DE102008032026A1

DE102008032026A1 - Nockenwellensensoreinheit und Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors bei Motorstart

Info

Publication number: DE102008032026A1
Application number: DE102008032026A
Authority: DE
Inventors: Falko Arnold; Jonathan Heywood; Mike Kohrs; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellensensoreinheit (01) zur Bestimmung einer absoluten Position einer Nockenwelle (02) bei sehr niedrigen Drehzahlen bis zum Stillstand. Die Nockenwellensensoreinheit (01) umfasst ein an der Nockenwelle (02) befestigtes Geberrad (03, 25, 37), mindestens einen auf das Geberrad (03, 25, 37) gerichteten Sensor (04) und eine Auswerteeinheit. Das Geberrad (03, 25, 37) weist erfindungsgemäß auf seinem Umfang verteilt eine vergleichsweise große Anzahl von Triggern (06, 26, 38) und mindestens eine Marke (07) auf, wobei die Anzahl der Trigger (06, 26, 38) eine Winkelerkennungsgenauigkeit bestimmt, welche weniger als 20° NW (Nockenwelle) beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Nockenwellensensoreinheit zur Bestimmung einer absoluten Position einer Nockenwelle bei niedrigen Drehzahlen und ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors bei Motorstart.
Die Erfindung bezieht sich bevorzugt auf elektromechanische Nockenwellenversteller und nicht verriegelnde hydraulische Nockenwellenversteller, da die verriegelnden hydraulischen Nockenwellenversteller aufgrund des Öldruckmangels bei Motorstart verriegelt sind, d. h. diese während des Motorstarts nicht verstellen können.
Während des Anlassens des Verbrennungsmotors soll der elektromechanische Nockenwellenversteller den gewünschten Verstellwinkel so schnell wie möglich einstellen, wobei eine definierte Steuerung erst bei bekannter absoluter Position der Nockenwelle bei Motorstart bzw. bei bekanntem Verstellwinkel bei Motorstart möglich ist.
In WO 2005/012698 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen einer Nocken- und einer Kurbelwelle offenbart. Der Verdrehwinkel der Nockenwelle wird rechnerisch zählerbasiert oder zeitbasiert aus Signalen des Kurbelwellentriggerrades und den Kommutierungssignalen des Stellmotors errechnet. Es werden verschiedene Stopp-Strategien beschrieben. Als Gestaltungsvariante der Vorrichtung ist die Möglichkeit erwähnt, aktive Sensoren zusammen mit einem Speichermedium zur Bestimmung und Abspeicherung der absoluten Position der Nockenwelle zu verwenden, wobei ein aktiver Sensor im Allgemeinen über eine eigene Energieversorgung verfügt und ein dem Zustand der zu erfassenden Größe entsprechendes Signal unabhängig vom Zustand einer Umgebungsgröße, z. B. Bewegung eines Sensorzielrades, erzeugt.
US 7 243 627 B2 offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Verstellwinkels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers. Die Stellwelle des Nockenwellenverstellers ist mit einem Elektromotor verbunden, wobei die in einem Dreiwellengetriebe zum Einstellen des gewünschten Verstellwinkels zwischen Nocken- und Kurbelwelle angeordnet ist. Der Drehwinkel der Kurbelwelle wird anhand eines am Elektromotor angeordneten Sensors erfasst, wobei der Elektromotor bei niedrigen Drehzahlen nicht betrieben wird d. h. der Nockenwellenversteller nicht verstellt. Damit entspricht der Drehwinkel des Elektromotors dem Drehwinkel der Kurbelwelle. Der Sensor erfasst den Drehwinkel und die Drehrichtung der Kurbelwelle, wobei die absolute Position der Kurbelwelle beim Abschalten des Verbrennungsmotors bestimmt und für den Neustart abgespeichert wird. Die gespeicherte Kurbelwellenlage wird zur Steuerung der Zündung und der Kraftstoffeinspritzung verwendet, bis nach dem Neustart des Motors erstmals eine definierte Kurbelwellenlage erkannt wurde. Das Verfahren stellt eine Lösung zur Steuerung des Verstellwinkels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers beim laufenden Verbrennungsmotor dar. Eine Steuerung des Verstellwinkels beim Motorstart ist nicht möglich.
Aus der DE 10 2006 017 232 A1 ist eine Synchronisationsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, welche einen ersten aktiven Sensor und einen zweiten aktiven Sensor aufweist. Die aktiven Sensoren dienen der Erkennung der Winkellagen von Kurbelwelle und Nockenwelle und stellen der Steuereinrichtung Informationen über den Zustand der Winkellagen der Wellen oder die Phasenlage zwischen den Wellen während einer Motorstoppphase bereit. Das Ziel ist es, die gewünschte Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle auch während der Stoppphase und während des Stillstandes aufrechtzuerhalten, um eine kurze Startzeit für den nächsten Motorstart zu erreichen. Im normalen Betrieb eines Verbrennungsmotors erfolgt die Erkennung der Winkellage der Nocken- und Kurbelwelle bzw. den Verstellwinkel zwischen beiden mittels an der Nock- und Kurbelwelle fixierten Triggerrädern, wobei die Winkellage anhand einer Marke am Triggerrad errechnet wird. Dafür erzeugt ein Nockenwellensensor Triggerradsignale, welche in Kombination mit ähnlichen Signalen von der Kurbellwelle im Steuergerät bearbeitet werden, um die absolute Position der Nockenwelle zu bestimmen. Der Nachteil des Verfahrens zur Synchronisierung zweier Wellen aus der genannten Patentschrift besteht darin, dass bei Motorstart die Marke am Triggerrad erst durch die Steuergerät-Software erkannt werden soll, um daran bezogen die Winkellage der Wellen bzw. den Verstellwinkel zwischen beiden zu errechnen. Bei Motorstart ist die Kurbelwellendrehzahl sehr langsam (typischerweise. 200 Grad Kurbelwelle/min). Das bedeutet, dass die Zeit zwischen zwei Triggersignalen und damit der Zeitabstand bis zur Erkennung der Winkellage der Wellen bzw. des Verstellwinkels sehr lang ist.
Während des Starts des Verbrennungsmotors ist ohne die Verwendung von Start/Stopp-Strategien im System die aktuelle Position des Nockenwellenverstellers nicht bekannt. Daher wird der Versteller meist ”blind” verstellt, bis ein mechanischer Endanschlag erreicht und vom Steuergerät erkannt wurde. Erst dann ist die Position des Verstellers bekannt und der gewünschte Verstellwinkel kann eingestellt werden
Während des Anlassens des Verbrennungsmotors soll der Nockenwellenversteller den gewünschten Verstellwinkel so schnell wie möglich erreichen, damit die Abgaswerte und/oder Laufruhe des Verbrennungsmotors schon bei Motorstart optimiert werden können. Schnell-Start Anwendungen sind erwünscht, um den Komprimierungszyklus in den Zylindern bei Motorstart zu optimieren, was zu einem schnelleren Start mit reduziertem Leistungsbedarf führt.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben die benötigte Zeit zu Einstellen des gewünschten Verstellwinkels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers bei Motorstart zu verkürzen.
Die Aufgabe wird durch eine Nockenwellensensoreinheit gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine absolute Position einer Nockenwelle beim Abschalten eines Verbrennungsmotors erfasst und gespeichert wird, damit diese bei einem erneuten Motorstart ausgelesen und zur Ansteuerung eines Nockenwellenverstellers verwendet werden kann. Der Ist-Verstellwinkel des Nockenwellenverstellers wird bei Motorstart anhand der ausgelesenen absoluten Position der Nockenwelle ermittelt. Ein Soll-Verstellwinkel des Nockenwellenverstellers für den Motorstart ist bekannt. Erfindungsgemäß wird ein Steuerwinkel aus der Differenz des Soll-Verstellwinkels und des Ist-Verstellwinkels ermittelt und zur Ansteuerung des Stellers einer Stellwelle verwendet. Dieses verkürzt vorteilhafterweise deutlich die Zeit zum Einstellen des gewünschten Verstellwinkels, da der Nockenwellenversteller sofort nach dem Start des Verbrennungsmotors steuerbar ist.
Die Erfassung der absoluten Position der Nockenwelle erfolgt durch eine erfindungsgemäße Nockenwellensensoreinheit mit einem an der Nockenwelle befestigten Geberrad, mindestens einem aktiven Sensor und einer Auswerteeinheit.
Das Geberrad weist erfindungsgemäß auf seinem Umfang verteilt eine Anzahl von Triggern und mindestens eine Marke auf, wobei eine durch die Anzahl der Trigger bestimmte Winkelerkennungsgenauigkeit weniger als 20°NW (Grad Nockenwelle) beträgt. Je höher die Anzahl der Trigger gewählt wird, desto höher ist die Winkelerkennungsgenauigkeit, insbesondere bei sehr kleinen Drehzahlen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt das Geberrad 36 Trigger. Das ist eine Auflösung von 10°NW pro Trigger und ergibt eine Winkelerkennungsauflösung von +/–5°NW.
Die Beziehung zwischen Trigger und absoluter Nockenwellenposition ist durch die Geometrie bzw. den Zusammenbau des Verbrennungsmotors festgelegt und mit der Triggeranzahl frei wählbar.
Die Marke kann auf dem Geberrad oder in einer separaten Spur angeordnet sein. Die Marke dient der Erkennung einer vollen Umdrehung der Nockenwelle.
Die Anordnung der Marke auf einer separaten Spur hat den Vorteil, dass im Bereich der Marke die Winkelgenauigkeit erhalten bleibt, weil die Breite aller Trigger gleich bleiben kann. Eine zweite Spur bietet außerdem die Möglichkeit, mehrere Marken, beispielsweise eine für jeden Zylinder, vorzusehen.
Der aktive Sensor ist vorzugsweise radial gegenüberliegend dem Geberrad angeordnet und erfasst die an ihm vorbeilaufenden Trigger des auf der Nockenwelle drehenden Geberrades.
Der verwendete Sensor ist auf das Geberrad und die Form der Trigger abzustimmen. Beispielsweise können induktive, halleffektbasierte oder magnetoresistive Sensoren verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei aktive Sensoren um einen Winkel ϑ zueinander versetzt am Geberrad angeordnet, so dass die von ihnen erzeugten Sensorsignale zeitlich versetzt in der Auswerteeinheit empfangen werden. Diese Anordnung ermöglicht die Erkennung einer Drehrichtungsumkehr der Nockenwelle. In der einen Drehrichtung wird das Signal des ersten Sensors zeitlich vor dem Signal des zweiten Sensors erkannt, in der entgegengesetzten Drehrichtung wird zuerst das zweite Signal und anschließend das erste Signal erkannt.
Der Winkel ϑ kann frei gewählt werden, unter der Voraussetzung, dass die Signale der beiden Sensoren nicht identisch in den beiden Richtungen sind. Das heißt, ϑ darf weder die Breite eines Triggers noch den Abstand zweier Trigger (oder ein Mehrfaches davon) betragen.
Die absolute Position der Nockenwelle wird anhand der Sensorsignale in der Auswerteeinheit bestimmt, wobei hier auch die Drehrichtung des Triggerrades erkannt und berücksichtigt wird. Eine vorteilhafte Variante der Bestimmung der absoluten Position wird später ausführlich erläutert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Geberrad ein Triggerrad mit Triggerfingern, welche von einem induktiven oder magnetoresistiven Sensor erkannt werden. Die Anzahl der auf dem Umfang verteilten Triggerfinger bestimmt die Winkelerkennungsauflösung.
Das Geberrad ist in einer anderen bevorzugten Ausführungsform als Zahnrad ausgeführt, die beiden Sensoren sind jeweils um einen halben Zahn zueinander versetzt. Diese und die Form der Zähne werden so ausgewählt, dass die Sensorsignale Sinussignale sind. Durch die Versetzung um einen halben Zahn werden in der Auswerteeinheit ein Sinus- und ein Kosinus-Signal empfangen.
Dies ermöglicht die Bestimmung der laufenden Winkel zwischen den Zähnen des Zahnrades in der Auswerteeinheit, was zur Erhöhung der Winkelerkennungsgenauigkeit beiträgt.
Die Abstimmung von Triggerform und Sensor kann in anderen Ausführungsformen so vorgenommen werden, dass ein kontinuierlicher, harmonisch auf- und abschwellender Signalpegel bzw. ein harmonisch wechselnder Signalpegel erzeugt wird. Eine genaue Bestimmung der Position der Nockenwelle ist daraus ebenso möglich.
Selbstverständlich kann eine Digitalisierung vor der Weiterverarbeitung der Sensorsignale erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Geberrad ein Magnetpolring mit wechselnder Polarisierung auf dem Umfang als Trigger, wobei auch mit dem Magnetpolring sinusförmige Sensorsignale erzeugt werden können.
Das Geberrad kann in anderen Ausführungsformen auch als anderweitig magnetisch codierte Spur ausgeführt sein.
Das Geberrad kann einteilig mit der Nockenwelle ausgeführt sein.
Werden zwei aktiven Sensoren verwendet, können diese separat oder in einem gemeinsamen Sensorgehäuse am Triggerrad angeordnet werden.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Filterung der Sensorsignale zur Verbesserung der Signalgüte.
Die erfindungsgemäße Nockenwellensensoreinheit kann zusammen mit einer gleichartigen Sensoreinheit an der Kurbellwelle verwendet werden, wobei die absolute Position der Nockenwelle anhand der durch die Nockenwellensensoreinheit und die gleichartige Sensoreinheit an der Kurbelwelle erzeugten Sen sorsignale in der Auswerteeinheit bestimmt wird. Außerdem können Steuersignale zur Kompensation eines Winkelfehlers aufgrund von Trieblängung und Kettenspannerzustand generiert werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung auf der Basis vorteilhafter Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren. Diese zeigen mit jeweils schematischer Darstellung in
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellensensoreinheit;
2 eine Querschnittsdarstellung einer Nockenwellensensoreinheit und ein Diagramm der dazugehörigen Sensorsignale und der Drehzahl des Triggerrades als Funktion der Zeit;
3 eine zweite Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit in verschiedenen Darstellungen;
4 Zeitverläufe der Sensorsignale, die von der Nockenwellensensoreinheit gemäß 3 geliefert werden;
5 ein Signalverlaufsdiagramm (!);
6 eine Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit;
7 eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit in verschiedenen Ansichten.
1, Abb. a) zeigteine räumliche Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellensensoreinheit 01 zur Bestimmung einer absoluten Position einer Nockenwelle 02 eines Verbrennungsmotors bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei Motorstop/-start für einen elektromechanischen Nocken wellenversteller. Die Nockenwellensensoreinheit 01 umfasst ein an der Nockenwelle 02 befestigtes Geberrad, welches als Triggerrad 03 ausgeführt ist. Das Triggerrad 03 kann auf der Nockenwelle 02 montiert oder einteilig mit der Nockenwelle 02 ausgeführt sein. Ein Sensor 04 ist am Triggerrad 03 positioniert und beispielsweise am Zylinderkopf des Verbrennungsmotors befestigt.
Die Nockenwellensensoreinheit 01 umfasst vorzugsweise auch ein nicht dargestelltes Speichermedium, welches die ermittelte absolute Position der Nockenwelle 02 beim Abschalten des Verbrennungsmotors für den nächsten Start des Verbrennungsmotors speichert. Das Speichermedium kann aber auch in der Steuerungseinrichtung des Nockenwellenverstellers vorgesehen sein.
Das Triggerrad 03 ist erfindungsgemäß mit wesentlich mehr Triggern, welche als Triggerfinger 06 gestaltet sind, als im Stand der Technik bisher üblich, und mindestens einer eindeutigen Marke 07 pro Umdrehung beaufschlagt. Die Ausführung des Triggerrades 03 mit der Marke 07 sowie die Positionierung des Sensors 04 am Triggerrad 03 sind aus Abb. b) und c) zu entnehmen, welche eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf die Nockenwellensensoreinheit 01 aus 1, Abb. a) darstellt.
Bei Motorstart reicht es nicht, „irgendeinen” Triggerfinger 06 erkennen zu können, sondern die Auswerteeinheit muss ”wissen”, welcher Triggerfinger 06 gesehen wurde. Aus diesem Grund ist die eindeutige Marke 07 am Nockenwellentriggerrad vorgesehen, um die absolute Position der Nockenwelle 02 anhand der Triggerfinger 06 am Triggerrad 03 bestimmen zu können. Diese Marke 07 ist eine sogenannte „obere Totpunktmarkierung” oder „OT-Marke” genannt, welche durch ihre abweichende Breite im Vergleich zu den anderen Triggerfingern 06 erkannt wird. Alternativ kann die eindeutige Marke 07 natürlich durch eine eindeutige Lücke ersetzt werden, welche durch ihre abweichende Breite im Vergleich zu den anderen Triggerlücken erkannt wird.
Damit kann in der Auswerteeinheit jedem Triggerfinger 06 eine laufende Nummer zugeordnet werden, welche einer absoluten Position der Nockenwelle 02 entspricht. z. B. konnte in der Auswerteeinheit folgende Logik ablaufen:
Bei der Erkennung eines Triggerfingers 06:

Ist der Triggerfinger die Marke 07? dann Fingerzahl = 0

Ist der Triggerfinger nicht die Marke 07? dann Fingerzahl = Fingerzahl + 1
Die Beziehung zwischen dem Triggerrad 03 und der absoluten Position der Nockenwelle 02 ist durch die mechanische Geometrie bzw. Zusammenbau des Verbrennungsmotors festgelegt und freiwählbar, z. B. mit 36 Fingern:

Marke 07 (Finger 0) 0°NW (bzw. 0°KW)

Finger 1 10°NW (bzw. 20°KW)

Finger 2 20°NW (bzw. 40°KW)

Finger 3 ...
Des Weiteren richtet sich die Auswahl der Anzahl der Triggerfinger 06 auf die gewünschte Winkelerkennungsgenauigkeit bzw. -auflösung. Diese beträgt z. B. für Stop-Start und Schnell-Start Anwendungen typischerweise ±3°KW (Kurbelwellengrad). Bezogen auf der Nockenwelle (Kurbelwellengrad = 2 × Nockenwellengrad) bedeutet dies, dass die Position der Nockenwelle 02 jede 3°NW (Nockenwellengrad) erkannt wird bzw. die Winkelerkennungsauflösung 3°NW beträgt.
Die maximal mögliche Anzahl der Triggerfinger 06 ist abhängig z. B. von dem verwendeten Sensor 04 und/oder den Umgebungsbedingungen, wie Bauraum, Luftspaltschwankungen zwischen Sensor 04 und Triggerrad 03 oder Positioniergenauigkeit vom Sensor 04 zum Triggerrad 03.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Nockenwellensensoreinheit 01 mit zwei zu einander versetzt angeordneten aktiven Sensoren ausgeführt, welche die Drehzahl der Nockenwelle 02 bis Motorstillstand erkennen können (d. h. bis 0 1/min). Das gleiche gilt beim Motorstart. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, z. B. aktiver Hall-Sensoren, aktiver Induktivsensoren, Magnetoresistiver Sensoren. Die Integration der zwei Sensoren in die Nockenwellensensoreinheit 01 bietet die Vorteile, die Positionierungsgenauigkeit der zwei Sensoren zu einander zu erhöhen, die Montage zu vereinfachen (nur ein Sensor anstatt zwei zu montieren), der Bauraum der Sensoren (und die dazu gehörigen Fixierungen) zu minimieren. Alternativ kann der Sensor 04 bzw. Teile davon in eine Komponente eines Nockenwellenverstellers oder in ein anderes Anbaubauteil integriert werden. Alternativ kann natürlich auch das Triggerrad 03 in eine nockenwellenfeste Komponente eines Nockenwellenverstellers oder ein anderes Anbaubauteil integriert werden.
Ein Schwerpunkt der erfindungsgemäßen Nockenwellensensoreinheit 01 liegt in der Rückdreherkennung der Nockenwelle 02 und der dazu gehörigen Bestimmung der absoluten Position der Nockenwelle 02. Bei Motorstop kommt es oft vor, dass die Nockenwelle 02 eine leichte Rückdrehung (d. h. eine Drehung in der Gegenrichtung zur normalen Drehrichtung der Nockenwelle 02) macht. Ohne diese mögliche Rückdrehung der Nockenwelle 02 erkennen zu können, ist es nicht möglich, die absolute Endposition der Nockenwelle 02 bei Motorstopp bzw. -start bestimmen zu können.
Das Vorgehen zur Erkennung einer Rückdrehung in der Auswerteeinheit ist anhand des in 2 gezeigten Querschnitts (Abb. a) einer Nockenwellensensoreinheit 01 mit einem, aus dem Stand der Technik bekannten drehenden 6-Finger-Triggerrad 11 und eines Diagramms (Abb. b) der dazugehörigen Sensorsignale 13, 15 und der Drehzahl 23 des 6-Finger-Triggerrades 11 als Funktion der Zeit t veranschaulicht.
Die Anordnung umfasst einen Sensor 04 mit zwei integrierten versetzt angeordneten Einzelsensoren, welcher an dem 6-Finger-Triggerrad 11 angeordnet ist.
Für das bessere Verständnis des Verfahrens ist hier ein 6-Finger-Triggerrad 11 ausgewählt. Selbstverständlich ist es mit der erfindungsgemäßen hohen Anzahl an Triggern verwendbar.
Die in dem Sensor 04 integrierten zwei aktiven Einzelsensoren sind so zu einander versetzt, dass auch die von ihnen erzeugen Sensorsignale 13 und 15 auch entsprechend zumindest zeitlich versetzt sind. Die Sensorsignale 13, 15 sind im dazugehörigen Diagramm als Funktion der Zeit dargestellt. Zusätzlich zu den Sensorsignalen 13, 15 ist die Drehzahl 23 des 6-Finger-Triggerrades 11 als Funktion der Zeit t dargestellt, um den Signalverlauf bei einer Änderung der Drehrichtung der Nockenwelle 02 zu verdeutlichen.
Zwischen den zwei aktiven Einzelsensoren des Sensors 04 ist ein Winkelversatz ϑ vorhanden. Der Winkelversatz kann frei gewählt werden mit der Voraussetzung, dass die Sensorsignale 13, 15 nicht identisch in den beiden Richtungen sind. d. h. der Winkelversatz ϑ darf weder die Breite (oder Mehrfaches) eines Triggerfingers 06 noch die Breite von einem Triggerfinger 06 bis zum nächsten Triggerfinger 06 (oder Mehrfaches) sein. Der Winkelversatz ϑ darf beispielsweise für ein Triggerrad 03 mit 36 Triggerfingern 06 nicht 5°NW oder ein Mehrfaches von 5°NW sein.
Der Winkelversatz ϑ führt dazu, dass in der Drehrichtung im Uhrzeigersinn Sensorsignal 15 nach Sensorsignal 13 gesehen wird. In der Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn erfolgt eine Erkennung des Sensorsignals 13 nach dem Sensorsignal 15.
Die Drehrichtung des 6-Finger-Triggerrades 11 wird anhand der Reihenfolge der Sensorsignale 13, 15 mittels einer mit der Nockenwellensensoreinheit 01 verbundenen nicht gezeigten Auswerteeinheit erkannt. Das Prinzip ist identisch für ein Triggerrad 03 mit wesentlich mehr Triggerfingern 06.
3, Abb. a) zeigt räumliche Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit 01. Der Unterschied besteht darin, dass das Geberrad als Zahnrad 25 ausgeführt ist, welches zusätzlich aber unabhängig davon einteilig mit der Nockenwelle 02 aufgebaut ist. Die Trigger sind als Zähne 26 ausgebildet. Weiterhin sind im Sensor (!) 04 zwei zu einander versetzt angeordnete aktive Analog-Sensoren (!) integriert.
Die Bestimmung der absoluten Position der Nockenwelle 02 sowie die Erkennung der Drehrichtung des Zahnrades 25 erfolgt ebenfalls mittels einer nicht dargestellten und mit der Nockenwellensensoreinheit 01 verbundenen Auswerteeinheit.
In 3, Abb. b) ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B der Nockenwellensensoreinheit 01 gemäß 3, Abb. a) dargestellt, wobei das Zahnprofil der Zähne 26 sowie die Marke 07 auf dem Zahnrad 25 ersichtlich sind. Die Form der Zähne 26 und die aktiven Analog-Sensoren der Nockenwellensensoreinheit 01 sind so ausgewählt, dass sinusförmige Sensorsignale 27, 29 (siehe 4) erzeugt werden.
Die Sensorsignale 27, 29 sowie die dazugehörige Drehzahl 23 des Zahnrades 25 bzw. der Nockenwelle 02 sind als Funktion der Zeit t im Diagramm der 4 dargestellt.
Da die aktiven Analog-Sensoren zu einander um genau einen halben Zahn 26 versetzt sind, ergeben sich ein Sinus-Signal 27 und ein Kosinus-Signal 29, bzw. zwei um π/2 versetzte sinusförmige Sensorsignale 27 und 29. Aus dem Diagramm ist es ersichtlich, dass bei Drehrichtung der Nockenwelle 02 im Uhrzeigersinn das Kosinus-Signal 29 nach dem Sinus-Signal 27 gesehen wird. Bei Umkehr der Dreherichtung im Gegenuhrzeigersinn ist das Sinus-Signal 27 nach dem Kosinus-Signal 29 zu erkennen. Durch die Sinusförmigkeit der Sensorsignale 27, 29 wird eine höhere Winkelerkennungsauflösung bzw. höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der absoluten Position der Nockenwelle 02 erzielt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Nockenwelle 02 so zum Stillstand kommt, dass der Sensor zwischen zwei Zähnen 26 abtastet.
Ein in der Auswerteeinheit umsetzbares Verfahren zu Bestimmung der absoluten Position der Nockenwelle 02 bei der Verwendung eines Zahnrades 25 als Geberrad und der Auswertung sinusförmiger Sensorsignale 27, 29 veranschaulicht 5.
Das Diagramm zeigt im unteren Teil die durch die aktiven Analog-Einzelsensoren des Sensors 04 aus 3, Abb. a) und b) erzeugten Sensorsignale 27 und 29 sowie im oberen Teil einen möglichen Signalverlauf in der Auswerteeinheit jeweils als Funktion der Zeit t. Der Signalverlauf in der Auswerteeinheit stellt die absolute Position der Nockenwelle als laufenden Winkel 31 dar. Der laufende Winkel 31 zwischen den Zähnen 26 des Zahnrades 25 wird mit Hilfe der Arcustangensfunktion des Quotienten zwischen dem Sinus-Signal 27 und dem Kosinus-Signal 29 bestimmt. Damit wird die absolute Position der Nockenwelle 02 zu jedem Zeitpunkt auch bei Sensorposition zwischen den Zähnen 26 bei Nockenwellenstillstand bekannt.
In 6 ist eine Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit 01 dargestellt.
Statt integriert in einem Sensor 04 sind hier die zwei aktiven Sensoren 33 und 35 separat angeordnet und positioniert. Die Sensoren 33 und 35 sind in radialer Richtung auf das Triggerrad 03 gerichtet. Die Sensoren 33 und 35 sind zueinander mit einem Winkelversatz ϑ angeordnet.
Diese Figur soll nur die Anordnung der Sensoren 33, 35 veranschaulichen. Die Zahl der dargestellten Triggerfinger 06 entspricht einer Ausführung nach dem Stand der Technik. Selbstverständlich soll die Nockenwellensensoreinheit 01 mit der erfindungsgemäßen Anzahl an Triggern hierin eingeschlossen sein.
7 zeigt verschiedene Ansichten einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer Nockenwellensensoreinheit 01 mit einem an der Nockenwelle 02 befestigten Magnetpolring 37. Der Magnetpolring 37 kann auch einteilig mit der Nockenwelle 02 ausgeführt werden.
In Abb. a) ist eine perspektivische Ansicht, in Abb. b) eine Seitenansicht und in Abb. c) eine Draufsicht der Nockenwellensensoreinheit 01 dargestellt, worin der Magnetpolring 37 und die Anordnung der Nockenwellensensoreinheit 01 sehr gut ersichtlich sind.
Aus der Abb. c) ist die Ausführung der Trigger als Permanentmagnete 38 mit alternierend polarisierter Reihenfolge der Permanentmagnete 38 sowie die Marke 07 auf dem Magnetpolring 37 zu entnehmen. Die Erkennung der absoluten Position der Nockenwelle 02 erfolg hier anhand des Magnetpolrings 37, wobei die in der Nockenwellensensoreinheit 01 integrierten zwei aktiven Sensoren z. B. Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren sind.
Bei einer geeigneten Gestaltung von Magnetpolring 37 und Auswahl von Sensoren die dem Fachmann geläufig sind, können auch mit dieser Anordnung sinusförmige Sensorsignale 27, 29 erzeugt werden.

01: Nockenwellensensoreinheit
02: Nockenwelle
03: Triggerrad
04: Sensor
05
06: Triggerfinger
07: Marke
09
10
11: 6-Finger-Triggerrad
13: Sensorsignal
15: Sensorsignal
23: Drehzahl
25: Zahnrad
26: Zahn
27: Sinus-Signal
29: Kosinus-Signal
31: laufender Winkel
33: Sensor
35: Sensor
37: Magnetpolring
38: Permanentmagnete

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/012698 A1 [0004]
- US 7243627 B2 [0005]
- DE 102006017232 A1 [0006]

Claims

Nockenwellensensoreinheit (01) zur Bestimmung einer absoluten Position einer Nockenwelle (02) bei niedrigen Drehzahlen mit einem an der Nockenwelle (02) befestigten Geberrad (03, 25, 37), mindestens einem auf das Geberrad (03, 25, 37) gerichteten Sensor (04) und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (03, 25, 37) auf seinem Umfang verteilt eine Anzahl von Triggern (06, 26, 38) und mindestens eine Marke (07) aufweist, wobei die Anzahl der Trigger (06, 26, 38) eine Winkelerkennungsgenauigkeit bestimmt, welche weniger als 20°NW (Nockenwelle) beträgt.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke (07) auf einer axial versetzten Spur auf dem Geberrad (03, 25, 37) angeordnet ist.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Marken (07) auf der versetzten Spur angeordnet sind.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad ein Triggerrad (03) mit Triggerfingern (06) ist.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad ein Zahnrad (25) mit Zähnen (26) als Trigger ist.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad ein Magnetpolring (37) mit abwechselnd polarisierten Permanentmagneten (38) als Trigger ist.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei aktive Sensoren (04) umfasst, welche auf die Trigger (06, 26, 38) des Geberrades (03, 25, 37) gerichtet sind und mit einem Winkelversatz ϑ zueinander angeordnet sind, wodurch die von den Sensoren (04) erzeugten Sensorsignale (13, 15, 27, 29) zeitlich versetzt sind.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Trigger (06, 26, 38) und die Sensoren (04) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Sensorsignale (27, 29) sinusförmig sind.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Filter zur Verbesserung der Signalgüte die Sensorsignale (13, 15, 27, 29) umfasst.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (03, 25, 37) einteilig mit der Nockenwelle (02) ausgeführt ist.
Nockenwellensensoreinheit (01) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (04) in ein Gehäuse mit Stecker oder Kabelabgang für Stromversorgung und Signale eingebaut ist.
Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors, zum Einstellen eines gewünschten Verstellwinkels des Nockenwellenverstellers beim Start des Verbrennungsmotors folgende Schritte umfassend: – Ermitteln einer absoluten Position einer Nockenwelle (02) bei Motorstopp aus einem Nockenwellensignal; – Speichern der absoluten Position der Nockenwelle (02) in einem Speichermedium; – Auslesen der gespeicherten absoluten Position der Nockenwelle (02) bei Motorstart; – Ermitteln eines Steuerwinkels aus der ausgelesenen Position der Nockenwelle (02) und dem gewünschten Verstellwinkel; – Einstellen des Steuerwinkels am Nockenwellenversteller.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der absoluten Position der Nockenwelle (02) zwei, um einen Winkel ϑ versetzte Nockenwellensignale (13, 15, 27, 29) ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellensignale (27, 29) sinusförmig sind.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellensignale (27, 29) um π/2 zueinander versetzt sind und die absolute Position der Nockenwelle (02) anhand der Arcustangensfunktion des Quotienten zwischen den Nockenwellensignalen (27, 29) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung der Reihenfolge der Nockenwellensignale (13, 15, 27, 29) erfolgt, anhand derer eine Erkennung einer Drehrichtung des Geberrades erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Steuersignale generiert werden, zur Kompensation des Winkelfehlers, der aufgrund von Trieblängung und Kettenspannerzustand entsteht, anhand der durch die Nockenwellensensoreinheit (01) erzeugten Sensorsignale (13, 15, 27, 29) und von durch eine gleichartige Sensoreinheit an der Kurbelwelle erzeugten Signalen.