DE60300595T2 - Differentialdruckkontrollsystem mit Regelung mittels Stellungsdetektor zur Minderung der Reibungs- und magnetischen Hysterese - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuersystem zum Steuern der Betriebsweise eines Systems zur variablen Nockenwellensteuerung (VCT). Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Steuersystem, das von einem Positionssensor Gebrauch macht, der an einem Differenzdrucksteuersystem (DPCS) mit einem zentral montierten Steuerventil und einer die Position des Steuerventils regelnden Regelschleife montiert ist.
• Die US-PS 5 107 804 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Position eines Steuerventils, das den Ölfluss zu den Kammern einer Nockenphaseneinstellvorrichtung vom Flügel- oder Kolbentyp oder von diesen weg steuert, indem ein extern montiertes Solenoid-Differenzdrucksteuersystem (DPCS) Verwendung findet. Das DPCS benutzt Motoröldruck, um einen Druck gegen ein Ende eines Steuerventils auszuüben. Ein Steuerdruck wirkt gegen die andere Seite und stammt entweder von einem PWM (pulsbreitenmodulierten) oder Proportional-Solenoid.
• Bei dem in den US-PS'en 5 172 659 und 5 184 578 beschriebenen Steuersystem werden beide Enden des Steuerventils mit hydraulischer Kraft beaufschlagt. Die an zweiter Stelle genannte Veröffentlichung zeigt ein Steuersystem, bei dem Kurbelwellen- und Nockenwellenpositionen abgetastet werden und ein pulsbreitenmoduliertes Solenoid ein Steuerventil bewegt, um die Betätigung der Phaseneinstellvorrichtung zu steuern, wobei eine Steuerung in Form einer geschlossenen Schleife Verwendung findet, um die Phasendifferenz zwischen der Nockenwelle und Kurbelwelle und dem Steuerventil entsprechend zu messen.
• 1 zeigt ein Blockdiagramm einer nockendrehmomentbetätigten variablen Nockensteuervorrichtung mit einem Differenzdrucksteuersystem (DPCS). Die Motorsteuereinheit (ECU) 1 entscheidet auf der Basis eines Phasensollpunktes 2, der auf verschiedenen Anforderungen an den Motor und Systemparametern (Temperatur, Drosselklappenposition, Öldruck, Motordrehzahl etc.) basiert. Der Sollpunkt wird gefiltert 3 und mit einer VCT-Phasenmessung 12 in einer Regelschleife mit einem PI-Regler 5, einem Phasenkompensator 6 und einer Anti-Aufwickellogik 7 kombiniert 4. Der Ausgang dieser Schleife wird mit einem Nullimpulszyklussignal 8 in ein pulsbreitenmodulierten (PWM) Ventil 206 kombiniert 9, das dem Differenzdrucksteuersystem (DPCS) 234 einen physikalischen Druck 340 zusammen mit dem Öldruck von der Hauptölgalerie oder Versorgung 230 zuführt, um das zentral montierte Steuerventil unter Druck zu setzen. Das Steuerventil 192 steuert wiederum das Strömungsmittel (Motoröl), um die VCT-Phaseneinstellvorrichtung 14 zu aktivieren, indem entweder Öldruck auf die Flügelkammern aufgebracht wird oder Kanäle so geschaltet werden, dass sie eine Bewegung der Phaseneinstellvorrichtung 14 durch Nockendrehmomentimpulse ermöglichen. Die Nockenposition wird von einem Nockensensor 20 abgetastet. Auch die Kurbelwellenposition (oder die Position des Phaseneinstellvorrichtungsantriebskettenrades, das mit der Kurbelwelle verbunden ist) wird von einem Sensor 21 abgetastet, und die Differenz zwischen beiden findet in einer VCT-Phasenmessschaltung 19 Verwendung, um ein VCT-Phasensignal 12 abzuleiten, das zur Vervollständigung der Schleife zurückgeführt wird.
• Ein Problem dieses Systems besteht darin, dass sowohl das pulsbreitenmodulierte (PWM) Ventil als auch das DPCS 234 mit dem mittig montierten Steuerventil sowohl eine Reibungshysterese als auch eine magnetische Hysterese besitzen. Wenn der Impulszyklus 320 oder das pulsbreitenmodulierte Signal größer wird und in den Pulsbreitenmodulator 206 eindringt, unterscheidet sich der resultierende physikalische Druck 340 von dem bei einer Abnahme des Impulszyklus 320, wodurch Reibungshysterese erzeugt wird, wie im Diagramm 360 der 1 dargestellt. Der Druck 340 wird dann dem DPCS 234 zugeführt, das die Position des mittig montierten Steuerventils 192 bestimmt. Infolgedessen resultieren bei einem Anstieg oder einer Abnahme des Impulszyklus 320 unterschiedliche Positionen des Steuerventils 192, die magnetische Hysterese erzeugen, wie im Diagramm 370 von 1 gezeigt.
• Daher besteht Bedarf nach einem System, das Fehler infolge Reibungshysterese und magnetischer Hysterese minimiert.
• Die Nockenphaseneinstellvorrichtung der vorliegenden Erfindung besitzt ein Differenzdrucksteuersystem (DPCS) mit Steuerventilpositions-Feedback zum Steuern der Position eines mittig montierten Steuerventils und zum Steuern des Phasenwinkels der nockenmontierten Phaseneinstellvorrichtung. Ein Positionssensor ist in bezug auf die Steuerventilposition so montiert, dass eine Regelschleife die Position des Steuerventils regelt. Eine zweite äußere Schleife regelt den Phasenwinkel. Vorzugsweise wird ein Ausgleichswert zur Steuerventilposition addiert, um das Steuerventil in seinen stetigen Zustand oder seine Nullposition zu bewegen. Diese Nullposition ist erforderlich, damit sich das Steuerventil einwärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in einer Richtung zu bewegen, und auswärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in der anderen Richtung zu bewegen. Diese Art von System reduziert jedwede Reibungshysterese oder magnetische Hysterese im System.
• Es folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnung. Hiervon zeigen:
• 1 ein Ablaufdiagramm einer nockendrehmomentbetätigten Vorrichtung zur variablen Nockensteuerung mit einem Differenzdrucksteuersystem (DPCS);
• 2 eine schematische Ansicht der Anordnung zur variablen Nockenwellensteuerung, die die vorliegende Erfindung enthält; und
• 3 ein Ablaufdiagramm einer nockendrehmoment betätigten Vorrichtung zur variablen Nockensteuerung mit einem Differenzdrucksteuersystem (DPCS) und Steuerventilpositions-Feedback der vorliegenden Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung reduziert den vom Stand der Technik erzeugten Fehler, da sie einen in bezug auf die Steuerventilposition montierten Positionssensor eines Differenzdrucksteuersystems (DPCS) und eine Feedback-Regelschleife, die die Position des Steuerventils regelt, besitzt. Hierdurch wird jedwede Reibungshysterese oder magnetische Hysterese im System reduziert. Vorzugsweise gibt es auch eine zweite äußere Feedback-Schleife zum Regeln des Phaseneinstellvorrichtungswinkels. Die innere Schleife regelt die Steuerventilposition, während die äußere Schleife den Phasenwinkel regelt. Ein Ausgleichswert wird vorzugsweise zur Steuerventilposition addiert, um das Steuerventil in seinen stetigen Zustand oder seine Nullposition zu bewegen. Die Nullposition ist erforderlich, damit sich das Steuerventil einwärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in einer Richtung zu bewegen, und auswärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in der anderen Richtung zu bewegen. Bei der „Phaseneinstellvorrichtung" handelt es sich um die Komponente zur variablen Nockensteuerung (VCT), die eine Phasenveränderung der Nockenwelle 126 zur Kurbelwelle ermöglicht und auch als „Nockenindexiereinrichtung" bzw. „Nockenschalteinrichtung" bekannt ist.
• Der Druck und die Viskosität des Hydraulikmittels, das im Steuersystem Verwendung findet, beispielsweise des Motorschmieröls in der VCT-Komponente eines Automobiles, können sich infolge von Änderungen der Drehzahl des Motors, der Betriebstemperatur oder des Alters des Öls oder Veränderungen in der Zusammensetzung des Motoröls von Zeit zu Zeit infolge eines Ölwechsels, bei dem das alte Öl durch ein Öl einer anderen Marke oder einer anderen Qualität ersetzt wird, im Laufe der Zeit verändern. In einem Steuersystem, das auf einer hydraulischen Kraft einer veränderlichen Größe basiert, um einer mechanischen Kraft entgegenzuwirken, wird der tatsächliche hydraulische Steuerdruck, der zumindest teilweise von der Viskosität in einem dynamischen System abhängig ist, auf einem vorgegebenen Wert gehalten, indem der Impulszyklus bzw. Tastzyklus, der dem pulsbreitenmodulierten (PWM) Ventil zugeführt wird, verändert wird. Dieses PWM-Ventil findet zum Steuern des hydraulischen Drucks auf ein reduziertes Niveau gegenüber einer Quelle höheren Drucks, beispielsweise der Ölquelle, auf der Basis der Dauer der „EIN"-Zyklen des PWM-Ventils relativ zu seinen „AUS"-Zyklen Verwendung.
• 2 zeigt eine Nockenphaseneinstellvorrichtung der vorliegenden Erfindung, bei der ein Gehäuse in der Form eines Kettenrades 132 schwingend an einer Nockenwelle 126 gelagert ist. Die Nockenwelle 126 kann als einzige Nockenwelle eines Motors mit einer einzigen Nockenwelle, entweder vom Typ mit obenliegender Nockenwelle oder vom Typ mit Nockenwelle im Motorblock, angesehen werden. Alternativ dazu kann es sich bei der Nockenwelle entweder um die die Einlassventile betätigende Nockenwelle oder um die die Auslassventile betätigende Nockenwelle eines Motors mit zwei Nockenwellen handeln. In jedem Fall sind das Kettenrad 132 und die Nockenwelle 126 zusammen drehbar und werden durch die Aufbringung von Drehmoment auf das Kettenrad 132 über eine Endlosrollenkette, die sich um das Kettenrad 132 und um eine Kurbelwelle mit ihrem eigenen Kettenrad erstreckt, gedreht. Wie hiernach in größeren Einzelheiten beschrieben wird, ist das Kettenrad 132 so schwingend an der Nockenwelle 126 gelagert, dass es zumindest über einen begrenzten Bogen relativ zur Nockenwelle 126 hin- und herschwingen kann, wodurch die Phase der Nockenwelle 126 relativ zur Kurbelwelle eingestellt wird.
• Ein ringförmiger Pumpflügel ist fest an der Nockenwelle 126 angebracht. Dieser Flügel besitzt ein diametral gegenüberliegendes Paar von radial auswärts vorstehenden Nocken 160a, 160b und ist über Bolzen, die sich durch den Flügel 160 in den Endabschnitt erstrecken, an einem vergrößerten Endabschnitt der Nockenwelle 126 befestigt. Die Nocken 160a, 160b sind in radial nach außen vorstehenden Ausnehmungen 132a, 132b des Kettenrades 132 untergebracht, wobei die Umfangsausdehnung einer jeden Ausnehmung 132a, 132b etwas größer ist als die Umfangsausdehnung des Flügelnockens 160a, 160b, der in einer derartigen Ausnehmung angeordnet ist, um eine begrenzte Schwingbewegung des Kettenrades 132 relativ zum Flügel 160 zu ermöglichen. Jede der Ausnehmungen 132a, 132b des Kettenrades 132 ist in der Lage, einen hydraulischen Druck aufrechtzuerhalten, und innerhalb einer jeden Ausnehmung 132a, 132b ist der Abschnitt auf jeder Seite des Nockens 160a, 160b in der Lage, einen hydraulischen Druck aufrechtzuerhalten.
• In jedem Fall strömt das Hydraulikmittel, beispielsweise in der Form von Motorschmieröl, über eine gemeinsame Einlass leitung 182 in die Ausnehmungen 132a, 132b. Die Einlassleitung 182 endet an einer Verbindungsstelle zwischen gegenüberliegenden Sperrventilen 184 und 186, die über Zweigleitungen 188, 190 an die Ausnehmungen 132a, 132b angeschlossen sind. Die Sperrventile 184, 186 besitzen ringförmige Sitze 184a, 186a, um den Durchfluss des Hydraulikmittels durch die Sperrventile 184, 186 in die Ausnehmungen 132a, 132b zu ermöglichen. Der Durchfluss des Hydraulikmittels durch die Sperrventile 184, 186 wird durch schwimmende Kugeln 184b, 186b blockiert, die von Federn 184c, 186c auf elastische Weise gegen die Sitze 184a, 186a gedrückt werden. Die Sperrventile 184, 186 ermöglichen somit das anfängliche Füllen der Ausnehmungen 132a, 132b und sorgen für eine kontinuierliche Zufuhr von Ergänzungshydraulikmittel, um Leckagen hiervon zu kompensieren. Das Hydraulikmittel dringt in die Leitung 182 über ein Steuerventil 192 ein, das in die Nockenwelle 126 eingearbeitet ist, und wird von den Ausnehmungen 132a, 132b durch Rückführleitungen 194, 196 zum Steuerventil 192 zurückgeführt.
• Das Steuerventil 192 besteht aus einem zylindrischen Element 198 und einem Ventilschieber 200, der im Element 198 hin- und zurückgleiten kann. Der Ventilschieber 200 besitzt zylindrische Stege 200a und 200b auf gegenüberliegenden Enden, und die Stege 200a und 200b, die eng in das Element 198 eingepasst sind, sind so angeordnet, dass der Steg 200b den Austritt von Hydraulikmittel von der Rückführleitung 196 oder der Steg 200a den Austritt von Hydraulikmittel von der Rückführleitung 194 blockiert oder die Stege 200a und 200b den Austritt von Hydraulikmitteln von beiden Rückführleitungen 194 und 196 blockieren, wie in 2 gezeigt, wodurch die Nockenwelle 126 in einer ausgewählten Zwischenposition relativ zur Kurbelwelle des zugehörigen Motors gehalten wird.
• Die Position des Ventilschiebers 200 im Element 198 wird durch ein gegenüberliegendes Paar von Federn 202, 204 beeinflusst, die auf die Enden der Stege 200a, 200b einwirken. Die Feder 202 drückt somit den Ventilschieber 200 elastisch in 2 nach links, während die Feder 204 den Ventilschieber 200 in 2 elastisch nach rechts drückt. Die Position des Ventilschiebers 200 im Element 198 wird weiter durch die Zufuhr von unter Druck stehendem Hydraulikmittel in einem Abschnitt 198a des Elementes 198 auf der Außenseite des Steges 200a beeinflusst, wodurch der Ventilschieber 200 nach links gedrückt wird. Der Abschnitt 198a des Elementes 198 empfängt sein unter Druck stehendes Strömungsmittel (Motoröl) direkt von der Ölquelle 230 des Motors über eine Leitung 230a, und dieses Öl findet ferner zum Schmieren eines Lagers 232 Verwendung, in dem sich die Nockenwelle 126 des Motors dreht.
• Die Steuerung der Position des Ventilschiebers 200 im Element 198 erfolgt in Abhängigkeit vom Hydraulikdruck in einem Steuerdruckzylinder 234, dessen Kolben 234a gegen eine Verlängerung 200c des Ventilschiebers 200 gelagert ist. Die Fläche des Kolbens 234a ist größer als die Fläche des Endes des Ventilschiebers 200, die dem hydraulischen Druck im Abschnitt 198 ausgesetzt ist, und ist vorzugsweise zweimal so groß. Somit sind die in entgegengesetzten Richtungen auf den Ventilschieber 200 einwirkenden hydraulischen Drücke ausgeglichen, wenn der Druck im Zylinder 234 dem halben Druck im Abschnitt 198a entspricht, wenn die Fläche des Kolbens 234a doppelt so groß ist wie das Ende des Steges 200a des Ventilschiebers. Dies erleichtert die Steuerung der Position des Ventilschiebers 200, da bei einem Ausgleich der Federn 202 und 204 der Schieber 200 in seiner Nullposition oder zentrierten Position verbleibt, wie in 2 gezeigt, wenn weniger als der volle Motoröldruck im Zylinder 234 vorhanden ist, so dass der Ventilschieber 200 durch Erhöhen oder Reduzieren des Drucks im Zylinder 234 in jede Richtung bewegt werden kann, falls gewünscht. Ein Positionssensor 300 ist so montiert, dass er die Position des Steuerventils 192 abtastet.
• Der Druck im Zylinder 234 wird von einem Ventil 206, vorzugsweise vom pulsbreitenmodulierten Typ (PWM), in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einer elektronischen Motorsteuereinheit (ECU) 208 gesteuert, das schematisch dargestellt ist und eine herkömmliche Konstruktion besitzen kann. Wenn sich der Ventilschieber 200 in seiner Nullposition befindet, wenn der Druck im Zylinder 234 dem halben Druck im Abschnitt 198a entspricht, wie vorstehend beschrieben, besitzen die EIN-AUS-Impulse des Ventils 206 die gleiche Dauer. Durch Erhöhen oder Vermindern der EIN-Dauer relativ zur AUS-Dauer wird der Druck im Zylinder 234 in bezug auf ein derartiges hälftiges Niveau erhöht oder verringert, so dass der Ventilschieber 200 nach rechts oder links bewegt wird. Das Ventil 206 empfängt Motoröl von der Ölquelle 230 durch eine Einlassleitung 212 und führt wahlweise Motoröl von dieser Quelle dem Zylinder 234 durch eine Zuführleitung 238 zu. Überschüssiges Öl vom Ventil 206 wird mit Hilfe einer Leitung 210 zu einem Sumpf 236 abgeführt.
• Durch Ausnutzung der Ungleichgewichte zwischen entgegengesetzt wirkenden hydraulischen Lasten von einer gemeinsamen Hydraulikquelle, die auf die gegenüberliegenden Enden des Ventilschiebers 200 einwirken, um diesen in der einen oder anderen Richtung zu bewegen, im Gegensatz zur Ausnutzung von Ungleichgewichten zwischen einer hydraulischen Last an einem Ende und einer mechanischen Last am gegenüberliegenden Ende ist das Steuersystem in 2 in der Lage, unabhängig von Veränderungen der Viskosität oder dem Druck des Hydrauliksystems zu arbeiten. Es ist somit nicht erforderlich, den Impulszyklus des Ventils 206 zu variieren, um den Ventilschieber 200 in einer vorgegebenen Position, beispielsweise seiner zentrierten Position oder Nullposition, zu halten, wenn sich die Viskosität oder der Druck des Hydraulikmittels während des Betriebes des Systems verändert. Bei der zentrierten Position oder Nullposition des Ventilschiebers 200 handelt es sich um die Position, in der keine Veränderung des Phasenwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle stattfindet. Es ist wichtig, den Ventilschieber 200 auf rasche und zuverlässige Weise in seiner Nullposition zu positionieren, um eine korrekte Funktionsweise eines VCT-Systems zu erreichen.
• Das Ergänzungsöl für die Ausnehmungen 132a, 132b des Kettenrades 132 zur Kompensation von Leckagen wird über einen kleinen Innenkanal 220 im Ventilschieber 200 vom Kanal 198a zu einem Ringraum 198b des zylindrischen Elementes 198 geführt, von dem es in die Einlassleitung 182 strömen kann. Ein Sperrventil 222 ist im Kanal 220 angeordnet, um den Zufluss von Öl vom Ringraum 198b zum Abschnitt 198a des zylindrischen Elementes 198 zu blockieren.
• Der Flügel 160 wird abwechselnd durch die Drehmomentschwankungen in der Nockenwelle 126 im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn unter Druck gesetzt, wobei diese Drehmomentschwankungen dazu neigen, den Flügel 160 und somit die Nockenwelle 126 relativ zum Kettenrad 132 hin- und herzubewegen. In der Position des Ventilschiebers 200 im zylindrischen Element 198, die in 2 gezeigt ist, wird jedoch eine derartige Hin- und Herbewegung durch das Hydraulikmittel in den Ausnehmungen 132a, 132b des Kettenrades 132 auf gegenüberliegenden Seiten der Nocken 160a, 160b des Flügels 160 verhindert, da kein Hydraulikmittel die Ausnehmungen 132a, 132b verlassen kann, weil beide Rückführleitungen 194, 196 durch die Position des Ventilschiebers 200 im Zustand der 2 blockiert sind. Wenn es beispielsweise gewünscht wird, dass sich die Nockenwelle 126 und der Flügel 160 gegen den Uhrzeigersinn relativ zum Kettenrad 132 bewegen, ist es nur erforderlich, den Druck im Zylinder 134 auf ein größeres Niveau als die Hälfte von dem im Abschnitt 198a des zylindrischen Elementes zu erhöhen. Hierdurch wird der Ventilschieber 200 nach rechts gedrückt und gibt auf diese Weise die Rückführleitung 194 frei. In diesem Zustand der Vorrichtung wird durch die Drehmomentschwankungen in der Nockenwelle 126 gegen den Uhrzeigersinn Strömungsmittel aus dem Abschnitt der Ausnehmung 132a herausgepumpt, so dass sich der Nocken 162a des Flügels 160 in den Abschnitt der Ausnehmung bewegen kann, der vom Hydraulikmittel entleert worden ist. Eine umgekehrte Bewegung des Flügels tritt jedoch nicht auf, da die Drehmomentschwankungen in der Nockenwelle entgegengesetzt gerichtet werden, bis sich der Ventilschieber 200 nach links bewegt, weil der Steg 200b des Ventilschiebers 200 einen Strömungsmittelfluss durch die Rückführleitung 196 blockiert.
• Des weiteren ist der Kanal 182 mit einer Verlängerung 182a zur nichtaktiven Seite von einem der Nocken 160a, 160b hin, der hier als Nocken 160b gezeigt ist, versehen, um eine kontinuierliche Zufuhr von Ergänzungsöl zu den nichtaktiven Seiten der Nocken 160a, 160b für einen besseren Drehausgleich, eine verbesserte Dämpfung der Flügelbewegung und eine verbesserte Schmierung der Lagerflächen des Flügels 160 zu ermöglichen. Durch die auf diese Weise erfolgende Zufuhr von Ergänzungsöl wird die Notwendigkeit vermieden, das Ergänzungsöl durch das Ventil 206 zu führen. Somit beeinflusst der Zufluss von Ergänzungsöl nicht die Funktionsweise des Ventils 206 und wird durch diese nicht beeinflusst. Insbesondere wird Ergänzungsöl weiterhin den Nocken 160a, 160b zugeführt, wenn das Ventil 206 ausfällt, und es werden die Öldurchsätze reduziert, die vom Ventil 206 gehandhabt werden müssen.
• Die VCT-Steuereinheit 25 der Erfindung benutzt vorzugsweise Eingänge von einem Sensor 21 benachbart zur Kurbelwelle und einem anderen Sensor 20 benachbart zur Phaseneinstellvorrichtung oder Nockenwelle 126 als Signale, um die relative Phase der Nockenwelle 126 und Kurbelwelle abzutasten. Der Positionssensor 300 liefert ein anderes Einganssignal an die VCT-Steuereinheit 25, das in der nachfolgenden Weise in Verbindung mit 3 erläutert wird.
• Obwohl der Positionssensor 300 in physikalischem Kontakt mit dem DPCS 234 steht, ist ein physikalischer Kontakt nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise kann der Positionssensor 300 auch optisch, kapazitiv oder magnetisch an das DPCS 234 angeschlossen sein und in das PWM-Ventil eingebaut sein. Positionssensoren 300, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, umfassen lineare Potentiometer, Hall-Effekt-Sensoren und Bandendsensoren, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
• 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung der Erfindung, bei der eine Feedback-Schleife zum Regeln der Position des Steuerventils Verwendung findet, um auf diese Weise die Reibungshysterese und magnetische Hysterese im System zu reduzieren. Eine zweite Feedback-Schleife regelt den Phaseneinstellvorrichtungswinkel. Die innere Schleife 30 regelt die Steuerventilposition, und die äußere Schleife (entsprechend der in 1) regelt den Phasenwinkel. Zur Steuerventilposition wird vorzugsweise ein Ausgleichswert addiert. Diese Nullposition ist erforderlich, damit sich der Ventilschieber einwärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in einer Richtung zu bewegen, und auswärts bewegen kann, um die Phaseneinstellvorrichtung in der anderen Richtung zu bewegen.
• Die grundlegende Phaseneinstellvorrichtungsregelschleife der 3 entspricht der von 1, so dass diese Schaltung nicht mehr im einzelnen erläutert wird. Der Unterschied zwischen der in 3 gezeigten Erfindung und dem Stand der Technik der 1 liegt in der inneren Regelschleife 30, die mit Ausgang des Phasenkompensators 6 beginnt. Der Ausgang des Kompensators 6 ist mit einem Nullpositionsausgang 410, dem Ausgang des Steuerventilpositionssensors 300 und einem Eingang zum PI-Regler 401 kombiniert. Bei dem Ausgangssignal des PI-Reglers 401 handelt es sich um ein pulsmoduliertes Signal oder einen Impulszyklus 320, der zusammen mit dem Druck von der Ölquelle 230 einem PWM-Ventil 206 zugeführt wird. Bei dem Ausgangssignal des PWM-Ventils 206 handelt es sich um physikalischen Druck 340, der zusammen mit dem Öldruck 238 von der Ölquelle 230, die beide das mittig montierte Steuerventil antreiben, dem DPCS 234 zugeführt wird. Die Position 310 des mittig montierten Steuerventils wird vom Positionssensor 300 gelesen, und das Ausgangssignal 400 des Positionssensors 300 wird zur Vervollständigung der Schleife 30 zurückgeführt.

Claims (14)

1. System zur variablen Nockensteuerung für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, mindestens einer Nockenwelle, einem mit der Kurbelwelle verbundenen Nockenantrieb und einer Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung, die einen an mindestens einer Nockenwelle montierten inneren Abschnitt und einen mit dem Nockenantrieb verbundenen konzentrischen äußeren Abschnitt aufweist, wobei die relativen Winkellagen des inneren Abschnittes und des äußeren Abschnittes in Abhängigkeit von einem Strömungsmittelsteuereingang so steuerbar sind, dass die relative Phase der Kurbelwelle und der mindestens einen Nockenwelle durch Verändern des Strömungsmittels am Strömungsmittelsteuereingang der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung verschoben werden kann, und wobei das System zur variablen Nockensteuerung umfasst: ein Steuerventil (192) mit einem gleitend montierten Ventilschieber mit einem ersten Ende, das mit einer Hydraulikmittelquelle (236) verbunden ist, und einem zweiten Ende, das ein Differenzdrucksteuersystem (DPCS) (234) bildet, wobei das DPCS (234) einen Hydraulikkolben umfasst, der von der Größe des Hydraulikmitteldrucks von der Hydraulikmittelquelle (236) beeinflusst wird und eine Fläche besitzt, die doppelt so groß ist wie die Fläche des Ventilschiebers (192), gegen den er Druck ausübt, und wobei der Ventilschieber so zentral im inneren Abschnitt der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung angeordnet ist, dass durch die Axialbewegung des Ventilschiebers der Strömungsmittelfluss am Strömungsmittelsteuereingang der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung gesteuert wird; ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Ventil (206) mit einem elektrischen Eingang und einem Strömungsmitteldruckausgang, der dem DPCS zugeführt wird, so dass ein elektrisches Signal am elektrischen Eingang eine Axialbewegung des Ventilschiebers bewirkt; Phasenmesssensoren (20) (21) für das System zur variablen Nockensteuerung (VCT), die mit der Kurbelwelle und der mindestens einen Nockenwelle, die durch das System zur variablen Nockensteuerung gesteuert wird, in Verbindung stehen; und eine VCT-Steuerschaltung, die einen Nockenphaseneingang (12) aufweist, der mit den VCT-Phasenmesssensoren in Verbindung steht, und einen Phasensollpunkteingang (2) zum Akzeptieren eines Signals, das eine gewünschte relative Phase der Nockenwelle und Kurbelwelle repräsentiert, wobei die Steuerschaltung ein Ausgangssignal an das pulsbreitenmodulierte Ventil (206) zum Steuern der Bewegung des Ventilschiebers des Steuerventils abgibt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssensor (300) mit dem Kolben des DPCS (234) in Verbindung steht und einen Positionssignalausgang besitzt, der die physikalische Position des Ventilschiebers im Steuerventil (192) repräsentiert; und die Steuerschaltung umfasst einen an den Positionssensorausgang angeschlossenen Steuerventilpositionseingang und eine Signalverarbeitungsschaltung, die Signale vom Phasensollpunkteingang, Nockenphaseneingang und Steuerventilpositionseingang annimmt, so dass beim Anlegen eines Phasensollpunktsignals am Phasensollpunkteingang die Steuerschaltung einen eingestellten Tastzyklus (320) für das pulsbreitenmodulierte Ventil (206) vorsieht, der das DPCS (234) beeinflusst, den Ventilschieber im Steuerventil (192) zu bewegen, um die Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung zur Verschiebung der Phase der Nockenwelle, wie durch das Phasensollpunktsignal gewählt, zu steuern.
2. System zur variablen Nockensteuerung nach Anspruch 1, bei dem der Positionssensor (300) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem linearen Potentiometer, einem Hall-Effekt-Sensor und einem Bandendsensor besteht.
3. System zur variablen Nockensteuerung nach Anspruch 1, bei dem der Kolben des DPCS (234) und der Positionssensor (300) über Einrichtungen angeschlossen sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem physikalischen Anschluss, einem optischen Anschluss, einem magnetischen Anschluss und einem kapazitiven Anschluss besteht.
4. System zur variablen Nockensteuerung nach Anspruch 1, bei dem das Strömungsmittel Motorschmieröl von einer unter Druck stehenden Schmierölquelle umfasst.
5. System zur variablen Nockensteuerung nach Anspruch 1, bei dem die Signalverarbeitungsschaltung umfasst: eine den Phasenwinkel regelnde äußere Schleife, die an den Sollpunkteingang und den Nockenphaseneingang angeschlossen ist; eine innere Schleife zum Regeln der Steuerventilposition, die an den Steuerventilpositionseingang und die äußere Schleife angeschlossen ist; so dass ein von der äußeren Schleife eingestellter Impulszyklus (Tastzyklus) von der inneren Schleife auf der Basis der Ventilschieberposition modifiziert wird.
6. System zur variablen Nockensteuerung nach Anspruch 5, bei dem a) die äußere Schleife umfasst i) eine Anti-Aufwickelschleife mit A) einer ersten PI-Regeleinheit (5) mit einem ersten Eingang, der an den Sollpunkteingang angeschlossen ist, einem zweiten Eingang, der an den Nockenphaseneingang angeschlossen ist, einem dritten Eingang und einem Ausgang; B) einem Phasenkompensator (6) mit einem Eingang, der an den Ausgang der ersten PI-Regeleinheit angeschlossen ist, und einem ersten Ausgang sowie einem zweiten Ausgang; und C) einer Anti-Aufwickellogik (7) mit einem Eingang, der an den zweiten Ausgang des Phasenkompensators angeschlossen ist, und einem Ausgang, der an den dritten Eingang der PI-Regeleinheit angeschlossen ist; ii) einen Kombinator (402) mit einem ersten Eingang, der an ein Nullpositionsausgleichsignal (410) angeschlossen ist, einem zweiten Eingang, der an den Ausgang des Phasenkompensators angeschlossen ist, einem dritten Eingang und einem Ausgang; iii) eine zweite PI-Regeleinheit (401) mit einem Eingang, der an den Ausgang des Kombinators angeschlossen ist, und einem Ausgang; iv) wobei das PWM-Ventil (206) einen Eingang, der an den Ausgang der zweiten PI-Regeleinheit angeschlossen ist, einen Eingang von der Strömungsmittelquelle (230) und einen Ausgang aufweist; und v) ein DPCS (234) mit einem Eingang, der an den Ausgang des PWM-Ventils (206) angeschlossen ist, einem Eingang von der Strömungsmittelquelle (230) und einem Ausgang; b) wobei die innere Schleife einen Anschluss des Steuerventilpositionseinganges an den dritten Eingang des Kombinators umfasst.
7. Brennkraftmaschine mit a) einer Kurbelwelle; b) mindestens einer Nockenwelle; c) einem Nockenantrieb, der mit der Kurbelwelle in Verbindung steht; d) einer Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung mit einem inneren Abschnitt, der an mindestens einer Nockenwelle montiert ist, und einem konzentrischen äußeren Abschnitt, der mit dem Nockenantrieb verbunden ist, wobei der innere Abschnitt und der äußere Abschnitt relative Winkellagen besitzen, die in Abhängigkeit von einem Strömungsmittelsteuereingang steuerbar sind, so dass die relative Phase der Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle verschoben werden kann, indem das Strömungsmittel am Strömungsmittelsteuereingang der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung variiert wird; und e) einem System zur variablen Nockensteuerung, das umfasst: i) ein Steuerventil (192) mit einem gleitend montierten Ventilschieber mit einem ersten Ende, das an eine Hydraulikmittelquelle angeschlossen ist, und einem zweiten Ende, bei dem es sich um ein DPCS (234) handelt, wobei das DPCS (234) einen Hydraulikkolben umfasst, der von der Größe des Hydraulikmitteldrucks von der Hydraulikmittelquelle (236) beeinflusst wird und eine Fläche besitzt, die doppelt so groß ist wie die Fläche des Steuerventils (192), gegen das er Druck ausübt, wobei der Ventilschieber so zentral im inneren Abschnitt der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung angeordnet ist, dass durch die Axialbewegung des Ventilschiebers der Strömungsmittelfluss am Strömungsmittelsteuereingang der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung gesteuert wird; ii) ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Ventil (206) mit einem elektrischen Eingang und einem Strömungsmitteldruckausgang, der so dem DPCS zugeführt wird, dass ein elektrisches Signal am elektrischen Eingang eine axiale Bewegung des Ventilschiebers bewirkt; iii) VCT-Phasenmesssensoren (20) (21), die mit der Kurbelwelle und der mindestens einen Nockenwelle, die durch das System zur vari ablen Nockensteuerung gesteuert wird, in Verbindung stehen; und iv) eine VCT-Steuerschaltung mit einem Nockenphaseneingang, der an die VCT-Phasenmesssensoren angeschlossen ist, und einem Phasensollpunkteingang zum Annehmen eines Signals, das eine gewünschte relative Phase der Nockenwelle und Kurbelwelle repräsentiert, wobei die Steuerschaltung ein Ausgangssignal an das pulsbreitenmodulierte Ventil (206) zum Steuern der Bewegung des Ventilschiebers im Steuerventil abgibt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssensor (300) mit dem Kolben des DPCS (234) in Verbindung steht und einen Positionssignalausgang aufweist, der die physikalische Position des Ventilschiebers im Steuerventil (192) wiedergibt; und die Steuerschaltung umfasst einen Steuerventilpositionseingang, der an den Positionssensorausgang angeschlossen ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung, die Signale vom Phasensollpunkteingang, Nockenphaseneingang und Steuerventilpositionseingang annimmt, so dass beim Anlegen eines Phasensollpunktsignals am Phasensoll punkteingang die Steuerschaltung einen eingestellten Impulszyklus (Tastzyklus) (320) für das pulsbreitenmodulierte Ventil (206) vorsieht, der das DPCS (234) beeinflusst, den Ventilschieber im Steuerventil (192) zu bewegen, um die Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung so zu steuern, dass diese die Phase der Nockenwelle, wie vom Phasensollpunktsignal ausgewählt, verschiebt.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, bei der der Positionssensor (300) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem linearen Potentiometer, einem Hall-Effekt-Sensor und einem Bandendsensor besteht.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, bei der der Kolben des DPCS (234) und der Positionssensor (300) über Einrichtungen angeschlossen sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem physikalischen Anschluss, einem optischen Anschluss, einem magnetischen Anschluss und einem kapazitiven Anschluss besteht.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, bei der das Hydraulikmittel Motorschmieröl von einer unter Druck stehenden Hydraulikölquelle (230) umfasst.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, bei der die Signalverarbeitungsschaltung umfasst: eine den Phasenwinkel regelnde äußere Schleife, die an den Sollpunkteingang und den Nockenphaseneingang angeschlossen ist; eine innere Schleife zum Regeln der Steuerventilposition, die an den Steuerventilpositionseingang und die äußere Schleife angeschlossen ist; so dass ein von der äußeren Schleife eingestellter Impulszyklus (Tastzyklus) von der inneren Schleife auf der Basis der Steuerventilposition modifiziert wird.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, bei der a) die äußere Schleife umfasst: i) eine Anti-Aufwickelschleife mit A) einer ersten PI-Regeleinheit (5) mit einem ersten Eingang, der an den Sollpunkteingang angeschlossen ist, einem zweiten Eingang, der an den Nockenphaseneingang angeschlossen ist, einem dritten Eingang und einem Ausgang; B) einem Phasenkompensator (6) mit einem Eingang, der an den Ausgang der ersten PI-Regeleinheit angeschlossen ist, und einem ersten Ausgang sowie einem zweiten Ausgang; und C) einer Anti-Aufwickellogik (7) mit einem Eingang, der an den zweiten Ausgang des Phasenkompensators angeschlossen ist, und einem Ausgang, der an den dritten Eingang der PI-Regeleinheit angeschlossen ist; ii) einen Kombinator (402) mit einem ersten Eingang, der an ein Nullpositionsausgleichsignal (410) angeschlossen ist, einem zweiten Eingang, der an den Ausgang des Phasenkompensators angeschlossen ist, einem dritten Eingang und einem Ausgang; iii) eine zweite PI-Regeleinheit (401) mit einem Eingang, der an den Ausgang des Kombinators angeschlossen ist, und einem Ausgang; iv) wobei das PWM-Ventil (206) einen Eingang, der an den Ausgang der zweiten PI-Regeleinheit angeschlossen ist, einen Eingang von der Hydraulikmittelquelle (230) und einen Ausgang aufweist; und v) einen Differenzdrucksteuersystemzylinder (234) mit einem Eingang, der an den Ausgang des PWM-Ventils angeschlossen ist, und einem Ausgang; b) wobei die innere Schleife einen Anschluss des Steuerventilpositionseingangs an den dritten Eingang des Kombinators aufweist.
13. Verfahren zum Steuern eines Systems zur variablen Nockenwellensteuerung in einer Brennkraftmaschine zum Variieren des Phasenwinkels einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle, wobei durch das Verfahren der Strömungsmittelfluss von einer Quelle zu einer Einrichtung zur Übertragung von Drehbewegung von der Kurbelwelle zu einem Gehäuse reguliert wird und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Abtasten der Positionen der Nockenwelle und Kurbelwelle; Berechnen eines relativen Phasenwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle, wobei im Berechnungsschritt eine Motorsteuereinheit zum Verarbeiten von vom Abtastschritt erhaltenen Informationen Verwendung findet und die Motorsteuereinheit des weiteren ein elektrisches Signal entsprechend dem Phasenwinkel abgibt; Steuern der Position eines gleitend in einem Steuerventil angeordneten Ventilschiebers, wobei dieser Steuerschritt in Abhängigkeit von dem Signal erfolgt, das von der Motorsteuereinheit empfangen wird, und im Steuerschritt ein Differenzdrucksteuersystem zum Verändern der Position des belüfteten Ventilschiebers und ein Positionssensor zum Ab tasten der Position des Ventilschiebers Verwendung finden, wobei ein erstes Ende des Ventilschiebers an eine Hydraulikmittelquelle angeschlossen ist und ein zweites Ende des Ventilschiebers das Differenzdrucksteuersystem ist, welches einen Hydraulikkolben umfasst, der von der Größe des Hydraulikmitteldrucks von der Hydraulikmittelquelle beeinflusst wird und eine Fläche besitzt, die doppelt so groß ist wie die Fläche des Steuerventils, gegen das er Druck ausübt, und wobei der Ventilschieber so zentral im inneren Abschnitt der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung angeordnet ist, dass die Axialbewegung des Ventilschiebers den Strömungsmittelfluss am Strömungsmittelsteuereingang der Vorrichtung zur variablen Nockenphaseneinstellung steuert; wobei der an den Kolben des Differenzdrucksteuersystems angeschlossene Positionssensor einen Positionssignalausgang besitzt, der die physikalische Position des Ventilschiebers im Steuerventil repräsentiert; Zuführen von Strömungsmittel von der Hydraulikmittelquelle durch das Steuerventil zu einer Einrichtung zur Übertragung von Drehbewegung zur Nockenwelle, wobei das Steuerventil wahlweise einen Strömungsmittelfluss durch eine Eingangsleitung und durch Rückführleitungen ermöglicht und blockiert; und Übertragen der Drehbewegung auf die Nockenwelle derart, dass der Phasenwinkel der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle variiert wird, wobei die Drehbewegung durch ein Gehäuse übertragen wird, das auf der Nockenwelle montiert ist und des weiteren mit der Nockenwelle drehbar und relativ zur Nockenwelle hin- und herbewegbar ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Positionssensor aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem linearen Potentiometer, einem Hall-Effekt-Sensor und einem Bandendsensor besteht.