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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
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Ein derartiger Verbrennungsmotor als Verbrennungskraftmaschine, insbesondere auch ein Kleinnmotor mit einem Zylinder oder mit zwei Zylindern, umfasst typischerweise eine Kurbelwelle, an welche der im jeweiligen Zylinder bewegte Kolben (Hubkolben) mittels einer Pleuelstange gekoppelt ist, so dass die lineare Kolbenwegung in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Synchron mit der Kurbelwelle ist eine Nockenwelle angetrieben, welche Ein- und Auslassventile für das in den Brennraum des Zylinders über einen Ansaugtrakt, beispielsweise mit elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung (electronic fuel injection, EFI), einströmende Luft-Brennstoff-Gemisch bzw. für das ausströmende Abgas steuert. Ein batteriebetriebener Verbrennungsmotor weist zudem einen elektrischen (elektromotorischen) Anlasser oder Starter zum Starten des Verbrennungsmotors sowie einen elektrischen Generator zum Laden der Batterie (Starterbatterie) auf.
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Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere auch bei Kleinnmotoren mit maximal zwei Zylindern und beispielsweise Zwei- oder Vier-Takt-Betrieb, wird zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ein typischerweise magnetfeldsensitiver Drehgeber (Hall- oder VR-Sensor) eingesetzt, um die Position der Kurbelwelle zu delektieren. Ein derartiger Hall- oder VR-Sensor als Drehgeber zeigt die Bewegung und die Orientierung der Kurbelwelle, beispielsweise indirekt über den Zahnkranz eines elektrischen (elektromotorischen) Starters oder Anlassers des Verbrennungsmotors, an.
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Im typischerweise als ein Rechtecksignal mit einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis (duty cycle) bereitgestellten Gebersignal des magnetfeldsensitiven Drehgebers sind beispielsweise bewusst fehlende Rechteckimpulse vorgesehen, um aus der Anzahl der Pulse und Pulspausen, die bis zum fehlenden Rechteckimpuls auftreten, eine vollständige Umdrehung (360°) der Kurbelwelle (360° KW) und einen Kreiswinkel der Kurbelwelle zu bestimmen. Die fehlenden Rechteckimpulse können zur Synchronisierung herangezogen werden, so dass beispielsweise ein Steuergerät (electronic circuit unit, ECU) einen Nullpunkt für die Zählung des Kreiswinkels festlegen kann. So benötigt das Steuergerät eine entsprechende Orientierung im Kurbelwinkelkreis, um die Rechenoperationen auf eine Kolbenbewegung innerhalb des jeweiligen Zylinders und auf einen Arbeitstakt innerhalb eines Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors abzustimmen.
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Bei größeren Vier-Takt Motoren, beispielsweise im Automobilbereich, wird zusätzlich zum Kurbelwellensignal ein von einem Nockenwellensensor generiertes Referenzsignal herangezogen, um beispielsweise zwischen den Arbeitstakten „Ansaugen“ und „Ausstoßen“ der für einen Vier-Takt Motor typischerweise vier Arbeitsschritte, nämlich Ansaugen, Verdichten (und Zünden), Arbeiten (Verbrennen) sowie Ausstoßen, zu differenzieren. Diese zusätzliche Information wird benötigt, um über den Kolbenhub die Stellung der Kurbelwelle festzustellen, die während eines Arbeitszyklus mit den vier Arbeitstakten zwei vollständige Umdrehungen mit insgesamt 720° durchläuft. Mit anderen Worten lässt sich aus der Stellung der Kurbelwelle allein nicht eindeutig ableiten, in welchem Arbeitstakt (Arbeitsschritt) sich der Verbrennungsmotor gerade befindet, da in einem Steuerungssystem, welches die Position der Kurbelwelle benötigt, zum Beispiel nicht zwischen den Arbeitstakten „Verdichten“ und „Ausstoßen“ unterscheiden werden kann.
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Es ist auch denkbar, auf einen Nockenwellensensor zu verzichten und den Verbrennungsmotor im sogenannten Zwei-Takt Modus zu starten sowie bei einer ausreichend hohen Drehzahl auf den Vier-Takt Betrieb umzuschalten. Da jedoch nicht zwischen dem Verdichtungstakt und dem Ausstoßtakt unterschieden werden kann, wird beim Zwei-Takt Modus zweimal während eines Arbeitszyklusses gezündet, also während des regulären Verdichtungstaktes und während des Ausstoßtaktes, bei dem das Gasgemisch (Kraftstoff-Luft-Gemisch) bereits verbrannt und entspannt ist.
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Allerdings kann bei höheren Drehzahlen aufgrund der dann doppelten Lade- und Funkenfrequenz eine thermische Überlastung der Zündspule erfolgen, oder ein kompakter Zündspulenaufbau wie im Vier-Takt Modus mit in einem Arbeitszyklus lediglich einer Zündung während des regulären Verdichtungstaktes ist nicht möglich.
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Um unter Vermeidung dieser Nachteile dennoch eine eindeutige Orientierung am Arbeitstakt zu erreichen und in den Vier-Takt Modus überzugehen, ist es denkbar, dass das Steuergerät bei höheren Drehzahlen auf ein Druck- und/oder Temperatursignal eines sogenannten MAP-Sensors (manifold absolute pressure) synchronisiert wird, welcher üblicherweise zur Erfassung des Drucks (Absolutdrucks) im Ansaugtrakt (Saugrohr) des Verbrennungsmotors und zur typischerweise elektronischen Einspritzung oder zur Steuerung des Gas- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisches für den Verbrennungsmotor vorgesehenen ist.
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Nachteilig bei diesen Methoden beziehungsweise technischen Lösungen zur Bestimmung oder Erkennung der Position einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors ist einerseits der Bedarf an zusätzlicher Sensorik, insbesondere ein Hall- oder VR-Sensor als magnetfeldsensitiven Drehgebers und ein Nockenwellensensor. Andererseits ist der damit verbundene Aufwand zur Bereitstellung der erforderlichen Kabel- und Anschluss- oder Steckverbindungen sowie der damit verbundene Fertigung- und Montageaufwand unerwünscht hoch. Erfolgt eine Zündung im Zwei-Takt-Modus, und wird auf einen Nockenwellensensor verzichtet, muss die Zündspule, insbesondere für hohe Drehzahlen, größer ausgelegt werden, um die doppelte Funkenfrequenz zu gewährleisten.
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Aus der
DE 60 2004 012 838 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Stromversorgungseinheit und mit einem Gleichstrom-Starter zum Starten der Brennkraftmaschine sowie mit einem Motorgenerator und mit einem im Motorgenerator angeordneten Motorwinkelsensor bekannt, der den Wellendrehwinkel des Motorgenerators erfasst, wobei eine Motorsteuereinheit den erfassten Wellendrehwinkel in den Kurbelwinkel umsetzt.
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Die
DE 603 11 903 T2 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition der Kurbelwelle vor einem Anlassvorgang einer Brennkraftmaschine, wobei eine Anfangsposition der Kurbelwelle basierend auf einem Kurbelwellen-Positionssensor bestimmt und die Winkelbewegung eines Rotors in einer Startergeneratorvorrichtung mit der Kurbelwellen-Winkelbewegung in Beziehung gesetzt sowie die Kurbelwellenposition in einer Ruheposition basierend auf der Anfangsposition der Kurbelwelle zuzüglich einer inkrementeilen Kurbelwellen-Winkelbewegung berechnet wird.
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Bei einem aus der
EP 3 147 495 A1 bekannten Verfahren zur Steuerung des Starts/Stops einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Viertaktmotors, erfolgt die Erfassung des Kurbelwellenwinkels mit einer Winkelerfassungseinrichtung, wobei ein integrierte Startergenerator mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, so dass die mindestens einen Hallsensor zur Erfassung der Phasenveränderung eines Rotors aufweisende Winkelerfassungseinrichtung gleichzeitig elektrische Winkel des Startergenerators und Winkel der Kurbelwelle erfassen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors anzugeben. Insbesondere soll mittels eines Generatorsignals eines elektrischen Generators, beispielsweise einer Lichtmaschine zum Laden einer Starterbatterie, ohne zusätzlichen Aufwand und ohne Leistungsverlust des Generators eine eindeutige Orientierung am 360°-Kreissystem einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, insbesondere auch bei möglichst niedrigen Drehzahlen, also auch ab einem Motorstart, ermöglicht sein. Des Weiteren soll eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
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Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 11 sowie hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und 12 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors vorgesehenen Verfahren wird anhand eines erfassten Generatorsignal eines elektrischen Generators der Winkelverlauf der Kurbelwellen ermittelt. Von einer (Starter-)Batterie wird ein Spannungssignal, und/oder von einem Drucksensor wird ein Sensorsignal erfasst. Das Spannungssignal und/oder das Sensorsignal wird zur Synchronisation des Generatorsignals mit einem Kurbelwellenwinkel herangezogen. Der Verbrennungsmotor umfasst die nachfolgend auch als Batterie bezeichnete Starterbatterie und vorzugsweise einen elektrischen (elektromotorischen) Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors sowie den elektrischen Generator, beispielsweise eine Lichtmaschine zum Laden der Starterbatterie, und den Drucksensor zur Erfassung des Drucks in einem Ansaugtrakt (Saugrohr).
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Vorteilhafterweise wird aus dem Spannungssignal der Batterie und/oder aus dem Sensorsignal des Drucksensors ein Arbeitstakt des Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors ermittelt. Diese Information wird vorzugsweise für die Synchronisation des Generatorsignals mit dem Kurbelwellenwinkel und/oder als Trigger (Triggersignal) verwendet bzw. herangezogen. Zweckmäßigerweise wird aus dem Spannungssignal der Batterie (Starterbatterie) ein Verdichtertakt (die oder eine Verdichterphase als Arbeitstakt) des Arbeitszyklusses und aus dem Sensorsignal des Drucksensors ein Ansaugtakt (die oder eine Ansaugphase als Arbeitstakt) des Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors ermittelt.
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Die Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einem mit einer Starterbatterie verbundenen elektrischen (elektromotorischen) Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors und mit einem elektrischen Generator (Lichtmaschine), insbesondere zum Laden der Starterbatterie, sowie mit einem Drucksensor zur Erfassung des Drucks in einem Ansaugtrakt oder Saugrohr weist eine Steuereinrichtung auf, die mit dem Generator und mit dem Drucksensor sowie direkt oder über einen Shunt-Widerstand mit dem nachfolgend auch als Starter bezeichneten Anlasser verbunden ist. Die Steuereinrichtung, die vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen und eingerichtet ist, synchronisiert ein Spannungssignal bzw. einen Spannungsverlauf der Batterie (Batteriespannung) und/oder ein Sensorsignal des Drucksensors mit einem Generatorsignal des Generators.
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Der Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Positionsbestimmung bzw. zur Ermittlung der Orientierung einer Kurbelwelle eines, insbesondere batteriebetriebenen, Verbrennungsmotors die Verwendung zusätzlicher Sensorik oder zusätzlicher Geberelemente vermieden werden kann, wenn mittels vorhandener Baugruppen oder Funktionalitäten des Verbrennungsmotors ein bestimmtes Ereignis einem Kreiswinkel der Kurbelwelle innerhalb mindestens einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung, also innerhalb eines 360°- Kurbelwellenwinkels oder vorzugsweise eines 720°-Kurbelwellenwinkels, zuzuordnen ist. Dieses Ereignis kann dann, beispielsweise als Trigger, für eine Synchronisation vorhandener oder aus dem Motorbetrieb ableitbarer Signale (Spannungssignale oder zeitliche Spannungsverläufe) herangezogen werden.
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Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der im Arbeitstakt „Verdichten“ verursachten Kompression im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors der (Hub-)Kolben des Zylinders im Verdichtertakt einen entsprechenden Gegendruck auf die Kurbelwelle ausübt. Dies erfordert ein entsprechend erhöhtes Drehmoment des elektrischen (elektromotorischen) Anlassers oder Starters des Verbrennungsmotors, was wiederum einen entsprechend erhöhten Anlasserstrom und somit einen höheren Spannungsabfall über einem ohmschen Widerstand der Batterie und/oder der an diese geführten Stromversorgungsleitungen bewirkt. In Folge dessen ist an der Batterie bzw. an deren Anschlussklemmen ein Spannungssignal mit periodischen Spannungseinbrüchen messbar, deren jeweiliges Spannungsminimum bei der maximalen Kompression im Zylinder entstehen. Da dieses Minimum genau zum oberen Totpunkt (OT) des Kolbens erfolgt, lässt sich hieraus eine eindeutige Stellung des Kolbens und der Kurbelwelle delektieren.
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Bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern in 90°-Anordnung, insbesondere in einem sogenannten V-Motor, lässt sich aus diesen, durch die Kompression in den Zylinder bedingten zyklischen Spannungseinbrüche aufgrund ausreichender Kreiswinkel-Auflösung die 90°-Winkelstellung der beiden Zylinder zueinander ableiten. Mit dieser Information der Stellung des Kolbens und der Kurbelwelle sowie in Kenntnis des oberen Totpunktes des ersten und/oder zweiten Zylinders kann ein Generatorsignal des elektrischen Generators synchronisiert werden, indem dieser Kurbelwellenwinkel einer entsprechenden Periode oder Halbwelle des Generatorsignals zugeordnet wird. Im weiteren Verlauf können dann die Perioden oder Halbwellen des Generatorsignals nummerisch erfasst und dem jeweiligen Kurbelwellenwinkel zugeordnet sowie somit die Kurbelwellenposition zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden. Die Batteriespannung bzw. deren zeitlicher Verlauf kann somit als Synchronisationssignal (Trigger, Triggersignal) zur Ermittlung eines bestimmten Arbeitstaktes während eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors verwendet und damit die Position der Kurbelwelle bestimmt werden.
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Periodische Spannungseinbrüche, deren jeweiliges Spannungsminimum bei der maximalen Kompression im jeweiligen Zylinder entstehen, sind auch in einem Sensorsignal eines Drucksensor zur Erfassung des Drucks im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors detektierbar. Dieses Sensorsignal, deren Spannungseinbrüche erkanntermaßen während eines Ansaugtaktes im Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors auftreten, kann somit ebenfalls als Synchronisationssignal (Trigger, Triggersignal) zur Ermittlung des entsprechenden Arbeitstaktes verwendet und damit zur Bestimmung oder Ermittlung die Position der Kurbelwelle herangezogen werden. Die Signalqualität des Sensorsignals ist bei höheren Drehzahlen, insbesondere nach dem Startvorgang des Verbrennungsmotors, vergleichsweise hoch. Daher ist die Batteriespannung während des Startvorgangs besonders geeignet, und das Sensorsignal des Drucksensors ist im Anschluss an den Startvorgang für die Synchronisation bzw. als Trigger (Synchronisations- und/oder Triggersignal) besonders geeignet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem Generatorsignal des elektrischen Generators eine Anzahl an Winkelteilen für jede Umdrehung der Kurbelwelle ermittelt. Mit anderen Worten wird eine Periode oder eine Halbwelle des typischerweise sinusförmigen Generatorsignals einem Winkelteil einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung zugeordnet. Erzeugt der Generator, der zweckmäßigerweise einen mit einer Generatorwicklung versehenen Stator und eine Anzahl von mit der Kurbelwelle rotierenden, beispielsweise an einem Polrad innenliegende, Permanentmagnete umfasst, innerhalb eines 360°-Kurbelwellenwinkel beispielsweise neun Perioden mit achtzehn Halbwellen, so beträgt die Winkelauflösung des Generatorsignals einen Kurbelwellenwinkel oder Winkelteil von 20° während einer Halbwelle.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass während einer Startphase des Verbrennungsmotors die Batteriespannung als Synchronisationssignal (Trigger, Triggersignal) zur Bestimmung der Position der Kurbelwelle herangezogen wird, während zweckmäßigerweise im Anschluss an die Startphase, beispielsweise wenn der Starter (Anlasser) außer Betreib gesetzt ist, vorzugsweise ab einer Motor- bzw. Kurbelwellendrehzahl von 200 U/min bis 2000 U/min, insbesondere von 500 U/min bis 1000 U/min, das Sensorsignal des Drucksensors als Signal (Trigger- und/oder Synchronisationssignal) für die Synchronisation und/- oder zur Bestimmung der Position der Kurbelwelle herangezogen wird. Die Erfassung des die Batteriespannung repräsentierenden Spannungssignals kann an deren Anschlussklemmen, insbesondere an den typischen Batterieklemmen (30, 31), erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung des die Batteriespannung repräsentierenden Spannungssignal an einem Shunt-Widerstand, der beispielsweise in eine Zu- oder Ableitung der Batterie zum Starter (Anlasser) geschaltet ist.
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Zweckmäßigerweise wird ein im Spannungssignal der (Batterie-)Spannung und/- oder im Sensorsignal des Drucksensors auftretendes Minimum zur Synchronisation des Generatorsignals auf den Kurbelwellenwinkel herangezogen. Zusätzlich oder alternativ kann geeigneter Weise der Winkelabstand von zwei im Spannungssignal der Batterie (Batteriespannung) und/oder im Sensorsignal des Drucksensors aufeinander folgenden Minima innerhalb eines Arbeitszyklusses mit vier Arbeitstakten zwischen zwei aufeinander folgenden Umdrehungen der Kurbelwelle mit 720°-Kurbelwellenwinkel zur Synchronisation des Generatorsignals mit dem Kurbelwellenwinkel herangezogen werden. Besonders vorteilhaft werden aus dem Winkelabstand der aufeinander folgenden Minima die Verdichter- und/oder Ansaugphasen zweier Zylinder in 90°-Anordnung des Verbrennungsmotors ermittelt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass zuverlässig und mit besonders geringem Aufwand die Bestimmung oder Ermittlung der Kurbelwellenposition eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kleinmotors mit maximal zwei Zylindern, ermöglicht ist, wobei weder ein magnetfeldsensitiver Drehgeber oder -sensor, beispielsweise ein VR- oder Hall-Sensor, noch ein Nockenwellensensor bei vorhandener Nockenwelle zur Ventilsteuerung von zylinderseitigen Ein- und Auslassventilen für in den Zylinderbrennraum einströmendes Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. aus diesem ausströmendes Abgas eingesetzt werden müssen.
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Zudem kann das Generatorsignal ohne Leistungsverlust des Generators verwendet werden, da dieser beispielsweise nicht mit einer Triggerspule oder -wicklung als Trigger oder Positionsgeber für eine Positionserkennung versehen werden muss, was dessen Generatorleistung reduzieren würde. Des Weiteren ist mit diesem derart sensorlosen (insbesondere hall- und nockenwellensensorlosen) Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung eine praktisch eindeutige Orientierung am 360°-Kurbelwellenwinkel auch bei niedrigen Drehzahlen (des Motors bzw. der Kurbelwelle), also bereits ab dem Motorstart, ermöglicht.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einem schematischen Blockschaltbild einen batteriebetriebenen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Starter (Anlasser) und mit einem elektrischen Generator sowie mit einem Drucksensor,
- 2 in einem Winkel-Spannungsdiagramm den Verlauf eines Generatorsignals des Generators und eines aus der Batteriespannung erzeugten Trigger- und/oder Synchronisationssignals, und
- 3 in einem Diagramm gemäß 2 den synchronen Verlauf des Generatorsignals des Generators und eines aus einem Sensorsignal des Drucksensors erzeugten Trigger- und/oder Synchronisationssignals.
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Einander entsprechend Teile und Angaben sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen batteriebetriebenen Verbrennungsmotor (Verbrennungskraftmaschine) 1 mit Baugruppen bzw. Funktionselementen in Form einer Starterbatterie 2 und eines elektrischen Starters (Anlassers) 3 zum Starten des Verbrennungsmotors 1 sowie eines elektrischen Generators (Lichtmaschine) 4 zum Laden der Starterbatterie 2 und eines Drucksensors 5 zur Erfassung des Drucks in einem Ansaugtrakt (Saugrohr) 6 im Bereich eines schematisch dargestellten Zylinders 7 des Verbrennungsmotors 1.
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Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich um einen Kleinmotor, insbesondere für ein handgetragenes Arbeitsgerät, wie beispielsweise eine Kettensäge oder einen Laubsauger oder dergleichen, mit einem solchen Zylinder 7 oder mit zwei derartigen Zylindern. Der im Zylinder 7 geführte Kolben (Hubkolben) 8 ist über eine Pleuelstange (Pleuel) 9 mit einer Kurbelwelle 10 (mechanisch) gekoppelt, so dass eine durch den Doppelpfeil symbolisierte (lineare) Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 8 in eine durch den Drehpfeil angedeutete Drehbewegung der Kurbelwelle 10 umgesetzt wird.
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Der Generator 4 ist in an sich bekannter Weise an den Verbrennungsmotor 1 bzw. an dessen Kurbelwelle 10 (mechanisch) gekoppelt. Der Starter 3 ist mit der Starterbatterie 2 elektrisch verbunden. Hierzu ist der Starter 3 über eine elektrische Versorgungsleitung 11 mit der typischen Anschlussklemme „30“ des Plus-Pols der Starterbatterie 2 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist in diese Leitung 11 ein Shunt-Widerstand 12 zur Messung des von der Starterbatterie 2 zum Starter 3 fließenden (Anlasser-)Stroms geschaltet. Der Starter 3 ist zudem mit der typischen Anschlussklemme „31“ des Minus-Pols der Starterbatterie 2 verbunden, welcher seinerseits beispielsweise mit einer Geräte- oder Fahrzeugmasse verbunden ist. Zudem ist der Starter 3 mit einem weiteren Anschluss „50“ an das typische geschaltete Plus „15“ eines Zünd-Start-Schalter 13 geführt, der mit der Anschlussklemme „30“ des Plus-Pols der Starterbatterie 2 als typisches Dauer-Plus verbunden ist.
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Die Starterbatterie 2 ist mit deren Anschlussklemme „30“ des Plus-Pols im Ausführungsbeispiel direkt und über den Shunt-Widerstand mit einer Steuereinrichtung (ECU) 14 verbunden. Diese weist hierzu einen ersten Sensoreingang 14a auf, an den ein die Batteriespannung repräsentierendes Spannungssignal SBat geführt ist. An einen zweiten Sensoreingang 14b der Steuereinrichtung 14 ist ein Sensorsignal SMap des Drucksensors 5 geführt, welcher zur Erfassung des Drucks (Absolutdrucks) im Ansaugtrakt oder Saugrohr 6 vorgesehen ist. Über diesen Ansaugtrakt 6 strömt in nicht näher dargestellter Art und Weise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum des jeweiligen Zylinders 7. Des Weiteren erhält die Steuereinrichtung 14 den Verlauf der (Lade-)Spannung des Generators 4 als Generatorsignal SGen über den Plus-Pol-Anschluss „30“ der auch zur Spannungsversorgung der Steuereinrichtung 14 dienenden Starterbatterie 2.
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Bei dem nachfolgend anhand der 2 und 3 erläuterten Verfahren zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle 10 wird von einem im Viertaktverfahren arbeitenden Verbrennungsmotor 1 mit zwei Zylindern 7 in sogenannter V-Anordnung ausgegangen. Dies bedeutet, dass die Zylinder 7 in etwa rechtem Winkel (90°) zueinander angeordnet sind. Im Viertaktverfahren wird ein Arbeitszyklus mit den Arbeitstakten „Ansaugen - Verdichten (und Zünden) - Arbeiten - Ausstoßen“ in zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 10, dies bedeutet in einem 720°-Kurbelwellenwinkel durchlaufen.
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Bei dem Verfahren wird anhand des erfassten Generatorsignals SGen des elektrischen Generators 4 der Winkelverlauf der Kurbelwellen 10 ermittelt. Von der (Starter-)Batterie 2 wird der über den Shunt-Widerstand 12 fließende Batteriestrom als Spannungssignal SBat erfasst und der Steuereinrichtung 14 über deren Sensoreingang 14a zugeführt. Das Sensorsignal SMap des Drucksensors 5 wird der Steuereinrichtung 14 über deren Sensoreingang 14b ebenfalls zugeführt. Die Steuereinrichtung 14 synchronisiert das Generatorsignals SGen mit dem Kurbelwellenwinkel KW (crank angle) anhand des Spannungssignals SBat der Starterbatterie 2 und vorzugsweise auch mittels des Sensorsignal SMap.
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In den 2 und 3 ist jeweils im oberen Diagrammbereich das Generatorsignal SGen dargestellt. Auf der Abszisse ist der Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen. Das Generatorsignal SGen enthält im Ausführungsbeispiel neun (9) Signalperioden mit achtzehn (18) Halbwellen für jede vollständige 360°-Kurbellwellenumdrehung, so dass jede Halbwelle einem Kurbelwellenwinkel KW oder Winkelteil von 20° entspricht.
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In 2 ist nach etwa einer Kurbelwellenumdrehung im Spannungssignal SBat der Starterbatterie 2 einer erster Spannungseinbruch (Minimum) und nach einem Kurbelwellenwinkel von etwa 270° ein zweiter Spannungseinbruch (Minimum) deutlich erkennbar. Konkret sind, sobald sich der erkennbare Spannungseinbruch nach dem Einschalten des Starters (Anlassers) 3 stabilisiert hat, im weiteren Verlauf des den (zeitlichen) Verlauf der Batteriespannung repräsentierenden Spannungssignals SBat die periodisch wiederkehrenden Spannungseinbrüche deutlich erkennbar. Diese zyklischen Spannungseinbrüche (Spannungsminima) sind verursacht durch die Kompression im Zylinder 7 des Verbrennungsmotors (V-Motors) 1, wobei sich anhand der Winkeleinheiten die 90°-Winkelstellung der beiden Zylinder 7 zueinander ableiten lässt.
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Mit anderen Worten lässt sich mit der bekannten 90°-Anordnung der beiden Zylinder 7 des Verbrennungsmotors 1 aus den Spannungsminima und insbesondere aus dem bekannten 270°-Winkelabstand aufgrund ausreicher Kreiswinkelauflösung die 90°-Winkelstellung der beiden Zylinder 7 zueinander ableiten. Mit dieser Information der Stellung der Kolben 8 und der Kurbelwelle 10 sowie in Kenntnis des oberen Totpunktes des ersten und zweiten Zylinders 7 kann das Generatorsignal SGen synchronisiert werden, indem dieser Kurbelwellenwinkel KW einer entsprechenden Periode oder Halbwelle des Generatorsignals SGen zugeordnet wird.
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Im weiteren Verlauf werden die den Perioden bzw. Halbwellen des Generatorsignals SGen zugeordneten Winkelteile von 40° oder 20° nummerisch erfasst und daraus der entsprechende Kurbelwellenwinkel KW ermittelt, so dass die Kurbelwellenposition zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden kann.
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Für die Synchronisation bzw. als Trigger (Anlass, Auslöser, Triggersignal) dient der Arbeitstakt „Verdichten“, da dieser erkanntermaßen aufgrund der Kompression im jeweiligen Zylinder 7 des Verbrennungsmotors 1 einen entsprechenden Gegendruck auf die Kurbelwelle 10 mit der Folge ausübt, dass der Anlasser- bzw. Batteriestrom erhöht ist und einen entsprechend höheren Spannungsabfall über dem (ohmschen) Shunt-Widerstand 12 bewirkt. Dieser erhöhte Spannungsabfall spielgelt sich in den Spannungsminima des Spannungssignals SBat wieder. Da erkanntermaßen diese Signalminima bei der maximalen Kompression in den Zylindern 7 und zum oberen Totpunkt (OT) des jeweiligen Kolbens 8 entstehen, die aufgrund der 90°-Zylinderanordnung um 270° Kurbewellenwinkel KW versetzt auftreten, ist hieraus die Stellung der Kolbens 8 und der Kurbelwelle 10 aus dem Spannungssignal SBat detektierbar. Die Batteriespannung bzw. deren zeitlicher Verlauf ist somit Trigger (Synchronisationssignal) für die Synchronisierung des Generatorsignal SGen mit dem Kurbelwellenwinkel KW bzw. der Position der Kurbelwelle 10.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, sind auch im Sensorsignal SMap periodische Spannungseinbrüche erkennbar. Deren Winkelabstand beträgt ebenfalls etwa 270°. Diese Signalminima treten erkanntermaßen während der Ansaugphasen der beiden Zylinder 7 in 90°- oder V-Anordnung des Verbrennungsmotors 1 auf. Daher kann auch dieser 270°-Winkelabstand der im Sensorsignal SMap des Drucksensors 5 aufeinander folgenden Signal-Minima innerhalb eines Arbeitszyklusses mit vier Arbeitstakten zwischen den zwei aufeinander folgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 10 mit 720°-Kurbelwellenwinkel zur Synchronisation des Generatorsignals SGen mit dem Kurbelwellenwinkel KW herangezogen werden. Dieses Sensorsignal SMap, deren Spannungseinbrüche ebenfalls während zwei Umdrehungen (720°) der Kurbelwelle 10 im 270°-Winkelabstand des Kurbelwellenwinkels KW auftreten, können daher ebenfalls als Trigger (Anlass, Auslöser, Synchronisationssignal) zur Ermittlung des entsprechenden Arbeitstaktes (Ansaugen) während des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors 1 verwendet und zur Positionsbestimmung der Kurbelwelle 10 herangezogen werden.
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Da die Signalqualität des Sensorsignals SMap bei höheren Drehzahlen, insbesondere nach dem Startvorgang des Verbrennungsmotors 1, vergleichsweise hoch ist, ist es besonders vorteilhaft, das Spannungssignal SBat während des Betriebs des Startes 3 und das Sensorsignal SMap im Anschluss an den Startvorgang als notwendigenfalls erneuten Trigger (Synchronisationssignal) für eine weitere Synchronisation des Generatorsignals SGen mit dem Kurbelwellenwinkel KW die Kurbelwellenposition heranzuziehen.
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Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung kann somit zuverlässig und mit geringem Aufwand die Kurbelwellenposition des Verbrennungsmotors 1, insbesondere eines Kleinmotors mit maximal zwei Zylindern, ermittelt werden. Dabei müssen weder ein magnetfeldsensitiver Drehgeber oder -sensor, beispielsweise ein VR- oder Hall-Sensor, noch ein Nockenwellensensor bei vorhandener Nockenwelle zur Ventilsteuerung von zylinderseitigen Ein- und Auslassventilen für in den Zylinderbrennraum einströmendes Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. aus diesem ausströmendes Abgas eingesetzt werden. Das Generatorsignal SGen wird ohne Leistungsverlust des Generators 4 verwendet, da dieser keine Triggerspule oder -wicklung als Positionsgeber benötigt.
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Zusammenfassend kann somit das Generatorsignal SGen als Drehgeber verwendet und mit dem Spannungssignal SBat der Batterie 2 beim Anlassvorgang die Kurbelwellenstellung beim oberen Totpunkt des einen und/oder anderen Zylinders 7 exakt delektiert werden. Für den weiteren Motorenlauf kann das Generatorsignal SGen zur Ablaufsteuerung der Steuereinrichtung 14 verwendet werden. Die elektronische Steuereinrichtung oder Steuereinheit (ECU) 14, die an die Batterie 2 angeschlossen ist, kann dieses Generatorsignal SGen ohne Mehraufwand erfassen oder messen bzw. weiterverarbeiten.
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Insbesondere wenn das Spannungssignal SBat aufgrund der Signalhöhe nicht ausreichend für eine eindeutige Analyse erscheint, wird der Spannungsabfall auf der stromführenden Leitung zum Starter (Anlasser) hin (im Strompfad „30“) durch den entsprechenden Shunt-Widerstand 12 vergrößert. Dadurch fällt bei einer Stromänderung auch eine höher Spannungsdifferenz über dem Shunt-Widerstand 12 ab. Somit wird das Nutzsignal, also der Spannungseinbruch größer, wenn der Anlasser 3 über den oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors 1 dreht. Das Signal sollte hinter dem Shunt-Widerstand 12, von der Batterie 2 zum Anlasser 3 hin, abgegriffen werden. Auch kann der Leitungswiderstand vom Pluspol der Batterie 2 bis zum Starter (Anlassermotor) 3 ausreichend sein, um die Signalqualität zu verbessern. Der Spannungsabfall über den Zuleitungen kann dann auch direkt am Starter (Anlasser) 3 mittels einer Messleitung zur Steuereinrichtung 14 erfolgen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Kurbelwelle 10 eines Verbrennungsmotors 1 mit einer Starterbatterie 2 und mit einem elektrischen Anlasser 3 zum Starten des Verbrennungsmotors 1 sowie mit einem elektrischen Generator 4, insbesondere zum Laden der Starterbatterie 2, wobei anhand eines erfassten Generatorsignal SGen des Generators 4 der Winkelverlauf der Kurbelwellen 10 ermittelt wird, und wobei ein Spannungssignal SBat der Starterbatterie 2 und/oder ein Sensorsignal SMap eines Drucksensors 5, insbesondere zur Erfassung des Drucks in einem Ansaugtrakt 6, erfasst und zur Synchronisation bzw. zum Triggern des Generatorsignal SGen mit einem Kurbelwellenwinkel KW herangezogen wird.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
