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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position
eines Verbrennungsmotors, der ein sich drehendes Element umfasst.
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Genauer
ausgedrückt
zielt die Erfindung darauf ab, das Starten mehrzylindriger Verbrennungsmotoren
zu verbessern, um die Anlaufzeit dieser Motoren zu verringern, oder
sogar einen Direktstart des Motors ohne Starter zu ermöglichen,
und zwar durch eine bessere Kenntnis der Position jedes Kolbens, um
jene Zylinder auszuwählen,
die es mit Kraftstoff zu versorgen gilt.
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Bei
mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren, deren Einspritzung und Zündung elektronisch
geregelt werden, berechnen Motorsteuermittel die einzuspritzende
Kraftstoffmenge, den Zeitpunkt, wann sie in jeden Zylinder einzuspritzen
ist, und den Zeitpunkt, wann die Zündung erfolgen muss. Dazu muss
die Position des Motors genau festgelegt werden.
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Die
EP-A-0 017 933 beschreibt
eine Vorrichtung, die berührungslose,
inkrementale Sensoren umfasst, die auf einer Kurbelwelle und auf
einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors befestigt sind. Diese
Sensoren umfassen jeweils eine Scheibe, deren Oberfläche regelmäßig angeordnete
Marken (um einen Schritt winkelversetzt) und Referenzmarken aufweist.
Sonden erfassen das Passieren von aufeinander folgenden Marken bezogen
auf eine Drehbewegung der Kurbelwelle und der Nockenwelle um einen
Schritt und von Referenzmarken. Wird der Motor jedoch abgeschaltet,
ist die Position des Motors nicht mehr bekannt, so dass es notwendig
ist, ein Synchronisationsverfahren durchzuführen, das zumindest eine Drehbewegung
der Motorkurbelwelle umfasst.
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Andererseits
sind Vorrichtungen bekannt, die einen berührungslosen Absolutsensor umfassen. Eine
derartige Vorrichtung ermöglicht
es, die Position des sich um 360° drehenden
Elements jederzeit zu kennen, ohne dass es notwendig ist, den Motor
laufen zu lassen, insoweit als die von den Sonden abgegebenen Signale
direkt von der Position des Motors abhängen. Die
DE-A-197 22 016 beschreibt
eine Vorrichtung, die einen Sensor dieser Art umfasst, der eine
Sonde, die nach dem Halleffekt arbeitet, und eine magnetoresistive
Sonde aufweist, die am Nockenwellenende angeordnet und einem Magnetfeld ausgesetzt
sind, das sich mit der Nockenwelle dreht.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ermöglicht
es jedoch nicht, die Position der Kurbelwelle genau zu kennen, nämlich insoweit
als einerseits der Mechanismus, der die Nockenwelle und die Kurbelwelle
miteinander verbindet, ein Spiel aufweist, und sich andererseits
die Nockenwelle und die Kurbelwelle zueinander winkelversetzt befinden
können,
dies bei Motoren, die mit einer Vorrichtung für die Variation der Öffnungszeit
und Öffnungsweite
von Ventilen ausgestattet sind.
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Die
Erfindung zielt nun darauf ab, eine Vorrichtung zu gemäßigten Kosten
zur Verfügung
zu stellen, die die zuvor genannten Probleme löst und es insbesondere ermöglicht,
die Position der Kurbelwelle jederzeit genau zu kennen, einschließlich nach
einem längeren
Stopp des Motors. Dazu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Folgendes:
- – einen
inkrementalen Sensor, der einen sich drehenden Teil umfasst, der
mit dem sich drehenden Element verbunden ist, und einen feststehenden Teil
aufweist, der Folgendes umfasst:
• erste Mittel zum Erfassen
einer Referenzposition des sich drehenden Elements und zum Erfassen der
Drehbewegung um einen Schritt zwischen dem beweglichen Teil und
dem feststehenden Teil, wobei die ersten Mittel ein erstes Signal
erzeugen,
• zweite
Mittel zum Erfassen der Drehrichtung zwischen dem beweglichen Teil
und dem feststehenden Teil, die ein zweites Signal erzeugen,
• Analysemittel,
die mit den ersten Mitteln und zweiten Mitteln verbunden sind, um
ausgehend von dem ersten Signal und dem zweiten Signal die Winkelposition
des sich drehenden Elements im Verhältnis zur Referenzposition
zu bestimmen und ein drittes Signal in Abhängigkeit von der Winkelposition
des sich drehenden Elements zu erzeugen,
• Motorsteuermittel, die mit
den Analysemitteln des Sensors verbunden sind, wobei die Motorsteuermittel
einen Ruhezustand umfassen, in dem sie nicht mit Strom versorgt
werden, und einen Betriebszustand, während dessen sie Strom führen und
in Abhängigkeit
vom dritten Signal auf Funktionselemente des Motors eine Wirkung
ausüben,
beispielsweise die Kraftstoffeinspritzdüsen oder die Zündkerzen,
wobei der Sensor in dieser Vorrichtung dauerhaft mit Strom versorgt
wird, einschließlich
wenn sich die Motorsteuermittel im Ruhezustand befinden.
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Eine
inkrementale Vorrichtung kann leichter auf der Kurbelwelle angebracht
werden als eine Absolutvorrichtung, die lediglich am Kurbelwellenende positioniert
werden kann. Indem die Analysemittel des Sensors unabhängig von
den Motorsteuermitteln mit Strom versorgt bleiben, wird der Verlauf
der Position des Motors dauerhaft weiterverfolgt, einschließlich nach
einer Unterbrechung der Kraftstoffversorgung des Motors, ohne übermäßig viel
elektrische Energie zu verbrauchen.
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Um
den Verbrauch an elektrischer Energie zwischen den beiden Funktionsperioden
des Motors noch weiter zu verringern, umfasst der Sensor gemäß einem
vorteilhaften Merkmal der Erfindung Folgendes:
- – einen
Sparmodus, der aufeinander folgend und in regelmäßigen Abständen eine aktive Phase aufweist,
während
der die ersten Mittel und die zweiten Mittel mit Strom versorgt
werden, und eine inaktive Phase, während der die ersten Mittel und
die zweiten Mittel nicht mit Strom versorgt werden, und
- – einen
normalen Betriebsmodus, während
dessen die ersten Mittel und die zweiten Mittel ununterbrochen mit
Strom versorgt werden.
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Die
Drehbewegung des Motors sollte, wenn sich der Sensor im Sparmodus
befindet, niedriger sein, als wenn sich der Sensor im normalen Betriebsmodus
befindet, wobei außerdem
die Motorsteuermittel vorteilhafterweise nicht mit Strom versorgt
werden, wenn sich der Sensor im Sparmodus befindet. Die ersten Mittel
und die zweiten Mittel können
folglich zeitweilig funktionieren, um weniger Strom zu verbrauchen,
ohne dass ihnen dabei eine Verschiebung des Motors entgeht.
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Bevorzugter
Weise ist, wenn sich der Sensor im Sparmodus befindet, die Dauer
der inaktiven Phasen mindestens 10-mal länger als die Dauer der aktiven
Phasen, und die Dauer einer aktiven Phase, die einer darauf folgenden
inaktiven Phase hinzugefügt wird,
beträgt
weniger als 1 Sekunde.
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Vorteilhafterweise
erzeugen die Analysemittel das dritte Signal erst nach Empfang eines
vierten Signals, das die Motorsteuermittel aussenden.
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So
werden die Arbeit der Analysemittel und ihr elektrischer Verbrauch
auf ein Minimum reduziert.
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Zusätzlich übertragen
die Analysemittel ein Signal an die Motorsteuermittel, das dem ersten
Signal entspricht.
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So
können
die Motorsteuermittel die Verschiebung des Motors im Verhältnis zur
Position, die vom dritten Signal übertragen wird, erkennen, und dann
die Position des Motors in Echtzeit daraus ableiten.
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Entsprechend
einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführung weist die Vorrichtung
folgende Merkmale auf:
- – das erste Signal umfasst
mindestens zwei Pegel,
- – der
Sensor umfasst darüber
hinaus einen Zähler,
der bei jeder Veränderung
des Pegels des ersten Signals entsprechend der Drehrichtung, die von
den zweiten Mitteln erfasst worden ist, schrittweise erhöht oder
verringert wird, und
- – der
Zähler
wird nach Erfassung der Referenzposition des sich drehenden Elements
durch die ersten Mittel auf Null zurückgesetzt.
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Diese
Lösung
ist einfach, zuverlässig
und kostengünstig.
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Vorteilhafterweise
und zusätzlich
- – umfasst
der Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle,
- – wird
das sich drehende Element von der Kurbelwelle des Motors gebildet,
- – wird
der Zähler
nach Erfassung der Referenzposition des sich drehenden Elements
durch die ersten Mittel nur jedes zweite Mal auf Null zurückgesetzt.
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Somit
ist die Position der Kurbelwelle auf 720° bekannt, und folglich ist auch
die Position des Motors bestens bekannt.
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Entsprechend
einer ebenfalls der Erfindung gemäßen Alternative, wenn auch
grundsätzlich
weniger vorteilhaft, weist die Vorrichtung folgende Merkmale auf:
- – der
Verbrennungsmotor umfasst eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle,
- – das
sich drehende Element wird von der Kurbelwelle des Motors gebildet,
- – die
Vorrichtung umfasst darüber
hinaus einen Winkelpositionssensor, der auf der Nockenwelle angeordnet
ist und ein Binärsignal
erzeugt.
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Somit
kann durch Kombinieren der Position der Kurbelwelle auf 360°, die vom
inkrementalen Sensor bestimmt wird, mit dem Binärsignal, das vom Winkelpositionssensor,
der auf der Nockenwelle angeordnet ist, erzeugt wird, die Position
des Motors auf 720° der
Kurbelwelle ermittelt werden.
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In
der folgenden Beschreibung wird die Erfindung mit Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen noch klarer veranschaulicht, in denen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, die insbesondere
einen Sensor und eine Motorsteuereinheit umfasst,
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2 eine
detaillierte Ansicht des feststehenden Teils des Sensors ist, der
zur Vorrichtung gehört,
die in Figur dargestellt ist,
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3 den
Stromverbrauch des Sensors zeigt,
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4 Signale
zeigt, die vom Sensor an die Motorsteuereinheit übertragen werden,
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5 eine
Ausführungsvariante
der Vorrichtung von 1 veranschaulicht.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1, die im Wesentlichen einen Sensor 2 und
eine Motorsteuereinheit 4 umfasst. Der Sensor 2 ist
mit der Motorsteuereinheit 4 durch einen einzigen Draht 48 verbunden. Die
Motorsteuereinheit 4 ist mit Funktionselementen des Motors,
wie etwa Zündkerzen 50 und
Einspritzdüsen 52,
verbunden.
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Der
Sensor 2 umfasst einen sich drehenden Teil 8,
der mit einer Kurbelwelle des Motors verbunden ist, und einen feststehenden
Teil 6, der dazu bestimmt ist, die Verschiebungen des sich
drehenden Teils 8 zu erfassen, und der in 2 noch
genauer dargestellt ist. Der sich drehende Teil wird von einer Scheibe 8 gebildet,
die aus einer Abfolge von 60 gleichmäßig verteilten Zähnen und
60 Ausnehmungen besteht, so dass die Zähne (beziehungsweise die Ausnehmungen)
am Rand der Scheibe alle 6 Grad angeordnet sind, was einem Verschiebungsschritt
der Kurbelwelle entspricht. Eigentlich wurden zwei Zähne von
der Scheibe 8 entfernt, damit eine Referenzposition 24 der
Kurbelwelle markiert werden kann.
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Der
feststehende Teil umfasst eine Gruppe 10 für die Erfassung
der Verschiebung des sich drehenden Teils 8, eine Analyseeinheit 12 und
einen Speicher 14. Die Analyseeinheit 12 beinhaltet
Mittel für
die Verarbeitung analoger Signale, einen Mikroprozessor, ein Analyseprogramm,
einen internen Zähler
und eine Uhr.
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Die
Gruppe 10 für
die Erfassung der Verschiebung des sich drehenden Teils 8 umfasst
einen Magnet 16, drei Sonden 18, 20, 22 und
einen Einbau für
die Signalaufbereitung 26. Der Magnet 16 erzeugt ein
Magnetfeld, das durch das Vorhandensein der Zähne der Scheibe 8 verändert wird,
so dass die von den Sonden 18, 20, 22,
hier Hall-Sonden, erfasste Spannung vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
eines Zahns gegenüber
der Sonde abhängig ist.
Die Sonden 18 und 20 sind um einen Abstand versetzt,
der kleiner ist als die Breite eines Zahns. Die aus den Sonden 18 und 20 entnommenen
Spannungen werden in einen ersten Teil des Einbaus für die Signalaufbereitung 26 eingegeben,
welcher an die Analyseeinheit 12 ein erstes Signal 28 weiterleitet, das
einen ersten Wert aufweist, wenn sich die Sonden 18, 20 gegenüber einem
Zahn befinden, und einen zweiten Wert, wenn sich die Sonden 18, 20 gegenüber einer
Ausnehmung befinden.
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Die
Mittel für
die Verarbeitung analoger Signale, der Mikroprozessor und das Analyseprogramm der
Analyseeinheit 12 verarbeiten das Signal 28 und erfassen
den Übergang
des Signals 28 vom ersten Wert auf den zweiten Wert, was
einer Drehbewegung der Kurbelwelle um einen Schritt entspricht.
Darüber hinaus
ermöglicht
die Verarbeitung des ersten Signals 28 durch die Analyseeinheit 12 das
Erfassen der Referenzposition 24.
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Die
Sonde 22 ist im Verhältnis
zur Sonde 20 um einen Abstand versetzt, der kleiner ist
als die Breite eines Zahns. Die aus den Sonden 20 und 22 entnommenen
Spannungen werden in einen zweiten Teil des Einbaus für die Signalaufbereitung 26 eingegeben,
der an die Analyseeinheit 12 ein zweites Signal 30 weiterleitet,
das einen ersten Wert aufweist, wenn sich die Sonden 20, 22 gegenüber einem
Zahn befinden, und einen zweiten Wert, wenn sich die Sonden 20, 22 gegenüber einer
Ausnehmung befinden. Das Analyseprogramm und der Prozessor der Analyseeinheit 12 verarbeiten
die Signale 28, 30 und legen die Drehrichtung
der Kurbelwelle fest.
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In
Abhängigkeit
von der festgelegten Drehrichtung erhöht oder verringert die Analyseeinheit 12 den
internen Zähler
um einen Schritt entsprechend der Verschiebung der Kurbelwelle.
Sobald der interne Zähler
einen Wert erreicht, der in etwa zwei Umdrehungen der Kurbelwelle
entspricht, wird der interne Zähler
auf einen Ausgangswert zurückgesetzt, der
bei der Erfassung der Referenzposition 24 festgelegt wurde
(vorteilhafterweise Null). Sollte bei der Zählung also ein Fehler auftreten,
wird er durch die Erfassung der Referenzposition 24 korrigiert
und hat keinen Einfluss auf die weitere Zählung.
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Wie
in 1 dargestellt, wird die Versorgung der Motorsteuereinheit 4 unterbrochen,
sobald der Benutzer des Fahrzeugs, in dem die Vorrichtung eingebaut
ist, den Kontakt 32 unterbricht, der Sensor 2 wird
hingegen dauerhaft mit Strom versorgt, der aus der Batterie 34 des
Fahrzeugs kommt. Genauer ausgedrückt
wird die Analyseeinheit 12 über die Batterie des Fahrzeugs
dauerhaft mit Strom versorgt und sie verwaltet die elektrische Versorgung 36, 37 der
Gruppe 10 für
die Erfassung der Verschiebung des sich drehenden Teils 8 und
des Speichers 14.
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Ist
der Motor in Betrieb, wird die Motorsteuereinheit 4 elektrisch
versorgt, ebenso wie die Gruppe 10 für die Erfassung der Verschiebung
des sich drehenden Teils 8 und der Speicher 14.
Wird hingegen die Motorsteuereinheit 4 nicht mehr elektrisch
versorgt, stoppt der Motor, und nach einer festgelegten Dauer, während der
keine Drehbewegung des Motors ausgehend vom Signal 28 erfasst
wird, speichert die Analyseeinheit 12 den Wert des internen
Zählers im
Speicher 14, und versetzt dann den Sensor in einen Sparmodus 38.
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Wie
in 3 dargestellt, wird im Sparmodus 38 des
Sensors 2 die Gruppe 10 für die Erfassung der Verschiebung
des sich drehenden Teils 8 während einer Zeit t, hier vorteilhafterweise
ungefähr
100 μs,
periodisch elektrisch versorgt, und dann während einer Zeit T, hier vorteilhafterweise
ungefähr
10 ms, nicht versorgt. Erfasst die Analyseeinheit 12 ausgehend
vom ersten Signal 28 keine Drehbewegung der Kurbelwelle,
wird der Sparmodus fortgesetzt. Wird hingegen eine Verschiebung
der Kurbelwelle erfasst, versetzt die Analyseeinheit 12 den
Sensor 2 in den normalen Betriebsmodus 40, wobei
die Gruppe 10 für die
Erfassung der Verschiebung des sich drehenden Teils 8 und
der Speicher 14 dann dauerhaft elektrisch versorgt werden,
der Wert des Speichers 14 wird gelesen, in Abhängigkeit
von der erfassten Verschiebung verändert und an den internen Zähler weitergeleitet.
Die Analyseeinheit versetzt den Sensor 2 nach der festgelegten
Dauer, während
der keine Drehbewegung der Kurbelwelle ausgehend vom Signal 28 erfasst
wird, erneut in den Sparmodus.
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Sobald
die Analyseeinheit 12 ein festgelegtes Signal von der Motorsteuereinheit 4 erhält, vorteilhafterweise
genau vor dem Start des Motors, überträgt die Analyseeinheit 12 während eines
kurzen Augenblicks 42 den Wert 46 des internen
Zählers,
hier von zwei Paritätsbits
umgeben, an die Motorsteuereinheit 4. Um die 116 Positionen
der Scheibe (58 Zähne
auf zwei Umdrehungen) zu zählen,
umfasst der Zähler
hier 7 Bits.
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Während des
Betriebs 44 des Verbrennungsmotors überträgt die Analyseeinheit 12 an
die Motorsteuereinheit 4 ein Rechtecksignal 54 (das
abwechselnd zwei Werte aufweist), das in etwa dem Signal 28 oder
dem Signal 30 entspricht, das vom Einbau für die Signalaufbereitung 26 erhalten
wurde, wobei jede fallende Flanke des Rechtecksignals 54 einen
Verschiebungsschritt der Kurbelwelle darstellt, der von der Gruppe 10 für die Erfassung
der Verschiebung des sich drehenden Teils 8 erfasst wurde. Die
Motorsteuereinheit 4 kennt somit immer genau die Position
des Motors, ehe sie auf die Funktionselemente des besagten Motors
einwirkt.
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Wird
von der Analyseeinheit 12 eine Unterbrechung der elektrischen
Versorgung festgestellt, überträgt sie,
wenn sie das festgelegte Signal von der Einheit 4 erhält, anstatt
den Wert des Zählers
zu übertragen,
ein für
diesen Zweck definiertes Signal (zum Beispiel den Wert 116 oder
den Wert 127 im Binärsystem)
an die Motorsteuereinheit 4, um einen Vorinitialisierungsprozess
durchzuführen.
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Vorteilhafterweise
ist der Speicher 14 ein Nur-Lese-Speicher, damit kein Strom
verbraucht wird, wenn sich der Sensor im Sparmodus befindet. Es
könnte
aber ebenso ein Schreib-Lese-Speicher mit
niedrigem Verbrauch vorgesehen werden, der dauerhaft elektrisch
versorgt werden würde.
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5 zeigt
eine Vorrichtung 101. Diese Vorrichtung 101 unterscheidet
sich von der in den 1 bis 4 dargestellten
Vorrichtung 1 dadurch, dass sie außerdem einen Winkelpositionssensor 156 umfasst,
der einen beweglichen Teil 158, der mit der Nockenwelle
des Motors verbunden ist, und einen feststehenden Teil 160 aufweist,
wie etwa eine Hall-Sonde, die gegenüber dem beweglichen Teil angeordnet ist.
Die anderen Elemente sind unverändert,
ihre Markierung wurde beibehalten.
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Der
Winkelpositionssensor 156 ist mit der Motorsteuereinheit 4 verbunden.
Der Winkelpositionssensor 156, dessen beweglicher Teil 158 die Form
eines Halbmondes aufweist, erzeugt ein Binärsignal 162, das einen
ersten Wert aufweist, wenn die Nockenwelle eine Position zwischen
0° und 180° einnimmt,
und einen zweiten Wert, wenn die Nockenwelle eine Position zwischen
180° und
360° einnimmt.
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Somit
kann durch Kombinieren der Position der Kurbelwelle auf 360°, die vom
inkrementalen Sensor 2 bestimmt wird, mit dem Binärsignal 162, das
vom Winkelpositionssensor 156, der auf der Nockenwelle
angeordnet ist, erzeugt wird, die Motorsteuereinheit 4 die
Position des Motors auf 720° der Kurbelwelle
erkennen. Der interne Zähler
wird also bei jeder Passage der Referenzposition neu initialisiert
(zum Beispiel auf Null zurückgesetzt).