CN100565209C - 确定轴的转角位置的方法 - Google Patents

Abstract

确定一个内燃机(10)的一个轴(12)的转角位置的方法，特别是一个曲轴(14)的转角位置的方法，其中至少所述轴(12)的增量转角的信息和每个增量转角的运行时间的信息被获得并且至少暂时被存储，其中在缺少增量转角的信息时，转角位置借助于事先已经存储的增量转角和运行时间确定。此外，本发明在实施一种所述的方法时使用一种双霍耳效应传感器(32)，还涉及确定一个内燃机(10)的一个轴(12)的转角位置的一种装置以及用于显示用于汽车的自动启停装置(34)。

Description

确定轴的转角位置的方法

技术领域

本发明涉及一种确定一个内燃机的一个轴的转角位置的方法，特别是确定曲轴转角的方法，其中至少轴的增量转角信息和每个增量转角的运行时间信息被获得并且至少暂时被存储。此外，本发明涉及一种双霍耳效应传感器的应用、涉及使用确定一个轴的转角位置的装置以及汽车的自动启停装置。

背景技术

确定一个内燃机的一个轴的转动位置的方法是公知的。特别是对于一个曲轴，转动角度的确定有着更大的意义，因为在内燃机运行时重要的过程、例如喷射燃油或者产生电火花通常对于每个气缸来说单独取决于曲轴角度来进行控制。例如为了确定转角已知在曲轴和/或凸轮轴上设置了增量探测器。在此这些探测器通常是具有增量测标的探测器盘或者探测器轮，其可以与一个位置固定地设置在发动机缸体上的传感器一起作用来确定曲轴的转角位置。在此，在探测器盘上的增量测标经常设计为齿和齿间区的一个次序并且齿和齿间区之间或者齿间区和齿之间的交替、即齿面被一个传感器测得。在此还已知通过去除一个齿可以获得一个变大的齿间区、一个所谓的间隙，借助于该间隙在发动机转动时可以测得轴的绝对角度。

对转角位置的识别还可以有利地用于改善内燃机的再启动。如果转角位置已经直接在发动机启动时已知并且不是在借助于间隙确定绝对角度之后才已知这个转角位置，从而使发动机的重复启动明显被加速，并且对舒适度和废气排放都有正面影响。特别对于具有自动启停装置的汽车，发动机的最佳重复启动具有很大意义。一个自动启停装置通常用于燃料节省，其中当没有功率要求(例如在惯性运行和停车时)时内燃机被关闭，并且当发动机输出功率(例如在一次自动重启时)时，发动机自动启动。在此，因为发动机有规律地重新启动，准确地识别转角位置在内燃机运行过程中具有很大的益处。

在确定转角位置时比较困难的是，通常在发动机停车时发动机振摆，也就是说发动机在两个方向交替运动直到静止。这种振摆主要产生于当发动机的负载不足以使一个气缸中的活塞克服那里形成的压力越过上止点移动时。在气缸里的压力使活塞返回，从而改变了发动机的转动方向，一直到在另一个气缸中形成一个反压，该反压重新改变了转动方向，或者最终发动机停止摆动。在曲轴上简单的探测器不能测得转动方向并且因此也不能探测发动机的振摆运动。

为了解决上述问题，在现有技术中、例如在DE 19900641中建议在凸轮轴上设置一个绝对角度传感器，通过该传感器在任何时刻可以推测出曲轴的绝对位置。但是此处的缺点是导致很高的成本和提高对结构空间的要求以及使信号处理变得复杂。此外，通过在齿形带内的公差得出在借助于凸轮轴位置推测的曲轴位置和实际的曲轴位置之间的偏差。另外一个解决方案描述了两个探测器的配置，这两个探测器以一个“四个齿加一个半齿”的角度偏差错置。但是缺点是额外所需的结构空间、两个探测器集成的费用以及在两个探测器和探测器轮之间所需的紧公差。

总起来说按照现有技术的系统只是借助于检测齿面可以测得转角位置。当在发动机制动时传感器尽管测得所述间隙的开始，但是在通过间隙之前发动机已经停止转动了，这是特别不利的。因此就存在不确定性，即间隙到底通过了多远，也就是轴最后处于哪个转角位置。

发明内容

本发明改善了按照现有技术的确定转角位置的方法，在缺少转角位置的增量转角信息时借助于事先已经存储的增量转角和运行时间信息来确定转角位置。首先在内燃机运行时掌握轴的增量转角和每个增量转角的运行时间。在此增量转角的意思是，从一个设定信号或者一个设定信号系列可以推导出轴转动的一个确定的相对转角。如果例如设置一个具有齿和对应齿间区的探测器轮以及一个计算器，该计算器计算单个的齿面，则每个信号意味着轴本身转过一个增量转角，该增量转角对应一个齿或者一个齿间区的角度。此外测得，在那段时间内增量转角转过。这个运行时间通常是在两个信号之间的差，即从一个转过的增量转角末端直到随后的增量转角的末端。运行时间的这种测量可以用来例如测量间隙：如果在一个规律的几乎相同的运行时间的序列中出现一个明显被延长的运行时间，则允许这种推断，即探测器轮的间隙在传感器装置上已经转过去了。因为间隙开端和末端对应一个固定的绝对角度，从而对间隙的识别允许推测出轴的绝对转角位置。至少关于轴的增量转角的和相应运行时间的信息至少暂时被存储。

如果发动机制动到静止状态，则总是进入这种状态，即具有一个齿、一个齿间区或者间隙的探测器轮相对传感器暂时停止。传感器即测得到达一个齿的信号或者进入一个齿间区/间隙的信号但是没有测得离开齿或者齿间区/间隙的信号。因此就此存在不确定性，即探测器轮在哪里并且因此曲轴静止不动。特别是在间隙中的一个静止状态可以得出很多可能的转角位置。

现在，转角位置的精确度可以这样改善，转角位置借助于事先已经存储的增量转角和运行时间的信息来确定。因为在轴转动时，即使当在该转动期间出现一种转动方向改变，其涉及一种恒定的运动，最后测得的轴的转动信息使得能够确定轴在静止状态时的转角位置。与此相关，特别在内燃机的一个制动过程中，哪种方法被用于这种确定并且轴转动运动的特性怎样精确是已知的了，转角位置可以在静止状态被计算或者推导出来。

增量转角在本申请的范围内是带符号的参量，也就是说增量转角的绝对值规定，曲轴旋转了哪个角度并且增量转角的代数符号包含这样的信息，即在哪个转动方向开始转动(顺时针或者逆时针)。但是原理上也可以处理增量转角而不处理包含在其中的转动方向信息。

有利的是，在缺少增量转角信息时借助于外插法确定转角位置。以下述认知作为基础，发动机运动的逐渐减慢并且因此轴的转动运动可以借助于一个数学函数描述或者近似。在把一个为了减慢发动机运动采取的函数和插值作为基础时，函数和插值从事先已经测得的增量转角和运行时间中选取，因此可以计算出或者推测出轴进一步的转动运动。在最简单的情况下，可以采取一个线性函数关系，但是也可以使用任意其它的函数关系，例如对数关系或者基于一个多项式。通常把最后两个或者三个存储的增量转角和运行时间信息作为插值。但是也可以在外插法中使用多个值，必要时也可以不是直接前后相邻的数值。

在本发明的一个有利的设计方案中，在轴处于正常运行状态时和/或在轴制动到静止状态时实施一个轴的转角位置的确定。该方法不仅在内燃机正常运行时应用，使得轴的转角位置在两个齿面信号之间确定。本方法同样可以在轴的一个制动过程中应用，以及(如上文所述)为了在静止之前接收最后的齿面信号之后测得轴的静止位置。

有利的是，从每个增量转角信息和增量转角相应运行时间的信息中计算一个角速度。如果相应的角速度被计算，轴的制动通过一个角速度比较(通常是前后紧接的角速度)测得。如果相同的增量转角作为所测运行时间的基础，那么运行时间的比较也生成一个关于制动过程的一份表述。另一种方案中，通过由总是恒定选择的角度计算一个运行时间，信息可以相互比较。

有利的是，从两个算得的角速度的商中为轴的制动测得衰减常数。因此可确定这个使轴的转动运动被减慢的系数。

在一个优选的实施形式中，在确定转角位置时，试验测得的测量值考虑用于轴的运行特性。因为轴的转动运动的减慢在关闭内燃机时在实际应用中取决于很多参数，这些参数单纯借助于理论很难确定或者推测，所建议的转角位置的确定通过把试验测得的测量值包括在内得到改善。因此在内燃机关闭时例如内燃机的运行温度或者内燃机轴的转角位置会影响轴的实际制动过程。这种影响可以在识别时考虑试验测得的测量值并且因此确定转角位置的质量被改善了。

有利的是，测量值是衰减值，该衰减值描述了轴的制动过程一直到内燃机主动运行的末尾时。因为在轴制动时出现的缓冲特性对最终转角位置有着决定性的影响，人们在考虑试验测得的衰减值时可以极大地改善转角位置的确定。

有利的是，对转角位置至少一次求取一个绝对值。然后，以此为基础，增量转角根据转动方向被增加或者减少。以有规律的间隔为转角位置确定一个绝对值是有利的，特别是轴每转动一次确定一次。

在一个有利的结构方案中，增量转角借助于一个传感器系统在一个与轴相连的探测器盘上获得。这样进行测量是成本经济的并且易于实现的。探测器盘或者探测器轮根据现有技术在很多实施形式中已知，因此不需要描述了。只是需要指出，探测器轮(从圆周方向看去)具有相同大小的齿或者齿间区是有利的，特别当通过去除至少一个齿、最好两个齿形成一个确定绝对转角的间隙。

此外，本发明涉及一种双霍耳感应传感器在实施一种前述方法时为了获得信息的应用。在这样一个传感器上，通常两个霍耳元件相邻设置。因为两个元件非常精确地相互对准，由于制造工艺可以获得非常高的精度，其中机械齿面的公差变得相互无关紧要。此外相对于分开实施的传感器可以节省成本。借助这样一个双霍耳效应传感器，增量转角的信息包括一个转动方向的信息可以容易地获得。

此外，本发明涉及一种确定一个内燃机的一个轴的转角位置的装置，特别是一种曲轴，其具有至少一个测得至少关于轴的增量转角的信息和每个增量转角的运行时间的传感器和一个暂时存储增量转角和运行时间的存储器，还具有一个逻辑开关，在缺少增量转角的信息的情况下可激活的或者自动激活的并且从事先已经存储的增量转角和运行时间中计算出转角位置。

最后，本发明涉及一种用于具有一个内燃机的一个轴的汽车的自动启停装置，特别是一个曲轴，其中转角位置以一个前述的方法和/或借助于一个前述的装置来确定。

附图说明

本发明借助于以下附图更详细地说明。附图示出：

图1示出确定一个内燃机的一个轴的转角位置的一种装置的一个实施例，

图2是用于确定转角位置的一个探测器轮的一个实施例，

图3是处理齿面信号的一种方法的一个流程图，

图4是处理探测器轮的一个间隙的一个流程图，和

图5是考虑到转向改变时正确处理一个探测器轮间隙的一个改善的方法的一个流程图。

图1象征性示出一个带有一个轴12的一个内燃机10，此处该轴是曲轴14。内燃机10配置了一个确定曲轴14的转角位置的一个装置16，该装置具有一个探测器轮18、一个传感器20、一个计算器22、一个存储器23和一个逻辑开关24。探测器轮18与曲轴14相连不可相对旋转，从而其在内燃机10远行时相对于内燃机转动。在探测器轮18的圆周上设置了角宽度为3°的齿26，其中两个齿通过一个角宽度为3°的中间区相互分开。为了形成一个扩大的齿间区、也即为了形成间隙L，在圆周的一个区段上不设计两个相邻的齿26。在一个齿26和一个齿间区28之间的过渡区域上、也就是间隙L上设有一个齿面30。

传感器20是双霍耳效应传感器32并且相对内燃机10位置固定。传感器20测得之前转动的齿26的次序和齿间区28也就是间隙L并且产生一个带符号的增量转角信号。转动方向在这个实施例中这样规定，在传动轮18的一个顺时针转动方向产生正的增量转角信号并且在一个逆时针转动方向产生负的增量转角信号。传感器20的信号传输到计算器22上。在此，借助于输入的信号确定轴12的转角位置。如此测得的转角位置传输到出口A，在那里例如可以被一个内燃机10的发动机控制系统查询转角位置。同时计算器22将增量转角和相应运行时间的信息传输到存储器23上。在此，信息按照时间顺序存储，其中只是一定数量的最终测得的信息可以充分地被存储。这例如借助于一个环形缓冲器来实现，该环形缓冲器具有一个确定数量的存储空间，其中以连续的顺序方式始终是最早的信息被最新的信息所覆盖。

如果缺少了关于增量转角和运行时间的信息，逻辑开关24被激活，该逻辑开关访问存储器23并且以最后被计算器22求得的转角位置为基础通过最后求得的信息的一种外插法，确定轴12的可能的转角位置。因此，即使当计算器22不能求得最新的转角位置，转角位置的一个信息可以通过轴12确定。在实施例中，逻辑开关24计算三个最后测得的齿时间t1、t2和t3，也就是在检测齿面30之间的时间。从这些值中确定两个商：k1＝t1/t2和k2＝t2/t3。此外，在逻辑开关24中至少存储一个具有由试验测得的测量值的真值表，该表就此给出一个启示，即根据衰减值k1和k2要推算哪个差值转角(也就是在最后确定的转角位置和现在的转角位置之间的角)。因此轴12的可能的转角位置被精确地确定或者被计算。

图1中用虚线画出一个用于具有内燃机10的汽车的自动启停装置，该装置与内燃机10或者它的发动机电子部件相连并且从装置16中获得曲轴14的转角位置的值。借助于转角位置准确的值可以使内燃机10在启停运行阶段舒适地并且低排放地启动。

图2示出探测器轮18的一个截面图，为了清楚起见，由于间隙L和单个的齿26或者齿面30转角位置可以对应一个绝对角度。

图3示出用于处理齿面信号的一种方法的流程图。步骤50是流程的开始，此时传感器20检测一个齿面30。接下来在步骤51中检查，是否传感器20在间隙L上。如果是这种情况(分支“是”)，则跳过所有下述的步骤，因为必须在一个单独的方法中正确地处理间隙L。如果间隙L没有在传感器20上，在步骤52中计算探测器轮18的转动方向。如果探测器轮18以逆时针旋转(向左旋转)，一个正的增量转角对应于一个齿26的宽度或者一个齿间区28的宽度、也就是3°被确定，同时如果在顺时针方向旋转(分支“否”)确定一个负的增量转角，该增量转角的绝对值仍然是3°。在步骤55中，所测得的增量转角加到最后测得的绝对转角位置上。以步骤56结束这个方法。在此需要指出的是，一个被计算的转角位置大于360°时那么从中减去360°并且在一个转角位置小于0°时加上360°。

图4示出用于处理探测器轮18的一个间隙的一种方法的流程图。步骤60标志着该方法的开始。接下来在步骤61中检查，是否一个间隙L被识别。这发生在一个现有技术已知的确定间隙的方法之后，例如通过比较三个相互跟随的齿时间。一旦一个间隙被识别(分支“是”)，该方法以步骤62继续下去。如果步骤62结束后是向左旋转(分支“是”)，绝对角度在识别了第二个降低的齿面后变成0°，同时在向右旋转(分支“否”)时绝对角度在第二个升高的齿面设置到330°。在绝对角度被确定之后，本方法以步骤65结束，但是本方法在需要的时候被重新启动。

图5示出了用于正确处理一个探测器轮18的间隙L的一种改进方法的流程图，特别是考虑到一种转动方向改变在图1和图2中示出的探测器轮18。本方法以步骤70表示开始。在步骤71中检查是否间隙L的开始被检测了。如果不是这种情况(分支“否”)，本方法就不继续进行了。如果间隙L的开始被识别(分支“是”)，在步骤72中，在间隙入口测得的转动方向在一个第一变量中被存储。于是在步骤73中检测，是否到达了间隙L的末端。如果不是这种情况(分支“否”)，将不进行以下的步骤。如果间隙L的末端被识别(分支“是”)，将测得在间隙出口(Lueckenaustritt)测得的转动方向并且存储在一个第二变量中。然后在步骤74中检测，是否第一和第二变量协调一致，也就是说是否在间隙入口和间隙出口处测得的转动方向是相同的。如果是相同的，那么在间隙L内不会造成转动方向冲突，从而之前所述的间隙识别可以按照指令工作。与此相反，如果发生一个转动方向冲突(分支“是”)，那么现在需要在间隙出口处设置正确的绝对角度。为此接下来在步骤75中检测，是否在间隙出口处已经存在一个逆时针的转动。如果是这种情况(分支“是”)，这允许这样的结论，即间隙出口是在351°。与此相应，在步骤76种设置绝对角度为351°。如果是向右转动(分支“否”)，间隙L的末端必须处于336°，从而在步骤77中相应设置绝对角度。该方法以步骤78结束。

Claims (15)

1.确定一个内燃机(10)的一个轴(12)的转角位置的方法，其中至少所述轴(12)的增量转角信息和每个增量转角的运行时间信息被获得并且至少暂时被存储，其特征在于，在缺少增量转角的信息时，转角位置借助于事先已经存储的增量转角和运行时间来确定。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在缺少增量转角的信息时，转角位置借助于一种插值法确定。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，在一个轴(12)正常运行和/或在其制动到静止状态时确定轴(12)的转角位置。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，根据每个关于一个增量转角的信息和增量转角对应运行时间的信息计算一个角速度。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，根据两个已算出的角速度的商获得用于轴制动的一个衰减常数。

6.按照前述权利要求1至5之一的方法，其特征在于，在确定转角位置过程中，试验测得的测量值用于轴(12)的运行特性。

7.按照权利要求6的方法，其特征在于，测量值是衰减值，该衰减值描述了轴(12)的制动过程一直到内燃机(10)主动运行的末尾时。

8.按照前述权利要求1至5之一的方法，其特征在于，对转角位置至少一次求取一个绝对值。

9.按照前述权利要求1至5之一的方法，其特征在于，增量转角借助于一个传感器系统(20)在一个与轴(12)相连的探测器盘(18)上获得。

10.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述轴是一个曲轴(14)。

11.一种双霍耳效应传感器(32)在实施按照前述权利要求之一的一种方法时用来获得信息的应用。

12.确定一个内燃机(10)的一个轴(12)的转角位置的装置(16)，具有至少一个测得至少所述轴的增量转角信息和每个增量转角的运行时间信息的传感器(20)和一个暂时存储增量转角和运行时间的存储器(23)，其特征在于一个逻辑开关(24)，其在缺少增量转角信息的情况下被激活或者自动激活并且从事先已经存储的增量转角和运行时间中计算出转角位置。

13.按照权利要求12的装置(16)，其特征在于，所述轴是一个曲轴(14)。

14.用于具有一个内燃机(10)的一个轴(12)的汽车的自动启停装置(34)，其特征在于，转角位置利用按照权利要求1至10中任意一项的方法和/或借助于按照权利要求12的一种装置(16)来确定。

15.按照权利要求14的自动启停装置(34)，其特征在于，所述轴是一个曲轴(14)。

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