DE19907959A1 - Vorrichtung zum Sensieren der Motordrehzahl und -winkelstellung an einer Nockenwelle - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme zum Erfassen von Drehcharakte­ ristiken eines mechanischen Bauteils und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Sensoranordnung zum Erfassen der Drehcharakteristik einer Kurbel- oder Nockenwelle eines Motors.

Seit der Einführung elektronisch gesteuerter Verbrennungsmoto­ ren haben Geräte zum Erfassen der Drehung der Kurbel- oder Nockenwelle des Motors zunehmend Verbreitung erlangt. Bei­ spielsweise wird häufig die auch "Kurbelwinkel" genannte Win­ kelstellung der Kurbelwelle sensiert, um die Kraftstoffzufuhr, den Zündzeitpunkt und den Abgasausstoß des Motors zu steuern. Darüber hinaus ist oft die durch die Drehzahl der Kurbelwelle angegebene Motordrehzahl ein wichtiger Parameter verschiedener Motorsteuerungsschemata. Die US Patente Nr. 5 476 082 an Car­ penter et al, 5 361 630 an Kowalski und 4 936 277 an Deutsch et al seien als allgemeine Quelle für Hintergrundinformationen über verschiedene elektronische Motorsteuersysteme genannt, die auf einer Messung der Kurbelwellendrehung basieren.

Um zunehmend strengere Abgasnormen für Fahrzeuge mit Verbren­ nungsmotoren zu erfüllen, muß der Kurbelwinkel mit hoher Genau­ igkeit gemessen werden. Eine Möglichkeit, die erforderliche Genauigkeit zu erreichen besteht darin, ein Kurbelwinkel- Erfassungssystem einzusetzen, das einen Sensor und ein Refe­ renzglied aufweist, welches sich nahe dem Sensor mit der Kur­ belwelle dreht. Der Sensor ist zum Erfassen der Drehung des Referenzgliedes ausgelegt.

Eine Art Erfassungssystem hat ein Referenzglied mit mehreren winkelförmig beabstandeten Anzeigern, oder "Winkelmarkierun­ gen", entlang seinem Umfang, die zum Ändern eines Magnetfelds ausgelegt sind. Sowie jeder dieser Anzeiger sich am Sensor vorbei bewegt, erfaßt letzterer die entsprechende Änderung des Magnetfelds und erzeugt einen Erfassungspuls. Durch Verändern des Abstands der Anzeiger in bekannter Weise kann eine Angabe der relativen Winkelstellung der Kurbelwelle erhalten werden. Ferner kann die Pulsrate zum Erfassen der Drehzahl der Kurbel­ welle verwendet werden. Die US Patente Nr. 5 520 043 an Koelle et al, 5 469 823 an Ott et al, 5 460 134 an Ott et al, 4 760 827 an Schreiber et al, 4 442 822 an Kondo et al und 4 365 602 an Stiller et al seien als Beispiele unterschiedlicher Arten von Kurbelwinkel-Erfassungssystemen genannt.

In einem bekannten Kurbelwinkel-Erfassungssystem ist eine Referenzscheibe an einem Getriebeschwungrad außerhalb des Motors angebracht. Leider erfordert die äußere Anordnung der Scheibe normalerweise zusätzlichen Konstruktionsaufwand für jeden unterschiedlichen Getriebetyp, der für eine gegebene Motorkonstruktion angeboten wird. Daher ist es in vielen Fällen wünschenswert, die Referenzscheibe als Teil des Motors auszu­ führen. Eine Anbringung der Scheibe direkt an der Kurbelwelle erfordert jedoch im allgemeinen eine verlängerte Kurbelwelle, um einen passenden Anbringungsort zu schaffen.

Das US Patent Nr. 5 361 630 an Kowalski beschreibt einen Ver­ such dieses Problem zu lösen, indem Anzeigerschlitze an einem Kurbelwellengegengewicht eingeformt werden, welches dann als drehendes Referenzglied dient. Diese Methode erfordert leider noch immer eine umfassende Umkonstruktion der Kurbelwelle. Das Gegengewicht als Bestandteil der Konstruktion erfordert ferner einen Ausbau der Kurbelwelle, falls ein Ersetzen oder Einstel­ len des Referenzglieds erforderlich ist.

Es besteht somit Bedarf an einem Erfassungssystem für die Kurbelwellendrehung, das leicht an verschiedene Motorkonfigura­ tionen angepaßt werden kann. Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der Drehzahl und Win­ kelstellung eines Verbrennungsmotors vorzusehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die einen Verbrennungsmotor mit einem Nockenwellenzahnrad aufweist, das sich während des Motorbetriebs um eine Drehachse dreht. Am Nockenwellenzahnrad ist ein Rad angebracht, das eine Mehrzahl Referenzanzeiger aufweist. Die Referenzanzeiger sind eine erste Winkelbreite voneinander beabstandet. Das Rad weist einen Stellungsanzeiger auf, der von den Referenzanzeigern eine zweite Winkelbreite beabstandet ist, die größer als die erste winkelbreite ist. Die Vorrichtung weist auch einen am Motor angebrachten Sensor auf, wobei sich das Rad nahe dem Sensor dreht.

Bevorzugte Ausführungsformen Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht eines Verbrennungsmotor­ systems einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 2 eine teilweise Unteransicht eines in Fig. 1 darge­ stellten Resolverrades und Kurbelwangenaufbaus;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Vorderansicht der Kurbel­ welle, die das Resolverrad und den Kurbelwangenaufbau in Fig. 1 darstellt;

Fig. 4 eine auseinandergezogene Ansicht des in Fig. 3 darge­ stellten Aufbaus, bei dem zur Verdeutlichung Resolver­ radbefestigungen entfernt sind;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Rückansicht der Kurbelwel­ le, die das Resolverrad und den Kurbelwangenaufbau in Fig. 1 darstellt;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des in den Fig. 1 bis 5 veranschaulichten Resolverrades, das zur Verdeutli­ chung von der Kurbelwange getrennt ist;

Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Resolverrades und Zahnrades gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 7 dargestell­ ten Resolverrades, das auf dem Nockenwellenzahnrad in Fig. 7 montiert ist;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Resolver­ rades in Fig. 7;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht des Resolverrades in Fig. 9 entlang der Linie 10-10 in Fig. 9;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Motors, der das in Fig. 8 dargestellte Resolverrad und Nockenwel­ lenzahnrad aufweist;

Fig. 12 eine graphische Darstellung eines Sensorsignals ent­ sprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fig. 13 eine schematische Teilansicht eines Verbrennungsmotor­ systems gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform.

Um das Verständnis der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzi­ pien zu fördern, wird nun Bezug genommen auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen und es werden dabei teils spezielle Begriffe verwendet.

Fig. 1 stellt ein erfindungsgemäßes Verbrennungsmotorsystem 10 dar. Das System 10 weist einen Motor 20 mit einem Motorblock 22, einem Kraftstoffzufuhr-Teilsystem 23 und einem Zylinder­ kopf-/Ventilaufbau 24 auf. Der Motor 20 umfaßt darüber hinaus eine Ölwanne 26 und ein durch einen Kühlventilator 28 darge­ stelltes Kühlsystem. Der Motor 20 hat vorzugsweise sechs Zylin­ der und ist für einen Viertaktbetrieb ausgelegt. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Fachleuten dieser Technik bekannten Verbrennungsmotoren anwendbar.

Der Motor 20 treibt einen Antriebstrang 30. Der Antriebstrang 30 weist ein Getriebe 32 und eine Antriebswelle 34 auf, die eine Last 36 treibt. Bei einer Anwendung, bei der das System 10 in ein Fahrzeug integriert ist, kann die Last 36 die angetrie­ bene/n Achse/n und zugehörigen Fahrzeugräder mit Bodenberührung darstellen.

Das System 10 weist auch ein Steuergerät 40 auf, das verschie­ dene Betriebsarten des Motors 20 regelt. Das Steuergerät 40 ist durch eine Leitung 42 mit dem Kraftstoffzufuhr-Teilsystem 23 betrieblich gekoppelt. Vorzugsweise handelt es sich beim Kraft­ stoffzufuhr-Teilsystem 23 um eine elektronisch gesteuerte Kraftstofförderanlage, die in herkömmlicher Weise den Zylindern des Motors 20 Kraftstoff zumißt. Die funktionale Kopplung des Kraftstoffzufuhr-Teilsystems 23 mit dem Motor 20 ist durch eine Linie 41 dargestellt. Es können jedoch auch andere Kraftstoff­ zuführanlagen eingesetzt werden, beispielsweise mit einer für jeden Zylinder einzeln betätigten Kraftstoffdüse. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist bevorzugt jede Düse direkt an das Steuergerät 40 angeschlossen.

Das Steuergerät 40 weist auch eine vom Kurbelwellen-Sensor­ aufbau 46 kommende Eingangsleitung 44 auf. Zu den vom Steuerge­ rät 40 geregelten Betriebsarten gehören die Zündung, die Kraft­ stoffzufuhr und der Abgasausstoß des Motors. Diese Funktionen werden teilweise dadurch gesteuert, indem dem Kraftstoffzufuhr- Teilsystem 23 passende Betätigungssignale zugeleitet werden. Die Linie 42 stellt daher einen oder mehrere Signalwege zwi­ schen dem Steuergerät 40 und dem Kraftstoffzufuhr-Teilsystem 23 dar. Es ist möglich, daß das Steuergerät 40 außer vom Sensor­ aufbau 46 von anderen Sensoren Eingangssignale erhält, bei­ spielsweise von einer Motordrosselklappe (nicht dargestellt). Die detaillierte Schnittstelle und die Steuerverfahren, die vom Steuergerät 40 ausgeführt werden können, sind Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt.

Das Steuergerät 40 kann eine elektronische Schaltung aus einem oder mehreren Bauteilen sein. Entsprechend kann das Steuergerät 40 digitale oder analoge Schaltkreise oder beides aufweisen. Ferner kann das Steuergerät 40 programmierbar oder ein fest programmiertes Gerät oder eine Mischform davon sein. Das Steu­ ergerät 40 ist jedoch vorzugsweise ein auf einem Mikroprozessor basierendes Gerät bekannter Bauweise.

Der Motorblock 22 legt eine Anzahl Zylinderbohrungen (nicht dargestellt) mit zugehörigen Brennkammern fest, in denen je eine Kolbenanordnung 50 in herkömmlicher Weise aufgenommen ist. Jede Kolbenanordnung 50 weist einen Kolben 52 und eine schwenk­ bar daran angebrachte Pleuelstange 54 auf.

Der Motor 20 weist eine mit jeder Kolbenanordnung 50 verbundene Kurbelwelle 60 auf. Die Kurbelwelle 60 weist eine Hauptwelle 62 mit Kurbellagern 64a bis 64f auf, die in herkömmlicher Weise eine drehbare Lagerbeziehung mit dem Motorblock 22 bilden. Jede Pleuelstange 54 der Kolbenanordnung 50 ist mit der Kurbelwelle 60 durch ein zugehöriges Pleuellager 66a bis 66f schwenkbar verbunden. Das Pleuellager 66a ist mit der Kurbelwelle 60 an gegenüberliegenden Enden durch ein Paar Kurbelwangen 70a und 72a verbunden. Die Kurbelwange 70a ist mit dem Kurbellager 64a und die Kurbelwange 72a mit dem Kurbellager 64b verbunden. Die übrigen Pleuellager 66b bis 66f sowie die Kurbelwangen 70b bis 70f und 72b bis 72f sind in analoger Weise längs der Kurbelwel­ le 60 angeordnet. Darüber hinaus sind die Kurbelwangen 70a bis 70f und 72a bis 72f vorzugsweise als Kurbelwellengegengewichte ausgebildet. Die Kurbelwangen 70a bis 70f und 72a bis 72f sowie die Pleuellager 66a bis 66f können sich relativ zu den Kurbel­ lagern 64a bis 64f drehen, so daß sich die Kurbelwelle 60 in üblicher Art um ihre Drehachse R dreht.

An der Kurbelwange 72a ist nahe dem Sensoraufbau 46 ein Resol­ verrad 80 angebracht. Das Resolverrad 80 und der Sensoraufbau 46 sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie über die Eingangs­ leitung 44 an das Steuergerät 40 ein Sensorsignal leiten, das der Winkelstellung der Kurbelwelle 60 entspricht. Ferner kann das Steuergerät 40 so ausgebildet sein, daß es von diesem Signal eine Drehzahlinformation ableitet. Diese Drehzahl- und Winkelstellungsinformation wird vom Steuergerät 40 verwendet, um den Motorbetrieb in bekannter Weise zu steuern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine teilweise Unteransicht des Resolverrades 80 und der Kurbelwange 72a im Motor 20 darge­ stellt. Fig. 2 stellt zusätzlich Details der Beziehung des Resolverrads 80 und der Kurbelwange 72a zum Sensoraufbau 46 dar. Der Sensoraufbau 46 erstreckt sich durch eine in einer Wand 23 des Motorblocks 22 begrenzte Öffnung 21 und weist ein Erfassungsende 47 auf, das nahe dem Resolverrad 80 angeordnet und davon durch einen Spalt G getrennt ist. Der Sensoraufbau 46 weist eine im Erfassungsende 47 angeordnete Halleffekt- Einrichtung 45 auf, um Änderungen eines Magnetfelds zu erfas­ sen. Der Sensoraufbau 46 ist durch einen Befestigungsbolzen 48 an der Wand 23 angebracht. Zum Koppeln an die Leitung 44 weist der Sensoraufbau 46 ein modulares Verbindungsglied 49 auf. Das Resolverrad 80 dreht sich mit der Kurbelwange 72a, die sich ihrerseits dreht, wenn die Kurbelwelle 60 gedreht wird. Der Spalt G bleibt vorzugsweise während der Drehung der Kurbelwelle 60 relativ konstant.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 werden weitere Details der Anordnung des Resolverrads 80 und der Kurbelwange 72a erläutert. Das Resolverrad 80 ist allgemein als Kreisring ausgebildet, der wie in Fig. 3 dargestellt einen Innenradius R1 hat. Das Resolverrad 80 weist ein erstes gekrümmtes Ringsegment 82 und ein zweites gekrümmtes Ringsegment 92 auf. Jedes ge­ krümmte Ringsegment 82 und 92 weist am Umfang eine entsprechen­ de Anzahl Zähne 83 und 93 auf, die voneinander beabstandet sind, so daß sie dazwischen im wesentlichen gleichförmige Lücken 84 und 94 festlegen. Jeder der Zähne 83 und 93 hat ungefähr die gleiche Größe und Gestalt. Entsprechend hat jede Lücke 84 und 94 ungefähr die gleiche Größe und Ausrichtung. Folglich ist jeder Zahn des Rades 80 zum benachbarten Zahn in Umfangsrichtung durch einen Abstandswinkel A1 getrennt, wie in Fig. 3 dargestellt. Durch einen Radius R2 ist der den Lücken 84 und 94 des Rades 80 entsprechende kleinste Außenradius des Rades 80, und durch einen Radius R3 ein den Zähnen 83 und 93 entsprechender größter Außenradius des Rades 80 dargestellt. Das Ringsegment 82 definiert ferner eine Indexlücke 85, die einem in Fig. 3 dargestellten Indexwinkel A2 entspricht.

Die Kurbelwange 72a weist eine durch eine Umfangslinie 76 begrenzte Stirnfläche 74a auf. Die Stirnfläche 74a definiert eine Ausnehmung 77 zum Aufnehmen des Resolverrades 80, und eine Anzahl Gewindelöcher 78 zum Anbringen des Resolverrades 80 daran. Da sich die Drehachse R senkrecht zur Betrachtungsebene der Fig. 3 bis 5 erstreckt, ist sie in diesen Figuren durch den Drehpunkt P dargestellt. Zueinander senkrechte Achsen X, Y kreuzen am Punkt P und gehen von diesem aus. Es ist zu bemer­ ken, daß die Stirnfläche 74a zum Drehpunkt P, der Drehachse R und den Achsen X und Y asymmetrisch ist. Die Kurbelwange 72a weist auch eine Stirnfläche 74b auf, die auf einer der Stirn­ fläche 74a gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Die Stirn­ fläche 74b ist in den Fig. 2 und 5 dargestellt und ist ebenfalls asymmetrisch.

Das Ringsegment 82 legt Befestigungslöcher 86 fest. Entspre­ chend legt das Ringsegment 92 Befestigungslöcher 96 fest. Die Befestigungslöcher 86 und 96 des Resolverrades 80 sind so angepaßt, daß sie mit zugehörigen in der Kurbelwange 72a ausge­ bildeten Gewindelöchern 78 fluchten. Im ausgerichteten Zustand werden Schrauben 88 und 98 durch die Befestigungslöcher 86 und 96 in die Gewindelöcher 78 geschraubt, um das Rad 80 an der Kurbelwange 72a zu befestigen, wie in Fig. 3 dargestellt. Im befestigten Zustand hat das Resolverrad 80 eine im wesentlichen kreisringförmige Gestalt, die einer im wesentlichen kreisförmi­ gen Bahn um die Kurbelwelle 60 folgt. Das Ringsegment 82 weist an der Kurbelwange 72a angebrachte Endabschnitte 93a und 93b und einen zwischen den Endabschnitten 93a und 93b gelegenen, gekrümmten Zwischenabschnitt 93c auf. Der Zwischenabschnitt 93c erstreckt sich über die Umfangslinie 76 der als Gegengewicht ausgebildeten Kurbelwange 72a hinaus. Der mehrteilige Aufbau des Resolverrades 80 erlaubt es den Ringsegmenten 82 und 92 einen Teil der Kurbelwelle 60 zu umgeben, ohne zum Ein- oder Ausbau die Kurbelwelle 60 demontieren oder ein Referenzglied über ein Ende der Kurbelwelle führen zu müssen. Durch das Umgeben der Kurbelwelle kann ein hochauflösender Anzeiger für die Kurbelwellenstellung einfach vorgesehen werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 sind abgeschrägte Befestigungsflä­ chen 81 und 91 der Ringsegmente 82 und 92 dargestellt. Der Neigungswinkel dieser Befestigungsflächen 81 und 91 liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20° bis 25°, kann aber verändert werden, wie es einem Fachmann auf diesem Gebiet sinnvoll erscheint. Ein repräsentatives Befestigungsloch 86 erstreckt sich durch das Ringsegment 92 in einem Winkel A3, der auf eine zur Drehachse R parallele Achse bezogen ist. Der Winkel A3 ist vorzugsweise ungefähr gleich dem Neigungswinkel.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Resolverrades 80 ist der Abstandswinkel A1 nicht größer als 25° und der Indexwinkel A2 ist wenigstens 25% größer als der Abstandswinkel A1, um eine passende hochgenaue Auflösung des Kurbelwinkels und der Kurbeldrehzahl zu liefern. Bei dieser Ausführungsform über­ spannt ein Weg S1 einen Winkel von mindestens 180° um den Punkt P und ein Weg S2 überspannt einen Winkel von nicht mehr als 180° um den Punkt P, wobei diese Winkel gleich den Winkeln sind, die von einem Radius überstrichen werden, der sich um den Punkt P von einem Ende zum anderen Ende jedes Ringsegments 82 und 92 dreht.

In der in den Fig. 1 bis 6 veranschaulichten Ausführungsform beträgt der Winkel A1 etwa 10° und der Winkel A2 etwa 20°. Das Ringsegment 82 legt etwa siebenundzwanzig im wesentlichen gleich große Zähne 83 fest, und das Ringsegment 92 legt etwa acht im wesentlichen gleich große Zähne 93 fest. Bei dieser Ausführungsform überspannt der Weg S1 einen Winkel von etwa 280° und der Weg S2 einen Winkel von etwa 80° um den Punkt P.

Im Betrieb stellt der Sensoraufbau 46 ein Magnetfeld bereit und die Halleffekt-Einrichtung 45 erzeugt ein Änderungen dieses Magnetfelds entsprechendes elektrisches Signal. Die Zähne 83 und 93 des Resolverrades 80 bestehen aus einem Material, wel­ ches das Magnetfeld der Halleffekt-Einrichtung 45 ändert, wenn sie mit der Kurbelwange 72a und der Kurbelwelle 60 umlaufen. Indem sich jeder Zahn 83 und 93 am Erfassungsende 47 vorbeibe­ wegt, wird als Folge der Änderung des Magnetfelds von der Halleffekt-Einrichtung 45 ein entsprechendes Signal erzeugt. Das resultierende Signal ist vorzugsweise so beschaffen, daß es eine zeitbezogene Pulsfolge liefert, bei der jeder Puls des Signalmusters einen Zahn darstellt, der am Erfassungsende 47 des Sensoraufbaus 46 vorbeiläuft.

Das von den im wesentlichen gleichförmigen Zähnen 83 und 93 sowie den zugehörigen Lücken 84 und 94 gelieferte Signalmuster ist normalerweise von dem zur Indexlücke 85 gehörenden Signal­ muster unterscheidbar. Folglich liefert die Indexlücke 85 für jede Umdrehung der Kurbelwelle 60 einen Winkelreferenzpunkt, den das Steuergerät 40 verwenden kann, um das Steuern des Systems 10 zu vereinfachen. In einer Ausführungsform kann die Indexlücke 85 in einem vorbestimmten Stellungsverhältnis zum oberen Totpunkt (TDC) einer ausgewählten Kolbenanordnung 50 angeordnet sein, um das Timing bzw. die Synchronisierung des Motors zu steuern - unter Berücksichtigung des Umstandes, daß eine Kurbelwelle in einem Viertaktmotor für jede Verbrennungs- /Ausstoß-Folge einer gegebenen Kolbenanordnung zwei Umdrehungen ausführt. Ferner kann das Steuergerät 40, aufgrund der Gleich­ förmigkeit der Zähne 83 und 93 sowie Lücken 84 und 94, kleine Änderungen der Drehzahl der Kurbelwelle 60 während jeder Kur­ belwellenumdrehung leicht erfassen. In anderen Ausführungsfor­ men können mehr oder weniger Zähne und unterschiedliche räumliche Zahnmuster verwendet werden, um die Erfordernisse des verwendeten Systems zu erfüllen.

Die Zähne 83 und 84 des Resolverrades 80 sind vorzugsweise aus einem eisenhaltigen Material hergestellt, daß eine Änderung eines Magnetfelds leicht erfaßt. Ferner wird bevorzugt, wie in Fig. 1 dargestellt, daß das Resolverrad 80 und der Sensoraufbau 46 an einer Kurbelwange vorgesehen sind, die der hintersten Kolbenanordnung 50 des Motors 20 zugeordnet ist. Es wurde ermittelt, daß Torsionsschwingungen des Motors 20 zu weniger Sensorrauschen führen, wenn das Resolverrad 80 an dieser Stelle angebracht ist, verglichen mit einer Anordnung des Resolverrads 80 an einer der vorderen Kurbelwangen 70b bis 70f oder 72b bis 72f. In anderen Ausführungsformen kann das Resolverrad 80 dennoch an verschiedenen Stellen längs der Kurbelwelle 60 angeordnet sein.

Neben einer Zahn/Lücken-Anordnung können andere Arten Anzeiger oder Markierungen verwendet werden, je nach ausgewählter Sen­ sorart. Beispielsweise verwendet das US Patent Nr. 4 155 430 an Fernquist et al in einem Referenzglied eingebettete, verschie­ den polarisierte Magnete als Anzeiger. Neben Halleffekt- Einrichtungen können in anderen Ausführungsformen auch andere Sensorarten, wie beispielsweise induktive und magneto-resis­ tive, verwendet werden. Entsprechend kann es in anderen Ausfüh­ rungsformen nicht erforderlich sein, die Kurbelwelle 60 mit einer Ringstruktur vollständig zu umgeben, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Auch kann es nicht erforderlich sein, eine Referenzlücke vorzusehen oder ein Referenzglied mit einer Ringform zu verwenden. Ferner kann in alternativen Ausführungs­ formen im Gegensatz zum mehrteiligen Resolverrad 80 eine ein­ teilige Referenzeinrichtung an einer Kurbelwange angebracht sein. Das System 10 kann mit anderen Drehsensorsystemen, wie beispielsweise einem Nockenwellen-Erfassungssystem, kombiniert werden, um die gewünschte Motorsteuerung bereitzustellen.

In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Resolverrad 200 an einem die Nockenwelle antreibenden Zahn­ radtrieb befestigt. Ein Bewegen des Resolverrades 200 vorbei an einem in einem Zahnradgehäuse des Motors 20 angeordneten Hall­ effekt-Sensor führt zu einem Sensorsignal, aus dem das Steuer­ gerät 40 sowohl die Drehzahl des Motors 20 als auch seine Winkelstellung innerhalb des thermodynamischen Motorzyklus ermitteln kann. Dies ist möglich, weil sich die Nockenwelle im Fall eines Viertaktmotors, beispielsweise eines Dieselmotor oder eines Ottomotor, bei jeder Wiederholung des Zyklus einmal dreht. Dies unterscheidet sich von den hierin bisher beschrie­ benen Ausführungsformen, in denen das Resolverrad 80 an der Kurbelwelle 60 befestigt ist. In diesen Ausführungsformen stellt die Indexlücke 85 einen Winkelreferenzpunkt für jede Umdrehung der Kurbelwelle 60 bereit, oder zwei solche Winkelre­ ferenzpunkte für jeden thermodynamischen Zyklus. Es kann in diesen Ausführungsformen wünschenswert sein, einen zweiten Sensor zum Bereitstellen einer Anzeige pro thermodynamischem Zyklus zu haben. In den Ausführungsformen dieser Erfindung, in denen sich das Resolverrad 200 mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle 60 dreht, können sowohl die Motordrehzahl als auch die Winkelstellung darstellende Signale von einem einzigen Sensor bereitgestellt werden. Es ist daher für die in den Fig. 7 bis 13 dargestellten und beschriebenen Ausführungs­ formen nicht erforderlich, getrennte Motordrehzahl- und Winkel­ stellungssensoren vorzusehen.

Fig. 7 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Resolverrades und eines Zahnrades gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung. Ein Resolverrad 200 wird an eine Zahnradstirnfläche 202 eines Nockenwellenzahnrades 204 angebracht. Die äußere Fläche 201a des Resolverrades 200 bildet mit einer im Zahnrad 204 ausgebildeten Bohrung 203 einen Preß­ sitz. Zusätzlich ist das Resolverrad 200 am Zahnrad 204 durch Befestigungsglieder 206 befestigt. Fig. 8 stellt das am Nocken­ wellenzahnrad 204 montierte Resolverrad 200 dar. Das Resolver­ rad 200 weist eine Vielzahl Referenzanzeiger oder Stege 208 auf. Zwischen zwei benachbarten Referenzanzeigern 208 ist je ein Schlitz oder Fenster 210 ausgebildet.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Teil des Resol­ verrads 200, das auch einen Stellungsanzeiger 212 aufweist, der breiter als die Referenzanzeiger 208 ist. In einer Ausführungs­ form dieser Erfindung ergibt sich der Stellungsanzeiger 212, indem zwischen Schlitzen 210a und 210b kein Schlitz 210 ausge­ bildet wird. Die Referenzanzeiger 208 haben eine erste Winkel­ breite 209. Der Stellungsanzeiger 212 hat eine zweite Winkelbreite 213, die größer als die Winkelbreite 209 ist. Eine Vorderkante 214a und eine Hinterkante 214b jedes Referenzanzei­ gers 208 und die Vorderkante 215a und Hinterkante 215b des Stellungsanzeigers 212 fluchten radial mit der Mittelachse X des Resolverrades 200. Die Schlitze 210 sind somit länglich, mit gerundeten Enden und sich verjüngenden Seiten, und haben eine Winkelbreite 211. Jeder Schlitz 210 ist zur äußeren Fläche 201a des Resolverrades 200 breiter und zur inneren Fläche 201b schmäler. Radiallinien 216 stellen die radiale Beschaffenheit der Vorderkanten 214a und 215a und der Hinterkanten 214b und 215b dar. In einer Ausführungsform dieser Erfindung bestehen von der Vorderkante 215a des Stellungsanzeigers 212 bis zur Hinterkante 215b einundsiebzig gleich beabstandete Schlitze 210. In dieser Ausführungsform ist die Summe der Winkelbreite 211 und der Winkelbreite 209 etwa 5°. Die zweite Winkelbreite 213 ist etwa 7° und die erste Winkelbreite 209 ist etwa 2°. Obwohl für eine Ausführungsform dieser Erfindung eine besondere Anzahl Schlitze und besondere Winkelbreiten beschrieben worden sind, können weniger oder mehr Schlitze sowie Referenz- und Stellungsanzeiger größerer oder geringerer Breite vorgesehen sein, so daß ein Sensor 228 in der Lage ist, dem Steuergerät 40 ein Sensorsignal mit ausreichender Genauigkeit und Auflösung zum Erfassen der Motordrehzahl und Winkelstellung zuliefern.

Fig. 10 stellt einen Querschnitt des Resolverrades 200 durch einen Schlitz 210 dar. Der Schlitz 210 ist als Durchgangsloch durch das Resolverrad 200 hergestellt, das sich von der ersten Stirnfläche 218 zur zweiten Stirnfläche 220 erstreckt. Die Schlitze 210 werden vorzugsweise durch einen Fernstanzprozeß ausgebildet, bei dem ein erstes Werkzeug entlang der ersten Stirnfläche 218 angeordnet ist und die Winkelstellen überla­ gert, an denen die Referenzanzeiger 208 und der Stellungsanzei­ ger 212 gewünscht sind. Ein zweites Werkzeug überlagert die Stellen der Referenzanzeiger 208 und Stellungsanzeiger 212 auf der zweiten Stirnfläche 220 des Resolverrades 200. Dann wird ein drittes Werkzeug mit einer im wesentlichen dem Schlitz 210 entsprechenden Form durch das Resolverrad 200 von der zweiten Stirnfläche 220 zur ersten Stirnfläche 218 gestoßen. Dieser Arbeitsgang führt zu Vorderkanten 214a und 215a sowie Hinter­ kanten 214b und 215b für die Anzeiger 208 bzw. 212, die eine scharfe Kante 222 entlang der ersten Stirnfläche 218 und eine gerundete Kante 224 entlang der zweiten Stirnfläche 220 haben. Obwohl zur Herstellung des Resolverrades 200 ein besonderer Herstellungsprozeß beschrieben worden ist, können alternative Herstellungsverfahren verwendet werden, wie beispielsweise reines Stanzen und Gießen. Das Resolverrad 200 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität herge­ stellt, wie beispielsweise kohlenstoffarmer Stahl, um so eine magnetische Wirkung am Halleffekt-Sensor 228 herbeizuführen (siehe Fig. 11).

Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Motors, die eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung darstellt. Ein Nockenwellenzahnrad 204 ist an einer Nockenwelle 226 befestigt, die so ausgebildet ist, daß sie sich während des Betriebs des Motors 20 um eine Drehachse X dreht. Die Nockenwelle 226 betä­ tigt die Tellerventile im Zylinderkopfaufbau 24. Das Resolver­ rad 200 ist entlang der Zahnradstirnfläche 202 am Nockenwellen­ zahnrad 204 befestigt. Ein Teil des Nockenwellenzahnrads 204 dreht sich an einem Teil eines Zahnradgehäuses 230 vorbei, das an der vorderen Stirnfläche des Motors 20 (nicht dargestellt) eine Mehrzahl Zahnräder stützt und umgibt. Am Zahnradgehäuse 230 ist der Halleffekt-Sensor 228 befestigt und darin so ange­ ordnet, daß sich die erste Stirnfläche 218 des Resolverrades 200 vorzugsweise an der Stirnfläche des Sensors 228 vorbeibe­ wegt. Fig. 13 stellt schematisch das Nockenwellenzahnrad 204 dar, das durch ein oder mehrere Zahnräder 242 angetrieben wird, die durch die Kurbelwelle 60 angetrieben werden. In einigen Ausführungsformen dieser Erfindung ist ein zweiter Halleffekt- Sensor 228 am Zahnradgehäuse 230 befestigt und darin so ange­ ordnet, daß er dem Steuergerät 40 ein redundantes Sensorsignal liefert.

Der Sensor 228 ist nahe dem Resolverrad 200 angeordnet, um so die Referenzanzeiger 208 und den Stellungsanzeiger 212 zu erfassen, während sich die Anzeiger am Sensor 228 vorbeidrehen. Der Sensor 228 ist von der Stirnfläche 218 des Resolverrades 200 durch einen Spalt 229 beabstandet, der etwa 0,05 cm (0,02 Inch) bis etwa 0,127 cm (0,05 Inch) breit ist. Das Zahnradge­ häuse 230, das Nockenwellenzahnrad 204, der Zylinderblock 22 und die Nockenwelle 226 haben Gegen- und Anordnungsflächen sowie Ausmaße, die in der Toleranzsumme umfaßt sind, welche die Größe des Spalts 229 festlegt. Da bei einem Verbrennungsmotor eine genaue geometrische Beziehung zwischen diesen Bauteilen typischerweise beibehalten wird, ist es in einigen Ausführungs­ formen dieser Erfindung nicht erforderlich, ein Mittel zum Einstellen des Spaltes 229 vorzusehen.

Wenn sich das Resolverrad 200 entsprechend der Drehung der Nockenwelle 226 dreht, erzeugt der Sensor 228 ein Sensorsignal 234, das der Drehung des Resolverrades 200 entspricht. Das Sensorsignal 234 wird dem Steuergerät 40 zugeleitet, das ver­ schiedene Betriebsarten des Motors 20 regelt. Das Sensorsignal 234 ist allgemein eine Folge sich wiederholender Rechteckwel­ len, die das Vorbeilaufen der Schlitze 210 sowie Anzeiger 208 und 212 am Sensor 228 darstellen. Das Sensorsignal 234 umfaßt eine einzelne Rechteckwelle, die länger dauert als die anderen Wellen und dem Stellungsanzeiger 212 entspricht. In manchen Ausführungsformen dieser Erfindung ist es wünschenswert, daß die als Sensorsignal 234 dargestellte Wellenform scharfkantig ist, mit steilen Vorder- und Rückflanken des elektrischen Signals. Es wurde festgestellt, daß das Anordnen der ersten Stirnfläche 218 mit den nahe dem Sensor 228 vorbeilaufenden scharfen Kanten 222 die Rechteckigkeit der Wellenform des Sensorsignals 234 verbessert und so die Genauigkeit der durch das Steuergerät 40 aus dem Sensorsignal 234 gewonnenen Dreh­ zahl- und Winkelstellungsmessungen verbessert.

Das Sensorsignal 234 ist im Steuergerät 40 zum Messen der Drehzahl und der Winkelstellung des Motors 20 verwendbar. Ein sich wiederholender Teil 236 des Sensorsignals 234 ist eine elektrische Entsprechung der Winkelbreite 209 des Referenzan­ zeigers 208. Ein sich wiederholender Teil 238 des Sensorsignals 234 stellt eine elektrische Entsprechung der Winkelbreite 211 des Schlitzes 210 dar. Ein sich wiederholender Teil 240 des Sensorsignals 234 entspricht elektrisch der Winkelbreite 213 des Stellungsanzeigers 212. Basierend auf der Kenntnis der Winkelbreiten 209 und 211 ist das Steuergerät 40 fähig, Zeit­ messungen auf das Steuersignal 234 anzuwenden, um die Drehge­ schwindigkeit der Nockenwelle 226 zu erfassen, die sich mit halber Drehzahl der Kurbelwelle 60 dreht.

Obwohl ein Resolverrad mit einem Muster abwechselnder Anzeiger und Schlitze beschrieben worden ist, kann das Resolverrad 200 auch ein Muster abwechselnder Anzeiger und Vertiefungen umfas­ sen, so daß das Vorbeilaufen der Anzeiger und Vertiefungen am Sensor 228 ein vom Steuergerät 40 verwendbares Sensorsignal erzeugt. Ferner werden Fachleute erkennen, daß die Referenz- und Stellungsanzeiger aus einer Fläche des Resolverrades 200 erhöht sein können, so daß sie Täler zwischen den erhöhten Flächen bilden. Ferner können, obwohl ein Halleffekt-Sensor dargestellt und beschrieben worden ist, andere Arten Sensoren, wie beispielsweise induktive und magneto-resistive, verwendet werden. Weiter kann ein Resolverrad an der Nockenwelle 226 angebracht sein, obwohl dargestellt und beschrieben worden ist, daß das Resolverrad 200 am Nockenwellenzahnrad 204 angebracht ist.

Ein Teil 240 des Sensorsignals 234 liefert eine Angabe, aus der das Steuergerät 40 die Winkelstellung des Motors 20 ermittelt. Der Stellungsanzeiger 212 ist durch Befestigungsglieder 206, die das Resolverrad 200 am Nockenwellenzahnrad 204 befestigen, und durch die schräge Fläche bzw. Keilnut 203, die das Nocken­ wellenzahnrad 204 an der Nockenwelle 226 genau positioniert, bezüglich der Nockenwelle 226 genau positioniert. Da sich die Kurbelwelle 226 bei jedem thermodynamischen Zyklus des Motors 20 einmal dreht, oder einmal bei je zwei Umdrehungen der Kur­ belwelle 60, zeigt der Stellungsanzeiger 212 somit die Winkel­ stellung des Motors 20 innerhalb des thermodynamischen Zyklus an. Der Stellungsanzeiger 212 ist auf ein besonderes Ereignis innerhalb des thermodynamischen Zyklus ausgerichtet, wie bei­ spielsweise die obere Totpunktstellung einer Kolbenanordnung 50. Der Teil 240 des Sensorsignals 234 muß nicht unbedingt mit der Vorderkante 212a oder Hinterkante 212b des Stellungsanzei­ gers 212 übereinstimmen, weil sich die Änderung am Spannungs­ ausgang des Halleffekt-Sensors 228 an einem von der Mittellinie des Sensors 228 verschiedenen Punkt ereignen kann. Aus diesem Grund wird vorzugsweise der elektromagnetische Versatz des Stellungsanzeigers 212 zum Teil 240 des Sensorsignals 234 ermittelt. Dieser elektromagnetische Versatz kann durch Verfah­ ren ermittelt werden, die Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind.

Weil die Schlitze 210 sowie Anzeiger 208 und 212 gegenüber Schlitzen und Anzeigern mit parallelen Kanten eine zugehörige Winkelbreite haben, sind diese Ausführungsformen der Erfindung gegen Fehleinstellungen des Sensors 228 bezüglich der Drehachse X verhältnismäßig tolerant. Der Sensor 228 kann nahe den Schlitzen 210 radial verschoben werden und dennoch ein Sensor­ signal 234 mit genauen Motordrehzahl- und Winkelstellungsdaten liefern. Demgegenüber ist ein Schlitz oder Anzeiger mit paral­ lelen Kanten nicht tolerant gegenüber radialen Fehleinstellun­ gen des Sensors. Anzeiger und Schlitze mit parallelen Kanten stellen Sensorsignalteile bereit, deren Zeitdauer von der radialen Stellung des Sensors abhängig ist, weil die vom Sensor erfaßte Winkelbreite der Anzeiger und Schlitze eine Funktion der radialen Stellung des Sensors ist. Bei der vorliegenden Erfindung stellt die Zeitdauer der Teile 236 und 238 des Sen­ sorsignals 234 feste Winkelbreiten bzw. -unterteilungen 209 bzw. 211 dar. Das Verhältnis des Teils 236 des Sensorsignals 234 zum Teil 238 hängt nicht von der Radialstellung des Sensors 228 ab.

Aus dem gleichen Grund hängt die Beziehung des Teils 240 des Sensorsignals 234 zu einer Winkelstellung des Motors 20 nicht von der Radialstellung des Sensors 228 ab. Somit führt der Stellungsanzeiger 212 zu einer genaueren Winkelstellungsmessung durch das Steuergerät 40, was für Funktionen wünschenswert ist, die innerhalb des thermodynamischen Motorzyklus sorgfältig zeitlich abgestimmt sein sollen, wie beispielsweise die optima­ le Kraftstoffeinspritzung, um den Ausstoß von Motorschadstoffen so gering wie möglich zu halten.

Claims (19)

1. Vorrichtung, mit

• - einem Verbrennungsmotor mit einem Nockenwellenzahnrad, das sich während eines Motorbetriebs um eine Drehachse dreht, wobei der Motor eine Drehzahl und eine Winkelstellung hat;
• - einem am Nockenwellenzahnrad befestigtes Rad, das eine Mehr­ zahl Referenzanzeiger aufweist, die eine erste Winkelbreite haben, und das einen Stellungsanzeiger aufweist, der eine zweite Winkelbreite hat, die größer als die erste Winkelbreite ist; und
• - einem am Motor angebrachten Sensor, nahe dem sich das Rad dreht, und der ein der Drehzahl und Winkelstellung des Rades entsprechendes Sensorsignal bereitstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzanzeiger durch inner­ halb des Rades begrenzte Schlitze mit einer dritten Winkelbrei­ te getrennt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzanzeiger durch im Rad begrenzte Vertiefungen getrennt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Zahnradgehäuse auf­ weist, sich ein Teil des Nockenwellenzahnrades an einem Teil des Zahnradgehäuses vorbeidreht und der Sensor am Zahnradgehäu­ se angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Halleffekt-Sensor ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad zwei Stirnflächen hat und durch Feinbearbeitung hergestellt ist, wodurch die Referenzan­ zeiger auf der ersten Stirnfläche des Rades eine scharfe Kante und auf der zweiten Stirnfläche des Rades eine gerundete Kante haben, und daß die erste Stirnfläche zwischen dem Sensor und der zweiten Stirnfläche angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad siebzig gleich beabstandete Referenzanzeiger und einen Stellungsanzeiger aufweist.

9. Steuersystem, mit

• - einem Verbrennungsmotor mit einer Nockenwelle, die sich während eines Motorbetriebs um eine Drehachse dreht;
• - einem an der Nockenwelle angebrachten Rad, das eine Mehrzahl Referenzanzeiger und einen Stellungsanzeiger aufweist;
• - einem Sensor, der nahe dem Rad zum Erfassen der Mehrzahl Referenzanzeiger und des Stellungsanzeigers angeordnet ist und der ein der Drehung des Rades entsprechendes Sensorsignal bereitstellt; und
• - einem Steuergerät, das betriebsmäßig mit dem Motor und auf den Sensor reagierend gekoppelt ist, um als Funktion des Sen­ sorsignals ein Steuersignal zu erzeugen, wobei der Motor gemäß dem Steuersignal betrieben wird.

10. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor eine Drehzahl und eine Winkelstellung hat und das Steuergerät die Referenzan­ zeiger verwendet, um die Drehzahl des Motors zu erfassen, und den Stellungsanzeiger verwendet, um die Winkelstellung des Motors zu erfassen.

11. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzanzeiger eine erste Winkelbreite haben und der Stellungsanzeiger eine zweite Win­ kelbreite hat, die größer als die erste Winkelbreite ist.

12. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzanzeiger durch im Rad begrenzte Schlitze mit einer dritten Winkelbreite getrennt sind.

13. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzanzeiger durch im Rad begrenzte Vertiefungen getrennt sind.

14. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle an einem Nockenwel­ lenzahnrad mit einer Zahnradstirnfläche und das Rad an dieser Zahnradstirnfläche befestigt ist.

15. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Zahnradgehäuse auf­ weist, ein Teil des Nockenwellenzahnrades sich an einem Teil des Zahnradgehäuses vorbeidreht und der Sensor am Zahnradgehäu­ se befestigt ist.

16. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt ist.

17. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Halleffekt-Sensor ist.

18. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad zwei Stirnflächen hat und durch Feinbearbeitung hergestellt ist, wodurch die Referenzan­ zeiger auf der ersten Stirnfläche des Rades eine scharfe Kante und auf der zweiten Stirnfläche des Rades eine gerundete Kante haben und die erste Stirnfläche zwischen dem Sensor und der zweiten Stirnfläche angeordnet ist.

19. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad siebzig gleich beabstandete Referenzanzeiger und einen Stellungsanzeiger aufweist.