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Die Erfindung betrifft eine Motorwellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Motorwellenanordnung ist vorgesehen für eine Brennkraftmaschine, mit einer Motorwelle, insbesondere einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, aufweisend ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Drehposition der Motorwelle, und eine Winkelberechnungseinheit, ausgebildet zum Bestimmen eines Positionssignals der Motorwelle, insbesondere eines die Drehposition charakterisierenden Drehpositionssignals der Motorwelle, wobei das Erfassungssystem ausgebildet ist, ein wiederholt auftretendes, insbesondere prozessbedingtes und/oder strukturbedingtes, Betriebsereignis der Brennkraftmaschine mittels dem Positionssignal zu bestimmen.
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Motorwellenanordnungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche mit Erfassungssystemen zum Bestimmen von Unregelmäßigkeiten im Zündverhalten einer Brennkraftmaschine, sind allgemein bekannt. So beschreibt
GB 2075590 A ein System zur Regelung des Zündzeitpunkts eines Motors, die auf der Erkennung einer Änderung in der Motordrehzahl basiert. Das System weist einen Kurbelwellenwinkelsensor auf, welcher ein Kurbelwellenwinkelsignal mit einer Auflösung von 1° generiert. Mit dem System soll insbesondere das Vorhandensein von Klopfen detektiert werden.
US 5 086 741 A beschreibt eine Methode zur Erfassung des Zustands der Verbrennung in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine, indem eine Abweichung in der Drehung der Kurbelwelle des Motors für jeden Zylinder überwacht wird. Der Grad der Unregelmäßigkeit der Verbrennung wird bewertet anhand der Größe der Abweichung. Hierbei wird ein Kurbelwellenwinkelsensor mit einer Lochscheibe eingesetzt.
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DE 11 2011 104 614 T5 beschreibt ein Verfahren zum Schätzen eines Motordrehwinkels, das die Genauigkeit (Auflösung) eines detektierten Winkels eines Kurbelwinkelsensors, der ein alternativer Sensor ist, nicht beeinflusst, wenn in einem Resolver und in einer Peripherieschaltung davon eine Anomalie auftritt, und zum Ausführen einer Motorsteuerung (Schwachfeldsteuerung), ohne einen Defekt eines Wechselrichters oder einer Peripherievorrichtung davon zu verursachen.
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DE 10 2009 051 624 A1 beschreibt ein Verfahren zur Spektralanalyse eines Signals einer Brennkraftmaschine, wobei eine diskrete Fourier-Transformation in einem Steuergerät berechnet wird.
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US 6,239,571 B1 beschreibt einen Resolver mit Erregerspulen ausgebildet zum Erhalten eines Erregersignals und einer Detektionsspule zum Ausgeben eines Detektionssignals.
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DE 10 2016 204 269 B3 beschreibt ein Verfahren um Gleichstellen von Drehmomentabgaben von wenigstens zwei Zylindern einer Brennkraftmaschine, wobei für wenigstens eine vorgegebene Drehzahl der Kurbelwelle für jeden Zylinder während eines Verbrennungsvorganges im Zylinder während eines Arbeitstaktes des Zylinders ein zeitlicher Verlauf für die Geschwindigkeit des Zylinders erfasst wird.
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GB 2 075 590 A beschreibt eine Methode und ein System zur Kontrolle des Zündzeitpunkts eines Motors, bei dem das Vorhandensein von Klopfen durch die Änderung der Motorgeschwindigkeit bestimmt wird.
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US 5,086,741 A beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes der Verbrennung in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine, während die Änderung der Drehung der Kurbelwelle überwacht wird.
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Wünschenswert ist es, die Funktion eines Erfassungssystems zu verbessern, um insbesondere die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit eines Erfassungssystems zu verbessern. Weiter ist es wünschenswert, dabei den apparativen Aufwand relativ gering zu halten.
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DE 102009046961 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche insbesondere unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die durch die Verbrennungen ausgelösten Druckschwingungen im Brennraum detektiert und ausgewertet werden. Die Erkennung der unkontrollierten Verbrennungen beruht dabei lediglich auf der Auswertung des Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle. Insofern ist ein Erfassungssystem der
DE 102009046961 A1 ausgebildet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein wiederholt auftretendes, insbesondere prozessbedingtes und/oder strukturbedingtes, Betriebsereignis der Brennkraftmaschine mittels der Auswertung des Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle zu bestimmen. Das Konzept ist noch verbesserungswürdig hinsichtlich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit eines Erfassungssystems einer Motorwellenanordnung.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine verbesserte Motorwellenanordnung anzugeben, bei dem mindestens einer der oben genannten Nachteile behoben wird. Insbesondere soll ein hohes Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Motorwellenanordnung gemäß Anspruch 1.
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Die Erfindung geht aus von einer Motorwellenanordnung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Motorwelle, insbesondere einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, aufweisend ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Drehposition der Motorwelle, und eine Winkelberechnungseinheit, ausgebildet zum Bestimmen eines Positionssignals der Motorwelle, insbesondere eines die Drehposition charakterisierenden Drehpositionssignals der Motorwelle, wobei das Erfassungssystem ausgebildet ist, ein wiederholt auftretendes, insbesondere prozessbedingtes und/oder strukturbedingtes, Betriebsereignis der Brennkraftmaschine mittels dem Positionssignal zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß ist bei der Motorwellenanordnung vorgesehen, dass das Erfassungssystem einen Resolver mit wenigstens einer Spule zum Ausgeben eines Resolverausgangssignals aufweist, und die Winkelberechnungseinheit ausgebildet ist, das Positionssignal auf Basis des Resolverausgangssignals zu bestimmen, das Erfassungssystem eine Frequenzbestimmungseinheit aufweist, die ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum des Positionssignals zu bestimmen, und das wiederholt auftretende Betriebsereignis anhand des Frequenzspektrums bestimmbar ist, insbesondere anhand einer Frequenzinformation in dem Frequenzspektrum bestimmbar ist.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 18. Die Brennkraftmaschine ist vorgesehen mit einer Anzahl an Zylindern und der erfindungsgemäßen Motorwellenanordnung. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Vorteile der Motorwellenanordnung vorteilhaft genutzt.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren gemäß dem Anspruch 19.
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Das Verfahren ist vorgesehen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Motorwellenanordnung, aufweisend die Schritte:
- - Bestimmen eines Positionssignals der Motorwelle, insbesondere eines die Drehposition charakterisierenden Drehpositionssignals der Motorwelle, mit einer Winkelberechnungseinheit, wobei
- - ein wiederholt auftretendes, insbesondere prozessbedingtes und/oder strukturbedingtes, Betriebsereignis der Brennkraftmaschine mittels dem Positionssignal durch das Erfassungssystem bestimmt wird,
- - Ausgeben eines Resolverausgangssignals durch einen Resolver des Erfassungssystems, wobei der Resolver wenigstens eine Spule aufweist,
- - Bestimmen des Positionssignals auf Basis des Resolverausgangssignals durch die Winkelberechnungseinhei t,
- - Bestimmen eines Frequenzspektrums des Positionssignals durch eine Frequenzbestimmungseinheit des Erfassungssystems,
- - Bestimmen des wiederholt auftretenden Betriebsereignisses anhand des Frequenzspektrums, insbesondere anhand einer Frequenzinformation in dem Frequenzspektrum. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Vorteile der Motorwellenanordnung vorteilhaft genutzt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Nutzung von Daten eines Drehpositionssensors an einer Motorwelle, insbesondere Kurbelwelle, einer Brennkraftmaschine für Betriebs-, Regelungs- und/oder Diagnosezwecke generell vorteilhaft ist. Insbesondere kann somit ein bereits vorhandener Sensor, das heißt ein Sensor der primär der Bestimmung der Drehposition der Motorwelle dient, für Betriebs- und Diagnosezwecke genutzt werden.
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Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass ein herkömmliches Erfassungssystem mit einem - insbesondere auf einer Lochscheibe basierenden - Kurbelwellenwinkelsensor aufgrund seiner begrenzten Auflösung nur bedingt zuverlässige Rückschlüsse auf das Betriebs- und Verschleißverhalten der Brennkraftmaschine und insbesondere der Motorwelle zulässt.
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Die Erfindung hat daher weiter erkannt, dass der Einsatz eines Resolvers mit einer ersten Spule, ausgebildet zum Ausgeben eines ersten Resolverausgangssignals, und einer zweiten Spule, ausgebildet zum Ausgeben eines zweiten Resolverausgangssignals, und einer Winkelberechnungseinheit, die ausgebildet ist, das Drehpositionssignal auf Basis des ersten Resolverausgangssignals und des zweiten Resolverausgangssignals zu bestimmen, von signifikantem Vorteil ist. Mittels eines Resolvers kann die Genauigkeit, insbesondere die zeitliche und örtliche Genauigkeit, bei der Bestimmung der Drehposition einer Motorwelle erheblich gesteigert werden. Dies lässt völlig neue Mess-, Diagnose- und Überwachungsanwendungen zu, die mit der Genauigkeit von im Stand der Technik eingesetzten Sensoren nicht möglich wären.
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Durch das Erfassen eines örtlich und zeitlich hoch aufgelösten Signals ist es mit einem Erfassungssystem einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung insbesondere möglich, Analysen im Frequenzbereich durchzuführen, welche Aussagen über wiederholt auftretende Betriebsereignisse im Betrieb der Brennkraftmaschine zulassen. Ein solches, wiederholt auftretendes Betriebsereignis kann ein prozessbedingtes Betriebsereignis, insbesondere ein Zündzeitpunkt, oder ein strukturbedingtes Ereignis, insbesondere ein Betriebszustand wie beispielsweise ein Lagerschaden, sein. Prozessbedingte Betriebsereignisse charakterisieren dabei insbesondere regelmäßig auftretende Phänomene wie beispielsweise Zündzeitpunkte. Strukturbedingte Betriebsereignisse charaktisieren hingegen insbesondere unregelmäßige Phänomene und Zustände, die beispielsweise durch Schäden an mechanischen Komponenten der Brennkraftmaschine, insbesondere Wälzlagern, hervorgerufen werden.
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Insbesondere im Falle eines prozessbedingten Betriebsereignisses kann die Information - aufgrund der zeitlich und örtlich derart genauen Bestimmung der Drehposition - als Eingangsgröße für eine Regelung der Brennkraftmaschine genutzt werden, beispielsweise kann ein Zündzeitpunkt, der mittels einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung bestimmt wurde, als Eingangsgröße für die Regelung eines Injektors der Brennkraftmaschine genutzt werden.
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Die Erfindung hat daher erkannt, dass ein solches Betriebsereignis durch, wenn auch nur kurzzeitige, periodisch wiederkehrende physikalische Phänomene, insbesondere mechanische Schwingungen, charakterisiert wird, wobei sich diese Phänomene mittelbar oder unmittelbar auf die Drehbewegung der Motorwelle auswirken und somit ein bestimmtes Betriebsereignis ein entsprechendes charakteristisches Signalmuster im Frequenzbereich des Drehpositionssignals in Form einer Frequenzinformation aufweist.
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Hierzu weist das Erfassungssystem weiter eine Frequenzbestimmungseinheit auf, die ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum des Drehpositionssignals zu bestimmen. Das Betriebsereignis ist folglich anhand einer Frequenzinformation in dem Frequenzspektrum bestimmbar. Als Frequenzinformation ist im Rahmen dieser Erfindung also ein charakteristisches Signalmuster im Frequenzbereich zu verstehen, das ein bestimmtes Betriebsereignis kennzeichnet.
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Diese und weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Erfassungssystem eine Diskriminierungseinheit aufweist, ausgebildet zum Ermitteln der Frequenzinformation in Form einer ersten Rauschüberhöhung aus einem Grundrauschen, wobei die erste Rauschüberhöhung insbesondere zündungsbedingt und/oder prozessbedingt ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass die Diskriminierungseinheit mithilfe von Filtern, insbesondere einem oder mehrerer Bandpassfilter, gezielt Frequenzen und/oder Frequenzbänder, in denen ein Nutzsignal aufgrund zündungsbedingter und/oder prozessbedingter Phänomene im Betrieb der Brennkraftmaschine zu erwarten ist, herausfiltert. Auf diese Weise kann insbesondere die Bestimmung des Zündzeitpunktes oder Unregelmäßigkeiten im Zündverhalten der Brennkraftmaschine verbessert bestimmt werden.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Diskriminierungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln der Frequenzinformation in Form einer zweiten Rauschüberhöhung aus einem Grundrauschen, wobei die zweite Rauschüberhöhung insbesondere strukturbedingt und/oder verschleißbedingt ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass die Diskriminierungseinheit weiter ein Modul, insbesondere Filter, aufweist, um gezielt Frequenzen und/oder Frequenzbänder herauszufiltern, in denen ein Nutzsignal aufgrund strukturbedingter und/oder verschleißbedingter Phänomene zu erwarten ist. Derartige Phänomene können sowohl von der Motorwelle selbst, als auch von Komponenten, die mit der Motorwelle unmittelbar oder mittelbar verbunden sind, verursacht werden. Zu derartigen Phänomenen gehören insbesondere Schäden von Lagern, insbesondere den Wellenlagern der Motorwelle.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Erfassungssystem weiter eine Mustererkennungseinheit aufweist, ausgebildet zum Erkennen des Betriebsereignisses aus der Frequenzinformation, nämlich aus der ersten Rauschüberhöhung, in Form einer spektralen Darstellung einer Druckwelle, insbesondere eines kausalen Exponentialimpulses und/oder einer Friedlander Wellenform. Dies kann konkret beinhalten, dass die berechneten Frequenzinformationen oder die aufgenommenen Frequenzspektren mittels gängiger Mustererkennungsverfahren untersucht werden, und bei einem Vorhandensein eines bestimmten Musters ein entsprechendes Betriebsereignis erkannt wird. Insbesondere kann mittels einer Kreuzkorrelation ein aufgenommenes Frequenzspektrum mit einem Referenzsignal verglichen werden, und bei einem ausreichenden Grad der Übereinstimmung ein Betriebsereignis, beispielsweise einen Zündzeitpunkt, erkannt werden. In anderen Weiterbildungen kann alternativ oder zusätzlich eine Erkennung mittels eines Pegelvergleichs erfolgen. Insbesondere kann dabei in dem Fall, dass der Signalpegel in einem bestimmten Frequenzband des aufgenommenen Frequenzspektrums einen Grenzwert überschreitet, ein Betriebsereignis erkannt werden. Insbesondere kann das Betriebsereignis ein Zündzeitpunkt sein.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Mustererkennungseinheit ausgebildet ist zum Erkennen des Betriebsereignisses aus der Frequenzinformation, insbesondere aus der zweiten Rauschüberhöhung in Form einer spektralen Darstellung eines charakteristischen Schwingungsmusters. In derartigen Weiterbildungen erfolgt analog zu der vorangegangenen Weiterbildung eine Erkennung mittels gängiger Verfahren der Mustererkennung, jedoch entsprechen die Referenzsignale und/oder Frequenzbänder charakteristischen Schwingungsmustern, welche insbesondere struktur- oder verschleißbedingt sind, also insbesondere auf Phänomene zurückzuführen sind, welche aufgrund der Abnutzung von Komponenten, die mit der Motorwelle unmittelbar oder mittelbar verbunden sind, zurückzuführen sind.
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Insbesondere kann das Betriebsereignis einen Betriebszustand charakterisieren. Insbesondere kann das Betriebsereignis oder der Betriebszustand ein Lagerschaden sein.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Frequenzbestimmungseinheit ausgebildet ist, das Frequenzspektrum mittels einer diskreten Fourier-Transformation, insbesondere einer Kurzzeit-diskreten Fourier-Transformation zu ermitteln. Hierzu kann die Frequenzbestimmungseinheit ein Fouriertransformationsmodul aufweisen, welches bevorzugt mittels einer diskreten Fourier-Transformation, besonders bevorzugt mittels einer Kurzzeit-diskreten Fourier-Transformation, das Drehpositionssignal in ein Frequenzspektrum umwandelt und somit aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich überführt. Die Umwandlung kann insbesondere kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich, in ausreichend kurzen Zeitabständen, erfolgen. Je kürzer dieser Zeitabstand ist, desto aktueller entspricht das jeweilige Frequenzspektrum dem aktuellen Resolverausgangssignal und somit dem Zustand der Motorwellenanordnung.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Erfassungssystem eine Darstellungseinheit aufweist, ausgebildet zum Anzeigen eines Wasserfalldiagramms in Form des über eine Zeit aufgetragenen Frequenzspektrums. In derartigen Weiterbildungen kann der zeitliche Verlauf des aufgenommenen Frequenzspektrums anschaulich dargestellt werden. Insbesondere können zeitlich systematisch wiederkehrende Pegelerhöhungen in bestimmten Frequenzbereichen dargestellt und erkannt werden. Auch können zeitliche Entwicklungen, insbesondere ein Fortschreiten von Lagerschäden durch ein langsames Ansteigen des Pegels in einem bestimmten Frequenzbereich, dargestellt und erkannt werden.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Erfassungssystem eine Korrelationseinheit aufweist, die ausgebildet ist, ein Differenzsignal aus dem Frequenzspektrum und einem Referenzsignal zu bilden, wobei das Differenzsignal mittels einer Kreuzkorrelation gebildet wird. In derartigen Weiterbildungen kann eine zuverlässige Mustererkennung anhand von Referenzsignalen erfolgen, welche jeweils Betriebsereignisse, insbesondere in Form von charakteristischen Schwingungsmustern und/oder charakteristischen Zündmustern, repräsentieren.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Erfassungssystem einen ersten Wandler zum Wandeln des ersten Resolverausgangssignals in ein erstes Wandlerausgangssignal und einen zweiten Wandler zum Wandeln des zweiten Resolverausgangssignals in ein zweites Wandlerausgangssignal aufweist. In derartigen Weiterbildungen werden beide Resolverausgangssignale einzeln abgetastet und digitalisiert. Beide Wandler können von einem gemeinsamen Generator gespeist werden, wobei der Generator insbesondere auch gleichzeitig die Erregerspule des Resolvers mit einem gemeinsamen Erregersignal speist, wodurch ein synchroner Betrieb der Komponenten und somit eine zeitlich hochgenaue Auflösung ermöglicht wird. Durch eine zeitlich hochgenaue Auflösung und den synchronen Betrieb wird weiter eine hohe Abtastfrequenz ermöglicht, wodurch die Analyse des Drehpositionssignals im Frequenzbereich weiter verbessert wird.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Erfassungssystem ein Zeitsteuerungsmodul aufweist, ausgebildet zum zeitlich gesteuerten, insbesondere getakteten und/oder unterbrochenen, Bestimmen des Frequenzspektrums, wobei das Bestimmen des Zündzeitpunktes insbesondere in einem Zündzeitfenster um einen zu erwartenden Zündzeitpunkt erfolgt. In derartigen Weiterbildungen kann durch das Zeitsteuerungsmodul der Betrieb der Verarbeitungseinheit, insbesondere der Frequenzbestimmungseinheit, zeitlich getaktet werden, sodass die Signalverarbeitung vollständig oder teilweise unterbrochen werden kann. Somit kann vorteilhaft Rechenleistung eingespart werden, und zwar in Zeiträumen, in denen keine Signalverarbeitung benötigt wird. In Zeiträumen hingegen, in denen eine Signalverarbeitung nötig ist, erfolgt entsprechend eine Signalverarbeitung; ein solcher Zeitraum kann insbesondere durch ein Zündzeitfenster gegeben sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Frequenzspektrums SF,
- 3 eine schematische Darstellung eines Wasserfalldiagramms DWF,
- 4 eine Brennkraftmaschine,
- 5 eine beispielhafte Darstellung von zwei Resolverausgangssignalen zur Bestimmung eines Positionssignals,
- 6 eine beispielhafte Darstellung eines Resolverausgangssignals mit zwei schematisch dargestellten Frequenzinformationen,
- 7 eine vereinfachte Darstellung einer Motorwellenanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine Motorwellenanordnung 100 einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Motorwellenanordnung 100 weist eine Motorwelle 120 auf, die vorliegend als Kurbelwelle 121 mit vier Kurbelabschnitten K1 bis K4 ausgebildet ist.
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Die als Kurbelwelle 121 ausgebildete Motorwelle 120 ist mittels zwei Wellenlagern WL1, WL2 drehbar um eine Wellenachse WA gelagert.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1000 rotiert die Motorwelle 120 mit einer Drehgeschwindigkeit DT um die Wellenachse WA und kann somit verschiedene Drehpositionen D einnehmen. Die Motorwellenanordnung 100 weist weiterhin ein Erfassungssystem 140 auf. Das Erfassungssystem 140 weist einen Resolver R auf, der zur Bestimmung der momentanen Drehposition D der Motorwelle 120 eingesetzt werden kann.
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Der Resolver R wird von einem Generator 150 versorgt, welcher sowohl den Resolver R, als auch einen ersten Wandler 161X und einen zweiten Wandler 161Y, über eine Versorgungsleitung 152 mit einem gemeinsamen Erregersignal SE versorgt, wobei der erste Wandler 161X und der zweite Wandler 161Y Teil einer Verarbeitungseinheit 142 sind und das Erregersignal als Taktsignal nutzen. Das gemeinsame Erregersignal SE hat eine periodische Signalform, insbesondere ist das Erregersignal SE als Rechtecksignal ausgebildet.
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Der Resolver R weist eine erste Spule S1 und eine zweite Spule S2 auf, die vorliegend als Statorspulen ausgebildet sind. Weiter weist der Resolver R eine Erregerspule RR auf, welche vorliegend als Rotorspule ausgebildet ist. Gemäß der Funktionsweise eines Resolvers induziert die Erregerspule RR, in Abhängigkeit der aktuellen Drehposition D der Motorwelle 120, eine erste Spannung U1 in der ersten Spule S1, und eine zweite Spannung U2 in der zweiten Spule S2.
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Von der ersten Spule S1 wird die erste Spannung U1 in Form eines ersten Resolverausgangssignals RASX an den ersten Wandler 161X geleitet. Entsprechend wird von der zweiten Spule S2 die zweite Spannung U2 in Form eines zweiten Resolverausgangssignals RASY an den zweiten Wandler 161Y geleitet.
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In dem ersten Wandler 161X wird das als analoge Spannung ausgebildete erste Resolverausgangssignal RASX abgetastet und in ein digitalisiertes erstes Wandlerausgangssignal WX umgewandelt. Entsprechend wird in dem zweiten Wandler 161Y das als analoge Spannung ausgebildete zweite Resolverausgangssignal RASY abgetastet und in ein digitalisiertes zweites Wandlerausgangssignal WY umgewandelt.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Winkelberechnungseinheit 160 auf. Diese bestimmt auf Basis des ersten Wandlerausgangssignal WX und des zweiten Wandlerausgangssignal WY ein als ein Drehpositionssignal DS ausgebildetes Positionssignal PS, welches die momentane Drehposition D der Motorwelle 120 beschreibt. Die Winkelberechnung kann insbesondere mit einem Arkustangensmodul 164 mittels einer Arkustangensfunktion ARC erfolgen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Frequenzbestimmungseinheit 180 auf, welche ausgebildet ist, aus dem Drehpositionssignal DS ein Frequenzspektrum SF zu bestimmen. Hierzu kann die Frequenzbestimmungseinheit 180 ein Fouriertransformationsmodul 182 aufweisen, welches mittels einer diskreten Fouriertransformation DFT, insbesondere einer Kurzzeit-diskreten Fouriertransformation DFTK, ein Frequenzspektrum SF bildet.
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Die Frequenzbestimmungseinheit 180 ist weiterhin ausgebildet, aus dem Frequenzspektrum SF eine oder mehrere Frequenzinformationen FI zu ermitteln, um die Ermittlung eines Betriebsereignisses BE zu ermöglichen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Diskriminierungseinheit 190 auf. Diese kann ein erstes Diskriminierungsmodul 192 aufweisen, welches ausgebildet ist, eine erste Rauschüberhöhung RH1 aus einem Grundrauschen GR als Frequenzinformation FI zu ermitteln. Bei der Rauschüberhöhung RH1 kann es sich insbesondere um bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF handeln, welche auf prozessbedingte Phänomene im Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zündungsbedingte Phänomene, zurückzuführen sind. Insbesondere kann die Frequenz oder die Frequenzen der ersten Rauschüberhöhung RH1 aufgrund eines, insbesondere periodisch wiederkehrenden, Zündzeitpunktes ZZ eines Zylinders Z entstehen. Insbesondere kann die Rauschüberhöhung RH1 ermittelt werden, indem Frequenzbänder des Frequenzspektrums SF betrachtet werden, in denen ein erhöhter Pegel aufgrund eines periodisch wiederkehrenden, zu erwartenden Zündzeitpunktes ZZE zu erwarten ist.
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Die Diskriminierungseinheit 190 kann weiter ein zweites Diskriminierungsmodul 194 aufweisen, welches ausgebildet ist, eine zweite Rauschüberhöhung RH2 als Frequenzinformation FI zu ermitteln. Bei der zweiten Rauschüberhöhung RH2 kann es sich insbesondere um Frequenzen oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF handeln, welche auf strukturbedingte Phänomene im Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere verschleißbedingte Phänomene, zurückzuführen sind. Insbesondere kann die Frequenz oder die Frequenzen der zweiten Rauschüberhöhung RH2 aufgrund eines Lagerschadens SL, insbesondere eines Lagerschadens SL der Wellenlager WL1, WL2 zurückzuführen sein. Ein derartiger Lagerschaden SL kann insbesondere aufgrund eines Schadens einer Lagerkomponente, beispielsweise eines Wälzkörpers oder Lagerringes entstehen, wobei dieser Schaden aufgrund der geometrischen Verhältnisse im Lager eine oder mehrere periodische Schwingungen verursacht, welche zur Erhöhung charakteristischer Frequenzen und/oder Frequenzbänder im Frequenzspektrum SF in Form eines charakteristischen Schwingungsmusters SC führen.
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Die Verarbeitungseinheit 142 weist weiter eine Mustererkennungseinheit 200 auf, die ausgebildet ist, charakteristische Formen von Frequenzinformationen FI in dem Frequenzspektrum SF und/oder der ersten Rauschüberhöhung RH1 und/oder der zweiten Rauschüberhöhung RH2 zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE zuzuordnen. Die Mustererkennungseinheit 200 kann ausgebildet sein, ein charakteristisches Zündmuster ZC, beispielsweise die spektrale Repräsentation eines kausalen Exponentialimpulses EK und/oder einer Friedlander Wellenform WF in einem aufgenommenen Frequenzspektrum SF, insbesondere in einer ersten Rauschüberhöhung RH1, zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE, insbesondere einem Zündzeitpunkt ZZ, zuzuordnen. Anhand des zeitlichen Auftretens dieses Betriebsereignisses BE kann somit der Zündzeitpunkt ZZ bestimmt werden. Wenn das Signal stark verrauscht ist, so können auch die Oberwellen zusätzlich zur Bestimmung herangezogen werden.
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Auch kann die Mustererkennungseinheit 200 ausgebildet sein, ein charakteristisches Schwingungsmuster SC in einem aufgenommenen Frequenzspektrum SF, insbesondere in einer zweiten Rauschüberhöhung RH2, zu erkennen und einem entsprechenden Betriebsereignis BE, insbesondere einem Lagerschaden SL, zuzuordnen.
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Die Mustererkennungseinheit 200 kann in einfachen Weiterbildungen ausgebildet sein, einen Pegelvergleich für charakteristische Frequenzbänder durchzuführen, und beim Überschreiten des Pegels in einem oder mehreren festgelegten Frequenzbändern ein Vorhandensein eines bestimmten Betriebsereignisses BE zu erkennen.
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In anderen Weiterbildungen kann die Mustererkennungseinheit 200 auch ausgebildet sein, ein aufgenommenes Frequenzspektrum SF mittels anderer Mustererkennungsmethoden, insbesondere mittels eines Vergleichs des Frequenzspektrums SF mit Referenzsignalen, beispielsweise über eine Korrelation, zu bewerten, und bei einem ausreichenden Grad der Übereinstimmung das Vorhandensein eines bestimmten Betriebsereignisses BE zu erkennen. Beispielsweise kann eine Korrelationseinheit 230 mittels einer Kreuzkorrelation KK ein Differenzsignal SD aus dem gemessenen Frequenzspektrum SF und einem Referenzsignal SR bilden. Dabei repräsentiert das Referenzsignal SR ein bestimmtes Betriebsereignis BE. Auf diese Weise kann eine ein aufgenommenes Frequenzspektrum SF einem Betriebsereignis BE zugeordnet werden. Die Mustererkennungseinheit 200 und auch die Korrelationseinheit 230 können ausgebildet sein, verschiedene Arten von Betriebsereignissen BE zu erkennen.
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Das Erfassungssystem 140 weist eine Darstellungseinheit 220 auf, die ausgebildet ist zum Anzeigen eines Wasserfalldiagramms DWF, wobei das Wasserfalldiagramm DWF gebildet wird, indem das Frequenzspektrum SF über eine Zeit T aufgetragen wird. Dabei kann der über die Frequenz aufgetragene Pegel P des Frequenzspektrums SF farblich kodiert sein oder es kann eine dreidimensionale Darstellung mit den Dimensionen Zeit T, Frequenz F und Pegel P gewählt werden. Auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf des kontinuierlich oder quasikontinuierlich berechneten Frequenzspektrums SF anschaulich dargestellt werden, was insbesondere für die Diagnose vorteilhaft ist. Weiterhin kann die Darstellungseinheit 220 ausgebildet sein, Betriebsereignisse BE innerhalb des Wasserfalldiagramms DWF darzustellen.
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Das Erfassungssystem 140 weist weiter ein Zeitsteuerungsmodul 240 auf, das ausgebildet ist zur zeitlichen Steuerung der Verarbeitungseinheit 142. Insbesondere kann mittels des Zeitsteuerungsmodul 240 der Betrieb der Verarbeitungseinheit 142, oder einzelner Komponenten der Verarbeitungseinheit 142, insbesondere der Betrieb der Frequenzbestimmungseinheit 190, zeitlich getaktet gesteuert werden, insbesondere zwischen zwei Zündzeitfenstern FZ, die jeweils einen Zündzeitpunkt ZZ umgeben, die Signalverarbeitung durch die Verarbeitungseinheit 142 vollständig oder teilweise unterbrochen werden. Auf diese Weise kann in Zeiträumen, in denen keine Signalverarbeitung benötigt wird, vorteilhaft Rechenleistung eingespart werden.
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2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines aufgenommenen Frequenzspektrums SF. Hierzu ist ein Pegel P des Frequenzspektrums SF über die Frequenz F aufgetragen. Über einem Grundrauschen GR bildet sich eine zweite Rauschüberhöhung RH2 als generelle Frequenzinformation FI aus, die insbesondere auf strukturbedingte Phänomene zurückzuführen ist. Darüber bildet sich charakteristisch hier vereinfacht in Stufenformen dargestellt eine oder mehrere erste Rauschüberhöhungen RH1 als generelle Frequenzinformation FI aus, welche insbesondere auf prozessbedingte, beispielsweise zündungsbedingte, Phänomene zurückzuführen sind.
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3 zeigt schematisch eine Darstellung eines Wasserfalldiagramms DWF, bei der eine Anzahl von aufgenommenen Frequenzspektren SF, von denen hier eine beispielhaft gezeigt ist, über die Zeit T in einem Diagramm aufgetragen werden. Die Darstellung des Pegels P eines Frequenzspektrums SF erfolgt vorliegend zwecks Verdeutlichung stark schematisch. In Weiterbildungen ist es denkbar und vorteilhaft, diese in unterschiedlichen Farben farblich kodiert darzustellen, wobei beispielsweise die Farbe Rot einen hohen Pegel P, und die Farbe Blau einen niedrigen Pegel P impliziert. Auch ist es möglich, eine dreidimensionale Darstellung mit einer zusätzlichen Pegel-Achse, zu wählen. Mittels eines Wasserfalldiagramms DWF ist es möglich, den zeitlichen Verlauf und die zeitliche Entwicklung der Frequenzspektren SF zu visualisieren. Dabei zeigt sich beispielsweise, dass Frequenzinformationen FI wie beispielsweise charakteristische Zündmuster ZC, die sich durch einen erhöhten Pegel an einer oder mehreren bestimmten Frequenzen F äußern, periodisch wiederkehrend sind, nämlich im Zündungstakt zu einem Zündzeitpunkt ZZ der Brennkraftmaschine 1000 oder eines Zylinders Z. Daher kann es vorteilhaft sein, die Berechnungen der Verarbeitungseinheit 142 auf ein Zündzeitfenster FZ zu beschränken, wobei das zum Zeitfenster FZ einen Zeitraum darstellt, der um den Zündzeitpunkt ZZ, oder um einen erwarteten Zündzeitpunkt ZZE, liegt.
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Weiterhin sind in der Darstellung Frequenzinformationen FI in Form von charakteristischen Schwingungsmustern SC sichtbar, welche sich in Form von Pegelerhöhungen an bestimmten Frequenzen F äußern, wobei vorliegend die Frequenzen einen anderen Wert haben als die des charakteristischen Zündmusters ZC und weiterhin deren Auftreten auch unabhängig von einem Zündzeitpunkt ZZ ist.
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In 4 ist stark schematisch eine Brennkraftmaschine 1000 mit einer Anzahl von acht Zylindern Z dargestellt, die eine Motorwellenanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung aufweist. Die Motorwellenanordnung 100 weist ein Erfassungssystem 140 auf, von dem vorliegend beispielhaft ein Resolver R und eine Verarbeitungseinheit 142 gezeigt sind. In 5 ist eine beispielhafte Darstellung von zwei Resolverausgangssignalen, nämlich einem ersten Resolverausgangssignal RASX und einem zweiten Resolverausgangssignal RASY, zur Bestimmung eines Positionssignals PS gezeigt. Dabei stammt das erste Resolverausgangssignal RASX von einer hier nicht dargestellten ersten Spule S1, und das zweite Resolverausgangssignal RASY von einer hier nicht dargestellten zweiten Spule S2. Gemäß der Funktionsweise eines Resolvers werden beide Resolverausgangssignale RASX, RASY zeitlich synchron über eine Zeit T abgetastet. Die Synchronizität beider Resolverausgangssignale RASX, RASY wird insbesondere durch einen gemeinsamen Generator 150, der hier ebenfalls nicht dargestellt ist, gewährleistet. Das Positionssignal PS wird insbesondere bestimmt, indem für das erste Resolverausgangssignal RASX ein erster Wert HX1, und für das zweite Resolverausgangssignal RASY ein zweiter Wert HY1 abgetastet werden aus der Grundschwingung beider Resolverausgangssignale RASX, RASY. Minima und Maxima der Grundschwingungen beider Resolverausgangssignale RASX, RASY liegen dabei am gleichen Punkt der Zeit T; insbesondere liegt vorliegend das Minimum, also der zweite Wert HY1, HY2, und das Maximum, also der erste Wert HX1, HX2, der Grundschwingungen der Resolverausgangssignale RASX, RASY dabei an jeweils einem gleichen Punkt der Zeit T.
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Das Positionssignal
PS kann nun in Form eines als Drehwinkel ausgebildeten Drehpositionssignals
DS mittels einer Arkustangensfunktion bestimmt werden in der Form:
In der
5 ist beispielhaft die Bestimmung des als ein erstes Drehpositionssignal DS1 ausgebildeten Positionssignal
PS zu einem ersten Zeitpunkt T1 und einem zweiten Zeitpunkt T2 dargestellt. Zum ersten Zeitpunkt T1 wird das erste Drehpositionssignal DS1 gebildet, in dem der Arkustangens des Quotienten aus dem Wert HX1 zum ersten Zeitpunkt T1 und dem Wert HY1 der zweiten Kurve zum ersten Zeitpunkt T1 gebildet wird. In analoger Weise erfolgt die Bestimmung des zweiten Drehpositionssignals DS2 zu einem zweiten Zeitpunkt T2.
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In 6 ist nun in analoger Weise ein weiteres einzelnes Resolverausgangssignal RAS allgemein dargestellt. Dieses weist, wie auch schon die in 5 gezeigten Resolverausgangssignale, einen für einen Resolver charakteristischen, periodisch schwingenden Verlauf auf, der durch die von einer Erregerspule induzierte Spannung hervorgerufen wird. Neben den für die Bestimmung eines Positionssignals relevanten Informationen weist das Resolverausgangssignal RA jedoch noch weitere, höher frequente Informationen auf, welche gemäß dem Konzept der Erfindung, und insbesondere aufgrund der hohen zeitlichen und örtlichen Auflösung des Resolvers, nun erfasst werden können. Als Beispiel sind hier stark schematisch zwei Frequenzinformationen FI, die vorliegend von einem hier nicht dargestellten Erfassungssystem 140 als Betriebsereignisse BE in Form von Zündzeitpunkten im ZZ identifiziert wurden, dargestellt. Diese hochfrequenten Frequenzinformationen FI sind in der vorliegenden Darstellung im Zeitbereich allenfalls als hochfrequente Schwingungen, die das Hauptsignal überlagern, sichtbar.
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7 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Motorwellenanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Eine als Kurbelwelle 121 ausgebildete Motorwelle 120 wird mittels eines Resolvers R zwecks Bestimmung eines als Drehpositionssignal DS ausgebildeten Positionssignals PS überwacht. Mittels eines gemeinsamen Generators 150 wird über eine gemeinsame Versorgungsleitung 152 ein gemeinsames Erregersignal SE dem Resolver R zugeführt. Weiterhin wird auch, insbesondere zur Gewährleistung der Synchronizität, ein erster Wandler 161X und ein zweiter Wandler 161Y über die gemeinsame Versorgungsleitungen 152 mit dem gemeinsamen Erregersignal SE gespeist. Der erste Wandler 161X tastet dabei ein erstes Resolverausgangssignal RASX ab und wandelt dieses in ein erstes Wandlerausgangssignal WX um. In analoger Weise dazu tastet der zweite Wandler 161Y dabei ein zweites Resolverausgangssignal RASY ab und wandelt dieses in ein zweites Wandlerausgangssignal WY um. In einer Winkelberechnungseinheit 160 wird aus dem ersten Wandlerausgangssignal WX und dem zweiten Wandlerausgangssignal WY ein Positionssignal PS, vorliegend in Form eines Drehpositionssignals DS, bestimmt. In einer Frequenzbestimmungseinheit 180 wird anhand des Drehpositionssignals DS ein Frequenzspektrum SF berechnet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Motorwellenanordnung
- 120
- Motorwelle
- 121
- Kurbelwelle
- 122
- Nockenwelle
- 140
- Erfassungssystem
- 142
- Verarbeitungseinheit
- 150
- Generator
- 152
- Gemeinsame Versorgungsleitung
- 160
- Winkelberechnungseinheit
- 161
- Wandlereinheit
- 161X
- Erster Wandler
- 161Y
- Zweiter Wandler
- 164
- Arkustangensmodul
- 180
- Frequenzbestimmungseinheit
- 182
- Fouriertransformationsmodul
- 190
- Diskriminierungseinheit
- 192
- Erstes Diskriminierungsmodul
- 194
- Zweites Diskriminierungsmodul
- 200
- Mustererkennungseinheit
- 220
- Darstellungseinheit
- 230
- Korrelationseinheit
- 240
- Zeitsteuerungsmodul
- 1000
- Brennkraftmaschine
- ARC
- Arkustangensfunktion
- BE
- Betriebsereignis
- D
- Drehposition der Motorwelle
- DFT
- Diskrete Fourier-Transformation
- DFTK
- Kurzzeit-Diskrete Fourier-Transformation
- DS
- Drehpositionssignal
- DT
- Drehgeschwindigkeit der Motorwelle
- DW
- Druckwelle
- DWF
- Wasserfalldiagramm
- EK
- Kausaler Exponentialimpuls
- F
- Frequenz
- FI
- Frequenzinformation
- FZ
- Zündzeitfenster
- GR
- Grundrauschen
- HX
- Erste Hüllkurve
- HY
- Zweite Hüllkurve
- K1-4
- Erster bis vierter Kurbelabschnitt
- KK
- Kreuzkorrelation
- P
- Pegel, spektraler Signalpegel
- PS
- Positionssignal
- R
- Resolver
- RASX
- Erstes Resolverausgangssignal
- RASY
- Zweites Resolverausgangssignal
- RH1
- Erste Rauschüberhöhung
- RH2
- Zweite Rauschüberhöhung
- RR
- Rotorspule, Erregerspule des Resolvers
- S1
- Erste Spule des Resolvers
- S2
- Zweite Spule des Resolvers
- SC
- Charakteristisches Schwingungsmuster
- SD
- Differenzsignal
- SE
- Gemeinsames Erregersignal
- SF
- Frequenzspektrum
- SL
- Lagerschaden
- SR
- Referenzsignal
- T
- Zeit
- U1
- Erste induzierte Spannung
- U2
- Zweite induzierte Spannung
- WF
- Friedlander Wellenform
- WX
- Erstes Wandlerausgangssignal
- WY
- Zweites Wandlerausgangssignal
- WA
- Wellenachse
- Z
- Zylinder
- ZB
- Betriebszustand
- ZC
- Charakteristisches Zündmuster
- ZZ
- Zündzeitpunkt
- ZZE
- Zu erwartender Zündzeitpunkt
- WL1
- Wellenlager
- WL2
- Wellenlager
