Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers . In Kraftfahrzeugen werden zunehmend zur Effizienzsteigerung elektrische Nockenwellenversteller eingesetzt. Mit derartigen Nockenwellenverstellern wird im Vergleich zu konventionellen hydraulischen Verstellern ein größerer Verstellbereich mit späteren Schließpunkten der Einlassnockenwelle ermöglicht. Dadurch können andere Brennverfahren, beispielsweise im Sinne eines Atkinson-Cycles , zum Einsatz kommen.

Aus der DE 41 10 195 AI ist eine Verstellvorrichtung für zwei in drehender Antriebsverbindung stehende Baugruppen, insbesondere zur Relativverstellung einer Nockenwelle zu dem sie antreibenden Antriebsrad, bekannt. Diese Verstellvorrichtung weist ein zwischen der Nockenwelle und dem sie antreibenden Antriebsrad angeordnetes Stellgetriebe auf, welches über einen Elektromotor zur Verstellung antreibbar ist. Der Stator des Elektromotors ist ortsfest angeordnet . Das Stellgetriebe ist zusammen mit dem Rotor des Elektromotors auf einem Wellenstück relativ drehbar zur Nockenwelle gelagert.

Aus der US 2014/0216374 AI ist ein weiterer Nockenwellenver- steller beschrieben, der einen Elektromotor aufweist. Bei diesem bekannten Nockenwellenversteller rotiert der Stator des

Elektromotors mit der Nockenwelle.

Die Nockenwellenposition für einen idealen Kaltstart liegt üblicherweise nicht an einem der mechanischen Endanschläge des Verstellbereiches, sondern innerhalb dieses Verstellbereiches. Weicht die Nockenwellenposition von der idealen Startposition ab, dann kann sich der Startvorgang verlängern. Im ungünstigsten Fall lässt sich der Verbrennungsmotor gar nicht mehr starten.

Je nach Auslegung des jeweiligen Systems kann es vorkommen, dass der elektrische Antrieb des Nockenwellenverstellers nicht zu einer dauerhaften Abgabe seiner maximal möglichen Leistung ausgelegt ist. Wird diese maximale Leistung dennoch über einen längeren Zeitraum angefordert, dann kann sich der Antrieb so stark erhitzen, dass das Antriebssystem überhitzt und ausfällt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Überlastung des Nockenwellenverstellers reduziert ist .

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Stromfluss in einem Elektromotor des Nockenwellenverstellers erzeugt wird, werden folgende Schritte ausgeführt:

- Messung der momentanen Stromstärke im Nockenwellenversteller,

- Berechnung eines Mittelwertes der gemessenen Stromstärke für eine vorgegebene Zeitbasis,

- Messung der Umgebungstemperatur des Nockenwellenverstellers,

- Vergleich des Mittelwertes der gemessenen Stromstärke mit einem einem Kennfeldspeicher entnommenen, der gemessenen Umgebungstemperatur und der vorgegebenen Zeitbasis zugehörigen Schwellenwert und

- Reduzierung der momentanen Stromstärke im Nockenwellenversteller, wenn der berechnete Mittelwert der Stromstärke größer ist als der zugehörige Schwellenwert. Mittels eines derartigen Verfahrens wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine vor einer thermischen Überlastung und einem damit verbundenen Ausfall geschützt wird. Des Weiteren ist sicher- gestellt, dass die Startfähigkeit der Brennkraftmaschine ge ^¬ währleistet bleibt.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:

Figur 1 eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Ansteu- erung eines Nockenwellenverstellers einer Brenn ^¬ kraftmaschine,

Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für ein im Kennfeldspeicher hinter- legtes Kennfeld und Figur 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers einer Brennkraftma ^¬ schine .

Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers einer Brennkraft ^¬ maschine .

Die dargestellte Vorrichtung weist einen

Start-/Stop-Befehlsgeber 1, ein Steuergerät 2, einen Kenn- feldspeicher 2a, einen nicht flüchtigen Speicher 2b, einen Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers, eine Verstel ^¬ leinheit 4 des Nockenwellenverstellers, einen Stromsensor 5, einen Temperatursensor 6 und einen Istpositionssensor 7 auf. Alle vorgenannten Bauteile sind Bestandteile einer Brennkraftma- schine. Der Elektromotor 3 und die Verstelleinheit 4 bilden zusammen den Nockenwellenversteller. Das Steuergerät 2 ist dazu ausgebildet, ein Verfahren zur Ansteuerung des Nockenwellenverstellers auszuführen, bei welchem ein Stromfluss im Elektromotor 3 erzeugt wird. Bei diesem Verfahren ermittelt das Steuergerät 2 Ansteuersignale für den Elektromotor 3 derart, dass ein Stromfluss im Elekt ^¬ romotor 3 des Nockenwellenverstellers auftritt.

Das Steuergerät 2 ermittelt die genannten Ansteuersignale für den Elektromotor 3 unter Verwendung der Ausgangssignale mehrerer Sensoren, zu denen ein Stromsensor 5, ein Temperatursensor 6 und ein Istpositionssensor 7 gehören. Der Stromsensor 5 ist zur Messung der momentanen Stromstärke im Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers vorgesehen. Der Temperatursensor 6 ist zur Messung der Umgebungstemperatur des Nockenwellenverstellers vorgesehen. Zu diesem Zweck misst er beispielsweise als Umgebungstemperatur des Nockenwellenverstellers die Mo ^¬ torblocktemperatur der Brennkraftmaschine oder die Oltemperatur der Brennkraftmaschine. Der Istpositionssensor 7 stellt dem Steuergerät 2 eine Information über die momentane Istposition der Nockenwelle zur Verfügung. Bei dieser momentanen Istposition handelt es sich um die Drehposition der Nockenwelle relativ zu einem Endanschlag. Des Weiteren verwendet das Steuergerät 2 zur Ermittlung der Steuersignale die im Kennfeldspeicher 2a in einem dort hinterlegten Kennfeld 8 enthaltenen Daten sowie Informationen, die im nicht flüchtigen Speicher 2b abgespeichert sind. Durch eine Auswertung der vorgenannten Ausgangssignale der

Sensoren, der dem Kennfeldspeicher entnommenen Daten und der im nicht flüchtigen Speicher hinterlegten Daten ermittelt das Steuergerät 2, ob aufgrund des momentanen Betriebszustands der Brennkraftmaschine eine thermische Überlastung des Nocken- wellenverstellers droht oder nicht. Ist dies der Fall, dann leitet das Steuergerät 2 Maßnahmen zur Reduzierung der momentanen Stromstärke im Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers in die Wege, um einen Komponentenschutz des Nockenwellenverstellers zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die im Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers herrschende Temperatur unterhalb einer maximal zulässigen Temperatur gehalten wird.

Dabei macht das Steuergerät 2 davon Gebrauch, dass die im Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers herrschende Tem ^¬ peratur im Wesentlichen von der momentanen Stromstärke des durch den Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers fließenden Stromes, der Dauer des Stromflusses durch den Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers und der Umgebungstemperatur des No ^¬ ckenwellenverstellers abhängig ist.

Die Stärke und die Dauer des durch den Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers fließenden Stromes bestimmen über den elektrischen Widerstand den Wärmeeintrag in den Nockenwel- lenversteller . Die Temperatur der Umgebung des Nockenwellenverstellers, in welche der Nockenwellenversteller seine Wärme abgibt, bestimmt den Wärmeaustrag aus dem Nockenwellenver ^¬ steller. Deshalb kann mit einer Reduzierung der momentanen Stromstärke des durch den Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers fließenden Stromes unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und der Historie der Bestromung des Nockenwellenverstellers die Temperatur des Nockenwellenver ^¬ stellers wirksam begrenzt werden, ohne die Verfügbarkeit des Nockenwellenverstellers unnötig einzuschränken.

Als thermisches Modell des elektrischen Antriebs des Nocken ^¬ wellenverstellers wird eine Messung oder Bestimmung des durch den Elektromotor 3 des Nockenwellenverstellers fließenden Stromes und eine anschließende Mittelwertbildung dieses Stromes über eine bestimmte Zeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur vorgenommen .

Als ein Maß für die Historie der Bestromung des Nockenwel ^¬ lenverstellers wird der Mittelwert der Stromstärke über eine bestimmte Zeitdauer vor dem aktuellen Zeitpunkt herangezogen, wobei diese Zeitdauer als Zeitbasis bezeichnet wird. Eine maximal zulässige mittlere Stromstärke durch den

elektrischen Antrieb 3 des Nockenwellenverstellers wird in Abhängigkeit von der Zeitbasis zur Strommittelung und der Umgebungstemperatur des elektrischen Antriebs spezifiziert und als Kennfeld im Kennfeldspeicher 2a hinterlegt.

Die Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für ein im Kennfeldspeicher 2a hinterlegtes Kennfeld. In diesem Kennfeld ist für eine Vielzahl von Kom- binationen einer Umgebungstemperatur T des Nockenwellenverstellers und einer bestimmten Zeitbasis t jeweils ein Strom ^¬ stärkewert hinterlegt, welcher der für die jeweilige Kombination maximal zulässige Stromstärkewert ist. Beim gezeigten Aus ^¬ führungsbeispiel sind als Umgebungstemperaturen 0°C, 80 °C und 120°C angegeben. Als Zeitbasen t sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel 1 sec, 10 sec, 30 sec, 60 sec, 120 sec, 300 sec und 600 sec angegeben. Die maximal zulässige Stromstärke bei 80°C und einer Dauer der Mittelung des Stromflusses von 10 sec liegt bei 40 A, bei 120°C und einer Dauer der Mittelung von 30 sec bei 22 A.

Wird diese maximal zulässige mittlere Stromstärke überschritten, dann kann es durch die daraus folgende Überhitzung zu einem Defekt des Nockenwellenverstellers und zu einem Ausfall desselben kommen.

Der Strombedarf zum Halten einer eingeregelten Nockenwellenposition liegt weit unterhalb dieser maximal zulässigen mittleren Stromstärke, daher tritt eine Stromlimitierung nur beim Verstellen, nicht aber beim Halten der Position auf.

Überschreitet während des Betriebes der Brennkraftmaschine der über die jeweilige Zeitbasis (=Zeitdauer) ermittelte Mittelwert des Stromes den zugehörigen im Kennfeld 8 hinterlegten

Schwellenwert, dann leitet das Steuergerät 2 Maßnahmen in die Wege, um eine Abkühlung des Nockenwellenverstellers herbei ^¬ zuführen. Eine derartige Abkühlung des Nockenwellenverstellers kann dadurch herbeigeführt werden, dass das Steuergerät 2 einen konstanten Sollwert der Nockenwellenposition (z.B. ideale Nockenwellenposition für den Start des Verbrennungsmotors) vorgibt. Durch diese konstante Sollposition wird ein zum Verstellen notwendiger hoher Stromfluss vermieden.

Alternativ dazu kann eine Abkühlung des Nockenwellenverstellers auch dadurch herbeigeführt werden, dass das Steuergerät 2 die Dynamik des Sollwerts für die Nockenwellenposition begrenzt. Durch diese reduzierte Dynamik wird ein zum schnellen Verstellen notwendiger hoher Stromfluss vermieden.

Um die Sicherheit gegen eine thermische Überlastung des No ^¬ ckenwellenverstellers weiter zu erhöhen, wird in vorteilhafter Weise bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine vermieden, dass das oben beschriebene thermische Modell des Nockenwellenver- stellers, d.h. die unmittelbar vor dem Abstellen ermittelten Mittelwerte der Stromstärke und die jeweils dazugehörige Zeitbasis, verzögerungsfrei zurückgesetzt werden. Denn im Falle eines derartigen verzögerungsfreien Rücksetzens wären im Falle eines kurz nach dem Abstellen herbeigeführten Wiederstarts der Brennkraftmaschine die bei einem Kaltstart üblicherweise verwendeten Startwerte dem tatsächlichen momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine nicht angepasst. Es könnte in diesem Falle und insbesondere auch im Falle mehrerer Wie ^¬ derstarts eine thermische Überlastung des Nockenwellenver- stellers auftreten.

Um dies zu vermeiden, werden vor einem Ausschalten des Steuergerätes 2 die zuletzt ermittelten Mittelwerte der gemessenen Stromstärke und eine Information über die jeweils zugehörige Zeitbasis im nicht flüchtigen Speicher 2b hinterlegt.

Bei einem mit intaktem nicht flüchtigen Speicher 2b erfolgenden Neustart des Steuergerätes 2 erfolgt eine Initialisierung neuer Mittelwerte der Stromstärke für alle Zeitbasen in Abhängigkeit von der Abstellzeit der Brennkraftmaschine. Diese Initiali ^¬ sierung wird gemäß der folgenden Beziehung vorgenommen:

(1 - T _ab wobei

In der neu Mittelwert,

n die jeweilige Zeitbasis,

die Abstellzeit der Brennkraftmaschine und

Inm der Mittelwert des Stroms zum Zeitpunkt des vorangegangen

Abstellens der Brennkraftmaschine

ist .

Bei einem nach einem unerwünschten Zurücksetzen des Steuer- gerätes 2 und/oder nach einem Defekt des nicht flüchtigen

Speichers 2b erfolgenden Neustart des Steuergerätes werden für alle Zeitbasen neue Mittelwerte der Stromstärke initialisiert, die den im Kennfeld hinterlegten Schwellenwerten entsprechen. Alternativ zur Verwendung eines nicht flüchtigen Speichers wird vor dem Ausschalten des Steuergerätes 2 eine Haltephase aktiviert und solange aufrecht erhalten, bis der Mittelwert der gemessenen Stromstärke für alle Zeitbasen einem Minimalwert entspricht. Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ist sichergestellt, dass der Schutz des Nockenwellenverstellers vor einer ther ^¬ mischen Überlastung gewährleistet ist und auch die Startfä ^¬ higkeit der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Die Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur An- steuerung eines Nockenwellenverstellers einer Brennkraftma- schine .

Bei diesem Verfahren erfolgt in einem Schritt Sl ein Start des Steuergerätes 2.

Danach erfolgt in einem Schritt S2 eine Abfrage, ob ein regulärer oder ein irregulärer Start vorliegt. Ein regulärer Start liegt vor, wenn:

1) bei Verwendung der oben beschriebenen Haltephase der Start nach dem Ablauf der Haltephase des Steuergerätes 2 erfolgt oder 2) bei Verwendung des oben beschriebenen nicht flüchtigen Speichers der Start bei intaktem nicht flüchtigen Speicher 2b erfolgt. Ein irregulärer Start liegt vor, wenn der Start nach einem unerwünschten Zurücksetzen des Steuergerätes 2 und/oder bei einem vorliegenden Defekt des nicht flüchtigen Speichers 2b erfolgt . Ergibt diese Abfrage im Schritt S2, dass ein regulärer Start vorliegt, dann wird zu einem Schritt S3 übergegangen, in welchem eine Initialisierung gemäß der bereits oben angegebenen Beziehung

I _n = (1 - T _ab /n) · I _nm

erfolgt.

Ergibt diese Abfrage im Schritt S2 hingegen, dass ein irregulärer Start vorliegt, dann wird zu einem Schritt S4 übergegangen, in welchem eine Initialisierung für alle Zeitbasen mit neuen Mittelwerten der Stromstärke erfolgt, die den im Kennfeld 8 abgespeicherten Schwellenwerten entsprechen.

Nach dieser Initialisierung im Schritt S3 oder im Schritt S4 wird zu einem Schritt S5 übergegangen. In diesem Schritt S5 erfolgt die Messung der momentanen Stromstärke im Nockenwellenversteller mittels des Stromsensors 5. Alternativ dazu kann die Stromstärke auch unter Verwendung einer Modellierung anhand der Ansteuerung des elektrischen Antriebs bestimmt werden. Danach erfolgt in einem Schritt S6 eine Berechnung eines Mittelwertes der gemessenen Stromstärke für die jeweilige Zeitbasis .

Danach erfolgt in einem Schritt S7 eine Abfrage, ob der berechnete Mittelwert der Stromstärke größer ist als der jeweils zugehörige, im Kennfeldspeicher hinterlegte Schwellenwert. Ergibt diese Abfrage, dass der berechnete Mittelwert der Stromstärke größer ist als der zugehörige, im Kennfeld hin ^¬ terlegte Schwellenwert, dann wird zu einem Schritt S8 über ^¬ gegangen, in welchem eine Reduzierung der momentanen Stromstärke im Nockenwellenversteller vorgenommen wird.

Ergibt diese Abfrage hingegen, dass der berechnete Mittelwert nicht größer ist als der zugehörige, im Kennfeld 8 hinterlegte Schwellenwert, dann wird zu einem Schritt S9 übergegangen, in welchem eine im Sinne eines Normalbetriebes des Nockenwel- lenverstellers erfolgende Sollpositionsermittlung durchgeführt wird .

Danach wird vom Schritt S8 oder vom Schritt S9 zu einem Schritt S10 übergegangen. In diesem Schritt S10 erfolgt eine Ermittlung der Istposition der Nockenwelle, d.h. der momentanen Drehposition der Nockenwelle relativ zum Endanschlag, unter Verwendung des Istpositionssensors 7. Nach dieser Ermittlung der Istposition des Nockenwellenver- stellers 4 erfolgt in einem Schritt Sil eine Berechnung der Regelabweichung, d.h. der Abweichung der Istposition des No- ckenwellenverstellers von der jeweils vorgegebenen Sollposi ^¬ tion.

Aus dieser berechneten Regelabweichung wird in einem nachfolgenden Schritt S12 ein der berechneten Regelabweichung entsprechendes Ansteuersignal für den Elektromotor 3 berechnet. Nach dem Schritt S12 erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S5.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird nach alledem der Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine vor einer thermischen Überlastung und einem gegebenenfalls daraus resultierenden

Ausfall geschützt. Auch die Startfähigkeit der Brennkraftma ^¬ schine wird gewährleistet. , ,

Bezugs zeichenliste

1 Start- /Stop-Befehlsgeber

2 Steuergerät

2a Kennfeldspeicher

2b Nicht flüchtiger Speicher

3 Elektromotor

4 Nockenwellenversteller

5 Stromsensor

6 Temperatursensor

7 Istpositionssensor

8 Kennfeld