Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb eines Nockenwellenvers- tellers, welcher einen Aktor, insbesondere Etektromotor, sowie ein mit dem Aktor zusammenwirkendes Versteilgetriebe umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine Regel- vorrichtung für einen solchen Nockenweilenverstelier.

Verfahren zum geregelten Betrieb von elektrischen Nockenwellenverstellern sind zum Beispiel aus der WO 2005/047657 A2 sowie aus der EP 1 573 177 B1 bekannt. Beim Betrieb eines Nockenwellenverstellers sind danach beispielsweise Posttionssignale sowie Signale, welche eine Winkelgeschwindigkeit wiedergeben, in einem Regelkreis ruckfuhrbar. Ein beispielsweise als Taumelscheibengetriebe ausgebildetes Getriebe eines Nockenwellenverstellers fungiert hierbei als Regelstrecke innerhalb des Regel- kreises, Bei der Regelung kann es sich zum Beispiel um eine Zustandsregelung handeln.

Oer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung eines der Phasenverstellung zwischen Nockenweile und Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dienenden No- ckenwellenverstellers.. insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, gegenober dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Regelvorrichtung für ei- nen solchen Nockenweilenverstelier gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Regelvorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt.

Der Nockenweilenverstelier weist einen Aktor auf, sowie ein Verstellgetriebe mit einer durch den Aktor verstellbaren Welle. Insbesondere handelt es sich bei dem Getriebe des Nockenwellenverstellers um ein Drei-Wellen-Getriebe, beispielsweise ein Tau- melscheibengetriebe oder ein Wellgetriebe. Ais Aktor ist vorzugsweise ein Elektromotor vorgesehen; prinzipiell kann diese Regelstrategie auch an hydraulischen Nocken- welienverstellsystemen eingesetzt werden.

in jedem Fall ist der Nockenwelienversteiler Bestandteil eines Regelkreises, im Regelkreis ist eine mechanische Schwingungsfähigkeit gegeben, wobei durch die Rege- lung der mechanischen Schwingung präventiv entgegengewirkt wird.

In Verfahrensvarianten, bei denen eine Stellgröße im Regelkreis periodisch variiert wird, erreicht der Betrag der Amplitude der Steilgröl!« vorzugsweise ein Maximum, bevor ein Maximum der im Regelkreis feststeilbaren Schwingung auftritt. Die Maßnahme, weiche der als Störung zu verstehenden Schwingung entgegenwirkt, eilt somit der Störung voraus. Hierbei kann die Variation der Stellgröße mit einer Frequenz er- folgen, weiche der Frequenz der mechanischen Schwingung im Regelkreis entspricht. Die Phasenverschiebung zwischen der sich periodisch ändernden Steilgröße und der mechanischen Schwingung im Regelkreis beträgt dabei beispielsweise 2 bis

180 Grad. Ein einfaches und dennoch wirksames Modell, welches der Tilgung von Schwingungen zugrunde gelegt wird, ist das Modell eines Massenschwingers, insbe- sondere eines Einmassenschwingers oder Zweimassenschwingers

Eine besonders einfache Regelstrategie, mit weicher mechanischen Schwingungen im Regelkreis präventiv entgegengewirkt wird, sieht vor, dass eine von der Regelung generierte Stellgröße, basierend auf zumindest annähernd bekannten Eigenschaften des Regelkreises, unter Anwendung mindestens eines festen Korrekturparameters automatisch korrigiert wird. Ein Korrekturparameter kann hierbei beispielsweise direkt zu einer auszugebenden Stellgröße addiert werden oder indirekt auf einen Verstärkungsfaktor einwirken.

Gemäß einer verfeinerten Regeistrategie wird von einem Referenzmodell ausgegangen, weiches physikalische Eigenschaften des Nockenwellenverstellers wiedergibt. Unter Nutzung des Referenzmodells generierte Ergebnisse, die Aussagen über eine voraussichtliche Änderung des Schwingzustands des Nockenwellenverstellers sowie damit direkt oder indirekt verbundener mechanischer Komponenten zulassen, werden in den Regelkreis eingespeist, um mechanischen Schwingungen präventiv entgegen- zuwirken.

Eine weitere Regeistrategie, die mit der Referenzmodell-basierten Regeistrategie kombinierbar ist. berücksichtigt bei Regelvorgängen gemessene Schwingungen, welche in einem Zeitraum vor dem Regelvorgang delektiert wurden. Im Extremfall kann eine Prognose einer Schwingung bereits auf einer einzigen vorhergehenden Schwingungsperiode basieren. Vorzugsweise wird jedoch eine Mehrzahl von Schwingungsperioden bezüglich Phase, Amplitude und/oder Frequenz ausgewertet, um den Aktor des Nockenwellenverstellers im unmittelbar folgenden Zeitraum derart anzusteuern, dass weitere Schwingungen weitestmöglich getilgt werden. Mit der Schwingungsmes- sung kann hierbei eine Frequenzanaiyse verknüpft sein, weiche zum Beispiel eine Laplace-Transformation und/oder eine Fourier-Transformation einschließt. Hiermit ist es insbesondere möglich, die Frequenz eines in den Regelkreis eingespeisten Korrektursignals exakt auf die Frequenz einer zu unterdrückenden mechanischen Schwingung abzustimmen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung naher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:

Fig. 1 einen in einen Regelkreis eingebundenen elektrischen Nockenwellen- versteller,

Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausgestaltungen der Regelung des Nockenwellenverstellers nach Fig. 1,

Fig. 6 grundsätzliche Zusammenhänge zwischen Schwingungen in einem den

Nockenwefienversteller nach Fig. 1 umfassenden mechanischen System und einem diesen Schwingungen präventiv entgegenwirkenden, einen Aktor des Nockenwellenverstellers ansteuernden Signal.

In Fig. 1 ist schematisch ein Nockenwellenversteller 1 einer Brennkraftmaschine, näm- lieh eines Diesel- oder Ottomotors, dargestellt, welcher einen Aktor 2, nämlich Elektromotor, sowie ein Verstellgetriebe 3 umfasst. Beim Versteligetriebe 3 handelt es sich um ein Drei-Wellen-Getriebe, beispielsweise ein Taumelscheibengetriebe oder ein Wellgetriebe. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik sowie auf die WO 2004/027223 A1 verwiesen.

Der Aktor 2 ist Ober eine Verstellwelie 4 mit dem Versteilgetriebe 3 verknüpft. Das Verstellgetriebe 3 wiederum ist ausgangsseitig mit einer Nockenwelle 5, nämlich Ein- tass- oder Auslassnockenwelle, der nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine verbunden. Im Kraftfluss vom Aktor 2 über das Verstellgetriebe 3 zur Nockenwelle 5 sind mechanische Elastizitäten gegeben, welche in Fig. 1 m Form einer gesonderten schwingungsfähigen Komponente 6 symbolisiert sind. Tatsächlich verteilen sich die elastischen Eigenschaften, welche beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 zu Tage treten, auf eine Mehrzahl funktionaler Komponenten des Nockenwellenverstel- lers 1 sowie damit verbundener Bauteile einschließlich der Nockenwelle 5. Ein Nocken 7 auf der Nockenwelle 5 dient in an sich bekannter Weise der Betätigung eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine Wester ist auf der Nockenwelle 5 ein Geberrad 8 befestigt: welches durch einen Sensor 9 abgetastet wird, um die Drehung und Winkelsteliung der Nockenwelle 5 zu erfassen.

Ein vom Sensor 9 geliefertes Signal wird von einer Steuerungseinheit 10 erfasst und verarbeitet- Mit Hilfe der Steuerungseinheit 10 wird der Aktor 2 angesteuert, um eine bestimmte Einstellung des Nockenwellenverstellers 1 vorzunehmen. Das Ergebnis dieser Einstellung wird wiederum mittels des Sensors 9 erfasst, sodass ein geschlos- sener Regelkreis gebildet ist. Dieser Regelkreis ist, wie im Folgenden anhand der Fig. 2 bis 6 beispielhaft erläutert wird, derart gestaltet, dass mechanische Schwingun- gen, welch© in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung auftreten können, aktiv und vorausschauend unterdrückt werden.

Jede der in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Regelungsvorrichtungen weist ein Verhaften auf, dessen Grundzüge in Fig. 6 veranschaulicht sind, in Abhängigkeit vom Kurbelwei- ienwinkel der Brennkraftmaschine ist in Fig. 6 unten eine vereinfacht als Sinusschwingung dargestellte mechanische Schwingung des mechanischen Systems nach Fig. 1 , welches den Nockenwellenversteller 1 umfasst, erkennbar Bei dieser Schwingung handelt es sich um eine unerwünschte, nach Möglichkeit zu unterdrückende Schwin- gung. Um dies zu erreichen, wird mit Hilfe der Steuerungseinheit 10 der Aktor 2 mit einem ebenfalls oszillierenden Signal beaufschlagt, welches in Fig. 6 oben gezeigt ist.

Zum Zeitpunkt T ₁ weist das auf den Aktor 2 aufgegebene Korrektursignal ein absolutes Minimum auf. Oer Betrag der Amplitude des Korrektursignals, mit welchem der Aktor 2 angesteuert wird, ist damit zum Zeitpunkt T ₁ maximal. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, liegt der Zeitpunkt T ₁ deutlich vor einem mit T ₂ bezeichneten Zeitpunkt, zu welchem die mechanische Schwingungsamplitude maximal ist Die Frequenz des durch die Steuerungseinheit 10 erzeugten Korrektursignals stimmt mit der Frequenz der zu unterdrückenden mechanischen Schwingung überein. Während mit herkömmlichen Regelungen das Korrektursignal der mechanischen Schwingung hinterherhinken würde, wirkt das «n der Vorrichtung nach Fig. 1 auf den Aktor 2 aufgebrachte Korrektursignal der mechanischen Schwingung, wie aus Fig. 6 hervorgeht, präventiv entgegen Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Unterdrückung von mechanischen Schwingungen erreicht. Dies gilt auch dann, wenn die Schwingungen, anders als in Fig. 6 gezeigt, nicht sinusförmig sind.

Eine einfache Variante eines innerhalb der Anordnung nach Fig. 1 realisierbaren Regelkreises ist in Fig. 2 dargestellt. Die Steuerungseinheit 10 umfasst hierbei einen mit 11 bezeichneten Regler sowie ein mit 12 bezeichnetes Korrekturelement. Die in Fig. 2 mit 13 bezeichnete Regelstrecke schließt den elektrischen Nockenwellenversteller 1 ein. Zeitabhängige Größen sind in Fig. 2 mit w(t), y(t), e(t), p(t), z(t) und ξ(0 bezeichnet. Bei der Führungsgröße w(t) des Regelkreises handelt es sich um einen Winkel der Nockenwelle 5 oder um eine Größe, in die die Winkelstellung und/oder Winkeländerung der Nockenweife 5 eingeht Die Führungsgröße w(t) wird nicht direkt dem Regler 11 zugeführt. Vielmehr ist eine in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Verknüpfung zwischen der Führungsgröße w(t) und dem Korrekturelement 12 hergestellt. Ein Ausgangssignai des Korrekturelementes 12. in Fig. 2 ebenfalls gestrichelt dargestellt, wird zusammen mit der Führungsgröße w(t) einem Summenbildner 14 zugeführt. Auf diese Weise wird eine modifizierte Führungsgröße bereitgestellt, weiche einem Differenzbildner 15 zugeführt wird, der in an sich üblicher Weise mit dem Regler 11 verknüpft ist. Die Ausgabe des Korrekturelementes 12 ist weiter abhängig von zeitabhän- gigen Größen z(t) und ξ(t), die auch auf die Regelstrecke 13 wirken. Im Übrigen wirkt die vom Regier 11 ausgegebene Größe u(t) auf die Regelstrecke 13 ein. Die mit y(t) bezeichnete Regelgröße, weiche mittels des Sensors 9 erfassbar ist, wirkt in prinzipiell bekannterWeise über den Differenzbildner 15 auf den Regler 11 ein, sodass der Regelkreis geschlossen ist.

insgesamt werden mit der Regelvorrichtung nach Fig. 2 auf Basis eines bekannten Systemverhaltens feste Parameter dem Regler 11 überlagert. Durch diese mit Hilfe des Korrekturelementes 12 vorgenommene Überlagerung wird ein sich periodisch änderndes Korrektursignal p(t). weiches Einfluss auf die vom Regler 11 ausgegebene Stellgröße u(t) hat, derart generiert, dass korrigierende Eingriffe des Reglers 11 innerhalb des Regelkreises zeitlich vorgezogen werden, um vorauseilend einer

Aufschwingung mechanischer Komponenten in der Anordnung nach Fig. 1 entgegenzuwirken. Diese präventive Schwingungsbekämpfung wirkt besonders effizient bei niedrigen Drehzahlen der den Nockenwellenversteller 1 aufweisenden Brennkraftma- schine.

Ebenso wie die Regelvorrichtung nach Fig. 2 sind auch die Regelvorrichtungen nach den Fig. 3 bis 5 im gesamten Drehzahlbereich der den Nockenwellenversteller 1 aufweisenden Brennkraftmaschine nutzbar.

In der Variante des Regelkreises nach Fig. 3 ist eine Verknüpfung hergestellt zwischen der Führungsgröße w(t) und einem Referenzbaustein 16, weicher ebenso wie der Regler 11 innerhalb der Steuerungseinheit 10 realisiert sein kann. Eine zeitabhängige Ausgangsgröße des Referenzbausteins 16, der ein sogenanntes Referenzmodell abbildet, ist mit y*(t) bezeichnet. Idealerweise sollte der unter Nutzung des Referenzmodells berechnete Ausgangswert y*(t) der tatsächlich am Ausgang der Regelstre- cke 13 vorliegenden Regelgröße y(t) entsprechen. Um festzustellen, inwieweit dies gegeben ist, werden die Größen y*(t) und y(t) einem Vergleichselement 17 zugeführt. Die vom Vergieichselement 17 ausgegebene Größe s(t) wird einer Adaptionseinrich- tung 18 zugeführt, welche eine weitere Komponente der Steuerungseinheit 10 darstellt. Die Adaptionseinrichtung 18 ist. vergleichbar mit dem Korrekturelement 12 nach Fig. 2, mit dem Regler 11 verknüpft.

Die Regelung nach Fig. 3 wird derart betrieben, dass der von der Adaptionseinrichtung 18 verarbeitete Differenzwert e(t) minimal ist. Das im Referenzbaustein 16 hinterlegte Referenzmodell kann im einfachsten Fall ein einfacher ungedämpfter

Einmassenschwinger sein.

im Unterschied zu den Regelungen nach den Fig. 2 und 3 weiche von bekannten, festen Eigenschaften des den Nockenwellenverstelier 1 aufweisenden schwingungsfähigen Systems ausgehen, wird bei den Anordnungen nach den Fig. 4 und 5 das tat- sächliche Verhalten des gegebenen schwingungsfähigen Systems ausgewertet.

Gemäß Fig. 4 wird das vom Differenzbildner 15 ausgegebene Signal e(t) nicht nur dern Regier 11, sondern auch einem Beobachtungsmoduf 19 zugeleitet, weiches in die Steuerungseinheit 10 integriert ist. Mit Hilfe des Beobachtungsmoduls 19. welches insbesondere Phase, Amplitude und Frequenz des Signais e(t) auswertet, wird Über eine Vorsteuerung 20 ein Schwingungssignal v(t) einem weiteren Differenzbildner 21 zugeführt, der zwischen den Regler 11 und die Regelstrecke 13 geschaltet ist. Das vom Differenzbildner 21 ausgegebene, der Regelstrecke 13 als Stellgröße zugeführte Signal x(t) wirkt einem unerwünschten oszillierenden Signal z(t) _; welches ebenfalls auf die Regelstrecke 13 einwirkt, entgegen, sodass das ausgangsseitig der Regelstrecke 13 detektierbare Signal y(t) weitgehend frei von nicht erwünschten Schwingungen ist. Die Variante der Regelung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der Variante gemäß* Fig. 4 dadurch, dass ausgehend von der Vorsteuerung 20 über ein Überlagerungselement 22 eine Rückkopplung zum Beobachtungsmodul 19 aufgebaut ist Durch das Überlager ungselement 22 wird somit das von der Vorsteuerung 20 ausgegebene, oszillierende Signal v(t) mit dem dem Regler 11 zugeführten Signal e(t) verknüpft. Zur Frequenzbestimmung mittels des Beobachtungsmoduls 19 können an sich bekannte Frequenzanalyseverfahren wie Laplace-Transformation oder Fourier-Transformation genutzt werden.

Solange die von der Vorsteuerung 20 ausgegebene Größe v(t) noch eine unbekannte oder falsch gewählte Frequenz aufweist, steht die dem Signal e(t) entnehmbare Frequenz, welche eine Schwingung innerhalb der Regelstrecke 13 wiedergibt, zur Verfügung, um mit Hilfer des Beobachtungsmoduis 19 Parameter des als Korrektursignals verwendeten Signals v(t) zu bestimmen. Jede Änderung des störenden: auf die Regeistrecke 13 einwirkenden Signais z(t) zieht eine Änderung des Signals e(t) und damit auch eine Änderung des präventiv eingespeisten, korrigierenden Signals v(t) nach sich. Insgesamt werden damit Schwingungen tn der Regelstrecke 13 sehr wirksam unterdrückt, was sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorteilhaft auf die Eigenschaften des Nockenwellenverstellers 1 auswirkt.

Bezuqgzelchenliate

T ₁ , T ₂ Zeitpunkte

e(t). p(t), v(t), w(t), y(t), y*(t), z(t), ε(t), ξ(t) Größen (zeitabhängig)

1 Nockenwellenversteller

2 Aktor

3 Verstellgetriebe

4 Versteltwelle

5 Nockenwelle

6 Komponente

7 Nocken

8 Geberrad

9 Sensor

10 Steuerungseinheit

11 Regler

12 Korrekturelement

13 Regelstrecke

14 Summenbildner

16 Differenzbildner

16 Referenzbaustein

17 Vergletchsetement

18 Adaptionseinrichtung

19 Beobachtungsmodui

20 Vorsteuerung

21 Differenzbildner

22 Öberlagerungselement