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Die Erfindung geht aus von eine Anordnung zur
Bestimmung der Kurbelwellenlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
mit den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus
DE 195 27 503 A1 bekannt.
Bei derartigen Systemen ist die Absolutpositionsbestimmung über das
Nockenwellengeberrad auf den Schnellstart optimiert. Liegt die Priorität auf der
Fahrzeugverfügbarkeit,
so ist die dort dargestellte Positionsbestimmung auf die Möglichkeit
des Notfahrens hin ausgelegt, mithin also einen Betrieb der Brennkraftmaschine
nur mit Hilfe der Nockenwellengeberinformation. Weiterhin wird die Information
eines Einfachgeberrades zur Motorlagebestimmung zusammen mit der
Kurbelwelleninformation nutzbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, die Schnellstartfähigkeit mit Notbetriebseigenschaften
zu kombinieren.
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Vorteile der
Erfindung
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Dieses Problem wird durch eine Anordnung zur
Bestimmung der Kurbelwellenlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit
einer der Kurbelwelle zugeordneten ersten Geberscheibe und einer der
Nockenwelle zugeordneten zweiten Geberscheibe, denen mindestens
je ein Geber zugeordnet ist, wobei die Geber in Abhängigkeit
von den vorbeilaufenden Marken Ausgangssignale mit Low- und High-Phasen
abgeben können,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einem Zylinder zugeordnete
Segmentflanke der zweiten Geberscheibe um einen identischen Winkelbetrag
vor dem oberen Totpunkt jedes Zylinders angeordnet ist, gelöst.
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Unter Schnellstartfähigkeit
wird hier verstanden, durch Zündung
eines Gemisches bei sich drehender Kurbelwelle zum nächsten OT
eines Zylinders einen Anlauf der Brennkraftmaschine zu bewirken.
Unter Notlaufeigenschaften wird hier verstanden, einen Betrieb der
Brennkraftmaschine auch bei Ausfall des Kurbelwellensignals zu ermöglichen.
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Der bisher bekannte Schnellstart
kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
ohne Einschränkung
ausgeführt
werden. Zudem können
Geberräder, die
für die
erfindungsgemäße Anordnung
gestaltet wurden, später
durch einfache Software-updates notfahr- oder schnellstartfähig gemacht
werden. Eine Umgestaltung des Nockenwellengeberrades ist nicht nötig. Ein
weiterer Vorteil ist die einfache Erweiterbarkeit der Anordnung
sowie der einfache Aufbau des Nockenwellengeberrades. Zudem ist
keine Entwicklung eines neuen Sensors notwendig. Auf der Nockenwelle
ist dazu ein True Power On Sensor angebracht. Der Sensor erzeugt
definierte steigende und fallende Flanken in Abhängigkeit von der Winkelstellung
des Nockenwellengeberrades. Am Steuergerät ist ein konfigurierbarer
Eingang, der sowohl auf steigende als auch auf fallende Flanken
des Nockenwellensensors reagieren kann, vorgesehen. Die erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht
einen Normalbetrieb in Schnellstartkonfiguration, bei dem sämtliche
Teilsysteme funktionsfähig
sind, einen Normalbetrieb in Startkonfigura tion mit nur einer positionsgebenden
Marke sowie einen Notfahrbetrieb.
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In einer Ausgestaltung der Anordnung
ist vorgesehen, dass die Anzahl der Segmente durch ein zusätzliches
Segment um eins größer als
die Zylinderzahl des Verbrennungsmotors ist. In einer weiteren Ausgestaltung
der Anordnung ist vorgesehen, dass für jeden Zylinder eine eineindeutige
Segmentlänge
und Segmentposition aus der steigenden Flanke und der fallenden
Flanke jedes Segmentes festgelegt ist.
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Das eingangs genannte Problem wird
auch durch ein Verfahren zur Bestimmung der Kurbelwellenlage eines
Verbrennungsmotors unter Verwendung einer Anordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass aus der fallenden und/oder steigenden
Flanke des zusätzlichen
Segmentes in Verbindung mit einer der steigenden und/oder fallenden
Flanken der vorhergehenden und/oder nachfolgenden Segmente eine Ausgangswinkellage
der Kurbelwelle ermittelt wird, gelöst.
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Das Eingangs genannte Problem wird
auch durch eine Brennkraftmaschine umfassend eine Anordnung nach
einem der auf eine Anordnung gerichteten Ansprüche gelöst. In einer Ausgestaltung
der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass diese nach einem Verfahren
nach einem der auf ein Verfahren gerichteten Ansprüche arbeiten
kann
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand der zugehörigen Zeichnung
näher erläutert.
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Die Figuren zeigen:
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1 eine
Skizze einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 eine
Signalskizze für
einen ersten Fall;
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3 eine
Signalskizze für
einen zweiten Fall;
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4 eine
Signalskizze für
einen dritten Fall.
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In
1,
die weitgehend aus der
DE-OS
43 04 163 bekannt ist, sind die zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen
Bestandteile einer Brennkraftmaschine beispielhaft dargestellt.
Dabei ist mit
10 eine Geberscheibe bezeichnet, die starr
mit der Kurbelwelle
11 der Brennkraftmaschine verbunden
ist und an ihrem Umfang eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken
12 aufweist.
Neben diesen gleichartigen Winkelmarken
12 ist eine Referenzmarke
13 vorhanden,
die beispielhaft durch zwei fehlende Winkelmarken realisiert ist.
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Eine zweite Geberscheibe 14 ist
mit der Nockenwelle 15 der Brennkraftmaschine verbunden und
weist an ihrem Umfang ein Segment 16 oder gegebenenfalls
weitere Segmente 16a, b, c usw. unterschiedlicher
Länge auf,
mit dem oder denen die Phasenlage der Referenzmarke auf der Kurbelwellenscheibe
bestimmt wird. Mit 17 ist die zwischen Kurbel- und Nockenwelle
bestehende Verbindung, die die Nockenwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl dreht,
symbolisiert. Aus der Kenntnis der Winkelstellung der Kurbel- bzw.
Nockenwelle lässt
sich bekanntermaßen
die Position der Brennkraftmaschine, also beispielsweise wie die
Zylinderlage ist oder welche Einlassventile geöffnet bzw. geschlossen sind,
ableiten.
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Die beiden Geberscheiben 10, 14 werden von
Aufnehmern 18, 19 abgetastet. Aufnehmer 18 bezeichnet
den Kurbelwellengeber, Aufnehmer 19 den Nockenwellengeber.
Die beim Vorbeilaufen der Winkelmarken in den Aufnehmern erzeugten
Signale werden beispielsweise zu Rechtecksignalen aufbereitet und
im Steuergerät 20 ausgewertet.
Aus der zeitlichen Ab folge der einzelnen Flanken der Rechtecksignale
lässt sich
sowohl die Drehzahl als auch die Information bezüglich der Winkellagen der Kurbel-
bzw. Nockenwelle gewinnen.
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Das Steuergerät 20 erhält über verschiedene Eingänge weitere,
für die
Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine erforderliche Eingangsgrößen, die
von entsprechenden Sensoren 21, 22, 23 gemessen
werden.
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Weiterhin wird über den Eingang 24 ein „Zündung ein"-Signal zugeführt, das beim Schließen des
Zündschalters 25 von
der Klemme KL15 des Zündschlosses
geliefert wird. Über
Klemme KL15 lässt
sich nachgeschaltet auch der Starter der Brennkraftmaschine betätigen.
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Ausgangsseitig stellt das Steuergerät 20, das
nicht näher
dargestellte Rechen- bzw. Speichermittel sowie einen mit 30 bezeichneten
Permanentspeicher umfasst, Signale für die Zündung und Einspritzung für nicht
näher bezeichnete
entsprechende Komponenten der Brennkraftmaschine zur Verfügung. Diese
Signale werden über
die Ausgänge 26 und 27 des
Steuergerätes 20 abgegeben.
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Die Spannungsvorrichtung des Steuergerätes 20 erfolgt
in üblicher
Weise mit Hilfe einer Batterie 28, die über einen Schalter 29 während des
Betriebs der Brennkraftmaschine sowie während einer Nachlaufphase nach
Abstellen des Motors mit dem Steuergerät 20 in Verbindung
steht.
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Das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel
für ein
elektronisches Steuersystem ermöglicht den
Ablauf des nun beschriebenen Verfahrens. Es ist besonders geeignet
in Verbindung mit Start/Stop-Automatiksystemen, die unter bestimmten
Voraussetzungen die Brennkraftmaschine selbstän dig abschalten und bei Vorliegen
weiterer Bedingungen wieder einschalten.
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Bei einer solchen Start/Stop-Automatik
wird die Brennkraftmaschine unter bestimmten Randbedingungen, beispielsweise
wenn die Geschwindigkeit gleich null ist, die Fußbremse getreten und Leerlauf erkannt
ist, abgestellt. Diese Bedingungen werden vom Steuergerät 20 erkannt,
wobei die zur Erkennung erforderlichen Größen entweder mit Hilfe von Sensoren
gemessen werden oder im Steuergerät aus den vorhandenen Informationen
berechnet werden.
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Als Randbedingungen für das Wiedereinschalten
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nach einer Gasanforderung,
als nach Betätigung
des Gaspedals die Brennkraftmaschine wieder gestartet wird. Da bei
Start/Stop-Automatik zwischen Stop und Start der Brennkraftmaschine
das Zündschloss
KL15 üblicherweise
nicht abgeschaltet wird, kann der Start sehr schnell erfolgen.
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Eine mögliche Vorgehensweise, die
vom elektronischen Steuersystem durchgeführt wird, lässt sich wie folgt darstellen:
Wird
vom Steuergerät 20 erkannt,
dass die Brennkraftmaschine abgestellt werden soll, werden entsprechende
Ansteuerimpulse erzeugt, die ein Abschalten der Einspritzung und/oder
Zündung
bewirken, dadurch finden keine Verbrennungen mehr statt und die
Brennkraftmaschine wird abgestellt. Infolge ihrer Tätigkeit
dreht sie sich jedoch noch ein gewisse Zeit, während dieser Zeit findet eine
Auslauferkennung statt, während
der im Steuergerät
weiterhin die Winkel lagen von Kurbel- und/oder Nockenwelle sowie
die Zylinderpositionen ermittelt werden. Weiterhin werden auch noch
Drehzahlmessungen durchgeführt.
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Zur Erkennung, welcher Zylinder nach
dem Stillstand des Motors in einem geeigneten Bereich liegt, kann
beispielsweise die Drehzahl der Kurbel- bzw. Nockenwelle der Brennkraftmaschine
während der
Auslaufphase analysiert werden. Wird beispielsweise eine vorgebbare
Motordrehzahl in der Auslaufphase unterschritten, kann aufgrund
des ebenfalls bekannten Drehzahlgradienten, also der Drehzahländerung
abgeschätzt
werden, in welcher Position die Brennkraftmaschine vermutlich stehenbleibt.
Ausgehend von dieser Information kann kurz vor dem Stillstand noch
in ein oder zwei Einlaßventile
eingespritzt werden, und zwar in die Einspritzventile, die beim Start
mit einer Einspritzung nicht mehr erreicht werden können, weil
sie dann bereits abgeschlossen sind.
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Neben den Segmenten (16a, 16b, 16c, 16d ...)
ist ein zusätzliches
Segment (16z) vorgesehen, sodass die Anzahl der Segmente
um eins größer als die
Zylinderzahl des Verbrennungsmotors ist. Die jeweils einem Zylinder
zugeordnete fallende Flanke eines Segmentes (16a, 16b, 16c, 16d ...)
der zweiten Geberscheibe (14) ist um einen identischen
Winkelbetrag vor dem oberen Totpunkt (OT) jedes Zylinders angeordnet.
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Anhand der 2, 3 und 4 werden unterschiedliche
Betriebsmodi der Anordnung bzw. des gesamten Verbrennungsmotors
und zugehörige
Verfahren dargestellt. 2 zeigt
eine Skizze des Signalverlaufs des Gebers 19, das ist der
der zweiten Geberscheibe, die der Nockenwelle zugeordnet ist, zugeordnete
Geber, im Normalbetrieb. Im unteren Bereich sind die Impulse des
Kurbelwellengebers 18 dargestellt, im oberen Bereich entsprechend
die Impulse des Nockenwellengebers 19. Die Impulse des Kurbelwellengebers 18 erlauben
bekannterweise eine sehr feine Auflösung des Kurbelwellenwinkels, erlauben
jedoch nur einen begrenzten Rückschluss auf
die absolute Winkellage der Kurbelwelle. Die Auswertung der Impulse
des Kurbelwellengebers 18 ist an sich bekannt und wird
hier nicht näher
erläutert.
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Die obere Kurve ist dem Nockenwellengeber 19 zugeordnet.
Niedrige Werte (LOW) korrespondieren mit einem Ausschnitt in der
zweiten Geberscheibe 14, hohe Werte (HIGH) korrespondieren
mit jeweils einem Segment 16a, 16b, 16c, 16d usw.
Niedrige Werte sind in der Darstellung der 2 mit einem L gekennzeichnet, hohe Werte
entsprechend mit einem H. Der Zeitverlauf der in 2 dargestellten Kurve lässt sich
nun in verschiedene Kurbelwellenabschnitte einteilen. Die in Drehrichtung
der Geberscheibe erste Flanke eines jeden Segmentes wird als SYNC-Flanke
bezeichnet, entsprechend wird die zweite Flanke als SEG-Flanke bezeichnet.
Die horizontalen Achsen der 2 bis 4 kennzeichnen jeweils den
Kurbelwellenwinkel CAS. Dieser ist in der Darstellung der 2 eingeteilt in Bereiche
A bis K. Zu Beginn des Bereiches A wird die SYNC-Flanke des Zylinders 1 an
dem Geber vorbeigeführt,
zum Ende der Phase A entsprechend die SEG-Flanke des Zylinders 1 an
dem Geber vorbeigeführt.
Die weiteren Phasen sind jeweils dem Vorbeiführen der zu dem jeweiligen
Zylinder gehörenden
Flanken an den Geber zugeordnet. Phase C ist so dem Zylinder 3, Phase
G dem Zylinder 4 und Phase I dem Zylinder 2 zugeordnet.
Mit OT1, OT2, OT3 und OT4 ist jeweils der obere Totpunkt des ersten
bis vierten Zylinders über
dem Kurbelwellenwinkel markiert. Wie aus 2 zu erkennen ist, ist der Abstand der
SEG-Flanke eines jeden Zylinders jeweils konstant zu dem oberen
Totpunkt des Zylinders. Dies ist in 2 durch
einen Winkelbereich α gekennzeichnet.
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Eine Sonderstellung nimmt in der
Darstellung der 2 die
SYNC-Flanke sowie die SEG-Flanke des Zylinders 3 ein. Zylinder 3 ist
neben einem Segment ein zusätzliches
Seg ment zugeordnet. Das zusätzliche
Segment entspricht der Phase B über
dem Kurbelwellenwinkel. Es sind also in einem Winkelabstand, der
wesentlich geringer ist als der zwischen zwei nachfolgenden oberen
Totpunkten zweier Zylinder, jeweils Segmente der zweiten Geberscheibe
angeordnet. Auf diese Weise werden zwei relativ kurz aufeinander
folgende SEG-Flanken für
einen Zylinder erzeugt. In Normalbetrieb, d. h., wenn sowohl die
aufsteigende SYNC-Flanke als auch die absteigende SEG-Flanke für jeden
Zylinder durch den zugeordneten Geber gemessen werden kann, ist
das zusätzliche
Segment praktisch ohne weitere Bedeutung. Die Identifikation des
jeweiligen Zylinders lässt
sich in diesem Fall durch einen Vergleich der Winkelunterschiede
der SYNC-Flanke mit jeweils nachfolgenden SEG-Flanke verifizieren.
Wie unmittelbar aus 2 zu
erkennen ist, sind die Bereiche A, C, G, I jeweils unterschiedlich
lang, so dass diese jeweils eindeutig einem Zylinder zugeordnet werden
können.
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In 3 dargestellt
ist ein Teilausfall des Nockenwellengebers 19. Hier ist
beispielhaft dargestellt ein Normalbetrieb in Startkonfiguration
mit nur einer positionsgebenden Marke. Durch die jeweils identische
Lage bezüglich
des oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders lässt sich durch Messung des
Winkelabstandes zwischen zwei abfallenden Flanken nur noch bedingt
auf den jeweils zugeordneten Zylinder rückschließen. Insbesondere, wenn die
oberen Totpunkte der Zylinder des Motors gleichmäßig über dem Kurbelwellenwinkel
verteilt ist, wären
auch hier die Abstände
zwischen den einzelnen SEG-Flanken äquidistant. Die SEG-Flanke des zusätzlichen
Segmentes erlaubt hier eine Identifikation der absoluten Kurbelwellenlage,
im Beispiel der 3 ist
dies dargestellt an einem Kurbelwellenwinkelbereich Y sowie einem
Kurbelwinkelbereich Z, die jeweils einen anderen Kurbelwellenwinkel
umfassen als die übrigen Bereich
X. Wie aus 3 unmittelbar
abzuleiten ist, kann weiterhin aus der Kombination des Kurbelwellenwinkelsignales
und des Nockenwellenwinkelsignales eindeutig auf die Motorposition
geschlossen werden, so dass die Startfähigkeit des Motors auch in dieser
Betriebsart gewährleistet
ist.
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4 zeigt
die Situation entsprechend der Darstellung der 3 bei zusätzlichem Ausfall des Kurbelwellengebers.
In diesem Fall kann die ansteigende bzw. wie hier dargestellt die
abfallende Flanke des Signals des Nockenwellengebers 19 ausgewertet
werden. Die Positionsbestimmung erfolgt durch Bestimmung der Kurbelwellenwinkelbereiche
X, Y und Z. Durch den jeweils identischen Kurbelwellenwinkelabstand
zwischen der SEG-Flanke eines jeden Zylinders und dem jeweiligen
Totpunkt des Zylinders wird hier trotzdem noch eine Bestimmung des
Zündzeitpunktes
für jeden
Zylinder ermöglicht,
ein Notbetrieb ist auf diese Art und Weise gewährleistet.