EP3081791B1 - Verfahren zur bestimmung der abstellposition einer welle einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP3081791B1
EP3081791B1 EP16000666.4A EP16000666A EP3081791B1 EP 3081791 B1 EP3081791 B1 EP 3081791B1 EP 16000666 A EP16000666 A EP 16000666A EP 3081791 B1 EP3081791 B1 EP 3081791B1
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EP
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shaft
sensed
reversal
combustion engine
encoder wheel
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MAN Truck and Bus SE
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    • F02N2250/04—Reverse rotation of the engine

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the parking position of a shaft of an internal combustion engine, wherein the shaft comprises a transmitter wheel, which has a peripheral structure which triggers signals when moving past a sensor.
  • an exact knowledge of the parking position of the internal combustion engine is necessary to shorten the start times. Already during the starting process, fuel injection can take place and this can be accelerated.
  • an internal combustion engine has a Kurbelwellengeberrad, for example with 60-2 teeth, by means of which the position of the crankshaft can be determined to 3 ° accurate. Due to the temporal interpolation between two tooth flanks, the crankshaft angle can be resolved even finer with a rotating shaft. When the shaft is stationary, the angular position of the shaft can not be determined.
  • the describes DE 10 2009 000 082 A1 a method for detecting an engine stall during engine run-off having a crankshaft sensor wheel and a special crankshaft sensor capable of detecting the direction of rotation of the crankshaft.
  • the last four registered pulse edges are stored and used to calculate the last three segment times. From these three calculated segment times becomes an upper limit for the time of occurrence of the next pulse edge estimated. If no further pulse edge occurs up to this estimated upper limit, it is concluded that the engine has come to a standstill.
  • Another generic method for determining the parking position of a shaft that can also determine a reversal of direction by means of a sensor wheel, is from the DE 10 2012 212 922 A1 known. It is proposed to calculate segment times from the time interval of the signals and to detect a direction of rotation reversal of the shaft as a function of the segment times.
  • a disadvantage of this known method for determining the parking position of a shaft is that a comparatively complex signal processing is required, which is associated with processing inaccuracies, so that the parking position can not be determined with sufficient accuracy.
  • the object of the invention is in particular to provide a method with which a reversal of the direction of rotation of the shaft can be reliably detected when stopping and the parking position can be precisely determined.
  • the invention is based on the technical knowledge that increasingly internal combustion engines electric machines, especially starter generators, are installed, which are non-rotatably connected to a shaft, in particular the crankshaft, the internal combustion engine.
  • Such known per se starter generators are usually between the engine and transmission in the form of a seated on the crankshaft electric machine with starter and Generator function provided, which is commonly referred to as a crankshaft starter generator (KSG), because of the direct connection of its rotor with the crankshaft of the internal combustion engine.
  • KSG crankshaft starter generator
  • an accurate pole position detection is necessary because the currents in the stator winding must be controlled synchronously or asynchronously with the current magnet position of the rotor.
  • Known starter generators therefore have a position detection device for speed control of electrical machine, which is set up to determine an absolute rotor position within a pole pitch high-resolution.
  • the position detection device can be designed as a resolver. But there are also known position detection devices that operate resolverlos (see. DE 10 2013 203 937 A1 ).
  • this can be used according to the invention to reliably detect a reversal of rotation of the shaft when stopping and use a detected by the position detection Rotorendlage in the parking position for correcting the determined by means of the encoder wheel stop position of the internal combustion engine , Additional components for detecting the direction of rotation reversal and / or complicated and error-prone evaluation methods, such as, for example, for determining the change in the segment times of the encoder wheel during leakage, can then be dispensed with.
  • a method for determining the parking position of a shaft of an internal combustion engine.
  • the shaft is preferably a crankshaft of the internal combustion engine.
  • the shaft comprises a sensor wheel in a manner known per se, which has a peripheral structure which triggers signals when moving past a sensor.
  • an electric machine in particular a starter generator, whose rotor is non-rotatably connected to the shaft and which comprises a position detection device which is set up to detect an absolute rotor position within a pole pitch.
  • a reversal of the direction of rotation of the shaft when the internal combustion engine is switched off is detected by means of the position detection device. If such reversal of direction of rotation is detected, a detected absolute rotor position in the parking position and within a pole pitch is used to correct a stop position of the shaft determined by means of the encoder wheel.
  • the absolute rotor position within a pole pitch indicates an absolute rotor position of the electric machine relative to the pole pitch and is thus dependent on the number of pole pairs of the electrical machine. Depending on the number of pole pairs a full revolution of the rotor is divided into individual segments (pole pitches).
  • the rotor position detected by means of the position detection device thus unambiguously indicates the angular position within a pole pitch, but is ambiguous with respect to the angular position with respect to the full revolution or in which of the segments is measured.
  • the position detection device thus generates within a pole pitch an absolute angle signal, on the course of which a direction of rotation reversal is directly readable.
  • the position detection device is set up, the direction of rotation reversal, for example, by means of a reciprocating movement or an increase and subsequent decrease in the detected absolute rotor position within a pole pitch at a coasting of the rotor, ie within a suitably predetermined time interval before the parking position to recognize.
  • the detected absolute rotor position in the parking position and within a pole pitch thus indicates the end position of the rotor with the engine off, from which the Abstellposition the shaft is derivable, since the rotor is rotatably connected to the shaft.
  • the detected absolute rotor position in the parking position and within a pole pitch of an evaluation unit of a control device (control unit) for controlling the ignition and / or injection of the internal combustion engine is supplied.
  • control unit control unit
  • the evaluation unit or the control unit with this information can optionally correct the parking position determined by means of the encoder wheel, z. B. within a stop phase of a stop-start operation in order to determine the correct injection timing at the next start can.
  • This embodiment is particularly advantageous in powertrain configurations in which separate control devices are provided for the control of the ignition and / or injection of the internal combustion engine and for the operation of the electric machine, which is usually required for the real-time capability of the control.
  • the position detection device is a resolver of the electrical machine, in particular a Mehrpolpolfarresolver. It has already been mentioned above that the position detection devices can also be a resolverless position detecting device.
  • a further aspect of the invention provides that in a detected direction of rotation reversal, the determined Abstellposition the shaft is determined by a value of the detected absolute rotor position in the Abstellposition and within a pole pitch, wherein the value is corrected by a predetermined phase offset between the encoder wheel and position detection device and a Unambiguity of this value is resolved with respect to the present pole pitches or with respect to the present pole position based on the detected by the sender wheel off position.
  • the sender wheel may be a conventional sender wheel, in particular a 60-2 sender wheel.
  • a control device which is designed to carry out a method as disclosed herein.
  • the invention further relates to a motor vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising such a control device.
  • FIG. 1 shows a schematic flow diagram according to an embodiment of the invention.
  • the flowchart schematically describes the determination of the stop position of a crankshaft of an internal combustion engine, hereinafter also referred to as internal combustion engine, wherein the crankshaft comprises a transmitter wheel having a peripheral structure which (not shown) in passing on a sensor signals 5 triggers.
  • the sender wheel is a 60-2 sender wheel, ie, the sender wheel has 60 similar angle marks, two of which are missing, which have been milled out, for example, in order to generate a reference signal for determining the position on the basis of the gap.
  • the term circumferential structure of the encoder wheel is to be interpreted broadly and z. B. in the form of markings or a tooth structure.
  • the peripheral structure is formed from ridge-shaped or tooth-shaped radial projections and grooves or tooth spaces lying therebetween.
  • the encoder wheel is part of an arrangement for non-contact determination of the rotational speed of the shaft and further comprises a magnetically or optically operating sensor (speed sensor), which is arranged stationary to the encoder wheel, so that the peripheral structure is moved past the sensor device.
  • speed sensor a magnetically or optically operating sensor
  • the sensor works magnetically, it is equipped with a magnetic field sensor (eg Hall sensor). This is from a Magnet in the field of Hall sensors generates a magnetic field, which changes when passing a tooth of the gear. The Hall sensor detects this once the so-called basic field of the magnet. To this field strength of the basic field, a field strength originating from the mass of the encoder wheel is added.
  • a tooth is then assigned to the sensor instead of a tooth gap, this leads to a repeated amplification of the magnetic field for the duration of the assignment of the tooth to the sensor.
  • the Hall sensor thus detects this change in the magnetic field and generates an electrical signal from which the speed or a setting angle of the gear can be determined.
  • Each tooth thus gives a pulse, and by counting the pulses you can determine the speed. More specifically, the speed sensor does not recognize the tooth as such, but each transition from tooth to tooth gap or vice versa.
  • the time course 5 of such an electrical signal when switching off the internal combustion engine is exemplified in the middle diagram of FIG. 2 shown.
  • the successive detection of two flanks corresponds to a rotation angle of 3 °.
  • a control device for controlling the ignition and / or injection of the internal combustion engine controls based on the detected speed and / or position of the ignition and / or injection of the internal combustion engine.
  • the rotational speed of the crankshaft slows down until it comes to a standstill in a parking position.
  • this can be recognized by the increasing distance between the edges of the rectangular signal.
  • the speed sensor measures the penultimate edge 6 and at time T0 the last edge 7 of the encoder wheel before standstill.
  • a control device for controlling the ignition and / or injection of the internal combustion engine, to which the signal 5 is applied first interprets the last edge at time T0 as the 66 ° edge and determines the stop position as the 66 ° position (step G2).
  • a starter generator On the crankshaft, a starter generator is further arranged, whose rotor is rotatably connected to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the starter generator is designed, for example, as an eight-pole synchronous machine, so that eight segments (poles), each covering 45 ° of the entire circumference of the machine, result for the synchronous machine.
  • the phase offset between resolver and encoder wheel was assumed to be 0 °.
  • the corresponding time course 1 of the resolver signal during shutdown of the internal combustion engine is in the upper diagram of FIG. 2 shown.
  • the corresponding time course 8 of the angle of rotation of the crankshaft during shutdown of the internal combustion engine is in the lower diagram of FIG. 2 shown.
  • the resolver continuously determines the rotor position for regulating the speed of the machine (step R1).
  • the steps G1 and R1 are executed in parallel and independently of each other in normal operation.
  • the resolver Since the resolver indicates an absolute rotor position within a pole pitch, a reversal of the direction of rotation can be detected directly on the time profile.
  • the resolver detects in step R2 that at a rotor position 2 of -30 ° and at time T1, a reversal of direction has taken place, since the time course of the rotor position after T1 drops again to a value of the rotor end position 3 from -42 ° to time T2 on which the rotor and thus also the crankshaft came to a standstill.
  • crankshaft The corresponding reversing position and parking position of the crankshaft are indicated in the lower diagram by the reference numerals 9 and 10.
  • the rotor stall of -42 ° determined in step R2 and the time T1 and optionally the time T2 are transmitted in step R3 via the CAN data bus of the vehicle to the control device for controlling the ignition and / or injection of the internal combustion engine.
  • control device for controlling the ignition and / or injection of the internal combustion engine in step G3 perform a correction of the determined parking position.
  • the control device detects by adjusting the time T0 (time of the last edge measurement) with the times T1 and T2 that the last edge after the time T1 and thus after the reversal of direction was measured, so that the determined in step G2 parking position of 66 ° not it is correct, because instead of the 66 ° -flank the 63 ° -flank was measured twice.
  • the control device can then determine the actual parking position based on the value of -42 ° of the detected absolute rotor position in the parking position and within a pole pitch. From the last edge 7 of 66 ° determined by means of the sender wheel in step G2, the control device can determine that the value of -42 ° indicates the absolute rotor position in that segment which lies between 45 ° and 90 °. Since the phase offset between encoder wheel and resolver is 0 ° in the present case, the parking position of the crankshaft, d. H.
  • the value of 62.2 ° can thus be defined as a corrected parking position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle einer Brennkraftmaschine, wobei die Welle ein Geberrad umfasst, das eine Umfangsstruktur aufweist, die bei Vorbeibewegen an einem Sensor Signale auslöst.
  • Für Verbrennungsmotoren mit einer sogenannten Stopp-Start-Funktion ist eine genaue Kenntnis der Abstellposition des Verbrennungsmotors notwendig, um die Startzeiten zu verkürzen. Bereits während des Anlassvorgangs kann so ein Einspritzen von Kraftstoff erfolgen und dieser dadurch beschleunigt werden. Üblicherweise verfügt ein Verbrennungsmotor über ein Kurbelwellengeberrad, beispielsweise mit 60-2-Zähnen, mittels dessen die Position der Kurbelwelle auf 3° genau bestimmt werden kann. Durch die zeitliche Interpolation zwischen zwei Zahnflanken kann der Kurbelwellenwinkel bei sich drehender Welle noch feiner aufgelöst werden. Bei stehender Welle kann die Winkelposition der Welle nicht bestimmt werden.
  • Beim Abstellen von Brennkraftmaschinen kann es aufgrund von Rückstellkräften zu einer Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle kommen. Wird diese Drehrichtungsumkehr nicht erkannt, so wird die Abstellposition der Brennkraftmaschine nicht richtig bestimmt. Herkömmliche Verfahren unter Verwendung eines Geberrads erkennen nur das Flankensignal eines sich vorbeibewegenden Zahns des Geberrads und sind nicht ausgeführt, eine Drehrichtungsumkehr zu erkennen.
  • Aus der EP 0 612 373 B1 ist jedoch ein Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle einer Brennkraftmaschine bekannt, das eine Drehrichtungsumkehr erkennen kann. Mittels an einer Nocken- und an einer Kurbelwelle montierter Geberräder und der jeweiligen Sensoren wird eine Drehrichtungsumkehr der Brennkraftmaschine erkannt, so dass bei eventuellem Rückpendeln der Brennkraftmaschine vor dem Stillstand die Abstellposition entsprechend korrigiert werden kann.
  • Ferner beschreibt die DE 10 2009 000 082 A1 ein Verfahren zur Erkennung eines Motorstillstandes während des Auslaufens des Motors, der über ein Kurbelwellengeberrad und einen speziellen Kurbelwellensensor verfügt, der in der Lage ist, die Drehrichtung der Kurbelwelle zu erkennen. Es werden dabei jeweils die letzten vier registrierten Impulsflanken gespeichert und daraus die letzten drei Segmentzeiten berechnet. Aus diesen drei berechneten Segmentzeiten wird eine Obergrenze für den Zeitpunkt des Auftretens der nächsten Impulsflanke abgeschätzt. Tritt bis zu dieser abgeschätzten Obergrenze keine weitere Impulsflanke auf, wird darauf geschlossen, dass der Motor zum Stillstand gekommen ist.
  • Ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle, das auch eine Drehrichtungsumkehr mittels eines Geberrads bestimmen kann, ist aus der DE 10 2012 212 922 A1 bekannt. Es wird vorgeschlagen, aus dem zeitlichen Abstand der Signale Segmentzeiten zu berechnen und in Abhängigkeit von den Segmentzeiten eine Drehrichtungsumkehr der Welle zu erkennen.
  • Aus der EP 2 990 283 A1 und der EP 1 344 919 A2 sind Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen eine Vorrichtung zur Erfassung einer Rotorlage einer mit der Welle in Wirkverbindung stehenden elektrischen Maschine verwendet wird, um beim Motorstart eine vorherige bestimmte Endlage einer Welle einer Brennkraftmaschine, die basierend auf einem Sensor zur Erfassung der Wellenposition bestimmt wurde, zu korrigieren.
  • Nachteilig an diesen bekannten Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle ist, dass eine vergleichsweise aufwändige Signalverarbeitung vonnöten ist, die mit Verarbeitungsungenauigkeiten verbunden ist, so dass die Abstellposition nicht ausreichend genau bestimmt werden kann.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Drehrichtungsumkehr der Welle beim Abstellen zuverlässig erkannt und die Abstellposition genau bestimmt werden kann.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass an Verbrennungsmotoren zunehmend elektrische Maschinen, insbesondere Startergeneratoren, verbaut sind, die drehfest mit einer Welle, insbesondere der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine verbunden sind. Derartige, an sich bekannte Startergeneratoren sind in der Regel zwischen Motor und Getriebe in Form einer auf der Kurbelwelle sitzenden elektrischen Maschine mit Starter- und Generatorfunktion vorgesehen, die gemeinhin als Kurbelwellen-Startergenerator (KSG) bezeichnet wird, wegen der direkten Anbindung ihres Rotors mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Bei herkömmlichen Startergeneratoren ist eine exakt arbeitende Pollageerfassung notwendig, da die Ströme in der Statorwicklung synchron oder asynchron mit der momentanen Magnetposition des Rotors gesteuert werden müssen. Bekannte Startergeneratoren verfügen daher über eine Lageerfassungseinrichtung zur Drehzahlregelung der elektrischen Maschine, die eingerichtet ist, eine absolute Rotorlage innerhalb einer Polteilung hochaufgelöst zu bestimmen. Die Lageerfassungseinrichtung kann als Resolver ausgeführt sein. Es sind aber auch Lageerfassungseinrichtungen bekannt, die resolverlos arbeiten (vgl. DE 10 2013 203 937 A1 ). Ist an der Brennkraftmaschine ein derartiger Startergenerator mit einer Lageerfassungseinrichtung verbaut, kann dieser erfindungsgemäß dazu genutzt werden, eine Drehrichtungsumkehr der Welle beim Abstellen zuverlässig zu erkennen und eine mittels der Lageerfassungseinrichtung erfasste Rotorendlage in der Abstellposition zur Korrektur der mittels des Geberrads bestimmten Abstellposition der Brennkraftmaschine zu verwenden. Auf zusätzliche Bauteile zur Drehrichtungsumkehrerfassung und/oder aufwändige und fehleranfällige Auswerteverfahren, wie beispielsweise zur Bestimmung der Veränderung der Segmentzeiten des Geberrads beim Auslaufen, kann dann verzichtet werden.
  • Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Die Welle ist vorzugsweise eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Die Welle umfasst in an sich bekannter Weise ein Geberrad, das eine Umfangsstruktur aufweist, die bei Vorbeibewegen an einem Sensor Signale auslöst. Gemäß dem Verfahren ist ferner eine elektrische Maschine, insbesondere ein Startergenerator, vorgesehen, deren Rotor drehfest mit der Welle verbunden ist und die eine Lageerfassungseinrichtung umfasst, die eingerichtet ist, eine absolute Rotorlage innerhalb einer Polteilung zu erfassen. Gemäß dem Verfahren wird eine Drehrichtungsumkehr der Welle beim Abstellen der Brennkraftmaschine mittels der Lageerfassungseinrichtung erfasst. Falls eine solche Drehrichtungsumkehr erfasst wird, wird eine erfasste absolute Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung zur Korrektur einer mittels des Geberrads bestimmten Abstellposition der Welle verwendet.
  • Die absolute Rotorlage innerhalb einer Polteilung gibt eine auf die Polteilung bezogene absolute Rotorlage der elektrischen Maschine an und ist somit abhängig von der Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine. In Abhängigkeit von der Anzahl der Polpaare wird eine volle Umdrehung des Rotors in einzelne Segmente (Polteilungen) unterteilt. Die mittels der Lageerfassungseinrichtung erfasste Rotorlage gibt somit die Winkellage eindeutig innerhalb einer Polteilung an, ist aber mehrdeutig betreffend die Winkelposition in Bezug auf die volle Umdrehung bzw. in welchem der Segmente gemessen wird. Die Lageerfassungseinrichtung erzeugt somit innerhalb einer Polteilung ein absolutes Winkelsignal, an dessen Verlauf eine Drehrichtungsumkehr unmittelbar ablesbar ist. Die Lageerfassungseinrichtung ist eingerichtet, die Drehrichtungsumkehr beispielsweise anhand einer Hin- und Herbewegung bzw. einem Ansteigen und nachfolgenden Absinken der erfassten absoluten Rotorlage innerhalb einer Polteilung bei einem Auslaufen des Rotors, d. h. innerhalb eines zweckmäßig vorbestimmten Zeitintervalls vor der Abstellposition, zu erkennen. Die erfasste absolute Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung gibt somit die Endlage des Rotors bei abgestelltem Motor an, aus der die Abstellposition der Welle ableitbar ist, da der Rotor drehfest mit der Welle verbunden ist.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erfasste absolute Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung einer Auswerteeinheit einer Steuervorrichtung (Steuergerät) zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine zugeführt. Dies bietet den Vorteil, dass die Auswerteeinheit bzw. die Steuereinheit mit dieser Information die mittels des Geberrads bestimmte Abstellposition gegebenenfalls korrigieren kann, z. B. innerhalb einer Stopp-Phase eines Stopp-Start-Betriebs, um beim nächsten Start den korrekten Einspritzzeitpunkt bestimmen zu können. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei Antriebsstrangkonfigurationen, bei denen für die Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine und für den Betrieb der elektrischen Maschine jeweils separate Steuergeräte vorgesehen sind, was in der Regel für die Echtzeitfähigkeit der Steuerung vonnöten ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lageerfassungseinrichtung ein Resolver der elektrischen Maschine, insbesondere ein Mehrfachpolpaar-Resolver. Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Lageerfassungseinrichtungen auch eine resolverlos arbeitende Lageerfassungseinrichtung sein kann.
  • Eine weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass bei einer erfassten Drehrichtungsumkehr die bestimmte Abstellposition der Welle anhand eines Werts der erfassten absoluten Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung festgelegt wird, wobei der Wert um einen vorbestimmten Phasenversatz zwischen Geberrad und Lageerfassungseinrichtung korrigiert wird und eine Uneindeutigkeit dieses Werts in Bezug auf die vorliegenden Polteilungen bzw. in Bezug auf die vorliegende Pollage anhand der vom Geberrad erfassten Abstellposition aufgelöst wird. Gemäß dieser Variante wird somit vorgeschlagen, im Falle einer erkannten Drehrichtungsumkehr die Abstellposition der Welle anhand der bestimmten Winkellage des Rotors in der Abstellposition festzulegen, wobei die erfasste Abstellposition des Geberrads lediglich dazu verwendet wird, die aktuelle Pollage bzw. das aktuelle Segment zu bestimmen, auf das sich die bestimmte Winkellage der Lageerfassungseinrichtung bezieht, um aus dem mehrdeutigen Signal der Lageerfassungseinrichtung eine eindeutige Winkellage zu berechnen.
  • Das Geberrad kann ein herkömmliches Geberrad sein, insbesondere ein 60-2-Geberrad.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuervorrichtung vorgeschlagen, die zur Durchführung eines Verfahrens wie hierin offenbart ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, aufweisend eine derartige Steuervorrichtung.
  • Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
    Figur 2
    Diagramme, die den beispielhaften zeitlichen Verlauf des Resolversignals, des Geberradsignals und des korrespondierenden Wellendrehwinkels illustrieren.
  • Figur 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Ablaufdiagramm beschreibt schematisch die Bestimmung der Abstellposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, nachfolgend auch als Verbrennungsmotor bezeichnet, wobei die Kurbelwelle ein Geberrad umfasst, das eine Umfangsstruktur aufweist, die bei Vorbeibewegen an einem Sensor (jeweils nicht dargestellt) Signale 5 auslöst.
  • Das Geberrad ist vorliegend ein 60-2-Geberrad, d. h., das Geberrad weist 60 gleichartige Winkelmarken auf, wovon zwei fehlen, die beispielsweise herausgefräst wurden, um anhand der Lücke ein Referenzsignal zur Positionsermittlung zu erzeugen. Der Begriff Umfangsstruktur des Geberrads ist breit auszulegen und kann z. B. in Form von Markierungen oder einer Zahnstruktur ausgeführt sein. Typischerweise ist die Umfangsstruktur aus steg- oder zahnförmig ausgebildeten radialen Vorsprüngen und dazwischen liegenden Nuten oder Zahnlücken ausgebildet. Das Geberrad ist Teil einer Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Drehzahl der Welle und umfasst ferner einen magnetisch oder optisch arbeitenden Sensor (Drehzahlsensor), der ortsfest zum Geberrad angeordnet ist, so dass die Umfangsstruktur an der Sensorvorrichtung vorbeibewegbar ist. Arbeitet der Sensor magnetisch, ist dieser mit einem Magnetfeldsensor (z. B. Hallsensor) ausgestattet. Hierbei wird von einem Magneten im Bereich der Hallsensoren ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich beim Passieren eines Zahns des Zahnrades verändert. Der Hallsensor erfasst hierbei zunächst einmal das sogenannte Grundfeld des Magneten. Zu dieser Feldstärke des Grundfelds wird noch eine aus der Masse des Geberrads herrührende Feldstärke hinzuaddiert. Wenn dann dem Sensor anstelle einer Zahnlücke ein Zahn zugeordnet ist, so führt dies für die Dauer der Zuordnung des Zahns zum Sensor zu einer nochmaligen Verstärkung des Magnetfelds. Wenn sich also das Zahnrad dreht, so erfolgt eine Schwankung der Feldstärke in Abhängigkeit vom Vorbeibewegen der Zähne und Zahnlücken am Sensor. Der Hallsensor erfasst somit diese Änderung des magnetischen Feldes und erzeugt ein elektrisches Signal, aus dem sich die Drehzahl oder ein Stellwinkel des Zahnrades ermitteln lässt. Jeder Zahn ergibt somit einen Impuls, und durch Zählen der Impulse kann man die Drehzahl ermitteln. Genauer gesagt erkennt der Drehzahlsensor nicht den Zahn als solchen, sondern jeweils den Übergang von Zahn zu Zahnlücke oder umgekehrt.
  • Der zeitliche Verlauf 5 eines solchen elektrischen Signals beim Abstellen des Verbrennungsmotors ist beispielhaft im mittleren Diagramm der Figur 2 gezeigt. Das aufeinanderfolgende Erkennen zweier Flanken entspricht einem Drehwinkel von 3°.
  • Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors wird das Geberradsignal in an sich bekannter Weise zur Drehzahl- und Positionserfassung der Kurbelwelle. Eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine steuert anhand der erfasste Drehzahl- und/oder Position die Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine.
  • Nach Abschaltung der Zündung verlangsamt sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle, bis diese in einer Abstellposition zum Stillstand kommt. Im mittleren Diagramm der Figur 2 ist dies an dem zunehmenden Abstand der Flanken des Rechtecksignals erkennbar. Zum Zeitpunkt T0-1 misst der Drehzahlsensor die vorletzte Flanke 6 und zum Zeitpunkt T0 die letzte Flanke 7 des Geberrads vor dem Stillstand.
  • Einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine, der das Signal 5 zugeführt wird, interpretiert die letzte Flanke zum Zeitpunkt T0 zunächst als die 66°-Flanke und ermittelt die Abstellposition als die 66°-Stellung (Schritt G2).
  • Im vorliegenden Beispiel fand jedoch ein Rückpendeln der Brennkraftmaschine und damit eine Drehrichtungsumkehr beim Auslaufen der Kurbelwelle statt. Tatsächlich hat der Sensor somit die 63°-Flanke des Geberrads doppelt erfasst, einmal bei der Hinbewegung und dann wieder bei der Rückbewegung nach der Drehrichtungsumkehr, was jedoch anhand des Flankensignals 7 nicht erkennbar ist.
  • Auf der Kurbelwelle ist ferner ein Startergenerator angeordnet, dessen Rotor drehfest mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Der Startergenerator ist vorliegend beispielhaft als eine achtpolige Synchronmaschine ausgeführt, so dass sich für die Synchronmaschine acht Segmente (Pollagen), die jeweils 45° des gesamten Umfangs der Maschine abdecken, ergeben.
  • Der Startergenerator umfasst als Lageerfassungseinrichtung zur Drehzahlregelung einen Resolver, der eingerichtet ist, eine absolute Rotorlage innerhalb einer Polteilung hochaufgelöst zu bestimmen. Innerhalb jedes Segments gibt der Resolver ein Ausgangssignal für den Drehwinkel des Rotors im Bereich von -180° bis +180° aus, was einem Gesamtdrehwinkel der Kurbelwelle von 360°/8 = 45° entspricht. Der Phasenversatz zwischen Resolver und Geberrad wurde als 0° angenommen.
  • Der korrespondierende zeitliche Verlauf 1 des Resolversignals beim Abstellvorgang der Brennkraftmaschine ist im oberen Diagramm der Figur 2 dargestellt. Der korrespondierende zeitliche Verlauf 8 des Drehwinkels der Kurbelwelle beim Abstellvorgang der Brennkraftmaschine ist im unteren Diagramm der Figur 2 dargestellt.
  • Es ist erkennbar, dass ein Durchlaufen eines Winkelbereichs von -180° bis +180° des Resolvers (erstes Segment im oberen Diagramm der Figur 2) einem Drehwinkel von 45° der Kurbelwelle entspricht.
  • Der Resolver bestimmt im Normalbetrieb der elektrischen Maschine fortlaufend die Rotorlage zur Drehzahlregelung der Maschine (Schritt R1). Die Schritte G1 und R1 werden im Normalbetrieb parallel und unabhängig voneinander ausgeführt.
  • Da der Resolver eine absolute Rotorlage innerhalb einer Polteilung angibt, kann an dem zeitlichen Verlauf direkt eine Drehrichtungsumkehr erkannt werden. Vorliegend erfasst der Resolver in Schritt R2, dass bei einer Rotorlage 2 von -30° und zum Zeitpunkt T1 eine Drehrichtungsumkehr erfolgt ist, da der zeitliche Verlauf der Rotorlage nach T1 wieder absinkt bis auf einen Wert der Rotorendlage 3 von -42° zum Zeitpunkt T2, an dem der Rotor und damit auch die Kurbelwelle zum Stillstand gekommen ist.
  • Die korrespondierende Umkehrposition und Abstellposition der Kurbelwelle sind im unteren Diagramm durch die Bezugszeichen 9 und 10 gekennzeichnet.
  • Die in Schritt R2 bestimmte Rotorabstellage von -42° und der Zeitpunkt T1 und optional der Zeitpunkt T2 werden in Schritt R3 über den CAN-Datenbus des Fahrzeugs an die Steuervorrichtung zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine übermittelt. Dadurch erhält die Steuervorrichtung die Information, dass es bei -30° der Rotorlage und zum Zeitpunkt T1 zu einer Drehrichtungsumkehr gekommen ist und dass der Rotor des Startergenerators bei einer Winkelposition von -42° zum Zeitpunkt T2 zum Stilstand gekommen ist.
  • Mit dieser Information kann die Steuervorrichtung zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine in Schritt G3 eine Korrektur der ermittelten Abstellposition durchführen.
  • Die Steuervorrichtung erkennt durch den Abgleich der Zeitpunkts T0 (Zeitpunkt der letzten Flankenmessung) mit den Zeiten T1 und T2, dass die letzte Flanke nach dem Zeitpunkt T1 und damit nach der Drehrichtungsumkehr gemessen wurde, so dass die in Schritt G2 ermittelte Abstellposition von 66° nicht richtig ist, da statt der 66°-Flanke zweimal die 63°-Flanke gemessen wurde.
  • Die Steuervorrichtung kann dann anhand des Werts von -42° der erfassten absoluten Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung die tatsächliche Abstellposition bestimmen. Aus der mittels des Geberrads in Schritt G2 bestimmten letzten Flanke 7 von 66° kann die Steuervorrichtung bestimmen, dass der Wert von -42° die absolute Rotorlage in demjenigen Segment angibt, das zwischen 45° und 90° liegt. Da der Phasenversatz zwischen Geberrad und Resolver vorliegend 0° ist, ergibt sich die Abstellposition der Kurbelwelle, d. h. die Winkellage der Kurbelwelle, an der der Verbrennungsmotor zum Stillstand gekommen ist als 62,2 ° gemäß der Berechungsvorschrift (360°+ (180° + α))/n = 62,2 °, für α = -42° und n = 8 (Anzahl der Segmente bzw. Poolpaare). Die vorstehende Berechnungsvorschrift gilt nur für das Segment, das zwischen 45° und 90° liegt.
  • Der Wert von 62,2° kann vorliegend somit als korrigierte Abstellposition festgelegt werden.
  • Wird anhand der mittels des Geberrads in Schritt G2 bestimmten letzten Flanke 7 festgestellt, dass der Wert 3 der Rotorendlage in einem anderen Segment liegt, muss entsprechend eine einem anderen Segment zugeordnete Berechnungsvorschrift verwendet werden. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche zusammen mit den in Bezug genommenen Ansprüchen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zeitlicher Verlauf des Resolversignals
    2
    Rotorlage zum Umkehrzeitpunkt
    3
    Rotorlage in der Abstellposition
    5
    Zeitlicher Verlauf des Geberraddrehzahlsensors
    6
    Vorletzte Flanke
    7
    Letzte Flanke
    8
    Zeitlicher Verlauf der Drehposition der Kurbelwelle
    9
    Umkehrlage der Kurbelwelle
    10
    Abstellposition der Kurbelwelle

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Abstellposition einer Welle einer Brennkraftmaschine, wobei die Welle ein Geberrad umfasst, das eine Umfangsstruktur aufweist, die bei Vorbeibewegen an einem Sensor Signale (5) auslöst,
    eine elektrische Maschine, deren Rotor drehfest mit der Welle verbunden ist und die eine Lageerfassungseinrichtung umfasst, die eingerichtet ist, eine absolute Rotorlage (1) innerhalb einer Polteilung zu erfassen (R1),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Drehrichtungsumkehr (9) der Welle mittels der Lageerfassungseinrichtung erfasst wird und bei einer erfassten Drehrichtungsumkehr eine erfasste absolute Rotorlage (3) in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung zur Korrektur einer mittels des Geberrads bestimmten Abstellposition der Welle verwendet wird (R2, G3) unddie Lageerfassungseinrichtung die Drehrichtungsumkehr anhand einer Hin- und Herbewegung der erfassten absoluten Rotorlage (1) innerhalb einer Polteilung bei einem Auslaufen des Rotors erkennt und
    dass bei einer erfassten Drehrichtungsumkehr die bestimmte Abstellposition der Welle anhand eines Werts (3) der erfassten absolute Rotorlage in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung festgelegt wird,
    wobei der Wert um einen vorbestimmten Phasenversatz zwischen Geberrad und Lageerfassungseinrichtung korrigiert wird und eine Uneindeutigkeit des Werts in Bezug auf die vorliegenden Polteilungen anhand der vom Geberrad erfassten Abstellposition aufgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste absolute Rotorlage (3) in der Abstellposition und innerhalb einer Polteilung einer Auswerteeinheit einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung der Brennkraftmaschine zugeführt wird (R3).
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageerfassungseinrichtung ein Resolver der elektrischen Maschine ist, insbesondere ein Mehrfachpolpaar-Resolver.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass die elektrische Maschine ein Startergenerator, insbesondere ein Kurbelwellenstartergenerator, ist; und/oder
    (b) dass die Welle eine Kurbelwelle ist; und/oder
    (c) dass das Geberrad ein 60-2-Geberrad ist.
  5. Steuervorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  6. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, aufweisend eine Steuervorrichtung nach Anspruch 5, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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