DE10221988A1

DE10221988A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Änderungsrate einer variablen Nockenwellensteuerung in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10221988A1
Application number: DE10221988A
Authority: DE
Inventors: Mrdjan J Jankovic; Stephen William Magner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2002-12-12
Also published as: US20020179027A1; GB2377036A; GB2377036B; US6488008B1; GB0208437D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines variablen Nockensteuerungs-Phasensystems für die Regelung des Flusses von Einlassgasen und Auslassgasen während des Verbrennungsprozesses bei einer Brennkraftmaschine (10) mit variabler Nockenwellen-Zeitsteuerung. Das Verfahren enthält die Schritte der Erzeugung eines Modells zur Abschätzung einer berechneten Nockenposition und einer berechneten Änderungsrate der Nockenposition. Das Verfahren enthält ferner den Schritt der Erfassung einer gemessenen Nockenposition und einer gemessenen Änderungsrate der Nockenposition. Die berechnete Nockenposition wird mit der gemessenen Nockenposition verglichen, und die berechnete Änderungsrate der Nockenposition wird mit der gemessenen Änderungsrate der Nockenposition, basierend auf dem Vergleich der zwei Werte, gemischt bzw. überlagert. Die Motorsteuerung (48) wird in Abhängigkeit von der gemischten Änderungsrate der Nockenposition angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit variabler Nockenwellensteuerung.

Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen bzw. Motoren ist - bezogen auf die jeweilige Rotation - ein fixes Timing zwischen der Kurbelwelle und der bzw. den Nockenwelle(n) vorgesehen. Neuerdings sind verbesserte Motoren vorge schlagen worden, die Mechanismen für eine automatische Frühverstellung oder Verzögerung der Nockenwellenrotation relativ zur Rotation der Kurbelwelle aufweisen. Durch eine derartige automatische Frühverstellung oder Verzögerung ist es möglich, die Kraftstoffausnutzung zu maximieren und die Emissionen im Abgas des Motors zu minimieren. Ferner ist es durch Optimierung der Phasenwinkelbeziehung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle möglich, das Spitzendrehmoment zu erhöhen und die Kraftstoffausnutzung zu verbessern.

Zur Steuerung des Phasenwinkels sind üblicherweise hydrauli sche Kopplungselemente vorgesehen, welche das Nockenwellen antriebskettenrad (camshaft drive sprocket) rotatorisch an einen Nockenwellenflansch koppeln. Ein Datenprozessor der Motorsteuerung überwacht kontinuierlich veränderliche Motor betriebsbedingungen und gibt ein Steuersignal an das hydrau lische Kopplungselement, um die gewünschten relativen Pha senwinkel für die Motorbetriebsbedingungen einzustellen. Sy steme zur variablen Nockenwellensteuerung wurden mit der Zielsetzung entwickelt, einen Rückgang der Ladeluft bei ei ner Nockenwellenverzögerung zu korrigieren, was zu einem Einbruch (dip) der Drehmomentantwort führen kann. Ein Bei spiel für einen derartigen Ansatz ist aus der US 56 90 071 bekannt, die ein Verfahren zur Anpassung der durch eine va riable Nockenwellensteuerung induzierten Luftvariation be trifft, wobei ein Luft-Bypassventil zur Kompensation der in duzierten Ladeluftvariation eingesetzt wird. Gemäß dem o. g. Patent wird ferner die Verwendung einer elektronisch gesteu erten Drosselklappe vorgeschlagen, um Variationen der Ein lassladeluftmenge zu kompensieren.

Durch einen derartigen Ansatz kann zwar das Verhalten des Systems zur variablen Nockenwellensteuerung unter normalen Betriebsbedingungen verbessert werden. Ein Problem stellt jedoch die Verwendung einer gemessenen Nockenwellenposition und von Nocken(Wellen)-Änderungswerten (cam rate-of-change values) basierend auf einem Messsignal dar, das Oszillatio nen und einen hohen Signalfilterungsgrad aufweist. Durch die Signalfilterung werden Verzögerungen in der Antwort auf die kontinuierlich variierenden Motorbetriebsbedingungen verur sacht, was zu einer Reduktion der Drehmomentantwort und/oder einem Anstieg der Emissionen führen kann.

Um die durch die Filterung der Messsignale verursachten Ver zögerungen zu minimieren, ist vorgeschlagen worden, zur Mo torsteuerung ein Modell der Änderungsrate der variablen Nockenwellensteuerung zu verwenden. Unter Kaltstartbedingungen, bei denen das Motoröl noch kalt und hochviskos ist, oder wenn nur unzureichend Öl für den Motor verfügbar ist, kann die hydraulische Einrichtung, welche das Nockenwellen antriebskettenrad rotatorisch an den Nockenwellenflansch koppelt, gegenüber dem Modell erheblich verzögert arbeiten. Unter derartigen Betriebsbedingungen wäre der Einsatz eines Modells für die Änderungsrate der variablen Nockenwellen steuerung für die Steuerung des Motorbetriebes weniger ef fektiv als der Einsatz des in der US 56 90 071 vorgeschlage nen Ansatzes einer Messung der Nockenwellensteuerung.

Es besteht daher ein Bedarf für eine Brennkraftmaschine mit einem System zur variablen Nockenwellensteuerung, bei dem Verzögerungen minimiert werden, die bei einem auf einer Mes sung der Nockenwellenposition basierenden System bedingt durch die Filterung von Oszillationen auftreten, das jedoch ein System zur Messung der Nockenwellenposition aufweist, um die Nockenwellenposition zu kontrollieren, wenn der Motor einem Kaltstart oder einen geringen Öldruck ausgesetzt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Be stimmung der Position eines Phasensystems zur variablen Nockenwellensteuerung für einen Motor mit einer Motorsteuerung bereitgestellt, über die der Fluss der Einlassgase und der Auslassgase während des Verbrennungsprozesses kontrolliert wird. Das Verfahren umfasst die Schritte der Erzeugung eines Modells zur Abschätzung einer berechneten Nocken(Wellen)position (cam position) und einer berechneten Än derungsrate der Nockenposition. Das Verfahren enthält ferner den Schritt der Messung einer tatsächlichen Nockenposition und einer tatsächlichen Änderungsrate der Nockenposition. Gemäß dem Verfahren wird die berechnete Nockenposition mit der gemessenen Nockenposition verglichen, und die berechnete Änderungsrate der Nockenposition wird basierend auf dem Ver gleich mit der gemessenen tatsächlichen Änderungsrate der Nockenposition gemischt bzw. überlagert (blended). Die Mo torsteuerung wird in Abhängigkeit von der gemischten Ände rungsrate der Nockenposition angepasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein auf Test daten und Simulationen basierender Algorithmus zur Abschät zung der berechneten Änderungsrate der Nockenposition be reitgestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Algorith mus zur Mischung bzw. Überlagerung (blending) der geschätz ten und der gemessenen tatsächlichen Nockenpositionen und einer auf Messungen basierenden Änderungsrate der Nocken position vorgeschlagen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Motor steuerung eine elektronische Drosselklappenregelung aufwei sen. Der Motor kann eine dual gleiche Nockenwelle (dual equal cam) mit Einlass- und Auslassnocken gleicher Phase aufweisen, die relativ zur Kurbelwelle äquidistant frühver stellt und verzögert werden. Alternativ kann die Erfindung auch in Verbindung mit einem Leerlaufdrehzahl-Ventilsystem (idle speed valve system) und anderen Formen von Systemen zur variablen Nockenwellensteuerung einschließlich Nur- Auslass (exhaust only) oder dual unabhängigen Nocken (dual independent cams) eingesetzt werden.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Motorsteuerung, bei welcher die berechnete Nockenposition und die berechnete Än derungsrate der Nockenposition verwendet wird, wenn der Ver gleichswert der berechneten Nockenposition und der gemesse nen Nockenposition unterhalb eines (niedrigen) Schwellwertes liegt. Dagegen wird die gemessene Nockenposition und die ge messene Änderungsrate der Nockenposition verwendet, wenn der Vergleichswert der berechneten Nockenposition und der gemes senen Nockenposition oberhalb eines hohen Schwellwertes liegt. Wenn der Vergleichswert der berechneten Nocken position und der gemessenen Nockenposition oberhalb des niedrigen Schwellwertes und unterhalb des hohen Schwellwer tes liegt, verwendet die Motorsteuerung eine gemischte Ände rungsrate basierend auf dem Vergleichswert und weiterhin ba sierend auf der berechneten Änderungsrate und der gemessenen Änderungsrate der Nockenposition.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer gemischten Änderungsrate der Nocken position in einer Brennkraftmaschine mit einem System zur Nockensteuerung variabler Phase vorgeschlagen, bei welchem in einem ersten Schritt eine Bestimmung einer Nocken- Referenzposition erfolgt. Der nächste Schritt des Verfahrens besteht in der Verwendung eines Modells zur Bestimmung einer abgeschätzten Nockenposition und einer abgeschätzten Ände rungsrate der Nockenposition. Das System misst eine tatsäch liche Nockenposition und bestimmt eine gefilterte Änderungs rate der tatsächlichen Nockenposition basierend auf der Mes sung. Die vom Modell geschätzte Nockenposition wird mit der gemessenen tatsächlichen Nockenposition verglichen. Das Ver fahren enthält ferner den Schritt der Bestimmung einer ge mischten Änderungsrate der Nockenposition basierend auf dem Vergleich und weiterhin basierend auf der geschätzten Ände rungsrate der Nockenposition und der gefilterten Änderungs rate der Nockenposition.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Be stimmung der Änderungsrate der Nocken(Wellen)position einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einer Nocken welle. Die Brennkraftmaschine weist ein System zur Nocken steuerung mit variabler Phase auf, welches eine Änderung der Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ermöglicht. Das System umfasst einen Datenprozessor mit einem Modell zur Bestimmung einer geschätzten Nockenposition relativ zu einer Nocken-Referenzposition und ferner zur Ab schätzung einer Änderungsrate der Nockenposition. Zur Mes sung einer tatsächlichen Nockenposition ist weiterhin ein Sensor vorgesehen. Ein Datenprozessor führt einen Filteral gorithmus zur Bestimmung der gefilterten Änderungsrate der tatsächlichen Nockenposition aus. Der Datenprozessor ver gleicht die geschätzte Nockenposition mit der gemessenen tatsächlichen Nockenposition und bestimmt eine gemischte Än derungsrate der Nockenposition basierend auf dem Vergleich und weiterhin basierend auf der geschätzten Änderungsrate der Nockenposition und der gefilterten Änderungsrate der Nockenposition.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei spielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Brenn kraftmaschine;

Fig. 2 ein Blockdiagramm mit einer Darstellung des Sy stems zur Bestimmung der Änderungsrate der varia blen Nockensteuerung in einem Motor gemäß der vor liegenden Erfindung;

Fig. 3 eine speziellere Darstellung der Nockenpositionen und ihrer Ableitungen;

Fig. 4 ein Diagramm der Mischfunktion;

Fig. 5 ein Diagramm der Zeitantworten des Nockensteu erungsmodells und der tatsächlichen gemessenen Nockenposition, und

Fig. 6 ein Diagramm der modellbasierten Abschätzung der Änderungsrate der Nockenphase und der gemischten Modell/Messungs-Abschätzung.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Mecha nismus einer dual gleichen variablen Nockenwellensteue rung (VCT) gezeigt. Der Motor 10 enthält einen Einlasskrüm mer 12 und einen Einlasskanal 14. Der Einlasskanal öffnet sich zu einem/einer von mehreren Zylindern oder Brennkam mern 16. Ein Kraftstoffinjektor 18 ist jedem Einlasskanal 14 nahe einem Einlassventil 20 eines jeden Zylinders 16 zuge ordnet. Während vorliegend ein Motor mit Einlass kanaleinspritzung dargestellt ist, ist die Erfindung auch bei Motoren mit Direkteinspritzung und Dieselmotoren anwend bar.

Der Einlasskrümmer 12 ist mit einer Ansaugpassage 22 verbun den, die eine Drosselklappe 24 und eine Bypasspassage 26 enthält. Die Bypasspassage 26 stellt einen Bypass um das Drosselklappenventil 24 bereit und enthält ein Luft- Bypassventil 28, das zur Kontrolle der Leerlaufdrehzahl des Motors verwendet wird.

Zur Erfassung der Winkelposition des Drosselklappenven tils 24 ist ein Positionssensor 30 vorgesehen. Die Ansaug passage 22 kann einen Luftmassenstromsensor 32 enthalten und weist an einem Ende ein Luftreinigungssystem 34 auf. Der Mo tor 10 enthält einen Abgaskrümmer 38, der mit jeder Brenn kammer 16 verbunden ist. Während der Verbrennung in den Zy lindern 16 erzeugte Abgase werden über ein Auslassventil 40 abgegeben. Nockenwellen 42, 42' sind vorgesehen, um das Ein lassventil 20 bzw. das Auslassventil 40 zu betätigen. Die Positionen der Nockenwellen 42, 42' werden von Nockenwellen- Positionsüberwachern 43, 43' überwacht. Die Kurbelwelle 44 des Motors 10 wird über einen Kurbelwellenwinkeldetektor 46 überwacht, der zur Detektion der Drehposition der Kurbelwel le 44 eingesetzt wird. Ein an Bord befindlicher Computer 48 enthaltend ROM, RAM, CPU und eine Ein-/Ausgabe-(I/O)-Einheit enthält die Motorsteuerungsprogramme. Gemäß der vorliegenden Erfindung speichert der Computer einen Nockensteuerungsplan in Form einer Lookup-Tabelle unter Verwendung von Eingangs punkten der Drosselklappenposition, um die Zeitsteuerung der Nockenwelle einzustellen. Das ROM kann weiterhin einen Steuerungsplan des Luft-Bypassventils speichern. Wie weiter unten beschrieben, ist der Computer 48 dazu eingerichtet, Eingangssignale zu empfangen und Ausgangssteuerungssignale zur Regelung der Verbrennungsvorgänge im Motor 10 auszuge ben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezug nahme auf das Flussdiagramm gemäß Fig. 2 beschrieben. Das Verfahren beginnt damit, dass das System bei 50 eine Refe renz- oder gewünschte Nockenposition bestimmt. Diese Refe renz-Nockenposition wird einem Modell 52 zugeleitet, das ein Signal einer geschätzten Nockenänderung erzeugt, welches über die Leitung bzw. den Signalpfad 54 bereitgestellt wird, und einer geschätzten Nockenposition, welches über die Lei tung bzw. den Signalpfad 56 bereitgestellt wird. Ein geeig netes Modell hierfür stellt ein rückgekoppeltes Modell ba sierend auf der Nockenposition dar, welches nach einem Sum mierer eine Verstärkung mit einem Begrenzer gefolgt von ei nem Integrator enthält. Gemäß dem Verfahren wird die tat sächliche Nockenposition bei 60 gemessen, und das Nocken positionssignal wird auf Leitung 62 bei 64 einem Filter zu geführt, welcher einen gefilterten gemessenen Nockenände rungswert über die Leitung 66 zur Verfügung stellt. Als ge eigneter Filter kann ein Filter zweiter Ordnung gefolgt von einem Differenzierer verwendet werden. Der Modell-Schätzwert der Nockenposition wird bei 70 mit der gemessenen Nocken position verglichen. Der Vergleichswert wird dann einem Fil ter 72 zugeführt, welcher den Vergleichswert filtert. Als geeigneter Filter kann ein Filter erster Ordnung verwendet werden. Der Ausgang des Filters wird dann bei 74 einer sog. Soft-Schaltlogik (soft switch logic) bereitgestellt. Das Si gnal aus der Soft-Schaltlogik 74 wird auf eine Leitung 76 gegeben. Bei Schritt 80 werden die geschätzte Nockenände rungsrate von Leitung 54, die gefilterte gemessene Nockenän derungsrate von Leitung 66 und ein von der Soft- Schaltlogik 74 auf Leitung 76 bereitgestelltes Mischsignal verarbeitet, wobei eine Zuordnung zwischen der modellierten und der gemessenen Änderungsrate vorgenommen wird. Das Er gebnis der Zuordnung wird bei 82 bereitgestellt, um eine ge mischte Änderungsrate der Nockenposition zu erhalten. Die gemischte Änderungsrate der Nockenposition wird dann für die weitergehende Motorregelung herangezogen, welche von dem Än derungswert der variablen Nockensteuerungsphase abhängt.

Vorstehend wurde die Implementierung der vorliegenden Erfin dung relativ allgemein beschrieben. Eine geeignete speziel lere Implementierung wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 erläutert. Insbesondere wird anhand der Blöcke 50 und 52 von Fig. 2 ein Modell näher erläutert, mit dem eine geschätzte Nockenposition 56 und eine geschätzte Änderungs rate der Nockenposition 54 basierend auf der Referenz- Nockenposition oder einer gewünschten Nockenposition be stimmt werden kann.

Fig. 3 veranschaulicht ein geeignetes Modell zur Abschät zung der Nockenposition und der Änderungsrate der Nockenpo sition. In Fig. 3 wird bei 100 eine gewünschte oder Refe renz-Nockenposition angezeigt. Ein Summierer 102 bestimmt ein Fehlersignal durch Subtraktion einer vorhergesagten Nockenposition 104 von der Referenz-Nockenposition 100. Das Nockenpositions-Fehlersignal des Summierers 102 wird einem Prozessor 106 zugeführt. Der Prozessor 106 weist in zweckmä ßiger Weise eine geradlinige Verstärkungsfunktion (straight gain function) auf. Der Ausgang des Prozessors 106 wird ei nem Begrenzer 108 zugeführt, um die vorhergesagte Änderungs rate der Nockenposition zu begrenzen. Speziell wird die ge schätzte Änderungsrate der Nockenposition bei 112 angezeigt. Die Ableitung (derivative) der Nockenposition wird an einen Integrator 110 weitergeleitet, um die geschätzte Nocken position 104 zu bestimmen, welche an den Summierer 102 rück geführt wird. Wie aus einer Zusammenschau der Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, entspricht die geschätzte Nocken position 104 dem Signal der Leitung 56 in Fig. 2, und die geschätzte Ableitung der Nockenposition 112 entspricht dem Signal der Leitung 54 in Fig. 2.

Weiterhin illustrieren in Fig. 2 die Blöcke 60 und 64 die Messung der tatsächlichen Nockenposition (Block 60) und die Filterung der gemessenen Position (Block 64), um hoch frequente Rauschanteile auszufiltern. Es versteht sich, dass in Verbindung mit einer Filterung immer gewisse Verzögerun gen auftreten, wobei jedoch die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mischfunktion der vorhergesagten Ableitung der Nockenposition verwenden. Durch diesen Ansatz werden die Vorteile der Genauigkeit einer tatsächlichen Mes sung und der geringen Verzögerung eines Modells miteinander verbunden.

In Fig. 3 wird eine geeignete Implementation für den Fil ter 64 gemäß Fig. 2 illustriert. In Fig. 3 wird die tat sächliche Nockenposition bei 120 gemessen. Die Transferfunk tion 122 enthält einen Filter zweiter Ordnung multipliziert (im Frequenzbereich) mit einem Differentiator. Es sei darauf hingewiesen, dass die Eigenfrequenz und der Dämpfungskoeffi zient bei anderen geeigneten Implementationen der vorliegen den Erfindung variieren können, und dass der Einsatz eines Butterworth-Filters zweiter Ordnung nur beispielhaft zu ver stehen ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, entspricht die Lei tung 120 der tatsächlich gemessenen Nockenposition und die Leitung 124 der gefilterten Ableitung der gemessenen Nocken position.

Bezugnehmend auf Fig. 2 vergleicht der Block 70 die gemes sene Nockenposition (120, Fig. 3) und die geschätzte Nockenposition (104, Fig. 3). Die Differenz zwischen der ge messenen Nockenposition und der geschätzten Nockenposition bestimmt, wie die geschätzte Ableitung und die gemessene Filterableitung anschließend zusammengemischt bzw. überla gert werden. Da die tatsächliche Nockenposition ein ver rauschtes Signal darstellt, wird der absolute Wert der Dif ferenz aus Block 70 in Block 72 gefiltert. Der Filter in Block 72 kann bevorzugt als Filter erster Ordnung implemen tiert werden, welcher die vorhergehenden zwei Fehler mit telt. Der Soft-Logikschalter 74 in Fig. 2 bestimmt einen Mischwert.

Die Bestimmung des Mischwertes durch den Soft-Logikschal ter 74 wird nachfolgend anhand von Fig. 4 näher erläutert. Wie dargestellt, ist der Mischwert geringer, wenn die Posi tionsdifferenz (Filterdifferenz bei Block 72) größer ist. Ferner ist der Mischwert größer, wenn die Positionsdifferenz kleiner ist. Obwohl der Mischwert in Fig. 4 als Linearfunk tion dargestellt ist, können auch Funktionen höherer Ordnung zur Erzielung des Mischwertes verwendet werden. In Fig. 2 wird bei Block 80 der Mischwert aus der Leitung 76 von der Logik 80 verwendet, um die Änderungsrate der Nockenposition aus dem Modell 54 mit der gefilterten gemessenen Nockenände rungsrate 66 zu mischen.

Gemäß Fig. 4 führen kleinere Positionsdifferenzen zu einer größeren Gewichtung der geschätzten Nockenänderungsrate 54, während größere Positionsdifferenzen zu einer höheren Ge wichtung der gemessenen Nockenänderungsrate 66 führen. In einer geeigneten Implementation liegt der Mischwert von Fig. 4 zwischen den Werten 0 und 1. Besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist eine geringe Verzögerung durch Verwendung einer modellbasierten Nockenposition bei gleichzeitig erzielter Genauigkeit einer gemessenen Nocken position.

Im Ergebnis erzeugt das Verfahren bei einer geeigneten Im plementation eine Abschätzung der Ableitung der Nocken position, welche auf einem angestrebten Signal basiert, und mischt dann diese geschätzte Ableitung mit einem herkömmlich gemessenen und gefilterten Nockenpositionssignal. Diese Mi schung wird durch Verwendung eines Prozessterms basierend auf der Differenz zwischen der geschätzten und der gemesse nen Position angepasst. Die Abschätzung der Ableitung der Nockenphase gewährleistet ein besonders aktuelles und zweck mäßig genaues Signal unter normalen Bedingungen bei warmem Motor. Motoren müssen jedoch zeitweise auch unter anomalen Bedingungen funktionieren, so etwa bei kaltem Motor, bei zu geringem Ölstand oder bei Versagen eines Aktuators. Ein Be trieb unter derartigen nicht normalen Bedingungen kann dazu führen, dass die Schätzung der Ableitung der Nockenphase in ihrer Abschätzung der Nockenaktuatorposition und in ihrer Abschätzung der Nockenänderungsrate nicht korrekt ist. Der Aktuator einer variablen Nockensteuerung arbeitet mit hy draulischem Druck vom Motorölschmierungssystem. Geänderte Aktuator-Antwortzeiten können durch ein geringes Ölniveau resultierend in einem geringen Druck, eine teilweise Blockade in einem Ölzuführungskanal, einen reduzierten Aktuator- Ölfluss oder durch die Verwendung eines Öls mit einer unge eigneten Viskosität verursacht werden. Auch kalte Wetterbe dingungen, die während des anfänglichen Motorstarts an kal ten Tagen auftreten, können die Aktuator-Antwortzeiten be einflussen.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das ge messene Nockenphasenpositionssignal dazu herangezogen, ein nicht normales Verhalten zu erkennen. Da bei dem System eine Kombination der geschätzten und der gemessenen Nockenphasen position und Änderungsrate verwendet wird, kann eine automa tische Anpassung an normale und nicht normale Bedingungen erfolgen.

Die modellbasierte Nockenänderungsrate bei 52 erzeugt dann eine Abschätzung der Ableitung der Nockenposition unter Ver wendung eines einfachen Modells der Betätigungsvorrichtung. Der VCT-Phasenaktuator wirkt als ein ratenbegrenzter (rate limited) Tiefpassfilter erster Ordnung, wenn dieser auf eine VCT-Phasenposition gesteuert wird. Bei der weiter unten an gegebenen Modellrepräsentation handelt es sich um ein ver hältnismäßig einfaches Modell. Es können auch mehr oder we niger komplizierte Modelle eingesetzt werden, bei denen eine Abschätzung der Ableitung der Nockenposition erfolgt. Das Modell kann in einem computerimplementierten Algorithmus wie folgt ausgedrückt werden:

est_cam_derv(k) = Funct sat lim [actuator_gain.(cam_ph_d(k) - est_cam_pos(k-1))]

est_cam_pos(k) = del_t.est_cam_derv(k-1) + est_cam_pos(k-1),

wobei:
der Index k dem aktuellen Computerabfragewert (sample) ent spricht;
k-1 den Wert aus der vorherigen Schleife des Computeralgo rithmus entspricht;
est_cam_derv eine Abschätzung der Ableitung der Nockenpha senposition darstellt;
Funct_sat_lim eine Funktion ist, welche die Größe in den Klammern auf eine untere und obere Menge von Werten be grenzt;
actuator_gain ein fester Wert ist, der entweder durch eine physikalische Modellierung des Aktuators oder durch Experi mente mit dem Aktuator bestimmt wird;
cam_ph_d ein angesteuerter oder gewünschter Wert der Nocken phasenposition ist;
est_cam_pos die Abschätzung der Nockenphasenposition dar stellt, und
del_t die Zeit zwischen den Prozessorupdates des Algorithmus darstellt.

Das obige Modell kann beispielsweise durch Entfernung der Ratenbegrenzung (rate limiting) oder durch Addition von Ant worttermen höherer Ordnung oder Zeitverzögerungen modifi ziert werden, die abhängig von dem jeweiligen VCT-Aktuator geeignet gewählt werden können.

Die gemessene tatsächliche Nockenposition bei 60 und das ge schätzte Nockenpositionssignal bei 56 werden verwendet, um Rauschen mit einer begrenzten Amplitude aufgrund von Begren zungen in den Rauschquellen zu unterdrücken. Effekte wie die Biegung bzw. Torsion (flex) der Nockenwelle, Signalrauschen oder eine Streckung der Nockenantriebskette bzw. Steuerkette (timing chain) führen zu Nockenphasenfehlern von nur einigen Grad; diese treten jedoch mit einer hohen Änderungsrate auf. Die schnellen kleinen Fluktuationen der Nockenphase werden unabhängig davon, ob diese physikalisch bedingt oder als Er gebnis von Sensorfehlern auftreten, als Rauschen betrachtet. Eine Luftfluss-Kompensation durch das Regelungssystem hat eine vernachlässigbare Wirkung auf diese Art von VCT-Än derungen. Andererseits wird eine besonders aktuelle Ablei tung der VCT-Position benötigt, um große VCT-Änderungen zu bewältigen. Dadurch kann sofort bestimmt werden, ob die Nockenänderung signifikant ist oder nicht, und das System kann durch Bestimmung der Differenz zwischen der messungsbasier ten Nockenposition und der geschätzten Position veranlasst werden, entsprechend zu reagieren.

Zusätzlich zur vorstehend bestimmten modellbasierten Schät zung der Änderungsrate der Nockenphase erfordert das Verfah ren ein herkömmlich gefiltertes Signal basierend auf dem ge messenen Sensorwert der Nockenposition. Dabei wird ein But terworth-Filter zweiter Ordnung eingesetzt, um das Signal vor der Berechnung der Änderungsrate einer Tiefpassfilterung zu unterziehen.

Das Ergebnis der gemessenen/verarbeiteten Nockenableitung wird als cam meas derv bezeichnet. Die zeitdiskreten Glei chungen des Filters zweiter Ordnung lauten wie folgt:

CD_NF_DT = del_t.CD_nat_freq

CD_X1(k) = CD_X1(k-1) + CD_NF_DT.CD_X2(k-1)

CD_X2(k) = (1-2.CD_damping.CD_NF_DT).CD_X2(k-1) + CD_NF_DT.(cam_actual-CD_X1(k-1))

cam_meas_derv = CD_nat_freq.CD_X2(k-1),

wobei CD_nat_freq an die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters anpassbar ist und CD_damping die Dämpfung zweiter Ordnung anpasst. Die Indizes k oder k-1 beziehen sich auf die aktu ellen und die vorangegangenen Werte von Zustandsvariablen des Filters, welche aus der Transformation eines kontinuier lichen Filters im Frequenzbereich in eine diskrete Approxi mation (zu Zwecken der Mikroprozessor-Implementation) resul tieren.

Die Differenz zwischen den zwei Arten von Nockenpositionen wird bestimmt, und es wird ein Ausdruck berechnet, welcher die Mischung der messungsbasierten und der geschätzten Nockenableitung regelt. Um die Differenz zwischen gemessenen gegenüber geschätzten Positionen zu verarbeiten und um wei terhin das Rauschen zu unterdrücken, welches außerhalb der Bandbreite des Einlasskrümmers des Motors liegt, wird ein approximativer Filter erster Ordnung verwendet. Dessen For mel lautet wie folgt:

fk(k) = del_t/(del_t + TC_est_cam)

abs_diff(k) = |est_campos(k) - cam_meas(k)|
pos_diff(k) = fk(k).abs_diff(k) + (1-fk(k)).pos_diff(k-1),

wobei:
fk die Filterkonstante basierend auf der Updaterate del_t und der Zeitkonstante (time constant) ist, die aus Motormo dellen bestimmt wird; und
pos_diff das Ergebnis der Filterung der absoluten Differenz darstellt, welche die Mischung der auf Schätzungen gegenüber auf Messungen basierten Ableitungen bestimmt.

Für kleine Amplitudendifferenzen - weniger als 2° - stützt sich das System auf die geschätzte Nockenableitung, da die auf Messungen basierende Ableitung ein Rauschen mit etwa dieser Amplitude enthält. Für große Amplitudendifferenzen, etwa von 12° oder mehr, erfasst der gemessene Wert reales und unerwartetes (nicht-modelliertes) Nockenverhalten, auf welches durch das Regelungssystem reagiert werden sollte. Für zwischen 2° und 12° fallende Werte mischt das System die geschätzten und gemessenen Nockenableitungen. Der genaue quantitative Bereich von Nockenpositionsdifferenzen kann je doch fahrzeugtypabhängig unterschiedlich sein.

Die Mischfunktion kann wie folgt ausgedrückt werden:

blend(k) = funct_blend(pos_diff(k))

cam_derv(k) = blend(k).est_cam_derv(k) + (1-blend(k)).cam_meas_derv(k)

Die Funktion funct blend, die in Fig. 4 beispielhaft gra phisch dargestellt ist, bildet Werte der Positionsdifferenz auf einen Prozentsatz der Mischung zwischen den zwei Arten vom Ableitungswerten ab. Der Linienplot 90 ist der Anteil der geschätzten Nockenableitung, welcher in der endgültigen Ausgabe der Nockenableitung verwendet wird.

Die potentielle Verbesserung des Modells sei unter Bezugnah me auf Fig. 5 näher erläutert, in der die modellbasierte Abschätzung der Position mit einer durchgezogenen Linie 92 gezeigt ist, wobei die gemessene Position durch die gestri chelte Linie 94 dargestellt wird. Die Abbildung zeigt die Nockenphasenantwort gegenüber der Zeit für das Modell und die tatsächlich gemessene Nockenphase. Die grobskaligen Ver läufe (large motion responses) der beiden Kurven sind sehr ähnlich. Das Modell zeichnet sich jedoch durch einen Zeit vorsprung (lead time) zwischen 50 bis 100 ms aus. Das Vor handensein hochfrequenter Oszillationen in der gemessenen Nockenphase würde dagegen eine zusätzliche Filterung des Si gnals erfordern, bevor die Ableitung verwendet werden kann, wodurch die Phasenverschiebung zusätzlich erhöht würde.

Die Verwendung einer modellbasierten Abschätzung ist ge rechtfertigt, wenn die Modellantwort eng bei der tatsächli chen gemessenen Nockenphasenänderungsrate bleibt. Falls die tatsächliche Nockensteuerung nicht der gewünschten Nocken referenz folgt, tritt eine signifikante Differenz zwischen dem Modell und der tatsächlichen Antwort auf. In diesem Fal le kann die Leistungsfähigkeit des in der Erfindung be schriebenen Verfahrens danach beurteilt werden, wie schnell das System die Diskrepanz feststellt und mit der Verwendung des gemessenen Signals beginnt. Fig. 6 veranschaulicht die sen Aspekt der Algorithmusleistung für den Fall, dass die Nockenphase 0° bleibt, während die Nockenreferenz auf dem tatsächlichen Fahrzeugbetrieb basiert. Die gestrichelte Kur ve 96 entspricht der modellbasierten Abschätzung der Ände rungsrate der Nockenphase est_cam_derv, während die durchge zogene Linie 98 das cam_derv Signal darstellt, welches die Modell- und messungsbasierten Abschätzungen kombiniert.

Bezugnehmend auf Fig. 6 erkennt das System nach 0.6 s, dass die modellbasierte Ableitungsabschätzung nicht korrekt ist, und schaltet auf die messungsbasierte Bestimmung um, welche in diesem Fall gleich 0 ist. Während dieser 0.6 s ist das cam_derv Signal sehr viel kleiner (sehr viel näher am gemes senen) als das est_cam_derv Signal aufgrund der Soft-Schaltfähigkeiten des Algorithmus.

Claims

1. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine bzw. eines Motors (10) mit einer Motorsteuerung (48), welche den Fluss der Einlassgase und Auslassgase in einem Ver brennungsprozess des Motors steuert, mit folgenden Schritten:
Berechnen einer ersten Nockenposition und einer ersten Änderungsrate der Nockenposition;
Messen einer zweiten Nockenposition und einer zweiten Änderungsrate der Nockenposition;
Vergleich der ersten Nockenposition mit der zweiten Nockenposition;
Mischen bzw. Überlagern der ersten Änderungsrate der Nockenposition und der zweiten Änderungsrate der Nocken position, um eine gemischte Änderungsrate der Nocken position basierend auf dem Vergleich zu erhalten, und
Anpassen der Motorsteuerung (48) in Abhängigkeit von der gemischten Änderungsrate der Nockenposition.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Berechnung der ersten Nockenposition und der ersten Änderungsrate der Nockenposition wie folgt lautet:
est_cam_derv(k) = Funct_sat_lim [actuator_gain.(cam_ph_d(k) - est_campos(k-1))]
est_campos(k) = del_t.est_cam_derv(k-1) + est_cam_pos(k-1).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass der Algorithmus des Mischungsschrittes lautet:
blend(k) = funct_blend(pos_diff(k))
cam_derv(k) = blend(k).est_cam_derv(k) + (1-blend(k)).cam_meas_derv(k).

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (48) ei ne elektronische Drosselklappenregelung umfasst.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Motor (10) ein Motor mit dual gleichen Nockenwellen (42, 42') mit Einlass- und Auslassnocken gleicher Phase, welche gleichermaßen frühverstellt und verzögert werden, eingesetzt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass von der Motorsteuerung (48) die erste Nockenposition und die erste Änderungsrate der Nockenposition verwendet wird, wenn der Vergleich der ersten Nockenposition mit der zweiten Nockenposition ei ne Differenz unterhalb eines niedrigen Schwellwertes er gibt.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (48) die zweite Nockenposition und zweite Änderungsrate der Nockenposition verwendet, wenn der Vergleich der ersten Nockenposition mit der zweiten Nockenposition eine Dif ferenz oberhalb eines hohen Schwellwertes ergibt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Motorsteuerung (48) die gemischte Änderungsrate basierend auf dem Vergleich und weiterhin basierend auf der ersten Änderungsrate und der zweiten Änderungsrate der Nockenposition verwendet wird, wenn der Vergleich der ersten Nockenposition und der zweiten Nockenposition eine Differenz zwischen dem niedrigen Schwellwert und dem hohen Schwellwert ergibt.

9. Verfahren zur Bestimmung einer gemischten Änderungsrate einer Nockenposition in einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Kurbelwelle (44) und einer Nockenwelle (42, 42'), wobei der Motor (10) ein System zur Nocken steuerung mit variabler Phase enthält, welches eine Pha senbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwel le verändert, mit folgenden Schritten:
Bestimmen einer Referenz-Nockenposition;
Verwenden eines Modells zum Bestimmen einer geschätzten Nockenposition und einer geschätzten Änderungsrate der Nockenposition basierend auf der Referenz-Nocken position;
Messen einer tatsächlichen Nockenposition;
Bestimmen einer gefilterten Änderungsrate der tatsächli chen Nockenposition;
Vergleichen der mit dem Modell geschätzten Nocken position mit der gemessenen tatsächlichen Nocken position, und
Bestimmen der gemischten Änderungsrate der Nocken position basierend auf dem Vergleich sowie weiterhin auf der geschätzten Änderungsrate der Nockenposition und der gefilterten Änderungsrate der Nockenposition.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor die gemischte Änderungsrate der Nockenposition als die geschätzte Änderungsrate der Nockenposition festlegt, wenn der Vergleich der mit dem Modell ge schätzten Nockenposition mit der gemessenen tatsächli chen Nockenposition eine Differenz unterhalb eines nied rigen Schwellwertes ergibt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass der Motor die gemischte Änderungsrate der Nockenposition als die gefilterte Änderungsrate der Nocken position festlegt, wenn der Vergleich der mit dem Modell geschätzten Nockenposition mit der gemessenen tatsächli chen Nockenposition eine Differenz oberhalb eines hohen Schwellwertes ergibt.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor die gemischte Än derungsrate basierend auf dem Vergleich als eine Mi schung der mit dem Modell geschätzten Änderungsrate der Nockenposition und der gefilterten Änderungsrate der Nockenposition bestimmt, wenn der Vergleich der mit dem Modell abgeschätzten Nockenposition mit der gemessenen tatsächlichen Nockenposition eine Differenz zwischen dem niedrigen Schwellwert und dem hohen Schwellwert ergibt.

13. Vorrichtung zur Bestimmung der Änderungsrate einer Nockenposition einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Kur belwelle (44) und einer Nockenwelle (42, 42'), wobei die Brennkraftmaschine ein System zur Nockensteuerung mit variabler Phase enthält, welches eine Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle verändert, mit:
einem Datenprozessor (48) mit einem Modell zur Bestim mung einer geschätzten Nockenposition relativ zu einer Referenz-Nockenposition und einer geschätzten Änderungs rate der Nockenposition;
einem Sensor (43, 43') zur Messung einer tatsächlichen Nockenposition,
wobei der Datenprozessor einen Filterungsalgorithmus zur Bestimmung einer gefilterten Änderungsrate der tatsäch lichen Nockenposition aufweist;
wobei der Datenprozessor die geschätzte Nockenposition mit der gemessenen tatsächlichen Nockenposition ver gleicht, und
wobei der Datenprozessor eine gemischte Änderungsrate der Nockenposition basierend auf dem Vergleich und wei terhin basierend auf der geschätzten Änderungsrate der Nockenposition und der gefilterten Änderungsrate der Nockenposition festlegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (10) die festgelegte gemischte Änderungs rate verwendet, um eine elektronische Drosselsteuerung zu kontrollieren.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) dual gleiche Nocken mit Einlassnocken und Auslassnocken gleicher Pha se aufweist, welche gleichwirkend frühverstellt und ver zögert werden.