Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, mit einem Stellglied zum Verstellen der Drehwinkellage, das in einen mindestens einen Regler aufweisenden Regelkreis geschaltet ist.

[0002] Eine derartige Verstellvorrichtung mit einem Stellglied, das über zwei miteinander in Einriff stehende Zahnräder mit Schrägverzahnung verfügt, ist aus DE 44 08 425 A1 bekannt. Eines der Zahnräder ist mit der Nockenwelle verbunden und das andere wird über eine Kette von der Kurbelwelle angetrieben. Die Zahnräder können durch einen Hydraulikmechanismus in a-xialer Richtung gegeneinander verschoben werden, wodurch sich aufgrund der Schrägverzahnung eine Relativverdrehung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle ergibt. Der Hydraulikmechanismus wird von einem Stellsignal angesteuert, das mit Hilfe eines Regelkreises erzeugt wird. Der Hydraulikmechanismus ist mit jeweils einem von drei Werten ansteuerbar, nämlich einem Frühwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein frühes Öffnen der Einlassventile des Verbrennungsmotors, einem Spätwert zum Verstellen der Nockenwelle in Richtung auf ein spätes Öffnen der Einlassventile und einem Haltewert zum Halten der aktuellen Ist-Winkellage. Der Regelkreis arbeitet ein Reglungsprogramm ab, bei dem bei jedem Programmdurchlauf die Verstellgeschwindigkeit, wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vorliegen wird, abgeschätzt wird. Aus diesem Schätzwert und dem bekannten zeitlichen Verhalten, das die Nockenwellenverstellung nach einem Umschalten vom Haltewert auf das Stellsignal (Früh- oder Spätwert) aufweist, wird der Verstellwinkel abgeschätzt, auf den sich die Winkellage der Nockenwelle noch ändern würde, wenn das Stellsignal zu Beginn des nächsten Programmdurchlaufs auf den Haltewert umgestellt würde. Wenn die Abweichung zwischen dem Schätzwert für den Verstellwinkel und der Sollwinkellage der Nockenwelle innerhalb eines Toleranzbandes liegt, wird vom Früh- oder Spätwert auf den Haltewert umgeschaltet. Die Verstellgeschwindigkeit, wie sie zu Beginn des folgenden Programmdurchlaufs vermutlich vorliegen wird, wird aus der aktuellen Verstellgeschwindigkeit unter Anwendung einer Übertragungsfunktion erster Ordnung und einer Endverstellgeschwindigkeit abgeschätzt. Die Endverstellgeschwindigkeit wird unter bestimmten Voraussetzungen adaptiert. Nach Angabe der Offenlegungsschrift können dadurch Schätzwerte für die aktuelle Stellung auch dann sehr genau bestimmt werden, wenn sich Betriebsparameter des Hydraulikmechanismus ändern, z.B. die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit aufgrund einer Erwärmung derselben. Dennoch ist die Regelgüte des Regelkreises vor allem bei unterschiedlichen Betriebszuständen noch verbesserungswürdig. So kann es beispielsweise in bestimmten Betriebssituationen zu einem Überschwingen des zu regelnden Signals kommen.

[0003] Weitere Verstellvorrichtungen sind aus WO 2004/007919 A und EP1375837 A bekannt.

[0004] Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei unterschiedlichen Betriebssituationen jeweils eine hohe Regelungsqualität ermöglicht.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass der Regler mit einem Datenspeicher verbunden ist, in dem Reglerkoeffizienten für eine Übertragungsfunktion des Reglers abgelegt sind, dass der Datenspeicher mindestens zwei Speicherbereiche aufweist, in denen unterschiedliche Sätze von Reglerkoeffizienten abgelegt sind, dass der Regelkreis mit Hilfe einer Betriebsartenumschalteinrichtung wahl- oder wechselweise derart mit einem der Datenspeicherbereiche verbindbar ist, dass der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Reglerkoeffizientensatz bei der Regelung zur Anwendung kommt, und dass mit der Betriebsartenumschalteinrichtung eine Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands der Verstellvorrichtung und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmaschine derart verbunden ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von dem Betriebszustand abhängig ist.

[0006] In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, für unterschiedliche Betriebssituationen der Verstellvorrichtung und/oder der Verbrennungsmaschine den Regler mit unterschiedlichen Reglerkoeffizienten zu betreiben, um die Übertragungsfunktion des Reglers an die jeweilige Betriebssituation anzupassen und somit jeweils eine möglichst hohe Regelungsqualität zu erreichen. Mit einem solchen nichtlinearen Regler können gegenüber einem Regler mit festen Reglerkoeffizienten Störungen in einem zu regelnden, mit dem Stellglied zu beeinflussenden Signal schneller und unter weitgehender Vermeidung eines Überschwingens kompensiert werden. Die Größe(n) aufgrund derer die Reglerkoeffizienten verändert werden, können Messgrößen sein oder aus diesen über geeignete Algorithmen unter Einbeziehung von Systemparametern, wie z.B. einem elektrischen Widerstand, eines Temperaturkoeffizienten usw. abgeleitet werden.

[0007] Vorteilhaft ist, wenn mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung die Struktur des Regelkreises umschaltbar ist. Der Regler kann dann noch besser an unterschiedliche Betriebssituationen der Verstellvorrichtung und/oder der Verbrennungsmaschine angepasst werden.

[0008] Zweckmäßigerweise ist in einer ersten Betriebsart der Regelkreis zur Regelung der Rotor-Drehzahl des Verstellmotors und in einer zweiten Betriebsart zur Regelung des Verdrehwinkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ausgebildet. Dabei kommt die erste Betriebsart bevorzugt während der Startphase des Verbrennungsmotors zur Anwendung, wenn ein Messsignal für Kurbelwellendrehzahl noch nicht vorliegt oder noch mit relativ großen Störungen behaftet ist. Sobald die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet und somit die Startphase beendet ist, wird auf die zweite Betriebsart umgeschaltet, um den Drehwinkel zu regeln.

[0009] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Regelkreis mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung zwischen einer dritten und einer vierten Betriebsart umschaltbar, wobei der Regelkreis in der dritten Betriebsart als Mehrpunktregler und in der vierten Betriebsart zur Ausgabe eines kontinuierlichen Stellsignals ausgebildet ist.

[0010] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Verstellvorrichtung ein Verstellgetriebe auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist, wobei als Stellglied ein Verstellmotor vorgesehen ist, der mit der Verstellwelle in Antriebsverbindung steht. Dabei kann der Verstellmotor ein EC-Motor sein. Zur Regelung der Phasewinkelgeschwindigkeit ϑ auf einen Sollwert ϑ_Tgt werden bevorzugt die Drehzahl ω_Cnk der Kurbelwelle und die Rotordrehzahl ω_Em des Verstellmotors mit Hilfe von Sensoren gemessen. Aus den so ermittelten Messsignalen und einer bekannten Standgetriebeübersetzung ig des Verstellgetriebes wird mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung ein Sollwert ω_Em,_Tgt = (ω_Cnk - i_g ϑ_Tgt) / 2 für die Rotordrehzahl ω_Em,Tgt des Verstellmotors berechnet. Die Drehzahl ω_Cnk der Kurbelwelle wird zweckmäßigerweise mit Hilfe eines induktiven Sensors gemessen, der das Vorbeilaufen der Zähne eines auf der Kurbelwelle beispielsweise an einem Schwungrad angeordneten Zahnkranzes detektiert. Die Rotor-Drehzahl ω_Em des Verstellmotors wird vorzugsweise mit Hilfe von am Stator des EC-Motors angeordneten Magnetfeldsensoren gemessen, die das Vorbeilaufen von Magnetsegmenten detektiert, die am Umfang des permanentmagnetischen Rotors des EC-Motors angeordnet sind.

[0011] Vorteilhaft ist, wenn die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands mindestens einen Eingang für ein Temperaturmesssignal des Verbrennungsmotors und/oder des Verstellmotors hat, und wenn die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Messsignal (diesen Messsignalen) abhängig ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, den Regelkreis an die von der Temperatur abhängige Viskosität eines Getriebeöls des Verstellgetriebes und/oder an den von der Temperatur abhängigen elektrischen Widerstand der Wicklung des Verstellmotors anzupassen. Die Temperatur des Verbrennungsmotors kann beispielsweise mit einem Motorölthermometer und/oder einem Kühlwasserthermometer gemessen werden.

[0012] Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands mindestens einen Eingang für ein Messsignal und/oder ein Sollwertsignal für den Verdrehwinkel zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle auf, wobei die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Signal (diesen Signalen) und/oder der zeitlichen Änderung dieses Signals (dieser Signale) abhängig ist. Bei einer Verstellvorrichtung, bei welcher der einstellbare Phasenwinkelbereich durch Anschläge begrenzt ist, können dann im Bereich der Anschläge die Reglerkoeffizienten derart eingestellt werden, dass die Regelung relativ langsam auf eine Regelabweichung anspricht, damit ein Überschwingen und somit die Gefahr einer Beschädigungen eines Anschlags sicher vermieden wird. An den Stellen, an denen ein ausreichender Abstand zu den Anschlägen vorhanden ist, können die Reglerkoeffizienten dagegen so eingestellt werden, dass Regelabweichungen möglichst schnell kompensiert werden.

[0013] Die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands kann auch mindestens einen Eingang für ein die Rotordrehzahl des Verstellmotors, die Nockenwellendrehzahl und/oder die Kurbelwellendrehzahl repräsentierendes Signal aufweisen, wobei die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Signal (diesen Signalen) abhängig ist. Aus jeweils zwei dieser Messsignale, wie z.B. der Rotordrehzahl und der Kurbelwellendrehzahl, sowie der bekannten Standgetriebeübersetzung des Verstellgetriebes kann der Verdrehwinkel (Phasenwinkel) zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle bestimmt und es können die Reglerkoeffizienten in Abhängigkeit von dem Verdrehwinkel eingestellt werden.

[0014] Vorteilhaft ist, wenn die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands einen Speicher zum Zwischenspeichern mindestens eines zu einem früheren Zeitpunkt von dem Regler ermittelten Werts einer Stellgröße für den Verstellmotor aufweist, und wenn die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Wert (diesen Werten) abhängig ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, bei geringen Verstellgeschwindigkeiten eine Hysterese vorzusehen, um das Rauschen am Ausgang des Reglers zu reduzieren.

[0015] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Regelkreis mindestens eine Begrenzungseinrichtung, insbesondere für den Wicklungsstrom und/oder die Wicklungsspannung des Verstellmotors auf, wobei in dem Datenspeicher Speicherplätze vorgesehen sind, in denen Grenzwerte für die Begrenzungseinrichtung(en) abgelegt sind, und dass die Begrenzungseinrichtung mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung wahl- oder wechselweise derart mit einem der Speicherplätze verbindbar ist, dass der mindestens eine, in dem betreffenden Speicherplatz jeweils abgelegte Grenzwert bei der Begrenzung zur Anwendung kommt. Die Grenzwerte für Begrenzungseinrichtung(en) können also in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verstellvorrichtung und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmaschine eingestellt werden. So können beispielsweise im Bereich der Anschläge die Grenzwerte für den Wicklungsstrom und/oder die Wicklungsspannung und somit die Leistung des Verstellmotors betragsmäßig geringer gewählt werden, als an Stellen, die weiter von den Anschlägen entfernt sind, damit auch bei Auftreten eines eventuellen Messfehlers eines Eingangssignals des Reglers eine Beschädigung der Anschläge sicher vermieden wird.

[0016] Besonders vorteilhaft ist, wenn der Regelkreis wenigstens einen mit mindestens einer Vorsteuereinrichtung verbunden Eingangsanschluss für ein Vorsteuersignal aufweist, und wenn vorzugsweise ein Eingangsanschluss für ein die Drehzahl der Antriebswelle des Verstellgetriebes repräsentierendes Vorsteuersignal, ein Eingangsanschluss für ein das mittlere Lastmoment des Verstellmotors repräsentierendes Vorsteuersignal und/oder ein Eingangsanschluss für ein Vorsteuersignal vorgesehen ist, das eine durch die Drehung des permanentmagnetischen Rotors in einer Wicklung des Verstellmotors induzierte elektrische Spannung (EMK) repräsentiert. Die Verstellvorrichtung ermöglicht dann eine noch schnellere und stabilere Regelung, wobei der Regelkreis nur diejenigen Abweichungen zwischen dem zu regelnden Signal und dem Sollwert ausgleicht, die von der Vorsteuerung nicht kompensiert werden.

[0017] Zweckmäßigerweise hat der Datenspeicher mindestens zwei Speicherbereiche, in denen unterschiedliche Sätze von Vorsteuerkoeffizienten für die Vorsteuereinrichtung(en) abgelegt sind, wobei die Vorsteuereinrichtung(en) mit Hilfe einer Betriebsartenumschalteinrichtung wahl- oder wechselweise derart mit einem dieser Datenspeicherbereiche verbindbar ist (sind), dass der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Vorsteuerkoeffizientensatz bei der Generierung des mindestens einen Vorsteuersignals zur Anwendung kommt. Somit kann (können) auch die Übertragungsfunktion(en) der Vorsteuerung(en) an unterschiedliche Betriebszustände der Verstellvorrichtung und/oder der Verbrennungsmaschine angepasst werden, was eine noch bessere Regelungsqualität ermöglicht.

[0018] Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zu deren Kurbelwelle,

Fig. 2

ein Signalflussdiagramm eines Regelkreises der Verstellvorrichtung.

[0019] Eine Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Hubkolben-Verbrennungsmaschine weist ein Verstellgetriebe auf, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist. Das Verstellgetriebe kann ein Umlaufgetriebe sein, vorzugsweise ein Planetengetriebe.

[0020] Die Antriebwelle ist drehfest mit einem Nockenwellenzahnrad 1 verbunden, das in an sich bekannter Weise über eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehfest angeordneten Kurbelwellenzahnrad in Antriebsverbindung steht. Die Abtriebwelle ist drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden, die in Fig. 1 nur teilweise dargestellt ist. Die Verstellwelle ist drehfest mit einem Stellglied verbunden, das in Fig. 1 an der Rückseite der Verstellvorrichtung angeordnet ist. Als Stellglied ist ein Verstellmotor (EC-Motor) vorgesehen, der in der Nabe des Nockenwellenzahnrads 1 integriert ist.

[0021] Zum Begrenzen des Verdrehwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle weist die Verstellvorrichtung Anschläge auf, die durch ein fest mit der Antriebwelle verbundenes Anschlagelement 3 und Gegenanschlagelemente 4 gebildet sind. Die Gegenanschlagelemente 4 sind fest mit der Nockenwelle 2 verbundenen und wirken in Gebrauchstellung mit dem Anschlagelement 3 zusammen.

[0022] Zur Regelung des Verdrehwinkels ist der Verstellmotor in einen in Fig. 2 schematisch dargestellten Regelkreis 5 geschaltet, der zwei kaskadierte Regler aufweist, nämlich einen Drehzahl-Regler 6 und einen diesem vorgelagerten Phasen-Regler 7.

[0023] Ein Eingangsanschluss des Phasen-Reglers 7 ist mit einem Ausgangsanschluss 8 einer ersten Einrichtung 9 zur Ermittlung einer Regelabweichung aus einem Sollwertsignal ε_Tgt und einem Istwertsignal ε für den Verstellwinkel der Nockenwelle 2 relativ zur Kurbelwelle verbunden. In Fig. 2 ist erkennbar, dass der Phasen-Regler 7 zwei Signalverarbeitungseinrichtungen 10, 11 hat, die jeweils mit ihrem Eingang mit dem Ausgangsanschluss 7 der Einrichtung 9 zur Ermittlung einer Regelabweichung verbunden sind. Eine erste Signalverarbeitungseinrichtung 10 weist eine erste Übertragungsfunktion mit ersten Reglerkoeffizienten K₁ und eine zweite Signalverarbeitungseinrichtung 11 eine zweite Übertragungsfunktion mit zweiten Reglerkoeffizienten K₂ auf. Ein Ausgang der ersten Signalverarbeitungseinrichtung 10 ist mit einem ersten Eingang einer ersten Summationseinrichtung 13 und ein Ausgang der zweiten Signalverarbeitungseinrichtung 11 ist über eine erste Integrationseinrichtung 12 mit einem zweiten Eingang der ersten Summationseinrichtung 13 verbunden.

[0024] Ein Ausgang der ersten Summationseinrichtung 13 ist an einem ersten Eingang einer zweiten Summationseinrichtung 14 angeschlossen. Ein Eingangsanschluss 15 für ein Kurbelwellendrehzahlsignal ω_Cnk ist über eine erste Vorsteuereinrichtung 16 mit einem zweiten Eingang der zweiten Summationseinrichtung 14 verbunden. Die erste Vorsteuereinrichtung 16 weist eine erste Vorsteuer-Übertragungsfunktion mit ersten Vorsteuerkoeffizienten V₁ auf.

[0025] Ein Ausgang der zweiten Summationseinrichtung 14 ist über eine erste Begrenzungseinrichtung 17, die das Ausgangssignal auf einen vorgegebenen Wertebereich begrenzt, mit einem Ausgangsanschluss für ein Drehzahlsollwertsignal ω_Tgt für den Verstellmotor verbunden.

[0026] Das Drehzahlsollwertsignal ω_Tgt liegt an einem ersten Eingang einer zweiten Einrichtung 18 zur Ermittlung einer Regelabweichung aus dem Drehzahlsollwertsignal ω_Tgt und einem Istwertsignal ω_Em für die Drehzahl des Verstellmotors an.

[0027] Der Drehzahl-Regler 6 hat zwei Signalverarbeitungseinrichtungen 19, 20, die jeweils mit ihrem Eingang mit einem Ausgangsanschluss 21 der zweiten Einrichtung 18 zur Ermittlung der Regelabweichung verbunden sind. Eine dritte Signalverarbeitungseinrichtung 19 weist eine dritte Übertragungsfunktion mit dritten Reglerkoeffizienten K₃ und eine vierte zweite Signalverarbeitungseinrichtung 11 eine vierte Übertragungsfunktion mit vierten Reglerkoeffizienten K₄ auf. Ein Ausgang der dritten Signalverarbeitungseinrichtung 19 ist mit einem ersten Eingang einer dritten Summationseinrichtung 22 und ein Ausgang der vierten Signalverarbeitungseinrichtung 20 ist über eine zweite Integrationseinrichtung 23 mit einem zweiten Eingang der dritten Summationseinrichtung 22 verbunden.

[0028] Ein Ausgang der dritten Summationseinrichtung 22 ist an einem ersten Eingang einer vierten Summationseinrichtung 24 angeschlossen. Ein Eingangsanschluss 25 für ein Verstellmotor-Lastsignal M_Load ist über eine zweite Vorsteuereinrichtung 26 mit einem zweiten Eingang der vierten Summationseinrichtung 24 verbunden. Die zweite Vorsteuereinrichtung 26 weist eine zweite Vorsteuer-Übertragungsfunktion mit zweiten Vorsteuerkoeffizienten V₂ auf.

[0029] Ein Ausgang der vierten Summationseinrichtung 24 ist über eine zweite Begrenzungseinrichtung 27, die dazu dient, die an den Verstellmotor auszugebende Wicklungsspannung U_A auf einen vorgegebenen Wertebereich zu begrenzen, mit einem Eingangsanschluss einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung für den Verstellmotor verbunden.

[0030] In Fig. 2 ist erkennbar, dass der Drehzahl-Regler 6 und der Phasen-Regler 7 über eine Betriebsartenumschalteinrichtung 28 mit einem Datenspeicher 29 verbunden ist, der mehrere Datenspeicherbereiche aufweist, in denen jeweils ein Satz Reglerkoeffizienten abgelegt ist, der jeweils erste Reglerkoeffizienten K_1, zweite Reglerkoeffizienten K₂, dritte Reglerkoetfizienten K₃ und vierte Reglerkoeffizienten K₄ umfasst. In dem Datenspeicher 29 sind außerdem mehrere Datenspeicherbereiche vorgesehen, in denen jeweils ein Satz von Vorsteuerkoeffizienten abgelegt ist, der jeweils erste Vorsteuerkoeffizienten V₁ und zweite Vorsteuerkoeffizienten V₂ umfasst.

[0031] Der Drehzahl-Regler 6 und der Phasen-Regler 7 sind mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung 28 wahl- oder wechselweise derart mit einem der Datenspeicherbereiche verbindbar, dass der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Reglerkoeffizientensatz bei der Regelung und/oder der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Vorsteuerkoeffizientensatz bei der Vorsteuerung zur Anwendung kommt (kommen).

[0032] Wie in Fig. 2 weiter erkennbar ist, sind mit der Betriebsartenumschalteinrichtung 28 und dem Datenspeicher 29 eine Einrichtung 30 zur Feststellung des Betriebszustands der Verstellvorrichtung und der Hubkolben-Verbrennungsmaschine derart verbunden, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz und/oder der Vorsteuerung jeweils zur Anwendung kommende Vorsteuerkoeffizientensatz vom Betriebszustand abhängig ist. Die Einrichtung 30 zur Feststellung des Betriebszustands hat mehrere Eingänge, die mit Sensoren zur Messung der Kurbelwellendrehzahl, der Öltemperatur des Verbrennungsmotors, der Drehzahl des Verstellmotors, einem Ausgang der zweiten Begrenzungseinrichtung 27 und einem Ausgangsanschluss einer Motorsteuerung für den Verbrennungsmotors verbunden, an dem ein Signal für einen Betriebsmodus (Motorstart/-stopp, Normallauf, Notlauf) des Verbrennungsmotors anliegt. Die Einrichtung 30 zur Feststellung des Betriebszustands weist eine Vergleichseinrichtung auf, welche die an den Eingängen anliegenden Signale mit vorgegebenen Wertebereichen vergleicht. In Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche, wird jeweils ein Betriebszustand ermittelt, der die Auswahl der jeweils zu verwendenden Reglerund Vorsteuerkoeffizientensätze steuert.

[0033] Die Betriebsartenumschalteinrichtung 28 ermöglicht auch eine Umschaltung der Struktur des Regelkreises. Bei einer ersten Betriebsart des Regelkreises weisen die Reglerkoeffizienten K_1, K₂ und die Vorsteuerkoeffizienten V₁ den Wert Null auf, während die Reglerkoeffizienten K₃, K₄ und die Vorsteuerkoeffizienten V₂ ungleich Null sind. Der Regelkreis 5 regelt dann nur die Rotor-Drehzahl des Verstellmotors. Diese Betriebsart kommt bevorzugt während der Startphase des Verbrennungsmotors zur Anwendung.

[0034] Bei einer zweiten Betriebsart des Regelkreises sind alle Reglerkoeffizienten K₁, K₂, K₃, K₄ und Vorsteuerkoeffizienten V₁, V₂ ungleich Null, so dass der Regelkreis 5 dann den Verdrehwinkel zwischen Nockenwelle 2 und Kurbelwelle und die Rotor-Drehzahl regelt. Die zweite Betriebsart kommt zur Anwendung, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.

Bezugszeichenliste

[0035] 

1

Nockenwellenzahnrad

2

Nockenwelle

3

Anschlagelement

4

Gegenanschlagelement

5

Regelkreis

6

Drehzahl-Regler

7

Phasen-Regler

8

Ausgangsanschluss

9

erste Einrichtung zur Ermittlung einer Regelabweichung

10

erste Signalverarbeitungseinrichtung

11

zweite Signalverarbeitungseinrichtung

12

erste Integrationseinrichtung

13

erste Summationseinrichtung

14

zweite Summationseinrichtung

15

Eingangsanschluss für ein Kurbelwellendrehzahlsignal (ω_Cnk

16

erste Vorsteuereinrichtung

17

erste Begrenzungseinrichtung

18

zweite Einrichtung zur Ermittlung einer Regelabweichung

19

dritte Signalverarbeitungseinrichtung

20

vierte Signalverarbeitungseinrichtung

21

Ausgangsanschluss

22

dritte Summationseinrichtung

23

zweite Integrationseinrichtung

24

vierte Summationseinrichtung

25

Eingangsanschluss für ein Verstellmotor-Lastsignal M_Load

26

zweite Vorsteuereinrichtung

27

zweite Begrenzungseinrichtung

28

Betriebsartenumschalteinrichtung

29

Datenspeicher

30

Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands

Ansprüche

1. Verstellvorrichtung für die Drehwinkellage der Nockenwelle (2) einer Hubkolben-Verbrennungsmaschine relativ zur Kurbelwelle, mit einem Verstellmotor als Stellglied zum Verstellen der Drehwinkellage, das in einen mindestens einen Regler (6, 7) aufweisenden Regelkreis (5) geschaltet ist, wobei der Regler (6, 7) mit einem Datenspeicher (29) verbunden ist, in dem Reglerkoeffizienten für eine Übertragungsfunktion des Reglers (6, 7) abgelegt sind, dass der Datenspeicher (29) mindestens zwei Speicherbereiche aufweist, in denen unterschiedliche Sätze von Reglerkoeffizienten abgelegt sind, dass der Regelkreis (5) mit Hilfe einer Betriebsartenumschalteinrichtung (28) wahl- oder wechselweise derart mit einem der Datenspeicherbereiche verbindbar ist, dass der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Reglerkoeffizientensatz bei der Regelung zur Anwendung kommt, und dass mit der Betriebsartenumschalteinrichtung (28) eine Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands der Verstellvorrichtung und/oder der Hubkolben-Verbrennungsmaschine derart verbunden ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von dem Betriebszustand abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betriebsartenumschalteinrichtung (28) durch den jeweils zur Anwendung kommenden Reglerkoeffizientensatz in einer ersten Betriebsart, die während der Startphase der Verbrennungsmaschine zur Anwendung kommt, der Regelkreis (5) nur zur Regelung der RotorDrehzahl des Verstellmotors für die Drehwinkellage und in einer zweiten Betriebsart, nach Überschreiten einer vorgegebenen Mindestdrehzahl der Kurbelwelle, zur Regelung des Verdrehwinkels zwischen Nockenwelle (2) und Kurbelwelle ausgebildet ist.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung (28) der Regelkreis (5) zwischen einer dritten und einer vierten Betriebsart umschaltbar ist, und dass der Regelkreis (5) in der dritten Betriebsart als Mehrpunktregler und in der vierten Betriebsart zur Ausgabe eines kontinuierlichen Stellsignals ausgebildet ist.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verstellgetriebe aufweiset, das als Dreiwellengetriebe mit einer kurbelwellenfesten Antriebwelle, einer nockenwellenfesten Abtriebswelle und einer Verstellwelle ausgebildet ist, und dass als Stellglied ein Verstellmotor vorgesehen ist, der mit der Verstellwelle in Antriebsverbindung steht.

4. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands mindestens einen Eingang für ein Temperaturmesssignal des Verbrennungsmotors und/oder des Verstellmotors hat, und dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Messsignal (diesen Messsignalen) abhängig ist.

5. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands mindestens einen Eingang für ein Messsignal und/oder ein Sollwertsignal für den Verdrehwinkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle aufweist, und dass die Einrichtung zur Feststellung des Betriebszustands (30) derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Signal (diesen Signalen) und/oder der zeitlichen Änderung dieses Signals (dieser Signale) abhängig ist.

6. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands mindestens einen Eingang für ein die Rotordrehzahl des Verstellmotors, die Nockenwellendrehzahl und/ oder die Kurbelwellendrehzahl repräsentierendes Signal aufweist, und dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Signal (diesen Signalen) abhängig ist.

7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands einen Speicher zum Zwischenspeichern mindestens eines zu einem früheren Zeitpunkt von dem Regler (6, 7) ermittelten Werts einer Stellgröße für den Verstellmotor aufweist, und dass die Einrichtung (30) zur Feststellung des Betriebszustands derart ausgebildet ist, dass der bei der Regelung jeweils zur Anwendung kommende Reglerkoeffizientensatz von diesem Wert (diesen Werten) abhängig ist.

8. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (5) mindestens eine Begrenzungseinrichtung (17, 27), insbesondere für den Wicklungsstrom und/ oder die Wicklungsspannung des Verstellmotors aufweist, dass in dem Datenspeicher (29) Speicherplätze vorgesehen sind, in denen Grenzwerte für die Begrenzungseinrichtung(en) (17, 27) abgelegt sind, und dass die Begrenzungseinrichtung (17, 27) mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung (28) wahl- oder wechselweise derart mit einem der Speicherplätze verbindbar ist, dass der mindestens eine, in dem betreffenden Speicherplatz jeweils abgelegte Grenzwert bei der Begrenzung zur Anwendung kommt.

9. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (5) wenigstens einen mit mindestens einer Vorsteuereinrichtung (16, 26) verbunden Eingangsanschluss (15, 25) für ein Vorsteuersignal aufweist, und dass vorzugsweise ein Eingangsanschluss (15) für ein die Drehzahl der Antriebswelle des Verstellt getriebes repräsentierendes Vorsteuersignal, ein Eingangsanschluss (25) für ein das mittlere Lastmoment des Verstellmotors repräsentierendes Vorsteuersignal und/oder ein Eingangsanschluss für ein Vorsteuersignal vorgesehen ist, das eine durch die Drehung des permanentmagnetischen Rotors in einer Wicklung des Verstellmotor induzierte elektrische Spannung (EMK) repräsentiert.

10. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher mindestens zwei Speicherbereiche aufweist, in denen unterschiedliche Sätze von Vorsteuerkoeffizienten für die Vorsteuereinrichtung(en) abgelegt sind, und dass die Vorsteuereinrichtung(en) mit Hilfe der Betriebsartenumschalteinrichtung (28) wahl- oder wechselweise derart mit einem dieser Datenspeicherbereiche verbindbar ist (sind), dass der in dem betreffenden Datenspeicherbereich jeweils abgelegte Vorsteuerkoeffizientensatz bei der Generierung des mindestens einen Vorsteuersignals zur Anwendung kommt.

Claims

1. Adjustment device for adjusting the rotational angle position of the camshaft (2) of a reciprocating-piston internal combustion engine relative to the crankshaft, having an adjustment motor as a positioning element for the adjustment of the rotational angle position, which adjustment motor is connected into a control loop (5) which has at least one controller (6, 7), wherein the controller (6, 7) is connected to a data memory (29) in which controller coefficients for a transfer function of the controller (6, 7) are stored, in that the data memory (29) has at least two memory regions in which different sets of controller coefficients are stored, in that the control loop (5) is, with the aid of an operating mode switching device (28), connectable selectively or alternately to one of the data memory regions such that the controller coefficients set stored in each case in the respective data memory region is used in the control, and in that a device (30) for detecting the operating state of the adjustment device and/or of the reciprocating-piston internal combustion engine is connected to the operating mode switching device (28) such that the controller coefficient set respectively used in the control is dependent on the operating state, characterized in that, by way of the operating mode switching device (28), by means of the respectively used controller coefficient set, in a first operating mode which is used during the starting phase of the internal combustion engine, the control loop (5) is configured only for controlling the rotor rotational speed of the adjustment motor for the rotational angle position, and in a second operating mode, after a predefined minimum rotational speed of the crankshaft has been overshot, the control loop (5) is configured for controlling the relative rotational angle between camshaft (2) and crankshaft.

2. Adjustment device according to Claim 1, characterized in that, with the aid of the operating mode switching device (28), the control loop (5) can be switched between a third and a fourth operating mode, and in that, in the third operating mode, the control loop (5) is configured as a multipoint regulator, and in the fourth operating mode, the control loop is configured for outputting a continuous positioning signal.

3. Adjustment device according to Claim 1 or 2, characterized in that said adjustment device has an adjustment gearing which is in the form of a three-shaft gearing with a drive-input shaft fixed to the crankshaft, a drive-output shaft fixed to the camshaft, and an adjustment shaft, and in that, as a positioning element, an adjustment motor is provided which has a drive connection to the adjustment shaft.

4. Adjustment device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the device (30) for detecting the operating state has at least one input for a temperature measurement signal of the internal combustion engine and/or of the adjustment motor, and in that the device (30) for detecting the operating state is configured such that the controller coefficient set respectively used in the control is dependent on said measurement signal (measurement signals).

5. Adjustment device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the device (30) for detecting the operating state has at least one input for a measurement signal and/or a setpoint value signal for the relative angle of rotation between camshaft and crankshaft, and in that the device for detecting the operating state (30) is configured such that the controller coefficient set respectively used in the control is dependent on said signal (said signals) and/or on the change with respect to time of said signal (of said signal).

6. Adjustment device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the device (30) for detecting the operating state has at least one input for a signal which represents the rotor rotational speed of the adjustment motor, the camshaft rotational speed and/or the crankshaft rotational speed, and in that the device (30) for detecting the operating state is configured such that the controller coefficient set respectively used in the control is dependent on said signal (said signal).

7. Adjustment device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the device (30) for detecting the operating state has a memory for the temporary storage of at least one value, determined by the controller (6, 7) at an earlier point in time, of a positioning variable for the adjustment motor, and in that the device (30) for detecting the operating state is configured such that the controller coefficient set respectively used in the control is dependent on said value (said values).

8. Adjustment device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the control loop (5) has at least one limitation device (17, 27), in particular for the coil current and/or the coil voltage of the adjustment motor, in that, in the data memory (29), there are provided memory locations in which limit values for the limitation device(s) (17, 27) are stored, and in that the limitation device (17, 27) is selectively or alternately connectable, with the aid of the operating mode switching device (28), to one of the memory locations such that the at least one limit value stored in each case in the respective memory location is used in the limitation.

9. Adjustment device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the control loop (5) has at least one input terminal (15, 25), which is connected to at least one pilot-control device (16, 26), for a pilot-control signal, and in that, preferably, an input terminal (15) is provided for a pilot-control signal which represents the rotational speed of the drive-input shaft of the adjustment gearing, an input terminal (25) is provided for a pilot-control signal which represents the mean load torque of the adjustment motor, and/or an input terminal is provided for a pilot-control signal which represents an electrical voltage (EMF) that is induced in a coil of the adjustment motor by the rotation of the permanently magnetic rotor.

10. Adjustment device according to one of Claims 1 to 9, characterised in that the data memory has at least two memory regions in which different sets of pilot-control coefficients for the pilot-control device(s) are stored, and in that the pilot-control device(s) is (are) selectively or alternately connectable, with the aid of the operating mode switching device (28), to one of said data memory regions such that the pilot-control coefficient set stored in each case in the respective data memory region is used in the generation of the at least one pilot-control signal.

Revendications

1. Dispositif d'ajustement de la position angulaire de rotation de l'arbre à cames (2) d'un moteur à combustion interne à pistons alternatifs par rapport au vilebrequin, comportant un moteur d'ajustement réalisé sous la forme d'un circuit de réglage destiné à ajuster la position angulaire de rotation, qui est connecté dans un circuit de régulation (5) comportant au moins un régulateur (6, 7), dans lequel le régulateur (6, 7) est connecté à une mémoire de données (29) dans laquelle sont stockés des coefficients de régulateur destinés à une fonction de transfert du régulateur (6, 7), en ce que la mémoire de données (29) comporte au moins deux zones de mémoire dans lesquelles sont stockés des enregistrements différents de coefficients de régulateur, en ce que le circuit de régulation (5) peut être connecté à une zone de la mémoire de données de façon sélectionnée ou alternative à l'aide d'un dispositif de changement de mode de fonctionnement (28) de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement stocké dans la zone de mémoire de données concernée soit utilisé lors de la régulation, et en ce que un dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement du dispositif d'ajustement et/ou du moteur à combustion interne à pistons alternatifs est connecté au dispositif de changement de mode de fonctionnement (28) de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé lors de la régulation dépende de l'état de fonctionnement,
caractérisé en ce que, au moyen du dispositif de changement de mode de fonctionnement (28), le circuit de régulation (5) est conçu pour réguler, par l'intermédiaire de l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé, dans un premier mode de fonctionnement qui est mis en oeuvre pendant la phase de démarrage du moteur à combustion interne, uniquement la vitesse de rotation du rotor du moteur d'ajustement de la position angulaire de rotation et, dans un deuxième mode de fonctionnement, après dépassement d'une vitesse de rotation minimale prédéterminée du vilebrequin, pour réguler l'angle de rotation entre l'arbre à came (2) et le vilebrequin.

2. Dispositif d'ajustement selon la revendications 1, caractérisé en ce que, à l'aide du dispositif de changement de mode de fonctionnement (28), le circuit de régulation (5) peut être amené à basculer entre un troisième et un quatrième mode de fonctionnement et en ce que le circuit de régulation (5), dans le troisième mode de fonctionnement, est conçu sous la forme d'un régulateur à plusieurs points de fonctionnement et, dans le quatrième mode de réalisation, pour délivrer un signal de réglage continu.

3. Dispositif d'ajustement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un variateur qui est réalisé sous la forme d'un mécanisme à trois arbres ayant un arbre d'entraînement fixé au vilebrequin, un arbre entraîné fixé à l'arbre à came et un arbre d'ajustement, et en ce qu'il est prévu un moteur d'ajustement en tant que circuit de réglage qui est en liaison d'entraînement avec l'arbre d'ajustement.

4. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif (30) comporte, pour déterminer l'état de fonctionnement, au moins une entrée destinée à un signal de mesure de température du moteur à combustion interne et/ou du moteur d'ajustement, et en ce que le dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement est réalisé de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé lors de la régulation dépende dudit signal de mesure (desdits signaux de mesure).

5. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement comporte au moins une entrée destinée à un signal de mesure et/ou à un signal de valeur théorique de l'angle de déphasage entre l'arbre à came et le vilebrequin, et en ce que le dispositif destiné à déterminer l'état de fonctionnement (30) est réalisé de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé lors de la régulation dépende dudit signal (desdits signaux) de mesure et/ou de la variation temporelle dudit signal (desdits signaux).

6. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement comporte au moins une entrée destinée à un signal représentant la vitesse de rotation du rotor du moteur d'ajustement, la vitesse de rotation de l'arbre à came et/ou la vitesse de rotation du vilebrequin, et en ce que le dispositif destiné à déterminer l'état de fonctionnement (30) est conçu de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé lors de la régulation dépende dudit signal (desdits signaux).

7. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement comporte une mémoire destinée à mettre en tampon au moins une valeur, déterminée à un instant antérieur par le régulateur (6, 7), d'une grandeur de réglage du moteur d'ajustement, et en ce que le dispositif (30) destiné à déterminer l'état de fonctionnement est réalisé de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de régulateur respectivement utilisé lors de la régulation dépende de ladite valeur (desdites valeurs).

8. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de régulation (5) comporte au moins un dispositif de limitation (17, 27), notamment destiné au courant d'enroulement et/ou à la tension d'enroulement du moteur d'ajustement, en ce qu'il est prévu dans la mémoire de données (29) des emplacements de mémoire dans lesquels sont stockées des valeurs limites destinées au(x) dispositif(s) de limitation (17, 27), et en ce que le dispositif de limitation (17, 27) peut être relié de manière sélectionnée ou alternative à l'aide du dispositif de changement de mode de fonctionnement (28) à un emplacement de mémoire afin que l'au moins une valeur limite respectivement stockée dans l'emplacement de mémoire concerné soit utilisée lors de la limitation.

9. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit de régulation (5) comporte au moins une borne d'entrée (15, 25) destinée à un signal de précommande, connectée à au moins un dispositif de précommande (16, 26), et en ce qu'une borne d'entrée (15) est de préférence prévue pour un signal de précommande représentant la vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement du variateur, une borne d'entrée (25) destinée à un signal de précommande représentant le couple de charge moyen du moteur d'ajustement et/ou une borne d'entrée destinée à un signal de précommande qui représente une tension électrique induite (EMK) dans un enroulement du moteur d'ajustement par la rotation du rotor à aimant permanent.

10. Dispositif d'ajustement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la mémoire de données comporte au moins deux emplacements de mémoire dans lesquels sont stockés des enregistrements différentes de coefficients de précommande pour le(s) dispositif(s) de précommande, et en ce que le(s) dispositif(s) de précommande peut (peuvent) être relié(s) de manière sélectionnée ou alternative à l'aide du dispositif de changement de mode de fonctionnement (28) à l'un desdits emplacements de mémoire de données, de manière à ce que l'enregistrement de coefficients de précommande respectivement stocké dans l'emplacement de mémoire de données concerné soit utilisé lors de la génération dudit au moins un signal de précommande.

Zeichnung