DE4220828C2 - Kurbelwinkelerfassungssystem für einen Zweitaktmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Erfassen des Kurbel­ winkels bei einer nach dem Zweitaktprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine (kurz: Zweitaktmotor).

Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zur Verbes­ serung der Leistung des Zweitaktmotors sowie zur Schadstoff­ begrenzung werden der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt des Motors von einem elektronischen Steuersy­ stem gesteuert. Dabei wird der Kurbelwinkel erfaßt, um den Einspritz- und den Zündzeitpunkt zu steuern.

Die offengelegte JP-GM-Anmeldung 59-1 09 914 beschreibt ein Kurbelwinkelerfassungssystem, bei dem eine drehende Scheibe mit einer Vielzahl von Schlitzen und Reflexionsplatten auf einer Kurbelwelle des Motors befestigt ist. Die Schlitze und Reflexionsplatten sind an der drehenden Scheibe in vorbe­ stimmten Abständen vorgesehen, um den Kurbelwinkel zu er­ fassen bzw. eine Zylindernummer zu diskriminieren. Der Kur­ belwinkel wird erfaßt durch Licht, das von einer Licht aus­ sendenden Einrichtung ausgeht und die Schlitze durchsetzt. Das an den Reflexionsplatten reflektierte Licht wird von einem Fotodetektor aufgenommen, um die Zylindernummer zu diskriminieren.

Die offengelegte JP-GM-Anmeldung 59-1 74 335 beschreibt einen Drehwinkelsensor, bei dem eine Vielzahl von Vorsprüngen aus Magnetmaterial an einer Rotorplatte anstelle der Reflexions­ platten vorgesehen ist. Die Vorsprünge werden von einer ma­ gnetischen Detektiereinrichtung erfaßt, um die Zylindernummer zu diskriminieren.

Aus der US 45 19 362 ist ein Kurbelwinkelerfassungssystem für einen (4-Takt-)Motor bekannt, bei welchem eine erste Detektorscheibe auf einer Verteilerwelle oder Nockenwelle sitzt, die mit einer Vielzahl von ersten Vorsprüngen versehen ist, welche in gleichwinkligen Abständen voneinander angeordnet sind. Koaxial hierzu ist eine zweite Detektorscheibe angebracht, die insgesamt fünf zweite Vorsprünge aufweist. Vier dieser zweiten Vorsprünge sind bei Kurbelwinkeln angeordnet, welche den oberen Totpunkten jeweils eines Zylinders entsprechen, und liegen im wesentlichen deckungsgleich zu jeweils einem der ersten Vorsprünge. Der fünfte Vorsprung auf der zweiten Detektorscheibe liegt mittig zwischen zwei der restlichen zweiten Vorsprünge und ist wieder deckungsgleich zu einem der ersten Vorsprünge. Weiterhin sind ein erster und ein zweiter Geber vorgesehen, um die ersten bzw. zweiten Vorsprünge zu erfassen und ein erstes bzw. zweites Impulssignal mit regelmäßigen bzw. unregelmäßigen Impulsabständen zu erzeugen. Den Gebern sind Wellenformungseinheiten nachgeschaltet, um aus dem ersten und dem zweiten Impulssignal ein regelmäßiges bzw. unregelmäßiges Impulssignal zu bilden. In einem Diskriminierteil wird aufgrund des regelmäßigen und des unregelmäßigen Impulssignals eine Zylindernummer festgestellt und ein Zylindernummernsignal erzeugt. Aufgrund der erzeugten Signale können der Zündzeitpunkt und der Einspritzzeitpunkt festgelegt werden. Eine Festlegung der Drehrichtung ist mittels der bekannten Anordnung nicht möglich.

Aus der US 37 95 235 ist ein unterbrecherfreies Zündsystem für einen Zweitaktmotor bekannt, das aufgrund von unregelmäßigen Impulssignalen zur Steuerung des Zündzeitpunktes die Drehrichtung der Kurbelwelle feststellen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kurbelwinkelerfassungssystem für einen Zweitaktmotor aufzuzeigen, das in einfacher Weise einen Betrieb des Motors mit hoher Steuerungsgenauigkeit bei gutem Anlaßverhalten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße System vereinigt also folgende Funktionen in sich:

• (1) Erzeugen von Impulsen als Grundsignal zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und der Zündung,
• (2) Diskriminieren der Zylindernummer,
• (3) Bestimmen der Drehrichtung der Kurbelwelle, um ein Drehen in Gegenrichtung zu verhindern,
• (4) Bestimmen von unveränderlichen Zeitpunkten für die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung beim Anlassen des Motors.

Wenn das Kurbelwinkelerfassungssystem die vorgenannten vier Funktionen hat, kann die elektronische Steuerung vereinfacht und dadurch die Steuerungsgenauigkeit verbessert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Funktionsbild, das ein System gemäß der Erfin­ dung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht, die Kurbelwellen­ scheiben und Sensoren zeigt;

Fig. 3 ein Impulsdiagramm, das Verläufe von Impulssignalen und einen Kurbelwinkel zeigt; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Zweitaktmotors, bei dem das System nach der Erfindung verwendet wird.

Gemäß Fig. 4 hat ein für ein Kraftfahrzeug bestimmter Zwei­ taktmotor 70, in den ein Kurbelwinkelerfassungssystem ein­ gebaut ist, einen Zylinder 71, einen darin vorgesehenen Kol­ ben 72, eine Pleuelstange 74, die mit dem Kolben 72 verbunden ist, und eine in einem Kurbelgehäuse 73 angeordnete Kurbel­ welle 1. Ein Ausgleichsgewicht 75 ist auf der Kurbelwelle 1 angeordnet, um die Trägheit des im Zylinder 7 hin- und her­ gehenden Kolbens 72 zu verringern.

In einer Wand des Zylinders 71 sind eine Auslaßöffnung 77 und eine Spülöffnung 82 unter 90° einander gegenüberstehend ge­ bildet. Die Öffnungen 77 und 82 sind so ausgelegt, daß sie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in bezug auf eine Position des Kolbens 72 geöffnet werden.

Ein Kraftstoffeinspritzer 11 und eine Zündkerze 13 sind am Oberende einer Brennkammer 76 des Zylinders 72 vorgesehen. Der Einspritzer 11 ist von dem Typ, bei dem eine vorbestimmte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Kraftstoff wird aus einem Kraftstoffbehälter 23 dem Einspritzer 11 durch eine Kraft­ stoffleitung 20 mit einem Filter 21, eine Pumpe 22 und einen Druckregler 24, der den Kraftstoff ständig auf einem vorbe­ stimmten hohen Kraftstoffdruck hält, zugeführt.

Dem Motor 70 wird Luft durch einen Luftfilter 34, eine als Verdrängerpumpe ausgelegte Spülpumpe 33, einen Zwischenkühler 32 zum Kühlen der Spülluft und eine Ansaugleitung 30 mit einer Spülkammer 31 zur Absorption von Spüldruckwellen beim Öffnen oder Schließen der Spülöffnung 82 zugeführt. Eine Bypaßleitung 35 führt um die Spülpumpe 33 und den Zwischen­ kühler 32 herum. Die Bypaßleitung 35 enthält ein Steuerventil 36, um die Belastung des Motors 70 zu steuern. Abgase des Motors 70 werden durch die Auslaßöffnung 77, eine Abgaslei­ tung 78 mit einem Katalysator 79, eine Abgaskammer 80 und einen Abgas-Schalldämpfer 81 abgeführt.

Die Spülpumpe 33 ist funktionsmäßig mit der Kurbelwelle 1 durch eine Übertragungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Die Spülpumpe 33 wird von der Kurbelwelle 1 durch die Über­ tragungseinrichtung angetrieben, um den Spüldruck zu erzeu­ gen. Ein Fahrpedal 40 ist funktionsmäßig mit dem Steuerventil 36 über eine Ventilstelleinheit 41 verbunden. Der Öffnungs­ grad des Steuerventils 36 wird von der Stelleinheit 41 so verstellt, daß er dem Betätigungsgrad des Fahrpedals 40 umge­ kehrt proportional ist.

Eine elektronische Steuereinheit 12 mit einem Mikrocomputer umfaßt eine CPU 52, einen ROM 53, einen RAM 54 und eine Ein-Aus­ gabeschnittstelle 51, die miteinander über einen Bus 55 verbunden sind. Ein Konstantspannungskreis 56 ist mit jedem Element der Steuereinheit 12 verbunden, um eine vorbestimmte Konstantspannung zu liefern. Eine Batterie 60 speist den Konstantspannungskreis 56 durch einen Kontakt eines Relais 62. Die Batterie 60 ist mit einer Wicklung des Relais 62 über einen Zündschalter 61 und mit der Kraftstoffpumpe 22 verbun­ den.

Ausgangssignale der Sensoren und des Zündschalters werden einem Eingabebaustein der Ein-Ausgabeschnittstelle 51 zuge­ führt. Ein Ausgabebaustein der Ein-Ausgabeschnittstelle 51 ist mit der Zündkerze 13 des Zylinders durch eine Zündein­ richtung 14 und über einen Treiber 57 mit dem Einspritzer 11 verbunden.

Steuerprogramme und unveränderliche Informationen sind in dem ROM 53 gespeichert. Ausgangssignale der Sensoren werden in dem RAM 54 gespeichert. Im RAM 54 werden Ausgangssignale der Sensoren nach Datenverarbeitung in der CPU 52 gespeichert.

Die CPU 52 berechnet eine Einspritzimpulsdauer und einen Einspritzzeitpunkt sowie einen Zündzeitpunkt nach Maßgabe von Steuerprogrammen im ROM 53 und auf der Basis von verschiede­ nen Informationen im RAM 54. Die entsprechenden Signale wer­ den dem Einspritzer 11 und der Zündkerze 13 zugeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Einspritz- bzw. den Zündzeit­ punkt zu steuern.

Gemäß Fig. 1 hat das Kurbelwinkelerfassungssystem eine erste Detektorscheibe 2 und eine zweite Detektorscheibe 3, die auf einer Kurbelwelle 1 eines Zweitaktmotors angeordnet sind, und eine elektronische Steuereinheit 12. Beide Detektorscheiben 2 und 3 bestehen aus Magnetmaterial. Die erste Detektorscheibe 2 hat zwölf Vorsprünge 2a-2l, die an ihrem Außenumfang gebil­ det und in gleichwinkligen Abständen von jeweils 30° ange­ ordnet sind. Die zweite Detektorscheibe 3 ist mit drei Vor­ sprüngen 3a, 3b und 3c versehen, die an ihrem Außenumfang gebildet sind. Für den ersten Zylinder ist der Vorsprung 3a unter 105° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt (OT) ange­ ordnet, der Vorsprung 3b ist unter 45° vor OT angeordnet, und der Vorsprung 3c ist unter 15° vor OT angeordnet.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Detektorscheiben 2 und 3 auf einem Ende der Kurbelwelle 1 befestigt. Ein magnetischer Geber 2A ist nahe der ersten Detektorscheibe 2 angeordnet, und ein magnetischer Geber 3A ist nahe der zweiten Detektorscheibe 3 angeordnet. Wenn die Detektorscheiben 2 und 3 drehen, nehmen die magnetischen Geber 2A und 3A die Positionen der jeweili­ gen Vorsprünge 2a-2l und 3a-3c auf und erzeugen entsprechende Signale.

Die Steuereinheit 12 hat eine Wellenformungseinheit 4, der das Signal vom magnetischen Geber 2A zugeführt wird, und eine Wellenformungseinheit 5, der das Signal vom magnetischen Geber 3A zugeführt wird. In den Wellenformungseinheiten 4 und 5 werden die Eingangssignale zu Impulsen geformt. Das Impuls­ signal der Wellenformungseinheit 4 wird einem Einspritz/Zünd­ zeitpunkt-Steuerteil 6 zugeführt, um den Einspritz- und den Zündzeitpunkt zu steuern. Einem Zylinderdiskriminierteil 7 werden die Impulssignale der Wellenformungseinheiten 4 und 5 zugeführt, um den zu zündenden Zylinder zu diskriminieren. Das Impulssignal der Wellenformungseinheit 5 wird außerdem einem Drehrichtungsbestimmungsteil 8 zugeführt, um die Drehrichtung der Kurbelwelle zu bestimmen, und einer Einheit 9 für die Zeitpunktvorgabe beim Anlassen zugeführt, um un­ veränderliche Zeitpunkte der Kraftstoffeinspritzung und des Zündzeitpunkts beim Anlassen des Motors vorzugeben. Ein Steuersignal vom Einspritz/Zündzeitpunkt-Steuerteil 6 wird dem Einspritzer durch einen Ausgabeteil 10 zugeführt, um Ein­ spritzer zu aktivieren, und einer Zündkerze 13 durch einen Ausgabeteil 12 und eine Zündeinrichtung 14 zugeführt, um die Zündkerze zu aktivieren.

Nachstehend wird der Betrieb des Systems erläutert. Wenn der Motor angelassen wird, dreht die Kurbelwelle 1 gemeinsam mit den beiden Detektorscheiben 2 und 3. Der magnetische Geber 2A erfaßt die Vorsprünge 2a-2l der ersten Detektorscheibe 2, um Kurbelwinkelsignale zu erzeugen, die der Wellenformungsein­ heit 4 zugeführt werden. Die Wellenformungseinheit 4 erzeugt ein Impulssignal mit zwölf Impulsen, dessen Verlauf in Fig. 3(a) gezeigt ist. Andererseits erfaßt der magnetische Geber 3A die Vorsprünge 3a-3c der zweiten Detektorscheibe 3, um Kurbelwinkelsignale zu erzeugen, die der Wellenformungsein­ heit 5 zugeführt werden. Diese erzeugt ein Impulssignal, dessen Verlauf in Fig. 3(b) gezeigt ist.

Der Einspritz/Zündzeitpunkt-Steuerteil 6 liefert das oben beschriebene Grundsignal (l) durch zeitlich verzahnte Verar­ beitung (Time-sharing) der Impulsabstände zwischen den Im­ pulsen des Impulssignals a. Entsprechend den Impulssignalen a und b der Wellenformungseinheiten 4 und 5 detektiert der Zylinderdiskriminierteil 7 den Zeitpunkt der Erzeugung des Impulssignals b auf der Basis des Impulses des Impulssignals a. Während die Detektorscheibe 3 eine Umdrehung ausführt, erzeugt der magnetische Geber 3A Impulssignale zu bestimmten Zeitpunkten für jeden Zylinder, da es sich um einen Zweitakt­ motor handelt. Durch Zählen der Zahl von Impulsen des Impuls­ signals a zwischen den jeweiligen Impulsen des Impulssignals b kann somit der OT jedes Zylinders diskriminiert werden. Ein Diskriminierungssignal wird dem Einspritz/Zündzeitpunkt- Steuerteil 6 zugeführt.

Im Drehrichtungsbestimmungsteil 8 werden die Normaldrehung und die entgegengesetzte Drehung der Kurbelwelle bestimmt durch Zählen der Impulse zwischen den Impulsen des Signals b und durch Detektieren der Erzeugungsreihenfolge der Zahl von Impulsen. Wenn also während 60° kein Impuls oder der erste Impuls bei 270° Kurbelwinkel nach einem vorhergehenden Impuls und ein zweiter Impuls bei 60° Kurbelwinkel nach einem ersten Impuls erzeugt wird, wird die Normaldrehrichtung festge­ stellt. Wenn dagegen kein Impuls während 60° und der zweite Impuls bei 30° nach dem ersten Impuls erzeugt wird, wird die Gegendrehrichtung festgestellt. Ein Drehrichtungssignal wird dem Einspritz/Zündzeitpunkt-Steuerteil 6 zugeführt.

Die Einheit 9 für die Zeitpunktvorgabe beim Anlassen gibt den Einspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt beim Anlassen des Motors nach Maßgabe des Impulssignals b vor. Die Einheit 9 erzeugt also ein erstes Einspritzsignal auf der Basis eines ersten Impulses aufgrund des Vorsprungs 3a nach dem Anlassen, um beim erstenmal eine vorbestimmte Kraftstoffmenge einzu­ spritzen. Ein zweites Einspritzsignal wird auf der Basis eines zweiten Impulses aufgrund des Vorsprungs 3b erzeugt, um beim zweitenmal eine weitere vorbestimmte Kraftstoffmenge einzuspritzen. Beim dritten Impuls aufgrund des Vorsprungs 3c erzeugt die Einheit 9 ein Zündzeitpunktsignal zum Zünden des eingespritzten Kraftstoffs. Die entsprechenden Signale werden dem Einspritz/Zündzeitpunkt-Steuerteil 6 zugeführt.

Der Steuerteil 6 erzeugt das Steuersignal nach Maßgabe des Grund-Impulssignals und der jeweiligen Eingangssignale von den Einheiten 7, 8 und 9.

Gemäß der Erfindung erzeugt das System Signale, die zur Steuerung des Betriebs des Zweitaktmotors notwendig sind, wodurch die Steuerung des Motors vereinfacht wird.

Claims (4)

1. Kurbelwinkelerfassungssystem für einen Zweitaktmotor

• - mit einer Kurbelwelle (1);
• - mit einer ersten Detektorscheibe (2), die koaxial mit einem Ende der Kurbelwelle (1) verbunden und mit einer Vielzahl von ersten Vorsprüngen (2a-2l) versehen ist, die in gleichwinkligen Abständen voneinander angeordnet sind,
• - mit einer zweiten Detektorscheibe (3), die mit dem Ende der Kurbelwelle (1) und der ersten Detektorscheibe (2) koaxial verbunden und mit zweiten Vorsprüngen (3a-3c) versehen ist, die nicht-gleichwinklig voneinander beabstandet sind;
• - mit einem ersten Geber (2A), um die ersten Vorsprünge (2a-2l) zu erfassen und ein erstes Impulssignal mit regelmäßigen Impulsabständen zu erzeugen;
• - mit einem zweiten Geber (3A), um die zweiten Vorsprünge (3a-3c) zu erfassen und ein zweites Impulssignal zu erzeugen;
• - wobei die zweiten Vorsprünge (3a-3c) so angeordnet sind, daß von ihnen für einen Zylinder des Motors Impulse zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, der von demjenigen der übrigen Zylinder des Motors verschieden ist;
• mit einer ersten Wellenformungseinheit (4), um das erste Impulssignal zu formen und ein regelmäßiges Impulssignal (a) zu bilden;
• - mit einer zweiten Wellenformungseinheit (5), um das zweite Impulssignal zu formen und ein unregelmäßiges Impulssignal (b) zu bilden;
• - mit einem Diskriminierteil (7), um aufgrund des regelmäßigen Impulssignals (a) und des unregelmäßigen Impulssignals (b) eine Zylindernummer zu diskriminieren und ein Zylindernummersignal zu erzeugen;
• - mit einem Bestimmungsteil (8), um aufgrund des unregelmäßigen Impulssignals (b) die Drehrichtung der Kurbelwelle (1) zu bestimmen und ein Drehrichtungssginal zu erzeugen;
• - mit einer Zeitpunktsteuereinheit (6), die aufgrund des regelmäßigen Impulssignals (a), des Zylindernummersignals und des Drehrichtungssignals einen Grund-Einspritzzeitpunkt und einen Zündzeitpunkt berechnet, und
• - mit einer Einheit (9), die beim Anlassen einen Zeitpunkt für den Einspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt aufgrund des unregelmäßigen Impulssignals (b) vorgibt.

2. Kurbelwinkelerfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei zweite Vorsprünge (3a-3c) vorgesehen sind, die in drei verschiedenen Abständen voneinander angeordnet sind.

3. Kurbelwinkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vorsprünge (3a-3c) bei anderen Kurbelwinkeln (z. B. 15°, 45°, 105° vor OT) angeordnet sind als die ersten Vorsprünge (2a-2l; z. B. 30°, 60°, 90°, . . . 330°).

4. Kurbelwinkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (9) derart ausgebildet ist, daß der Zeitpunkt beim Anlassen unveränderlich vorgegeben wird.