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Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zur Bestimmung einer Stellung eines Kolbens in einem Kolbenmotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
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Die Detektoranordnung weist einen Detektor auf, wobei mittels des Detektors eine Stellung des Kolbens oder eines in Antriebsverbindung mit dem Kolben stehenden Bauteils detektierbar ist. Aus der erfassten Bewegung des Bauteils kann auf die Stellung des Kolbens geschlossen werden. Funktional wirksam in Antriebsverbindung mit dem Kolben steht beispielsweise eine Pleuelstange. Aus der Bestimmung des Position der Pleuelstange kann auf die Stellung des Kolbens geschlossen werden.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise eine Detektoranordnung in Form eines Kurbelwellensensors bekannt. Der Kurbelwellensensor erfasst die Drehzahl und die Position der Kurbelwelle. Die Kurbelwelle ist antriebstechnisch funktional wirksam über die Pleuelstange mit dem Kolben verbunden. Der Kurbelwellensensor besteht im Wesentlichen aus einem Magnet und einer Empfangsspule. Der Kurbelwellensensor ist in der Regel in der Nähe des Außenrandes eines Schwungrades montiert, das fest mit der Kurbelwelle verbunden ist. Das Schwungrad hat am Rand Zähne aus Stahl oder Eisen. Bei einer Drehung der Kurbelwelle verändern die Zähne das Magnetfeld und induzieren in der Spule eine Wechselspannung. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist ein Maß für die Drehzahl und wird in der Motorsteuerung als Drehzahlwert ausgewertet. Für die Bestimmung des Zündzeitpunktes erkennt der Sensor die Kurbelwellenstellung. Die Kurbelwellenstellung wird als Maß für die Stellung des Kolbens verwendet.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2016 012 095 A1 ist eine Detektoranordnung zur Bestimmung einer Stellung eines Kolbens in einem Kolbenmotor, mit einem Detektor bekannt, wobei der Detektor eine Empfangsspule aufweist, wobei mittels des Detektors ein Maß für eine Stellung des Kolbens oder eines in Antriebsverbindung mit dem Kolben stehenden Bauteils detektierbar ist. Der Detektor weist eine Sendespule auf, wobei die Sendespule und die Empfangsspule in einem Hohlleiter angeordnet sind, wobei mittels einer Sendereinheit ein elektrisches Signal erzeugbar ist, wobei das elektrische Signal an der Sendespule anliegt, wobei ein von der Sendespule erzeugtes, durch die Bewegung des Kolbens und/oder durch die Bewegung des in Antriebsverbindung mit dem Kolben stehenden Bauteils beeinflusstes, elektromagnetisches Feld von der Empfangsspule empfangbar ist, wobei das Maß für die Stellung des Kolbens aufgrund der zeitlichen Änderung eines empfangenen Signals der Empfangsspule bestimmbar ist. Die Empfangsspule weist mindestens drei unterschiedlich geformte Sektionen auf. Es sind mindestens drei unterschiedliche Sektionen vorhanden, um die Stellung der Pleuelstange in den Positionen Links, Mitte und Rechts zu bestimmen. Wenn sich die Pleuelstange in einer entsprechenden Sektion der Empfangsspule befindet, ist der minimale Abstand der Pleuelstange zu der Spule je nach Sektion unterschiedlich groß. Beim Durchlauf der Pleuelstange ist die Umhüllung des Empfangssignals minimal, wenn die Pleuelstange sich im Bereich der mittleren Sektion befindet. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Abstand der Pleuelstange zu der Spule in der mittleren Sektion im Vergleich mit den äußeren Sektionen minimal ist. Die Spulendrahtführung in den beiden äußeren Sektionen ist so ausgeführt, dass der Abstand der Pleuelstange größer ist als in der mittleren Sektion. Damit wird erreicht, dass jede der drei Sektionen für die verschiedenen Stellungen der Pleuelstange das Empfangssignal zeitlich ändert. Die Sendespule ist in bevorzugter Ausgestaltung baugleich zur Empfangsspule aufgebaut.
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Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, dass die induzierten Spannungswerte nicht eindeutig dem Ort der Pleuelstange zugeordnet werden können. Um eine Eindeutigekeit zu erhalten, muss der Umlaufsinn der Kurbelwelle bekannt sein und zumindest ein lokales Minimum im Spannungsverlauf bestimmt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitere Detektoranordnung bereitzustellen.
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Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun durch eine Detektoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Der Detektor weist eine Sendespule auf. Die Sendespule und die Empfangsspule sind in einem Hohlleiter angeordnet. Mittels einer Sendeeinheit ist ein elektrisches Signal erzeugbar, wobei das elektrische Signal an der Sendespule anliegt. Mittels der Sendespule wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das durch die Bewegung der Pleuelstange und ggf. der weiteren mit dem Kolben in Antriebsverbindung stehenden Bauteile beeinflusst wird. Dieses elektromagnetische Feld wird von der Empfangsspule empfangen. Aufgrund des von der Empfangsspule empfangenen Signals wird ein Maß für die Position der Pleuelstange und damit des Kolbens aufgrund der zeitlichen Änderung des elektromagnetischen Feldes und somit der zeitlichen Änderung des empfangenen Signals bestimmt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine weitere Möglichkeit zur Verfügung steht, kontaktlos die Stellung des Kolbens zu bestimmen. Die Pleuelstange führt eine axiale Bewegung und eine radiale Bewegung durch. Diese radiale Bewegung kann auch als seitliche Bewegung bezeichnet werden.
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Die Sendespule ist derart ausgestaltet, dass die Sendespule jeweils im Bereich der Umkehrpunkte der seitlichen Pleuelstangenbewegung einen maximalen Abstand und im Bereich eines weiteren Umkehrpunktes der seitlichen Pleuelstangenbewegung einen minimalen Abstand zur Bewegungsebene der Pleuelstange aufweist.
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Der Abstand wird jeweils senkrecht zur Bewegungsebene gemessen. Die Bewegungsebene erstreckt sich lediglich von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt. Es ist klar, dass die Sendespule an irgendeinem Punkt außerhalb der Umkehrpunkte eine Verlängerung der Ebene schneidet, in der auch die durch die Umkehrpunkte begrenzte Bewegungsebene liegt. Da nur senkrecht zur Bewegungsebene von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt gemessen wird, führt dies nicht dazu, dass dieser Schnittpunkt in die Abstandsmessung mit einfließt.
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Wenn die Pleuelstange in dem einen Umkehrpunkt angeordnet ist, ist der kleinste Abstand senkrecht zur Bewegungsebene maximal und in dem anderen Umkehrpunkt ist der kleinste Abstand senkrecht zur Bewegungsebene von der Pleuelstange zur Sendespule minimal. Vorzugsweise weist die Sendespule mehrere stufenförmige Sektionen auf. Jede Stufenförmige Sektion ist insbesondere symmetrisch zur Bewegungsebene der Pleuelstange ausgebildet und weist zwei Leitungsabschnitte jeweils mit demselben Abstand zur Bewegungsebene der Pleuelstange auf. Innerhalb der Sektion kann der Abstand der Sendespule zur Bewegungsebene der Pleuelstange jeweils konstant sein. Es ist denkbar, dass der Abstand linear und nicht stufenweise vom Maximum zum Minimum verringert wird. Vorzugsweise sind drei Sektionen vorhanden. Die beiden äußeren Sektionen liegen dabei im Bereich der Umkehrpunkte in der Pleuelstange und die mittlere Sektion liegt dazwischen. Im Bereich der Umkehrpunkte haben diese Sektionen jeweils den maximalen oder minimalen Abstand zur Ebene der Pleuelstangenbewegung. Durch diese Geometrie ist es möglich, für jede Pleuelposition einen eindeutigen Spannungswert zu erhalten. Über den zeitlichen Signalverlauf der Signalmesswerte kann nun präzise und eindeutig die Position der Pleuelstange und die Bewegungsrichtung detektiert werden. Die Position der weiteren Pleuelstangen bzw. Kolbenstellungen kann damit vorhergesagt werden. Insbesondere zur Erkennung der Bewegungsrichtung der Pleuelstange die Steigung des Signalverlaufs ausgewertet werden. Wenn z.B. mehrere Pleuelstangen vorhanden sind, die um 90 Grad versetzt die Kurbelwelle antreiben, reicht die Detektion zweier Pleuelstangen aus, um die Kolbenstellung eindeutig bestimmen zu können. Die Bestimmung des des lokalen Minimums ist nicht notwendig zur Bestimmung der Position der Pleuelstange. Es ist ausreichend über einen kleinen Zeitraum den Signalverlauf zu betrachten und die Steigung zu erkennen, um die Pleuelposition eindeutig zu bestimmen. Die Kolbenposition kann bestimmt werden, wenn die Stellung einer weiteren Pleuelstange mit einem weiteren insbesondere baugleichen Detektor gemessen wird, wobei die Bewegungen der beiden Pleuelstangen nicht um 180°-phasenverschoben ist. Ferner kann zur Bestimmung der Kolbenposition die Drehrichtung der Kurbelwelle mit einfliessen.
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Die Empfangsspule ist vorzugsweise als Rechteckspule ausgebildet. Die Ausgestaltung der Sendespule unterscheidet sich von der Ausgestaltung der Empfangsspule, um eine Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnissen zu erreichen. Es sind andere Formen der Empfangsspule als rechteckig denkbar. Ein Vorteil der stufenförmigen Ausgestaltung der Sendespule und der rechteckigen Empfangsspule ist, dass der Verlauf des Empfangssignals beinahe harmonisch ist und es kann ein einfaches Signalmodell für die Signalverarbeitung genutzt werden.
Das an der Sendespule anliegende, elektrische Signal weist eine Trägerfrequenz auf. Das von der Sendeeinheit erzeugte, elektrische Signal kann entweder moduliert oder unmoduliert sein. Die Trägerfrequenz des elektrischen Signals liegt vorzugsweise unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz des Hohlleiters. Dies hat den Vorteil, dass das erzeugte, elektromagnetische Feld sehr stark örtlich konzentriert ist. Somit kann im Hohlleiter keine Wellenausbreitung stattfinden und lediglich ein vernachlässigbarer Anteil der elektromagnetischen Energie verlässt den Hohlleiter. Vernachlässigbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Detektor keine anderen im Motor oder im Fahrzeug vorhandenen elektronischen Geräte in ihrer Arbeitsweise stört oder beeinträchtigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Empfangs- und/oder die Sendespule genau eine Windung auf. Hierbei kann die Trägerfrequenz des elektrischen Signals ausreichend hoch gewählt werden, dass ein genügend hoher Pegel der induzierten Spannung in den Empfangsspulen erzeugt wird. Bevorzugt liegt die Trägerfrequenz dann im Megahertzbereich. Da hohe Anforderungen bezüglich der Präzision in der Herstellung der Windungen der Spulen bestehen, werden die Herstellungskosten bei Spulen mit nur einer Windung deutlich reduziert und der Ausschuss kann verringert werden.
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Vorzugsweise ist die Sendespule näher am Kolben angeordnet als die Empfangsspule. Der Abstand zwischen dem Kolben und der Sendespule ist kleiner als der Abstand zwischen dem Kolben und der Empfangsspule. Die umgekehrte Anordnung ist ebenfalls denkbar, bei der die Empfangsspule näher am Kolben angeordnet ist als die Sendespule.
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Das Signal wird über eine elektrische Verbindung zwischen der Sendespule und der Sendeeinheit übertragen. Die elektrische Verbindung kann eine verdrillte oder nicht verdrillte Zweidrahtleitung sein. In alternativer Ausgestaltung kann die elektrische Verbindung über ein Koaxialsystem hergestellt sein, bei welchem eine Durchgangsöffnung in einem Motorblock als Außenleiter benutzt wird. Es ist ferner denkbar ein Koaxialkabel einzusetzen, welches nicht Teil des Motorblocks ist.
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Der Hohlleiter kann insbesondere einen runden Querschnitt aufweisen. Als Hohlleiter kann die elektrisch leitfähige Zylinderinnenwandung des Motorblocks oder eine elektrisch leitfähige Hülse dienen. Die Hülse ist in den Zylinder eingepresst.
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Die Sendespule und/oder die Empfangsspule sind vorzugsweise in einem Isolatormaterial eingebettet. Das Isolatormaterial verhindert einerseits, dass die Sendespule und/oder die Empfangsspule ihre Einbauposition verändern und schützt die Sende- und/oder Empfangsspule vor den rauen Umgebungen innerhalb des Motorblocks. Das Isolatormaterial weist vorzugsweise eine Öffnung auf, wobei diese Öffnung von der Pleuelstange durchgriffen ist. Durch die Öffnung im Isolatormaterial ist gewährleistet, dass die Pleuelstange ungehindert ihre Bewegung ausführen kann und Luft während der Hubbewegung des Kolbens aus dem Zylinderraum entweichen oder in den Zylinderraum eindringen kann. Zudem kann ein Ölnebel durch die Öffnung in den Zylinderraum eindringen und den Kolben schmieren. Zusätzliche Öffnungen für den Ölnebel im Isolatormaterial sind denkbar.
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Mittels des Detektors wird die Bewegung der Pleuelstange erfasst. Die Pleuelstange bewegt sich innerhalb des Zylinders zum einen in Längsrichtung des Zylinders aber auch in seitlicher Radialrichtung. Der Detektor erfasst dabei insbesondere die Bewegung der Pleuelstange in seitlicher Richtung. Aus der seitlichen Position bzw. radialen Auslenkung der Pleuelstange kann auch auf die Position des Zylinders geschlossen werden. Die radiale Auslenkung der Pleuelstange dient als Maß für die gesuchte Position des Kolbens.
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Die Sendespule und/oder die Empfangsspule sind vorzugsweise im Bereich der kurbelwellenseitigen Öffnung des Zylinderraumes angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass hier die Auslenkung der Pleuelstange größer ist als weiter innen im Zylinderraum. Ferner können die Sendespule und/oder die Empfangsspule in einer gestuften Aufnahme des Zylinders angeordnet sein.
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Die Sendespule weist mindestens drei unterschiedlich geformte Sektionen auf. Es sind mindestens drei unterschiedliche Sektionen vorhanden, um die Stellung der Pleuelstange in den Positionen „Links“, „Mitte“ und „Rechts“ zu bestimmen. Wenn sich die Pleuelstange in einer entsprechenden Sektion der Empfangsspule befindet, ist der minimale Abstand der Bewegungsebene der Pleuelstange zu der Sendespule je nach Sektion unterschiedlich groß. Beim Durchlauf der Pleuelstange ist die Hüllkurve des Empfangssignals maximal, wenn die Pleuelstange sich im Bereich einer ersten äußeren Sektion an einem Umkehrpunkt befindet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abstand der Pleuelstange zu der Spule in dieser ersten äußeren Sektion im Vergleich mit den anderen Sektionen maximal ist. Die Spulendrahtführung in den beiden anderen Sektionen ist so ausgeführt, dass der Abstand der Pleuelstange kleiner ist als in der ersten äußeren Sektion. Damit wird erreicht, dass jede der drei Sektionen für die verschiedenen Stellungen der Pleuelstange das Empfangssignal zeitlich ändert. Es ist wichtig, dass die drei Sektionen unterschiedlich ausgebildet sind, damit eine eindeutige Zuweisung der Stellung der Pleuelstange zum zeitlichen Verlauf des Empfangssignals stattfinden kann. Das zeitliche Verhalten des Empfangssignals wird dadurch gebildet, dass die Pleuelstange das elektromagnetische Feld, welches durch das Sendesignal in der Sendespule erzeugt wird verändert. Diese zeitliche Feldveränderung wird durch die Empfangsspule empfangen. Eine Ausführung mit mehr als drei Sektionen ist denkbar, aber es besteht die Möglichkeit, dass die einzelnen Beiträge der Sektion zum Empfangssignal einander überlagern und nicht mehr so deutlich unterscheidbar sind. Dies würde dazu führen, dass die Empfangseinheit einen höheren Aufwand für die Bestimmung der einzelnen Signalanteile betreiben muss, dies kann zu einer Erhöhung der Kosten führen. Die Ausgestaltung mit genau drei Sektionen ist daher kostengünstig. Durch die unterschiedliche Formgebung der Sendespule ist eine eindeutige Zuweisung in der lokalen Minima und Maxima der Kolbenstellung möglich. Hierdurch kann insbesondere festgestellt werden, wann der Kolben sich in der oberen oder unteren Umkehrposition befindet, wenn der zeitliche Verlauf bzw. die Steigung des Empfangssignals mitberücksichtigt wird.
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Es wird eine induzierte Spannung mittels der Empfangseinheit gemessen. Aus der Änderung der induzierten Spannung kann das Maß für die Stellung des Kolbens gewonnen werden.
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Die eingangs genannten Nachteile sind daher vermieden und entsprechende Vorteile sind erzielt. Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Detektoranordnung in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 in einer schematischen, längsgeschnittenen Darstellung einen Kolbenmotor mit einem Kolben, wobei der Kolben sich in einem oberen Umkehrpunkt befindet,
- 2 einen Querschnitt durch die Sendespule und der Empfangsspule, wobei die Sendespule und die Empfangsspule auf verschiedenen Ebenen liegen,
- 3 ein Diagramm mit simulierten Signalwerten, die über den Weg der Pleuelstange in der Bewegungsebene aufgetragen sind.
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Im Folgenden darf die Detektoranordnung und das Verfahren zum Betrieb der Detektoranordnung anhand der 1 bis 3 näher erläutert werden. Die in der Gesamtheit nicht näher bezeichnete Detektoranordnung dient zur Bestimmung der Stellung eines Kolbens 2 in einem Kolbenmotor. Der Kolbenmotor weist einen Zylinder 1 auf, wobei der Zylinder 1 Teil eines Motorblockes bildet. Der Kolbenmotor ist als Verbrennungsmotor ausgebildet. Der Kolben 2 und der Zylinder 1 begrenzen einen nicht näher bezeichneten Brennraum. Der Kolben 2 ist linear verschiebbar in dem Zylinder 1 angeordnet. Der Kolben 2 ist über eine Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 gekoppelt. Am Außenumfang des Zylinders 1 sind Kolbenringe 5 angeordnet.
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Ein Detektor weist eine Sendespule 8 und eine Empfangsspule 9 auf, wobei eine Schnittansicht 6 durch die Sendespule 8 in 2 dargestellt ist. In 2 ist auch die Empfangsspule 9 sichtbar, obwohl diese nicht in der Schnittebene 6 liegt. Dies erfolgt aus Darstellungsgründen. In einer Öffnung 14 des Zylinders 1 ist eine gestufte Aufnahme 32 ausgebildet. Die gestufte Aufnahme 32 ist dabei am kurbelwellenseitigen Ende des Zylinders 1 ausgebildet. Innerhalb dieser Aufnahme 32 sind die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9 angeordnet. Die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9 sind in ein Isolatormaterial 11 eingebettet. Das Isolatormaterial 11 schützt die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9 vor den rauen Umgebungsbedingungen innerhalb des Zylinders 1. Der Detektor ist daher entsprechend geschützt in der gestuften Aufnahme 32 angeordnet.
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Der so gebildete Detektor weist eine Öffnung 14 auf, die von der Pleuelstange 3 durchgriffen ist. Im Bereich der Kurbelwelle 4 weist die Pleuelstange 3 die größte radiale Auslenkung auf. Mittels des Detektors ist die Stellung der Pleuelstange 3 bestimmbar. Es wird dabei insbesondere die radiale bzw. seitliche Auslenkung der Pleuelstange 3 bestimmt. Es ist daher vorteilhaft, den Detektor, d. h. die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9, nahe des kurbelwellenseitigen Endes des Zylinders 1 anzuordnen.
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Der Kolben 2 bewegt sich von einer in 1 dargestellten oberen Umkehrposition in eine mittlere Stellung, wobei die Pleuelstange 3 maximal zur einen Seite, hier nach links ausgelenkt ist. Nach Durchlaufen eines unteren Umkehrpunktes durchläuft der Kolben 2 wiederum eine mittlere Stellung, wobei nun die Pleuelstange maximal zur anderen Seite, d. h. nach rechts ausgelenkt ist. Die Kurbelwelle 4 dreht sich hierbei entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Der Detektor besteht aus der Sendespule 8, der Empfangsspule 9, einem Hohlleiter 10, dem Isolator 11 und einer elektrischen Verbindung zwischen der Empfangsspule 9 und einer Empfangseinheit sowie einer elektrischen Verbindung zwischen der Sendespule 8 und einer Sendeeinheit. Es sind auch Detektoren denkbar, die mehrere Sendespulen 8 und/oder mehrere Empfangsspulen 9 aufweisen. Vorzugsweise sollen aber nur genau eine Sendespule 8 und genau eine Empfangsspule 9 aus Gründen der Einfachheit und Kostenreduktion vorgesehen sein.
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Die Sendeeinheit erzeugt ein elektrisches Signal, welches entweder moduliert oder unmoduliert ist. Eine Trägerfrequenz ist vorzugsweise immer so zu wählen, dass diese unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz des Hohlleiters 10 liegt. Somit kann im Hohlleiter 10 keine Wellenausbreitung stattfinden und ein vernachlässigbarer Anteil der elektromagnetischen Energie verlässt den Hohlleiter 10. Vernachlässigbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Kolbenstellungsdetektor keine anderen im Motor oder im Fahrzeug vorhandenen elektronischen Geräte in ihrer Arbeitsweise stört oder beeinträchtigt.
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Der Hohlleiter 10 ist hier durch zumindest einen Teil der Zylinderinnenwandung gebildet. Der Hohlleiter 10 wird hier zumindest durch die gestufte Aufnahme 32 gebildet. Der Hohlleiter 10 muss nicht zwingend rund ausgestaltet sein, sondern kann auch eine andere Querschnittsform annehmen. Aus Gründen der Einfachheit und der Fertigung ist ein runder Hohlleiter 10 zu bevorzugen. Der Hohlleiter 10 kann durch eine in den Zylinder 1 eingepresste Hülse gebildet sein. Es sind jedoch auch andere Hohlleiterformen möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird die Sendespule 8 über der Empfangsspule 9 angeordnet. Die Sendespule 8 ist hierbei näher an dem Kolben 2 angeordnet, als die Empfangsspule 9. Der Abstand zwischen dem Kolben 2 und der Sendespule 8 ist kleiner als der Abstand zwischen dem Kolben 2 und der Empfangsspule 9. Die umgekehrte Anordnung, bei der die Empfangsspule 9 über der Sendespule 8 angeordnet ist, ist ebenfalls denkbar. Hierbei wäre die Empfangsspule 9 näher am Kolben 2 angeordnet als die Sendespule 8.
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Das gesendete elektrische Signal wird über eine elektrische Verbindung zwischen der Sendespule 8 und der Sendeeinheit zur Sendespule 8 geführt. Die elektrische Verbindung zwischen der Sendespule 8 und der Sendeeinheit kann eine verdrillte oder nichtverdrillte Zweidrahtleitung sein. Auch eine Verbindung über ein Koaxialsystem, bei welchem eine Durchgangsöffnung im Motorenblock als Außenleiter benutzt wird, ist denkbar. Es ist auch möglich, ein Koaxialkabel, welches nicht Teil des Motorblocks ist, einzusetzen.
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Die Sendespule 8 erzeugt mittels des elektrischen Signals eine charakteristische elektromagnetische Feldverteilung im Hohlleiter 10. Die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9 sind in dem Isolatormaterial 11 eingebettet. Das Isolatormaterial 11 verhindert einerseits, dass die Sendespule 8 und die Empfangsspule 9 ihre Einbauposition verändern und schützt diese ferner vor der Raumumgebung im Motorblock. Zudem weist das Isolatormaterial 11 bzw. der Detektor eine Öffnung 14 auf, um einerseits zu gewährleisten, dass die Pleuelstange 3 ungehindert ihre Bewegung ausführen kann und andererseits Luft während der Hubbewegung des Kolbens 2 aus dem Zylinderraum entweichen oder in den Zylinderraum eindringen kann. Zudem kann ein Ölnebel durch die Öffnung 14 in den Zylinderraum eindringen und den Kolben 2 schmieren.
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Die geometrische Formgebung der Senderspule 8 und der Empfangsspule 9 sind vorzugsweise nicht identisch.
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Auf die Formgebung der Sendespule 8 darf nun näher eingegangen werden.
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Die Sendespule 8 weist mindestens drei unterschiedlich geformte Sektionen 18, 19, 20 auf. Diese Sektionen 18, 19, 20 entstehen durch die unterschiedliche Spulendrahtführung. In 2 ist die Schnittansicht 6 durch die Sendespule 8 zu erkennen. Es sind zwei äußere Sektionen 18 und 20 und eine mittlere Sektion 19 vorhanden. Die Pleuelstange bewegt sich in Radialrichtung zyklisch durch die Sektionen 18, 19, 20, 19, 18, 19 usw.
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In der Sektion 18 ist der Spulendraht entlang eines rechteckigen Segmentes geführt und weist hier den größten Abstand zur Bewegungsebene der Pleuelstange 3 auf. Hieran schließt sich eine engere, parallele Führung des Spulendrahtes in der Sektion 19 an. Hiernach ist die Spulendrahtführung in der Sektion 20 weiter verkleinert, wobei der Abstand des Spulendrahtes von der Bewegungsebene noch kleiner ist als in der Sektion 19. Der Spulendraht ist somit sektionsweise parallel zur Bewegungsebene und symmetrisch zur Bewegungsebene geführt.
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Die Sektion 20 ist so geformt, dass beim Durchlaufen des Umkehrpunktes der Pleuelstange 3 durch die Sektion 20 die Hüllkurve des Empfangssignals minimal wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abstand der Pleuelstange 3 zur Spulendrahtführung im Bereich der Sektion 20 gegenüber den anderen beiden Sektionen 18, 19 minimal ist. Die Spulendrahtführung der Sektionen 18 und 19 ist so ausgeführt, dass der Abstand der Pleuelstange 3 zu dieser größer als bei der Sektion 20 ist. Die jeweiligen Abstände der Pleuelstange 3 zum Spulendraht sind jedoch wiederum unterschiedlich groß, wenn die Pleuelstange 3 sich in der jeweiligen Sektion befindet. Damit wird erreicht, dass jede der drei Sektionen 18, 19, 20 für die verschiedenen Stellungen der Pleuelstange 3 das Empfangssignal zeitlich unterschiedlich ändert. Es ist wichtig, dass die drei Sektionen 18, 19 und 20 unterschiedlich ausgebildet sind, damit eine eindeutige Zuweisung der Stellung der Pleuelstange 3 zeitlich im Verlauf des Empfangssignals stattfinden kann. Das zeitliche Verhalten des Empfangssignals wird dadurch gebildet, dass die Pleuelstange 3 das elektromagnetische Feld, welches durch das Sendesignal in der Sendespule 8 erzeugt wird, verändert. Diese zeitliche Feldveränderung wird durch die Empfangsspule 9 empfangen.
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Es sind mindestens drei unterschiedliche Sektionen 18, 19, 20 vorhanden, um die Stellung der Pleuelstange 3 in den Stellungen Links, Mitte und Rechts zu bestimmen. Eine Ausführung mit mehr als drei Sektionen 18, 19, 20 ist denkbar, aber es muss damit gerechnet werden, dass die einzelnen Beiträge dieser Sektionen zum Empfangssignal einander überlagern und nicht mehr so deutlich zu unterscheiden sind. Dies würde dann dazu führen, dass die Empfangseinheit einen höheren Aufwand für die Bestimmung der einzelnen Signalanteile betreiben muss, dieses kann zu einer Erhöhung der Kosten führen.
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Im Folgenden darf nun auf die 3 näher eingegangen werden. In 3 sind eine Spannungsachse 22 und eine Ortsachse 21 dargestellt. Hier ist eine schematische Darstellung der Spannung der Hüllkurve des Empfangssignals beim Durchlauf der Pleuelstange der drei Sektionen 18, 19 und 20 gezeigt. Die Ortsachse 21 ist als X-Achse dargestellt. Beim Ort 24 misst die Empfangseinheit die Empfangsspannung 30, welche zugleich eine maximale Spannung und lokales Maximum bildet. Diese Spannung 30 korrespondiert zur Stellung der Pleuelstange 3, wobei die Pleuelstange 3 sich im linken Umkehrpunkt, d.h. in der Sektion 18 befindet.
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Dreht die Kurbelwelle 4 weiter, verlässt die Pleuelstange 3 die Sektion 18 und erreicht den Ort 25 in der Sektion 19. Nun ist die Spannung auf den Wert 29 abgefallen, der durch die Empfangseinheit gemessen wird. Durch den Spannungsvergleich zwischen dem Spannungspegel 30 und 29 kann geschlossen werden, dass die Pleuelstange 3 sich nach rechts auf die Mittelposition der Pleuelstangenbewegung zubewegt hat. Wenn die Steigung des Signals negativ ist bewegt sich die Pleuelstange 3 vom linken zum rechten Umkehrpunkt, d.h. hin zu kleineren Sektionen 19, 20.
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Am Ort 26 wird ein lokales Minimum mit dem Spannungspegel 31 gemessen. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Methode kann eindeutig festgestellt werden, dass sich die Pleuelstange 3 im rechten Umkehrpunkt befindet. Aus der radialen Position kann auch auf die axiale Position der Pleuelstange und somit auf die Position des Kolbens 2 geschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Pleuelstange
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Kolbenringe
- 6
- Schnittansicht durch die Sendespule
- 8
- Sendespule
- 9
- Empfangsspule
- 10
- Hohlleiter
- 11
- Isolatormaterial
- 14
- Öffnung im Isolator, die den Zylinderraum mit dem unteren Raum der Kurbelwelle verbinden
- 18
- erste, äußere Sektion der Sendespule
- 19
- zweite, mittlere Sektion der Sendespule
- 20
- dritte, äußere Sektion der Sendespule
- 21
- Ortsachse
- 22
- Spannungsachse für die Spannung des Empfangssignals
- 24
- Ort, an dem die Pleuelstange sich im linken Umkehrpunkt befindet
- 25
- Ort, an dem die Pleuelstange sich in einer mittleren Lage befindet
- 26
- Ort, an dem die Pleuelstange sich im rechten Umkehrpunkt befindet
- 29
- mittlerer Spannungspegel der Hüllkurve bei Erreichen der Mittellage der Pleuelstange
- 30
- maximaler Spannungspegel der Hüllkurve bei Erreichen des linken Umkehrpunktes der Pleuelstange
- 31
- minimaler Spannungspegel der Hüllkurve bei Erreichen des rechten Umkehrpunktes der Pleuelstange
- 32
- Gestufte Aufnahme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016012095 A1 [0004]
