JP2005256842A - 内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】殊に内燃機関を停止させる際の内燃機関のクランクシャフトの角度位置を正確に決定する方法および装置を提供すること。
【解決手段】例えば内燃機関を停止する際に内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する方法であって、角度発生器により、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出し、信号の形態で上記内燃機関のエンジン制御装置に伝送する形式のクランクシャフトの角度位置を決定する方法において、信号の少なくとも１部は、クランクシャフトの回転方向についての情報を含んでおり、信号に含まれているこれらの回転方向情報をエンジン制御装置において評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１および請求項９の上位概念にそれぞれ記載された、殊に内燃機関を停止させる際の内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する方法および装置に関し、ここでは角度発生器により、クランクシャフトに相対回動不能（drehfest）に接続された発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出して信号の形態で上記内燃機関のエンジン制御装置に伝送する。

内燃機関のクランクシャフトの角度位置の決定は、殊に自動車においてエンジン制御に極めて重要である。それは、例えば燃料噴射の時点およびオットーエンジンでは各シリンダにおける燃料／空気混合器の点火時間をクランクシャフトの角度位置に依存して制御し、これにより、最適な効率が保証されるようにしているからである。クランクシャフトの角度位置を決定するため、通例、インクリメント式角度発生器が使用される。ここでこの角度発生器は、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出する角度センサを含む。この角度マークは、多くの場合、発生器プレートから半径方向に突き出た離散的な歯からなり、これらが通過すると、センサに電圧信号が誘導される。このようないわゆる歯信号（Zahnsignal）を内燃機関のエンジン制御装置に伝送し、そこで評価することにより、クランクシャフトの目下の角度位置を決定し、それに加えて信号周波数により、この内燃機関の目下の回転数を決定できるのである。

エンジン制御をさらに改善するために有利であると思われるのは、内燃機関を停止する際にもクランクシャフトの角度位置を正確に検出することである。この場合、クランクシャフトの角度位置が正確にわかれば、この内燃機関の後続のスタートを格段に速めることでき、快適さおよび排ガス放出の点から有利になると思われる。しかしながらエンジン制御装置は、現在の角度発生器によって伝送される歯信号により、この課題を満足させることはできない。それは、内燃機関を停止する際には、その最終的な停止状態の前に、揺動（Pendeln）すなわち１回または複数回、クランクシャフトの回転方向が逆転することがまれではないからであり、このことが歯信号からその角度位置を正確に求めることを妨げるのである。

本発明の課題は、殊に内燃機関を停止させる際の内燃機関のクランクシャフトの角度位置を正確に決定する方法および装置を提供することである。

上記の方法についての課題は、本発明の請求項１により、例えば内燃機関を停止する際に内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する方法であって、角度発生器により、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出し、信号の形態で上記内燃機関のエンジン制御装置に伝送する形式のクランクシャフトの角度位置を決定する方法において、信号の少なくとも１部は、クランクシャフトの回転方向についての情報を含んでおり、信号に含まれているこれら回転方向情報をエンジン制御装置において評価することを特徴とする、クランクシャフトの角度位置を決定する方法によって解決される。

また上記の装置についての課題は、本発明の請求項９により、例えば内燃機関を停止する際に内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する装置であって、この装置は、この内燃機関のエンジン制御装置と、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールの近くの角度発生器とを含んでおり、この角度発生器により、発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出し、信号の形態でエンジン制御装置に伝送する形式のクランクシャフトの角度位置を決定する装置において、上記信号はクランクシャフトの回転方向についての情報を含んでおり、上記エンジン制御装置は、上記信号に含まれる回転方向情報を評価する装置を含んでいることを特徴とする、クランクシャフトの角度位置を決定する装置を構成することによって解決される。

本発明の請求項１および請求項９の特徴部分に記載された特徴的構成を有する本発明の方法および装置により、信号に含まれる回転方向情報を評価することよって、クランクシャフトの揺動運動中にも、各時点にクランクシャフトの角度位置を確実に導き出すことでき、これにより、停止状態におけるその角度位置について正確な情報を得ることできる。

回転方向情報を得るために上記の角度発生器は、有利には発生器ホイールに関してずらされかつ互いに接近して隣り合って配置されたセンサを有し、ここでこれらのセンサは、順次に発生器ホイールの角度マークないしは歯の通過を検出し、この際にこれらのセンサによって形成される信号の時間的な関係によって、角度発生器に組み込まれた信号処理装置によってクランクシャフトの回転方向を決定することできる。これらの２つのセンサは、有利には能動的なセンサとして構成されており、それらの動作方式は、ホール効果または磁気抵抗効果に基づく。

角度発生器のセンサによって得た回転方向情報を、歯信号とは別に別個の信号線路を介してエンジン制御装置に伝送することは基本的には可能であるが、この解決手段は有利ではない。それはこの解決手段により、エンジン制御装置と角度発生器との間の付加的な線路の他にこれらに付加的に入力ないしは出力側が必要になるからであり、このことは変更の結果として発生器を作製する際に比較的高いコストに結び付き得る。

このような理由から本発明の有利な実施形態によって提案されるのは、変更した歯信号の形態で回転方向情報をエンジン制御装置に伝送することであり、ここでこの歯信号はクランクシャフトの回転方向に依存して異なるパルス幅を有する。言い換えると、上記信号の所定の第１パルス長はクランクシャフトの右回転を表し、これに対してクランクシャフトの左回転は、上記信号の所定の第２のパルス長によって符号化されるのである。伝送される信号は、有利には方形波信号であり、これらは角度発生器の信号処理装置によって２つのセンサの信号から導き出される。ここで信号のパルス幅とは、信号がハイレベル状態にある持続時間、または選択的にはローレベル状態にある持続時間のことであると理解されたい。

この解決手段では、角度発生器とエンジン制御装置との間の付加的な線路も、これらに付加的な入力ないしは出力側も共に必要でないため、角度発生器とエンジン制御装置との間にすでに存在する信号伝送のための電気的接続線路で十分であり、また角度発生器の既存のケーシングも変更なしに使用することができる。信号のはじまりと、通例、エンジン制御装置において評価される各歯信号のエッジとが一致する場合、相応のことがエンジン制御装置の信号処理部に対しても当てはまる。これは通例、比較的精度が高いことに起因していわゆる歯割り込み（Zahn-Interrupt）をトリガするためにふつう使用される立ち下がりエッジである。ここでこの歯割り込みは、別の信号処理を制御するものである。１つおきの歯エッジは抑圧されて信号レベルの変化を発生させない。信号レベルの変化は、各パルス長が終了した後、はじめて信号処理装置によってトリガされる。

本発明の別の有利な実施形態では、上記の信号は、第１および第２の所定のパルス長とは異なる第３の所定のパルス長を有することができる。この第３のパルス長が出力されるのは、角度発生器の信号処理装置が２つのセンサから信憑性のない信号を受信し、これらの信号から一義的な回転方向を導き出せない場合である。これは例えば、２つのセンサのうちの１つのセンサだけにおいてエッジの切り換えが発生する場合である。

エンジン制御装置に伝送される信号の所定のパルス長は、角度発生器の信号処理装置においてこれらの信号に付与される。この信号処理装置はこのためにパルス長毎に少なくとも１つのタイマを含む。これは例えばワンショットマルチバイブレータ回路またはクロック発生器の形態のタイマであり、これは、有利には集積回路として構成される、角度発生器の信号処理装置の一部を構成する。

有利には上記の相異なるパルス長はつぎのように決定される。すなわちエンジン制御部においてこれらのパルス長間で確実な区別が可能になるように決定されるのである。さらに、すべてのパルス長は、予想されるクランクシャフトの最も高い回転数において角度発生器に誘導される歯信号のパルス長よりも短く、これによって信号周波数が高い際にも回転方向情報の一義的な評価が可能になるか、ないしは連続する信号の重なり合いが回避されるようにすると有利である。しかしながらこれとは択一的に、予想されるクランクシャフトの最も高い回転数において角度発生器に誘導される歯信号のパルス長よりもパルス長の長い信号を出力することも可能である。しかしながらこれらの信号は、エンジンの逆の回転方向を確実に決定できるあらかじめ定めた回転数までしか出力しない。この場合、この回転数を上回ると、センサのうちの１つによって形成される歯信号は、有利には、そのパルス長を前述のように変更することなしに信号処理装置によって伝送される。

すでに述べたようにエンジン制御装置に伝送される信号は、ハイレベル信号状態とローレベル信号状態とが交替する列からなり、これらの信号持続時間はエンジン制御装置によって検出されて評価され、クランクシャフトの目下の回転方向が決定される。この回転方向それ自体は、エンジン制御部の有利なカウンタにおいて利用されて正確なクランクシャフト位置が決定される。ここでこれはこのカウンタが、クランクシャフトが右回転中にはカウント状態を発生器ホイールの角度マークないしは歯の角度間隔分増大させ、またクランクシャフトが左回転中にはカウント状態を同じ角度間隔分減少させることによって行われる。回転方向逆転の場合、発生器ホイールにおける角度マークの角度間隔の半分を一旦加算ないしは減算して、立ち下がりエッジのずれを考慮する。有利には内燃機関の各始動の後、エンジン制御装置のカウンタと、クランクシャフトの角度位置とを同期化する。このためにすでに設けられている発生器ホイールの歯の欠落部を使用することができる。

本発明を以下、添付の図面に基づき、実施例において詳しく説明する。

図１〜３に示した装置２は、例えば、内燃機関６のクランクシャフト４の目下の角度位置を正確に求めるため、ならびにエンジン回転数を求めるために使用される。装置２は実質的に内燃機関６のエンジン制御装置８と、内燃機関６のカムシャフト１２における位相発生器（Phasengeber）１０と、ただ１つの信号伝送線路１４を介してエンジン制御装置８に接続されている角度発生器１６とから構成されており、ここでこの角度発生器は、相対回動不能にクランクシャフト４に取り付けられた発生器ホイール１８の近くに配置されている。発生器ホイール１８にはその外周に５８個の歯２０の形態の角度マークの列が設けられている。ここでこれらは同じ角度間隔で配置されており、一箇所に欠落部Ｌを有する。ここでは２つの歯２０が欠落している（図２）。

図２および３に最もよく示されているように角度発生器１６は、閉じられたケーシング２２を有しており、これは内部に集積回路２４を収容している。この集積回路２４は、互いにずらされたホール素子の形態の２つの角度センサ２６，２８を含んでおり、エンジン６が動作する場合、角度発生器ホイール１８の歯２０は短い間隔でこれらの角度センサの脇を通過する。歯２０の歯エッジが通過する際に各ホール素子２６，２８に誘導される電圧が変化して、各ホール素子２６，２８により、アナログの信号の列が形成される。これらの信号はそれぞれ、後置接続された集積回路２４の増幅器３０，３２において増幅され、その後、集積回路２４の信号処理ユニット３４に供給される。

信号処理ユニット３４は、２つのシュミットトリガ３６，３８を含んでおり、これらのシュミットトリガではホール素子２６，２８のアナログ信号が方形パルスの形態の歯信号Ｚに変換される。これは図４ａに示されている通りである。さらに信号処理ユニット３４は、この歯信号Ｚからクランクシャフト４の目下の回転方向を決定するためのロジック回路４０と、３つのタイマ４２，４４，４６とを含んでいる。これらのタイマによって、歯信号Ｚのパルス長ＰＺが変更され、クランクシャフト４の回転方向に依存して、あらかじめ定めた長さＰＬ１，ＰＬ２またはＰＬ３に調整される。これは図４ｂ，４ｃおよび４ｄに示した通りである。

ロジック回路４０において決定されるのは、２つのホール素子２６，２８のいずれにおいて、発生器ホイール１８の各歯２０の後ろのエッジが最初に通過したかであり、ここでこれは２つのホールセンサ２６，２８の歯信号Ｚの歯エッジの相対関係を評価することによって行われる。ここでチェックされるのは、歯２０の後ろの歯エッジがホール素子２６の脇を通過する際に、別のホール素子２８の歯信号がまだローレベル状態にあるか、またはすでにハイレベル状態にあるかである。基本的には歯２０の前のエッジも、後ろのエッジも共に、歯信号Ｚの立ち上がりエッジないしは立ち下がりエッジに応じて、評価の基礎にすることができるが、一般的には精度をより高めるために後者が有利である。

２つのホール素子２６，２８によって歯信号Ｚの歯エッジの相対関係を評価した後、信号処理ユニット３４により、信号Ｓ１，Ｓ２またはＳ３のうちのただ１つの列が形成され、その立ち上がりエッジは、信号伝搬時間を考慮すると、評価に使用される歯信号Ｚの列（図４ａ）の立ち下がりエッジとそれぞれ正確に一致し、そのパルス長ＰＬ１，ＰＬ２またはＰＬ３は、図４ａの歯信号列の立ち上がりエッジを抑圧することにより、求めたクランクシャフト４の目下の回転方向に依存する。例えば、信号列の信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、クランクシャフト４が通常に右回転する際には図４ｂに示したパルス長ＰＬ１を有し、左回転時には図４ｃに示したパルス長ＰＬ２を有し、また信憑性がない場合には図４ｄに示したパルス幅ＰＬ３を有する。図示の実施例では信号Ｓ２のパルス長ＰＬ２は、信号Ｓ１のパルス長ＰＬ１の２倍であり、信号Ｓ３のパルス長ＰＬ３は信号Ｓ１のパルス長ＰＬ１の３倍であり、これによってエンジン制御装置８が信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を確実に区別できるようにしている。しかしながら信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、これらのパルス長ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３に限定されない。さらに、予想されるクランクシャフト４の最大の回転数の場合の最大のパルス長ＰＬ３は、図４ａに示した歯信号Ｚのパルス長ＰＺよりも短く、これによってパルスの重なり合いをつねに回避する。

しかしながらこれは必ずしもそのようにする必要はない。それは信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、重なり合いの危険性なしに比較的大きなパルス長ＰＬ１，ＰＬ２ないしはＰＬ３を有することができる。これは、符号化された回転方向情報を有する信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が、あらかじめ定めたパルス周波数ないしはクランクシャフト回転数、例えば１０００回転／分に達するまでしか伝送されない場合である。比較的長いこのパルス長の利点は、障害に対する安全性が高いことである。それは、この長いパルス長は、極めて短いパルスと異なり、電界および隣接する電気線路からの妨害信号の入力結合を区別できるからである。クランクシャフトは、あらかじめ定めたパルス周波数または回転数以上では、つねに右回転であり、そこでは回転方向情報の伝達を完全に省略し、信号Ｓ１，Ｓ２ないしはＳ３の代わりに慣用の角度発生器と同じように形成した歯信号Ｚを伝送することができる。

形成した信号列は、角度発生器１６のただ１つの信号出力側４８および信号伝送線路１４を介してエンジン制御装置８に伝送され、ここでは慣用のエンジン制御装置においてすでに評価されている信号列の信号周波数に加えてさらに信号Ｓ１，Ｓ２ないしはＳ３の各パルス幅ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３が求められる。これにより、そこに含まれている回転方向情報を評価することによって、クランクシャフト４の正確な角度位置をリアルタイムに決定することができる。

このためにエンジン制御装置８はカウンタ５０を含んでおり、これはパルス幅ＰＬ１からクランクシャフト４が右回転していることを推定し、カウント状態を信号Ｓ１毎に６度増大させる。これに対してカウンタはパルス幅ＰＬ２からクランクシャフト４が左回転していることを推定し、カウント状態を信号Ｓ２毎に６度減少させる。回転方向逆転毎に３度のインクリメントが加算ないしは減算されて、信号の立ち下がりエッジのずれを考慮する。これによって内燃機関６を停止する際に停止状態におけるクランクシャフト４の角度位置を正確に決定することができ、これにより、快適さおよび排ガス放出へのプラスの影響を伴ってエンジン６の新たなスタートを速めることができる。パルス幅ＰＬ３を有する信号の場合はカウンタ５０をゼロにリセットし、エンジン６の各スタート時と同様に歯の欠落部Ｌによってクランクシャフト４と再度同期化する。

角度発生器およびエンジン制御装置を有する本発明の装置の概略図である。 図１の部分拡大詳細図である。 角度発生器のコンポーネントを示す簡略化された概略ブロック図である。 角度発生器において形成される歯信号の列を示す線図である。 内燃機関の回転方向が通常の場合に角度発生器からエンジン制御装置に伝送される信号の列を示す線図である。 内燃機関の回転方向が逆の場合に角度発生器からエンジン制御装置に伝送される信号の列を示す線図である。 内燃機関の回転方向が不定の場合に角度発生器からエンジン制御装置に伝送される信号の列を示す線図である。

符号の説明

２ 装置、 ４ クランクシャフト、 ６ 内燃機関、 ８ エンジン制御装置、 １０ 位相発生器、 １２ カムシャフト、 １４ 信号伝送線路、 １６ 角度発生器、 １８ 発生器ホイール、 ２０ 歯、 ２２ ケーシング、 ２４ 集積回路、 ２６，２８ 角度センサ、 ３０，３２ 増幅器、 ３４ 信号処理ユニット、 ３６，３８ シュミットトリガ、 ４０ ロジック回路、 ４２，４４，４６ タイマ、 ４８ 信号出力側、 ５０ カウンタ、 Ｚ 歯信号

Claims (12)

1. 例えば内燃機関を停止する際に内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する方法であって、
   角度発生器により、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出し、信号の形態で前記内燃機関のエンジン制御装置に伝送する形式のクランクシャフトの角度位置を決定する方法において、
   前記信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の少なくとも１部は、クランクシャフト（４）の回転方向についての情報（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）を含んでおり、
   当該の信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に含まれている回転方向情報（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）をエンジン制御装置（８）にて評価することを特徴とする、
   クランクシャフトの角度位置を決定する方法。
2. 前記のクランクシャフト（４）の回転方向に依存して、信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の相異なるパルス長（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）により、前記回転方向情報を符号化する、
   請求項１に記載の方法。
3. ただ１つの線路（１４）を介して前記の信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）をエンジン制御装置（８）に伝送する、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記信号（Ｓ１，Ｓ２）は相異なる少なくとも２つのパルス長（ＰＬ１，ＰＬ２）を有しており、
   クランクシャフト（４）の通常の回転方向時には第１パルス長（ＰＬ１）を、またクランクシャフト（４）の逆回転方向時には第１パルス幅（ＰＬ１）とは異なる第２パルス幅（ＰＬ２）を有する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記角度発生器（１６）により、一義的な回転方向が識別されない場合、前記信号（Ｓ３）は、前記の第１パルス幅（ＰＬ１）および第２パルス幅（ＰＬ２）とは異なる第３パルス幅（ＰＬ３）を有する、
   請求項４に記載の方法。
6. すべてのパルス幅（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）は、角度マーク信号（Ｚ）のパルス幅（ＰＺ）よりも短く、
   ここで角度マーク信号は、予想されるクランクシャフト（４）の最も高い回転数の場合に、角度マーク（２０）が通過した際に角度発生器（１６）にて形成される、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記回転方向情報を含む信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を、あらかじめ定めたクランクシャフト（４）の最大回転数以下の場合だけ伝送する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は交替するハイレベル信号状態とローレベル信号状態とからなり、
   前記エンジン制御装置（８）にてハイレベル信号状態またはローレベル信号状態の持続時間を評価してクランクシャフト（４）の回転方向を決定する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 例えば内燃機関を停止する際に内燃機関のクランクシャフトの角度位置を決定する装置であって、
   該装置は、前記内燃機関のエンジン制御装置と、クランクシャフトに相対回動不能に接続された発生器ホイールの近くの角度発生器とを含んでおり、
   該角度発生器により、発生器ホイールに設けられたインクリメント式角度マークの通過を検出し、信号の形態でエンジン制御装置に伝送する形式のクランクシャフトの角度位置を決定する装置において、
   前記信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）はクランクシャフト（４）の回転方向についての情報を含んでおり、
   前記エンジン制御装置（８）は、前記信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に含まれる回転方向情報（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）を評価する装置（５０）を含んでいることを特徴とする、
   クランクシャフトの角度位置を決定する装置。
10. 前記のクランクシャフト（４）の回転方向に依存して、信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の相異なるパルス長（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）により、前記回転方向情報が符号化される、
    請求項９に記載の装置。
11. 前記角度発生器（１６）は、発生器ホイール（１８）に関してずらされて配置された２つのセンサ（２６，２８）と、信号処理装置（３４）とを含んでおり、
    該信号処理装置により、２つのセンサ（２６，２８）の信号からクランクシャフトの回転方向が導き出され、また信号（Ｓ１，Ｓ２）のパルス長（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）が当該の導き出した回転方向に相応する値に調整される、
    請求項９または１０に記載の装置。
12. 前記信号処理装置（３４）は、少なくとも１つのタイマ（４２，４４，４６）を含んでおり、
    該タイマにより、クランクシャフト（４）の回転方向に依存するパルス長（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３）が信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に付与される、
    請求項１１に記載の装置。

Images