DE19924053A1

DE19924053A1 - Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und Phasenlage von rotierenden Bauelementen

Info

Publication number: DE19924053A1
Application number: DE1999124053
Authority: DE
Inventors: Stefan Von Dosky; Stefan Simon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2000-09-14

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und der Phasenlage an rotierenden Bauelementen vorgeschlagen, bei der mit mindestens einem ortsfesten Sensor (8, 9, 10) Winkel- und Bezugsmarken (5, 6) am rotiernden Bauelement (2, 4) abtastbar und in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung verarbeitbar sind. Ein Sensormodul (8) ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Bereich der über eine Verzahnung (3) ineinandergreifenden Antriebs- und Abtriebsräder (2, 4) einer Ölpumpe eines Verbrennungsmotors angeordnet, wobei der erste Sensor (9) dem Pumpenantriebsrad (2) als Drehzahlgeber und der zweite Sensor (10) dem Pumpenabtriebsrad (4) als Phasengeber zugeordnet ist und wobei das Pumpenabtriebsrad (4) den doppelten Druchmesser des Pumpenantriebsrades (2) aufweist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und Phasenlage von rotierenden Bauelementen, insbesondere zur Erzeugung von Eingangssignalen für Steuer geräte an Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beispielsweise besteht bei der Adaption von elektroni schen Motorsteuerungssystemen an Viertaktverbrennungsmo toren zur Steuerung der Zündung oder der Kraftstoffein spritzung das Problem der genauen Diagnose der Drehzahl des Motors und der Zuordnung der Arbeitstakte der einzel nen Zylinder zur Winkelstellung der Kurbelwelle. Bei ei nem Viertakthubkolbenmotor sind diese einzelnen Ar beitstakte, in allgemein bekannter Weise, Ansaugen, Ver dichten, Verbrennen des Kraftstoffs und Ausstoßen des Ab gases. Die Länge eines jeden Arbeitseinzeltaktes beträgt 180° Kurbelwellenumdrehung, so dass ein kompletter Takt nach zwei Kurbelwellenumdrehungen bzw. 720° abgeschlossen ist.

Bei Motoren mit mehreren Zylindern erfolgt zur Überlage rung und somit Kompensierung der Tangentialkräfte im Kur beltrieb und damit zur Steigerung der Laufruhe eine Über lagerung der einzelnen Arbeitstakte der Zylinder mit ei ner Phasenverschiebung von zweckmäßigerweise 180°.

Es ist eine solche Vorrichtung zur Winkellageerfassung eines rotierenden Teils beispielsweise aus der DE 40 11 503.8 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird mit Hilfe eines Sensors an rotierenden Bauelementen eines Verbren nungsmotors ein Signal gewonnen, dass eine Drehzahlerken nung und eine Erkennung der Kurbelwellenstellung zur Er fassung des jeweiligen Arbeitstaktes des Verbrennungsmo tors ermöglicht. Durch eine entsprechende Ausgestaltung eines Impulsgeberrades, das neben einer Vielzahl von gleichmäßig über seine Oberfläche verteilten Inkrementen auch wenigstens zwei, eindeutig unterscheidbare Bezugs marken aufweist, können die notwendigen Signale detek tiert werden.

Das Impulsgeberrad ist bei der bekannten Anordnung mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors oder mit einer mit der Nockenwelle synchron umlaufenden Welle, z. B. auf ei ner Welle innerhalb des Zündverteilers, verbunden. Der Sensor, beispielsweise ein induktiver Aufnehmer, liefert ein Signal, das in einer Aufbereitungsschaltung zu einem Rechtecksignal geformt und in einem nachgeschalteten Mi krocomputer ausgewertet werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die eingangs beschriebene Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und der Phasenlage an rotierenden Bauelementen wird gemäß der Erfindung mit dem Kennzeichen des Hauptan spruchs in vorteilhafter Weise weitergebildet. Es ist hier ein Sensormodul mit zwei Sensoren ausgestattet, die jeweils den Winkel- und Bezugsmarken an jeweils einem ro tierenden Bauelement zugeordnet sind, wobei die beiden rotierenden Bauelemente in einem mechanischen Wirkungszu sammenhang stehen. Durch eine geeignete Anbringung der Sensoren, beispielsweise an ineinandergreifenden Zahnrä dern, die in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis eine Drehübertragung bewirken, kann damit auf einfache Weise die Drehzahl und die Phasenlage der rotierenden Anordnung detektiert werden. Auch zur Drehmomentenerkennung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Torsionsberechnung, aufgrund des Vergleichs zweier Winkelstellungen zueinan der, einsetzbar.

Die Erfindung ist daher bevorzugt zur Auswertung der Be triebszustände eines Verbrennungsmotors in einem Kraft fahrzeug anwendbar. Die Detektierung der Drehzahl und der Phasenzustände wurde in bisher üblicher Weise auch mit zwei räumlich getrennten, beispielsweise magnetoelektri schen Sensoren vorgenommen. Der für die Drehzahl zustän dige Sensor liest die Codierung eines auf der Kurbelwelle montierten Geberrades und liefert somit die genaue Winke lauflösung einer Kurbelwellenumdrehung von 360°. Die In formation dieses Drehzahlgebers erlaubt beispielsweise in einem kleinen Toleranzfeld die Bestimmung des genauen Zünd- und Einspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Die Kalibrierung dieses Systems erfolgt nach jeder Kurbelwellenumdrehung durch ein in einer Rad lücke erzeugtes Signal, wobei die Inkremente dieser Ge berradscheibe bis auf die Kalibrierlücke identisch sind.

Üblicherweise wäre noch ein als Phasengeber funktionie render Sensor zur Erkennung des 1. Zylinders notwendig, dieser liest das Signal einer auf der Nockenwelle mon tierten Geberradscheibe. Da die Drehzahl der Nockenwelle immer genau halb so groß ist wie die der Kurbelwelle ent spricht der komplette Arbeitstakt eines Zylinders, also eine Kurbelwellenumdrehung von 720°, einer Nockenwellen umdrehung von 360°. Die Geberradscheibe des Phasengebers ist in 90° Segmente unterteilt, also jeder einzelne Ar beitstakt der Kolben entspricht einer Nockenwellendrehung um 90°, wodurch sich aus dem Phasengebersignal eine Pha senzuordnung eines jedes einzelnen Zylinders gewinnen läßt.

An sich erlaubt daher nur das Zusammenspiel des Drehzahl gebers und des Phasengebers eine sehr genaue Detektierung des Drehwinkel- und Drehzahlzustandes des Verbrennungsmo tors sowie die Arbeitstaktzuordung bzw. die Bestimmung der Arbeitsphasen der einzelnen Zylinder. Eine Tendenz in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren geht jedoch in Richtung der Eliminierung von bewegten Teilen und ande rerseits auch in Richtung der besseren Regel- und Steuer barkeit der einzelnen Arbeitstakte. Dies ist besonders wichtig bei Motoren, die im Automobilbau eingesetzt wer den, hier ändern sich nahezu ständig die für ein optima les Arbeiten des Motors entscheidenden Parameter wie Drehzahl, Einspritzmenge und abzugebendes Drehmoment.

Um eine bessere Beherrschbarkeit der einzelnen Ar beitstakte zu erreichen, ist man allgemein bestrebt, die se unabhängig voneinander in jedem Zylinder des Verbren nungsmotors einzeln zu steuern. So ist es oft erforder lich, bei Fahrten im Schubbetrieb die Kraftstoffzufuhr zu stoppen und bei leichtem Gefälle die Ein- und Auslassven tile zu öffnen, um ein Bremsen des Motors durch eine Um kehrung der exothermen Verbrennung in eine endotherme Re aktion zu vermeiden. Eine Kollision von Ventilen und Kol ben muss hierbei durch eine entsprechende Brennraumge staltung verhindert werden. Ebenfalls von Vorteil wäre es, dass bei geringer Leistungsentnahme des Verbrennungs motors durch den Fahrer einzelne Zylinder ganz abgeschal tet werden, wobei diese Maßnahmen hauptsächlich auf eine Einsparung von Kraftstoff und eine Verringerung von Emis sionen zielen.

Die zuvor erläuterten Anforderungen und andere elektro nisch gesteuerten Funktionen sind jedoch nur mit einem unabhängigen Ventiltrieb realisierbar, bei dem jedes Zy linderventil einzeln und separat angesteuert werden kann. Dieser Ventilantrieb erfolgt beispielsweise elektromagne tisch durch Zugspulen. Deshalb wird man bei diesen Moto ren keine mechanische Nockenwelle mehr anordnen, so dass das Phasensignal durch einen Phasengeber-Sensor nicht mehr abnehmbar ist. Diese Verbrennungsmotoren verdrängen aufgrund ihrer hervorragenden technischen Eigenschaften die konventionelle Nockenventilsteuerung im Kraftfahr zeugbau.

Die Erfindung ist daher besonders vorteilhaft, wenn sie bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erfassung der Drehzahl und Phasenlage direkt oder indirekt nur an der Kurbelwelle als rotierendes Bauelement in einem Verbren nungsmotor angewendet wird. Nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 2 ist das Sensormodul in vorteil hafter Weise im Bereich der über eine Verzahnung ineinan dergreifenden Antriebs- und Abtriebsräder einer Ölpumpe des Verbrennungsmotors angeordnet. Hierbei ist der erste Sensor dem Pumpenantriebsrad als Drehzahlgeber und der zweite Sensor dem Pumpenabtriebsrad als Phasengeber zuge ordnet, wobei das Pumpenabtriebsrad den doppelten Durch messer des Pumpenantriebsrades aufweist.

Die in der Regel an jedem Verbrennungsmotor angeordnete Ölpumpe ist ein relativ einfach aufgebautes hydraulisches Aggregat, welches die Druckölversorgung der Gleitlager des Kurbeltriebes und eventuell von Nebenaggregaten, wie Turbolader etc., durch Ölkanäle hindurch übernimmt. Die Ölpumpe besteht im wesentlichen aus zwei gegenläufig dre henden Zahnrädern, an denen sich durch ihre Rotationsdy namik eine Sog- und eine Druckseite je nach Drehrichtung ausbildet.

Im Gegensatz zu den üblicherweise angewandten Ölpumpen, die gleich große Zahnräder aufweisen, ist bei der erfin dungsgemäßen Ölpumpe ein Zahnrad der Pumpe mit dem dop pelten Durchmesser des anderen Zahnrades gebaut. Das kleinere Rad ist hier das mit der Kurbelwellendrehzahl rotierende Antriebsrad. Die beiden Räder, die in der Re gel aus dem Vollen gefräst sind, weisen auf ihren Seiten flanken Codierung auf, ähnlich der Geometrie der aus dem Stand der Technik bekannter Geberräder. Die konstruktiven Änderungen haben hier keinen Einfluß auf das Verhalten der Zahnräder als Pumpe und die Funktion der Ölpumpe. Durch die Untersetzung im Verhältnis 1 : 2 ist an der Ein griffsstelle beider Zahnräder ein Abgriff zum einen der Kurbelwellendrehzahl und der Drehwinkelstellung und zum anderen des Phasensignals möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensormo dul außen auf dem Gehäuse der Ölpumpe angeordnet und die Drehzahl- und Phasensignale sind über die Beeinflussung eines Magnetfeldes durch die Winkel- und Bezugsmarken auf den Geberrädern erzeugbar. Bei einer andern Ausführungs form sind zwischen dem Sensormodul und den rotierenden Teilen in der Ölpumpe zusätzliche Geberräder angeordnet, die jeweils als Polrad ausgeführt sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Sensormodul ein komplexes elektronisches Bauteil ist, in dem weitere Sen soren zur Erfassung weiterer physikalischer Größen und gegebenenfalls eine Auswerteschaltung sowie eine standar disierte Anschlussvorrichtung für die äußere Kontaktie rung angeordnet sind. Als weitere physikalische Größen kommen hier in Betracht: Öltemperaturmessung, Öldruckmes sung auf Druck und Saugseite der Pumpe, Messung der Ölgü te und Messung der Drehrichtung. Die Sensoren können da bei inclusive der Auswerteschaltung auf einem mit Kunst stoff vollständig umspritzten Träger untergebracht wer den. Es werden somit nur noch ein Kabelstecker und ein Kabelbaum benötigt, was zur Reduzierung des Montageauf wand in der Fertigung und auch zur schnelleren Montage beim Anwender führt, da kein Abdichten des Sensors nach außen hin, vor allem gegen Wassereinwirkung, nötig ist.

Wie oben erläutert kann die Erfindung insbesondere zur Erfassung der Drehzahl und der Phasenlage bei nockenwel lenlosen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen angewen det werden, wobei keine zusätzlichen mechanischen Teile am Motor benötigt werden. Durch die Einsparung der Noc kenwelle kann eine erhebliche Reduzierung der Reibungs verluste im Motor erreicht werden.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist je doch nicht auf nockenwellenlose Motoren beschränkt, da die vorgeschlagene Vorrichtung ohne Funktionseinbußen auch bei herkömmlichen Motoren eingesetzt werden kann. Beispielsweise können die Sensoren des Sensormoduls in einem Schaltgetriebe an verschiedenen Stellen eines Tor sionsstabes zur Erfassung der jeweiligen Winkelstellung angeordnet werden, wobei aus dem Vergleich der Winkel stellung an beiden Sensoren eine auf den Torsionsstab wirkendes Drehmoment herleitbar ist.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen, ein schließlich der rückbezogenen Unteransprüche, auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zur Erfassung der Drehzahl oder der Phasenlage von rotierenden Bauelementen in einem Verbrennungsmotor wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ölpumpenge triebes mit einem außen auf dem Gehäuse angeordneten Sensormodul;

Fig. 2 eine schematische Detailansicht des Sensor moduls nach der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Detailansicht des am Ölpumpengetriebe liegenden Sensormoduls.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Pumpengetriebe 1 einer Ölpumpe für den hier nicht gezeigten Verbrennungsmotor eines Kraftfahr zeuges dargestellt. Es ist ein Pumpenantriebsrad 2 vor handen, das über eine entsprechende Verzahnung 3 ein Pum penabtriebsrad 4 antreibt, welches den doppelten Durch messer des Pumpenantriebsrades 2 aufweist. Auf den Sei tenflächen der Pumpenräder 2 und 4 sind Winkelmarkierun gen 5, hier Ausnehmungen im Material der Pumpenräder 2 und 4, und durch Markierungslücken auch Bezugsmarken 6, vorhanden.

Auf der Außenwand 7 des Ölpumpengehäuses ist ein Sensor modul 8 angeordnet, an dem mindestens zwei aus Fig. 2 ersichtliche Sensoren 9 und 10 angebracht sind. Die Sen soren 9 und 10 können beispielsweise nach einem magneti schen Prinzip arbeiten und die Winkelmarkierungen 5 auf grund einer Beeinflussung des magnetischen Feldes abta sten. Das Sensorprinzip und die Anordnung der Winkel- und Bezugsmarken 5 entspricht im wesentlichen der Funktion der in dem eingangs erwähnten Stand der Technik DE 40 11 503.8 A1 beschriebenen Vorrichtung.

Das Sensormodul 8 ist in der Fig. 2 im Detail zu erken nen, wobei hier neben den magnetischen Sensoren 9 und 10 für die Winkelmarkierungen S auf den Pumpenrädern 2 und 4 auch ein Öltemperatursensor 11, eine Ölgütesensor 12 und zwei Öldrucksensoren 13 angebracht sind. Die Sensoren 9 bis 13 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel in clusive einer hier nicht ersichtlichen Auswerteschaltung auf einem mit Kunststoff vollständig umspritzten Träger untergebracht und bilden daher ein komplexes Sensormodul 8, bei dem kein Abdichten der Sensoren 9 bis 13 nach au ßen hin, z. B. gegen Wasser- oder Öleinwirkung, nötig ist.

Zur Verdeutlichung der Funktion der Vorrichtung ist in Fig. 3 das Sensormodul 8 über den Winkelmarkierungen 5 liegend zu ersehen. Somit kann die erfindungsgemäße Vor richtung insbesondere zur Erfassung der Drehzahl und der Phasenlage bei nockenwellenlosen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen angewendet werden, da hier lediglich das mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundene Pumpenantriebsrad 2 als Quelle für die Drehzahl- und Pha seninformation herangezogen wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und der Phasen lage an rotierenden Bauelementen, mit

- Winkel- und Bezugsmarken (5, 6), die über den Umfang der rotierenden Bauelemente (2, 4) verteilt sind und
- mindestens einem ortsfesten Sensor (8, 9, 10), mit dem die Winkel- und Bezugsmarken (5, 6) am rotierenden Bau element (2, 4) abtastbar und in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung verarbeitbar sind,

dadurch gekenn zeichnet, dass

- ein Sensormodul (8) mit mindestens zwei Sensoren (9, 10) gebildet ist, die jeweils den Winkel- und Be zugsmarken (5, 6) an jeweils einem rotierenden Bauele ment (2, 4) zugeordnet sind, wobei die beiden rotieren den Bauelemente (2, 4) in einem mechanischen Wirkungs zusammenhang stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung der Drehzahl und Phasenlage der Kurbelwelle in einem Verbrennungs motor, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Sensormodul (8) im Bereich der über eine Verzah nung (3) ineinandergreifenden Antriebs- und Abtriebs räder (2, 4) einer Ölpumpe des Verbrennungsmotors ange ordnet ist, wobei
- der erste Sensor (9) dem Pumpenantriebsrad (2) als Drehzahlgeber und der zweite Sensor (10) dem Pumpenab triebsrad (4) als Phasengeber zugeordnet ist und wobei das Pumpenabtriebsrad (4) den doppelten Durchmesser des Pumpenantriebsrades (2) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Sensormodul (8) außen auf dem Gehäuse (7) der Öl pumpe angeordnet ist und die Drehzahl- und Phasensi gnale über die Beeinflussung eines Magnetfeldes durch die Winkel- und Bezugsmarken (5, 6) auf den Geberrädern (2, 4) erzeugbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen dem Sensormodul (8) und den Pumpenrädern (2, 4) in der Ölpumpe zusätzliche Geberräder angeordnet sind, die jeweils als Polrad ausgeführt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Sensoren des Sensormoduls an verschiedenen Stellen eines Torsionsstabes zur Erfassung der jeweiligen Win kelstellung angeordnet sind, wobei aus dem Vergleich der Winkelstellung an beiden Sensoren eine auf den Torsionsstab wirkendes Drehmoment herleitbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Sensormodul (8) ein komplexes Bauteil ist, in dem weitere Sensoren (11, 12, 13) zur Erfassung weiterer physikalischer Größen und gegebenenfalls eine Auswer teschaltung sowie eine standardisierte Anschlussvor richtung für die äußere Kontaktierung angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Sensormodul (8) zur Erfassung der Drehzahl und der Phasenlage bei nockenwellenlosen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen angewendet wird.