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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Steuerung einer direkten Einspritzung einer Brennkraftmaschine
bei einem Neustart der Brennkraftmaschine. Für den Einsatz in modernen Kraftfahrzeugen
ist es erforderlich, dass die Brennkraftmaschine kurzzeitig abgestellt
und wieder in Betrieb genommen werden kann. Dies ist insbesondere
von Vorteil, wenn das Fahrzeug an einer roten Ampel steht und durch das
Abstellen der Brennkraftmaschine Kraftstoff und Abgase eingespart
werden.
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Zur Realisierung dieser häufigen Start-Stopp Situationen
werden beispielsweise Motor/Generatorkombinationen eingesetzt, die
in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine entweder als elektrischer
Motor zum Starten der Brennkraftmaschine oder als Generator zum
Gewinnen von elektrischer Energie durch die Brennkraftmaschine eingesetzt
werden können.
Aus
DE 19 741 294
A1 ist ein derartiger Antrieb eines Kraftfahrzeuges bekannt,
der einen Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine unterstützt und
durch den Einsatz eines elektrischen Motors einen schnellen Selbstlauf
des Verbrennungsmotors bewirkt. Dabei wird beim Start des Verbrennungsmotors
die Kurbelwelle über
eine in Motorbetrieb geschaltete elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle
des Verbrennungsmotors kraftschlüssig gekoppelt
ist, in eine vorgegebene Startposition gebracht. Nach Erreichen
der Startposition der Kurbelwelle wird eine Direkteinspritzung des
Kraftstoffes gestartet und die Zündung
des Kraftstoffes bewirkt. Während
des gesamten Startvorgangs gibt die elektrische Maschine ein Drehmoment
an die Kurbelwelle ab.
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Aus
DE 19 835 045 C2 ist ein Verfahren zum Anlassen
einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fremdzündung bekannt.
Das bekannte Verfahren weist eine Bremsvorrichtung auf, mit der
die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beim Abstellen der Brennkraftmaschine
in einer festgelegten Winkelstellung angehalten wird. Die festgelegte Winkelstellung
entspricht einem Arbeitstakt eines Kolbens der Brennkraftmaschine,
so dass die Brennkraftmaschine durch Einspritzen von Kraftstoff
und Zünden
des Kraftstoffs in den Zylinder des Kolbens, der sich im Arbeitstakt
befindet, ohne zusätzliche
Hilfe gestartet werden kann.
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Aus
DE 10 039 948 A1 ist ein Verfahren zum Starten
der Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mit Hilfe eines Kurbelwinkelsensors
die Stellung der Kurbelwelle erfasst und ein Zylinder ermittelt
wird, der sich kurz nach dem oberen Totpunkt befindet. In den Brennraum
des Zylinders wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeblasen. Dazu
sind elektromagnetisch betätigbare
Einlassventile vorgesehen. Anschließend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch
gezündet,
so dass die Brennkraftmaschine ohne eine elektrische Startmaschine
gestartet werden kann. Diese Funktionsweise ist insbesondere bei
einem Start-Stopp-Betrieb von Vorteil.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein verbessertes Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine
bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch
das Verfahren gemäß Anspruch
1 und durch die Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass neben einem Geber für die Kurbelwelle, der nur
eine einzige Position der Kurbelwelle während einer Umdrehung der Kurbelwelle
erfasst, eine Absolutgeberanordnung vorgesehen ist, mit der die
absolute Winkellage der Nockenwelle oder der Kurbelwelle erfasst
wird. In Abhängigkeit vom
Signal der Absolutgeberanordnung wird die Einspritzung und/oder
die Zündung
der Brennkraftmaschine nach dem Start der Brennkraftmaschine so lange
gesteuert, bis ein genaueres Signal für die Lage der Kurbelwelle
vom Kurbelwellengeber erfasst wurde. Erfasst der Kurbelwellengeber
die Position der Kurbelwelle, werden die Einspritzung und Zündung abhängig vom
Signal des Kurbelwellengebers gesteuert. Die Absolutgeberanordnung
liefert zwar grundsätzlich
ein ungenaueres Signal für
die Stellung der Kolben in der Brennkraftmaschine im Vergleich zum
Kurbelwellengeber. Jedoch reicht die Genauigkeit dieses Signals
für einen
Startvorgang aus, um abhängig
von dem Signal der Absolutgeberanordnung einen Kolben zu ermitteln,
der sich entweder im Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt befindet.
Je nach Phasenlage der Kolben kann es relativ lange dauern, bis
der Geber der Kurbelwelle die Position der Kurbelwelle erfasst und
somit eine präzise
Bestimmung der Lage der Kolben, d.h. eine Synchronisation möglich ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
bereits vor der Synchronisation der Kolben eine Einspritzung und/oder
eine Zündung
in einem Zylinder der Brenn kraftmaschine vornehmen zu können. Folglich
wird die Zeit zwischen dem anfänglichen
Drehen der Kurbelwelle und der ersten Einspritzung und der ersten
Verbrennung in der Brennkraftmaschine reduziert. Somit wird die
Brennkraftmaschine früher über einen
Verbrennungsvorgang angetrieben, so dass der zum Starten der Brennkraftmaschine
verwendete Starter nur kurzzeitig benötigt wird. Dieses Verfahren
ist insbesondere bei Ottomotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung einsetzbar und ermöglicht die
Realisierung einer Start-Stopp-Funktionalität ohne einen großen Stromverbrauch
oder eine lange Beanspruchung des Starters.
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Die Verwendung der Start-Stopp-Funktion erlaubt
es, bei einem Fahrzeugstopp den Motor automatisch abzustellen und
bei Loslassen der Bremse, bevor der Fahrer das Gaspedal betätigt, wieder
automatisch zu starten. Somit kommt es für den Fahrer zu keiner merkbaren
Verzögerung
beim Startvorgang. Die für
den Startvorgang benötigte
Synchronisierung zwischen der Phasenlage der Kolben und der Einspritzung
bzw. der Zündung
wird durch die Verwendung des Signals des Absolutgebers früher zur
Verfügung
gestellt, als es durch das Signal des Gebers der Kurbelwelle möglich wäre.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist als Absolutgeberanordnung
ein Absolutgeber für die
Nockenwelle vorgesehen. Der Absolutgeber erfasst sofort beim Start
der Brennkraftmaschine die absolute Winkellage der Nockenwelle.
Die absolute Winkellage der Nockenwelle kann näherungsweise dazu verwendet
werden, um beim Start die Phasenlage der Kolben zu ermitteln. Dazu
sind entsprechende Diagramme und/oder Tabellen abgespeichert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind als Absolutgeberanordnung ein Winkelbereichsensor für die Nockenwelle
und ein zweiter Absolutgeber für
die Kurbelwelle vorgesehen. Der Winkelbereichsensor erfasst nach
dem Start, in welchen von zwei Winkelbereichen sich die Nockenwelle
während
einer Umdrehung befindet. Der zweite Absolutgeber erfasst beim Start
die absolute Winkellage der Kurbelwelle. Aus einer Kombination der
beiden Signale wird die Phasenlage der Kolben ermittelt. Dazu sind
entsprechende Diagramme und/oder Tabellen abgespeichert. Vorzugsweise
wird in Abhängigkeit vom
Signal der Absolutgeberanordnung eine Brennkammer eines Kolbens
ausgewählt,
der sich gerade beim Start der Brennkraftmaschine im Ansaugtakt befindet.
In die Brennkammer des ausgewählten
Kolbens wird während
des Ansaugtaktes Kraftstoff eingespritzt. Das Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum, dessen Kolben sich im Ansaugtakt befindet, bietet
den Vorteil, dass der eingespritzte Kraftstoff mit der angesaugten
Luft verwirbelt wird und durch die folgende Zündung eine relativ saubere
Verbrennung erreicht wird.
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Vorzugsweise wird auch abhängig vom
Signal der Absolutgeberanordnung ein Zündvorgang für den Brennraum gestartet,
in den der Kraftstoff eingespritzt wurde. Dabei wird abhängig vom
Signal der Absolutgeberanordnung der Zündzeitpunkt für die ausgewählte Brennkammer
festgelegt. Somit kann auch der Zündvorgang durch das Signal
der Absolutgeberanordnung relativ genau festgelegt werden, obwohl
noch keine Synchronisation über
die Kurbelwelle stattgefunden hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird Kraftstoff in eine Brennkammer eingespritzt, dessen Kolben
sich beim Start der Brennkraftmaschine im Kompressionstakt befindet.
Dieses Verfahren wird eingesetzt, wenn der Druck des Kraftstoffes
höher als
der Kompressionsdruck ist, der in der Brennkammer beim Verdichtungstakt
herrscht. Der Kraftstoff wird bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung
von einem Kraftstoffreservoir bereitgestellt, das den Kraftstoff mit
einem veränderlichen,
relativ hohen Druck bereithält.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass innerhalb kürzester
Zeit nach dem Startvorgang der Brennkraftmaschine, d.h. nach dem
Bewegen der Kurbelwelle, ein Verbrennungsvorgang stattfindet und
damit die Brennkraftmaschine über
die Verbrennungsvorgänge
angetrieben wird. Damit wird die Zeit, in der der Starter die Brennkraftmaschine
antreiben muss, minimiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist ein Geber für
die Kurbelwelle vorgesehen, der an zwei Positionen während einer
Umdrehung der Kurbelwelle die Position der Kurbelwelle erfasst, so
dass innerhalb kürzerer
Zeit eine Synchronisierung der Einspritzung und der Zündung abhängig von der
Lage der Kurbelwelle durchgeführt
werden kann. Somit ist die Zeit, die durch das Signal des Absolutgebers überbrückt werden
muss, im Mittel reduziert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Startergenerator,
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2 einen
Ausschnitt der Brennkraftmaschine mit einem Querschnitt durch einen
Zylinder,
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3 ein
Ablaufdiagramm für
das erfindungsgemäße Verfahren,
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4 ein
erstes Diagramm zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 ein
zweites Diagramm zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem Hochdruckstart,
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6 ein
drittes Diagramm zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einem Geberrad mit zwei Zahnlücken,
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7 eine
weitere Ausführungsform
einer Brennkraftmaschine und
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8 ein
viertes Diagramm zur Erläuterung des
Verfahrens mit Hilfe der zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit
einer Kurbelwelle 2, die über Pleuelstangen 7 mit
vier Kolben 3 verbunden ist. Die Kolben 3 sind
beweglich in Zylindern 4 geführt. Ein Kolben 3 begrenzt
in einem Zylinder 4 eine Brennkammer 6, in der
ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebracht und gezündet wird. Die Kurbelwelle 2 ist
in einem Gehäuse
der Brennkraftmaschine drehbar gelagert und steht mit einem Startergenerator 5 in
Verbindung. Jeweils zwei Kolben 3 befinden sich in der
gleichen Phase. In dem dargestellten Beispiel befinden sich die
zwei äußeren Zylinder 3 nahe dem
oberen Totpunkt und die zwei inneren Zylinder 3 nahe dem
unteren Totpunkt.
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Bei einem Start der Brennkraftmaschine
wird der Startergenerator 5 angesteuert. Dabei bringt der Startergenerator 5 die
Kurbelwelle 2 zum Drehen und versetzt damit die Zylinder 3 zu
Auf- und Abbewegungen in den Zylindern 4.
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Zwischen dem Startergenerator 5 und
der Kurbelwelle 2 ist ein Freilauf angeordnet, so dass
bei einsetzender Verbrennung in den Brennkammern 6 sich
die Kurbelwelle 2 unabhängig
von der Drehung des Startergenerators 5 drehen kann. Nach
dem Startvorgang wird der Startergenerator 5 wieder abgeschaltet
und die Brennkraftmaschine 1 treibt durch die Verbrennungen
in den Brennkammern 6 die Kurbelwelle 2 an. Die
Kurbelwelle 2 steht mit einem nicht dargestellten Antriebsstrang
in Verbindung und sorgt für
einen entsprechenden Antrieb eines Kraftfahrzeuges.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen der vier Zylinder 4 der
Brennkraftmaschine 1. Der Zylinder 4 weist einen
Zylinderkopf auf, in dem ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 9 angeordnet
sind. Das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 stehen
in Wirkverbindung mit einer Nockenwelle 10. Die Nockenwelle 10 weist
Antriebsnocken auf, die das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 zu
festgelegten Zeiten öffnen
bzw. schließen.
Die Nockenwelle 10 ist in der Brennkraftmaschine 1 drehbar
gelagert und wird von der Kurbelwelle 2 beispielsweise über eine
Kette angetrieben. Das Einlassventil 8 ist einer Einlassöffnung zugeordnet, über die
die Brennkammer 6 mit einem Ansaugkanal 11 in
Verbindung steht. Im Ansaugkanal 11 ist eine Drosselklappe 12 angeordnet,
die die Luftmenge festlegt, die bei einem Ansaugtakt eines Kolbens 3 in
die Brennkammer 6 gesaugt wird.
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Das Auslassventil 9 ist
in einer Auslassöffnung
angeordnet, über
die die Brennkammer 6 mit einem Abgaskanal 13 verbindbar
ist. Zusätzlich
zum Einlass- und Auslassventil 8, 9 sind noch
eine Zündkerze 14 und
ein Einspritzventil 15 im Zylinderkopf angeordnet. Das
Einspritzventil 15 steht über eine Kraftstoffleitung 16 mit
einem Kraftstoffspeicher 17 in Verbindung. Der Kraftstoffspeicher 17 wird
von einer Kraftstoffpumpe mit Kraftstoff versorgt. Im Kraftstoffspeicher 17 wird
Kraftstoff mit einem variablen Druck bereitgehalten, der bei einer
Ottobrennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung bis zu
180 bar abhängig
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine erreichen kann.
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Der Kurbelwelle 2 ist ein
Geber 18 zugeordnet, der während einer Umdrehung der Kurbelwelle 2 eine
einzige Position der Kurbelwelle 2 erfasst. Dazu weist
beispielsweise die Kurbelwelle 2 ein Zahnrad 35 auf,
das 60 Zähne
aufweist, wobei eine Lücke
vorgesehen ist, die so breit wie zwei Zähne ist ((60-2) Zahnrad).
Weiterhin ist ein Hall-Sensor
vorgesehen, der im Bereich der Zahnreihe des Zahnrades angeordnet
ist und bei einer Umdrehung der Kurbelwelle 2 das Vorbeibewegen
der Zahnlücke
und somit eine absolute Drehposition der Kurbelwelle erfasst.
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Der Geber 18 steht mit einem
Steuergerät 19 in
Verbindung. Das Steuergerät 19 steht
weiterhin mit der Drosselklappe 12, dem Einspritzventil 15,
einer Zündanlage 20 und
dem Startergenerator 5 in Verbindung. Die Zündanlage 20 ist
wiederum über
eine Zündleitung
mit der Zündkerze 14 verbunden.
Das Steuergerät 19 weist
eine Schnittstelle 21 und eine zentrale Steuereinheit 22 auf.
Weiterhin ist ein Drucksensor 36 am Kraftstoffspeicher 17 vorgesehen,
der über
eine Signalleitung mit dem Steuergerät 19 verbunden ist. Über die
Schnittstelle 21 wird ein Datenaustausch zwischen den Sensoren
und den anzusteuernden Stellgliedern, wie z.B. dem Startergenerator 5 und
der Zündanlage 20,
ermöglicht.
Weiterhin steht die zentrale Steuereinheit 22 mit einem
Festwertspeicher 23 und mit einem Datenspeicher 24 in Verbindung.
Das Steuergerät 19 steht
zudem mit weiteren Sensoren, wie z.B. einem Gaspedalsensor, der die
Gaspedalstellung und damit den Fahrerwunsch erfasst, in Verbindung.
Im Festwertspeicher 23 sind Startparameter, Verfahren und
Kennlinien abgespeichert, mit denen das Steuergerät 19 Einspritzvorgänge und
Zündvorgänge für die Zylinder 4 in
Abhängigkeit
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wie z.B. der Last
und der Drehzahl steuern kann. Im Datenspeicher 24 sind
variable Parameter abgelegt, mit denen eine optimierte Steuerung
der Einspritzung und der Zündung
der Verbrennungsvorgänge
erreicht werden kann. Der Nockenwelle 10 ist als Absolutgeberanordnung
ein Absolutgeber 25 zugeordnet, der die Absolutposition
der Nockenwelle 10 beim Start der Brennkraftmaschine erfasst.
Der Absolutgeber 25 erfasst dabei die absolute Winkellage
der Nockenwelle während
einer Umdrehung der Nockenwelle, d.h. einen Winkelwert von 0° bis 360° Nockenwellenwinkel.
Der Absolutgeber 25 ist an das Steuergerät 19 angeschlossen.
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Das Steuergerät 19 steuert die Stellung
der Drosselklappe 12, die vom Einspritzventil 15 einzuspritzende
Kraftstoffmenge und den Zündzeitpunkt, zu
dem die Zündkerze 14 einen
Zündfunken
abgeben soll. Weiterhin wird vom Steuergerät 19 die nicht dargestellte
Kraftstoffpumpe gesteuert, so dass im Kraftstoffspeicher 17 ein
gewünschter
Kraftstoffdruck vorliegt.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine
wird anhand des schematischen Programmablaufs der 3 näher
erläutert.
Bei Programmpunkt 50 steuert die Brennkraftmaschine 1 in
Abhängigkeit
von Last und Drehzahl die Einspritzung, d.h. den Einspritzzeitpunkt,
die Einspritzdauer und die Zündung,
d.h. den Zündzeitpunkt.
Beim folgenden Programmpunkt 55 überprüft das Steuergerät 19,
ob eine Stoppsituation vorliegt. Eine Stoppsituation wird dann erkannt,
wenn das Kraftfahrzeug bei betätigter
Bremse länger
als 1 Sekunde steht. Wird bei Programmpunkt 55 keine Stoppsituation
festgestellt, wird zu Programmpunkt 50 zurückverzweigt.
Erkennt jedoch das Steuergerät 19 bei
Programmpunkt 55 eine Stoppsituation, so wird zu Programmpunkt 60 verzweigt.
Bei Programmpunkt 60 beendet das Steuergerät 19 Einspritz-
und Zündvorgänge. Somit
wird kein Verbrennungsvorgang mehr ausgelöst, so dass die Kurbelwelle 2 zum
Stehen kommt. Gleichzeitig wird vorzugsweise im Datenspeicher 24 die
Information abgelegt, dass eine Stoppsituation aufgetreten ist.
Beim folgenden Programmpunkt 65 überwacht das Steuergerät 19,
ob der Fahrer ein Startsignal abgibt. Ein Startsignal kann darin
bestehen, dass die Betätigung der
Bremse gelöst
wird und das Gaspedal betätigt wird.
Wird bei Programmpunkt 65 ein Startsignal erkannt, so wird
zu Programmpunkt 70 verzweigt. Bei Programmpunkt 70 startet
das Steuergerät 19 nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
den Betrieb der Brennkraftmaschine 1. Dazu wird zuerst
der Startergenerator 5 angesteuert, so dass die Kurbelwelle 2 in eine
Drehbewegung versetzt wird.
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Beim folgenden Programmpunkt 75 erfasst das
Steuergerät 19 die
absolute Winkellage der Nockenwelle 10. Gleichzeitig überwacht
das Steuergerät 19 den
Geber 18 und wartet auf das Erkennen der Zahnlücke, das
dem Steuergerät 19 die
exakte Winkelposition der Kurbelwelle 2 anzeigt.
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Bei der beschriebenen Startposition
kennt jedoch das Steuergerät 19 die
Winkelposition der Kurbelwelle 2 noch nicht, so dass in
der Anfangszeit nur das Signal des Absolutgebers 25 eine
Information über
die Phasenlage der Kolben 3 zur Verfügung stellt. Die Winkelposition
der Nockenwelle 10 gibt jedoch eine ungenauere Information über die
Kolben 3 wieder, da die Kolben 3 nicht direkt
mit der Nockenwelle 10 phasenfest verbunden sind. Das Signal
des Absolutgebers 25 reicht jedoch dazu aus, um eine angenäherte Phasenlage
der Kolben 3 zu bestimmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren
wird die Ungenauigkeit der Information hingenommen und in Abhängigkeit
vom Signal des Absolutgebers 25 die Einspritzung von Kraftstoff
und die Zündung
des Kraftstoffes von dem Steuergerät 19 gesteuert. Wird dem
Steuergerät 19 zu
einem späteren
Zeitpunkt die Winkellage der Kurbelwelle 2 über den
Geber 18 mitgeteilt, dann verwendet das Steuergerät 19 für weitere
Einspritz- und/oder Zündvorgänge die
Winkelposition der Kurbelwelle 2, um die Phasenlage der
Kolben 3 zu bestimmen. Sowohl für die Winkel der Nockenwelle
als auch für
die Winkelposition der Kurbelwelle sind Diagramme und/oder Tabellen
[im Festwertspeicher 23] abgelegt, anhand derer die Phasenlagen
der Kolben vom Steuergerät
ermittelt werden kann.
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Die exakte Winkelposition der Kurbelwelle 2 legt
die Phasenlagen aller Kolben 3 der Brennkraftmaschine 1 präzise fest.
Kennt nun das Steuergerät 19 die
aktuelle Winkelposition der Kurbelwelle 2, so kennt das
Steuergerät 19 auch
die aktuelle Phasenlage der Kolben 3. Die Kolben 3 sind über die
Pleuelstange 7 in der Phase gegenüber der Kurbelwelle 2 festgelegt.
Das Steuergerät 19 benötigt für die präzise Festlegung
des Einspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer und für die präzise Festlegung
des Zündzeitpunktes
die präzise
Phasenlage des entsprechenden Kolbens 3.
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Anhand der folgenden 4 bis 6 werden verschiedene
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
näher erläutert.
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4 zeigt
ein erstes Diagramm, in dem abhängig
von der Zeit t das Signal des Absolutgebers 25, ein Synchronisationssignal
Synch des Steuergerätes 19,
das Signal des Gebers 18 und die Phasenlagen von vier Kolben 3 dargestellt
sind. Für
einen vollständigen
Arbeitstakt sind bei einer Viertakt-Brennkraftmachine zwei vollständige Umdrehungen
der Kurbelwelle und eine Umdrehung der Nockenwelle notwendig. Der
Absolutgeber 25 gibt ein Winkelsignal W ab, das die Winkellage
von 0° bis 360° der Nockenwelle 10 über eine
Umdrehung anzeigt. Eine Umdrehung der Nockenwelle 10 deckt
alle vier Arbeitstakte eines Kolbens während zweier Umdrehungen der
Kurbelwelle 2 ab. Dabei ist ein erstes Phasendiagramm 31 eines
ersten Kolbens der Brennkraftmaschine direkt unter dem Signal des
Gebers 18 dargestellt. Unter dem ersten Phasendiagramm 31 ist
ein drittes Phasendiagramm 33 eines dritten Kolbens der
Brennkraftmaschine dargestellt. Darunter ist ein viertes Phasendiagramm 34 eines vierten
Kolbens der Brennkraftmaschine dargestellt. Als letztes ist ein
zweites Phasendiagramm 32 eines zweiten Kolbens der Brennkraftmaschine über die Zeit
dargestellt. Für
die Darstellung der Phasenzustände
werden für
die vier Kolben die gleichen Symbole verwendet.
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Beim dritten Phasendiagramm 33 beginnt das
Phasendiagramm mit einer dicken durchgezogenen Linie, die einen
Hub ei nes Einlassventils 8 symbolisiert. Während das
Einlassventil 8 geöffnet
ist, wird Luft über
das Einlassventil 8 in die Brennkammer 6 des dritten
Zylinders des dritten Kolbens gesaugt. Der dritte Kolben befindet
sich dabei in einem Ansaugtakt A. Nach dem Schließen des
Einlassventils 8 beginnt ein Verdichtungstakt V, der im
dritten Phasendiagramm 33 im Anschluss an den Ansaugtakt
in Form einer steil ansteigenden Druckkennlinie P dargestellt ist.
Die Druckkennlinie stellt den Druck in der Brennkammer des dritten
Zylinders dar. Der Verdichtungstakt V geht bis zu einem oberen Totpunkt
OT, der als gepunktete senkrechte Linie im dritten Phasendiagramm 33 dargestellt
ist. Im Bereich des oberen Totpunktes OT erfolgt eine Zündung, die in
Form eines Blitzes schematisch dargestellt ist. Nach dem oberen
Totpunkt OT folgt ein Verbrennungstakt VT. Während des Verbrennungstaktes steigt
kurz nach dem oberen Totpunkt OT der Druck in der Brennkammer 6 weiter
an, wie in dem dritten Phasendiagramm 33 dargestellt ist.
Dabei bewegt sich jedoch der dritte Kolben wieder nach unten, so dass
nach einem Höhepunkt
der Druck in der Brennkammer wieder sinkt. Während des Verbrennungstaktes
VT wird über
die Kurbelwelle 2 ein Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 1 angetrieben.
Nach dem Verbrennungstakt VT folgt ein Ausstoßtakt AT, während dessen das in der Brennkammer 6 beim Verbrennungstakt
VT erzeugte Abgas ausgestoßen wird.
Beim Ausstoßtakt
ist der Hub des Auslassventils 9 dargestellt. Beim folgenden
oberen Totpunkt OT wird das Auslassventil 9 wieder geschlossen
und das Einlassventil 8 geöffnet. Somit wird wieder Luft
in einem Ansaugtakt A angesaugt.
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Die Phasenabläufe der vier Kolben sind alle gleich,
wobei jedoch die Phasen der einzelnen Kolben um eine halbe Kur belwellenumdrehung
gegeneinander versetzt sind. Zum Durchlaufen eines gesamten Verbrennungsvorgangs
mit dem Ansaugtakt A, dem Verdichtungstakt V, dem Verbrennungstakt VT
und dem Ausstoßtakt
AT wird bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine
die Kurbelwelle um zwei volle Umdrehungen gedreht. Die Nockenwelle 10 hingegen
wird dabei nur um eine Umdrehung gedreht. Im Folgenden wird davon
ausgegangen, dass sich bei einem Start die Brennkraftmaschine 1 in
einer ersten Position P1 befindet. Die erste Position P1 liegt kurz
nach dem Durchlaufen der Zahnlücke
des Zahnrades 35 durch den Geber 18. Startet die
Brennkraftmaschine 1 in der ersten Position P1, so erkennt das
Steuergerät 19 aufgrund
des Signales des Absolutgebers 25, dass sich der erste
Kolben, dessen Phasenlage im ersten Phasendiagramm 31 dargestellt
ist, in einem Verdichtungstakt V, der dritte Kolben, dessen Phasenlage
im dritten Phasendiagramm 33 dargestellt ist, in einem
Ansaugtakt A, der vierte Kolben, dessen Phasenlage im vierten Phasendiagramm 34 dargestellt
ist, in einem Ausstoßtakt
AT und der zweite Kolben, dessen Phasenlage im zweiten Phasendiagramm 32 dargestellt
ist, in einem Verbrennungstakt VT befindet. Da das Steuergerät 19 noch
kein Synchronisationssignal Synch erhalten hat, wird das Signal
des Absolutgebers 25 dazu verwendet, um eine Einspritzung
zu steuern. Das Steuergerät 19 vergleicht
zusätzlich
den Druck des Kraftstoffes im Kraftstoffspeicher 17 und
erkennt, dass der Druck im Kraftstoffspeicher 17 kleiner
ist als der Druck, der bei einer Verdichtung durch den dritten Kolben
auftritt. Somit liegt eine Niedrigdrucksituation vor. Bei einer
Niedrigdrucksituation gibt das Steuergerät 19 einen Steuerbefehl
an das Einspritzventil 15, das der Brennkammer des dritten
Kolbens zugeordnet ist, so dass noch während des Ansaugtaktes in einem
ersten Zeitpunkt T1 Kraftstoff in die Brennkammer des dritten Zylinders
eingespritzt wird.
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Der Einspritzvorgang zum ersten Zeitpunkt T1
ist im dritten Phasendiagramm 33 in Form einer Rechteckfläche dargestellt.
Nach Abschluss des Ansaugtaktes A des dritten Kolbens folgt der
Verdichtungstakt V und das Steuergerät 19 gibt zu einem zweiten
Zeitpunkt T2 ein Signal an die Zündanlage 20,
so dass zum zweiten Zeitpunkt T2 eine Zündung in der Brennkammer des
dritten Kolbens ausgelöst wird.
Der zweite Zeitpunkt T2 liegt im Bereich des oberen Totpunktes des
dritten Kolbens. Zu diesem Zeitpunkt hat das Steuergerät 19 noch
keine weitere Information über
die exakte Phasenlage der Kolben, da der Geber 18 noch
nicht die Zahnlücke
erkannt hat. Nach der Zündung
verbrennt der Kraftstoff in der Brennkammer des dritten Zylinders
während
des Verbrennungstaktes VT. Anschließend wird nach dem folgenden
unteren Totpunkt UT über
einen Ausstoßtakt
AT das Abgas über
das Auslassventil 9 ausgegeben.
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Parallel dazu erkennt das Steuergerät nach dem
ersten Zeitpunkt T1, dass sich der vierte Zylinder des vierten Kolbens,
dessen Phasenlage im vierten Phasendiagramm 34 dargestellt
ist, ab einem dritten Zeitpunkt T3 in einem Ansaugtakt A befindet. Folglich
gibt das Steuergerät 19 ein
Signal an das Einspritzventil 15, das dem vierten Zylinder
des vierten Kolbens zugeordnet ist, um zu einem vierten Zeitpunkt
T4 einen Einspritzvorgang zu starten. Der vierte Zeitpunkt T4 liegt
noch innerhalb des Ansaugtaktes A des vierten Zylinders. Bei einem
folgenden fünften
Zeitpunkt T5 erfasst der Geber 18 die Zahnlücke des
Zahnrades 35, so dass ein Synchronisationssignal Synch
an das Steuergerät 19 abgegeben
wird. Mit Erhalt des Synchronisationssignales steuert das Steuergerät 19 alle
weiteren Vorgänge
nach der Phasenlage der Kurbelwelle 2. Somit wird die Zündung für den vierten
Zylinder, die zu einem späteren
sechsten Zeitpunkt T6 erfolgt, abhängig von dem Synchronisationssignal
des Gebers 18 zum sechsten Zeitpunkt T6 durch das Steuergerät 19 gesteuert.
Auch alle weiteren Vorgänge
für weitere
Einspritzungen oder Zündvorgänge werden
vom Steuergerät 19 abhängig vom
Synchronisationssignal des Gebers 18 gesteuert.
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Die Information über die Winkellage der Kurbelwelle 2 weist
den Vorteil auf, dass die Phasenlagen der Kolben präzise in
Bezug auf die Drehposition der Kurbelwelle 2 ermittelt
werden können.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht jedoch darin, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine
in den Zeitbereichen, in denen noch kein Synchronisationssignal
des Gebers 18 erfasst wurde, die Einspritzung und/oder
die Zündung
abhängig
von dem Signal des Absolutgebers 25 vom Steuergerät 19 gesteuert
werden. Der Absolutgeber 25 gibt ein Signal für die Winkellage
der Nockenwelle 10 ab, der einen Winkelwert über zwei
Kurbelwellenumdrehungen erfasst. Damit kann die Phasenlage der einzelnen
Zylinder der Brennkraftmaschine aufgrund des Signals des Absolutgebers 25 ermittelt
werden. Die Nockenwelle 10 ist beispielsweise über eine
Antriebskette in der Phase mit der Kurbelwelle 2 und damit
mit den Phasenlagen der Kolben verbunden. Somit ist die Phasenlage
der Kolben durch das Winkelsignal des Absolutgebers 25 relativ
genau bestimmbar.
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Startet die Brennkraftmaschine in
einer zweiten Position P2, so erkennt das Steuergerät 19 aufgrund
des Signals des Absolutgebers 25, dass sich der erste Kolben,
dessen Phasenlage im ersten Phasendiagramm 31 dargestellt
ist, in einem Verbrennungstakt VT, der dritte Kolben, dessen Phasenlage im
dritten Phasendiagramm 33 dargestellt ist, in einem Verdichtungstakt
V, der vierte Kolben, dessen Phasenlage in dem vierten Phasendiagramm 34 dargestellt
ist, in einem Ansaugtakt A und der zweite Kolben, dessen Phasenlage
im zweiten Phasendiagramm 32 dargestellt ist, in einem
Auslasstakt AT befindet. Somit wählt
das Steuergerät 19 den
vierten Zylinder des vierten Kolbens aus, um zu einem vierten Zeitpunkt
T4 über
das Einspritzventil 15 Kraftstoff in die Brennkammer des
vierten Zylinders einzuspritzen. Anschließend wird zu einem sechsten
Zeitpunkt T6 das Kraftstoff/Luft-Gemisch im vierten Zylinder vom
Steuergerät 19 abhängig vom
Synchronisationssignal Synch gezündet,
das zum fünften
Zeitpunkt T5 erfasst wurde.
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Anhand von 5 wird ein Startverfahren für eine Brennkraftmaschine
beschrieben, bei der der Kraftstoff im Kraftstoffspeicher 17 einen
höheren Druck
aufweist, als bei der Verdichtung in dem Verdichtungstakt in den
Brennkammern 6 erzeugt wird. Startet nun die Brennkraftmaschine 1 an
der ersten Position P1, so erkennt das Steuergerät 19 aufgrund des
Signals des Absolutgebers 25, dass sich der dritte Kolben,
dessen Phasenlage im dritten Phasendiagramm 33 dargestellt
ist, in einem Ansaugtakt A befindet. Das Steuergerät 19 wählt den
dritten Zylinder des dritten Kolbens aus und spritzt zu einem siebten Zeitpunkt
T7 über
die Einspritzventile 15 Kraftstoff in die Brennkammer des
dritten Kolbens während
eines folgenden Verdichtungstaktes V ein. Da der Kraftstoff einen
höheren
Druck als den Verdichtungsdruck aufweist, kann der Kraftstoff während des
Verdichtungstaktes V zum siebten Zeit punkt T7 eingespritzt werden.
Die Einspritzung ist wieder in Form eines Rechteckes dargestellt.
Bei einem folgenden achten Zeitpunkt T8 zündet das Steuergerät 19 aufgrund
des Signals des Absolutgebers im Bereich des oberen Totpunktes beim Übergang
vom Verdichtungstakt V zum Verbrennungstakt VT das Luft/Kraftstoffgemisch
in der Brennkammer des dritten Zylinders.
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Startet die Brennkraftmaschine 1 an
der zweiten Position P2, so erkennt das Steuergerät 19 aufgrund
des Signals des Absolutgebers 25, dass sich der vierte
Kolben, dessen Phase im vierten Phasendiagramm 34 dargestellt
ist, in einem Ansaugtakt A befindet. Das Steuergerät steuert
somit zu einem folgenden zehnten Zeitpunkt T10 eine Einspritzung
in die Brennkammer des vierten Kolbens während eines Kompressionstaktes.
Der zehnte Zeitpunkt T10 liegt nach dem neunten Zeitpunkt T9, zu
dem ein Synchronisationssignal vom Geber 18 an das Steuergerät 19 gesendet
wurde. Der Einspritzpunkt, d.h. der zehnte Zeitpunkt T10 liegt jedoch
so nahe am neunten Zeitpunkt T9, dass es nicht mehr möglich ist, den
Einspritzzeitpunkt anhand des Synchronisationssignales des Gebers 18 zu
berechnen und zu steuern. Die folgende Zündung im vierten Zylinder zu
einem elften Zeitpunkt T11 nahe dem folgenden oberen Totpunkt OT
des vierten Kolbens erfolgt später als
eine Berechnungszeit nach dem Synchronisationssignal Synch. Somit
wird in dieser Konstellation nur der Einspritzvorgang abhängig vom
Signal des Absolutgebers 25 gesteuert und der folgende
Zündvorgang
abhängig
vom Signal des Gebers 18 gesteuert.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem ein Geber 18 mit einem zwei ten Zahnrad eingesetzt
wird, das zwei Zahnlücken
aufweist, die um 180° gegeneinander
versetzt angeordnet sind. Somit werden mit Hilfe dieser Anordnung
vom Geber 18 während
einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle 2 zwei Zahnlücken detektiert.
Damit ist nach einem Startvorgang der maximale Abstand zwischen
dem Start der Brennkraftmaschine 1 und dem Erhalt eines
Synchronisationssignales Synch auf 180° Kurbelwellenwinkel beschränkt. Folglich
wird in dieser Ausführungsform
innerhalb kürzerer
Zeit ein zuverlässiges Signal
zur Steuerung der Einspritzung und der Zündung erhalten.
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Startet die Brennkraftmaschine 1 in
der ersten Position P1 und ist der Druck des Kraftstoffes im Kraftstoffspeicher 17 kleiner
als der Verdichtungsdruck bei den Verdichtungsvorgängen in
den Brennkammern 6, so erkennt das Steuergerät 19 aufgrund des
Signals des Absolutgebers, dass sich der dritte Kolben, dessen Phasenlage
im dritten Phasendiagramm 33 dargestellt ist, in einem
Ansaugtakt A befindet. Somit spritzt das Steuergerät 19 zu
einem zwanzigsten Zeitpunkt T20 Kraftstoff im Ansaugtakt in die
Brennkammer 6 des dritten Zylinders des dritten Kolbens.
Der Einspritzvorgang ist in Form eines Rechteckes symbolisch dargestellt.
Zu diesem Zeitpunkt wurde vom Steuergerät 19 noch kein Synchronisationssignal
erhalten. Zu einem 21. Zeitpunkt T21 erfasst das Steuergerät 19 ein
Synchronisationssignal Synch vom Geber 18. Die zu einem
23. Zeitpunkt T23 stattfindende Zündung wird vom Steuergerät 19 abhängig vom
Synchronisationssignal Synch des Gebers 18 und damit abhängig von
der Drehlage der Kurbelwelle 2 gesteuert.
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Weist der Druck des Kraftstoffes
im Kraftstoffspeicher 17 einen höheren Druck als der Verdichtungsdruck
in den Brennkammern 6 auf, so erfasst das Steuergerät 19 beim
Start der Brennkraftmaschine an der ersten Position P1, dass sich
der dritten Kolben in einer Ansaugphase befindet. Aufgrund des hohen
Druckes des Kraftstoffes steuert das Steuergerät 19 die Einspritzung
zu einem 22. Zeitpunkt T22 während
der folgenden Kompressionsphase des dritten Kolbens. Der 22. Zeitpunkt
T22 liegt zeitlich kurz nach dem 21. Zeitpunkt T21, an dem das Synchronisationssignal
des Gebers 18 erzeugt wurde. Aufgrund des geringen Abstandes
ist es jedoch nicht mehr möglich,
die Steuerung der Einspritzung abhängig vom Synchronisationssignal durchzuführen. Somit
wird in diesem Fall die Einspritzung zum 22. Zeitpunkt T22 abhängig vom
Signal des Absolutgebers vom Steuergerät 19 gesteuert. Die
folgende Zündung,
die zu einem 23. Zeitpunkt T23 nahe dem oberen Totpunkt des dritten
Kolbens vorgenommen wird, wird vom Steuergerät 19 abhängig vom
Synchronisationssignal Synch des Gebers 18 gesteuert.
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Startet nun die Brennkraftmaschine 1 in
der zweiten Position P2, so wird die Phasenlage des vierten Kolbens,
die im vierten Phasendiagramm 34 dargestellt ist, als Ansaugtakt
erkannt. Zu einem 24. Zeitpunkt T24 steuert das Steuergerät 19 aufgrund des
Signals des Absolutgebers 25 eine Einspritzung in die Brennkammer 6 des
vierten Kolbens während des
gleichen Ansaugtaktes. Die Einspritzung ist schematisch in Form
eines Rechteckes dargestellt. Die Zündung, die zu einem folgenden
25. Zeitpunkt T25 nahe dem folgenden oberen Totpunkt OT vom Steuergerät 19 ausgeführt wird,
wird in Abhängigkeit von
dem Synchronisati onssignal Synch gesteuert, das zu einem 26. Zeitpunkt
T26 vom Geber 18 erhalten wurde.
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Startet die Brennkraftmaschine 1 in
der zweiten Position P2 und weist der Kraftstoff im Kraftstoffspeicher 17 einen
Druck auf, der über
dem Verdichtungsdruck liegt, so erfasst das Steuergerät 19 aufgrund
des Signals des Absolutgebers 25, dass sich der vierte
Kolben im Ansaugtakt befindet. Da jedoch der Druck des Kraftstoffes über dem
Kompressionsdruck liegt, wird eine Einspritzung erst in den folgenden
Kompressionstakt des vierten Kolbens zu einem 27. Zeitpunkt T27
ausgeführt.
Der 27. Zeitpunkt T27 liegt kurz nach dem 26. Zeitpunkt T26, zu
dem der Geber 18 ein Synchronisationssignal Synch an das Steuergerät 19 übermittelt.
Jedoch ist der zeitliche Abstand zwischen dem Synchronisationssignal Synch
und dem 27. Zeitpunkt T27, d.h. dem Einspritzzeitpunkt, zu gering,
so dass keine Neuberechnung aufgrund des Synchronisationssignales
möglich
ist und deshalb das Steuergerät 19 die
Einspritzung zum 27. Zeitpunkt T27 abhängig vom Signal des Absolutgebers 25 ausführt.
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Das Steuergerät 19 überprüft nach
Erhalt des Synchronisationssignales, ob die verbleibende Zeit bis
zu einem Steuervorgang, wie z.B. einer Einspritzung oder einer Zündung größer als
eine festgelegte Rechenzeit ist. Ist der zeitliche Abstand kleiner als
die festgelegte Rechenzeit, so wird der auszuführende Vorgang abhängig vom
Signal des Absolutgebers 25 ausgeführt, obwohl ein Synchronisationssignal
vorliegt. Ist jedoch der zeitliche Abstand zwischen dem Erhalt des
Synchronisationssignals und dem Zeitpunkt der auszuführenden
Steuerung größer als die
Rechenzeit, so berechnet das Steuergerät 19 den Zeitpunkt der
auszuführenden
Handlung in Abhängigkeit
vom Synchronisationssignal. Damit wird sichergestellt, dass nach
Erhalt des Synchronisationssignales alle auszuführenden Steuerungen des Steuergerätes 19 abhängig von
dem präziseren
Synchronisationssignal Synch berechnet und ausgeführt werden.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Brennkraftmaschine, bei der als Absolutgeberanordnung ein
Winkelbereichsensor 37 und ein zweiter Absolutgeber 38 vorgesehen
sind. Die Anordnung gemäß 7 entspricht im Wesentlichen
der Anordnung gemäß 2, wobei jedoch anstelle
des Absolutgebers 25 ein Winkelbereichsensor 37 der
Nockenwelle 10 zugeordnet ist und zudem der zweite Absolutgeber 38 der
Kurbelwelle 2 zugeordnet ist. Der Winkelbereichsensor 37 erfasst
beim Start der Brennkraftmaschine einen von zwei Winkelbereichen einer
Umdrehung der Nockenwelle 10. Eine Umdrehung der Nockenwelle 10 ist
dabei in einen ersten Winkelbereich von 0 bis 180° und in einen
zweiten Winkelbereich von 180 bis 360° eingeteilt. Wird die Brennkraftmaschine
gestartet, so erkennt der Winkelbereichsensor 37 sofort,
ob sich die Nockenwelle 10 im ersten Winkelbereich oder
im zweiten Winkelbereich befindet.
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Der zweite Absolutgeber 38 erfasst
beim Start der Brennkraftmaschine die absolute Winkellage der Kurbelwelle 2.
Sowohl der Winkelbereichsensor 37 als auch der zweite Absolutgeber 38 sind
mit dem Steuergerät 19 verbunden.
In der in 7 dargestellten
Ausführungsform
ist ein zweites Zahnrad 39 vorgesehen, das 58 Zahnräder (60-2-2 Zahnrad) und
zwei um 180° versetzte
Zahnlücken
aufweist, deren Breite jeweils einer Breite von zwei Zähnen ent spricht.
Anstelle der in 7 dargestellten
Ausführungsform
mit dem zweiten Zahnrad 39 kann auch ein Zahnrad 35 gemäß der Ausführungsform
der 2 verwendet werden.
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8 zeigt
in einem vierten Diagramm die Signale des Winkelbereichsensors 37,
das Signal des zweiten Absolutgebers 38, das Signal des
Gebers 18 mit dem zweiten Zahnrad 39 und das entsprechende
Synchronisationssignal. Die weiteren Phasendiagramme für den ersten,
zweiten, dritten und vierten Kolben sind analog zu den Diagrammen der 4, 5, 6 angeordnet,
der Einfachheit halber jedoch nicht mehr explizit dargestellt. Startet
nun die Brennkraftmaschine 1 an einer ersten Position P1,
so liegt noch kein Signal des Gebers 18 und damit kein Synchronisationssignal
Synch für
das Steuergerät 19 vor.
Somit erfasst das Steuergerät 19 beim
Start der Brennkraftmaschine über
die Auswertung des Signals WB des Winkelbereichsensors 37 und
durch das Signal des zweiten Absolutgebers 38 die entsprechenden
Phasenlagen der vier Kolben. Das Steuergerät 19 kann aufgrund
der Kombination aus dem Absolutwinkel WK der Kurbelwelle 2 und
dem High- oder Low-Signal
des Winkelbereichsensors 37 die Phasenlage der vier Kolben
ermitteln. Dazu sind im Festwertspeicher 23 entsprechende
Tabellen und Diagramme, wie in den 4 bis 6 dargestellt, abgelegt.
Bei der Auswahl der Zylinder, in die eingespritzt und anschließend der
eingespritzte Kraftstoff gezündet
werden soll, geht das Steuergerät 19 nach
den gleichen Regeln vor, wie bereits zu den 4 bis 6 erläutert wurde.
Der einzige Unterschied besteht darin, dass zum Ermitteln der Phasenlage,
solange vom Geber 18 noch kein Positionssignal für die Kurbelwelle 2 dem
Steuergerät übermittelt
wurde, das Steuergerät 19 die
Phasenlage der Kolben in Abhängigkeit vom
Signal des Winkelbereichsensors 37 und in Abhängigkeit
vom Signal des zweiten Absolutgebers 38 erfasst.