DE3012934A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von digitalen zuend- und schliesswinkel-signalen zur steuerung von verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von digitalen
• ZEnd- und Schließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von digitalen Zünd- und Schließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, indem mittels einer mit der Kurbelwelle des Motors verbundenen Zahnkranzscheibe Impulse in einem Sensor erzeugt werden, die in einem Zahnzähller gezahlt werden und wobei bei der Erzeugung der Zünd- und Schließwinkel-Signale weitere dem Betriebszustand des Motors entsprechende Signale verarbeitet werden, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von digitalen Zünd- und Schließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, welche eine mit der Kurbelwelle des Motors verbundene Zahnkranz-Scheibe sowie einen zugeordneten Sensor und Zahnzähler aufweist, und in der ferner eine Bezugsmarke auf der ZAhnkranz-Scheibe und ein zugehöriger Hilfs-Sensor angeordnet sind.
• Wegen der Rohstoffsituation und der Umweltverschmutzung ist es erforderlich, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren erheblich zu senken. Dies ist mit den üblichen herkömmlichen ZUndsystemen, die aufgrund von Toleranzen und dem Verschleiß der mechanischen Teile an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt sind, nicht bzw. nur unvollständig möglich. Die genannten Anforderungen, für welche zum Teil bereits gesetzliche Regelungen erlassen wurden, sind nur durch den Einsatz der modernen Elektronik zu verfüllen. Die Datenerfassung und Steuerung mittels Digitalisierung der Signale bieten sich dazu an, wobei die Systeme mit diskreter Hardware und mit der flexibleren Software von Mikroprozessoren realisiert werden können.
• Aus dem Stand der Technik sind zwar bereits Verfahren zur elektronischen, unterbrecherlosen Erzeugung von digitalen Zünd- und Sähließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren bekannt, jedoch sind diese Verfahren entweder sehr aufwendig oder es haftet ihnen eine gewisse Unsicherheit bei der Festlegung der genannten Signale an. So ist aus der DE-AS 23 39 755 eine Vorrichtung zum Verändern der Zündwinkel-Verstellkennlinie von Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die genannten Signale in direkter Abhängigkeit durch eine fest mit der Kurbelwelle des Motors verbundene Zahnkranz-Scheibe gesteuert werden. Das bekannte System weist zwar eine gute dynamische aber eine weniger gute statische Genauigkeit auf. Die dynamische Genauigkeit gibt dabei die Einstellfehler an, welche bei Drehzahländerungen zwischen der Drehzeiterfassung und dem Soll-Zündzeitpunkt auftreten. Die statische Genauigkeit wird durch die Zähnezahl auf der Zahnkranz-Scheibe bestimmt, die sich nicht beliebig hoch wählen läßt bzw. vorgegeben ist (Anlasser-Zannkranz).
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche neben einer hohen dynamlschen auch eine hohe statische Genauigkeit aufweisen, und die andererseits ohne all zu großen Aufwand herzustellen sind.
• Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zündwinkel aus einem ganzzahligen und einem gebrochenen Anteil mittels zweier Zähler errechnet wird, daß der Zähler für den ganzzahligen Anteil durch einen von einer Bezugsmarke auf der Zahnkranz-Scheibe in einem weiteren Hilfs-Sensor erzeugten Impuls gestartet wird, daß dieser Zähler mit Impulsen des Sensors getaktet wird, daß nach Ablauf dieses Zählers der Zahler für den gebrochenen Anteil des Zündwinkels gestartet wird, daß dieser Zähler mit einer festen Frequenz getaktet wird, daß am Ausgang dieses Zählers nach seinem Ablauf das ZUndsignal erzeugt wird und ein weiterer Zahler mit dem gleichen Impuls gestartet wird an dessen Ausgang nach Ablauf ein Impuls für das Schließsignal ansteht.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Vorrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in ihr drei Zähler angeordnet sind mit deren Hilfe die Zund- und Schließwinkel-Signale erzeugt werden, und daß zwei der Zähler für die Erzeugung des Zündsignals bestimmt sind, wobei ein Zähler für den ganzzanligen Anteil und ein Zahler für den gebrochenen Anteil des Zündsignals vorgesehen sind.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angeführt.
• Die Vorteile und die Arbeitsweise der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 eine schematische Darstellung der ZUnd- bzw. Schließwinkel-Signale.
• In der Fig. 1 ist eine Scheibe 1 dargestellt, auf der sich ein - in der Figur nur teilweise dargestellter -Zahnkranz 2 befindet. Die Scheibe 1 ist fest mit der Kurbelwelle des Motors verbunden und kann beispielsweise die Anlasser-Zahnkranz-Scheibe eines Kraftfahrzeuges sein. In einem Sensor 3, welcher in der Nähe des Zahnkranzes 2 angeordnet ist, wird beim Vorbeilaufen, wobei sich die Scheibe 1 beispielsweise wie in der Figur dargestellt in Pfeilrichtung bewegt, von Jedem Zahn des Zannkranzes 2 ein Impuls erzeugt. Die Impulse werden einem Zahnzähler 4 zugeleitet und von diesem gezählt. Der Zahnzähler 4 ist dabei so ausgelegt, daß er bis za einer vorbestimmten Zahl zählen kann. Bei Erreichen dieses Zählerstandes erscheint am Ausgang 5 ein Impuls, welcher den Zahnzähler 4 auf 0 zurUcksetzt. Gleichzeitig wird mit dem am Ausgang 5 anstehenden Impuls der Inhalt des Zeitzählers 6 in den Speicher 7 übernommen und der Zeitzähler 6 über ein Verzögerungsglied 8 auf QI zurückgesetzt. Der Zeitzähler 6 wird mit Taktimpulsen fc fester Frequenz gespeist, beispielsweise durch eine von einem Quarzoszillator abgeleitete Frequenz. Der in den Speicher 7 übernommene Wert des Zeitzählers 6 ist deshalb ein Maß für die Zeit, welche die Scheibe 1 für einen bestimmten Winkel, entsprechend einer bestimmten Zahl von Zähnen des Zahnkranzes 2, benötigt.
• Der Inhalt des Speichers 7 wird dem asynchronen Rechenwerk 9 übermittelt, das aus der im Speicher 7 enthaltenen Größe für die Umdrehungszeit des Motors, einer weiteren Lastgröße 10, welche z.B. der durchsetzten Luftmenge im Ansaugrohr entspricht, der Motortemperatur 11 und der Batteriespannung 12 drei Ausgangsgrößen 13, 14 bzw. 28 ermittelt, welche in die Speicher 15, 16 bzw. 29 übertragen werden. Die Signale für die Lastgröße 10, die Motortenperatur 11 und die Batteriespannung 12 werden dabei dem Rechenwerk 9 über Analog/Digital-Wandler 17, 18 und 19 zugefiihrt, Der richtige Zündwinkel (Einheit: Winkelabstand zwischen zwei Zahnen) besteht aus einem ganzzahligen und einem gebrochenen Anteil 14 bzw. 28. Der ganzzahlige Teil 14 wird vom Rechenwerk 9 an den zugehörigen Speicher 16 übergeben und bei der Bezugsstellung der Kurbelwelle, die zweckmäßigerweise den frühestmöglichen Zündzeitpunkt darstellt, durch einen von der Bezugsmarke 20 im Sensor 21 erzeugten Impuls in den Zähler 22 übertragen und dekrementiert. Der gebrochene Anteil 28 wird vom Rechenwerk 9 in Form einer Zeit zur Verfügung gestellt. Dies Rann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Rest-Winkel mit der Zeit multipliziert wird, die zwischen dem Durchlauf zweier Zähne am Zahnkranz-Sensor .2 vergeht; diese Zeit läßt sich aus der Drehzahl-Information leicht gewinnen. Der gebrochene Anteil 28 wird in den Speicher 29 übertragen.
• Der Zündwinkel wird somit bei der Erfindung in zwei Abschnitten eingestellt: wenn der Zähler 22 für den Grob-Zündwinkel seinen Endwert erreicht hat, steht an seinem Ausgang 23 ein Impuls an, welcher den Zahler 30 für die Fein-Zündzeit startet. Ist auch dieser Zähler abgelaufen, steht an seinem Ausgang 31 das Zündsignal 26 an. Gleichzeitig wird mit dem am Ausgang 31 anstehenden Impuls der Zäliler 25 mit der im Speicher 15 gespeicherte Größe 13 :r den Öffnungswinkel geladen und gestartet. Nach Ablallf des Zahlers 25 steht an seinem Ausgang 26 das SchließBsignal 27 an. Die Zähler 22 und 25 sind mit Impulsen des Sensor; 3 getaktet, wogegen der Zähler 30 für die Fein-Zündzeit mit Impulsen fester Frequenz fc getaktet ist. Die Übernahme der Rest-ZUndzeit in den Zähler 3() erfolgt gleichzeitig mit der Übernahme des (11rob-Zündwinkels :in den Zähler 22 durch den vom Hilfssensor 21 gelieferten Impuls. Damit ist gesichert, da3 auf jeden Fall zusammengehörende Werte geladen und eingesteLlt werden.
• Die in den Zählern 22 und 25 be.im Start übernommenen Werte der Speicher 16 bzw. 15 werden somit mit Impulsen auf heruntergezähl8;, welche vom Sensor 3 und damit von der Geschwindigkeit der sich drehenden Zahnkranz-Scheibe 1 bestimmt werden. Die in den Zähler 30 ilbernommene Größe 28 für die Fein-Zündzeit wird dagegen mit Impulsen fester Frequenz fc auf # heruntergezählt.
• Die im Rechenwerk verarbeitete Größe für die Drehzahl-Information wird ebenfalls durch Zählen von Taktimpulsen der Frequenz fc über einen festen Winkel gewonnen.
• Durch diese Maßnahme zeichnet sch das System gemäß der Erfindung sowohl durch eine hohe dynamische als auch durch eine hohe statische Genauigkeit aus. Die statische Genauigkeit läßt sich durch die Wahl genügend hoher Taktfrequenzen fc beliebig klein gestalten.
• Das Rechenwerk 9 arbeitet vorzugsweise unabhängig oder asynchron von der Kurbelwellenstellung stets mit maximaler Geschwindigkeit. Somit können im Speicher 7, je nachdem welche Zähnezahl am Zahnzähler 4 vorgegeben ist, fortlaufend auch Drehzahländerungen erfaßt werden, welche innerhalb von zwei Durchgängen der Bezugsmarke, d. h. innerhalb von einer Umdrehung des Motors, beim 2-Zylinder entsprechend 2 Bezugsmarken beim 4-Zylinder bzw.. 3 Bezugsmarken beim 6-Zylinder auftreten.
• Rei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Öffnungswinkel mit Hilfe des Zählers 25 nur in einer Grob-Einstellung erfaßt. Dies ist au und für sich ausreichend, da es bei Verbrennungsmotoren hauptsächlich auf den genauen Zeitpunkt des Zündsignales ankommt. Wenn es gewünscht wird, kann jedoch auch das Schließsignal mit Hilfe zweier Zähler in analoger Weise wie das Zündsignal erzeugt werden, wozu dann das Rechenwerk 9 die erforderlichen Werte für einen Grob- und einen Fein-Öffnungswinkel liefert, welche in der gleichen Weise wie beim Ziindsignal verarbeitet werden.
• In der Fig. 2 ist schematisch diz Erzeugung der entsprechenden ZUnd- bzw. Schließwinkel-Signale dargestellt.
• Mit der Vorrichtung 32, welche beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildet werden kann, werden wie in der Fig. 1 erläutert das Zündsignal 24 und das Schließsignal 27 erzeugt. Dabei werden die Motordrehzahlen n (beim Ausi'ahrungsbeispiel gemäß Fig. 1 in Speicher 7 enthalten), eine Lastgröße P, beispielsweise die durchsetzte Luftmenge, die Motortemperatur T und die Batteriespannirng U sowie das Bezugssignal des Sensors 21 bei der Berechnung berücksicht.igt. Im Leistungsteil der Zündanlage wird dünn, gesteuert durch die Signale 24 bzw. 27, der Strom der Zündspule ein-bzw. ausgeschaltet. In der Fig. 2 ist der geschlossene Primärkreis mit dem Niveau I und der geöffnete Primärkreis mit dem Niveau II dargestellt. Der Winkel, welcher zwischen dem auf der Scheibe 1 gemäß Fig. 1 angeordneten Bezugspunkt 20 und dem Zündzeitpunkt 24 verstreicht, ist der Zündwinkel z. Der Winkel zwischen dem Zündzeitpunkt 24 in dem Schließzeitpunkt 27 ist der Öffnungswinkel #Ö, und die Einschaltdauer für den Strom der Zündspule entspricht dem Schließwinkel S Der Einschaltzeitpunkt der Spule, welcher von der Drehzahl n des Motors, dem Aufbau der Zündspule und den vorstehend angegebenen Horrektirgrößen abhängt, wird durch die Rechenvorrichtung 32 exakt festgelegt.
• 9 Patentansprüche, 2 Figuren.

Claims (9)

1. PatentansErUche 1. Verfahren zur Erzeugung von digitalen ZUnd- und Schließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, indem mittels einer mit der Kurbelwelle des Motors verbundenen Zahnkranzscheibe Impulse in einem Sensor erzeugt werden, die in einem Zahnzähler gezählt werden und wobei bei der Erzeugung der ZAnd- und Schließwinkel-Signale weitere dem Betriebszustand des Motors entsprechende Signale verarbeitet werden, d a d u r c h g e k e n n -i e i c h n e t , daß der Zündwinkel aus einem ganzzahligen und einem gebrochenen Anteil mittels zweier Zähler (22, 30) errechnet wird, daß der Zähler (22) SUr den ganzzahligen Anteil durch einen von einer Bezugsmarke (20) auf der Zahnlcranzscheibe (1) in einem weiteren Hilfs-Sensor (21) erzeugten Impuls gestartet wird, daß dieser Zähler (22) mit Impulsen des Sensors (3) getaktet wird, daß nach Ablauf dieses Zählers (22) der Zähler (30) für den gebrochenen Anteil des ZUndwinkels gestartet wird, daß dieser ZÇhlXer (30) mit einer festen Frequenz fc getaktet wird, daß am Ausgang (31) dieses Zählers (30) nach seinem Ablauf das Zündsignal (26) erzeugt wird und ein weiterer Zähler (25) mit dem gleichen Impuls gestartet wird an dessen Ausgang (26) nach Ablauf ein Impuls fur das Schließsignal (27) ansteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Zähler (30) der gebrochene Anteil des Zündwinkels in Form einer Zeit übennittelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Uberschreiten eines bestimmten Zählerstandes des Zahnzählers (4)- an seinem Uberlaufausgang (5) ein Impuls ansteht, der bewirkt, daß der Inhalt eines Zeitzählers (6) in einen Speicher (7) übernommen wird und Zahn- t4) und Zeitzähler (6) auf 0 zurückgesetzt werden, und daß der in den Speicher (7) übernommene Zeitwert-als Maß für die Umdrehungszahl des Motors bei der.Erzeugung der Zünd-und Schließwinkel-Signale mittels eines Rechenwerkes (9) verarbeitet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Rechenwerk (9) ein asynchrones Rechenwerk (9) verwendet wird,-das unabhängig von der Kurbeiwellenstellung mit größtmöglicher Geschwindigkeit die erforderlichen Zünd- und Schließwinkel errechnet.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Rechenwerk (9) drei Ausgangsgrößen (13, 14, 28) ermittelt, die in drei Speicher (15, 16, 29) übertragen werden, daß die Im im7Zicr (16) gespeicherte Ausgangsgrößen (14) ein Maß für den ganzzahligen Anteil und die im Speicher (29) gespeicherte Ausgangsgröße (28) ein Maß für den gebrochenen Anteil des Zündwinkels darstellt, und daß die im Speicher (15) gespeicherte Ausgangsgröße (13) ein Maß für den Schließwinkel ist.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß durch den im Hilfs-Sensor (21) erzeugten Impuls die Zähler (16, 29) für den Zündwinkel mit den in den entsprechenden Speichern (16, 29) anstehenden Größen geladen werden.
7. 7. Vorrichtung zur Erzeugung von digitalen Zünd- und Schließwinkel-Signalen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, welche eine mit der Kurbelwelle des Motors verbundene Zahnkranz-Scheibe sowie einen zugeordneten Sensor und Zahnzähler aufweist und in der ferner eine Bezugsmarke auf der Zahnkranz-Scheibe und ein zugehöriger Hilfs-Sensor angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in ihr drei Zähler (22, 25, 30) angeordnet sind mit deren Hilfe die ZUnd- (26) und Schließwinkel-Signale (27) erzeugt werden, und daß zwei der Zähler (22, 30) für die Erzeugung des ZUndsignals (26) bestimmt sind, wobei ein Zähler (22) für den ganzzahligen Anteil und ein Zähler (30) für den gebrochenen Anteil des Zündsignals vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in ihr ein Zeitzähler (6) angeordnet ist, mit dem die Zeit bestimmt wird, welche die Scheibe (1) für einen bestimmten Winkel benötigt, daß dem Zeitzähler (6) ein Speicher (7) nachgeordnet ist, in dem die vom Zeitzähler (6) ermittelte Zeit gespeichert wird, und daß die Vorrichtung ein Rechenwerk (9) enthält, das aus den im Speicher (7) vorhandenen Daten sowie weiterer vom Betriebszustand des Motors abhängiger Signale (10, 11, 12) die Zünd- (24) und Schli eßwinkel-Si gnale (27) errechnet.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Rechenwerk (9) drei Speicher (15, 16, 29) zugeordnet sind, daß in den zwei Speichern (16, 29) das Maß für den Zünd- und im Speicher (15) das Maß für den Schließ-Zeitpunkt gespeichert sind.