DE69911105T2

DE69911105T2 - Kurbelwellenstellungsdetektierung

Info

Publication number: DE69911105T2
Application number: DE69911105T
Authority: DE
Inventors: Larry Raymond Plymouth Brandenburg; John Michael Saline Miller
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: EP0952335A1; US6073713A; EP0952335B1; DE69911105D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensoraufbau zur Abtastung der Kurbelwellenstellung an einem Verbrennungsmotor, und spezieller an einem Motor der eine Anlasser/Lichtmaschinen-Kombination vom Induktionstyp aufweist.
Aus Umwelt- und anderen allgemeinen Gründen besteht ein Wunsch für Kraftfahrzeuge zu sorgen, die mit anderen Antriebssystemen als nur einem typischen Verbrennungsmotor arbeiten. Ein derart in Erwägung gezogenes Antriebssystem ist ein rein elektrisches Fahrzeug. Aber weil die Technologie für rein elektrische Fahrzeuge noch nicht praktikabel ist (z. B. gibt es Einschränkungen die durch den Verbraucher nicht gewünscht sind), ist es eine Alternative über die nachgedacht wird, den elektrischen Antrieb mit einem etwas konventionelleren Verbrennungsmotor zu kombinieren. Mit zwei Antriebssystemen in dem Hybridfahrzeug müssen jedoch beide Antriebssysteme, einschließlich des Verbrennungsmotors, von minimaler Größe sein.
Eine der Entwicklungen zur Verringerung des durch den Verbrennungsmotor und sein Zubehör eingenommenen Gesamtraums ist es das Schwungrad, das normalerweise auf der Rückseite des Motors an der Kurbelwelle montiert ist, in der Größe wesentlich zu vermindern oder sogar wegzulassen, und in dieser Position eine Kombination Anlasser/Lichtmaschine anzubringen. Dies wird den durch getrennte, herkömmliche Anlasser und Lichtmaschinen eingenommenen Raum wesentlich vermindern. Zum Beispiel kann ein Elektromaschinen-Rotor des Anlassers/der Lichtmaschine eine Doppelfunktion als das herkömniliche Schwungrad haben. Dies schafft nun jedoch eine an elektromagnetischer Interferenz (EMI, Electromagnetic Interference; elektromagnetische Interferenz) reiche Umgebung an der Rückseite des Motors, innerhalb welcher die Kurbelwellenstellung für das Hybridfahrzeug bevorzugt abgetastet wird. Das neue System erfordert es nun daß der Sensor in der Gegenwart starker elektromagnetischer Felder unter Schlußwindungen eines Stators und entlang eines Induktionsmaschinen-Rotors arbeitet. Die gegenwärtig produzierte Technologie, wie etwa Hall-Effekt-Sensoren oder widerstandsvariable Sensoren (VRS, Variable Reluctance Sensor; widerstandsvariabler Sensor) zur Abtastung der Kurbelwellenstellung, ist in einem kombinierten Anlasser/Lichtmaschinen-System aufgrund der signifikanten EMI dann unbrauchbar, welche in einer herkömmlichen Schwungrad-Konfiguration nicht mit diesen Pegeln vorhanden ist.
Um dies zu überwinden könnte man die gegenwärtigen Kurbelwellenstellungs-Sensoren an der Vorderseite des Verbrennungsmotors neu anordnen, aber dann ginge die gewünschte Auflösung der Kurbelwellenstellung für diese Hybridkonfiguration verloren. Diese Auflösung wird gebraucht, um eine indirekt feldorientierte Induktionsmaschine genauer zu regeln; was die Neuanordnung zu einer unangemessenen Lösung macht. Folglich besteht ein Verlangen eine genaue Kurbelwellenstellungs-Abtastung selbst in einem EMI-reichen Feld zuzulassen, das durch einen Motor mit einer an seiner Rückseite montierten Kombination Anlasser/Lichtmaschine geschaffen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein die Kurbelwellenstellung abtastender Apparat bereitgestellt, der an einem eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle aufweisenden Motor angeschlossen ist, der umfaßt: einen zur Drehung mit der Motor-Kurbelwelle montierten Unterbrechemng, und der um den Umfang des Unterbrecherrings herum in Abständen angeordnete Anzeigen einschließt; und Abtastvorrichtungen, die nahe der Anzeigen und stationär an dem Motor montiert sind, um in Reaktion auf die Drehung des Unterbrecherrings ein anfängliches Kurbelwellensignal zu erzeugen; gekennzeichnet durch die Nockenwelle abtastende Vorrichtungen um ein Nockenwellenstellungs-Signal in Reaktion auf eine Drehbewegung der Nockenwelle zu erzeugen; einen Bandpaß-Filter, der ein durch das Nockenwellenstellungs-Signal gesteuertes Paßband besitzt, wobei selbiger Filter angeschlossen ist, um das anfängliche Kurbelwellensignal zu empfangen und zu verarbeiten, um so ein gefiltertes Kurbelwellensignal zu erzeugen; und einen Begrenzer um das gefilterte Kurbelwellensignal zu empfangen und ein Signal der Kurbelwellen-Drehstellung auszugeben. Der Apparat der Erfindung erlaubt es, daß die Sensorposition an der Rückseite des Motors angeordnet wird, selbst wenn der Motor für ein Hybridfahrzeug beabsichtigt ist und einen zwischen dem Motor und dem Getriebe angeordneten kombinierten Aufbau von Anlassermotor und Lichtmaschine besitzt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß ein VRS oder Hall-Effekt-Sensor die Kurbelwellenstellung genau messen kann, selbst wenn er einer EMI-reichen Umgebung eines Hybridfahrzeugs ausgesetzt wird.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Perspektivansicht eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereichs 2 in 1 ist; 3 eine explodierte Perspektivansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2 ist; 4 eine Querschnittsansicht eines/einer Schwungscheiben-Anlassers/Lichtmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine vergrößerte Perspektivansicht eines Unterbrecherrings und Sensors ist, wie er in dem eingekreisten Bereich 5 in 3 veranschaulicht wird, um 180 Grad gedreht; 6 ein Blockdiagramm der an dem Kurbelwellenstellungs-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung angeschlossenen Schaltung ist;
7 eine explodierte Perspektivansicht des Unterbrecherrings und Sensors, ähnlich 3, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine vergrößerte Ansicht des Unterbrecherrings und Sensors gemäß der Ausführungsform von 7 ist; und
9 eine Ansicht ähnlich 5 ist, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
1 und 2 veranschaulichen ein Schema eines Abschnitts eines elektrischen Hybridfahrzeugs 10 einschließlich eines elektrischen Antriebssystems, das einen Wechselrichter 12 und eine Batterie 14 besitzt. Ein Getriebe 20 ist elektrisch an dem Wechselrichter 12 angeschlossen und treibt nicht gezeigte Motoren an, um die Vorderräder 22 anzutreiben. Das Fahrzeug 10 schließt außerdem einen quer eingebauten Verbrennungsmotor 16 ein um – wenn benötigt – Leistung zu liefern um die Batterie 14 zu laden. Am hinteren Ende des Motors 16 befestigt und durch einen hinteren Nabenabschnitt der Motor-Kurbelwelle 26 angetrieben befindet sich ein Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbau 18. Dieser Aufbau 18 kann als ein Anlasser für den Motor 16 wirken und kann außerdem die Abgabe des Motors 16 in jene elektrische. Leistung umwandeln welche die Batterie 14 lädt.
3–5 veranschaulichen den Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbau 18 besser. Wie oben besprochen muß, um zwei Antriebssysteme in einem Hybridfahrzeug zuzulassen, jedes so kompakt wie möglich sein. Die Kombination Anlasser/Lichtmaschine 18 ist in einem ringförmigen Volumen um eine koaxiale Doppelscheiben-Trockenkupplung 32 herum gebaut. Sie schließt ein Gehäuse ein, veranschaulicht als ein Glockengehäuse 24a in 4 und als ein offenes Gehäuse 24b in 3. Das Gehäuse 24a oder 24b ist um das Ende der Kurbelwelle 26 herum auf der Rückseite des Motors 16 an dem Motorblock 17 montiert.
Drehend an der Innenwand des Gehäuses 24 befestigt ist ein Stator 28, und radial innerhalb des Stators 28 drehend montiert ist ein Rotor 30. Der Rotor 30 schließt an eine erste Seite des Kupplungsaufbaus 32 an. Die zweite Seite des Kupplungsaufbaus 32 schließt an die Kurbelwelle 26 an. Wenn der Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbau 18 als ein Anlasser wirkt ist die erste Seite die antreibende Seite und die zweite Seite der Kupplung 32 ist die angetriebene. Wenn der Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbau 18 als Lichtmaschine wirkt ist die zweite Seite der Kupplung 32 die antreibende Seite und die erste Seite ist die angetriebene.
Angesichts der kompakten Konfiguration des Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbaus 18, und des folglich kleinen Durchmessers von Kupplungsaufbau 32, müßte ein herkömmlicher Kurbelwellenstellungs-Sensor auf einem engen Radius montiert werden, was es erfordert, daß der Sensor entweder in der Ölwanne des Motors oder innerhalb des Motorblocks 17 nahe der hinteren Motordichtung angeordnet ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kurbelwellenstellungs-Sensor 36 jedoch bei einer mittleren radialen Entfernung von der Kurbelwelle 26 derart angebracht, daß es physikalisch möglich ist ihn in den Rotor 30 hineinweisend und von außerhalb des Motorblocks 17 und der Ölwanne zugänglich anzuordnen. Dieser Sensor 36 ist vorzugsweise entweder ein widerstandsvariabler Sensor oder ein Hall-Effekt-Sensor.
Für diese Lage des Kurbelwellenstellungs-Sensors 36 wird ein spezieller Unterbrecher- oder Kodierring 38 verwendet, anstatt wie in einer herkömmlichen Konfiguration Löcher in einem Schwungrad zu verwenden. Der Unterbrecher- oder Kodierring 38 ist bevorzugt aus Schichtstahl gefertigt, der ausgeschnittene Fenster 40 aufweist die ungefähr jene für den speziell verwendeten Kurbelwellenstellungs-Sensor 36 verwendeten Schlitz/Zahn-Abmessungen ausmachen. Der hierin veranschaulichte Unterbrecher- oder Kodierring 38 zeigt um seinen Umfang herum eine Fensteranordnung in einem herkömmlichen 36-2-Muster in Abmessungen, die allgemein für einen VRS oder einen Hall-Effekt-Sensor wünschenswert sind. Vorzugsweise paßt der Innenradius 42 des Unterbrecherrings 38 zu dem Radius des Rotors 30, und die radiale Tiefe des Unterbrecherrings paßt zu der Tiefe des Endrings des Rotors 30. Zur Montage kann der Unterbrecherring 38 während des Gusses des Aluminiumkäfigs an dem Rotor-Endring befestigt werden.
Wendet man sich nun 6 zu, so werden der Kurbelwellenstellungs-Sensor 36 und Signalverarbeitungskomponenten veranschaulicht. Diese Komponenten wirken um das korrumpierte VRS-Kurbelwellenstellungs-Signal aus dem durch Anlasser/Lichtmaschine 18 -veranschaulicht in 1–4 – erzeugten EMI zu extrahieren.
Elektromagnetisches Rauschen wird aufgrund der magnetischen Kopplung von den Schlußwindungen des Stators 28 und ähnlichen Feldern vom Rotor 30 erzeugt. Dieses Rauschen führt eine Gleichtakt-Komponente in das Kurbelwellenstellungs-Signal ein. (Dies ist in 6 im Umriß als Stator- und Rotorinterferenz gezeigt, die zu dem VRS-Kurbelwellenstellungs-Signal hinzugefügt wird.) Zusätzlich treibt die hohe tangentiale Magnetfeldstärke des Endrings den Unterbrecherring 38 in speziellen Bereichen in Sättigung, wo die Spitzen des Schlupfstroms auftreten, und der Frequenzeffekt des mechanischen Antriebs bewirkt daß das Kurbelwellenstellungs-Signal amplitudenmoduliert ist (Verwischen der Unterbrecherring-Fenster 40). Die unten beschriebenen Signalverarbeitungskomponenten gleichen diese Fehler aus.
Der Kurbelwellenstellungs-Sensor 36, welcher in Nähe zu den passierenden Fenstern 40 auf dem Unterbrecherring 38 angeordnet ist, ist elektrisch an einen Bandpaß-Filter 46 angeschlossen. Der Filter 46 empfängt durch einen Anpassungs-Multiplikator 50, welcher dem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle Rechnung trägt, außerdem eine Eingabe von einem Nockenwellen-Zylinderidentifikations-Sensor 48. Der Nockenwellen-Sensor 48 liest wie in herkömmlichen Motoren die Information von einem Nockenrad 52 ab. Der Bandpaß-Filter 46 ist dann vorzugsweise vom Typ eines geschalteten Kondensators, in welchem das Frequenzzentrum ein Mehrfaches der Zylinderidentifikations-Frequenz ist (d. h. der erwarteten Unterbrecherring-Frequenz folgt und ein elektromagnetisch reines Signal ist).
Die Ausgabe des Bandpaß-Filters 46 ist eine Eingabe zu einem Verstärkungsbegrenzer 54, der eine andere Eingabe zur Verstärkungsverfolgung 56 besitzt, was die Extraktion der fundamentalen (36-2-Zähne ) Unterbrecherrad-Information und des Indexpulses erlaubt. Die Ausgabe des Verstärkungsbegrenzers 54 stellt dann das gefilterte Kurbelwellenstellungs-Signal bereit, welches als Eingabe zu einem Fahrzeug-Systemregler 58 und einem inneren Schleifenregler 60 für den Lichtmaschinen/Anlasser-Aufbau 18 zur Verfügung steht.
Es wird nun der allgemeine Betrieb des Systems beschrieben werden. Während des Anlassens des Motors ist Anlasser/Lichtmaschine 18 im Anlaßmodus angeschaltet, wobei die erste Seite der Kupplung 32 die zweite Seite antreibt. Es wird hohes Drehmoment entwickelt und die Motor-Kurbelwelle 26 wird vom Stillstand her beschleunigt. In diesem Anlaßmodus startet Anlasser/Lichtmaschine 18 unter Regelung im offenen Regelkreis hoch, bis ein paar Pulse eines Zylinderidentifikations-Signals von dem Nockenwellen-Sensor 48 durch Multiplikator 50 multipliziert werden, um zu der Passierfrequenz der Fenster 40 in dem Unterbrecherring 38 zu passen. Das Signal wird dann durch den Bandpaß-Filter 46 und den Verstärkungsbegrenzer 54 gefiltert. Nachfolgend tritt die innere Schleife (indirekter Feldorientierer) der Lichtmaschine/des Anlassers in die Regelung im geschlossenen Regelkreis ein (feldorienitierte Regelung), indem das Signal des inneren Schleifenreglers 60 verwendet wird. Außerdem wird das gefilterte Kurbelwellenpositions-Signal zu der Fahrzeug-Systemsteuerung 58 geschickt, was Information für den Motorbetrieb (wie etwa Zündungseinstellung, usw.) bereitstellt.
Eine alternative Ausführungsform, die einen Unterbrecherring und einen Kurbelwellenstellungs-Sensor veranschaulicht, ist in 7 und 8 gezeigt. In dieser Ausführungsform. bleibt der Kurbelwellenstellungs-Sensor 36 der gleiche, obwohl er neu ausgerichtet wird um einem anders geformten Unterbrecherring 38' Rechnung zu tragen. Für diesen Unterbrecherring 38' weisen die Fenster 40' radial nach außen (um eine zylindrische Außenfläche anstatt entlang einer Kreisfläche wie in der ersten Ausführungsform), und der Kurbelwellenstellungs-Sensor 36 weist radial nach innen auf die Fenster 40' hin.
Eine andere Ausführungsform ist in 9 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist ein zusätzlicher Kurbelwellenstellungs-Sensor 66, bevorzugt wieder ein Hall-Effekt-Sensor oder VRS-Typ, an den Unterbrecherring angrenzend montiert, am Umfang aber mit Abstand von dem ersten Kurbelwellenstellungs-Sensor 36. Beide der Kurbelwellen-Sensoren werden ein Signal zu dem Bandpaß-Filter senden und können benutzt werden, um ein Quadratur-Signal zu erzeugen und folglich die Positionsauflösung zu verdoppeln.

Claims

Ein die Kurbelwellenstellung abtastender Apparat, der an einem eine Kurbelwelle (26) und eine Nockenwelle (52) aufweisenden Motor angeschlossen ist, der umfaßt: einen zur Drehung mit der Motor-Kurbelwelle (26) montierten Unterbrecher- oder Kodierring (38), und der um den Umfang des Unterbrecher- oder Kodierrings (38) herum in Abständen angeordnete Anzeigen (40) einschließt; und eine Abtastvorrichtung (36), die nahe der Anzeigen und stationär an dem Motor montiert ist, um in Reaktion auf die Drehung des Unterbrecherrings (38) ein anfängliches Kurbelwellensignal zu erzeugen; gekennzeichnet durch die Nockenwelle abtastende Vorrichtungen (48, 50), um ein Nockenwellenstellungs-Signal in Reaktion auf eine Drehbewegung der Nockenwelle (52) zu erzeugen; einen Bandpaß-Filter (46), der ein durch das Nockenwellenstellungs-Signal gesteuertes Paßband besitzt, wobei selbiger Filter angeschlossen ist um das anfängliche Kurbelwellensignal zu empfangen und zu verarbeiten, um so ein gefiltertes Kurbelwellensignal zu erzeugen; und einen Begrenzer (54) um das gefilterte Kurbelwellensignal zu empfangen und ein Signal der Kurbelwellen-Drehstellung auszugeben.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß Anspruch 1, der weiterhin eine Vorrichtung (56) zur Verstärkungsverfolgung einschließt, mit einer an der Eingabe am Begrenzer (54) angeschlossenen Ausgabe.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem jene die Nockenwelle abtastenden Vorrichtungen (48, 50) einen Nockenwellen-Sensor (48) und einen Multiplikator (50) einschließen, angeschlossen zwischen dem Nockenwellen-Sensor und dem Bandpaß-Filter (46).
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin eine Fahrzeug-Systemsteuerung (58) einschließt, angeschlossen um das Ausgabesignal des Begrenzers (54) zu empfangen.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin einen inneren Schleifenregler (60) einschließt, angeschlossen um das Ausgabesignal des Begrenzers (54) zu empfangen.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem der Unterbrecherring (38') einen allgemein flachen Scheibenabschnitt und einen sich allgemein senkrecht zu dem flachen Scheibenabschnitt erstreckenden äußeren Ringabschnitt einschließt, und in dem die Anzeigen durch den äußeren Ringabschnitt der Scheibe hindurch gebildete Fenster (40') sind.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem die Abtastvorrichtung (36) einen Haln-Effekt-Sensor oder einen widerstandsvariablen Sensor einschließt.
Ein die Motor- und Kurbelwellenstellung abtastender Apparat gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem dieser Motor zur Benutzung in einem Hybridfahrzeug beabsichtigt ist und einen zwischen der Motor-Kurbelwelle (26) und dem Fahrzeuggetriebe (20) montierten, kombinierten Anlasser/Lichtmaschinen-Aufbau aufweist, wobei der Unterbrecherring (38) auf dem Rotor (30) des letzteren Aufbaus montiert ist.