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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung der Winkellage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Stand der Technik
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Um den Anforderungen an die Funktionalität moderner Brennkraftmaschinensteuerungen gerecht zu werden, muß die Drehzahl und die Winkelstellung von Kurbel- und/oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine hoch genau erfaßt werden. Dabei wird zur Drehzahlerfassung an der Kurbelwelle ein Geberrad mit 60-2 Winkelmarken eingesetzt, das von einem feststehenden Geber, beispielsweise einem Induktiv-Magnetoresistiv oder nach Hall-Effekt arbeitenden Geber abgetastet wird. Das Ausgangssignal dieses Gebers wird im Steuergerät nach einer Aufbereitung zu einem Rechtecksignal aufgewertet. Aus den zeitlichen Abständen vorgebbarer Signalflanken wird in bekannter Weise die Drehzahl ermittelt. Eine weitere Auswertung ermöglicht es, die durch zwei fehlende Winkelmarken gebildete Bezugsmarke zu erkennen, deren Lage repräsentativ ist für eine ausgewählte Stellung der Kurbelwelle und unter Berücksichtigung weiterer Informationen der Brennkraftmaschine insgesamt.
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Um eine ausreichende Information über das aktuelle Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine zu erhalten muss zusätzlich zur Kurbelwellenstellung die absolute Nockenwellenstellung ermittelt werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines eigenen Gebers, der beispielsweise ein mit der Nockenwelle verbundenes Geberrad abtastet und ein der Oberfläche dieses Geberrades entsprechendes Ausgangssignal an das Steuergerät der Brennkraftmaschine abgibt. Da sich die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in einem Arbeitsspiel zweimal und die Nockenwelle einmal dreht, kann eine Synchronisation, also die Erkennung der tatsächlichen Winkelstellung der Kurbel- und der Nockenwelle der Brennkraftmaschine und ihre Lage zueinander erst dann erfolgen, wenn sowohl die korrekte Winkellage der Nockenwelle als auch die korrekte absolute Winkelstellung der Nockenwelle bekannt sind.
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In heutigen Brennkraftmaschinensteuerungssystemen wird die Nockenwellenstellung vom Steuergerät segmentweise erfaßt, d. h. nur ein- oder mehrmals pro Nockenwellenumdrehung erhält man eine aktuelle, winkelgenaue Information über die Nockenwellenstellung. Diese Information wird den Auswerteprogrammen des Steuergerätes, beispielsweise zur Berechnung der Zündung oder Einspritzung jeweils an den Segmentgrenzen bereitgestellt. An den Stellen zwischen den Segmentgrenzen steht die absolute, winkelgenaue Nockenwellenstellung dem Steuergerät dagegen nicht zur Verfügung.
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Als Segment wird dabei ein vorgebbarer Drehwinkelbereich der Nockenwelle, dessen Erstreckung beispielsweise von der Zahl der Zylinder abhängig ist, bezeichnet. Das zugehörige System zur Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle umfaßt dabei einen Nockenwellengeber mit einem Geberrad, das beispielsweise eine Winkelmarke pro Zylinder aufweist (Segmentlänge dann: 360°/Zylinderzahl) und von einem Aufnehmer abgetastet wird. Der Aufnehmer gibt bei rotierender Nockenwelle ein Ausgangssignal ab, das pro Nockenwellenumdrehung einen Impuls pro Zylinder aufweist. Diese Impulse stellen die Winkelinformation dar, die jeweils an den Segmentgrenzen zur Verfügung steht. Dazwischen liegt keine aktuelle Information bezüglich der Winkelstellung der Nockenwelle vor. Die vorstehend beschriebenen Steuer- bzw. Regelsysteme für eine Brennkraftmaschine werden beispielsweise in der
DE 43 37 022 beschrieben.
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Neben den vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschinensteuerungen existieren auch Steuerungssysteme für Brennkraftmaschinen, die zur Ermittlung der Winkelstellung der Nockenwelle einen Absolutwinkelgeber einsetzen. Ein solcher Absolutwinkelgeber an der Nockenwelle gibt ein Ausgangssignal ab, das bei jeder Winkellage eindeutig ist. Ein solches Brennkraftmaschinensteuerungssystem, das unter Verwendung eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle arbeitet, ist beispielsweise aus der
DE-P 197 22 016 bekannt. Mit diesem Absolutwinkelgeber kann die Winkelstellung der Nockenwelle jederzeit ermittelt werden. Als Absolutwinkelgeber wird dabei ein Geber eingesetzt, der eine Kombination des Hall- und des magnetoresitiven Effektes ausnutzt. Dabei sind zwei Aufnehmerelemente vorhanden, deren Ausgangssignale miteinander zu einem einzigen, dem absoluten Winkel entsprechenden Signal kombiniert werden.
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Mit einem solchen Absolutwinkelgeber kann eine genaue Winkelerfassung über einen Winkel von 360° erfolgen, also über eine komplette Nockenwellenumdrehung. Mit dieser kontinuierlichen Drehwinkelerfassung an der Nockenwelle läßt sich eine schnelle Diagnose des Drehzahlgebers durchführen oder es ist durch Überprüfung der Plausibilität des Signals eine einfache und schnelle Diagnose des Absolutwinkelgebers selbst möglich. Weiterhin lassen sich sichere oder einfache Starterkennungen durchführen. Das Abwürgen der Brennkraftmaschine sowie eine Unterdrehzahl lassen sich sicher erkennen. Auch eine Drehrichtungserkennung wird möglich und eine schnelle Synchronisation der Schnellstartvorgänge ist realisierbar. Des Weiteren ist ein Drehzahlgebernotlauf durchführbar durch geeignete Auswertung des Nockenwellengebersignales bei ausgefallenem Drehzahlgebersingal. Auch ein Direktstart des Motors ist bei Verwendung eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle möglich.
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Durch den Einsatz eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle wird somit eine günstige Brennkraftmaschinensteuerung erhalten. Durch den möglichen Schnellstart kann die Batterie entlastet werden und Batterie, Starter und Lichtmaschine können kleiner dimensioniert werden als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen. Durch die Drehrichtungserkennung wird das Vermeiden von Saugrohrpatschern möglich, dadurch kann eventuell das Saugrohr und die Drosselklappe der Brennkraftmaschine mit geringeren Anforderungen spezifiziert werden.
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Aus der
DE 197 37 999 A1 ist eine Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung bekannt. Dabei ist ein Absolutwinkelgeber an einer Nockenwelle und ein Inkrementalgeber an einer Kurbelwelle offenbart. Ferner zeigt die DE 197 37 999 A1 die Möglichkeit eine Brennkraftmaschine basierend auf beiden Gebersignalen zu synchronisieren und die beiden Gebersignale zu plausibilisieren.
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Aus der
DE 199 33 845 A1 ist eine Einrichtung zur Erkennung eines rückdrehenden Teils einer Brennkraftmaschine bekannt.
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Aus der
DE 197 55 575 A1 ist ein Inkrementsystem zur Erfassung der Winkellage einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle bekannt.
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Aufgabe der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren ermöglicht werden, bei dem eine Steuergerätefunktion realisiert ist, die in Verbindung mit einem Absolutwinkelgeber an der Nockenwelle arbeitet. Weiterhin sollen Verfahren ermöglicht werden, die unter Verwendung des Ausgangssignales eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle die Synchronisation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle schnell durchführen und überwachen. Weiterhin sollen Verfahren ermöglicht werden, die die Diagnose einer Nockenwellen-Verstelleinrichtung ermöglichen und das Erkennen von Fehlern bei der Montage der Verbindung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle ermöglichen.
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Weiterhin soll ein Verfahren ermöglicht werden, mit Hilfe dessen unter Verwendung eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle unmittelbar vor oder während des Motorstarts die absolute Motorstellung schnell und mit hoher Geschwindigkeit ermittelt werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 haben den Vorteil, dass die für die Synchronisation benötigte Zeit und der benötigte Drehwinkel gegenüber herkömmlichen Systemen verkürzt werden und der benötige Drehwinkel sogar gleich Null ist. Die Synchronisation kann sehr sicher und zuverlässig erfolgen und die Wahrscheinlichkeit, dass zunächst falsch synchronisiert wird ist nahezu gleich Null. Damit läßt sich eine besonders vorteilhafte Abgasverbesserung im Start erzielen. Die Synchronisation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle kann vorteilhafterweise nicht nur sehr schnell erfolgen, sondern auch auf Korrektheit überwacht werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass bei Brennkraftmaschinen mit Nockenwellenverstellung eine einfache Diagnose dieser Verstellung ermöglicht wird. In vorteilhafter Weise werden auch Fehler bei der Montage der Verbindung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle erkannt.
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In besonders vorteilhafter Weise können die Vorteile, die von einem Ansolutwinkelgeber an der Nockenwelle ausgehen, für eine optimale und schnelle Regelung der Brennkraftmaschine genutzt werden Erzielt werden diese Vorteile mit erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Winkellage der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einem Absolutwinkelgeber, dessen Ausgangssignal vom Steuergerät kontinuierlich ausgewertet wird, zur laufenden Ermittlung der aktuellen Nockenwellenstellung. Dazu werden die aus dem Ausgangssignal des Absolutgebers gebildeten, stets vorliegenden aktuellen Informationen hinsichtlich des Drehwinkels der Nockenwelle bei vorgebbaren Zeit- oder Winkelbedingungen vom Rechner des Steuergerätes übernommen.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt 1 eine Blockdarstellung einer Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren. 2 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zur schnellen Synchronisation mittels Absolutwinkelgeber und 3 zeigt ein Verfahren zur Überwachung der Zuordnung Nockenwelle zur Kurbelwelle mittels eines Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle. Beide Verfahren lassen sich als Steuergerätefunktionen ausgestalten, d. h. diese Verfahren laufen in einem Prozessor bzw. Rechner des Steuergeräts der Brennkraftmaschine ab.
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Beschreibung
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In 1 sind schematisch die erfindungswesentlichen Bestandteile einer Brennkraftmaschine sowie der zugehörigen Sensorik dargestellt. Im einzelnen bezeichnet 10 die Nockenwelle der Brennkraftmaschine, deren Winkellage mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers 11 ermittelt wird. Der Absolutwinkelgeber 11 umfaßt ein mit der Nockenwelle 10 verbundenes Magnetelement 12, das vom feststehenden Aufnehmer 13 abgetastet wird. Der Absolutwinkelgeber 11 bzw. dessen Aufnehmer 13 liefert ein Ausgangssignal S1, das eine Aufbereitungsschaltung 14 des Steuergerätes 15 der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Das aufbereitete Ausgangssignal wird als Signal S2 bezeichnet, es stellt das sogenannte Nockenwellensignal dar. Das Signal S2 gibt einen weitgehend linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Winkel wieder, so dass der Microcontroler 16 des Steuergerätes 15 aus dem Signal S2 eindeutige Nockenwellenwinkel bestimmen kann.
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Die Kurbelwelle 17 der Brennkraftmaschine weist in üblicher Weise ein Geberrad 18 auf, das beispielsweise 60-2 gleichartige Winkelmarken 19 aufweist. Die beiden fehlenden Winkelmarken bilden die Bezugsmarke 20. Das Geberrad 18 wird mit Hilfe eines Aufnehmers 21 abgetastet, der das Kurbelwellensignal S3 liefert. Das Geberrad 18 samt Aufnehmer 21 werden im folgenden auch als Kurbelwellengeber 22 bezeichnet.
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Das Ausgangssignal S3 dieses Kurbelwellengebers 22 wird in der Aufbereitungsschaltung 23 des Steuergeräts 15 in ein Rechtecksignal S4 gewandelt, das als Kurbelwellensignal dem Microcontroler 16 ermittelt aus dem zeitlichen Abstand vorgebbarer Winkelmarken des Signales S4 die Drehzahl der Kurbelwelle und erkannt in üblicher Weise aus dem größeren Zeitabstand zwischen zwei Impulsen die Bezugsmarke.
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Unter Berücksichtigung des einen Absolutwinkel der Nockenwelle charakterisierenden Nockenwellensignales S2 und des Kurbelwellensignales S4 werden die in den 2 und 3 dargestellten Verfahren bzw. Steuergerätefunktionen durchgeführt. Bei dem in 2 dargestellten Verfahren handelt es sich dabei um ein Verfahren mit Hilfe dessen unter Verwendung des Absolutwinkelgebers 11 an der Nockenwelle unmittelbar vor oder während des Stars der Brennkraftmaschine die absolute Stellung der Brennkraftmaschine schnell und mit hoher Geschwindigkeit ermittelt werden kann. Dabei wird zunächst im Schritt SCH1 erkannt, dass ein Start der Brennkraftmaschine gewünscht wird. Dies wird beispielsweise durch Auswertung des Klemme-KL15-Signales realisiert. Im Schritt SCH2 wird dann unmittelbar vor oder während des Hochlaufs der Brennkraftmaschine bzw. des Motors die aktuelle, vom Absolutwinkelgeber gelieferte Nockenwellenstellung in den Prozessor bzw. Rechner eingelesen. Es wird also das Signal S2 in den Microcontroller 16 eingelesen. Unter Berücksichtigung verschiedener Motorparameter, beispielsweise aktueller Verstellwinkel der Nockenwelle usw. kann der Microcontroler 16 dann auf die absolute Motor- bzw Brennkraftmaschinenstellung schließen. Zur Verbesserung der Sicherheit kann im Schritt SCH2 der eingelesene Nockenwellenwinkel zunächst noch plausibilisiert werden, d. h. es werden beispielsweise drei Werte eingelesen und es erfolgt anschließend eine zwei aus drei Auswahl. Ausgehend von dieser Auswahl wird im Schritt SCH3 die Winkelbasis gestartet, d. h. für die folgenden Berechnungen wird der im Schritt SCH3 vorliegende Winkelwert der Nockenwelle als Basiswert verwendet.
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Auf Grund der so gewonnenen Informationen und unter Einbeziehung weiterer Parameter des Motors, beispielsweise Motortemperatur kann im Schritt SCH4 sehr frühzeitig die erste Einspritzung und die erste Zündung berechnet und ausgelöst werden, es wird dann die Einspritzung und/oder Zündung nach abgeschlossener Berechnung freigegeben. Die zur Berechnung der Einspritzung und Zündung erforderliche Drehzahlinformation wird entweder aus dem Nockenwellensignal oder falls zum entsprechenden Zeitpunkt bereits vorhanden aus dem Kurbelwellensignal gewonnen. Die erwähnte Berücksichtigung weiterer Parameter des Motors bzw. der Brennkraftmaschine kann berücksichtigt werden, da üblicherweise dem Steuergerät 15 und damit auch dem Microcontroler 16 eine Vielzahl von Größen X zugeführt werden, die beispielsweise mit Hilfe geeigneter Sensoren gewonnen werden. Der Einfachheit halber ist in der 1 lediglich eine Größe X sowie ein zugehöriger Sensor 24 dargestellt. Über Ansteuersignale S5 löst der Microcontroler 16 bzw. das Steuergerät 15 die üblichen Ansteuersignale für Einspritzung und/oder Zündung sowie ggf. weitere Operationen aus.
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Bei den Berechnungen im Schritt SCH4 werden zunächst nur die Informationen vom Nockenwellengeber zu Grunde gelegt. Im Schritt SCH5 wird dann geprüft, ob die Kurbelwellen-Lücke gefunden ist, also ob die Bezugsmarke 20 des Kurbelwellenrades bereits registriert wurde. Wird diese Abfrage mit ja beantwortet wird im Schritt SCH6 geprüft, ob der Betrag Δ (Winkelbasis – Kurbelwellenlückenposition) kleiner ist als ein Schwellwert. Ist dies nicht der Fall, wird im Schritt SCH7 die Winkelbasis korrigiert. Wird dagegen der Schritt SCH5 verneint, ist also die Kurbelwellenbezugsmarke noch nicht gefunden oder ist der Betrag Winkelbasis – Kurbelwellen-Bezugsmarkenposition kleiner als der Schwellwert oder wurde im Schritt SCH7 die Winkelbasis korrigiert, wird im Schritt SCH8 überprüft, ob der nächste Einspritzwinkel erreicht ist. Ist dies der Fall wird im Schritt SCH9 eingespritzt, wird im Schritt SCH8 erkannt, dass der nächste Einspritzwinkel nicht erreicht ist, wird im Schritt SCH10 überprüft, ob der nächste Zündwinkel erreicht ist. Wird Schritt SCH10 bejaht, wird im Schritt SCH11 gezündet, wird Schritt SCH10 verneint, wird im Schritt SCH12 überprüft ob die Drehzahl größer ist als eine vorgebbare Drehzahlschwelle. Ist diese Bedingung erfüllt, wird im Schritt SCH13 Startende erkannt und auf den normalen Betrieb der Brennkraftmaschine übergegangen. Wird in Schritt SCH12 dagegen erkannt, dass die Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Schwelle, wird im Schritt SCH14 die Winkelbasis neuerdings aktualisiert und das Verfahren mit Schritt SCH4 mit der Berechnung der Einspritzung und Zündung fortgesetzt.
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Gemäß dem vorstehend beispielhaft beschriebenen Verfahren muß oder kann ggf. während des Hochlaufs der Brennkraftmaschine die Information über die jeweils aktuelle Stellung der Wellen der Brennkraftmaschine (Winkelbasis) auf Grund neuer bzw. aktualisierter Informationen korrigiert werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Kurbelwellen-Bezugsmarke (Bezugsmarkenlücke 20) erkannt wird und die daraus gewonnenen Informationen nicht in hinreichender Weise mit denen aus der Auswertung des Ausgangssignales des Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle übereinstimmen.
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In einem weiteren Auswerteverfahren wird in einer Steuergerätefunktion zur Überwachung und Diagnose der Zuordnung Nockenwelle 10 und Kurbelwelle 17 mittels Absolutwinkelgeber überprüft, ob die Signale des Nockenwellengebers 11 und des Kurbelwellengebers 22 zueinander plausibel sind. Wesentlich ist dabei, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu bestimmten Zeitpunkten oder an bestimmten Winkeln, beispielsweise bei bestimmten Nockenwellen- oder bei bestimmten Kurbelwellenpositionen die vom Absolutwinkelgeber stammenden und eingelesenen Winkelinformationen unter Beachtung weiterer Motorparameter ausgewertet werden. Dabei wird beispielsweise ein aktueller Nockenwellen-Verstellwinkel mit der mittels des Kurbelwellensignales berechneten Winkelbasis verglichen. Überschreitet die Differenz von Winkelbasis und Winkelinformation des mit der Nockenwelle in Verbindung stehenden Absolutwinkelgebers eine bestimmte Schwelle, dann wird eine Aktion ausgelöst, beispielsweise wird ein Fehler erkannt und/oder es wird die Winkelbasis korrigiert und/oder eine Bedingung gesetzt, auf die weitere Steuergerätefunktionen reagieren können. Vor Auslösen der Aktion kann es erforderlich sein, dass unter Zuhilfenahme weiterer Motorparameter eine Plausibilisierung stattfindet. Die Schwelle kann abhängig von verschiedenen Parametern beispielsweise Drehzahl, Motortemperatur oder von verschiedenen Betriebszuständen sein. Wird ein Fehler erkannt, kann unter Berücksichtigung von weiteren Motor- bzw. Brennkraftmaschinenparametern, beispielsweise Nockenwellen-Verstellwinkel, Nockenwelle in Referenzposition und so weiter und/oder durch das Abarbeiten weiterer Testalgorithmen die Ursache des Fehlers ermittelt werden. Damit läßt sich beispielsweise erkennen, dass die Nockenwellenverstellung defekt ist oder dass ein Fehler bei der Montage der Nockenwelle und/oder der Kurbelwelle aufgetreten ist. Insgesamt kann mit Hilfe des Absolutwinkelgebers an der Nockenwelle die Synchronisation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle grundsätzlich überwacht werden. Das Erkennen von Fehlern bei der Montage in der Verbindung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle oder die Diagnose der Nockenwellen-Verstelleinrichtung kann mittels des Absolutwinkelgebers auf einfache Weise realisiert werden, da die Winkelinformation quasi direkt vorliegt und eine komplizierte Aufbereitung beispielsweise eines digital codierten Signales entfällt.
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In 3 ist das vorstehend allgemein beschriebene Verfahren zur Überwachung und Diagnose der Zuordnung der Nockenwelle zur Kurbelwelle mittels wenigstens eines Absolutwinkelgebers als Flußdiagramm dargestellt. Dabei wird in Schritt SCH15 überprüft, ob ein bestimmter Winkel erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird Schritt SCH15 erneut durchgeführt. Wird dagegen in Schritt SCH15 erkannt, dass ein bestimmter vorgebbarer Winkel erreicht ist, wird im Schritt SCH16 die Differenz gebildet aus Nockenwellenwinkel (wird vom Absolutwinkelgeber geliefert) – (Kurbelwellen-Winkelbasis Plus Soll-Nockenwellen-Verstellbereich). Die so ermittelte Differenz Δ2 wird im Schritt SCH17 mit einer weiteren Schwelle verglichen. Ist die Differenz Δ2 nicht größer als diese weitere Schwelle wird im Schritt SCH18 erkannt, dass kein Fehler vorliegt. Wird in Schritt SCH17 dagegen erkannt, dass Δ größer ist als der Schwellwert, wird im Schritt SCH19 überprüft, ob sich die Nockenwelle verstellen läßt. Ist dies nicht der Fall, wird im Schritt SCH20 eine defekte Nockenwellenverstellung erkannt. Läßt sich dagegen im Schritt SCH19 die Nockenwelle verstellen, wird im Schritt SCH21 auf einen Fehler bei der Montage erkannt.
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Die beiden im Steuergerät ablaufenden Auswerteverfahren der Ausgangssignale eines absoluten Nockenwellenwinkelgebers sind beispielhaft dargestellt und ermöglichen eine optimale und möglichst früh beginnende Regelung der Brennkraftmaschine. Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Nockenwellen kann jeder Nockenwelle ein Absolutgeber zugeordnet werden. Im Prinzip kann mit entsprechender Anpassung der Signalauswertung auch der Kurbelwellengeber als Absolutgeber ausgestaltet sein.
