JP2004308652A - クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジンであって、カムシャフトと作用結合している構成部材に、多数のマーキングが取り付けられている形式のものにおいて、従来技術の欠点を克服する。
【解決手段】前記構成部材に、カムシャフトの回転方向を決定することのできる少なくとも１つのセンサが配置されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジンであって、カムシャフトと作用結合している構成部材に、多数のマーキングが取り付けられている形式のものに関する。

内燃機関の制御のためには、カムシャフト位置の決定が中心的な課題の１つである。クランクシャフト角度に関連して、燃料の噴射、流入及び流出弁の開閉、及び火花点火機関では個々のシリンダのための点火が制御され、これにより、これらの個々の作業サイクルは最適に進行する。

現在の解決はクランクシャフト及びカムシャフトで増分発信器を使用する。増分マークを備えた発信器円板が一般的であり、この発信器円板は、信号と協働してエンジン位置の決定を可能にする。ドイツ連邦共和国特許公開第１００２０１６５号明細書につき、内燃機関の回転数を検出する方法が公知であり、この内燃機関では、発信器ホイールが回転する構成部材に収容されている。この発信器ホイールは多数の歯を有しており、これらの歯は、発信器ホイールの周囲に対応配置された回転数発信器によって走査される。発信器ホイールには、２つの回転数発信器が対応配置されており、これらの回転数発信器は互いに所定の角度比率で、抑制された妨害信号に関連して方向づけられており、この妨害信号によりオーバラップされた物理的な信号を読み取る。

エンジン制御のさらなる改良のためには、エンジンの停止時にクランクシャフト位置が正確に検出されるべきである。これにより、エンジンの再始動を、快適さ及び排ガス排出へのポジティブな作用により著しく加速ことが可能となる。

カムシャフト位置の認識は、直接噴射式火花点火機関の場合に直接始動の使用下に行われるいわゆる「スタート−ストップ−運転」のために特別な意味を有する。直接始動とは、流入及び流出弁が閉鎖されたシリンダ内への噴射と、点火火花による引き続く着火とによる、補助駆動装置の使用なしに行われる始動である。形成されたモーメントはクランクシャフトの運動を引き起こし、このクランクシャフトの運動は、別のシリンダ内の燃焼、ひいてはエンジンの始動若しくはパワーアップを可能にする。まさにスタート−ストップ−運転のためには、すなわち、信号などにおけるエンジンの自動化された停止には、迅速かつ雑音の少ない始動が有利である。一般に、静止している自動車の検出は、別の条件が存在する場合、例えばクラッチ解除時、オートマチックトランスミッションがニュートラル位置にある場合などには、存在する制御装置によってエンジンを停止し、所定の運転手反応、例えばオートマチックトランスミッション時のクラッチ連結又は加速時には、エンジンを自動的に再始動するという論理に基づいている。この場合、制御が、エンジンの停止時に所定のクランクシャフト位置が得られるという形で行われることがこの方法において有意義な点である。所定の角度間隔からのみ、エンジンの効果的な直接始動が補助駆動装置なしに可能である。従来技術による前に述べた装置及び方法は、この課題を充たすことができない。エンジンの停止時には、クランクシャフトの揺動、すなわち、両方の回転方向への運動が発生する。それぞれ１つの発信器を備えた増分システムは、当然のことながら回転方向を検出することはできず、従って、絶対位置、すなわち、クランクシャフト若しくはカムシャフトの絶対回転角度を信頼性良く決定することができる状態にはない。停止後には、静止しているエンジンにおいて、絶対位置が、直接始動を可能にする許容角度間隔に位置しているかどうかが検査されなければならない。クランクシャフト若しくはカムシャフトが、直接始動のために必要な間隔に位置していない場合、例えば、エンジンの回転後に自動車の運動によって、始動は存在する補助駆動装置を介して行われる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９９００６４１号明細書につき、複数シリンダ式の内燃機関のカムシャフトの回転角度検出のための装置及び方法が公知である。カムシャフト角度を決定するために、この明細書ではカムシャフトに永久磁石が取り付けられており、この永久磁石の近傍には、磁界感応性の測定受信器が取り付けられており、この測定受信器の信号により、制御装置は、高分解能の恒常的な角度信号を獲得する。

従来技術による絶対角度センサの欠点は、従来技術による増分システムのための発信器に比べてより高いコストであり、さらに所定の構成要請は原理的に充たされ得ず、例えば、カムシャフト終端部へのアクセスは不可能である。同様に、センサにおける複雑な信号処理並びに制御装置における付加的な信号処理も不利である。
ドイツ連邦共和国特許公開第１００２０１６５号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第１９９００６４１号明細書

そこで本発明の課題は、従来技術の上に述べた欠点を克服することである。

従来技術の上に述べた欠点は、クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジンにより解決される。この場合、カムシャフトと作用結合している構成部材には、多数のマーキングが取り付けられており、この構成部材には、カムシャフトの回転方向を決定することのできる少なくとも１つのセンサが配置されている。

燃焼エンジンの１構成では、２つのセンサが次のように構成部材に配置されている、すなわち、２つのセンサは、クランクシャフトの回転時にマーキングにより呼び起こされる測定値の比較から、クランクシャフトの回転方向を推論することが可能となるように配置されている。カムシャフトの回転角度を測定する代わりに、この場合、クランクシャフトの回転角度を測定することもできる。この場合に、付加的な手段により、４サイクルエンジンの作業サイクル全体を成す０°から７２０°までの間のどの範囲に、クランクシャフトが目下位置しているのかを確認することができる。このことは、例えばセンサによって弁制御装置などに伝達され得る。カムシャフトと作用結合している構成部材は、通常は直接にカムシャフトに結合された発信器円板である。カムシャフトの駆動の形式に応じて、この場合、クランクシャフトとカムシャフトとの間に配置された駆動手段、例えば歯車、プーリなども考えられる。

マーキングは、構成部材にまずは任意に配置されていてよいが、しかしながら、これらのマーキングが前記構成部材にわたってほぼ一様に分配されており、これにより、クランクシャフトの回転方向が、２つのセンサの測定値の間の位相ずれから算出可能になっている場合、有利である。マーキングが一様に又は等間隔に分配されていない場合、回転方向は次のように検出される、すなわち、どのセンサにおいて識別可能な信号が発生するかを決定することによって検出される。この識別は、例えば信号長さ、信号高さなどの相関関係から得られるものである。等間隔の分配時には、信号は理想的には矩形状に形成されるが、実際には、側縁は理想的な傾斜にはならないので、矩形とは異なる信号が発生する。しかし、理想的ではない信号の場合にも、両方のセンサの間の時間ずれは周期的な信号に関連して算出され得る。両方の信号の間の時間ずれ若しくは位相ずれから、間接的にカムシャフト若しくはクランクシャフトの回転方向を検出することができる。

別の構成では、構成部材は、前記マーキングから区別可能なさらに別のマークを有しており、この場合、このマークには所定のクランクシャフト位置が対応配置されている。この別のマークは、例えば発信器円板の区分であり、この区分は、残りの区分よりも著しく大きい長さを備えていてよい。他のマーキングに対して強調されたこのマークは、構成部材の周にわたって一回しか現れず、それ故、このマークの絶対位置の逆推論が可能となる。

さらに別の構成では、２つのセンサは構成部材に次のように互いに相対的な角度で配置されている、すなわち、センサの信号の、カムシャフトの回転方向に関連した位相ずれが引き起こされるように、互いに相対的な角度で配置されている。

さらに別の構成では、センサは光学式、誘導式又は静電容量式に働く。有利には、誘導式又は静電容量式のセンサが使用される。さらに別の構成では、少なくとも１つのセンサが所定の手段を有しており、この手段は、カムシャフトの回転方向の決定を、センサの測定信号自体からのみ行うことを可能にする。このための典型的な実施例は、ケーシングに互いに隣接して配置された２つ又は３つの測定エレメントを備えた発信器である。前記測定エレメントは、信号交換の時間的な順序から回転方向を直接に決定し、この情報を角度速度に対して付加的に出力することができる。例えば、ＡＢＳシステムのためのホイール回転数センサにこのデザインを有するものがあり、所定のパルス幅に変調された信号には、回転方向情報がコード化されており、例えば左回りのためには短いパルスによって、右回りのためには長いパルスによってコード化されている。

上に述べた課題は、請求項のいずれか１項に記載の燃焼エンジンの使用下で、クランクシャフトの絶対回転角度を検出する方法によっても解決される。この場合、クランクシャフトの回転方向は、２つのセンサの測定値の間の位相ずれから算出可能である。

別の構成では、絶対的なクランクシャフト角度は、初期値から出発して印付けられた増分から決定される。この方法の別の構成では、印付けられた増分は、位相ずれ及び所定数のマーキングから決定される。この方法の別の構成では、初期値は別のマークから決定される。増分は、構成部材にわたって分配されているマーキングから算出される。増分の印は回転方向から算出される。初期値は別のマークから決定される。このためには、どのクランクシャフト位置に初期値が位置しているのかが明らかでなければならない。カムシャフト位置の検出は、有利にはスタート−ストップ−運転では停止された燃焼エンジンでも得られる。

図１は発信器円板１の概略図を示している。この発信器円板１は、例えばクランクシャフト又はカムシャフトに直接的に配置されいるか、又は間接的に伝動エレメントによって回転に関連して、カムシャフトに結合されている。発信器円板１は軸線２を中心として回転する。発信器円板１の外周には、マーキング３が配置されている。これらのマーキング３は、例えば複数の歯４から成っており、これらの歯４は、それぞれ発信器円板１の外周にわたって等間隔に配置されている。歯４の間には、それぞれ歯溝８が配置されている。別のマーク５が、例えば図示のように２倍の幅の歯４の形で、又は２つの歯４の間に設けられたより大きい歯間隔などの形で、カムシャフトの示したゼロ位置をマークする。発信器円板１の周囲には、第１のセンサ６並びに第２のセンサ７が配置されている。これらのセンサ６，７は、発信器円板１上の種々異なる角度範囲に分配されている。例えば、センサ６，７は角度αで、例えば図１に示したように約９０°で、互いに配置されいてよいが、任意に別の角度も考慮可能である。

カムシャフトひいては発信器円板１の回転時には、それぞれ歯４並びにマーキング５が、センサ６，７に沿って通過案内される。これにより、例えば電気的な信号がセンサ６，７に引き起こされる。これらのセンサ６，７は、誘導式又は静電容量式のセンサであってよい。択一的に、センサ６，７は光学的に働くものであってもよく、この場合、例えばセンサは、歯４若しくはマーキング５によってセンサに呼び起こされた光学的な変更を測定することができるようになっている。

図２は、時間ｔにわたるセンサ６，７の信号変化を示している。歯４と歯溝８との交互の通過案内が、センサ６の信号変化９の場合にも、センサ７の信号変化１０の場合にも、それぞれ矩形状の信号を形成する。これらの信号９，１０は、互いに対して位相ずれΔΦ分だけ互いにずらされている。位相ずれΔΦの大きさから、カムシャフトの回転方向が導き出され得る。この回転方向は、位相ずれΔΦ並びに発信器円板１の外周にわたって設けられたセンサ６，７の配置から求められる。

角度の通常の感度限界は６°であり、２つの角度ユニットの溝と共に、５８の歯対又は極対が発信器ホイールに設けられている。この場合、センサ６，７は次のように組み付けられている、すなわち、両センサ６，７の間の角度が、発信器ホイールに設けられた溝よりも大きくなるように組み付けられている。これにより、両センサのいずれか一方が常にクランクシャフトの運動を検出する。この場合、角度αは発信器円板１の分配間隔の直接の倍数とならないように選択すべきである。なぜならば、この場合、両センサ６，７の信号がそれぞれ位相ずれなしに等しい周期で形成されてしまうからである。

択一的に、発信器円板１の回転方向自体を検出することのできるセンサ６，７を使用することができる。このための典型的な実施例は、ケーシングに互いに隣接して配置された２つ又は３つの測定エレメントを備えた発信器であり、前記測定エレメントは、信号交替の時間的な順序から直接的に回転方向を決定し、この情報を角度速度に対して付加的に出力することができる。例えば、ＡＢＳシステムのためのホイール回転数センサにはこのデザインを有するものがあり、所定のパルス幅に変調された信号には回転方向情報がコード化されており、例えば、左回りのためには短いパルスによって、かつ右回りのためには長いパルスによってコード化されている。図３及び図４には、これらの場合が示されている。図３は、短いインパルスを示しており、従って、この短いインパルスは左回りを示唆しており、図４は、対応して長いインパルスを示しており、この長いインパルスは右回りを示唆している。

信号処理は、例えば次の形で行われる、すなわち、第１のセンサ６からの信号は、エンジン制御装置の一般的な機能のために従来通りに評価される形で行われる。付加的に、回転方向情報が、制御装置のプログラム内の計算機において角度増分を加算若しくは減算するために使用される。センサ６が発信器円板の溝の上に位置しており、信号を発信していない場合には、第２のセンサ７の信号が全く同じ形式で評価される。

択一的に、回転方向情報を発信しない第１のセンサ６を使用することができる。この場合、このセンサのためにはアクティブな測定原則に追従する変化形、例えばホールエレメントが設けられたセンサが有利である。この形の測定原理によって働くセンサは、クランクシャフトの極めてわずかな回転速度時にも有効信号を形成することができる。

第２のセンサ７のためには、回転方向を、発信器円板の前記説明に対応した形で検出することのできるセンサが使用される。この場合、このセンサ７の角度位置は絶対角度決定のために有意義である。回転方向情報を備えたセンサ７の信号は、エンジン停止の間に方向反転が行われるクランクシャフト角度間隔において必要である。エンジンにおける調査と、個々のシリンダのモーメントに対する考慮とから、この範囲は決定され得る。別のセンサ７は次のように取り付けられている、すなわち、発信器円板１の溝が前記間隔において第２のセンサ７に向かい合わないように取り付けられている。

エンジン始動後に、センサ装置の、上に述べた両方の変化態様は、遅くとも半分のカムシャフト回転の後には絶対角度を正しく測定し、方向変更を正確に決定することができる状態にある。このような迅速な検出は、カムシャフト信号の非対称的な分配を利用している。従って、このシステムは、エンジンの停止時にエンジンの制止状態までに絶対位置を決定することができる状態にある。

スタート−ストップ−運転のために、絶対位置は再始動の瞬間に決定されなければならない。このことは、両方のカムシャフト発信器のさらなる評価によってエンジン静止状態の間に達成される、すなわち、エンジンの制御装置は前記理論によってエンジンが停止された場合に発信器信号を監視し、対応する角度増分を、最後に検出された角度に対して加算若しくは減算する。エンジンの、外部から加えられた全ての回転が検出されるので、それ故、再始動の瞬間には絶対角度は明らかになっている。

本明細書に示した方法のために不可欠な制御装置もセンサも、一般に燃焼エンジンの手による停止と始動との間には作動準備状態にはない。従って、エンジンが手により停止された場合には、システム全体はもはや作動準備状態にはない。しかし、システムは、エンジンのスタート−ストップ−運転時にエンジンの暫定的な停止のみが得られる場合には作動準備状態に保持される。

センサ及び発信器円板の概略的な配置を示す図である。

所定時間にわたるセンサの信号変化の概略図である。

パルスコード化の第１の実施例を示す図である。

パルスコード化の第２の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 発信器円板、 ２ 軸線、 ３ マーキング、 ４ 歯、 ５ マーク、 ６ センサ、 ７ センサ、 ８ 歯溝、 ９ 信号変化、 １０ 信号変化、ｔ 時間、 ΔΦ 位相ずれ、

Claims (10)

1. クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジンであって、カムシャフトと作用結合している構成部材に、多数のマーキングが取り付けられている形式のものにおいて、前記構成部材に、カムシャフトの回転方向を決定することのできる少なくとも１つのセンサが配置されていることを特徴とする、クランクシャフトの絶対回転角度を検出するための装置を備えた燃焼エンジン。
2. ２つのセンサが、構成部材に次のように配置されている、すなわち、クランクシャフトの回転時にマーキングによって呼び起こされる測定値の比較から、クランクシャフトの回転方向の逆推論が可能となる、請求項１記載の燃焼エンジン。
3. マーキングが、構成部材にわたってほぼ一様に分配されており、クランクシャフトの回転方向が、２つのセンサの測定値の間の位相ずれから算出可能になっている、請求項１又は２記載の燃焼エンジン。
4. 構成部材が、前記マーキングから区別可能な別のマークを有しており、該マークに、所定のクランクシャフト位置が対応配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼エンジン。
5. ２つのセンサが、構成部材に次のように互いに相対的な角度で配置されている、すなわち、センサの信号の、カムシャフトの回転方向に関連した位相ずれが引き起こされるように互いに相対的な角度で配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼エンジン。
6. 少なくとも１つのセンサが、カムシャフトの回転方向の決定を、専らセンサの測定信号自体からのみ行うことを可能にする手段を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃焼エンジン。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼エンジンの使用下にクランクシャフトの絶対回転角度を検出する方法において、クランクシャフトの回転方向を、２つのセンサの測定値の間の位相ずれから算出可能にする、クランクシャフトの絶対回転角度を検出する方法。
8. 絶対的なクランクシャフト角度を、初期値から出発して、印付けたられた増分から決定する、請求項７記載の方法。
9. 印付けられた増分を、位相ずれと所定数のマーキングとから決定する、請求項７又は８記載の燃焼エンジン。
10. 初期値を別のマークから決定する、請求項７から９までのいずれか１項記載の燃焼エンジン。

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