Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit einer No ^¬ ckenwelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors sowie eine Nockenwellenverstelleinrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug mit einer Nockenwellenverstelleinrichtung .

Die Startdauer eines Verbrennungsmotors kann sich aus einem Zeitanteil für die Synchronisation eines Steuergerätes und dem eigentlichen Anlassvorgang, bei dem es zu Zündungen des

Kraftstoffluftgemisches kommt, zusammensetzen. Zum Starten kann es nötig sein, dass die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors synchronisiert wird. Durch die Synchronisation kann der Verlauf einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor beeinflusst werden. Es kann somit durch die Synchronisation eine vorgegebene Öffnung und Schließung der Ventile erreicht werden. Dadurch kann der Startvorgang hinsichtlich beispielsweise Emissionen, Verbrauch und der Last beeinflusst werden. Die Synchronisation kann mittels eines Steuergerätes erfolgen. Eine Synchronisation zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle wird über eine Steuerkette, einen Steuerriemen oder eine Zahnradpaarung hergestellt. Durch diese im Wesentlichen starre Kopplung besteht eine feste Phasenbe ^¬ ziehung zwischen der Drehung der Nockenwelle und der Drehung der Kurbelwelle . Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es für den Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere bezüglich des Kraftstoff ^¬ verbrauchs und der Erhöhung der Leistung, vorteilhaft sein kann, diese feste Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein- zustellen. Mittels hydraulischer oder elektrischer Nocken- wellenverstelleinrichtungen ist es möglich, die Phasenbeziehung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle bei Bedarf ein ^¬ zustellen. Eine elektromotorische Nockenwellenverstellein- richtung besteht aus einem mit der Nockenwelle drehfest ver ^¬ bundenen Verstellmechanismus und einem am Verbrennungsmotor befestigten elektromotorischen Versteilantrieb, dessen Motorwelle an der Verstellwelle des mit Nockenwellendrehzahl umlaufenden Verstellmechanismus angreift.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Phasenlage der Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle durch ein Geberrad, das an der Nockenwelle befestigt ist, ermittelt wird. Auf diesem Geberrad befinden sich Zähne, die z.B. durch einen Hallsensor abgetastet werden, wenn sich die Nockenwelle dreht. Immer wenn beispielsweise ein Zahnanfang erkannt wird, wird in einer Motorsteuerung ein Phasenflankeninterrupt ausgelöst. In der Regel werden auf der Nockenwelle Geberräder mit vier Zähnen eingesetzt, die eine unterschiedliche Länge haben. Dieses spezielle Profil dient dazu, eine schnellere Synchronisation zwischen Nocken- und Kurbelwelle zu ermöglichen und somit den Verbrennungsmotor schneller starten zu können. Die Geschwindigkeit der Nockenwelle wird in der Regel zwischen zwei Pha- senflankeninterrupts bestimmt, wobei die Nockenwellenposition bis zum Eintreffen des nächsten Phasenflankeninterrupts linear extrapoliert wird. Gerade im Fall einer Drehrichtungsumkehr der Phasenlage zwischen der Nocken- und der Kurbelwelle können sich fehlerhafte Nockenwellenpositionen ergeben, was entsprechende Nachteile für den Startvorgang des Verbrennungsmotors mit sich bringt. Eine Verringerung dieser Abweichungen kann zur Verringerung von Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch, zur Steigerung von Motorleistung und Drehmoment sowie zur Absenkung der Bordnetzbelastung beim Motorstart und der Motordrehzahl im niedrigen Leerlauf führen. Besonders wichtig ist die Einhaltung des optimalen Verstellwinkels beim Motorstart, um die hohe Schadstoffrohemission in diesem Betriebszustand zu senken.

Elektromotorische Nockenwellenverstelleinrichtungen zeichnen sich durch eine schnelle und exakte Nockenwellenverstellung im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors aus. Das gilt auch für den Kaltstart und den Wiederstart nach Abwürgen des Verbrennungsmotors. Dabei erweist es sich als nachteilig, dass der Abstellvorgang eines Verbrennungsmotors großen Streuungen unterliegen kann. Das kann bedeuten, dass die exakte Lage des Kolbens und somit der Winkel der mit dem Kolben verbundenen Kurbelwelle möglicherweise nicht vorhersehbar ist. So kann sich die Kurbelwelle beispielsweise im letzten Abschnitt des Ab ^¬ stellvorgangs sogar zurückdrehen. D. h. im letzten Abschnitt des Abstellvorgangs kann die Drehung der Kurbelwelle in einer Richtung erfolgen, die der Richtung, die beim Betrieb des Motors üblich ist, entgegengesetzt ist. Ein erneutes Synchronisieren ist unvermeidlich. Eine Art der Synchronisierung kann man dadurch erreichen, dass der Versteller auf den mechanischen Endanschlag fährt. Die Nockenwellenposition für einen idealen Kaltstart entspricht üblicherweise nicht einer der mechanischen Endan ^¬ schläge, sondern liegt innerhalb des Verstellbereiches. Weicht die Nockenwellenposition von der idealen Startposition ab, kann sich der Startvorgang verlängern. Ein typischer Anlassvorgang bei heutigen Verbrennungsmotoren dauert etwa eine Sekunde. Allgemeines Bestreben der Automobilhersteller ist es, diese Zeit soweit wie möglich zu verkürzen, da diese z. B. aus NVH Gründen (Noise, Vibration, Harshness, also Geräusch, Vibration und Rauheit) als störend empfunden wird.

Ferner erfahren Systeme mit verkürzten Startzeiten eine erhöhte Marktakzeptanz. Endkunden erwarten beispielsweise beim Am- pelstart auch bei einem sog. Stopp-Start System eine ähnliche Agilität wie sie es von konventionellen Kraftfahrzeugen ohne Abstellen des Motors während der Ampelrotphase gewöhnt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das es ermöglicht, den Startvorgang, insbesondere den Kaltstartvorgang eines Verbrennungsmotors auf einfache und zuverlässige Weise dahingehend zu verbessern, dass die Dauer des Startvorganges verkürzt und Nicht-Startvorgänge weitestgehend vermieden werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens, einer Vorrichtung und eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Aus ^¬ führungsformen wieder.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Verbrennungsmaschine mit einer Nockenwelle, deren Phase zu einer Kurbelwelle mittels einer elektrischen Vers ^¬ teileinrichtung verstellbar ist, und einer Steuereinrichtung angegeben, wobei das Verfahren die Schritte Sl bis S5 aufweist. In Schritt Sl wird eine Stopp-Anforderung von der Steuerein- richtung an die elektrische VerStelleinrichtung ausgegeben. In Schritt S2 wird eine Stellgröße in Form eines Tastverhältnisses von der elektrischen Versteileinrichtung ausgegeben, wobei das Tastverhältnis einem Nockenwellenmoment entgegenwirkt. An ^¬ schließend wird in Schritt 3 die Drehrichtung der Nockenwelle überwacht, wobei in Schritt S4 bei einem Erkennen einer

Drehrichtungsumkehr der Nockenwelle eine Berechnung einer Intensität dieser Drehrichtungsumkehr durch eine Bestimmung eines Drehzahlgradienten erfolgt. Desweiteren wird in einem Schritt S5 das Tastverhältnis in Abhängigkeit des Drehzahl- gradienten derart korrigiert, dass der Einfluss der Dreh ^¬ richtungsumkehr auf die Position der Nockenwelle kompensiert.

Auf diese Weise kann die Phasenlage der Nockenwelle bereits beim Abstellen des Motors und somit vor dem folgenden Motorstart auf ideale Weise positioniert werden. Der Startvorgang wird deutlich verkürzt, weil die Zeitspanne für das Initialisieren des elektromechanischen Phasenverstellers und die sonst übliche Phasenverstellung während des bzw. nach dem Motorstart-Vorgang entfällt. Somit können die Kompression und der Füllungsgrad der einzelnen Zylinder gezielt über die Öffnungs- und Schließzeiten beeinflusst und die Abgasemission während des Motorstarts reduziert werden. Gerade Direktstartsysteme, Schnellstart ^¬ systeme oder Stopp-Startsysteme werden durch das erfindungs ^¬ gemäße Verfahren besonders begünstigt.

Vorteilhafterweis erfolgt das Erkennen der Drehrichtungsumkehr über einen Sensor. In einer anderen Variante oder zusätzlich zum Sensor kann das Erkennen der Drehrichtungsumkehr auch über eine funktionale Lösung in der Steuereinrichtung erfolgen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Aussenden eines Korrektursignals durch die Steuereinrichtung erfolgen .

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Verbrennungsmaschine einen mit der Steuereinrichtung verbun- denen Nockenwellensensor umfasst, wobei der Nockenwellensensor ein Phasenflankeninterrupt eines Kurbelwellengeberrades als zeitlich hochaufgelöstes Signal an die Steuereinrichtung sendet, wobei die Steuereinrichtung bevorzugterweise aus diesem zeitlich hochaufgelösten Signal die Bestimmung des Drehzahlgradienten durchführt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Einfluss der Drehrichtungsumkehr auf das Tastverhältnis in Abhängigkeit des Drehzahlgradienten als Kennfeld in der Steuereinrichtung abgelegt, wobei die Werte des Kennfeldes bei der Kompensation der Drehrichtungsumkehr auf das Tastverhältnis aufaddiert werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der Nockenwellensensor in den Sensor zur Erkennung der Drehrichtungsumkehr, oder umgekehrt, integriert ist.

Vorteilhafterweise erfolgt das Erkennen der Drehrichtungsumkehr durch die Steuereinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Nockenwellen- verstelleinrichtung für einen Verbrennungsmotor implementiert sein. Dementsprechend bildet auch eine Nockenwellenverstell- einrichtung mit einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle einen weiteren Gegenstand der Erfindung, wobei die Nockenwellen- verStelleinrichtung eine Steuereinrichtung sowie zumindest einen Sensor umfasst, wobei der Sensor dazu ausgelegt ist, der Steuereinrichtung Informationen bezüglich der Drehrichtung der Nockenwelle bereitzustellen; und wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, das oben beschriebene Verfahren durchzu ^¬ führen .

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Nockenwellenverstelleinrichtung einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Nockenwellensensor umfasst, wobei der Nockenwellensensor ein Phasenflankeninterrupt eines Kurbelwellenge- berrades als zeitlich hochaufgelöstes Signal an die Steuer ^¬ einrichtung sendet, wobei ein Erkennen der Drehrichtungsumkehr über einen Sensor und/oder über eine funktionale Lösung in der Steuereinrichtung erfolgt und vorzugsweise der Nockenwellensensor in den Sensor zur Erkennung der Drehrichtungsumkehr, oder umgekehrt, integriert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Dementsprechend bildet auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine, das mit einer Steuereinrichtung und einer Nockenwellenverstelleinrichtung ausgerüstet ist, einen weiteren Gegenstand der Erfindung, wobei das Kraftfahrzeug eine Steuereinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aufweist.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in den Figuren dargestellt ist. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen :

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer

Verbrennungsmaschine mit einer Nockenwelle; Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Nockenwellenposi ^¬ tionsverlaufes als Funktion der Zeit (durchgezogene Linie) nach Ausgabe Stopp-Anforderung mit Kompensation gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren; und

Fig. 3. eine graphische Darstellung eines Nockenwellenposi ^¬ tionsverlaufes als Funktion der Zeit (durchgezogene Linie) nach Ausgabe Stopp-Anforderung ohne Kompensation nach dem Stand der Technik.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Verbrennungsmaschine mit einer Nockenwelle und einer Steuer ^¬ einrichtung, wobei die Phase der Nockenwelle, in der Figur 2 als G und in der Figur 3 als G ^x bezeichnet, zu einer Kurbelwelle mittels einer elektrischen Versteileinrichtung verstellbar ist. Das Verfahren wird in Schritt Sl begonnen, wobei eine

Stopp-Anforderung, in der Figur 2 als A und in der Figur 3 als Α ^λ bezeichnet, von einer Steuereinrichtung an die elektrische Versteileinrichtung ausgegeben wird, so dass die Drehzahl des Verbrennungsmaschine stark reduziert wird. In Schritt S2 wird eine Stellgröße in Form eines Tastverhältnisses, in der Figur 2 als B und in der Figur 3 als Β ^λ bezeichnet, von der elektrischen VerStelleinrichtung ausgegeben, wobei das Tastverhältnis einem Nockenwellenmoment entgegenwirkt. Anschließend wird in Schritt S3 die Drehrichtung der Nockenwelle überwacht. Das Erkennen der Drehrichtungsumkehr erfolgt üblicherweise über einen Sensor kann aber auch zusätzlich oder alternativ über eine funktionale Lösung in der Steuereinrichtung erfolgen. Erfolgt keine Drehrichtungsumkehr C wird solange in Schritt S3 überwacht, bis die Verbrennungsmaschine zum Stillstand gekommen ist und die Nockenwelle G sich in einer idealen Startposition befindet oder bis eine Drehrichtungsumkehr C, in der Figur 2 als C und in der Figur 3 als C ^x bezeichnet, erkannt wird. Dabei ist denkbar, dass der Nockenwellensensor in den Sensor zur Erkennung der Drehrichtungsumkehr, oder umgekehrt, integriert ist, wobei das Erkennen der Drehrichtungsumkehr C durch die Steuereinrichtung erfolgt. Bei einem Erkennen Drehrichtungsumkehr C der Nockenwelle G erfolgt im anschließenden Schritt S4 eine Berechnung einer Intensität, in der Figur 2 als Dl, D2 und in der Figur 3 als Dl D2 ^λ bezeichnet, dieser Drehrichtungsumkehr C durch eine Be- Stimmung eines Drehzahlgradienten F, wobei das Aussenden eines Korrektursignals durch die Steuereinrichtung erfolgt.

Vorzugsweise umfasst die Verbrennungsmaschine einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Nockenwellensensor, wobei der Nockenwellensensor ferner ein Phasenflankeninterrupt eines

Kurbelwellengeberrades als zeitlich hochaufgelöstes Signal an die Steuereinrichtung sendet, so dass die Steuereinrichtung aus diesem zeitlich hochaufgelösten Signal die Bestimmung des Drehzahlgradienten durchführen kann.

Anschließend wird in einem Schritt S5 das Tastverhältnis in Abhängigkeit des Drehzahlgradienten derart korrigiert, dass der Einfluss der Drehrichtungsumkehr C auf die Position der Nockenwelle G kompensiert werden kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Einfluss der Drehrichtungsumkehr C auf das Tastverhältnis B in Abhängigkeit des Drehzahlgradienten als Kennfeld in der Steuereinrichtung abgelegt ist und die Werte des Kennfeldes bei der Kompensation der Drehrichtungsumkehr C auf das Tastverhältnis B aufaddiert werden.

Figur 2 zeigt in einer schematischen graphischen Darstellung einen Verlauf der Position der Nockenwelle G als Funktion der Zeit nach Ausgabe Stopp-Anforderung A mit einer Kompensation B gemäß einem oben beschriebenen Verfahren. Nach der Ausgabe der Stopp-Anforderung A reduziert sich die Drehzahl n und ein Tastverhältnis B wird ausgegeben, welches einem Nockenwel ^¬ lenmoment entgegenwirken soll. Wird eine Drehrichtungsumkehr, wie in den Bereichen C dargestellt erkannt, erfolgt eine Be ^¬ rechnung einer Intensität Dl und D2 dieser Drehrichtungsumkehr durch eine Bestimmung des Drehzahlgradienten. In Abhängigkeit des Berechneten Drehzahlgradienten wird das Tastverhältnis B derart korrigiert, dass der Einfluss der Drehrichtungsumkehr C auf die Position der Nockenwelle G weitestgehend kompensiert wird, so dass eine nahezu ideale Startposition der Nockenwelle erreicht werden kann, wodurch eine optimale Verbrennung und somit die Dauer des Kaltstartvorgangs verkürzt werden kann

In Figur 3 ist kontrahierend zu Figur 2 ein Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik dargestellt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass das ausgegebene Tastverhältnis Β ^λ einen gleichbleibenden Verlauf einnimmt und somit der Drehrichtungsumkehr C ^x und der Intensität Dl ^λ und D2 ^λ der Drehrichtungsumkehr C ^x Nockenwelle nicht entgegenwirken kann. Entsprechend verstellt sich die Position der Nockenwelle G ^x in unkontrollierter und unerwünschter Weise.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst auch gleichwirkende weitere Aus ^¬ führungsformen. Die Figurenbeschreibung dient lediglich dem Verständnis der Erfindung.