DE19808744A1 - Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine

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    • F01L2820/042—Crankshafts position

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei Vorrichtungen zum Steuern einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere der Zündung und dergleichen ist es bekannt, Sensorsysteme zur Erfassung der Winkelstellung einer Welle der Brennkraftmaschine, insbesondere der Kurbelwelle oder der Nockenwelle einzusetzen.
Solche Systeme sind z. B. als Segmentsysteme ausgebildet, bei denen Geberscheiben mit der Welle umlaufen, die an ihrem Umfang mit einer der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine proportionalen Anzahl von Segmenten, d. h. langgestreckten, markierten Bereichen, versehen sind.
Bei der Erfassung der Winkelstellung der Kurbelwelle beträgt die Anzahl der Segmente dabei die Hälfte der Zylinderzahl. Bei Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle ist die Anzahl der Segmente gleich der Zylinderzahl, da die Kurbelwelle bekanntlich mit der doppelten Drehzahl der Nockenwelle umläuft. Dabei ist jedes Segment einem (bei Erfassung der Kurbelwelle zwei) Zylinder (n) der Brennkraftmaschine zugeordnet, und jeder Zündungsvorgang wird in Abhängigkeit vom Vorbeilaufen des zugehörigen Segmentes gesteuert. In einem ortsfesten Aufnahmeelement, z. B. einem induktiven oder einem magnetfeldempfindlichen Sensor, wird die Vorderflanke des Segments erkannt, und durch geeignete Zeitsteuerung über die gesamte Segmentlänge werden die Steuervorgänge für die Brennkraftmaschine ausgelöst.
Aus der DE-A-36 30 272 ist eine Vorrichtung bekannt, wobei auf einem Segment eine Perforation ausgebildet ist. Die Perforation besteht hierbei aus einer Anzahl von Löchern, deren Größe in Drehrichtung abnimmt. Mit Hilfe dieser Perforation soll bei Beibehaltung der Segmente und der mit dem Segmentanfang und Segmentende verbundenen elektrischen Marken eine Zuordnung der Zündimpulse möglich sein. Mit Hilfe der Markierung wird aber nur eine Zuordnung eines Segments z. B. zum ersten Zylinder ermöglicht und auch angestrebt. Wird als berührungsloser Sensor ein magnetfeldempfindliches Element, vor allem ein Hall-Sensor verwendet, so wird angestrebt, daß er ein digitales Ausgangssignal liefert. Dies bedeutet, daß der digitale Ausgangssignalpegel z. B. über dem Segment "low" ist. In der Stellung über einer Vertiefung zwischen den Zähnen wäre der digitale Ausgangssignalpegel dann "high". Diese Schaltzustände sind jedoch bisher nicht statisch, d. h. wenn das Segment bei Stillstand der Scheibe sich unter dem Sensor befindet, so liefert der Sensor ein falsches Signal, nämlich einen Ausgangssignalpegel von "high". Um beim Stand der Technik ein korrektes Signal zu erhalten, muß das Geberrad bzw. die Segmente mit einer Mindestdrehzahl am Hall-Sensor vorbeibewegt werden. Durch den mechanischen Wechsel von Lücke zum Segment erkennt der Sensor erst eine bestimmte Magnetflußdichtenänderung und kann dann entsprechend schalten. Eine echte statische Funktion der Gesamtvorrichtung bestehend aus Sensor und Geberscheibe kann bisher nur bei Verwendung von aufwendigen Magnetkreisen und/oder elektrischen Schaltungen realisiert werden, die aber zu einer sehr starken Verteuerung der Vorrichtung in der Praxis führen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei statischem Zustand der digitale Ausgangssignalpegel über dem Segment sich in der Stellung "high" befindet. Bereits nach einer geringsten Bewegung des Geberrades ist bei einer sehr kleinen Änderung der Flußdichte erkennbar, in welcher Position, ob über Segment oder über Lücke, sich das Geberrad gegenüber dem Sensor befindet. Dadurch sind kostengünstige Hall-IC's, die auf kleinen Chipflächen der integrierten Schaltung angeordnet werden können, verwendbar. Der Hall-IC kann mit einem einfachen zylindrischen Magneten magnetisch vorgespannt werden. Der Aufbau der Vorrichtung ist relativ einfach, es ist keine Einjustierung oder kein Abgleich notwendig. Magnetische Flußleitstücke sind nicht notwendig.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 3 jeweils eine Abwandlung eines Ausführungsbeispiels mit dem jeweiligen Flußdichtenverlauf B über den Drehwinkel α der Geberscheibe in Fig. 3 bis 4. Fig. 5 zeigt eine Auflistung verschiedener Änderungen der Geberscheibe.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 bezeichnet 10 eine Geberscheibe, die mit der Kurbelwelle oder der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine umläuft. Die Geberscheibe 10 weist an ihrem Umfang ein Segment 11 sowie eine den übrigen Umfang umfassende Lücke 12 auf. Der Kreisradius für die Oberfläche des Segments 11 und der Kreisradius für den Boden der Lücke 12 haben beide den gleichen Mittelpunkt M, der sich im Zentrum der Geberscheibe 10 befindet. Sind, wie in der Fig. 1 dargestellt, ein Segment 11 und eine Lücke 12 vorhanden und ist die Geberscheibe an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine befestigt, so eignet sich die Geberscheibe für eine Vorrichtung zum Steuern von Zweizylindermotoren. Wären hingegen zwei Segmente und zwei Lücken vorhanden und die Geberscheibe ebenfalls an der Kurbelwelle befestigt, so würde sie sich zur Steuerung eines Vierzylindermotors eignen. Die beiden Segmente wären dann gleich lang ausgebildet und würden diametral gegenüberliegen. In der Motronik kann das vom Segment erzeugte Signal auch für mehrere Zylinder verwendet werden, da die Zuordnung zum Zylinder 1 ausreicht.
In der Nähe des Umfangs der Geberscheibe 10 befindet sich ein raumfestes Aufnahmeelement 20, das seinerseits mit einer Steuerschaltung 21 in Wirkverbindung steht. Die Art der Wechselwirkung der Geberscheibe 10 und des Aufnahmeelements 20 kann dabei verschiedenartig sein. Ist das Aufnahmeelement 20 ein magnetfeldempfindliches Element, so ist die Geberscheibe 10 aus ferromagnetischem Material hergestellt. Wie in der Fig. 1 schematisch dargestellt, kann das Aufnahmeelement 20 ein Hall-Element 21 mit einem Permanentmagneten 22 zur magnetischen Vorspannung sein. Als Aufnahmeelement kann ein oder mehrere Hall-Element(e) oder ein AMR-(Anisotrop-Magneto-Resistiv), ein MR-(Magneto-Resistiv) oder ein GMR-(Giant-Magneto-Resistiv) Sensor verwendet werden.
Die dem Aufnahmeelement 20 zugewandte Oberseite 25 des Segments 11 ist in der Fig. 1 wellig ausgebildet, d. h. es weist Zacken 26 und Täler 27 auf, wobei der Übergang jeweils kurvenförmig ausgebildet ist. Die wellenförmige Form ist über die gesamte Länge der Oberfläche 25 ausgebildet. Diese wellenförmige Form verursacht bei Bewegung im Aufnahmeelement 20 eine kleine Flußdichtenänderung, ΔB.
Steht das Geberrad 10 mit dem Segment 11 vor dem Aufnahmeelement 20 so ist die Änderung der Flußdichte Null. Der Ausgangzustand an der logischen Schaltung 21 ist "high". In der Fig. 2 ist im Diagramm die Flußdichte B über den Drehwinkel α dargestellt. Die Stellung "high" ist dort bei der Winkeldrehung 0° erkenntlich. Beginnt das Geberrad 10 sich nun zu drehen, so erkennt das Aufnahmeelement 20 spätestens nach dem Vorbeidrehen eines halben Zackens 26 eine negative Flußdichtenänderung, d. h. ΔB = B1-B2. Der Ausgangszustand an der logischen Schaltung 21 ändert sich in "low". Dies würde der korrekten Logik entsprechen, da im Ausgangszustand "low" der geringere Abstand zwischen dem Geberrad 10 und dem Aufnahmeelement 20 besteht. Dies entspricht somit der korrekten Logik am Schaltelement 21. Gestaltet man nun die Zacken 25 sehr klein, z. B. daß der Zacken eine Breite von einem 1° aufweist, so liefert das Aufnahmeelement 20 spätestens nach einer Drehung von 0,5° die korrekte Logik "low", am Ausgang der Schaltung 21. Dreht sich das Rad 10 weiter über das ganze Segment 11, so erhält man die in der Fig. 2 dargestellte, sich konstant ändernde Magnetflußdichte. Dies bedeutet, daß das Aufnahmeelement 20 an einer beliebigen Stelle über dem Segment 11 die richtige Logik einstellen kann. Dreht sich dabei das Rad 10 weiter, so daß der Übergang Segment 11 zur Lücke 12 am Aufnahmeelement 20 vorbeiläuft, so erkennt die Schaltung 21 eine wesentlich größere, positive Flußdichtenänderung, wie in der Fig. 2 beim Drehwinkel 90° dargestellt ist. Dabei wird nun am Ausgang der Schaltung 21 in die Stellung "high" geschaltet. Diese Stellung "high" bleibt nahezu unverändert bis ein erneuter Übergang von Lücke 12 zum Segment 11 am Aufnahmeelement 20 vorbeiläuft. Befindet sich hingegen die Lücke 12 gegenüber dem Aufnahmeelement 20, und beginnt das Geberrad 10 sich zu drehen, so erkennt das Aufnahmeelement 20 sofort die richtige logische Schaltstellung "high".
In der Fig. 3 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei die Oberfläche 20a des Segments 11a der Geberscheibe 10a kontinuierlich ansteigend dargestellt ist. Dies bedeutet, daß bei Vorbeibewegung des Geberrads 10a der Luftspalt ls zwischen der Oberfläche 25a des Segments 11a und dem Aufnahmeelement 20 kontinuierlich immer kleiner wird. Die Oberfläche 25a des Segments 11a weist dabei eine Kreisform auf, deren Mittelpunkt M2 außerhalb des Mittelpunkts M1 der Geberscheibe 10a liegt. Dies bedeutet, daß die Lücke 12a als Kreisbogen ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt M1 im Mittelpunkt der Geberscheibe 10a liegt. Der Mittelpunkt M2 der Oberfläche 25a des Segments 11a ist somit exzentrisch zum Mittelpunkt des Geberrads 10a ausgebildet.
Befindet sich nun das Aufnahmeelement 20 gegenüber der Oberfläche 25a des Segments 11a und beginnt das Geberrad 10a sich zu drehen, so wird aufgrund des sich kontinuierlich verändernden Luftspalts ls die Flußdichte B ebenfalls, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, kontinuierlich verändert. Man erhält dabei eine negative Magnetflußänderung ΔB = B1-B2, die am Ausgang der Auswerteschaltung 21 die logische Schaltung "low" erzeugt.
In der Fig. 5 sind verschiedene Varianten der Ausgestaltung der Oberfläche des Segments dargestellt. Wichtig ist, für eine eindeutige Erkennung, daß falls mehrere Segmente vorhanden sind, daß auf allen Oberflächen der Segmente eine Markierung vorhanden ist. Es wäre möglich, dann auf allen Segmenten eine einheitliche Markierung zu verwenden, oder auch auf den Segmenten eine unterschiedliche Markierung anzuordnen. So ist hier auf dem mit z1 bezeichneten Segment eine sich kontinuierlich ändernde Oberfläche 25a eingezeichnet, deren Mittelpunkt M2 exzentrisch zum Mittelpunkt M1 der Geberscheibe 10b sich befindet. Die Oberfläche des Segments z2 entspricht der wellenförmigen Ausbildung der Oberfläche 25 des Segment 10 nach der Fig. 1. Bei der Ausbildung des Segments z3 ist die dem Aufnahmeelement zugewandten Oberfläche der Zacken kreisförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt sich im Mittelpunkt M1 der Geberscheibe 10b befindet. Die Übergänge zu den Tälern 30 sind kantig ausgebildet, wobei die Täler 30 im Querschnitt gesehen eine U-Form aufweisen. Das Segment 24 weist im Querschnitt gesehen dreieckförmige Zacken auf, die einen Winkel von ca. 60° aufweisen können.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Sensorsystem, bei dem eine mit einer Welle der Brennkraftmaschine umlaufende Geberscheibe (10) mit einem raumfesten Aufnahmeelement (20) in Wirkverbindung steht, die an ihrem Umfang mit mindestens einem das Aufnahmeelement (20) beeinflussenden Segment (11), das eine steil abfallende Vorder- und Rückflanke hat, versehen ist, und das Aufnahmeelement (20) mit einer Steuerschaltung (21) für die Zündung oder dergleichen des Kraftfahrzeugs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Segmente (11) auf seiner dem Aufnahmeelement (20) zugewandten Oberfläche (25) über die gesamte Länge des Segments (11) verlaufende zusätzliche Markierung aufweist, die in der Steuerschaltung (21) ein der Erkennung als Segment (12) dienendes Signal erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Segmente (11) auf der Oberfläche (25) eine Markierung aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung aus Zacken (26) und Vertiefungen (27) besteht, bei denen die Größe des Zackens und der Vertiefung (27) von der des Segments (11) und der zwischen den Segmenten liegenden Vertiefung (12) abweicht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zacken (26) und die Vertiefungen (27) sowohl eine geringere Höhe bzw. Tiefe, also eine geringere Länge als die Segmente (11) und die zwischen den Segmenten (11) liegenden Vertiefungen (12) haben.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (25) des oder der Segmente (12) als Kreisabschnitt ausgebildet ist, wobei der Mittelpunkt (M2) des Kreisabschnittes außerhalb des Mittelpunkts (M1) des Kreises der zwischen den Segmenten (11) liegenden Vertiefung (12) liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisabschnitt eine in oder gegen die Drehrichtung ansteigende kontinuierliche Form hat.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeelement (20) mindestens ein Hall-Element ist.
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