DE102013210838A1

DE102013210838A1 - Nockenwellenpositionsgeberrad sowie Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Nockenwellenposition

Info

Publication number: DE102013210838A1
Application number: DE102013210838.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich-Michael Nefzer; Ralf Drescher; Paul Stuckert; Carsten Deringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-11
Also published as: CN104234768B; CN104234768A; US20140360254A1; KR20140144666A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenpositionsgeberrad das an seinem Umfang in ungleichmäßigen Winkelabständen mehrere Zähne aufweist und das mindestens bei 0°, 90°, 120°, 180°, 240° und 270° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Nockenwellenposition. In dieser ist das Nockenwellenpositionsgeberrad drehfest mit einer Nockenwelle einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder verbunden und ein Nockenwellenpositionssensor ist eingerichtet, um eine Position einer Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades zu erfassen. Zur Bestimmung der Position einer Nockenwelle mittels dieser Vorrichtung wird pro Umdrehung der Nockenwelle und pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entweder ausschließlich einer Position einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades oder einer Position einer positiven oder einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades eine Nockenwellenposition zugeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nockenwellenpositionsgeberrad. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Nockenwellenposition, die das Nockenwellenpositionsgeberrad umfasst. Außerdem betrifft Die Erfindung zwei Verfahren zur Bestimmung einer Nockenwellenposition mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zudem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren, deren Einspritzsteuerung nicht mechanisch an die Motorposition gekoppelt ist, benötigen zusätzlich zum Kurbelwinkelsensor an der Kurbelwelle einen Phasengeber auf den Nockenwellen, mit dem festgestellt werden kann, welcher der Zylinder des Motors, die als nächstes den oberen Totpunkt (OT) erreichen, sich gerade im Arbeitstakt befindet. Zusätzlich werden bei Motoren mit Nockenwellenverstellung die aktuellen Positionen der Nockenwellen über einen Vergleich der Positionen äquidistanter Zahnflanken von Zähnen am Umfang von Nockenwellenpositionsgeberrädern bezogen auf die Kurbelwelle ermittelt. Bei derzeit gängigen Geberrädern, wie sie in schnellstartfähigen Diesel- und Ottomotoren verwendet werden, stehen vier dieser Zahnflanken pro Nockenwellenumdrehung zur Verfügung. Bei 4-Zylindermotoren steht somit eine Nockenwellenpositionsinformation pro Zylinder zur Verfügung. Bei Motoren mit 3, 6 oder 8 Zylindern sind die Nockenwellenpositionsinformationen jedoch nicht gleich verteilt, was negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der berechneten Nockenwellenposition und damit auf die Füllung des Zylinders und die Abgase des Verbrennungsmotors hat. Andere sogenannte Z + 1-Nockenwellenpositionsgeberräder nutzen einen Zahn pro Zylinder und einen zusätzlichen Zahn für die Übermittlung der Phaseninformation. Diese Geberräder müssen somit hinsichtlich ihrer Zahnanzahl speziell auf den Motor angepasst werden, indem sie verwendet werden sollen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Nockenwellenpositionsgeberrad, das an seinem Umfang in ungleichmäßigen Winkelabständen mehrere Zähne aufweist, weist mindestens bei 0°, 90°, 120°, 180°, 240° und 270° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke auf.
Idealerweise wird für jeden Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mindestens einmal pro Nockenwellenumdrehung die Position der Nockenwelle bestimmt. Dies ist mittels des erfindungsgemäßen Nockenwellenpositionsgeberrades für 4-Takt-Verbrennungskraftmaschinen mit 1, 2, 3 oder 4 Zylindern möglich. Bevorzugt weist das Nockenwellenpositionsgeberrad auch bei 60° und bei 300° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke auf. Dies ermöglicht eine Positionsbestimmung der Nockenwelle pro Nockenwellenumdrehung für jeden Zylinder auch für Verbrennungskraftmaschinen mit 6 Zylindern. Besonders bevorzugt weist das Nockenwellenpositionsgeberrad auch bei 45°, 135°, 225° und 315° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke auf. Dies ermöglicht es auch für eine Verbrennungskraftmaschine mit 8 Zylindern einmal pro Nockenwellenumdrehung für jeden Zylinder die Position der Nockenwelle zu bestimmen.
Zur Ermittlung der Position der Nockenwelle ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, die das erfindungsgemäße Nockenwellenpositionsgeberrad umfasst. Dies ist mit einer Nockenwelle einer 4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder drehfest verbunden. Ein Nockenwellenpositionssensor ist eingerichtet, um eine Position einer Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nockenwellenpositionssensor eingerichtet, um ausschließlich eine Position einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades zu erfassen. Hierbei wird das Nockenwellenpositionsgeberrad als Impulsgeberrad verwendet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Nockenwellenpositionssensor eingerichtet, um eine Position einer positiven und einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades zu erfassen. In dieser Ausführungsform wird das Nockenwellenpositionsgeberrad als Segmentgeberrad verwendet.
Wenn das Nockenwellenpositionsgeberrad als Impulsgeberrad verwendet wird, wird in einem Verfahren zur Bestimmung der Position der Nockenwelle pro Umdrehung der Nockenwelle und pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einer Position an einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades eine Nockenwellenposition zugeordnet. Um eine Phasencodierung mittels des Nockenwellenpositionsgeberrades zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass weitere negative Zahnflanken des Nockenwellenpositionsgeberrades jeweils eine Nockenwellenphase zugeordnet wird. Hierzu kann das Nockenwellenpositionsgeberrad neben den Zahnflanken, die seine Verwendbarkeit zur Positionsbestimmung einer Nockenwelle in einem 1-Zylinder-, 2-Zylinder-, 3-Zylinder- oder 4-Zylindermotor und gegebenenfalls auch in einem 6-Zylinder- oder 8-Zylindermotor ermöglichen, weitere negative Zahnflanken aufweisen.
Wenn das Nockenwellenpositionsgeberrad als Segmentgeberrad verwendet wird, wird in einem Verfahren zur Bestimmung der Position der Nockenwelle pro Umdrehung der Nockenwelle und pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einer Position einer positiven oder einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades einer Nockenwellenposition zugeordnet. Um eine Phasencodierung mittels des Nockenwellenpositionsgeberrades zu ermöglichen, ist es hierbei bevorzugt, dass mindestens einem Abstand zwischen einer positiven und einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades eine Nockenwellenphase zugeordnet wird.
Unter einer negativen Zahnflanke wird erfindungsgemäß eine Flanke eines Zahns am Umfang des Nockenwellenpositionsgeberrades verstanden, an welcher in Drehrichtung des Nockenwellenpositionsgeberrades ein Übergang von einem höheren Pegel zu einem niedrigeren Pegel erfolgt. Als positive Zahnflanke wird eine Flanke des Zahnes bezeichnet, an welcher in Drehrichtung des Nockenwellenpositionsgeberrades ein Übergang von einem niedrigeren Pegel zu einem höheren Pegel erfolgt. Die Zahnflanken, denen in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Nockenwellenposition oder eine Nockenwellenphase zugeordnet wird, können als aktive Zahnflanken bezeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm führt alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Um eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen Steuergerät zu ermöglichen, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen, ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Position einer Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Zuordnung von Nockenwellenwinkeln und Kurbelwellenwinkeln zu Zahnflanken eines Nockenwellenpositionsgeberrades in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch die Anordnung von Zähnen am Umfang eines Nockenwellenpositionsgeberrades in mehreren Ausführungsformen der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Position einer Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Eine Verbrennungskraftmaschine 1, die als Reihenmotor ausgeführt ist, weist vier Zylinder 11, 12, 13, 14 auf. Den Zylindern 11, 12, 13, 14 sind zwei verstellbare Nockenwellen 2 zugeordnet. An jeder dieser Nockenwellen 2 ist ein Nockenwellenpositionsgeberrad 3 angeordnet, welches drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Dieses weist an seinem Umfang in ungleichmäßigen Winkelabständen mehrere Zähne 31, 32, 33, 34 auf. Jeder der Zähne 31, 32, 33, 34 weist eine positive Zahnflanke 311 und eine negative Zahnflanke 312 auf. Ein Nockenwellenpositionssensor 4 ist dazu eingerichtet, eine Position einer Zahnflanke 311, 312 des Nockenwellenpositionsgeberrades 3 zu erfassen. Die erfasste Information gibt der Nockenwellenpositionssensor 4 an ein Steuergerät 5 weiter.
Um für jeden Zylinder 11, 12, 13, 14 der Verbrennungskraftmaschine 1 mindestens einmal die Position der Nockenwelle 2 pro Nockenwellenumdrehung bestimmen zu können, ergeben sich für Verbrennungskraftmaschinen 1 mit einer unterschiedlichen Anzahl an Zylindern die folgenden Anforderungen:
Ein 1-Zylindermotor benötigt minimal einmal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 720° Kurbelwelle.
Ein 2-Zylindermotor benötigt minimal zweimal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 360° Kurbelwelle.
Ein 3-Zylindermotor benötigt minimal dreimal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 240° Kurbelwelle.
Ein 4-Zylindermotor benötigt minimal viermal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 180° Kurbelwelle.
Ein 6-Zylindermotor benötigt minimal sechsmal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 120° Kurbelwelle.
Ein 8-Zylindermotor benötigt minimal achtmal pro Nockenwellenumdrehung eine Nockenwellenpositionsinformation, also alle 90° Kurbelwelle.
In 2 ist dargestellt, welche Zahnflankenpositionen das Nockenwellenpositionsgeberrad 3 aufweisen muss, um für Verbrennungskraftmaschinen 1 mit 1 Zylinder, 2 Zylindern, 3 Zylindern, 4 Zylindern, 6 Zylindern und 8 Zylindern eingesetzt werden zu können. Da in einer 4-Takt-Verbrennungskraftmaschine 1 die Nockenwelle 2 eine Umdrehung pro zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (nicht gezeigt) vollendet, entsprechen 360° Nockenwellenwinkel NW in der Darstellung 720° Kurbelwellenwinkel KW.
3 zeigt schematisch die Flankenverteilung für Nockenwellenpositionsgeberräder gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung. Die Nockenwellenpositionsgeberräder (a) bis (c) können dabei für Verbrennungskraftmaschinen 1 mit allen voranstehend erwähnten Zylinderanzahlen als Impulsgeberräder eingesetzt werden. Das Nockenwellenpositionsgeberrad (a) fungiert hierbei als Basisimpulsgeberrad ohne Phasencodierung. Pro Umdrehung der Nockenwelle 2 und pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 1 wird hierbei einer Position einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades 3 eine Nockenwellenposition zugeordnet. Soll auch eine Phasencodierung über das Nockenwellenpositionsgeberrad 3 als Impulsgeberrad erzielt werden, so können in den Ausführungsbeispielen (b) und (c) weitere negative Zahnflanken des Nockenwellenpositionsgeberrades vorgesehen sein, denen jeweils eine Nockenwellenphase zugeordnet wird. Im Ausführungsbeispiel (b) erfolgt hierbei eine Phasencodierung mittels zusätzlicher Zahnflanken in langen Segmenten zwischen den Zahnflanken des Ausführungsbeispieles (a). Im Ausführungsbeispiel (c) erfolgt eine Phasencodierung durch eine Anordnung von Zahnflanken, welche asymmetrische Impulspausen im Sensorsignal des Nockenwellenpositionssensors 4 verursachen.
Das Ausführungsbeispiel (d) zeigt eine Zahnflankenverteilung für ein Segmentgeberrad mit Phasencodierung durch Pegel und Segmentlänge, welches für Verbrennungskraftmaschinen 1 mit allen voranstehend genannten Zylinderanzahlen verwendet werden kann. Zur Bestimmung der Position der Nockenwelle wird pro Umdrehung der Nockenwelle 2 und pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 1 eine Position einer positiven oder einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades 3 eine Nockenwellenposition zugeordnet. Zur Phasencodierung wird mindestens in einem Abstand zwischen einer positiven und einer negativen Zahnflanke des Nockenwellenpositionsgeberrades eine Nockenwellenwellenphase zugeordnet.
Das Ausführungsbeispiel (e) zeigt eine vereinfachte Version der Zahnflankenverteilung des Segmentgeberrades gemäß des Ausführungsbeispiels (d), welches weniger Zahnflanken aufweist und damit nur für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen 1 mit 1, 2, 3, 4 oder 6 Zylindern, nicht jedoch mit 8 Zylindern geeignet ist.

Claims

Nockenwellenpositionsgeberrad (3) das an seinem Umfang in ungleichmäßigen Winkelabständen mehrere Zähne (31, 32, 33, 34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens bei 0°, 90°, 120°, 180°, 240° und 270° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke (311, 312) aufweist.
Nockenwellenpositionsgeberrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei 60° und bei 300° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke (311, 312) aufweist.
Nockenwellenpositionsgeberrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es bei 45°, 135°, 225° und 315° seines Umfangs jeweils eine Zahnflanke (311, 312) aufweist.
Vorrichtung zur Ermittlung einer Position einer Nockenwelle (2), umfassend ein Nockenwellenpositionsgeberrad (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das mit einer Nockenwelle (2) einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (11, 12, 13, 14) drehfest verbunden ist und einen Nockenwellenpositionssensor (4), der eingerichtet ist, um eine Position einer Zahnflanke (311, 312) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenpositionssensor (4) eingerichtet ist, um ausschließlich eine Position einer negativen Zahnflanke (311) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenpositionssensor (4) eingerichtet ist, um eine Position einer positiven und einer negativen Zahnflanke (311, 312) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) zu erfassen.
Verfahren zur Bestimmung der Position einer Nockenwelle (2) mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 5, worin pro Umdrehung der Nockenwelle (2) und pro Zylinder (11, 12, 13, 14) der Verbrennungskraftmaschine (1) einer Position einer negativen Zahnflanke (311) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) eine Nockenwellenposition zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass weiteren negativen Zahnflanken (311) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) jeweils eine Nockenwellenphase zugeordnet wird.
Verfahren zur Bestimmung der Position einer Nockenwelle (2) mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 6, worin pro Umdrehung der Nockenwelle (2) und pro Zylinder (11, 12, 13, 14) der Verbrennungskraftmaschine (1) einer Position einer positiven oder einer negativen Zahnflanke (311, 312) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) eine Nockenwellenposition (2) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Abstand zwischen einer positiven und einer negativen Zahnflanke (311, 312) des Nockenwellenpositionsgeberrades (3) eine Nockenwellenphase zugeordnet wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (5) abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (5) ausgeführt wird.