegeben werden, über desto längere Zeitspannen muß mit Schätzwerten gearbeitet werden. Umgekehrt führen häufigere Messungen zu weniger Schätzwerten und damit im Prinzip genauerer Regelbarkeit. Es ist jedoch zu beachten, daß jede Messung einen zusätzlichen Rechenaufwand bedeutet, da mit jeder Messung nicht nur der gemessene Winkel, sondern auch der Meßzeitpunkt abgespeichert werden muß und dann mit Hilfe dieser beiden Größen und der Differenz zu einem aktuellen Rechenablauf festgestellt werden muß, wie groß der Meßwert auf den aktuellen Zeitpunkt bezogen ist. Man wird daher versuchen, mit so wenig wie möglich Meßwerten auszukommen. Je genauer das zeitliche Verhalten des Gesamtaufbaus bekannt ist, desto zuverlässiger werden Abschätzungen, und mit desto weniger Meßwerten kann gearbeitet werden. Es ist auch möglich, bei relativ geringen Drehzahlen, z. B. unter 2000 U/min vier Signale pro Nockenwellenumdrehung auszuwerten, dagegen bei höheren Drehzahlen nur zwei Signale.
Die Adaptionen können auch anders als beschrieben ausgeführt werden. Z. B. kann bei der Adaption der Endverstellgeschwindigkeiten so vorgegangen werden, daß dann, wenn der Spät- oder Frühwert relativ lange ausgegeben wird, gewartet wird, bis der Verstellmechanismus seine Endgeschwindigkeit erreicht hat und dann diese Endgeschwindigkeit mit Hilfe zweier aufeinanderfolgender Winkelmessungen bestimmt wird. Der Haltewert kann z. B. dadurch adaptiert werden, daß untersucht wird, ob es bei dauernder Beibehaltung der Soll-Winkellage zu einer veränderten NW-Winkellage kommt. Dies kann nur dann der Fall sein, wenn sich der Istwert wegen eines unzutreffenden Haltewerts verstellt hat. Kommt es zu Spätverstellung, zeigt dies an, daß der Haltewert die Winkellage nicht tatsächlich hielt, sondern in Richtung Spät verstellte. Das Tastverhältnis wird dann etwas erniedrigt. Im umgekehrten Fall wird es etwas erhöht.
Ein typischer Wert für die Endverstellgeschwindigkeit beträgt 20°/100 msec. Ein typischer Wert für die Zeitkonstante des Systems für den Übergang erster Ordnung nach dem Umschalten auf das Haltesignal ist 40 msec.
Beim Ausführungsbeispiel wird von den das Übergangsverhalten erster Ordnung gemäß der Gleichung in Schritt s13.1 bestimmenden Parameter c und v_END nur die Endverstellgeschwindigkeit v_END adaptiert. Jedoch ist es mit einem ähnlichen Verfahren, wie dem anhand von 4 beschriebenen Verfahren, möglich, die Konstante c in kleinen Schritten so zu verändern, daß das aktuelle zeitliche Verhalten besser angenähert wird.

Claims

Verfahren zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer Kurbelwelle bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage mit Hilfe eines Stellgliedes, das von einer mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden Regelungseinrichtung mit einem Stellsignal angesteuert wird; dadurch gekennzeichnet, daß – das Stellglied mit jeweils einem von drei Werten des Stellsignals ansteuerbar ist, nämlich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen von Einlaßventilen eines Verbrennungsmotors, eines Spätwertes zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlaßventilen und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage; – die Verstellgeschwindigkeit (V_SCHÄTZ) der Nockenwelle abgeschätzt wird, wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vorliegen wird; – aus dieser Verstellgeschwindigkeit und dem bekannten zeitlichen Verhalten (c, v_SCHÄTZ) der Nockenwellenverstellung nach dem Umschalten auf das Stellsignal vom Haltewert der Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) abgeschätzt wird, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu Beginn des nächsten Programmdurchlaufs auf den Haltewert umgestellt würde; und – bereits dann vom Früh- oder Spätwert des Stellsignals auf dessen Haltewert umgestellt wird, wenn die Abweichung zwischen dem Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) und der Soll-Winkellage innerhalb eines Toleranzbandes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellgeschwindigkeit (v_SCHÄTZ), wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vermutlich vorliegen wird, aus der aktuellen Verstellgeschwindigkeit unter Anwendung einer Übergangsfunktion erster Ordnung mit applizierter Zeitkonstante (c, Δt) und Endverstellgeschwindigkeit (v_END) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endverstellgeschwindigkeit (v_END) adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endverstellgeschwindigkeit (v_END) mit Hilfe der folgenden Schritte adaptiert wird: a) wenn ein die Winkellage (α) der Nockenwelle anzeigendes Signal auftritt, wird dieses als Istwert erfaßt; b) beim Auftreten des genannten Signals wird die für diesen Zeitpunkt abgeschätzte Winkellage als Schätzwert ermittelt; c) die Differenz zwischen dem Schätzwert und dem Istwert wird gebildet; und d) die Endverstellgeschwindigkeit wird mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim nächsten Ausführen der Schritte a) bis c) eine kleinere Differenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwarten ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltewert adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltewert mit Hilfe folgender Schritte adaptiert wird: a) nach einmaliger Ausgabe des Haltewerts wird überwacht, ob der Sollwert annähernd konstant bleibt; b) ist der Sollwert annähernd konstant, werden nach Ablauf einer Wartezeit die Wechsel vom Haltewert zum Früh- bzw. Spätwert protokolliert; und c) überschreitet der Betrag der Differenz aus den Wechseln einen Grenzwert, wird der Haltewert mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim erneuten Ausführen der Schritte a) und b) eine kleinere Differenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwarten ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Istwert der Winkellage der Nockenwelle mit Justierwerten korrigiert wird, die abweichungen bezüglich der Lage der einzelnen Nockenwellensignale relativ zur Kurbelwellensignale berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierwerte wie folgt bestimmt werden: a) die Nockenwelle wird in eine Endstellung verstellt; b) die während einer Nockenwellenumdrehung gemessenen Istwerte werden erfaßt; und c) es wird aus der Differenz zwischen jedem Istwert und dem jeweils zugehörigen Sollwert der aktuelle Justierwert mit vorgegebener kleiner Schrittweite so verändert, daß beim erneuten Ausführen der Schritte a) und b) eine kleinere Differenz oder eine solche mit umgekehrtem Vorzeichen zu erwarten ist.
Vorrichtung zum Einregeln der auf den Drehwinkel einer Kurbelwelle bezogenen Winkellage einer Nockenwelle auf eine Soll-Winkellage mit Hilfe eines Stellgliedes (11), das von einer mit Durchlaufen eines Regelungsprogramms arbeitenden Regelungseinrichtung (14) mit einem Stellsignal angesteuert wird; dadurch gekennzeichnet, daß – das Stellglied so ausgebildet ist, daß es mit jeweils mit einem von drei Werten des Stellsignals ansteuerbar ist, nämlich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen von Einlaßventilen eines Verbrennungsmotors, eines Spätwertes zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein spätes Öffnen von Einlaßventilen und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage; und – die Regelungseinrichtung so ausgebildet ist, daß von ihr – die Verstellgeschwindigkeit (V_SCHÄTZ) der Nockenwelle abgeschätzt wird, wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vorliegen wird; – aus dieser Verstellgeschwindigkeit und dem bekannten zeitlichen Verhalten (c, v_END) der Nockenwellenverstellung nach dem Umschalten auf das Stellsignal vom Haltewert der Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) abgeschätzt wird, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu Beginn des, nächsten Programmdurchlaufs auf den Haltewert umgestellt würde; und – bereits dann vom Früh- oder Spätwert des Stellsignals auf dessen Haltewert umgestellt wird, wenn die Abweichungen zwischen dem Verstellwinkel (α_SCHÄTZ+) und der Soll-Winkel lage innerhalb eines Toleranzbandes liegt.