DE69118914T2 - Vorrichtung zur Ermittlung von Drehmomentänderungen mit magnetostriktivem Sensor - Google Patents

Vorrichtung zur Ermittlung von Drehmomentänderungen mit magnetostriktivem Sensor

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Ermittlung von Fehlzündungen und Unregelmäßigkeiten bei Brennkraftmaschinen und im speziellen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Fehlzündungen, Klopfen oder Unregelmäßigkeiten des Motors unter Verwendung von Signalen, die bezüglich des Drehmoments einer laufenden Brennkraftmaschine erzeugt werden.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Zwei vordergründige Ziele bei Steuersystemen von Automotoren sind die Maximierung der Motornutzleistung, z.B. die Leistung für Überholen, etc. und das Minimisieren des Treibstoffverbrauches. Unregelmäßig laufende Motoren beeinflussen sowohl die Ausgangsleistung als auch die Treibstoffökonomie nachteilig. Bordinterne Überwachungs- und Steuersysteme sollten eine solche Unregelmäßigkeit erfassen und in einigen Fällen korrigieren können. Die Ursache für Unregelmäßigkeiten kann ein unvollständiges Verbrennen des Treibstoffes in einem oder mehreren Zylindern sein. Extreme Motorunregelmäßigkeiten treten während Fehlzündungen in Zylindern aut, das heißt dann, wenn in einem oder mehreren Zylindern kein Treibstoff verbrannt wird. Fehlzündungen können aus verschiedenen Gründen auftreten, einschließlich des Fehlens eines Funkens von dem Zündsystem, einer Fehlfunktion des Treibstoffeinspritzsystems, des Fehlens von genügend Ansaugluft, fehlerhaften Ventilen, etc.
  • Während die Feststellung von Unregelmäßigkeiten und Fehlzündungen während des Betriebes des Fahrzeuges vom Standpunkt der Wirkleistung und der Treibstoffökonomie höchst wünschenswert ist, hat sie ebenso signifikanten Einfluß auf die Umwelt. Unvollständige Verbrennung von fossilen Treibstoffen ist eine Hauptursache für Luftverschmutzung. Beispielsweise kann ein Motor, der lediglich 2 % der Zeit Fehlzündungen aufweist, Schadstoffpegel erzeugen, welche die Emissionsstandards um 150 % übersteigen.
  • Gegenwärtig werden durch Fehlzündungen in Zylindern verursachte Emissionen betreffende Regierungsvorschriften vorgeschlagen. Beispielsweise hat der Staat von Kalifornien bereits mit dem Beginn des Modelljahrs 1994 die Autohersteller dahingehend verständigt, daß in Kalifornien verkaufte Kraftfahrzeuge ein bordeigenes Mittel zum Feststellen von und Warnen vor Fehlzündungen in Zylindern besitzen müssen. Ein solches Mittel muß feststellen können, bei welchem spezifischen Zylinder Fehlzündungen vorliegen, bzw. in dem Fall von Fehlzündungen in mehreren Zylindern anzeigen, daß ein Aussetzen in mehr als einem Zylinder vorliegt. Kalifornische Behörden haben auch festgehalten, daß sie ein System bevorzugen würden, das zusätzlich folgendes könnte: Genaues Feststellen, welche Zylinder in dem Fall von Mehrfachfehlzündungen Fehlzündungen aufweisen; Identifizieren sporadischer, nicht periodischer Fehlzündungsvorgänge; Feststellen isolierter Fehlzündungen, die durch einen geringen Prozentsatz der Zeit auftreten, beispielsweise fünf oder weniger Fehlzündungen je tausend Zündungen sowie eine ordnungsgemäße Funktion bei allen Motordrehzahlen und Fahrbedingungen. Ändere Staaten, ebenso wie die U.S. Environmental Protection Agency, haben darauf hingewiesen, daß sie Vorschriften betreffend Fehlzündungen in Zylindern ähnlich den für Kalifornien vorgeschlagenen herausgeben würden.
  • Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Ermittlung von Unregelmäßigkeiten und Fehlzündungen bei Brennkraftmaschinen haben unterschiedliche Lösungswege verwendet. Beispielsweise ist die Messung von Schwankungen der Drehzahl (Ulmin) in den U.S.-Patenten 4,843,870 (Citron et al.) und 4,932,379 (Tang et al.) sowie in den SAF-Papieren #900232 (Plapp et al.), #890486 (Citron et al.) und #890884 (Rizzoni) geoffenbart.
  • Man hat auch versucht, Unregelmäßigkeiten und Fehlzündungen dadurch festzustellen, daß man das Fehlen eines Funkens in dem Zündsystem bestimmt, wie in den U.S.-Patenten 4,886,029 (Lill et al.) und 4,928,228 (Fujimoto) geoffenbart Auch wurde die Zündkerze als Plasmasonde verwendet, wie dies in Johnson und Rado, "Monitoring Combustion Quality in Internal Combustion Engines Using Spark Plug as a Plasma Probe", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol VT-24, No. 2, Mai 1975 beschrieben ist.
  • Das Ermitteln der Temperatur in dem Auslaßkanal jedes Zylinders ist in dem U.S.-Patent 3,939,711 (Hanaoka) geoffenbart. In dem SAE-Papier #890485 (Mauer et al.) sind die Verwendung einer nicht magnetostriktiven Drehmomenterfassung und Drehzahlmessungen beschrieben. Ein typischer Drehmomentsensor und das Vergleichen des Durchschnitts oder Maximums über Minimumdrehmomentsignalen (und typischerweise anderen Signalen, wie der Drehzahl, Gaspedalstellung, etc.) mit in einem Computerspeicher abgespeicherten, zu erwartenden Werten ist in den U.S.-Patenten 4,606,005 (Ribbens) und 4,940,030 (Morikawa) geoffenbart. Das SAE-Papier #900232 (Plapp et al.) lehrt das Überwachen der Auspuffchemie, z.B. mit einem Lambda-Sauerstoffsensor in dem Abgasfluß.
  • Jeder dieser Lösungswege nach dem Stand der Technik hat Nachteile, und es ist wahrscheinlich, daß keiner den strengen Standards entsprechen wird, den die kalifornischen Behörden und andere verlangen wollen. Beispielsweise ist die Erfassung von Drehzahlschwankungen rechneraufwendig und ist auf Motordrehzahlen unterhalb von 3.500 bis 4.000 RPM beschränkt, und es bestehen Schwierigkeiten bei der Erfassung von sich nicht wiederholenden Fehlzündungen. Weiters ist die Erfassung der Motordrehzahl bei Fahrzeugen, die auf schlechten Straßen fahren, anfällig auf Fehlmeldungen. Eine schlechte Straße induziert an den Äntriebsrädern Drehzahländerungen in die Motortransmission, unabhängig von irgendwelchen Fehlzündungen des Motors. Diese straßeninduzierten Drehzahländerungen verdecken wirkungsvoll die Drehzahländerungen, die von Motorfehlzündungen verursacht sind.
  • Die Feststellung des Fehlens eines Zündfunkens fuhrt nicht zur Feststellung von Fehlzündungen, falls die Fehlzündungen durch Kraftstoffeinspritzung, Ventil- oder andere mechanische Fehlfunktionen verursacht sind. Plasmasonden, Temperaturerfassung und Erfassung der Abgaschemie arbeiten alle zu langsam und sind daher für die Feststellung von Fehlzündungszuständen mit niedrigem Prozentsatz ungeeignet. Überdies kann die Messung der Abgase nicht feststellen, welcher Zylinder oder welche Zylinder fehlerhaft sind. Eine Drehmomenterfassung unter Verwendung nicht magnetostriktiver Drehmomentsensoren ist typisch zu groß und unhandlich und erfordert auch oft zwei oder mehr Überwachungsstellen längs der Kurbelwelle. Nicht magnetostriktive Drehmomentsensoren, wie Dehnungsmeßstreifen-Drehmomentsensoren sind für eine Massenproduktion und eine Anwendung im großen Maßstab ungeeignet. Die U.S.-Patente 4,606,005 und 4,940,030 offenbaren die Verwendung typischer Drehmomentsensoren. Nach bester Kenntnis der Anmelder existieren gegenwärtig keine solchen Sensoren, die sich für eine bordinterne Überwachung des Drehmoments bei Automobilmotoren geeignet gezeigt haben.
  • Eine Anzahl von Forschern haben versucht, magnetostriktive Drehmomentsensoren zu entwikkeln. Magnetostriktive Drehmoment sensoren beruhen auf den magnetostriktiven Eigenschaften ferromagnetischer Materialien, wobei eine Zugspannung in dem Material ein Ansteigen eines in dem Material induzierten magnetischen Feldes B bewirkt. Druckspannungen fuhren zu einer Verminderung des induzierten magnetischen Feldes B. Üblicherweise wird eine wechselstromgespeiste Spule verwendet, uni das magnetische Feld B in eine ferromagnetische, drehmomentübertragende Welle zu induzieren. Eine sekundäre Aufnahmespule oder ein anderes Mittel überwacht dann die Änderungen in dem induzierten magnetischen Feld B, wenn sich die Spannungen in der Welle mit dem Drehmoment ändern. Das in der Sekundärspule induzierte Spannungssignal ist ein Indikator für das Drehmoment. Die spezielle Geometrie und die Anzahl von Spulen kann für unterschiedliche magnetostriktive Drehmomentsensorentwicklungen verschieden sein, jedoch ist das zugrundeliegende Prinzip das gleiche.
  • Typische magnetostriktive Drehmomentsensoren sind in den U.S.-Patenten 4,760,745 (Gashelis), 2,912,642 (Dahle), 4,414,856 (Winterhof), 4,589,290 (Sugiyama), 4,697,459 (Nonomura et al.), 4,939,937 (Klauber et al.) sowie der Anmeldung Serial No. 07/518,083 (Klauber et al.) geoffenbart. Der in dem U.S.-Patent 4,760,745 geoffenbarte Sensor ist beispielsweise eine Ausführung mit vier Magnetspulen, die inhärent größer und daher typischerweise teurer ist und für die Anwendung in Kraftfahrzeugen weniger geeignet als die anderen Typen von magnetostriktiven Drehmomentsensoren. Die anderen Sensoren können miniatunsiert werden und sind weniger teuer, jedoch liegen ihre Grenzen in den statistischen, anisotropischen Änderungen der magnetischen Permeabilität der Eisen- und Stahmaterialien, die bei der Produktion von Kurbelwellen und Antriebswellen verwendet werden. Diese Änderungen sind dem Material inhärent und stören sämtliche gemessenen, induzierten Magnetfeldänderungen, was zu Ungenauigkeiten fuhrt und das unverzögerte Überwachen der Leistungsänderungen für einzelne Zylinderfehlzündungs- oder Zündungsvorgänge verbietet.
  • Den Anmeldern ist derzeit kein System zur Ermittlung von Unregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen bekannt, das vollständig zufriedenstellend wäre. Auch ist den Anmeldern kein System bekannt, welches den strikteren Umweltvorschriften, wie den in Kalifornien anstehenden, genügen würde.
  • Die gegenständliche Erfindung ist auch für eine Anzahl anderer Verwendungen geeignet. Bei Motorklopfen beispielsweise entzündet sich der Treibstoff in dem Zylinder zu einem früheren Punkt des Zündzyklus und verbleibt eine viel kürzere Zeit. Falls Klopfen auftritt, ist der Verbrennungsprozeß üblicherweise in Nähe des Punktes vorüber, bei dem eine normale Verbrennung gerade beginnen würde. Der Drehmomentimpuls, der während des Klopfens geliefert wird, ist daher viel kürzer, unterschiedlich in seiner Größe und an einem anderen Ort bezüglich des oberen Totpunktes (OT) gelegen. Somit kann der Vergleich von Signalen, wie sie hier zur Bestimmung von Fehlzündungen oder Unregelmäßigkeiten beschrieben wurden, in ähnlicher Weise zur Feststellung des Klopfens verwendet werden.
  • Andere Verwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten Antiblockiersysteme, wobei das Erhalten des Spitzenbremsmomentes kritisch ist. Unter Verwendung der hier gezeigten Methodologie kann ein Vergleich von an den gleichen oder unterschiedlichen Stellen eines Wellen/Radsystems erzeugten Signalen zu einer relativen Anzeige des Drehmomentes führen, das heißt, auch wenn der tatsächliche Wert des Drehmomentes nicht bestimmt werden kann, ist es möglich festzustellen, wann der Maximalbetrag des Drehmomentes auftritt. Rückkopplungssysteme können dann das maximale Signal automatisch suchen, wodurch das Bremsmoment maximisiert wird, ohne daß tatsächlich der genaue Wert des Drehmomentes bestimmt werden muß. Ähnliche Überlegungen gelten für Traktionskontrollsysteme, bei welchen ein maximales Antriebsmoment erwünscht ist. Überdies können solche Vergleiche von Signalen in Getrieben verwendet werden, um ein weiches Schalten ohne plötzliche Drehmomentsprünge zu erleichtern. Weiche Drehmomentübergänge können erreicht werden, ohne daß man wieder notwendigerweise den tatsächlichen Wert des Drehmoments bestimmen muß. Weitere Anwendungen betreffen die Überwachung von Lagerdefekten, bei welchen die überwachten Signale in ihrer Amplitude ansteigen sollten, wenn der Lagerbetrieb ungleichmäßiger wird. Noch andere Anwendungen betreffen die Überwachung von Werkzeugmaschinen, elektrischen Motoren, Generatoren und anderen Einrichtungen, bei welchen eine Überwachung von Signalen, die zumindest teilweise von dem Drehmoment abhängen, nützlich sein kann.
    • Zusammenfässung der Erfindung
  • Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung von Motorunregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen zu schaffen, welche bei allen Motordrehzahlen und Fahrzeuggeschwindigkeiten und Bedingungen einzelne oder Mehrfachereignisse feststellt.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche für jeden einzelnen Zylinder eine genaue Feststellung von Motorunregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen liefert.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche in Verbindung mit existierendem Motortransmissionsmaterial eine genaue Feststellung von Motorunregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen liefert.
  • Es ist auch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die eine genaue Feststellung von Motorunregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen unter Verwendung erhältlicher, magnetostriktiver Sensoren liefert, und die kompakt ist sowie für vorhandene Motoren leicht adaptiert werden kann.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine fast unverzögerte Ermittlung von Motorunregelmäßigkeiten oder Fehlzündungen mit minimalem Rechenaufwand liefert.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die keine tatsächliche Drehmomentmessung erfordert und die jede Art von Drehmomentsensor auf einfache und direkte Art verwendet.
  • Diese und andere Ziele werden gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 mit Hilfe einer Vorrichtung geschaffen, die insbesondere zur Ausführung mit einem oder mehreren magnetostriktiven Sensoren eingerichtet ist.
  • Dementsprechend schafft die Erfindung ein abstimmbares Filter zur Autbereitung des Signals von dem magnetostriktiven Sensor, um das Drehmoment und Drehmomentänderungen in jedem Drehmomentübertragungsglied zu überwachen. Die Grenzen der Frenquenzbandbreite des Filters sind auf die Drehzahl der Welle abgestimmt. Bei zumindest einer Äüsfuhrungsform andern sich sowohl die Bandbreite als auch die Mittenfrequenz der Bandbreite direkt mit der Drehzahl der Welle.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine perspektivische Vorderansicht einer magnetostriktiven Sensorausfuhrung nach dem Stand der Technik, bekannt als "vierarmige" Ausführung.
  • Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführung eines magnetostriktiven Sensors nach dem Stand der Technik, bekannt als "Kreuzausführung".
  • Fig. 3A ist eine Seitenansicht einer Ausführung eines magnetostriktiven Sensors nach dem Stand der Technik, bekannt als "einarmige" oder "C-Kern"-Ausführung.
  • Fig. 3B ist eine Seitenansicht der magnetostriktiven Ausführung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3A, welche eine Einzelspule sowohl bei der Treiber- als auch bei der Sensorspule verwendet.
  • Fig. 4 ist eine zu dem Stand der Technik gehörige Darstellung, welche das von einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment darstellt.
  • Fig. 5 ist eine zum Stand der Technik gehörige Darstellung von typischen Signalen eines magnetostriktiven Drehmomentsensors.
  • Fig. 6 ist eine perspektivische, ausgeschnittene Vorderansicht eines magnetostriktiven Sensors, der gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Kurbelwellenlager angeordnet ist.
  • Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ermittlung von Fehlzündungen oder Unregelmäßigkeiten.
  • Fig. 8A und 8B zeigen zwei zweiarmige magnetostriktive Sensoren, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind.
  • Fig. 1 zeigt eine typische Ausführung eines magnetostriktiven Sensors, wie beispielsweise in den U.S.-Patenten 4,414,856 und 4,503,714 gezeigt, die gewöhnlich als "vierarmige" Ausführung bezeichnet wird. Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung, die in den U.S.-Patenten 2,912,642; 3,011,340; 4,589,290 und 4,939,937 beispielsweise gezeigt ist, und die als "Kreuz"-Ausführung bekannt ist. Fig. 3 stellt nöch eine andere Ausführung dar, die als "einarmige" oder "C-Kern"-Ausfuhrung bekannt ist. Es existieren andere Ausführungen, erwähnenswert die Solenoidausführung wie in dem U.S.-Patent 4,760,745 beispielsweise gezeigt und die "Dual"- oder allgemein "mehrarmigen"-Ausführungen. Fig. 8 zeigt einen zweiarmigen, magnetostriktiven Sensor. Fig. 9A und 9B stellen zweiarmige magnetostriktive Sensoren dar. Diese Ausführungen verwenden typischerweise eine oder mehrere Primär- oder Erregerspulen, um in der Welle einen magnetischen Fluß zu erzeugen. Sie verwenden üblicherweise eine oder mehrere Sekundär- oder Sensorspulen, welche die Änderungen, die in dem magnetischen Fluß in der Welle auftreten können, überwachen. Die Spulen sind überlicherweise um ferromagnetische Kerne gewickelt. Änderungen des Drehmoments erzeugen Änderungen in der Torsionsspannung der Welle, welche eine Verformung der Welle hervorruft. Aufgrund der Prinzipien der Magnetostriktion erzeugen die Änderungen von Spannung/Verformung Änderungen des magnetischen Flusses in der Welle. Diese Flußänderungen rufen Spannungsänderungen in der (den) Sekundärspule(n) hervor, und der Spannungspegel an der (den) Sekundärspule(n) steht somit in Beziehung zu dem auf die Welle wirkenden Drehmoment.
  • Gemäß Fig. 2 kann beispielsweise jede der gezeigten Spulen die Erregerspule und die andere die Sensorspule sein.
  • Es existieren andere Ausführungen mit einigen Modifikationen zu diesem Basisthema. Beispielsweise zeigen das US-Patent 4,939,937 und die Anmeldung Serial No. 07/518,083 einen magnetostriktiven Sensor, bei welchem die Primärspule(n) und die Sekundärspule(n) die gleiche sind. Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise durch den besonderen magnetostriktiven Sensor eingeschränkt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vielmehr auf die Verwendung jeder Art von magnetostriktivem Sensor, und die Ausführungsbeschränkungen in den folgenden Diskussionen werden lediglich zum Zweck der Vereinfachung der Erläuterung gezeigt.
  • Fig. 4 ist eine typische, gemessene Ausgangsdrehmomentkurve eines normal zündenden Vierzylindermotors als Funktion des Verdrehwinkels der Welle von dem OT. Es ist zu beachten, daß das Drehmoment beim Zünden jedes Zylinders ansteigt, eine Spitze erreicht und dann abfällt. Jede Drehmomentspitze in Fig. 4 ist mit der Nummer des die entsprechende Spitze verursachenden, zündenden Zylinders versehen. Wiederum aus Gründen der Vereinfachung wird in den folgenden Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf diese Zylindernummern und die Zündfolge bezug genommen, jedoch sind die verschiedenen Ausführungsformen nicht in dieser Hinsicht beschränkt.
  • Fig. 5 zeigt einen typischen Signalausgang, wie die Spannung von einem magnetostriktiven Sensor. Die Kurve A stellt den Ausgang der Messung an der unbelasteten oder Null- Drehmoment Welle dar.
  • Der unregelmäßige Signalverlauf resultiert aus statistischen Änderungen des magnetischen Permeabilitätstensors in der Welle an verschiedenen Stellen der Welle. Die Richtungen der Haupt-, Maximum- und Minimum-Permeabilitätsachsen und die Größen der Hauptpermeabilitäten ändern sich um den Wellenumfang. Die von der Primärspule und der Sekundärspule des Sensors gesehenen Induktivitäten ändern sich somit bei Drehung der Welle. Die Ausgangsspannung der Sekundärspule ändert sich somit bei einer Winkeländerung der Welle selbst bei konstantem Drehmoment, wie einem Null-Drehmoment in dem vorliegenden Fall. Es ist zu beachten, daß die Kurve A periodisch ist und sich alle 360º der Wellenrotation wiederholt.
  • Kurve B in Fig. 5 stellt den Ausgang des gleichen magnetostriktiven Sensors wie jenes der Kurve A dar, jedoch ist die Kurve B das für ein übertragenes Drehmoment, wie jenes in Fig. 4 gezeigt, gemessene Signal. Mit anderen Worten ist Kurve B das Sensorausgangssignal, wenn die Welle ein von einem typischen Vierzylindermotor geliefertes Drehmoment überträgt. Zu beachten ist, daß das Signal der Kurve B immer dann, wenn ein Zylinder zündet jenes der Kurve A übersteigt.
  • Es ist bedeutsam, daß die Formen der Kurven A und B von Welle zu Welle sich signifikant ändern. Magnetostriktive Drehmomentsensoren eignen sich somit im allgemeinen nicht für eine Massenproduktion oder Kalibration. Dieser Nachteil alleine macht sie bei Kraftfahrzeuganwendungen zur direkten Messung des tatsächlichen Motordrehmoments an einer Welle ungeeignet. Zusätzlich ändert sich der Signalpegel des Sensors mit der Temperatur, der Wellendrehzahl, und er driftet sogar einfach zeitabhängig.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beseitigen die Begrenzungen der Drehzahländerungen bei magnetostriktiven Sensoren durch Verwendung von Signalfiltern mit drehzahlabhängigen Hochpaß- oder Tiefpaßfrequenzen.
    • Ausführungsform 1
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 60 zur Ermittlung von Motorfehlzündungen oder -unregelmäßigkeiten. Ein Mikroprozessor 61, der mit abgespeicherter Programmsteuerung arbeitet, kann zur Verarbeitung der Signale verwendet werden, die von dem Sensor 24 erzeugt werden, der typischerweise benachbart zu einem Kraftübertragungsglied, wie einer mit den Motorzylindern 62 verbundenen Welle 20 angeordnet ist. Die Zylinder sind mit einem Schwungrad 63 gekoppelt, das wiederum üblicherweise über ein Getriebe 64 an eine Last 65, wie die Antriebsräder, gekoppelt ist. Ein Zeittriggersensor 66, wie ein Halleffekt- oder ein magnetischer Sensor können verwendet werden, um Synchronisiersignale, auf Grundlage der Drehung des Schwungrades 63 für den Mikroprozessor 61 zu erzeugen. Der spezielle Zylinder, der gezündet werden soll, kann durch einen benachbart zu der Motornockenwelle 67 angeordneten Nockenwellenpositionssensor 68 identifiziert werden.
  • Während der (die) Sensor(en) 24 irgendwo um die Welle 20 herum oder längs dieser gelegen sein kann, bezieht sich diese Ausführungsform auf eine spezifische Ausführungsform des Sensors (der Sensoren) für Auto- oder andere Brennkraftmaschinen, die ein Hauptlager oder andere Lager enthalten. Fig. 6 zeigt eine solche Konfiguration, bei welcher ein Abschnitt der Hauptlagerkappe 50 ausgeschnitten ist, und der Sensor 24 innerhalb des ausgeschnittenen Abschnittes angeordnet ist. Falls erforderlich ist auch ein Teil der Lagerbüchse 52 ausgeschnitten, damit sich der Sensor 24 näher an der Welle befinden kann. Anschlußdrähte 54 des Sensors sind durch irgendwelche geeignete Schlitze oder Löcher in der Lagerkappe 50 durchgeführt, und der Sensor 24 selbst kann sich in jeder geeigneten Stelle oder Position innerhalb der Lagerkappe 50 befinden. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß keine grundlegende Umkonstruktion des Motors oder anderer Motorblockkomponenten oder ein Entfernen notwendig ist, um das Einbringen des Sensors 24 in den Motor zu erleichtern.
  • Die Ausführung 1 ist nicht auf eine besondere Type von magnetostriktivem Sensor beschränkt. Wie ein Fachmann leicht verstehen wird, können andere Sensoren verwendet werden. Die Anmelder haben erfolgreiche Erfahrungen mit dem Sensor mit Kreuzausführung, der in Fig. 2 gezeigt und in eine Lagerkappe eingebaut ist, gemacht. Es wurden verschiedene Sensortreiberausgestaltungen verwendet, wie Spannung mit konstanter Amplitude, Strom mit konstanter Amplitude und Fluß mit konstanter Amplitude (siehe U.S.-Patent 4,939,937), und zwar bei Resonanz, oberhalb der Resonanz und unterhalb der Resonanz. Es sind auch die "einarmigen" magnetostriktiven Sensorausfuhrungen, wie in Fig. 3A und 3B gezeigt, geeignet und können zusammen mit jeder der zuvor genannten Treiber- und Resonanz- oder Nichtresonanzbedingungen verwendet werden. Selbstverständlich können alle "mehrarmigen", Solenoid- oder andere magnetostriktive Sensorausfuhrungen in jeder der entsprechend variierenden Formen verwendet werden.
  • Der Sensor (die Sensoren) 24 kann (können) auch in dem Motorblockabschnitt des Lagers oder in jedem anderen Lager oder an jeder anderen Stelle längs der Kurbelwelle oder Antriebswelle installiert werden. Bei typischen Automotoren kann beispielsweise der Sensor (die Sensoren) 24 an der Vorderseite gegenüber dem Ende der Antriebswelle des Motors gelegen sein. In einem solchen Fall kann eine Welle an dem Vorderende aus einem strukturmäßig weniger torsionsfesten Glied konstruiert sein, wie als eine hohle Welle, da die Belastung signifikant geringer ist. Auch ist die Stelle, longitudinal, am Umfang, und radial des Ausschnittes und des Sensors 24 in der Lagerkappe 50 oder der Lagerbüchse 52 (Fig. 6) überall für einen ordentlichen Betrieb des Sensors geeignet. Weiters kann auch der Motorblock als solcher bearbeitet sein, um die Anordnung des Sensors in seinem Inneren zu erlauben. Dies kann eine Bohrung in dem Block beinhalten, welche sich zu einem Lager erstreckt, und kann geeignete Lippen, Flansche, Schrauben, etc. aufweisen, um den Sensor an seiner Stelle zu halten. Alternativ kann ein solches Loch so angeordnet werden, daß der Sensor irgendwo anders als in einem Lager gelegen ist. Eine solche Anordnung des Sensors, die die Ausbildung einer Bohrung in dem Motorblock nach sich zieht, kann einen leichteren Zugang zu dem Sensor ermöglichen, falls eine Reparatur und Wartung erforderlich ist. Die Sensorhalterung kann beispielsweise ähnlich wie bei einer Zündkerze entfernt, gewartet und wieder installiert werden. Das heißt, die Einrichtung kann zu ihrer Entfernung ausgeschraubt und zur Wieder-Installation einfach eingeschraubt werden. Andere Möglichkeiten, wie Stellschrauben oder andere Mittel zur Befestigung sind durch die Erfindung eingeschlossen. Die Positionierung des Sensors kann auf viele andere Weisen erfolgen. Beispielsweise kann ein Teil des Motorblockes in Nähe des Schwungrades entfernt werden und der Sensor teilweise oder komplett darin angeordnet werden. Andere Stellen, wo eine ähnliche Art der Bearbeitung geeignet ist, werden von der Erfindung in Erwägung gezogen
    • Ausführungsform 2
  • Die Erfindung weist ein oder mehrere abstimmbare, elektronische Filter auf, wobei deren Frequenzgrenzen sich mit der Drehzahl der Welle ändern. Dies hilft, Signaländerungen mit der Drehzahl zu eliminieren. Der Grund darin kann unter Zuhilfenahme der Fig. 5 gesehen werden, welche den Signalausgang des Sensors unter zwei Lastbedingungen darstellt. Jedes Signal in Fig. 5 besitzt räumliche Fourier-Komponenten aufgrund der räumlichen Änderung der magnetischen Permeabilität um die Welle herum. Bei einer bestimmten Drehzahl fuhren diese räumlichen Änderungen zu zeitlichen Änderungen des Ausgangssignals und zu einem bestimmten Spektrum der Fourier-Komponenten in zeitlicher Hinsicht. Beispielsweise ist bei doppelter Drehzahl die zeitliche Frequenz jeder dieser Fourier-Komponenten verdoppelt. Somit werden bei einer elektronischen Schaltung mit einem Filter, das eine feste Frequenzgrenze aufweist (Hoch-, Tief- oder Bandpaß) bestimmte Fourierkomponenten, die bestimmten räumlichen Änderungen der Permeabilität zugeordnet sind, bei einer bestimmten Wellendrehzahl durch das Filter gelangen, nicht jedoch bei einer anderen Wellendrehzahl. Hieraus resultiert ein verarbeitetes Signal, das sich mit der Wellendrehzahl ändert, da unterschiedliche Komponenten des Signals durch das Filter bei unterschiedlichen Drehzahlen gelangen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann ein abstimmbares Filter verwendet werden, dessen Band auf die Wellendrehzahl abgestimmt ist. In einem Fall kann dies zu einer Bandbreite und einer Mittenfrequenz der Bandbreite fuhren, die sich beide direkt init der Drehzahl ändern. Wenn beispielsweise das Filter eine Bandbreite von 10 Hz bis 100 Hz bei 600 U/min besitzt, wird es dann bei 1200 U/min eine Bandbreite von 20 Hz bis 200 Hz besitzen. Bei einem solchen Filter werden die gleichen Fourier-Komponenten eines Signals, das aus räumlichen Änderungen, wie den in Fig. 5 gezeigten, unabhängig von der Wellendrehzahl durch das Filter gelangen. Die Erfindung schließt die Verwendung eines wie hier beschriebenen Filters zur Überwachung des Drehmoments und von Drehmomentänderungen bei jedem drehmomentübertragenden Glied ein und ist nicht auf Brennkraftmaschinen beschränkt.
  • Die Konstruktion von abstimmbaren Filtern wie hier beschrieben ist den Fachleuten wohl bekannt, und die Erfindung ist nicht auf irgendeine besondere Konstruktion solcher abstimmbarer Filter beschränkt. Auch kann die Hochpaßgrenzfrequenz einfach auf die Frequenz Null gesetzt werden und somit konstant bei Null bleiben, wobei die Tiefpaßgrenzfrequenz sich mit der Drehzahl ändert. Umgekehrt kann die Tiefpaßgrenzfrequenz auf die Frequenz Unendlich gesetzt werden, wogegen die Hochpaßgrenzfrequenz sich mit der Drehzahl ändert. Jede dieser Konstruktionen ist durch die allgemeine Beschreibung in den oberen Absätzen gedeckt, wenngleich es sich um Spezialfälle handelt, die einen praktischen Wert ergeben können.
  • In der Praxis kann die Hochpaßgrenzfrequenz auf einen konstanten Wert leicht über Null gesetzt werden, und das Bandpaßfilter kann noch immer effektiv als abstimmbares Bandpaßfilter fonktionieren. Umgekehrt kann die Tiefpaßgrenzfrequenz auf einen geeigneten, konstanten, hochfrequenten Wert gesetzt werden, und das Filter kann noch immer wirkungsvoll als abstimmbares Bandpaßfilter arbeiten. Diese Variationen und andere, die wirkungsvoll als abstimmbares Bandpaßfilter funktionieren, sind von der Erfindung gedeckt.
  • Experimentelle Ergebnisse mit abstimmbaren Filtern, wie den oben beschriebenen, haben bewiesen, daß sie tatsächlich die Signalabhängigkeit von der Drehzahl reduzieren und praktisch eliminieren. Die Signalform in vertikaler Richtung, wie sie auf einem Oszilloskop gezeigt ist, bleibt bei Drehzahländerungen ungeändert, auch während die horizontale (Zeitachse) Richtung schrumpft (höhere Drehzahl) oder sich ausdeht (niedrigere Drehzahl).
  • Die Anmelder haben unter Verwendung eines magnetostriktiven Sensors 24, der in der Hauptlagerkappe 50 eines Prüfstandmotors eingebaut war, Tests durchgefuhrt. Die Lagerkappe 50 bestand aus rostfreiem Stahl, wenngleich bei alternativen Ausführungen sie aus Keramik oder einem anderen, nicht ferromagnetischen Material bestehen könnte. Sie kann auch aus irgendeinem typischen ferromagnetischen Material hergestellt sein, das von Automobilherstellern für Lagerkappen verwendet wird, wie aus Gußeisen oder Stahl oder irgendeinem anderen Material. Die Signalstärke aufgrund der Streuung des magnetischen Feldes kann bei Anordnung des Sensors in einer ferromagnetischen Lagerkappe 50 etwas reduziert sein.
  • Man sieht, daß die Erfindung daher die in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" angegebenen Probleme auf einfache, neue und praktische Art lösen kann. Während die obige Beschreibung viele spezifische Beispiele enthält, soll dies nicht als Beschränkung des Umfanges der Erfindung gesehen werden, sondern lediglich als Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen. Die Fachleute werden viele andere Möglichkeiten ins Auge fassen, die innerhalb des Schutzumfanges liegen. Beispielsweise kann jede der Ausführungsformen jede Art von Sensoren jeder Form, Größe oder Material verwenden. Das Gehäuse kann aus jedem Material bestehen und kann insbesondere Mu-Metall oder ein ähnliches Material beinhalten, um magnetische Flußverluste zu vermeiden. Ein solches Mu-Metall oder ein ähnliches Material kann verwendet werden, um einige, viele oder alle der Sensorelemente innerhalb des Sensors zu umschließen und kann typischerweise zusätzlich zu einem dielektrischen Gehäusematerial, wie Keramik, Epoxid, etc. verwendet werden. Weiters ist immer dann, wenn die Bezeichnung "Welle" verwendet wird, jedes Drehmoment übertragende Glied ins Auge gefaßt, und das Glied kann jedes Material, jede Größe oder Form aufweisen und kann auch eine Drehmomentscheibe sein, wie in dem U.S.-Patent 4,697,460 gezeigt. Die drehmomentübertragende Welle kann mit jedem Material überzogen sein, wie mit einem plasmagespritztem Material, amorph gebundenen Streifen, dünnen Filmen, etc. Die Oberfläche der Welle oder jegliche Ausbildungen an ihr können in jeder Weise behandelt werden, einschließlich Strahlhämmern, Kaltwalzen, Heißwalzen, Kerben, Rändeln, Schleifen, mechanisches oder Laseranreißen, andere Laserbehandlung, Sandstrahlen, chemische Behandlungen, elektromechanische Behandlungen, elektromagnetische Behandlungen, etc. Weiters kann die Welle selbst oder jegliche Ausbildungen an ihr jeglicher Art von Behandlung ausgesetzt gewesen sein, wie Vibrationsschütteln, Stößen, Wärmebehandlungen, Torsions- oder axiales Überdehnen, magnetische Behandlungen einschließlich Entmagnetisieren, magnetisches Erwärmen, inverse Magnetostriktion und Magnetostriktion oder jede andere Art von Behandlung
  • Weiters kann der drehmomentbezogene Signalsensor 24 irgendwo in geeigneter Nähe zu dem drehmomentübertragenden Glied gelegen sein. Bei Brennkraftmaschinen kann dies sein: In einer Radiallagerbuchse, dem Motorblock, einer Lagerkappe, an irgendeiner Stelle längs der Kurbelwelle, vorne an dem Motor, gerade vor, gerade nach oder innerhalb des Getriebes, in Nähe des Schwungrades, entlang der Antriebswelle oder an irgendeiner Stelle längs der Kraftübertragung. Er kann auch in Nähe einer Torsionscheibe gelegen sein, wie dies in dem U.S.-Patent 4,697,460 beschrieben ist.
  • Jedes der Signale kann entweder analog oder digital sein, und dies trifft auf jede Signalverarbeitung oder jede Integration, Differentiation oder Differenzbildung, Summierung, Subtraktion oder Division zu. Jede Messung, jeder Vergleich oder jede Verarbeitung kann mit Hilfe analoger oder digitaler Mittel durchgefuhrt werden. Wenn der Begriff Integration verwendet wird, versteht man darunter auch den Einschluß einer Summation, gewichtet oder anders, von Werten über einem geeigneten Bereich oder Intervall. Ähnlicherweise ist unter Summation auch Integration zu verstehen. Weiters kann jedes Signal direkt verwendet werden, verstärkt oder in irgendeiner Weise transformiert. Jedes Signal kann ein Augenblickswert sein, ein integrierter Wert, ein Mittelwert, gewichtet oder anders, eine oder mehrere Fourier-Komponenten, ein gefilterter Wert, eine Summation von anderen Signalwerten oder irgendwelche andere geeignete Werte, die für den Zustand der Spannung/Verformung in der Welle 20 repräsentativ sind.
  • Weiters kann jedes der in einer und allen Ausführungsformen beschriebenen Signale der rohe Signalausgang des Sensors 24 oder irgendeine verarbeitete Version desselben sein. Insbesondere können bei einigen oder allen dieser Signale einige oder alle Hintergrundkomponenten aufgrund von induktiver Kopplung, kapazitiver Kopplung, elektronischer Vorspannung oder irgendwelchen anderen Gründen wegsubtrahiert, weggefiltert, über eine Brückenschaltung eliminiert oder durch andere Mittel entfernt werden. Die Signale können ebenso auf irgendeine Weise verstärkt oder phasenverschoben werden. Zusätzlich können bei jeder Ausführungsform die Signale von verschiedenen Zylindern verwendet werden, um einen Drehmoment(Inhomogenitäts)vektor und/oder einen Drehmomentinhomogenitätsindex oder -maß zu bilden, wie dies von Ribbens für die Drehzahlerfassung in dem SAE-Papier No. 901768 gezeigt ist.
  • Die magnetostriktiven Sensoren können mit jeder Art von Erregung verwendet werden, einschließlich Spannung mit konstanter Amplitude, Strom mit konstanter Amplitude, Fluß mit konstanter Amplitude, Gleichstrom, Gleichspannung, Gleichfluß, konstante Phase, etc. Weiters kann der Sensor von jeder Ausführungsform sein und kann die Signalerfassung auf jede mögliche Weise durchfuhren, wie in dem SAE-Papier #890483 beschrieben.
  • Dem Fachmann, dem die in der zuvorgehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen dargestellten Lehren zugute kommen, werden viele Modifizierungen und andere Ausführungsformen der Erfindung geläufig werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Ermittlung von Drehmomentänderungen in einem rotierenden Kraftübertragungsglied, welche aufweist:
einen magnetostriktiven Sensor, der ein mit der in dem Kraftübertragungsglied erzeugten Verdrehspannung in Beziehung stehendes Signal erzeugt,
ein Mittel zum Erfassen der Drehzahl des Kraftübertragungsgliedes,
ein abstimmbares Filter und
ein Signalverarbeitungsmittel, welches mit dem Drehzahlerfassungsmittel und dem Filter so zusammenwirkt, daß die Bandfrequenz des Filters auf die Drehzahl des Kraftübertragungsgliedes abgestimmt ist, sodaß die räumlichen Fourierkomponenten dieses Signals bezogen auf den Drehwinkel des Kraftübertragungsgliedes von dem abstimmbaren Filter im wesentlichen unabhängig von der Drehzahl des Kraftübertragungsgliedes durchgelassen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter das Signal mit Hilfe eines analogen Mittels verarbeitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter das Signal mit Hilfe eines digitalen Mittels verarbeitet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Brennkraftmaschine, wobei diese Brennkraftmaschine einen Motorblock mit einer darin ausgeformten Öffnung besitzt, das Kraftübertragungsglied an die Maschine in Wirkverbindung angeschlossen ist und der magnetostriktive Sensor innerhalb der Öffhung des Motorblocks angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Brennkraftmaschine, wobei diese Brennkraftmaschine auch eine Drehmomentscheibe, wie ein Schwungrad besitzt, das Kraftübertragungsglied an die Maschine in Wirverbindung angeschlossen ist und der magnetostriktive Sensor benachbart zu der Drehmomentscheibe gelegen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Brennkraftmaschine, wobei diese Brennkraftmaschine auch ein Motorlager mit einer darin ausgeformten Öffnung besitzt, das Kraftübertragungsglied an die Maschine in Wirkverbindung angeschlossen ist und der magnetostriktive Sensor innerhalb der Öffnung des Motorlagers angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter mit einer festen Tiefpaßgrenztrequenz arbeitet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter mit einer auf Unendlich eingestellten Tiefpaßgrenzfrequenz und einer abstimmbaren Hochpaßgrenzfrequenz arbeitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter mit einer festen Hochpaßgrenzfrequenz arbeitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter mit einer auf Null eingestellten Hochpaßgrenzfrequenz und einer abstimmbaren Tiefpaßgrenzfrequenz arbeitet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Filter als Tiefpaßfilter, als Hochpaßfilter oder als Bandpaßfilter arbeitet und zumindest eine abstimmbare Hochpaßgrenzfrequenz, eine abstimmbare Tiefpaßgrenzfrequenz oder eine abstimmbare Mittenfrequenz aufweist, und wobei von der abstimmbaren Hochpaßgrenzfrequenz, der abstimmbaren Tiefpaßgrenzfrequenz bzw. der abstimmbaren Mittenfrequenz zumindest eine der Drehzahl des Kraftübertragungsgliedes proportional ist.
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