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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Nockenwellenwinkels einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist mit der Nockenwelle verbunden, beispielsweise über einen als Kette, als Zahnriemen oder als eine Folge von Zahnrädern ausgebildeten Primärtrieb. Um den aktuellen Nockenwellenwinkel bzw. die aktuelle Nockenwellenposition, also den aktuellen Drehwinkel der Drehbewegung der Nockenwelle, zu bestimmen, kann ein Nockenwellengeberrad drehfest mit der Nockenwelle verbunden sein. Dieses Nockenwellengeberrad kann eine Vielzahl von Markierungen ("Zähne") aufweisen, die mit einem Aufnehmer, z.B. einem Hall-Sensor, abgetastet werden. Diese Markierungen spiegeln sich insbesondere als Flanken in einem entsprechenden erfassten Nockenwellengeberradsignal wieder. Durch Auswertung des Nockenwellengeberradsignals kann auf die aktuelle Nockenwellenposition geschlossen werden. Analog kann die aktuelle Kurbelwellenposition mittels eines mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Kurbelwellengeberrads bestimmt werden.
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Mittels eines Nockenwellenverstellsystems bzw. einer Phasenverstellvorrichtung kann eine beabsichtigte Verstellung der Nockenwelle, also eine Relativverdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle ermöglicht werden. Ein Drehwinkel der Nockenwelle kann somit variabel gegenüber einem Drehwinkel der Kurbelwelle verstellt werden bzw. ein relativer Winkelversatz zwischen dem Nockenwellenwinkel und dem Kurbelwellenwinkel kann verändert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Nockenwellenwinkels einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Nockenwellenverstellsystem (auch Phasenversteller genannt) ist zum Verdrehen einer Nockenwelle um einen vorgegebenen Verstellwinkel bzw. Phasenverstellwinkel gegenüber der Kurbelwelle vorgesehen. Somit kann ein Drehwinkel der Nockenwelle variabel gegenüber einem Drehwinkel der Kurbelwelle verstellt werden bzw. ein relativer Winkelversatz zwischen dem Nockenwellenwinkel und dem Kurbelwellenwinkel kann verändert werden. Die Brenkraftmaschine kann auch mehrere (üblicherweise zwei) verstellbare Nockenwellen aufweisen, wobei die Erfindung für jede verstellbare Nockenwelle anwendbar ist.
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Ein mit der Nockenwelle in drehfester Verbindung stehendes Nockenwellengeberrad wird mit einem zweckmäßigen Aufnehmer (z.B. einem Hall-Sensor) abgetastet und ein davon erzeugtes Nockenwellengeberradsignal wird von einem Auswertegerät (Steuergerät) erfasst. Insbesondere sind entlang des Umfangs des Nockenwellengeberrads Markierungen bzw. Zähne angebracht. Diese Markierungen spiegeln sich jeweils als eine steigende und eine fallende Flanke in dem erfassten Nockenwellengeberradsignal wieder.
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Wenn die Nockenwelle durch das Nockenwellenverstellsystem um einen Verstellwinkel relativ zu einem Referenzwinkel verdreht wird, wird das erfasste Nockenwellengeberradsignal um diesen Verstellwinkel korrigiert. Aus diesem korrigierten Nockenwellengeberradsignal wird der aktuelle Nockenwellenwinkel bestimmt. Der Verstellwinkel ist dabei als ein Drehwinkel zu verstehen, um den sich die Nockenwellenposition bezogen auf die Kurbelwelle aus dem Referenzwinkel bzw. der Referenzposition bewegt hat.
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Im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine, wenn die Nockenwelle nicht verstellt wird, kann der aktuelle Nockenwellenwinkel bzw. die aktuelle Nockenwellenposition insbesondere aus dem erfassten Nockenwellengeberradsignal bestimmt werden. Aus den Flanken des Geberradsignals und der bekannten Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle kann auf den aktuellen Nockenwellenwinkel rückgeschlossen werden. Aus dem (zeitlichen) Abstand zwischen einer erfassten steigenden Flanke und der darauffolgenden erfassten fallenden Flanke, im folgenden als Segmentlänge bezeichnet, kann insbesondere auf die entsprechende abgetastete Markierung des Nockenwellengeberrads rückgeschlossen werden.
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Während die Nockenwelle jedoch mittels des Nockenwellenverstellsystems verdreht bzw. verstellt wird, kann gegebenenfalls aus dem erfassten Nockenwellengeberradsignal nicht präzise auf die aktuelle Nockenwellenposition rückgeschlossen werden. Gegebenenfalls werden benachbarte Flanken zu unterschiedlichen Verstellwinkeln erfasst. Die Änderung des Verstellwinkels zwischen der Erfassung zweier benachbarter Flanken kann sich somit direkt auf die aus diesen erfassten Flanken bestimmte Segmentlänge auswirken. Gegebenenfalls kann somit nicht mehr eindeutig auf eine Markierung des Nockenwellengeberrads rückgeschlossen werden.
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Dem Nockenwellenverstellsystem ist beim Verdrehen der Nockenwelle relativ zu dem Referenzwinkel zweckmäßigerweise der momentane Verstellwinkel (als Soll- und/oder Istwert) bekannt. Der bekannte Verstellwinkel kann somit im Rahmen des Verfahrens verwendet werden, um das erfasste Nockenwellengeberradsignal zu korrigieren. Das korrigierte Nockenwellengeberradsignal entspricht dabei insbesondere einem Nockenwellengeberradsignal, welches erfasst worden wäre, wenn die Nockenwelle nicht während der Erfassung relativ zur Kurbelwelle verdreht worden wäre.
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Somit kann die aktuelle Nockenwellenposition jederzeit präzise und eindeutig bestimmt werden, unabhängig von der Verstellung der Nockenwelle. Mit der bekannten Nockenwellenposition und der insbesondere ebenfalls bekannten Kurbelwellenposition bzw. dem aktuellen Kurbelwellenwinkel ist somit zweckmäßigerweise jederzeit die aktuelle Motorposition der Brennkraftmaschine bekannt. Die Motorposition kann insbesondere jederzeit zuverlässig und präzise unabhängig von dem Verstellwinkel bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise wird im Zuge der Korrektur eine Position einer Flanke des erfassten Nockenwellengeberradsignals um den zum Zeitpunkt der Erfassung aktuellen Verstellwinkel korrigiert. Insbesondere werden auf diese Weise eine steigende und die darauffolgende fallende Flanke korrigiert, aus welchen die Segmentlänge bestimmt wird. Somit kann auch aus benachbarte Flanken, welche zu unterschiedlichen Verstellwinkeln erfasst werden, eine korrekte Segmentlänge bestimmt werden und aus dieser kann eindeutig und präzise auf die entsprechende Markierung und den aktuellen Nockenwellenwinkel rückgeschlossen werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine korrekte Bestimmung des aktuellen Nockenwellenwinkels auch bei kleinen Drehzahlen, d.h. unterhalb einer Drehzahlschwelle. Diese Drehzahlschwelle ist insbesondere abhängig von der speziellen Konstruktion des Nockenwellengeberrads (z.B. Anzahl, Form, Abstände der Markierungen, etc.) und zweckmäßigerweise von der Verstellgeschwindigkeit, mit welcher die Nockenwelle durch den Versteller verdreht wird. Wenn bei Drehzahlen unterhalb der Drehzahlschwelle die Nockenwelle beispielsweise mit einer vergleichsweise langsamen Verstellgeschwindigkeit gegenüber der Kurbelwelle verdreht wird und beispielsweise eine vergleichsweise lange Markierung abgetastet wird, kann dies ohne Anwendung der Erfindung insbesondere dazu führen, dass die Flanken der entsprechenden Markierung zu unterschiedlichen Verstellwinkeln erfasst werden. Somit wird ein ungültiges Nockenwellengeberradsignal erfasst. Durch das Verfahren und die Korrektur des Nockenwellengeberradsignals kann jedoch präzise auf die aktuelle Nockenwellenposition rückgeschlossen werden. Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile beim Motorstart bzw. unmittelbar bzw. kurz danach, wenn also die Drehzahl Null oder noch sehr gering ist, da dann trotzdem bereits eine korrekte Bestimmung des aktuellen Nockenwellenwinkels möglich ist.
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Vorteilhafterweise wird die Brennkraftmaschine im Zuge einer sog. Anlasserlosen Dekompressionsstartfunktion gestartet. Im Zuge derer wird insbesondere ein elektrisches Nockenwellenverstellsystem verwendet, um die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu verdrehen. Das Verfahren ist insbesondere für diese Ausführungsform gut geeignet, um die aktuelle Nockenwellenposition zu bestimmen. Beispielsweise kann das elektrische Nockenwellenverstellsystem einen Servomotor zum Verdrehen der Nockenwelle umfassen. Durch elektrische Nockenwellenverstellsysteme kann die Nockenwelle insbesondere auch bei kleinen Drehzahlen unterhalb der Drehzahlschwelle sowie im Stillstand der Brennkraftmaschine verstellt werden, wenn bei hydraulischen Nockenwellenverstellsystemen noch nicht genügend Öldruck für eine Verstellung der Nockenwelle zu Verfügung steht. Durch das Verfahren kann bei Verwendung eines derartigen elektrischen Nockenwellenverstellsystems der aktuelle Nockenwellenwinkel vorteilhafterweise jederzeit präzise und zuverlässig bestimmt werden.
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Vorzugsweise wird von dem elektrischen Nockenwellenverstellsystem während der Verstellung der Nockenwelle ein Verstellwinkelsignal erzeugt. Aus diesem Verstellwinkelsignal wird bevorzugt der aktuelle Verstellwinkel bestimmt. Somit ist keine zusätzliche Sensorik nötig, die zur Korrektur des erfassten Nockenwellengeberradsignals benötigten Daten sind somit insbesondere durch das Nockenwellenverstellsystem bekannt.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Nockenwelle und Kurbelwelle, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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2 zeigt schematisch Nockenwellengeberradsignale, die im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden können.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Eine Kurbelwelle 1 der Brennkraftmaschine 100 ist drehfest mit einem ersten Antriebsrad 2a verbunden. Eine Nockenwelle 3 ist drehfest mit einem zweiten Antriebsrad 2b verbunden. Die Kurbelwelle 1 treibt über einen Primärtrieb 2c, der beispielsweise als eine Kette, ein Zahnriemen oder eine Folge von Zahnrädern ausgebildet ist und formschlüssig in das erste Antriebsrad 2a und das zweite Antriebsrad 2b eingreift, eine (oder mehrere) Nockenwellen 3 an. Das erste Antriebsrad 2a und das zweite Antriebsrad 2b sind entsprechend dem Primärtrieb 2c beispielsweise als Kettenrad oder Riemenscheibe ausgebildet. Die Antriebsräder 2a und 2b sind, wie beispielsweise bei Viertaktmotoren üblich, derart ausgeführt, dass sich zwischen der Kurbelwelle 1 und der Nockenwelle 3 ein Untersetzungsverhältnis von zwei zu eins ergibt. Die Drehzahl der Nockenwelle 3 ist auf diese Weise halb so groß ausgelegt wie die der Kurbelwelle 1.
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Die Brennkraftmaschine 100 weist Zylinder 5 auf. In den Zylindern 5 ist jeweils ein beweglicher Kolben 6 angeordnet. Die Kolben 6 sind jeweils mittels einer Pleuelstange 7 an der Kurbelwelle befestigt. Die Zylinder 5 weisen jeweils mindestens ein Einlassventil 8a und mindestens ein Auslassventile 8b auf, die von Nocken 4 mit exzentrisch bezüglich der Nockenwelle 3 ausgebildeten Nockenflanken geöffnet oder geschlossen werden. Es ist möglich, dass die Einlass- und Auslassventile 8a und 8b von einer gemeinsamen Nockenwelle 3 betätigt oder dass die Einlassventile 8a von einer Einlassnockenwelle und die Auslassventile 8b separat von einer Auslassnockenwelle betätigt werden. Die Einlass- und Auslassventile 8a und 8b, die auch als Gaswechselventile bezeichnet werden, werden jeweils von einer Ventilfeder 9 in Richtung eines Ventilsitzes 10 gedrückt. Im geschlossenen Zustand liegen die Einlass- und Auslassventile 8a und 8b jeweils an ihrem Ventilsitz 10 an und dichten den Zylinder ab.
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Die Nockenwelle 3 ist drehfest mit einem Nockenwellengeberrad 14 verbunden, dessen Umfang bzw. dessen Rand Markierungen 14a (Zähne und Lücken) aufweist. Ein Aufnehmer 15, beispielsweise ein Hall-Sensor, ist in der Nähe des Rands des Nockenwellengeberrads 14 angeordnet und mit einem Steuergerät 20 verbunden.
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Analog ist die Kurbelwelle 1 mit einem Kurbelwellengeberrad 12 drehfest verbunden. Der Rand des Kurbelwellengeberrads 12 weist Markierungen 12a (Zähne und Lücken) auf. Ein Aufnehmer 13 ist in der Nähe des Rands des Kurbelwellengeberrads 14 angeordnet und mit dem Steuergerät 20 verbunden.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 100 drehen sich die Kurbelwelle 1 und die Nockenwelle 3 und damit auch das Kurbelwellengeberrad 12 und das Nockenwellengeberrad 14. Der Aufnehmer 13 bzw. 15 tastet das Kurbelwellengeberrad 12 bzw. das Nockenwellengeberrad 14 ab. Die Markierungen 12a bzw. 14a erzeugen in dem Aufnehmer 13 bzw. 15 jeweils ein Messsignal in Form eines Spannungsimpulssignals. In dem Steuergerät 20 werden diese Messsignale (Kurbelwellengeberradsignal bzw. Nockenwellengeberradsignal) ausgewertet und daraus der Kurbelwellenwinkel bzw. der Nockenwellenwinkel bestimmt.
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Zwischen dem Antriebsrad 2b und der Nockenwelle 3 ist ein elektrisches Nockenwellenverstellsystem 11 vorgesehen, das insbesondere von dem Steuergerät 20 gesteuert wird. Das elektrische Nockenwellenverstellsystem 11 ermöglicht eine beabsichtigte Nockenwellenverstellung. Dabei wird eine Relativverdrehung der Nockenwelle 3 gegenüber dem Antriebsrad 2b und der Kurbelwelle 1 ermöglicht. Somit kann ein Drehwinkel der Nockenwelle 3 variabel gegenüber einem Drehwinkel der Kurbelwelle 1 verstellt werden bzw. ein relativer Winkelversatz zwischen dem Nockenwellenwinkel und dem Kurbelwellenwinkel kann verändert werden. Beispielsweise kann das elektrische Nockenwellenverstellsystem 11 einen Servomotor aufweisen.
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Wenn die Brennkraftmaschine unterhalb einer bestimmten Drehzahlschwelle betrieben wird, insbesondere im Motorstart, und wenn dabei die Nockenwelle 3 mittels des Nockenwellenverstellsystems 11 relativ zu der Kurbelwelle 1 verstellt wird, kann herkömmlicherweise die aktuelle Nockenwellenposition gegebenenfalls nicht mehr präzise aus dem erfassten Nockenwellengeberradsignal bestimmt werden.
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Das Steuergerät 20 ist daher dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welches im Folgenden anhand von 2 erläutert wird.
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In 2 sind Nockenwellengeberradsignale schematisch dargestellt, die im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten können.
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Kurve 210 zeigt ein Nockenwellengeberradsignal, das erfasst werden kann, wenn die Nockenwelle 3 regulär bewegt wird und nicht mittels des Nockenwellenverstellsystems 11 verstellt wird. Wie in 2 zu erkennen ist, ist das Nockenwellengeberradsignal 210 ein Spannungsimpulssignal.
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Zu einer ersten Winkellage φ1 (°KW) wird eine erste, steigende Flanke 211 erfasst und zu einer zweiten Winkellage φ2 wird eine zweite, fallende Flanke 212 erfasst. Aus dem Abstand 213 zwischen den zwei Flanken 211 und 212 kann auf die Segmentlänge Δω der entsprechenden abgetasteten Markierung 14a rückgeschlossen werden. Beispielsweise beträgt die Segmentlänge Δω in diesem Beispiel 140°. Die entsprechende Markierung 14a kann somit eindeutig erkannt und der aktuelle Nockenwellenwinkel kann präzise bestimmt werden.
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Kurve 220 stellt ein Ist-Verstellwinkelsignal dar, welches von dem Nockenwellenverstellsystem 11 erzeugt werden kann, während dieses die Nockenwelle 3 relativ zur Kurbelwelle verdreht. Auf der dargestellten Ordinate ist der Verstellwinkel Δφ angegeben, um welchen die Nockenwelle 3 gegenüber einem Referenzwinkel verdreht ist.
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Der Anstieg 221 der Kurve 220 bedeutet, dass das Nockenwellenverstellsystem 11 die Nockenwelle 3 gegenüber dem Referenzwinkel um einen Verstellwinkel Δφ1 von beispielsweise 20° verdreht. Der Anstieg 222 der Kurve 220 bedeutet, dass die Nockenwelle 3 durch das Nockenwellenverstellsystem 11 weiterhin bis zu einem Referenzwinkel Δφ2 von beispielsweise 100° verdreht wird.
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Kurve 230 zeigt analog zu Kurve 210 ein Nockenwellengeberradsignal. Diese Kurve 230 stellt beispielsweise das tatsächlich erfasste Nockenwellengeberradsignal dar, welches erfasst werden kann, während die Nockenwelle 3 von dem Nockenwellenverstellsystem 11 gemäß dem in Kurve 220 dargestellten Verlauf verdreht wird.
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Durch die Verstellung 221 der Nockenwelle 3 um den Verstellwinkel Δφ1 wird die erste Flanke 231 verschoben und wird nicht mehr zur Winkellage φ1, sondern zur Winkellage φ2 erfasst. Analog verschiebt sich die zweite Flanke 232 durch die Verstellung 222 um den Verstellwinkel Δφ2 und wird zur Winkellage φ4 erfasst und nicht mehr zur Winkellage φ3.
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Die beiden Flanken 231 und 232 werden somit bei unterschiedlichen Verstellwinkeln erfasst. Aus dem Abstand 233 der beiden Flanken 231 und 232 ergibt sich somit eine Segmentlänge Δωuncorr von beispielsweise 220°. Aus dieser Segmentlänge Δωuncorr kann somit nicht mehr auf die abgetastete Markierung 14a rückgeschlossen werden.
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Im Rahmen des Verfahrens wird das erfasste Nockenwellengeberradsignal 230 bei der Verstellung 221 bzw. 222 der Nockenwelle 3 durch das Nockenwellenverstellsystem 11 um den Verstellwinkel korrigiert. Ein entsprechend korrigiertes Nockenwellengeberradsignal ist in Kurve 240 dargestellt.
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Dabei wird die erste Flanke 231 des erfassten Nockenwellengeberradsignals 230 um den Verstellwinkel Δφ1 von 20° korrigiert. Insbesondere wird das erfasste Nockenwellengeberradsignal 230 im x-Wert um den jeweils aktuellen Verstellwinkel, wie er sich aus der Kurve 220 ergibt, korrigiert, d.h. der Korrekturwinkel Δφcorri entspricht dem aktuellen Verstellwinkel Δφi (Δφcorr1 entspricht Δφ1 und Δφcorr2 entspricht Δφ2). Mit anderen Worten gilt: y240(φ) = y230(φ + y220(φ))
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Wie in 2 dargestellt, gehört die korrigierte Flanke 241 somit zur Winkellage φ1.
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Analog wird die fallende Flanke 232 des erfassten Nockenwellengeberradsignals 230 um den Verstellwinkel Δφ2 von 100° korrigiert. Die korrigierte Flanke 242 gehört somit zur Winkellage φ3.
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Der aus dem korrigierten Nockenwellengeberradsignal 240 bestimmte Abstand 243 zwischen den korrigierten Flanken 241 und 242 kann somit verwendet werden, um eine korrigierte Segmentlänge Δωcorr zu bestimmen, welche insbesondere der tatsächlichen Segmentlänge Δω von 140° gemäß Kurve 210 entspricht.
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Aus Kurve 240 bzw. aus dieser korrigierten Segmentlänge Δωcorr kann somit auf die abgetastete Markierung 14a und die aktuelle Nockenwellenposition rückgeschlossen werden.