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Die
Erfindung betrifft die Bestimmung der Umdrehungsgeschwindigkeit
einer Welle eines Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors, insbesondere
der Drehzahl einer Kurbelwelle oder Nockenwelle des Verbrennungsmotors.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System und eine Steuerungseinrichtung
mit der abhängig
von der Umdrehungsgeschwindigkeit eine Stellgröße veränderbar ist.
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Bekannt
ist, an der Kurbelwelle oder Nockenwelle des Verbrennungsmotors
eine Vielzahl von Positionsmarken anzuordnen, die verschiedene Winkelpositionen
der Kurbelwelle in Umdrehungsrichtung markieren. Jeweils dann, wenn
eine der Positionsmarken auf Grund der Drehung der Kurbelwelle eine bestimmte
Drehposition erreicht, wird ein Impulssignal erzeugt. Die Impulssignale
werden gezählt.
Weiterhin wird durch eine Zusatzinformation, beispielsweise durch
den Zeitpunkt, an dem Kraftstoff in einen Arbeitszylinder des Motors
eingespritzt wird, ein Auswertungszeitpunkt festgelegt, zu dem die
Drehzahl der Kurbelwelle berechnet wird.
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Es
gibt Steuerungs- und Regelungssysteme, die als Eingangsgröße die Umdrehungsgeschwindigkeit,
insbesondere die Drehzahl, des Motors benötigen. Ein Beispiel ist ein
System zur Einstellung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments.
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Zur
technischen Hintergrundinformation wird beispielsweise auf die
EP 0 367 973 A1 ,
die
DE 44 10 127 A1 und
die
DE 195 40 675
C1 verwiesen. Bei den bekannten Verfahren werden starre
Segmentlängen definiert.
Weiterhin werden die Drehzahlwerte der Segmentlängen stets erst im nächsten Arbeitsspiel verwertet.
Bei den bekannten Verfahren zur Drehzahlerfassung werden über die
einzelne Zähne
des Sensorsignals Mittelwerte gebildet.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren ein System
und eine Steuerungseinrichtung zur Bestimmung der Umdrehungsgeschwindigkeit
anzugeben, mit denen die Qualität
und/oder Leistungsfähigkeit
derartiger Steuerungs- und Regelungssysteme verbessert werden könnenn.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1,7 oder 8 gelöst.
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Es
wird vorgeschlagen, Zeitwerte zu ermitteln, die jeweils ein Maß für einen
Zeitpunkt sind, an dem eine der Positionsmarken eine bestimmte Drehposition
der Welle erreicht oder erreicht hat, Ferner wird vorgeschlagen,
eine Vielzahl dieser Zeitwerte zu speichern und die Umdrehungsgeschwindigkeit
unter Verwendung zumindest von zwei der gespeicherten Zeitwerte
zu bestimmen.
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Der
Zeitwert kann auf verschiedene Weise erzeugt werden, beispielsweise
durch Zählen und/oder
Auswerten von Taktsignalen, die in gleichen zeitlichen Abständen von
einem Taktsignalgeber erzeugt werden, oder aus dem Ausgangssignal
einer Uhr. Der Zeitwert kann, muss aber nicht genau den Zeitpunkt
wiedergeben, an dem die zugehörige
Positionsmarke die bestimmte Drehposition erreicht hat, insbesondere
wenn bei der Bestimmung der Umdrehungsgeschwindigkeit eine Zeitdifferenz
zwischen diesem Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt gebildet werden
soll und wenn die dabei verwendeten Zeitwerte um den gleichen Betrag
von dem jeweiligen Zeitpunkt abweichen. Der Zeitwert kann auch die Zeitdifferenz
zu einem Referenzzeitpunkt wiedergeben.
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Dadurch,
dass mehrere Zeitpunkte gespeichert werden, an denen die Positionsmarken
die bestimmte, ausgezeichnete Drehposition erreicht haben, ist die
Historie der Drehung zumindest für
einen Zeitabschnitt aufgezeichnet und steht der Auswertung zur Verfügung. Zusätzliche
Information über
die Winkelpositionen der Positionsmarken ist vorzugsweise ebenfalls
gespeichert oder in einfacher weise aus vorhandener Information,
etwa über
die Winkelabstände
der Positionsmarken, ermittelbar. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
kann daher für
beinahe beliebige Zeitpunkte oder Zeitintervalle in dem durch die
gespeicherten Zeitwerte abgedeckten Zeitabschnitt und über diesen
Zeitabschnitt hinaus berechnet werden. Dabei kann durch Interpolation
und/oder Extrapolation auf die Drehstellung der Welle zu anderen
als den Zeitpunkten geschlossen werden, an denen eine der Positionsmarken
die bestimmte Drehposition erreicht hat. Derartige Zeitpunkte können ebenfalls
gespeichert werden, sodass zusätzliche
Positionsmarken simuliert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
verschiedene Arten der Auswertung. Insbesondere ist es möglich, die
Umdrehungsgeschwindigkeit über unterschiedlich
große
Drehwinkel zu berechnen, wobei die Größe der Drehwinkel, auch Segmentlänge genannt,
z. B. von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und/oder einer
mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Einrichtung abhängt. Die
Kopplung ist z. B. mechanischer, steuerungstechnischer und/oder
elektrischer Art.
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Die
Segmentlänge
entspricht insbesondere einem beliebig langen Betrachtungszeitraum, über den
die Umdrehungsgeschwindigkeit ermittelt wird. Durch Wahl der Segmentlänge kann
die Ermittlung nahezu beliebig genau werden, insbesondere der von
unterschiedlichen Anwendungen geforderten Genauigkeit angepasst
werden. Weiterhin kann die Segmentlänge erst nachträglich, nach
dem Speichern der Zeitwerte für
einen bestimmten Zeitraum festgelegt werden. Beispielsweise wird
die Umdrehungsgeschwindigkeit für
einander überlappende Segmente
berechnet. Es ist auch möglich,
den Betrachtungszeitraum zu wählen
bzw. einzustellen und bei der Berechnung der Umdrehungsgeschwindigkeit jeweils
die entsprechende Segmentlänge
zu ermitteln.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
abhängig von
dem Betriebszustand mehr oder weniger der Zeitwerte gespeichert
werden. Auch ist es möglich, zumindest
zeitweise nur die Zeitwerte eines Teils der Positionsmarken zu speichern,
z. B. wenn die Drehzahl hoch ist.
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Die
Positionsmarken können
Stellen der Welle markieren, die in Drehrichtung gleichmäßig voneinander
beabstandet sind oder in ganzzahligen Vielfachen eines Mindestabstandes
voneinander beabstandet sind, wobei eine vorgegebene Anzahl der Positionsmarken,
die aufeinander folgen, bzw. ein ganzzahliges Vielfaches des Mindestabstandes
die Segmentlänge
definieren bzw. definiert. Wird diese Ausführungsform mit der zuvor beschriebenen
Ausführungsform
kombiniert, bei der die Umdrehungsgeschwindigkeit auf Basis eines
Segments mit einer vorgegebenen Segmentlänge bestimmt wird, entspricht
die Segmentlänge
dem ganzzahligen vielfachen des Einheitsabstandes bzw. des Mindestabstandes.
Alternativ sind die Positionsmarken in beliebigen Abständen voneinander
angeordnet. Für
beide Fälle
wird vorgeschlagen, bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit die
zeitwerte der Positionsmarken zu ermitteln und daraus die Abstände zu bestimmen.
Dadurch lassen sich selbst kleine Abweichungen von Sollabständen bestimmen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Veränderung
der Umdrehungsgeschwindigkeit schneller festgestellt werden kann, als
wenn die Auswertung nur regelmäßig dann
durchgeführt
wird, wenn wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik
eine vorgegebene Stelle der Kurbelwelle eine bestimmte Drehposition
erreicht hat.
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Insbesondere
kann der Zeitpunkt einer Änderung
der Umdrehungsgeschwindigkeit genauer ermittelt werden als dies
beim Stand der Technik möglich
ist, da die entsprechenden Zeitinformationen zur Verfügung stehen.
Weiterhin ist es möglich,
die Berechnung abhängig
von dem Betriebszustand des Motors zeitweise häufiger durchzuführen, z.
B. häufiger
in Betriebsbereichen, in denen Drehzahlschwankungen zu erwarten
sind. Weiterhin ist es möglich, die
Berechnung ereignisgesteuert häufiger
oder seltener durchzuführen,
z. B. dann häufiger,
wenn ein Zusatzverbraucher in dem Kraftfahrzeug die mechanische
Last des Motors erhöht.
Der Zusatzverbraucher kann dann ein Signal an eine Drehzahl-Überwachungseinheit
ausgeben, das diese Einheit veranlaßt, die Häufigkeit der Berechnung zu
erhöhen.
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Die
Information darüber,
wann die Positionsmarken die bestimmte Drehposition erreicht haben, erlaubt
eine genauere Analyse einer etwaig festgestellten Veränderung
der Umdrehungsgeschwindigkeit. So kann beispielsweise bei einem
Detektionsfehler, aus dem fälschlicherweise
eine Drehzahlveränderung
abgeleitet wurde, geprüft
werden, ob es sich um einen kurzzeitigen Ausreißer handelt, der einer Plausibilitätsprüfung nicht
standhält.
Beispielsweise kann eine sehr kurzfristige Drehzahlveränderung
bereits deshalb nicht möglich
sein, weil die Trägheit
des Verbrennungsmotors aufgrund der Masse seiner beweglichen Teile
dies verhindert. Würde,
wie beim Stand der Technik, regelmäßig immer nur nach Durchlaufen
der selben Segmente, etwa in 180 Grad-Abständen, ausgewertet, könnte eine
derartige Plausibilitätsprüfung in
der Tiefe nicht durchgeführt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Zeitwerte nur solange gespeichert, wie für den größtmöglichen
bei der Auswertung zu berücksichtigenden
Drehweg erforderlich.
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Das
Erreichen der bestimmten Drehposition wird in einem Ausführungsbeispiel
von einem im Bereich der Welle, insbesondere einer Antriebswelle, ortsfest
ausgerichteten Detektor detektiert, welcher einen Signalgeber aufweist.
Der Signalgeber erzeugt z. B. einen elektrischen Impuls, wenn eine
der Positionsmarken die bestimmte Drehposition erreicht. Der Impuls
kann dann einerseits gezählt
werden, beispielsweise indem er den Zählerstand eines Impulszählers um
1 erhöht.
Andererseits löst
der Impuls bevorzugtermaßen
außerdem
die Ermittlung des Zeitwertes aus.
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Ein
System zur Bestimmung der Umdrehungsgeschwindigkeit einer Welle
des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors weist beispielsweise eine Vielzahl
von Positionsmarken auf, die verschiedene Winkelpositionen der welle
in Umdrehungsrichtung markieren, und ist gekennzeichnet durch:
- – eine
Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung von Zeitpunkten, an denen
eine der Positionsmarken eine bestimmte Drehposition der Welle erreicht oder
erreicht hat,
- – einen
Datenspeicher zur Speicherung von Zeitwerten und
- – eine
Auswertungseinrichtung,
wobei die Ermittlungseinrichtung
derart ausgestaltet und mit dem Datenspeicher verbunden ist, dass
Zeitwerte, die ein Maß für die genannten
Zeitpunkte sind, in dem Datenspeicher gespeichert werden, und wobei
die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet und mit dem Datenspeicher
verbunden ist, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit unter Verwendung
zumindest von zwei der gespeicherten Zeitwerte berechnet wird.
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Weiterhin
wird eine Steuerungseinrichtung mit einem solchen System zur Bestimmung
der Umdrehungsgeschwindigkeit vorgeschlagen. Die Steuerungseinrichtung
weist außerdem
eine Stelleinrichtung auf, die ausgestaltet ist, abhängig von
einem Ausgangssignal, das einen wert der von der Auswertungseinrichtung
bestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit wiedergibt, eine Stellgröße zu verändern, insbesondere
die Umdrehungsgeschwindigkeit zu verändern.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
wird auf die beigefügten
Figuren mit schematischen Darstellungen Bezug genommen. Im Einzelnen
zeigt:
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1 eine
Kurbelwelle mit daran angebrachten Positionsmarken in einer schematischen Querschnittsdarstellung,
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2 einen
Teil eines Systems zur Bestimmung der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Kurbelwelle und
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3 eine
Tabelle mit Zeitwerten.
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An
der in 1 dargestellten Kurbelwelle 1 ist eine
Scheibe 2 angebracht, die bei der Drehung der Kurbelwelle 1 mitdreht.
Die Scheibe 2 und die Kurbelwelle 1 sind koaxial
zu der Drehachse der Kurbelwelle 1 angeordnet. Die Drehrichtung
ist durch Pfeile angedeutet. Im Bereich des Außenumfangs der Scheibe 2 befinden
sich, mit einer Ausnahme, in gleichen Abständen zueinander insgesamt zehn
Positionsmarken 3, die in 1 teilweise
außerdem
mit einer Ordnungszahl bezeichnet sind. "3.12" bezeichnet beispielsweise die Positionsmarke 3 mit
der Ordnungszahl 12. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, fehlen
die Positionsmarken mit den Ordnungszahlen 8 und 9. Dies
dient dazu, die absolute Drehposition der Kurbelwelle 1 feststellen
zu können,
beispielsweise bei oder nach dem Anlassen des verbrennungsmotors.
Statt der Positionsmarken mit den Ordnungszahlen 8 und 9 können z.
B. eine oder mehrere, in 1 nicht dargestellte Bezugsmarken
vorgesehen sein.
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Die
Darstellung in 1 ist rein schematisch zu verstehen.
Insbesondere ist die Zahl der Positionsmarken in der Praxis zweckmäßigerweise
wesentlich größer, um
eine größere Genauigkeit
bei der Drehzahlbestimmung erreichen zu können, und zwar sowohl auf Grund
der damit möglichen
größeren Häufigkeit
der Auswertung, als auch hinsichtlich des kleineren Abstandes und
damit der größeren Zahl
der Positionsmarken, die zu einer detaillierteren Datenbasis führt. Beispielsweise
kann die Anzahl der Positionsmarken 3, die auch Zähne genannt
werden, bei einem Vierzylinder-Ottomotor achtundfünfzig betragen,
wobei zwei Zähne ähnlich wie
in 1 dargestellt weggelassen sind oder durch Bezugsmarken ersetzt
sind.
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Wie
in 1 dargestellt ist, haben die Zähne 3 einen konstanten
Winkelabstand a. Erreicht einer der Zähne 3 eine bestimmte,
vorgegebene Drehposition der Scheibe 2, wird ein Zeitsignal
erzeugt, beispielsweise ein Signal, das eine Auswertungseinrichtung
veranlasst, den aktuellen wert eines Zeitzählers auszulesen. Die vorgegebene
Drehposition ist in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt
beispielhaft einen Teil eines Systems zur Bestimmung der Drehzahl
der Kurbelwelle 1. Erreicht einer der Zähne 3 die vorgegebene
Drehposition, wird dies detektiert und ein Signalgeber 14 erzeugt
ein Signal, beispielsweise ein Impulssignal. Wie in 2 durch
Pfeile angedeutet, wird das Signal sowohl an eine Auswertungseinrichtung 15 als auch
an einen Zeitzähler 13 ausgegeben.
Der Zeitzähler 13,
der beispielsweise die seit einem früheren Referenzzeitpunkt verstrichene
Zeit durch Zählen von
Taktimpulsen misst oder zählt,
gibt nach dem Empfang des Signals einen Zeitwert t an einen Datenspeicher 17 aus.
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Unter
Bezugnahme auf die in 3 dargestellte Tabelle wird
nun erläutert,
wie der Zeitwert t in dem Datenspeicher 17 gespeichert
wird. Insbesondere kann bei einem Reset oder Neustart des Systems
zunächst
festgestellt werden, in welcher Drehposition sich die Kurbelwelle 1 befindet
oder die aktuelle Ordnungszahl kann aus dem vorangegangenen Betrieb
des Motors ermittelt werden. Danach wird der erste in dem Datenspeicher 17 zu
speichernde Zeitwert t gespeichert, und zwar verknüpft mit
der Ordnungszahl des entsprechenden Zahns 3, der das Signal
ausgelöst
hat. Der Datenspeicher 17 weist eine ausreichende Anzahl
von durchnummerierten Datenfeldern auf, in denen jeweils ein Zeitwert
t gespeichert werden kann. Dementsprechend sind in der Tabelle in
der ersten Spalte die Ordnungszahl z des jeweiligen Zahns 3 und
in der zweiten Spalte die Zeitwerte t eingetragen. Aufgrund der
festliegenden Reihenfolge der Zähne 3 und
auch der durchnummerierten Datenfelder braucht der jeweils folgende,
an den Datenspeicher 17 übertragene Zeitwert t lediglich
in die nächst
folgende Zeile der Tabelle eingetragen bzw. in dem nächst folgenden
Datenfeld gespeichert zu werden. Dem System ist bekannt, welche
der Zähne 3 fehlen.
Beispielsweise kann die Auswertungseinrichtung 15 jeweils
dann dem Datenspeicher 17 den Befehl geben, um zwei Datenfelder
weiter zu springen, wenn ein Zeitwert t in das Datenfeld mit der Ordnungszahl
7 gespeichert worden ist. Die Information, welche Ordnungszahl die
aktuelle ist, steht der Auswertungseinrichtung 15 zur Verfügung, da
sie die Signale von dem Signalgeber 14 empfängt.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung sind die Datenfelder für die fehlenden
Zähne 3 nicht
in dem Datenspeicher 17 vozhanden und die Auswertungseinrichtung 15 berücksichtigt
diesen Umstand. Bei einer weiteren Ausgestaltung haben die Zähne unregelmäßige Abstände, die
der Auswertungseinrichtung bekannt sind.
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Wie 2 entnehmbar
ist, findet ein Informationsübertrag
zwischen der Auswertungseinrichtung 15 und dem Datenspeicher 17 in
beiden Richtungen statt. In der Richtung von der Auswertungseinrichtung 15 zu
dem Datenspeicher 17 können beispielsweise,
wie oben beschrieben, Steuerungsbefehle, Befehle zum Auslesen von
Zeitwerten t oder auch zur Initialisierung des Datenspeichers 17 benötigte Informationen übertragen
werden. In der anderen Richtung werden insbesondere die zeitwerte
t, bei Bedarf aber auch die zugehörigen Ordnungszahlen z übertragen.
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Hierdurch
wird die Auswertungseinrichtung 15 in die Lage versetzt,
für jeden
beliebigen Zeitpunkt, der durch die in dem Datenspeicher 17 gespeicherten
Zeitwerte t abgedeckt ist, die Drehzahl n zu berechnen. Zwischenwerte,
die innerhalb oder außerhalb
des durch die gespeicherten Zeitwerte t abgedeckten Zeitraums liegen
können,
werden bei Bedarf ermittelt, z. B. durch lineare Interpolation und/oder
unter Verwendung von Splines. Aufgrund der Möglichkeit, Zwischenwerte zu
ermitteln, kann die Zahl der Positionsmarken bei gleicher oder sogar höherer Genauigkeit
der Drehzahlberechnung gegenüber
dem Stand der Technik reduziert werden.
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Die
in 3 dargestellte Tabelle zeigt ein Beispiel für Zeitwerte
t, die für
eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle 1 gespeichert wurden.
Alternativ kann die Tabelle z. B. doppelt so lang sein, bzw. der
Datenspeicher 17 doppelt so viele Datenfelder aufweisen,
um die Zeitwerte t für
eine Umdrehung der Nockenwelle, d. h. zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 1 aufzunehmen.
Die Zeitwerte t sind in beliebigen Einheiten angegeben. Für das folgende
Auswertungsbeispiel kommt es auch nur darauf an, wie groß die Differenzen
zwischen den einzelnen Zeitwerten t sind.
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Die
Zeitabstände
zwischen den in 3, Spalte zwei aufgetragenen
Zeitwerten t betragen jeweils 100, mit Ausnahme der Zeitabstände zwischen den
Zeitwerten t der Datenzeilen bzw. Ordnungszahlen 2 bis 5, die kleiner
sind, und zwischen den Ordnungszahlen 7 bis 10, die unbekannt sind.
Es wird angenommen, dass alle unbekannten, sowie die dem in 2 dargestellten
Zustand vorausgehenden und nachfolgenden Zeitabstände jeweils
100 betragen. Den Zeitwerten ist daher entnehmbar, dass eine Zunahme
der Umdrehungsgeschwindigkeit stattgefunden hat, nachdem der Zahn 3.2 die
ausgezeichnete Drehposition erreicht hat. Die Auswertung kann dann für jeden
beliebigen Zeitpunkt nach folgender Formel durchgeführt werden: n = Δφ/(t1 – t2),wobei Δφ der Winkelabstand
(Segmentlänge)
eines Segments ist, über
das ausgewertet wird, und wobei t1 bzw. t2 der Zeitwert desjenigen
Zeitpunkts t ist, an dem das Ende bzw. der Anfang des Segments die ausgezeichnete
Drehposition erreicht hat.
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Auf
diese Weise kann die Zunahme der Umdrehungsgeschwindigkeit ab dem
Zahn 3.2 bereits kurze Zeit später erkannt werden. insbesondere
ab dem Zeitpunkt, an dem der Zahn 3.3 die ausgezeichnete
Drehposition erreicht. Eine Änderung
der Umdrehungsgeschwindigkeit kann somit schneller festgestellt
werden, als wenn die Auswertung nur für bestimmte, vorgegebene Drehpositionen
der Kurbelwelle 1 durchgeführt wird, z. B. ausschließlich für die Zähne 3.1, 3.1, 3.13,
und 3.19. In diesem Vergleichsbeispiel wäre die Abnahme
der Drehzahl n erst bei der Auswertung für den Zahn 3.7 bemerkt
wurden, also um einen Zeitraum später, der den Abständen zwischen
vier Zähnen
oder anders ausgedrückt
einem Drittel einer Umdrehung der Welle entspricht.
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Aufgrund
der Erfindung lässt
sich außerdem ab
dem Zeitpunkt, an dem der Zahn 3.3 die ausgezeichnete Drehposition
erreicht, ein vor diesem Zeitpunkt liegender Zeitpunkt ermitteln,
an dem die Zunahme der Umdrehungsgeschwindigkeit begonnen hat. Der
Zeitpunkt des Beginns der Zunahme kann z. B. durch Interpolation
und/oder Extrapolation ermittelt werden, wobei die Genauigkeit der
Ermittlung im allgemeinen zunehmen wird, wenn weitere, später erfasste
Informationen mitberücksichtigt
werden, etwa die entsprechenden Zeitpunkte der Zähne 3.4 und 3.5.
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Die
Erfindung ist speziell anwendbar bei Verbrennungsmotoren. Typisch
für Verbrennungsmotoren
sind kurzzeitige Drehzahlschwankungen während des Arbeitszyklus eines
oder mehrerer Arbeitseinheiten des Motors, insbesondere eines oder
mehrerer Arbeitszylinder. So kann es beispielsweise bei Otto-Motoren dazu kommen,
dass die Kompressionsphase und die Expansionsphase eines oder mehrerer
Arbeitszylinder unterschiedlich lange dauern. Derartige Unterschiede
bzw. die entsprechenden Drehzahlschwankungen können unter Anwendung der Erfindung
ermittelt und analysiert werden.