DE4243177C2 - Einrichtung zur schnellen Zylindererkennung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur schnellen Zylinderer­ kennung bei einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptan­ spruchs.

Damit bei einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine eine zylinderspezi­ fische Regelung erfolgen kann, ist es erforderlich, daß im Steuer­ gerät ständig die genaue Stellung der Kurbel- und der Nockenwelle vorliegt. Dazu ist es üblicherweise vorgesehen, einen Kurbelwellen­ geber und einen Nockenwellengeber einzusetzen, wobei diese Geber von der Stellung der beiden Wellen abhängige Ausgangssignale liefern, die im Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgewertet werden.

Damit eine eindeutige Identifizierung der Stellung der Kurbel- und der Nockenwelle möglich ist, müssen sich diese bei herkömmlichen Systemen um bis zu zwei Umdrehungen drehen, bevor eine Synchronisa­ tion möglich ist. Um diese Spanne zu verringern, ist es beispiels­ weise in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 41 41 713 A1 vorgesehen, den Kurbelwellengeber mit einem Inkrementrad zu versehen, das eine als fehlendes Inkrement ausgebildete Bezugs­ marke aufweist, und den Nockenwellengeber mit langen und kurzen Seg­ menten sowie mit langen und kurzen Zwischenräumen zwi­ schen den Segmenten zu versehen. Durch Kombination der von den beiden Gebern gelieferten Pulsfolgen läßt sich damit eine eindeutige und schnelle Zylindererkennung realisieren, so daß bald nach dem Start mit der zylinderspezifischen Einspritzung und Zündung begonnen werden kann.

Aus der DE 36 08 321 A1 ist eine Einrichtung zum Erfassen der zylinderbezogenen Kurbelwellenstellung bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kurbelwelle und der Nockenwelle jeweils eine eigene Geberscheibe zugeordnet ist und diese beiden Geberscheiben jeweils von einem eigenen Sensor abgetastet werden. Die Ausgestaltung der beiden Geberscheiben ist derart, daß die von der Kurbelwelle angetriebene Geberscheibe an ihrem Umfang gleichmäßig verteilte Signalmarken und zwei unterschiedliche Bezugsmarken aufweist, während die von der Nockenwelle angetriebene Geberscheibe über ihren Umfang verteilte Signalmarken aufweist, die sich in einem ersten Bereich gegenüber einem zweiten Bereich unterscheiden. Beispielsweise sind die Signalmarken die Zwischenräume in einem ersten Bereich jeweils kürzer als in einem zweiten Bereich.

Durch Kombination der Ausgangssignale der beiden Sensoren kann eine Zylinderidentifikation durchgeführt werden. Da auf der Nockenwelle jedoch nur mehrdeutige Signalmarken vorhanden sind, muß sich die Nockenwelle um einen relativ großen Winkel drehen, bis unter Berücksichtigung der Ausgangssignale des Kurbelwellengebers eine eindeutige Erkennung der Winkellage möglich ist.

Die DE 40 37 546 A1 zeigt eine Zylinderidentifizierungsvorrichtung für einen Mehrzylinderverbrennungsmotor, bei der sowohl an der Kurbelwelle als auch an der Nockenwelle eine Geberscheibe vorhanden ist, die von einem feststehenden Aufnehmer abgetastet wird. Die Ausgestaltung der beiden Geberscheiben ist so, daß der Kurbelwellenaufnehmer ein relativ hochfrequentes Ausgangssignal mit gleichartigen Pulsen und wenigstens einer Referenzmarke liefert, während der Nockenwellensensor ein Ausgangssignal liefert, das sich aus zylinderspezifischen Impulsen zusammensetzt. Diese Impulse (entsprechend die zugehörigen Winkelmarken) sind dabei jeweils kurze "high"-Impulse, ihre Anzahl ist zylinderspezifisch.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren löst mit den Merkmalen des Hauptanspruchs die Aufgabe, daß unmittelbar nach dem Start der Brennkraftma­ schine eine schnelle und zuverlässige Zylindererkennung möglich ist, so daß die optimale Steuerung bzw. Regelung von Zündung und Ein­ spritzung rasch erfolgen kann.

Dazu hat der Nockenwellengeber eine Geberscheibe, an deren Oberflä­ che eine Anzahl unterschiedlicher Markierungen sind, die so ausge­ staltet sind, daß der Geber einerseits ein Signal liefert, das abwech­ selnd einen hohen oder einen niederen Pegel aufweist, wobei ein Wechsel jeweils nach einer halben Nockenwellenumdrehung erfolgt. Andererseits werden Kennungsimpulse so erzeugt, daß solange ein hoher Pegel vorliegt, Kennungsimpulse mit einem niederen Pegel auf­ treten während bei niederem Pegel Kennungsimpulse mit hohem Pegel auftreten.

Der Kurbelwellengeber umfaßt eine Inkrementscheibe mit einer Viel­ zahl gleichartiger Marken und einer Bezugsmarke. Durch Abzählen der von den Kurbelwelleninkrementen verursachten Pulse und Vergleich der jeweils zwischen einzelnen Nockenwellensignalflanken auftretenden Kurbelwellenimpulse läßt sich besonders schnell und zuverlässig er­ kennen, welcher Zylinder sich in der oberen Totpunkt-Position (OT) befindet.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen. So ist es vorteilhaft, daß nach der Synchronisation, also im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine eine besonders einfache und mit geringer Rechen­ belastung durchführbare Zylindererkennung möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß sich mit der erfindungsgemäßen Ein­ richtung auch im Start bei hoher Drehzahldynamik bei ausgefallenem Kurbelwellengeber eine Notlaufsynchronisation durchführen läßt. Es wird dazu ein Vergleich der Periodendauern des Nockenwellensignales durchgeführt. Nach Ausgabe einer Notlauffunktion ist dann eine Not­ laufzündung möglich.

Weiterhin hat das erfindungsgemäße System den Vorteil, daß nach vor­ handener Synchronisation eine besonders einfache Abfrage der Nocken­ wellensignal-Pegelfolge zum Notbetrieb der Brennkraftmaschine aus­ reicht.

Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine grobe Übersicht der erfindungsgemäßen Geberanordnung, die bis auf die Ausgestaltung der Nockenwellen-Geberscheibe der aus der DE 41 41 713 A1 bekannten Geberanordnung entspricht.

In den Fig. 2 und 3 sind Impulsdiagramme für verschiedene Start­ bedingungen für eine Sechszylinderbrennkraftmaschine aufgetragen, dabei sind außerdem noch die für die Einspritzung und Zündung be­ deutsamen Größen angegeben, und in Fig. 4 ist schließlich das Nockenwellengebersignal und die daraus im Notbetrieb abgeleiteten Zündsignale dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 sind in einer groben Übersicht die wesentlichsten Elemen­ te der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Brennkraftma­ schinensteuerung dargestellt. Dabei ist mit 10 eine Geberscheibe be­ zeichnet, die starr mit der Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine verbunden ist und an ihrem Umfang eine Vielzahl gleichartiger Win­ kelmarken 12, auch Inkremente genannt, aufweist.

Neben diesen gleichartigen Winkelmarken 12 ist eine Bezugsmarke 13 vorhanden, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch zwei feh­ lende Winkelmarken gebildet wird, es sind jedoch auch anders ausge­ bildete Bezugsmarken einsetzbar.

Eine zweite Geberscheibe 14 ist mit der Nockenwelle 15 der Brenn­ kraftmaschine verbunden und weist an ihrem Umfang unterschiedlich lange Markierungen auf, die durch ebenfalls unterschiedlich lange Zwischenräume voneinander getrennt sind. Dabei sind die langen Mar­ kierungen mit 16, die kurzen mit 17, die langen Zwischenräume mit 18 und die kurzen mit 19 bezeichnet.

Die Winkelmarken 16 und 17 bzw. die jeweils zugehörigen Zwischenräu­ me 18 und 19 sind auf die Zylinderzahl der Brennkraftmaschine abge­ stimmt. Die kurzen Winkelmarken 17 bzw. die kurzen Zwischenräume 19 bilden, wie später beschrieben wird, die Codierpulse CP, aus den langen Winkelmarken 16 bzw. den langen Zwischenräumen 18 entstehen die als Pegel P bezeichneten Signalbereiche.

Die beiden Geberscheiben 10, 14 werden von Aufnehmern 20, 21, bei­ spielsweise induktiven Aufnehmern oder Hall-Sensoren abgetastet; die beim Vorbeilaufen der Winkelmarken in den Aufnehmern 20, 21 erzeug­ ten Signale werden nach einer Signalaufbereitung einem Steuergerät 22 zugeführt und dort weiterverarbeitet.

Die Geberscheibe 10 und der Aufnehmer 20 werden im folgenden auch als Kurbelwellengeber bezeichnet, die Geberscheibe 14 und der Auf­ nehmer 21 als Nockenwellengeber.

Das Steuergerät 22 kann über Eingänge 23, 24, 25 weitere, für die Steuerung der Brennkraftmaschine erforderliche Eingangsgrößen erhal­ ten, die beispielsweise von verschiedenen Sensoren geliefert werden. Ausgangsseitig stellt das Steuergerät 22 Signale für die Zündung und Einspritzung für nicht näher bezeichnete entsprechende Komponenten der Brennkraftmaschine zur Verfügung, diese Ausgänge des Steuergerä­ tes sind mit 27 und 28 bezeichnet.

In Fig. 2 sind die von den Aufnehmern 20 und 21 gelieferten Signa­ le, die im Steuergerät 22 ausgewertet werden, über dem Kurbelwellen­ winkel α KW bzw. über der Zeit t für das Beispiel eines Sechszylin­ dermotors aufgetragen.

Im einzelnen ist in Fig. 2a der Kurbelwellenwinkel während mehrerer Umdrehungen der Kurbelwelle aufgetragen, Fig. 2b zeigt das Signal NWS vom Nockenwellengeber und Fig. 2c das Signal KWS vom Kurbelwel­ lengeber. In Fig. 2d sind die Zusammenhänge zwischen Einspritzung und Zündung für einen Sechszylinder aufgetragen unter der Bedingung, daß eine Einspritzung auch bei offenem Einlaß des Einspritzventils erfolgen kann und in Fig. 2e ist derselbe Zusammenhang unter der Bedingung daß die Einspritzung nicht erfolgen soll während das Ein­ laßventil offen ist, angegeben.

Die in der Fig. 2d und 2e verwendeten Symbole sind im Zusammenhang mit Einspritzsteuerungen der Brennkraftmaschine bekannt, es bedeuten:
Z Zylinderzahl
29: Öffnungsdauer des Einlaßventils
30: Zündwinkelbereich
NZ Notlaufzündwinkel
GZ genauer Zündwinkel
31: Zündung mit Entflammung
32: erfolgte Zündung
33: Einspritzimpuls
ST: Startpunkt der Brennkraftmaschine.

Das in Fig. 1 dargestellte System mit einem Kurbelwellengeber für ein bekanntes Eingeber-Inkrementsystem und einem Nockenwellengeber, der als statischer Hall-Geber mit Geberrad ausgebildet sein kann, liefert die in Fig. 2 dargestellte Signalfolge, die eine Pegelab­ frage und Pulszahlabfrage ermöglicht und pro Zylinder eine Pulsflan­ ke hat, die in einem festen Bezugswinkel zum oberen Totpunkt OT die­ ses Zylinders liegt. Für verschiedene Bedingungen ergeben sich fol­ gende Auswerteverfahren:

1. Normalbetrieb im Start für schnelle Synchronisation und schnel­ len Motorhochlauf

Im Steuergerät 22 werden das Nockenwellensignal NWS und das Kurbel­ wellensignal KWS dahingehend ausgewertet, daß die Zahnflanken des Kurbelwellensignales KWS zwischen jeder Nockenwellen-Signalflanke ausgezählt werden, und je nach Anzahl der Kurbelwellen-Signalflanken eine Unterscheidung getroffen wird.

Beträgt die Zahl der Kurbelwellen-Zahnflanken zwischen zwei Nocken­ wellen-Signalflanken mehr als sechs, handelt es sich beim Nockenwel­ lensignal um den Pegel P. Beträgt die Zahl der Kurbelwellen-Signal­ flanken weniger als vier zwischen zwei Nockenwellen-Signalflanken, handelt es sich um einen Codierpuls CP.

Neben der Auszählung der Kurbelwellen-Signalflanken wird im Steuer­ gerät 22 auch geprüft, ob der Pegel des Nockenwellen-Signales "high" ist oder "low". Ist der Pegel "high", liefert die Anzahl der nachfol­ genden negativen Flanken unter Voraussetzung der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Zusammenhänge die Zylindernummer, wobei diese Zahl zwischen 1 und Z/2 liegt. Die letzte (2 × positiv, 1 × negativ) Flanke der Pulsfolge ergibt einen festen Trigger für einen Start­ zündimpuls bei kleiner Drehzahl.

Ist der Pegel des Nockenwellensignales NWS dagegen "low", liefert die Anzahl der nachfolgenden positiven Flanken des Kurbelwellen­ signales die Zylindernummer. Der Wert der Dreh­ zahl wird im Steuergerät in üblicher Weise aus vorgegebenen bzw. vorgebbaren Pulsabständen ermittelt.

Fällt das Auftreten der Bezugsmarke der Kurbelwellenscheibe in einen Pegel des Nockenwellensignales, erfolgt eine Auswertung wie sie unter Punkt 2 beschrieben wird.

Nach erkannter Zylindernummer kann die SEFI-Einspritzung abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgen. Diese Drehzahl kann beispielsweise aus den Periodendauern der Kurbelwellen-Inkre­ mente ermittelt werden. Ebenso kann die Einspritzdauer für die ein­ zelnen Zylinder festgelegt werden, wobei für die Festlegung von Ein­ spritzdauer und Zündung die in den Fig. 2 und 3 angegebenen Zu­ sammenhänge berücksichtigt werden.

Soll der Einspritzimpuls noch sicher in ein offenes Einlaßventil gelangen oder vor einem geschlossenen Einlaßventil liegen, gelten die Zusammenhänge nach Fig. 2d oder 3d. Soll der Einspritzimpuls nur vor geschlossenem Einlaßventil liegen bzw. soll die Einspritzung nicht in ein offenes Einlaßventil erfolgen, gelten die Zusammenhänge nach Fig. 2e bzw. 3e.

Ist die Kurbelwellen-Bezugsmarke noch nicht erkannt, erfolgt der Schließzeitbeginn an der letzten Flanke der Impulsgruppe und somit die Ausgabe des Notlaufzündwinkels. Ist die Kurbelwellen-Bezugsmarke erkannt, kann der genaue Zündwinkel ermittelt und ausgegeben werden.

2. Normalbetrieb außer Startfall nach vorhandener Synchronisation

Nachdem die Kurbelwellen-Bezugsmarke zum ersten Mal erkannt wurde, läuft der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ab. Im Steuergerät 22 wird dann nur der Nockenwellenpegel abgefragt, es kann eine zykli­ sche Kontrolle erfolgen. Dabei wird geprüft, ob der Pegel des Nockenwellensignales "high" ist oder "low". Im ersteren Fall ist der Zylinder Nr. 1 erkannt; im letzteren Fall, also wenn der Pegel "low" ist, ist der Zylinder Nr. 1 + Z/2 erkannt.

Das im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ablaufende einfache Pro­ gramm ermöglicht eine geringe Programmbelastung in diesem Zustand.

3. Notlaufsynchronisation im Start ohne Kurbelwellengeber

Ist der Kurbelwellengeber der Brennkraftmaschine ausgefallen, ist mit dem erfindungsgemäßen System noch eine Notlaufsynchronisation im Start auch bei starker Drehzahldynamik möglich. Dazu wird das Nockenwellensignal im Steuergerät dahingehend untersucht, daß eine Unterscheidung von Pegel und Codierpuls durch Vergleich der ein­ zelnen Periodendauern T_n+1 und T_n durchgeführt wird.

Als Beispiel für diese Unterscheidung bietet sich der Teil des Signalverlaufs an, an dem nur ein Codierpuls vorliegt, vor und nach dem die längsten Pegelphasen vorhanden sind. Ist hier:

T_n/2 < T_n+1 und T_n+2/2 < T_n+1

bei positivem Pegel während der Zeit T_n+1 (S. Fig. 2b), so kann hier der entsprechende Zylinder zugeordnet werden. Ist bei gleicher Zeitbedingung der Pegel von T_n+1 negativ, handelt es sich um den um 360° versetzten Zylinder.

Es kann dann eine Ausgabe der Notlauffunktion für die sequentielle Kraftstoffeinspritzung (SEFI) und die Zündung erfolgen, getriggert durch die letzte Flanke des Pulsbüschels der Codierimpulse.

Dabei läßt sich bei kleinen Drehzahlen durch Anhängen der Schließ­ zeit t_S an diese Flanke für den jeweiligen Zylinder eine einfache Notlaufzündung realisieren; dies ist in Fig. 4b dargestellt, wobei in Fig. 4a das Nockenwellensignal über dem Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen ist.

Bei größeren Drehzahlen, beispielsweise bei Drehzahlen, die oberhalb einer schließzeitabhängigen Umschaltschwelle liegen, läßt sich die Schließzeit t_S für den folgenden Zylinder mit Hilfe der in Fig. 4c dargestellten Zusammenhänge festlegen. Nach Ablauf der Verzöge­ rungszeit t_V ab der letzten Flanke für den betreffenden Zylinder und der Schließzeit t_S kann ein Zündungsimpuls abgesetzt werden.

4. Notlaufbetrieb außerhalb der Startphase nach vorhandener Syn­ chronisation

Bei Ausfall des Kurbelwellengebers nach vorhandener Synchronisation ist ein Notlaufbetrieb der Brennkraftmaschine möglich, indem im Steuergerät 22 eine Abfrage der Nockenwellen-Pegelfolge erfolgt. Aus der Erkennung, daß dreimal "high", dreimal "low", dreimal "high" abgelaufen ist, kann unter Berücksichtigung der Flankenzahl eine zyklische Kontrolle erfolgen, es ist wieder nur eine geringe Pro­ grammbelastung nötig.

Claims (6)

1. Einrichtung zur schnellen Zylindererkennung bei einer Brennkraftmaschine mit einem Kurbelwellengeber, der eine Inkrementscheibe mit einer Vielzahl gleichartiger Marken und einer Bezugsmarke umfaßt und Kurbelwellensignale erzeugt, die Pulse aufweisen, die von den Marken verursacht werden, mit einem Nockenwellengeber, der eine Signalfolge abgibt, die pro Zylinder wenigstens einen Kennungsimpuls aufweist, der in festem Bezugswinkel zum oberen Totpunkt des betreffenden Zylinders steht, und die Signalflanken des Kurbelwellensignales zwischen den Nockenwellen-Signalflanken gezählt werden, zur Bestimmung des jeweiligen Zylinders, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählwerte mit dem Nockenwellen-Signalpegel in Bezug gesetzt werden, und dass das Nockenwellensignal für eine halbe Nockenwellenumdrehung einen hohen Pegel und für die andere halbe Nockenwellenumdrehung einen niederen Pegel hat, und dass die Kennungsimpulse dazu jeweils inverse Pegel aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohem Signalpegel des Nockenwellensignales die negativen Signalflanken der Kennungsimpulse und bei niederem Signalpegel des Nockenwellensignales die positiven Signalflanken der Kennungsimpulse gezählt werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellengeberscheibe angepaßt an die jeweilige Zylinderzahl der Brennkraftmaschine eine Abfolge von langen Winkelmarken und kurzen Winkelmarken sowie langen Zwischenräumen und kurzen Zwischenräumen aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall des Kurbelwellengebers allein durch Auswertung der Abfolge "high"-, "low"-Pegel des Nockenwellensignales eine Zylindererkennung möglich ist, und ein Notlauf der Brennkraftmaschine aktiviert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindererkennung durch einen Vergleich der Länge von aufeinanderfolgenden Periodendauern erfolgt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Zylindererkennung und/oder nach erfolgter Synchronisation vom Steuergerät Einspritz- und Zündungsimpulse gebildet werden, in Abhängigkeit vom Auftreten bestimmter Flanken des Nockenwellensignales und gegebenenfalls nach Ablauf von sich anschließenden Zeiten.