DE102004048132A1

DE102004048132A1 - Verfahren zur Rückdreherkennung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004048132A1
Application number: DE102004048132A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-02
Filing date: 2004-10-02
Publication date: 2006-04-06
Also published as: US20060162701A1; US7159571B2; JP2006105143A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Rückdreherkennung beim Start einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe (1), die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe (1) eine Markierung (3) durch abwechselnde Anordnung von Zähnen (4) und Zahnlücken (8) aufweist und wobei der Geberscheibe (1) ein erster Geber (6) sowie ein zweiter Geber (7) zugeordnet sind, die jeweils ein elektrisches Signal (S1, S2) erzeugen können, das mindestens zwei Signalpegel (High, Low) annehmen kann, wobei einer der Signalpegel (High, Low) einem Zahn (4) und der andere einer Zahnlücke (8) zugeordnet ist, wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals (S1, S2) und der Signalpegel des anderen Signals (S1, S2) herangezogen wird, wird eine Verbesserung des Startverhaltens erzielt, indem die Drehrichtung der Kurbelwelle während des Starts der Brennkraftmaschine bereits ab der ersten Signalflanke bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückdreherkennung beim Start einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist, und wobei der Geberscheibe ein erster Geber sowie ein zweiter Geber zugeordnet sind, die jeweils ein elektrisches Signal erzeugen können, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals und der Signalpegel des anderen Signals herangezogen wird, sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Problem beim Start der Brennkraftmaschine ist ein unerwünschtes Rückdrehen der Kurbelwelle. Typische Ursachen für ein Rückdrehen können die Bewegung des Fahrzeugs mit eingelegtem Gang an einem Gefälle oder ein zu frühes Ausrücken des Anlassers sein, in diesem Fall dreht die gespeicherte Energie der komprimierten Zylinder als Gasfeder die Brennkraftmaschine zurück. Dreht diese einmal rückwärts, wird ohne eine Rückdreherkennung die korrekte Zuordnung von Einspritzung und Zündung für die Motorsteuerung gestört und ein Rückwärtslauf der Brennkraftmaschine für eine gewisse Zeit herbeigeführt.
Grundproblem ist, dass die Abtastung des Kurbelwellensignals in der Form eines Inkrementrades mit einem induktiven oder magneto-resistiven Geber keine Drehrichtungsinformation enthält.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Lösung dieses Problems bekannt:
Aus der US-6,691,690 ist bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit einem Kurbelwellen- und einem Nockenwellengeber aus dem Bezug zwischen Kurbel- und Nockenwellensignal auf ein Rückdrehen zu schließen.
Aus der DE-19933844 ist bekannt, die Zeit aufeinanderfolgender Zahninkremente auszuwerten und daraus ein etwaiges Rückdrehen zu bestimmen.
Die JP-2000136737 offenbart ein Verfahren, den Verlauf des Saugrohrdrucks in Bezug zu Markierungen an der Kurbel- bzw. Nockenwelle zu setzen und die US-5079945 offenbart die Auswertung von zwei Kurbelwellensignalen mit zwei Geberrädern und somit zwei Sensoren.
Schließlich kann, wie z.B. aus der DE-19933845 bekannt, ein absolut messender Winkelsensor an der Nockenwelle vorgesehen sein.
Probleme des Standes der Technik
Alle bekannten Verfahren haben wesentliche Nachteile. So sind Verfahren mit einer Plausibilisierung von Signalen sorgfältig unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsbedingungen an den Motor anzupassen, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Verfahren mit einer Erweiterung der Sensorik an Kurbel- oder Nockenwelle sind kostenaufwändig und verlangen deutliche Änderungen des Motordesigns. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Rückdreherkennung beim Start einer Brennkraftmaschine mit inkrementellen Gebern zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik werden gelöst durch ein Verfahren zur Rückdreherkennung beim Start einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist, und wobei der Geberscheibe ein erster Geber sowie ein zweiter Geber zugeordnet sind, die jeweils ein elektrisches Signal erzeugen können, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals und der Signalpegel des anderen Signals herangezogen wird, wobei die Drehrichtung der Kurbelwelle während des Starts der Brennkraftmaschine bereits ab der ersten Signalflanke bestimmt wird. Unter Zahn und Zahnlücke wird hier auch die wechselweise Anordnung von Markierungen, z.B. von magnetischen oder optischen Marken verstanden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einer Signalflanke eines der Geber (einem Wechsel des Signalpegels von High zu Low oder von Low zu High) der Signalpegel des anderen Gebers ermittelt wird und einer Zuordnungstabelle die Drehrichtung der Kurbelwelle entnommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Rückdrehen der Kurbelwelle detektiert wird, wenn sich die Drehrichtung der Kurbelwelle bei zwei aufeinander folgenden Signalflanken ändert. Die Drehrichtungsänderung ergibt sich unmittelbar aus der Auswertung nur einer steigenden oder fallenden Flanke eines der Signale. Mit anderen Worten kann jedem Flankenwechsel -ohne vorherige oder nachfolgende Flanken auszuwerten- direkt eine Drehrichtung zugeordnet werden.
Vorzugsweise wird bei einem Rückdrehen der Kurbelwelle die Einspritzung und/oder Zündung unterdrückt. Dadurch wird verhindert, dass die Brennkraftmaschine rückwärts dreht. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass im Falle eines Rückdrehens der Kurbelwelle Einspritzung und/oder Zündung solange unterdrückt werden, bis die Kurbelwelle eine Mindestdrehzahl in Vorwärtsdrehrichtung erreicht hat.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einem Wechsel des Signalpegels eines der Geber ein Zähler im Steuergerät für den Kurbelwellenwinkel abhängig von der Drehrichtung inkrementiert oder dekrementiert wird. Dadurch ist jederzeit der absolute Kurbelwellenwinkel bekannt. Aus diesen Werten kann zusätzlich durch Bestimmung der Zahnzeit zwischen zwei Flanken auf die aktuelle Kurbelwellendrehzahl geschlossen werden.
Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist, und wobei zwei der Geberscheibe zugeordnete Geber ein elektrisches Signal erzeugen, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere ei ner Zahnlücke zugeordnet ist, und wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals und der Signalpegel und der Signalpegel des anderen Signals herangezogen wird, das das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann.
Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Skizze von Geberscheibe und Gebern;
2 ein erstes Beispiel des Signalverlaufs der Geber;
3 die Darstellung der pulslängencodierten Signale für beide Drehrichtungen;
4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine Skizze mit einer Geberscheibe 1, die beispielsweise unmittelbar an einer Kurbelwelle oder Nockenwelle angeordnet ist oder mittelbar mittels Getriebeelementen bezüglich der Rotation mit der Nockenwelle verbunden ist. Die Geberscheibe 1 rotiert um eine Achse 2. Am Außenumfang der Geberscheibe 1 sind Markierungen 3 angeordnet. Die Markierungen bestehen beispielsweise aus Zähnen 4, die jeweils äquidistant über den Außenumfang der Geberscheibe 1 angeordnet sind. Zwischen den Zähnen 4 sind jeweils Zahnlücken 8 angeordnet. Eine weitere Marke 5, beispielsweise wie hier dargestellt in Form eines doppelt so breiten Zahnes 4 oder in Form eines größeren Zahnab standes zwischen zwei Zähnen 4 oder dergleichen, markiert eine ausgewiesene Nullstellung der Kurbelwelle. Die Zähne verlaufen jeweils über einen Winkel von etwa 3°, die Zahnlücken über einen Winkel von 3°. Ein Zahn 4 sowie die benachbarte Zahnlücke 8 verlaufen somit über einen Winkel von etwa 6°.
An der Geberscheibe 1 sind ein erster Geber 6 sowie ein zweiter Geber 7 angeordnet. Die Geber 6, 7 sind in einem Winkel α relativ zueinander angeordnet. in den verschiedenen Winkelbereichen über die Geberscheibe 1 verteilt. Bevorzugt werden beide Geber 6, 7 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. In diesem Fall kann der Winkel α vorzugsweise Werte von ca. 1 bis 15° annehmen. Eine besonders vorteilhafte Lösung ist ein Geber mit mindestens zwei in räumlicher Nähe untergebrachten Sensorelementen. Eine Ausführung ist die Integration von mindestens zwei Hall-Elementen auf einem IC in einem Abstand von wenigen Millimetern, der IC enthält zusätzlich die Auswerteschaltung. Die zwei Hall-Elemente entsprechen dann den Gebern 6 und 7, und die Auswerteschaltung bestimmt aus dem zeitlichen Bezug der Gebersignale die Drehrichtung. Die Bauform des bekannten Kurbelwellengebers kann dann beibehalten werden und ermöglicht einen Übergang zu diesem Geber ohne konstruktive Änderungen am Motor.
Bei einer Rotation der Kurbelwelle und damit der Geberscheibe 1 werden jeweils die Zähne 4 sowie die Markierung 5 an den Gebern 6, 7 vorbeigeführt. Dadurch wird beispielsweise ein elektrisches Signal in den Gebern 6, 7 ausgelöst. Die Geber 6, 7 können induktive oder kapazitive Sensoren sein. Alternativ können die Geber 6, 7 auch optisch arbeiten, z.B. indem diese durch die Zähne 4 bzw. die Markierung 5 in ihr hervorgerufene optische Veränderungen messen können.
2 zeigt den Signalverlauf der Geber 6, 7 über der Zeit t. Das abwechselnde Vorbeiführen von Zähnen 4 und Zahnlücken 8 erzeugt sowohl bei dem Signalverlauf S1 des ersten Gebers 6 als auch beim Signalverlauf S2 des zweiten Gebers 7 jeweils ein rechteckförmiges Signal. Beide Signale nehmen die Werte „High" sowie „Low" an. Der Übergang von Low zu High wird als aufsteigende Signalflanke 11, der Übergang von High zu Low als absteigende Signalflanke 12 bezeichnet.
2 zeigt als Prinzipskizze, welche Flanken ausgewertet werden, die Tabellen 1 und 2 zeigen die Zuordnung zur Drehrichtungsermittlung an.
Die aufsteigende Signalflanke 11 ist in den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 mit „L → H", die absteigende Flanke 12 mit „H → L" bezeichnet. DR bezeichnet die Drehrichtung der Kurbelwelle, mit → den Linkslauf der Kurbelwelle, mit ← den Rechtslauf.
Während der steigenden bzw. fallenden Signalflanken der Signale S1 bzw. S2 kann aus dem dann konstanten jeweils anderen Signal ermittelt werden, in welche Richtung sich die Kurbelwelle dreht. Fällt beispielsweise die Flanke des Signals S1 (H → L) und ist das Signal S2 auf dem High-Pegel, so dreht die Kurbelwelle links herum.
Um mittels nur eines Signals für das Motorsteuergerät eine direkte Auswertung der Drehrichtung zu ermöglichen wird nun ein gemäß 3 codiertes Signal aus den Gebersignalen generiert. Dargestellt ist der Signalverlauf eines der Geber 6, 7 über der Zeit sowie zwei verschiedene daraus abgeleitete Signale PL1 bzw. PL2 über der Zeit. Das zunächst als Rechtecksignal eines der Geber 6, 7 gelieferte Signal wird anhand der Tabelle 1 bzw. 2 in eine Taktsignal mit Richtungsinformation gemäß 3 umgewandelt. Im Beispiel der 3 zeigt ein Signal PL1 mit längerer Zeitdauer des High-Pegels beispielsweise den Rechtslauf, ein umgekehrt erzeugtes Signal mit einer kürzeren Zeitdauer des High- Pegels den Linkslauf der Kurbelwelle an. Die aufsteigenden Flanken sind weiterhin zeitlich (und damit bezogen auf den Kurbelwellenwinkel) identisch mit dem Signal eines der Geber 6 oder 7 und dienen der Inkrementierung bzw. Dekrementierung eines Zählers im Steuergerät für den Kurbelwellenwinkel. Diese Signalkodierung erfolgt vorzugsweise in dem IC, der mindestens zwei Hall-Elemente enthält. Das Signal PL1 bzw. PL2 wird im Steuergerät geeignet ausgewertet.
Erfindungsgemäß ist nun des Weiteren vorgesehen, in einer erweiterten Anwendung dieses Kurbelwellengebers sofort ab Motorstart die Drehrichtungsinformation auszuwerten. Schon ab dem ersten Zahn kann die Drehrichtung im Motorsteuergerät ausgewertet werden. Im Falle eines erkannten Rückdrehens kann die Einspritzung und Zündung unterdrückt werden, bis durch das Anlassermoment die geforderte Vorwärtsdrehrichtung am Motor beobachtet wird. 4 zeigt ein Blockschaltbild zu dem Verfahren. Mit Verfahrensbeginn in Schritt 1, dies ist z.B. das Einschalten der Motorelektronik durch Drehen des Zündschlüssels oder spätestens der Beginn der Kurbelwellendrehung (durch Betrieb des Anlassers) beim Start der Brennkraftmaschine, wird zunächst in einem Schritt 2 geprüft, ob ein Pulsbeginn erkannt werden kann. Der Pulsbeginn ist nach der oben beschriebenen Signaldefinition für PL1 und PL2 die steigende Flanke. Bei Übertragung der Signale S1 und S2 an das Steuergerät wird durch einen Flankenwechsel eines der Signale S1 oder S2, wie oben dargestellt die Auswertung gestartet. In den Schritten 3 und 4 wird die Drehrichtung der Kurbelwelle – wie zuvor dargestellt- ermittelt. Dreht die Kurbelwelle in Antriebsrichtung der Brennkraftmaschine (die „richtige" Richtung), so erfolgt in Schritt 5 die Freigabe von Zündung und Einspritzung. Dreht die Kurbelwelle in die Gegenrichtung (also rückwärts), so werden Einspritzung und Zündung in Schritt 5 nicht freigegeben, dies ist durch die Verzweigung zu „Nein" und das Überspringen dieses Schrittes in 4 dargestellt. In Schritt 6 wird nun geprüft, ob der Start der Brennkraftmaschine beendet ist. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Kurbelwelle eine ausreichende Drehzahl erreicht hat. Ist das Startende erreicht, so wird das zuvor beschriebene Verfahren beendet, ist das Startende nicht erreicht, so wird an den Anfang des Verfahrens, mithin Schritt 2, verzweigt und das Verfahren erneut durchlaufen. Die Verfahrensschritte 2 bis 6 werden vorzugsweise in einer so hohen Geschwindigkeit durchlaufen, dass die Prüfung in Schritt 4 für jeden einzelnen Zahn und damit bei jedem Flankenwechsel erfolgen kann.

Claims

Verfahren zur Rückdreherkennung beim Start einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe (1), die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe (1) eine Markierung (3) durch abwechselnde Anordnung von Zähnen (4) und Zahnlücken (8) aufweist, und wobei der Geberscheibe (1) ein erster Geber (6) sowie ein zweiter Geber (7) zugeordnet sind, die jeweils ein elektrisches Signal (S1, S2) erzeugen können, das mindestens zwei Signalpegel (High, Low) annehmen kann, wobei einer der Signalpegel (High, Low) einem Zahn (4) und der andere einer Zahnlücke (8) zugeordnet ist, wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals (S1, S2) und der Signalpegel des anderen Signals (S1, S2) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Kurbelwelle während des Starts der Brennkraftmaschine bereits ab der ersten Signalflanke bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Signalflanke eines der Geber der Signalpegel des anderen Gebers ermittelt wird und einer Zuordnungstabelle die Drehrichtung der Kurbelwelle entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückdrehen der Kurbelwelle detektiert wird, wenn sich die Drehrichtung der Kurbelwelle bei zwei aufeinander folgenden Signalflanken ändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Rückdrehen der Kurbelwelle Einspritzung und/oder Zündung unterdrückt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Rückdrehens der Kurbelwelle Einspritzung und/oder Zündung solange unterdrückt werden, bis die Kurbelwelle eine Mindestdrehzahl erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel des Signalpegels eines der Geber ein Zähler für den Kurbelwellenwinkel abhängig von der Drehrichtung inkrementiert oder dekrementiert wird.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung (3) durch abwechselnde Anordnung von Zähnen (4) und Zahnlücken (8) aufweist, und wobei zwei der Geberscheibe zugeordnete Geber (6, 7) ein elektrisches Signal erzeugen, das mindestens zwei Signalpegel (High, Low) annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn (4) und der andere einer Zahnlücke (8) zugeordnet ist, und wobei zur Bestimmung von Drehrichtung und Inkrement des Drehwinkels der Kurbelwelle jeweils eine steigende oder fallende Signalflanke des einen Signals (S1, S2) und der Signalpegel des anderen Signals (S1, S2) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.