[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Bei Brennkraftmaschinen treibt die Kurbelwelle über einen Primärantrieb, der beispielsweise
als Zahnriemen ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen an. Dazu ist an jeder
Nockenwelle ein Nockenwellenrad befestigt, über welches der Primärantrieb die Nockenwelle
antreibt. Dabei erfolgt zu jedem Zeitpunkt eine Übersetzung des Drehwinkels der Kurbelwelle,
wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel ϕ
K in 360° Nockenwellendrehwinkel ϕ
N umgesetzt werden. Das Verhältnis der beiden Drehwinkel ist durch diese Kopplung konstant.
In den meisten Anwendungen ergibt diese feste Kopplung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle
ein Verhältnis von:

[0003] Jedoch lassen sich die Betriebseigenschaften einer Brennkraftmaschine optimieren,
insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemission und der Laufkultur,
wenn das über den Primärantrieb gekoppelten System zwischen der Nockenwelle und der
Kurbelwelle verändert werden kann.
[0004] In der DE 100 38 354 A1 wird eine Anordnung zum Verstellen der Drehwinkelrelation zwischen Nockenwelle und
Kurbelwelle mittels Taumelscheibengetriebe offenbart. Hier wirkt ein zusätzlicher
Antrieb über ein Taumelscheibengetriebe, das zwischen dem Nockenwellenrad und der
Nockenwelle angeordnet ist, zusätzlich auf die Nockenwelle ein. Dies bewirkt, dass
die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt werden kann.
[0005] Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verstellen der Phasenlage zwischen einer Nockenwelle
und einer Kurbelwelle ist beispielsweise aus der DE 43 07 010 C2 bekannt. Diese Vorrichtung
weist Sensoren sowie eine Phasenmessschaltung zum Bestimmen des Phasenwinkels zwischen
der Kurbelwelle und der Nockenwelle auf, wobei eine Regelschaltung aus einem Vergleich
eines Sollwerts mit dem Phasenwinkel-Istwert ein Stellsignal bildet, das einer Betätigungseinrichtung
zugeführt wird. Bei einer weiteren, aus der DE 39 30 157 A1 bekannten Einrichtung
zur Verstellung der Drehwinkelzuordnung einer Nockenwelle zu ihrem Antriebselement
ist ebenfalls ein Regelkreis vorgesehen, der die Phasenlage von Nockenwelle zu Antriebselement
steuert. Ein Nockenwellenversteller mit kaskadiert angeordneten Regelschleifen ist
aus der US 5,218,935 A bekannt.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Verstellvorrichtung aufzuzeigen mit der
die Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle eingestellt werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1
gelöst. Hierbei ist die Verstellvorrichtung Bestandteil eines elektronischen, eine Zustandsregelung
beinhaltenden Regelkreises, der die gewünschte Phasenlage direkt oder über eine andere
Größe indirekt automatisch einstellt, wobei der Regelkreis aus Regeleinrichtung und
Regelstrecke eine auf diese Anwendung ausgelegte Struktur aufweist.
[0008] Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine solche Verstellvorrichtung mit einem solchen elektronischen
Regelkreis sehr schnell und exakt in der Regelstrecke den gewünschten Wert einstellt.
[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei kann z. B. durch eine Störgrößenkompensation
oder durch eine kaskadierte Lageregelung der Sollwert noch schneller und genauer mit
der Verstellvorrichtung eingestellt werden.
[0010] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen und Figuren
näher erläutert werden. Es zeigen:
- Figur 1:
- Verstellvorrichtung mit Störgrößenkompensation.
- Figur 2:
- Verstellvorrichtung mit kaskadierter Lageregelung.
- Figur 3:
- Verstellvorrichtung mit optimierter Zustandsregelung.
[0011] Figur 1 zeigt eine Verstellvorrichtung, die eine Lageregelung 1 mit Störgrößenkompensation
2 aufweist. Bei elektromotorisch angetriebenen, mechanischen Phasenverstellvorrichtungen
nach dem Stand der Technik wie z.B. aus der DE 100 38 354 A1 entspricht bei unveränderter
Phasenlage die Relativdrehzahl des Elektromotors der Drehzahl des Ketten-/ oder Riemenrades,
das die Kurbelwelle mit der Nockenwelle koppelt. Während der Phasenverstellung ist
die Relativdrehzahl des Elektromotors je nach Verstellrichtung größer oder kleiner
als die des Kettenrades.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Auswirkung der Störgröße der Kurbelwellendrehzahl
z nicht erst als Auswirkung auf die Regelgröße erfasst, sondern bereits zur Vorsteuerung
des Stellgliedes
3 genutzt. Beispielsweise kann aus der Kurbelwellendrehzahl die Drehzahl des Ketten-/
oder Riemenrades ermittelt werden. Diese Drehzahl
z kann in Relation zu einer entsprechende Selbstinduktionsspannung
yR im Elektromotor gesetzt werden.
In der Abbildung wird der Sollwert
w -im Ausführungsbeispiel die gewünschte Phasenlage- in den Regler
4 eingegeben. Dieser Sollwert
w beeinflusst den Elektromotor des Stellgliedes in der Regelstrecke
3, z.B. ein Taumelscheibengetriebe. Dies bewirkt, dass sich die Drehzahl des Ketten-/
oder Riemenrades verändert, wodurch die Phasenlage verändert wird. Der Istwert
x der Phasenlage und/oder der Drehzahl des Ketten-/oder Riemenrades wird zurückgeführt.
Dieser zurückgeführte Istwert bestimmt einen neuen Sollwert für den Regler. Dieser
neue Sollwert wird dann in den Regler eingespeist. Die Störgrößenkompensation
2 wird dadurch gebildet, dass zusätzlich aus der Kurbelwellendrehzahl
z die Selbstinduktionsspannung
yz als weitere Stellgröße für den Elektromotor des Stellgliedes ermittelt wird, welcher
auch die Drehzahl des Elektromotors bestimmt.
[0012] Figur 2 zeigt eine Verstellvorrichtung mit kaskadierter Lageregelung. Um die Einregelzeiten
zu verbessern und eine höhere Dynamik im Regelkreis zu erzielen werden hier mehrere
Regelkreise parallel verschachtelt zueinander angeordnet. Störungen werden dabei in
den unterlagerten Regelkreisen ausgeregelt bevor sie auf sich auf die überlagerten
Regelkreise auswirken können. Im vorliegenden Anwendungsfall wird der Lageregelung,
die eine Positionsrückführung aufweist eine Drehzahlregelung des Elektromotors unterlagert,
die eine Winkelgeschwindigkeitsrückführung aufweist. Die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors kann hierbei als Messgröße erfasst werden oder indirekt über die
Triggerinformation von Nockenwelle und Kurbelwelle berechnet werden. Ferner ist dieser
Drehzahlregelung eine Regelung des Ankerstroms unterlagert, bei der ein zusätzlicher
Kompensationsregler die Dynamik weiter verbessern kann. Diese Regelung des Ankerstroms
bzw. die Messung des Ankerstroms kann auch über eine Messung des Drehmoments vom Elektromotor
erfolgen, der die Verstellvorrichtung antreibt. In diesem Ausführungsbeispiel wird
ein Soll-Verdrehwinkel ϕs vorgegeben, der die Position bzw. Phasenlage zwischen Nocken-
und Kurbelwelle beschreibt. Abhängig von diesem Winkel ϕs wird die Drehzahl bzw. die
Winkelgeschwindigkeit ωs für den Elektromotor vorgegeben. Die Winkelgeschwindigkeit
wiederum wird bestimmt durch das Drehmoment des Elektromotors. Dieses Drehmoment
ML bzw. der entsprechende Strom wird gemessen und zurückgeführt und dort mit dem entsprechenden
Sollwert
Ms verglichen. Stimmen die Werte nicht überein wird entsprechend nachgeregelt. Gleichzeitig
wird auch der übergeordnete Istwert ω der Winkelgeschwindigkeit erfasst und dann zum
Vergleich mit seinem Sollwert ωs zurückgeführt. Bei Diskrepanz wird auch hier entsprechend
nachgeregelt. Letztendlich wird dann auch die aktuelle Phasenlage ϕ ermittelt, zurückgeführt
und an den Sollwert ϕs angepasst.
[0013] Figur 3 zeigt eine Verstellvorrichtung mit einer Zustandsregelung. Mittels der Zustandsregelung
wird die Dynamik des Regelsystems weitgehend festgelegt, da die die Dynamik bestimmenden
Zustände direkt in die Regelung eingehen. Ist der zu bestimmende Zustand nicht direkt
messbar kann er mittels eines Zustandsbeobachters bzw. einer Zustandsgleichung berechnet
werden.
Hierbei wird ein zeitabhängiger Eingangswert
w(t) in einem Vorfilter
5 eingespeist. Der Vorfilter generiert daraus einen Ausgangswert
uw(t), der zusammen mit einem Wert
ur(t), der von einem Zustandsregler
6 erzeugt wird, einen Eingangswert
u(t) für die Zustandsdifferentialgleichung
7 bildet. Ferner wird der Zustandsdifferentialgleichung
7 der Zustandswert
x(t0) zum Zeitpunkt
t0 zugeführt. Aus diesen Werten berechnet die Zustandsdifferentialgleichung
7 den Zustand
x(t). Dieser Zustand kann direkt oder indirekt über eine Messeinrichtung
8 gemessen werden, wobei mit diesem Messwert der Zustandsregler
6 beeinflusst werden kann, der wiederum den Eingangswert
u(t) für die Zustandsdifferentialgleichung
7 beeinflusst. Zusätzlich kann der Zustandwert
x(t) zur weiteren Verarbeitung einer Ausgangsgleichung
9 zugeführt werden, die dann einen Ausgangswert
y(t) für die Regelstrecke
10 erzeugt Bei dem dargestellten Regelkreis wird die Regelstrecke
10 von der Zustandsdifferentialgleichung
7 und der Ausgangsgleichung
9 gebildet, welche die Regelgröße erzeugen. Die Regeleinrichtung
11, welche die Regelgröße regelt wird im wesentlichen von der Messeinrichtung
8 und dem Zustandsregler
6 gebildet. Im Anwendungsbeispiel beinhaltet die Regeleinrichtung
11 auch den Vorfilter
5.
[0014] All diese Ausführungsbeispiele lassen sich auf in beliebiger Weise miteinander kombinieren.
1. Elektronisch angetriebene mechanische Verstellvorrichtung zum Verstellen der Phasenlage
(ϕ) zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle, wobei der Versteller Bestandteil
eines elektronischen Regelkreises ist, der die gewünschte Phasenlage (ϕ) zwischen
Nocken- und Kurbelwelle automatisch einstellt und der Regelkreis mindestens eine Schleife
beinhaltet, bei der ein Ausgangswert an den Eingang zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis, in dem die Verstellvorrichtung angeordnet ist, eine Zustandsregelung
(10, 11) beinhaltet.
2. Verstellvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis eine Störgrößenkompensation (2) beinhaltet.
3. Verstellvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis mehrere parallel kaskadiert angeordnete Regelschleifen
beinhaltet, wobei mindestens eine Regelschleife von einer anderen überlagert wird.
1. Electronically driven mechanical adjustment device for adjusting the phase position
(ϕ) between a camshaft and a crankshaft, wherein the actuator is part of an electronic
control circuit, which automatically adjusts the required phase position (ϕ) between
camshaft and crankshaft, and the control circuit includes at least one loop, in which
an output value is fed back to the input, characterized in that the control circuit in which the adjustment device is arranged, includes a state
regulator (10, 11).
2. Adjustment device according to Patent Claim 1, characterized in that the electronic control circuit includes disturbance compensation (2).
3. Adjustment device according to Patent Claim 1, characterized in that the electronic control circuit includes several cascaded control loops arranged in
parallel, wherein at least one control loop is overlaid by another.
1. Dispositif mécanique de réglage à commande électronique pour le réglage de la position
de phase (ϕ) entre un arbre à cames et un vilebrequin, dans lequel l'organe de réglage
fait partie d'un circuit de régulation électronique, qui règle automatiquement la
position de phase (ϕ) souhaitée entre l'arbre à cames et le vilebrequin et le circuit
de régulation comprend au moins une boucle, dans laquelle une valeur de sortie est
renvoyée à l'entrée, caractérisé en ce que le circuit de régulation, dans lequel le dispositif de réglage est disposé, comprend
une régulation d'état (10, 11).
2. Dispositif de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de régulation électronique comprend une compensation de grandeurs perturbatrices
(2).
3. Dispositif de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de régulation électronique comprend plusieurs boucles de régulation disposées
en cascade en parallèle, dans lequel au moins une boucle de régulation est soumise
à une autre boucle superposée.