DE10034927A1

DE10034927A1 - Verbrennungsmotor mit Magnet-Sensoranordnung zur Messung des aktuellen Drehwinkels

Info

Publication number: DE10034927A1
Application number: DE2000134927
Authority: DE
Inventors: Andreas Pechlaner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2002-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor welcher mit einer Magnet-Sensoranordnung (17, 18) an der Kurbelwelle (20) und/oder der Nockenwelle ausgestattet ist, die dazu dient kontinuierlich die Magnetfeldrichtungs-Änderung zu erfassen und damit die Position, d. h. den aktuellen Drehwinkel, zu ermitteln. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Magnet-Sensoranordnung eine GMR (Giant Magneto Resistiven) Sensor auf oder besteht aus einer solchen. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ermittlung des aktuellen Drehwinkels in Verbrennungsmotoren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Ver fahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 und eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

In Verbrennungsmotoren muss die Lage, d. h der aktuelle Dreh winkel, der Kurbelwelle sowie der Nockenwelle äußerst posi tionsgenau bestimmt werden, um so den optimalen Einspritz zeitpunkt des Luft-Kraftstoffgemisches, die Einspritzdauer, den Schließwinkel sowie den Zündzeitpunkt zu berechnen.

Herkömmliche Verbrennungsmotoren lösen diese vielfältigen Aufgaben mittels Hall-Sensoren bzw. Induktiv-Sensoren, wel che über ein Zahnrad auf der Kurbelwelle bzw. der Kurbelwel le die Lage (Position) bestimmen. Dazu wird ein sich durch die Zähne des Zahnrads änderndes Magnetfeld detektiert und daraus ein Rechtecksignal generiert. Eine Zahnlücke wird da bei als Bezugsmarke für den oberen Totpunkt des ersten Zy linders verwendet. Durch Inkrementierung des Rechtecksignals wird anschließend die Position der Kurbelwelle berechnet. Um die Auflösung zu verbessern, werden für jedes Rechteck, das von einem Zahn erzeugt wird, sogenannte Microticks einge fügt. Das bedeutet die Anzahl der ausgegebenen Rechtecke wird von üblicherweise 60 auf etwa 600 erhöht. Dadurch wird eine genauere Winkelauflösung erhalten.

Üblicherweise wird an der Nockenwelle zusätzlich noch ein Phasensignal abgenommen, weil bei Vierteltaktmotoren nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt statt findet. Aus dem besagten Phasensignal lässt sich der Zylin der ermitteln, welcher den nächsten Arbeitstakt auszuführen hat und entsprechend zu zünden ist.

Obwohl die gemäß dem Stand der Technik verwendeten Hall-Sen soren bzw. Induktiv-Sensoren zur Erfassung des aktuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle in Ver brennungsmotoren durchaus brauchbare Ergebnisse liefern, sind diese aber nur durch einen äußerst großen Rechenauf wand erhältlich. Insbesondere sind dazu komplizierte Algo rithmen nötig, welche die Fehler bei der Inkrementierung (Zahnfehler) ignorieren. Somit sind die heutigen Konstruk tionen, welche den aktuellen Drehwinkel der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle in Verbrennungsmotoren aber inkre mental, d. h. mit großem Rechenaufwand ermitteln, insgesamt unbefriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welcher die oben aufgeführten Nachteile zumindest teilweise vermeidet. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ver brennungsmotor bereitzustellen, in dem die Erfassung des ak tuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle nicht kompliziert berechnet, sondern direkt gemessen wird. Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein unkompliziertes, aber genaues Verfahren zur Erfassung des aktuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nocken welle in Verbrennungsmotoren bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines gattungsge mäßen Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vor teilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist mit einer an der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle angebrachten Magnet- Sensoranordnung ausgestattet. Die Magnet-Sensoranordnung um fasst bzw. besteht aus einem Magneten, insbesondere einem Elektromagneten, sowie einem Sensor, der dazu geeignet ist, eine Änderung der Magnetfeldrichtung zu ermitteln bzw. aus zuwerten. Der auf der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle montierte Magnet erzeugt ein Magnetfeld, welches bei Rotati on der Welle seine Richtung kontinuierlich ändert. Die be sagte Änderung des Magnetfelds wird vom Sensor analysiert und so die Position, d. h. der aktuelle Drehwinkel, ermit telt. Anhand der besagten Magnet-Sensoranordnung wird nicht - wie bei herkömmlichen Motoren mittels Hall-Sensoren bzw. Induktiv-Sensoren - die Änderung der Magnetfeldstärke, son dern eben die Änderung der Magnetfeldrichtung ausgehend von einem rotierenden Magneten, insbesondere einem Elektromagne ten ausgewertet. Bei jeder Abtastung des Sensor-Ausgangs wird die aktuelle Position der Kurbelwelle angezeigt. Die Winkelauflösung kann dabei bis zu 0,1 Grad genau sein. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Magnet-Sensoranordnung einen Magneten - insbesondere einen Elektromagneten- sowie einen GMR (Giant Magneto Resistiven) Sensor auf oder besteht aus einem solchen.

Vorzugsweise wird auf einer Seite der Kurbelwelle, insbeson dere auf dem Schwungrad, ein Magnet montiert, welcher um die Kurbelwellenachse rotiert, während auf der Außenseite der besagte Sensor zur Erfassung der Magnetfeldrichtung, insbe sondere ein GMR-Sensor, festmontiert ist. Werden dagegen zwei GMR-Sensoren auf beiden Seiten der Kurbelwelle mon tiert, kann außerdem noch die Wellentorsion äußerst genau bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren erfinderischen Weiterentwicklung wird die Magnet-Sensoranordnung, die insbesondere einen GMR-Sen sor aufweist, auf der Nockenwelle anstatt der Kurbelwelle montiert. Damit wird gleichzeitig ein Phasensignal gene riert, mit dem sowohl die Motorposition als auch die Dreh zahl gemessen werden kann. Dadurch erspart man sich einen Sensor, der die Drehzahl der Kurbelwelle ermittelt, während gleichzeitig die Phasenlage des Motors genau bestimmt werden kann.

Der Sensor zum Analysieren der Magnetfeldrichtungs-Änderung steht insbesondere mit der Motorelektronik zur Steuerung der Einspritzdauer, des Schließwinkels und des Zündzeitpunkts in Verbindung. In der Motorelektronik wird eine Verstärkung so wie eine Offset-Korrektur und anschließend eine Division und Winkelermittlung durchgeführt. Präziser ausgedrückt werden bei der Sensor-Auswertung nacheinander bevorzugt die folgen den Schritte durchgeführt.

- Sensor Output (Angabe der ermittelten Daten)
- Verstärkung und Offset-Kompensation
- A/D (analog/digital) Wandlung
- Darstellung der Sin + Cos Funktionen
- Lookup (Nachschlage) Tabelle bzw. Berechnung des Winkels

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Erfassung des aktuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle in Verbrennungsmotoren. Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren mittels einer Magnet- Sensoranordnung, insbesondere unter Verwendung eines GMR- Sensors, an der Kurbelwelle und/oder an der Nockenwelle durchgeführt, wobei die kontinuierliche Änderung der Magnet feldrichtung erfasst und damit der aktuelle Drehwinkel di rekt gemessen wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass über eine Frequenzmessung gleichzeitig die Drehzahl sowie die Drehzahländerung erfasst wird.

Ganz besonders bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Ver fahren zur Ermittlung des aktuelles Drehwinkels in Verbren nungsmotoren ein GMR-Sensor verwendet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen auf der Grundlage mehrerer beispielhafter bevor zugter Ausführungsbeispiele weiter veranschaulicht. Es zei gen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder eines Verbren nungsmotors mit einer Magnet-Sensoranordnung (17, 18) an der Kurbelwelle zur Messung des aktuellen Drehwinkels durch kontinuierliche Auswertung der Magnetfeldrichtungs-Änderung.

Fig. 2 eine Seitenansicht eines GMR-Sensors an der Kur belwelle eines Verbrennungsmotors.

In den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsfor men nach der Erfindung sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus beiden Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, dass - gemäß einer bevorzugten Ausführungsform - ein Magnet 17 auf dem Schwung rad 21 der Kurbelwelle 20 befestigt ist, während gegenüber ein GMF-Sensor angebracht ist. Diese Anordnung ist dazu ge eignet kontinuierlich die Magnetfeldrichtungs-Änderung des am Schwungrad rotierenden Magneten zu erfassen und damit die Messung des aktuellen Drehwinkels zu ermöglichen. Der Sen sor-output, d. h. die vom Sensor ermittelten Daten werden an schließend zur Motorelektronik geleitet, wo sie ausgewertet werden. Dabei erfolgt eine Verstärkung und Offset-Kompensa tion, eine A/D Wandlung etc., um so schließlich die ge wünschten Daten zu erhalten.

Bezugszeichenliste

1

Benzinstand-Sensor

2

Benzinpumpenrelais

3

Luftthermometer

4

Entleerung

5

Luftdurchlass

6

Luftzufuhr

7

Einspritzdüse

8

Drucksensor

9

Rohr

10

Klopfsensor

11

EGR

12

Wasserthermometer

13

oberer Lamdasensor

14

unterer Lamdasensor

15

Verstärkung und Offset Korrektur

16

Division und Winkelermittlung

17

Magnet

18

GMF-Sensor

19

Motorelektronik

20

Kurbelwelle

21

Schwungrad

Claims

1. Verbrennungsmotor mit einer Magnet-Sensoranordnung (17, 18) an der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle zur Messung des aktuellen Drehwinkels durch kontinuierliche Auswertung der Änderung der Magnetfeldrichtung.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ma gnet-Sensoranordnung einen Magneten sowie einen GMR (Giant Magneto Resistiven) Sensor aufweist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite der Kurbelwelle (20) ein Magnet vorgesehen ist, wel cher um die Kurbelwellenachse rotiert, während auf der Au ßenseite ein GMR-Sensor (18) festmontiert ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet auf dem Schwungrad (21) der Kurbelwelle (20) festmontiert ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein GMR- Sensor auf der Nockenwelle montiert ist und so ein Phasensi gnal generiert wird, mit dem sowohl die Motorposition als auch die Drehzahl gemessen wird.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in Verbindung mit der Motorelektronik (19) zur Steuerung der Einspritzdauer, Schließwinkels und des Zündzeitpunkts steht.

7. Verfahren zur Erfassung des aktuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle in Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Magnet-Sensoranordnung (17, 18) an der Kurbelwelle (20) und/oder der Nockenwelle die kontinuierliche Änderung der Magnetfeldrichtung erfasst und damit der aktuelle Dreh winkel direkt gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ände rung der Magnetfeldrichtung mittels eines GMR-Sensors (18) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Frequenzmessung gleichzeitig die Drehzahl sowie die Dreh zahländerung erfasst wird.

10. Verwendung eines GMR-Sensors (18) zur Erfassung des ak tuellen Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle in Verbrennungsmotoren.