DE102011083471A1

DE102011083471A1 - Verfahren zum Synchronisieren eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102011083471A1
Application number: DE201110083471
Authority: DE
Inventors: Ulrich-Michael Nefzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28
Also published as: BR102012024230A2; CN103016172A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Synchronisieren eines Verbrennungsmotors vorgestellt. Bei dem Verfahren werden ein Signal, das Informationen zur Drehung einer Kurbelwelle (12) trägt, und eine Torsion der Kurbelwelle (12) berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren eines Verbrennungsmotors und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren wird insbesondere bei Kolbenmaschinen, die über eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle verfügen, durchgeführt.
Stand der Technik
Die Position eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kolbenmotors, lässt sich mit Hilfe eines Kurbelwellensignals und eines Nockenwellensignals bestimmen. Das Kurbelwellensignal ermöglicht die Bestimmung der genauen Position, ist jedoch nicht eindeutig. Das Nockenwellensignal ist zwar ungenau aber eindeutig, um die Phasenlage zu bestimmen.
Die Synchronisation des Verbrennungsmotors erfolgt üblicherweise über das Nockenwellensignal, das von einen Nockenwellensensor bereitgestellt wird, und das Kurbelwellensignal, das von einem Kurbelwellensensor zur Verfügung gestellt wird.
Unter der Synchronisation eines Verbrennungsmotors wird dabei der Vorgang verstanden, bei dem ein Kurbelwellensignal und ein Nockenwellensignal unabhängig voneinander betrachtet und miteinander in Verbindung gebracht werden, um dann die Motorposition zu bestimmen.
Wurde aus der zeitlichen Kombination der beiden Sensorsignale eine eindeutige Motorposition erkannt, d. h. die Lage der einzelnen Kolben und der dazugehörige Takt sind bekannt, so ist die Synchronisation gefunden. Ab diesem Zeitpunkt können Ereignisse wie Einspritzungen (Direkteinspritzungen) und Zündzeitpunkte genau bestimmt werden. Aufgrund unterschiedlicher Betriebszustände können diese Ereignisse in der Winkellage variieren. Würden diese Ereignisse an festen Winkeln erfolgen, wäre keine optimale Verbrennung hinsichtlich Moment, Abgas und Geräusch möglich.
Die Motorposition bezeichnet die Lage bzw. Stellung der Zylinder des Motors bzw. der Kolben in den Zylindern. Die Phasenlage gibt an, in welchem Takt sich der bzw. die Zylinder befinden. Bei einem Viertaktmotor sind bspw. für den Kreisprozess vier Takte erforderlich. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand.
Die vier Takte bei einem Viertaktmotor sind:

1. Takt, Ansaugen
2. Takt, Verdichten
3. Takt, Arbeiten
4. Takt, Ausstoßen

Um bei Verbrennungsmotoren eine möglichst effiziente Verbrennung zu erreichen, muss die Motorposition so genau wie möglich bestimmt werden. Abweichungen führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und der Abgaswerte.
Während eines Arbeitsspiels eines Viertaktmotors dreht sich die Kurbelwelle zweimal, während die Nockenwelle in dieser Zeit nur eine Umdrehung durchführt. Über die Kurbelwelle wird die genaue Position berechnet. Über die Nockenwelle wird die Phasenlage, die angibt, in welchem Takt sich der Motor befindet, berechnet.
Das Kurbelwellenrad hat pro Umdrehung eine Anzahl an Zähnen, in der Regel 58, und eine Lücke, in der Regel zwei fehlende Zähne. Für die eindeutige Positionsbestimmung reicht diese Information jedoch nicht aus, die Phasenlage ist daraus nicht ersichtlich. Um eine eindeutige Position bestimmen zu können, müssen noch zusätzliche Informationen vorliegen. Diese Informationen werden derzeit aus dem Nockenwellensignal gewonnen.
Für ungerade Zylinderzahlen kann eine Synchronisation durch das Kompressionsmuster des Motors gefunden werden. Dies ist bei geraden Zylinderzahlen jedoch nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Es ist mit dem vorgestellten Verfahren möglich, auch bei geraden Zylinderzahlen ohne Nockenwellensensor eine Synchronisation des Motors durchzuführen. Auf diese Weise kann neben dem Nockenwellensensor auch die Verkabelung für diesen und die Beschaltung des Steuergeräts zum Anschluss des Nockenwellensensors eingespart werden. Hierzu wird die Tatsache genutzt, dass die Kurbelwelle in sich eine Torsion hat. Die Wirkung der Torsion der Kurbelwelle wird zur Bestimmung der Motorposition und der Phasenlage ausgenutzt.
Es wurde erkannt, dass die Kurbelwelle bedingt durch die Einwirkungen einer Kompression, nämlich oberer Totpunkt (OT) im Verdichtungstakt, einer Torsion unterliegt. Diese Torsion wird je nach Abstand des jeweiligen OTs zum Kurbelwellengeberrad größer. Die gemessenen Zahnzeiten des Kurbelwellengeberrads werden im Bereich des jeweiligen OTs ein Maximum aufweisen. Dieses Maximum wird je nach OT, der sich im Verdichtungstakt befindet, um wenige Grade abweichen, und zwar bezogen zur Lückenposition auf der Kurbelwelle. Werden bspw. an zwei Zylindern die Zahnzeiten ausgewertet, kann bestimmt werden, an welcher phasengenauen Position sich der Motor befindet.
Grundsätzlich kann die Torsion aus dem Kurbelwellensignal ermittelt werden. Es kann auch mittels mindestens zweier Drucksensoren in wenigstens zwei der Zylinder diese Information erhalten werden. Das bedeutet, dass in mindestens zwei Zylinder jeweils wenigstens ein Drucksensor vorgesehen sein muss. Unter Berücksichtigung der Torsion der Kurbelwelle kann dann die Synchronisierung durchgeführt werden. Das Kurbelwellensignal ist das Signal der Kurbelwelle, das von einem Kurbelwellensensor bereitgestellt wird.
Bei dieser Ausführung ist zweckmäßigerweise im vordersten und im hintersten Zylinder ein Drucksensor vorgesehen. Mittels dieser Sensoren kann der Zylinderinnendruck bestimmt werden. Hierüber wird eine Information zur Lage der Kolben und damit auch zur Lage bzw. dem Drehwinkel der Kurbelwelle sowie zur Torsion dieser erhalten.
Das beschriebene Verfahren bzw. die in diesem verwirklichte Funktion wird zweckmäßigerweise in der Startphase verwendet. Bei manchen Ausführungen sollte dies so vorgenommen werden, da bei höheren Drehzahlen, bspw. mehr als 2000 Umin, Gasaustauschmomente den Drehzahlverlauf verfälschen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor.
2 zeigt die Torsion einer Kurbelwelle
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung einen Motor, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Es handelt sich hierbei um einen V-Motor.
Die Darstellung zeigt eine Kurbelwelle 12, auf der ein Kurbelwellengeberrad 14 sitzt (Pfeil 20), an dessen Umfang Zähne angeordnet sind. Dabei ist ein Abschnitt 16 am Umfang des Kurbelwellengeberrades 14 vorgesehen, der keine Zähne trägt. Auf diese Weise wird eine Lage- und damit Positionsbestimmung möglich, wozu ein Kurbelwellensensor 18 vorgesehen ist, der ein Kurbelwellensignal, das Informationen zu der Lage der Kurbelwelle 12 trägt, bereitstellt.
Der Motor 10 umfasst weiterhin vier Nockenwellen 22, 24, 26 und 28, die über einen Zahnriemen 30 von der Kurbelwelle 12 angetrieben werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur ein Nockenwellengeberrad 32 dargestellt, das auf der Nockenwelle 26 sitzt (Pfeil 64). Dieses Nockenwellengeberrad 32 weist am Umfang drei Aussparungen 34 und entsprechend drei Zähne 35 auf, die unterschiedliche dimensioniert sind und eine Lagebestimmung bzw. Drehwinkelbestimmung der Nockenwelle 26 ermöglichen. Hierzu ist ein Nockenwellensensor 36 vorgesehen, der ein Nockenwellensignal liefert.
In 2 ist die Torsion einer Kurbelwelle verdeutlicht. Dabei ist an einer Abszisse 50 der Winkel der Kurbelwelle und an einer Ordinate 52 sind die Zahnzeiten aufgetragen. Somit ist in dem Diagramm der Kurbelwellenzahnzeiten über der Zeit bzw. der absoluten Motorposition dargestellt. Weiterhin sind obere Totpunkte, nämlich OT1 60, OT2 62, OT3 64 und OT4 66 angezeigt. In diesen Zeitpunkten sind die Zahnzeiten am größten.
Die Darstellung zeigt zwei Verläufe, nämlich einen ersten idealen Verlauf 54 und einen zweiten realen Verlauf 56. Der ideale Verlauf 54 zeigt den Verlauf, der ohne Torsion der Kurbelwelle entstehen würde. Immer im Bereich der oberen Totpunkte kann eine maximale Zahnzeit gemessen werden. Der zweite reale Verlauf 54 stellt den Verlauf mit einer Torsion der Kurbelwelle dar, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, dass OT1 60 am nächsten am Geberrad liegt und OT4 66 zu dem Kolben gehört, der am weitesten entfernt vom Kurbelwellengeberrad liegt.
Zu erkennen ist, dass im OT1 60 der ideale Verlauf 54 mit dem realen Verlauf 56 deckungsgleich ist, also noch keine Verschiebung zwischen beiden Verläufen 54 und 56 stattgefunden hat. Die Verschiebung der beiden Verläufe 54 und 56 nimmt immer mehr zu mit anwachsendem Winkel, was durch die Torsion der Kurbelwelle bedingt ist. Im OT4 66 weicht das Zahnzeitenmaximum im idealen Verlauf 54 deutlich von demjenigen des realen Verlaufs 56 ab (Doppelpfeil 70).
Je weiter die oberen Totpunkte vom Geberrad entfernt sind, um so später, in Winkel und Zeit, werden die maximalen Zahnzeiten, die von der Kompression herrühren, erkannt. Ist nun bspw. bekannt, dass die Lagen der oberen Totpunkte bei 0, 180, 360 und 540° liegen, so wird bei Zylinder 1 (OT1 60) sich das Zahnzeitenmaximum bei 0° befinden, während sich bei Zylinder 4 (OT4 66) das Zahnzeitenmaximum bei bspw. 542° befinden wird, bei angenommen 2° Torsion der Kurbelwelle.
Somit wird aus dem in 2 gezeigten Diagramm auch die Information zur Torsion der Kurbelwelle gewonnen. Damit wird deutlich, in welcher der beiden Umdrehungen sich die Kurbelwelle befindet, damit ist die Bestimmung der phasengenauen Position des Motors ermöglicht.

Claims

Verfahren zum Synchronisieren eines Verbrennungsmotors (10), bei dem ein Signal einer Kurbelwelle (12), das von einem Kurbelwellensensor (18) bereitgestellt wird, und eine Torsion der Kurbelwelle (12) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Torsion aus dem Signal der Kurbelwelle (12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Zahnzeiten eines Kurbelwellengeberrads (14) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem an zwei Zylindern die Zahnzeiten gemessen und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Torsion mittels mindestens zweier Drucksensoren ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in zwei Zylindern jeweils mindestens ein Drucksensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das in einer Startphase durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das bei einem Verbrennungsmotor (10) mit gerader Zylinderzahl durchgeführt wird
Anordnung zum Synchronisieren eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Kurbelwelle (12) und einer Nockenwelle (22, 24, 26, 28), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Kurbelwellensensor (18), der ein Signal einer Kurbelwelle (12) bereitstellt, wobei die Anordnung dazu ausgebildet ist, eine Torsion der Kurbelwelle (12) zu berücksichtigen.
Anordnung nach Anspruch 9, mit einem Kurbelwellengeberrad (14) und einem Kurbelwellensensor, die der Kurbelwelle (12) zugeordnet sind.