EP0607177A1 - Einrichtung zur winkellageerkennung eines rotierenden teils. - Google Patents

Description

Einrichtung zur Winkellaαeerkennunσ eines rotierenden Teils

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Winkellageerkennung eines rotierenden Teils nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche Einrichtung dient insbesondere zur Drehzahl- und Winkel¬ information für Steuergeräte in Brennkraftmaschinen, insbesondere Zünd- und Kraftstoffeinspritzsteuerungen, bei denen sowohl die Dreh¬ zahl als auch die Winkelinformation mit einem einzigen Geber erfaßt werden kann. Aus den Winkelinformationen werden die für die Zündung und/oder Einspritzung benötigten Zeitpunkte berechnet.

Vorrichtungen zur Winkellageerfassung eines rotierenden Teiles sind bereits bekannt, so wird beispielsweise in der EP 0 188 433 eine solche Vorrichtung beschrieben, bei der eine mit der Kurbel- oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundene Geberscheibe, die umfangsseitig gleichmäßig verteilte, zahnförmige Winkelmarken auf¬ weist, von einem Geber abgetastet wird. Neben den Winkelmarken befindet sich noch eine Bezugsmarke, die beispielsweise als fehlender Zahn oder größerer Lücke zwischen zwei Zähnen oder auch als halber Zahn ausgebildet sein kann, auf dem rotierenden Teil. Der Geber, der als induktiver Aufnehmer aμsgebildet ist, liefert ein Signal, das in einer Aufbereitungsschaltung zu einem Rechtecksignal geformt wird und in einem nachfolgenden Mikrocomputer ausgewertet wird. Die Erkennung der Bezugsmarke erfolgt durch nacheinander ab¬ laufende Zeitvergleiche, wobei die Erkennung dann erfolgt, wenn auf eine kurze Zeit eine längere und darauf wieder eine kürzere Zeit folgt.

Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß eine Vielzahl von Zähnen, beispielsweise 180 vorgesehen sind, wobei die Festlegung der Zähnezahl so optimiert wurde, daß die Zeitintervalle zwischen gleichartigen Winkelmarkenflanken noch vernünftig auswertbar sind.

Eine andere Vorrichtung zur Winkellageerfassung eines rotierenden Teils ist aus der EP 00 13 846 bekannt, dabei wird eine Geberscheibe eingesetzt, die an ihrer Oberfläche 32-2 Markierungen aufweist, wobei die beiden fehlenden Markierungen wiederum als Bezugsmarke dienen. Diese Geberscheibe hat den Nachteil, daß die Anzahl der Markierungen keinen festen Bezug zur Stellung der einzelnen Zylinder zuläßt, wenn die Zahl der Zylinder 3, 6 oder 12 beträgt. Damit kann die bekannte Geberscheibe nicht universell eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen bzw. Einrichtungen den Vorteil, daß die spezielle Zahl der Markierungen bzw.. Zähne der Geberscheibe einen festen Bezug zwischen Markierung und Stellung der einzelnen Zylinder für alle gängigen Zylinderzahlen zul ßt und damit eine einfache Auswertung ermöglicht. Dies ist möglich, da 36 sowohl durch 2, 3, 4, 6 als auch 12 teilbar ist. Bei 8-Zylinder-Motoren werden zwei Zylinderbänke gebildet, die Zuordnung entspricht daher der des 4-Zylindermotors.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Geber¬ scheibe angegeben, die eine besonders einfache Auswertung ermöglichen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 den grundsätzlichen Aufbau des Geber¬ systems einschließlich einer nachfolgenden Auswerteschaltung, in Figur la und lb sind mögliche Ausgestaltungen der Geberscheibe dargestellt und Figur 2 zeigt den Verlauf der Spannung über der Zeit.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Geber¬ scheibe 10 abgebildet, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Winkelmarken 11, die als rechteckige Zähne ausgebildet sind, auf¬ weist. Weiterhin weist die Geberscheibe 10 eine Bezugsmarkenlücke 12 auf, die aus zwei fehlenden Winkelmarken besteht.

Die Zahl n der Winkelmarken beträgt beim Ausführungsbeispiel 36-2, diese Zahl n läßt besonders einfache Auswertemöglichkeiten zu.

Die Geberscheibe 10 ist mit der Kurbelwelle 13 einer Brennkraft¬ maschine verbunden, es ist auch möglich, die Zahnriemenscheibe geeignet auszugestalten und als Geberscheibe zu verwenden.

Abgetastet wird die Geberscheibe 10 mittels eines Sensors 15, beispielsweise eines Induktivsensors oder eines Hallsensors, der über eine Leitung 16 mit einer Auswerteschaltung 17 verbunden ist. In der AuswerteSchaltung 17 erfolgt eine Signalverstärkung sowie eine Signalaufbereitung, so daß die weitere Auswertung nach einer A/D-Wandlung im A/D-Wandler 14 in einem Mikrocomputer 18 erfolgen kann, wobei die Signalauswertung sowie die Weiterverarbeitung im Mikrocomputer beispielsweise derart erfolgen kann, wie in der EP 0 188433 beschrieben wird.

Die Auswerteschaltung 17 sowie der Mikrocomputer 18 sind üblicher¬ weise Bestandteil des Steuergeräts 19, sie können auch separat auf¬ gebaut sein, die AuswerteSchaltung 17 kann auch entfallen, wenn die gesamte Signalverarbeitung nach einer Analog-Digital-Wandlung im Steuergerät 19 selbst erfolgt.

Das Vorbeilaufen der Winkelmarken 11 am Sensor 15 erzeugt in diesem eine Wechselspannung, deren Frequenz abhängig von der Dreh- geschwindigkeit der Geberscheibe ist. Nach der Verarbeitung in der Auswerteschaltung 17 wird aus dieser Spannung eine Rechteckspannung U erhalten, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Diese Spannung ist dabei in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen.

Die Rechteckspannung U17 gibt die Abfolge der einzelnen Markierungen wieder; so lange die Bezugsmarke, die zwei fehlenden Markierungen entspricht, am Sensor vorbeiläuft, wird in diesem auch keine Spannung induziert.

Im Mikrocomputer 18 bzw. im Steuergerät 19 erfolgt die Auswertung der Rechteckspannung, dabei werden die Abstände zwischen den einzelnen Spannungsimpulsen bestimmt, dies kann beispielsweise nach der in der EP 0 188 433 beschriebenen Methode erfolgen, bei der die zeitlichen Abstände zwischen gleichartigen Winkelmarkenflanken gemessen werden. Dies kann jedoch genauso die Zeitdauer zwischen Vorder- und Rückflanke der einzelnen Markierungen ausgewertet werden, es ist weiterhin auch eine Kombination denkbar, wobei aus der Zeit zwischen Vor- und Rückflanke ein und derselben Marke die Drehzahl bestimmt wird, die in bekannter Weise umgekehrt proportional zur Zeit ist, während zur Bezugsmarkenerkennung jeweils Vorderflanken oder jeweils die Rückflanken der einzelnen Impulse ausgewertet werden, d.h. ihre zeitliche Abstände bestimmt werden.

Besonders sicher wird die Bezugsmarke erkannt, wenn mehrere zeitliche Abstände gleichartiger Winkelmarkenflanken ausgewertet werden, wenn also eine Bezugsmarke dann erkannt wird, wenn eine erste Zeit tO deutlich kleiner als eine zweite Zeit tl und diese deutlich größer als eine dritte Zeit t2 ist.

Nachdem die Bezugsmarke 12 erkannt ist, kann im Steuergerät 19 daraus die Stellung der Kurbelwelle ermittelt werden, da zwischen Bezugsmarke und Kurbelwellenstellung ein fester Bezug vorhanden ist.

Damit eine eindeutige Zylindererkennung möglich ist, wird dem Mikro¬ computer 18 bzw. dem Steuergerät 19 zusätzlich noch ein Nocken¬ wellensignal N eines Nockenwellensensors zugeführt, das beispiels¬ weise aus einem Impuls pro NW-Umdrehung besteht. Die Verknüpfung von Nockenwellensignal und erkannter Bezugsmarke läßt dann eine ein¬ deutige Zylindererkennung, beispielsweise der OT-Stellung des ersten Zylinders zu und damit bei festgelegter Zylinderabfolge auch der weiteren Zylinder zu, die dazu erforderlichen Berechnungen laufen im Mikrocomputer 18 bzw. Steuergerät 19 ab, dieses löst über Ausgänge 20 übliche Regel- bzw. Steuervorgänge aus.

Durch Abzählen der einzelnen Spannun simpulse läßt sich daraus die obere Totpunktstellung (OT) für jeden einzelnen Zylinder berechnen. wobei beim Zweizylinder nach 18 Spannungsimpulsen der zweite Zylinder im oberen Totpunkt steht, beim Vierzylinder ist nach 9 Spannungsimpulsen der zweite Zylinder, nach 18 Spannungsimpulsen der dritte, nach 27 Spannungsimpulsen der vierte und nach 36-2 Spannungsimpulsen wieder der erste Zylinder im oberen Totpunkt. Diese einfache Zuordnung zwischen Bezugsmarke und Stellung der einzelnen Zylinder ist möglich, da bei Verwendung von (n-2) = 36-2 Zähnen und der möglichen restlosen Teilbarkeit von n = 36 durch 2, 4, 6 und 12 eine einfache Abzahlung die jeweilige Zylinderlage liefert.

Die in Figur 1 abgebildete Geberscheibe kann auch dahingehend modifiziert werden, daß als Zahl der Markierungen bzw. Zähne eine andere Zahl gewählt wird, wobei zu beachten ist, daß diese Zahl n durch.2, 3, 4, 5, 6 und 12 teilbar sein muß, neben 36-2 wären auch noch 60-2 oder 120-2 Markierungen vorteilhaft, da auch solche Anzahlen von Markierungen eine einfache Auswertung zulassen.

Bei geeigneter Verteilung der n Markierungen über dem Umfang der Geberscheibe 10 muß die Länge der Bezugsmarkenlücke nicht gleich zwei fehlenden Markierungen entsprechen, sondern kann allgemein einer Länge von m Markierungen entsprechen.

Besonders günstig ist jedoch eine Geberscheibe mit 36-2 Zähnen, bei einem Scheibendurchmesser von 70 mm und einer Scheibendicke von etwa 4 mm.

Die Höhe und Breite der Markierungen bzw. der Zwischenräume zwischen den einzelnen Markierungen kann anders gestaltet sein, es kann beispielsweise die Länge der Markierungen gleich der Länge der einzelnen Zwischenräumen sein oder die Zwischenräume doppelt so lang wie die Markierungen sein. Wie die einzelnen Abstände festgelegt werden, hängt von den jeweiligen Erfordernissen ab, es ist besonders wichtig, daß die Gestaltung der Zähne bzw. der Zwischenräume eine optimale Verteilung der im Sensor 15 induzierten Spannung ergibt.

Als Geberscheibe 10 wird üblicherweise eine ferromagnetische Scheibe gewählt, es ist jedoch auch möglich, eine Scheibe aus anderem Mate¬ rial einzusetzen und nur die Markierungen bzw. Zähne aus ferromagne- tischem Material herzustellen. Der Sensor 15 ist im Ausführungsbei- spiel ein Induktivsensor, es wäre auch möglich, stattdessen einen Hallsensor einzusetzen. Damit im Sensor 15 eine möglichst gut aus¬ wertbare Spannung induziert wird, kann es erforderlich sein, eine andere Geberscheibe 10a einzusetzen, wobei die der Bezugsmarke 12 vorhergehende und/oder die nachfolgende Winkelmarke 11a auf der zur Bezugsmarke hin gerichteten Seite abgeschrägt wird, wie in Figur la abgebildet ist.

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. lb aufgezeigt, mit gleicharti¬ gen Winkelmarken 11b, die wesentlich kürzer sind als die Zwischen¬ räume zwischen den Marken und einer Bezugsmarke 12, deren Tiefe geringer ist als die der Zwischenräume zwischen den gleichartigen Winkelmarken, außerdem sind auch Kombinationen der Vorschläge der Figur 1, la, lb möglich.

Claims

Ansprüche

1. Einrichtung zur Winkellageerkennung eines rotierenden Teils einer Brennkraftmaschine, das gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Winkelmarken und wenigstens eine Bezugsmarke aufweist, mit einem Sensor, der die Winkelmarken abtastet und mit einer Aufbereitungs¬ schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Winkelmarken (11, 11a, 11b) (n-m) beträgt und n eine Zahl ist, die durch möglichst viele, den jeweiligen Zylinderzahlen entsprechende Zahlen teilbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl n. gleich.36 und m gleich 2 ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Bezugsmarke (12) als verlängerter Zwischenraum zwischen zwei Winkelmarken (11, 11a, 11b) ausgebildet ist und sich über eine Länge von zwei Winkelmarken und drei Zwischenräumen erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarke (12) weniger tief ist als die Lücken zwischen den gleichartigen Winkelmarken (11, 11a, 11b), vorzugsweise halb so tief.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (19) ein Nockenwellensignal (N) zugeführt wird und Zeitmessungen zur Bezugsmarkenerkennung ablaufen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (19) nach Erkennen der Bezugsmarke (12) Zählvorgänge ablaufen, wobei Flanken der Spannungsimpulse (U17) ausgewertet werden und aus der Zahl der gezählten Spannungsimpulse auf die Lage der einzelnen Zylinder geschlossen wird.