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Einrichtung zum Erfassen wenigstens einer signalauslösenden
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Markierung auf einer mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
gekuppelten Scheibe Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen wenigstens
einer signalauslösenden Markierung auf einer mit der Kurbelwelle einer Brenkraftmaschine
gekuppelten Scheibe, mit einem Induktionssystem sowie einer Signal-Aufbereitungsschaltung.
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Wird bei Brennkraftmaschinen im Hinblick auf die Schadstoffemission
ein exakter Zündzeitpunkt gewünscht, so ist als Voraussetzung dafür ein Bezugspunkt
für die Zündauslösung ebenfalls exakt zu bestimmen. Dazu kann eine genau fixierte
Markierung auf einer mit der Kurbelwelle gekuppelten Scheibe dienen, wobei diese
Markierung noch vor dem frühest möglichen Zündzeitpunkt liegen muß. Die Bezeichnung
Frühzündung charakterisiert die Winkelbeziehung zwischen oberem Totpunkt des jeweiligen
Kolbens und dem Zündzeitpunkt.
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Generell läßt sich sagen, daß mit höher werdender Drehzahl der Zündzeitpunkt
in Richtung früh verschoben werden Tnuî, wenn die Brennkraftmaschine mit gutem Wirkungsgrad
arbeiten soll. Als zweckmäßig hat sich herausgestellt, den Bezugspunkt für die Zündungsauslösung
60 Grad vor dem oberen Totpunkt OT anzuordnen. Darüber hinaus kann eine weitere
Markierung im Bereich des oberen Totpunktes eines Kolbens vorgesehen sein, um den
Anlaß-Z'ündzeitpunkt zu fixieren.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese beiden Markierungen,
eine etwa 60 Grad vor OT, die andere in OT, als Magnetstifte mit unterschiedlicher
magnetischer Polarität auf der Geberseite ausgebildet sind. In einem Induktionssystem
werden dann Signale mit in ihrer Polarität unterschiedlichen Anfangs-Halbwellen
erzeugt. Aus diesen Signalen kann dann z.B. ein elektrisches Winkelsegment gewonnen
werden.
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Das Gebersignal ist bei dem verwendeten Induktionsgebersystem von
prinzipiell bedingten Stösignalen begleitet. Die Amplituden der Störsignle nehmen
wie die Nutzsignalamplitude proportional mit der Drehzahl zu, und es besteht die
Gefahr, daß gerade bei hohen Drehzahlen die Störamplituden in den Größenbereich
der Nutzamplituden bei kleinen Drehzahlen kommen. Dies jedoch würde zu falschen
Meßergebnissen führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung in Verbindung
mit einem Induktionsgebersystem zu schaffen, die Störungen vom nachfolgenden Signal-Auswertesystem
abzuhalten vermag.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Signal-Aufbereitungsschaltung
als Schwellwertschalter mit veränderbarer Hysterese ausgebildet ist.
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Mit dieser veränderbaren Hysterese lassen sich Störsignale, deren
Amplitude prinzipbedingt ebenso wie die Amplitude des Nutzsignales mit steigender
Drehzahl zunimmt, ausfiltern.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hysterese in wählbarer Funktion
drehzahlabhängig ist.
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Nach dem Induktionsgesetzt sind zwar die Amplituden einer durch Induktion
gewonnenen Signal spannung arehzahlproportional, und damit müßte auch die Amplitude
der Hysterese linear verstellbar sein, doch sind ggf. auch nichtlineare Zusammenhänge
erwünscht, falls die vorhandenen Schaltungsanordnungen eine solche Nichtlinearität
zweckmäßig erscheinen lassen.
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Für die Erzeugung der die Hysterese bestimmenden elektrischen Größe
ist es besonders vorteilhaft und kostengünstig, wenn Widerstands-Dioden-Netzwerke
verwendet werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es möglich, eine
Information über die Winkelstellung der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu
erhalten, die drehzahlunabhängig ist und keine Fehlersignale entstehen läßt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig.
la, b: eine Anordnung von Scheibe, Markierungen und Induktionsgeber, Fig. 2 ein
störungsbehaftetes Signal, das durch zwei geberseitig eine unterschiedliche magnetische
Polarität aufweisende Markierungen ausgelöst wird, Fig. 3 die Abhängigkeit der Hysterese
von der Drehzahl, Fig. 4 eine erste Schaltungsanordnung, Fig. 4a ein Impulsdiagramm
zu dieser ersten Schaltungsanordnung, und Fig. 5 eine zweite Schaltungsanordnung.
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In Fig. 1 ist mit 10 eine mit der Kurbelwelle gekuppelte Scheibe bezeichnet,
mit 11 bis 14 jeweils magnetische Markierungen mit geberseitig unterschiedlicher
magnetischer Polarität. Diese Markierungen werden von einem Geber 15 erfaßt. Fig.
2 zeigt das Geber-Ausgangssignal. Da jede Markierung benachbarte Markierungen mit
andersartiger magnetischer Polarisierung besitzt, zeigt das Geber-Ausgangssignal
zu Beginn und am Ende eines jeden Signals Störanteile mit dem gleichen Vorzeichen
wie dem der benachbarten Nutzanteile. Da diese Störanteile drehzahlabhängig sind,
müssen sie zur Unterscheidung von Nutz- und Störsignal "ausgefiltert werden. Dies
geschieht mit einer veränderbaren Ansprechschwelle bzw. Hysterese.
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Eine solche drehzahlabhängige Hysterese zeigt Fig. 3. Bei niedrigen
Drehzahlen ist der Schwellwert und damit die Hysterese konstant, rvährend sie ab
einer bestimmten Drehzahl hyperbelförmig zunimmt. Die Veränderung wird dabei durch
Hyperbelzweige Um über eine Widerstands-Dioden-Kombination gebildet.
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Fig. 4 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Signal-Aufbereitungsschaltung,
deren wesentlichster Bestandteil ein mitgekoppelter Vestärker 20 bildet. Wegen der
Mitkopplung stellt der Verstärker 20 einen Schmitt-Trigger dar, der in seiner Hysterese
mit einem Signal auf einer Leistung 21 verändert werden kann. Bewerkstelligt wird
die Mitkopplung über eine Reihenschaltung zweier Widerstände 23 und 24 zwischen
Ausgang 25 und nichtinvertierendem Eingang 26 des Verstärkers 20, an deren Verbindungspunkt
27 die Leitung 21 angeschlossen ist. Sein Steuersignal erhält der Verstärker 2C
vom Geber 15, dem ein Widerstand 29 parallel geschaltet ist. Dieser Widerstand 29
gewährleistet ausreichende Niederohmigkeit gegen Störspannungen bei hohen Drehzahlen,
er darf jedoch mit Rücksicht auf die AnkerrUckwirkung nicht zu niederohmig gemacht
werden.
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Während der Anschluß 30 des Gebers 15 mit dem Verbindungspunkt 31
eines aus zwei Widerständen 32 und 33 bestehenden Spannungsteilers zwischen einer
Plus leitung 34 und einer Minus leitung 35 verbunden ist und von diesen Verbindungspunkt
ein Widerstand 37 zum invertierenden Eingang 38 des Verstärkers 20 geführt ist,
steht der zweite Anschluß 40 des Gebers 15 über eine Reihenschaltung zweier Widerstände
41 und 42 mit dem nichtlnvertierendem Eingang 26 des Verstärkers 20 in Verbindung.
Der Kopplungspunkt der Widerstände 41 und 42 ist noch über je eine in Sperrichtung
gepolte Diode 44 und 45 zu der Plus- und Minusleitung 34, 35 geführt. Diese Dioden
44 und 45 begrenzen den Hub des Gebersignales am gemeinsamen Punkt der Widerstände
41 und 42 auf die Versorgungsspannung. Die Widerstände 32 und 33 dienen der Erzeugung
einer Referenzspannung für den Schwellwertschalter. Aus Sicherheitsgründen liegen
zwischen den beiden Eingängen 26 und 38 des Verstärkers. 20 antiparallele Dioden
46 und 47.
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Die Hysteresesteuerung des Schmitt-Triggers mit dem Verstärker 20
erfolgt über die Leitung 21 aus einer Dioden-Widerstands-Kombination, deren Eingänge
50 und 51 wiederum mit der in Fig. 3 gestrichelt gezeichneten Spannung Um, bzw.
Um beaufschlagt werden. Zwischen diesen beiden Eingängen 50 und 51 liegt eine Reihenschaltung
dreier Widerstände 52, 53 und 54, wobei der mittlere Widerstand 53 mit einer Reihenschaltung
zweier Dioden 55 und 56, die in Durchlaßrichtung geschaltet sind, überbrückt ist.
Am Verbindungspunkt dieser beiden Dioden 55 und 56 ist die Leitung 21 angeschlossen.
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Darüber hinaus sind zu beiden Seiten des Widerstandes 53 noch je zwei
Zener-Dioden 60 bis 63 zu der Plus- und Mlnusleitung 34, 35 gelegt.
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Die Funktionsweise der Hysterese-Steuerung läßt sich anhand der Impulsdiagramme
von Fig. 4a erklären: 1. Leitung 21 sei abgetrennt, Schutz Dioden 44 - 47 seien
nicht vorhanden. Dann ist die Hysterese des Schwellwertschalters gegeben durch das
Verhältnis der Widerstände 23/24 und 41/42. Am Ausgang 25 des Verstärkers 20 stehen
Impulse zur Verfügung, deren Amplituden um die Sättigungsspannungen des Verstärkers
geringer sind als die Versorgungsspannung. Am Punkt 27 erscheinen gestrichelt gezeichnet
Impulse mit etwas verringerter Amplitude (Spannungsteilung durch Widerstände 24
und 25), es ergibt sich eine große Hysterese.
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2. Leitung 21 sei nunmehr mit der Dioden-Widerstandkombina--1 tion
verbunden. Die Drehzahl betrage ca. 5000 min 1. Die Spannung an den Punkten 25 und
27 zeigt Fig. 4a2. Befindet sich Punkt 25 am positiven Anschlag, dann ist Diode
56 leitend, und es fließt ein Strom von 25 über 24 und 56 (Spannung an 21 gleich
8V + U56 = 8,7V). Befindet sich Punkt 25 am negativen Anschlag, dann ist Diode 55
leitend, und es fließt ein Strom über 55 und 24 (Spannung an 21 gleich 2V - U55
= 1,3V).
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Die Zenerdioden 61 - 63 sind stets gesperrt und üben keinerlei Wirkung
aus. Die Spannung an 27 ist kleiner als bei 1., und die Hysterese wird gegenüber
1. etwas verkleinert.
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3. Leitung 21 verbunden. Drehzahl 2000 min . Erklärung wie bei 2.;
Zenerdioden stets gesperrt. Hysterese nunmehr wesentlich kleiner als bei 2.
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4. Leitung 21 verbunden. Drehzahl kleiner 1500 min 1. ~ Ohne die Zenerdioden
61 - 63 würde bei kleiner werdender Drehzahl die Hysterese Null werden, und der
Schmitt-Trigger wäre unbrauchbar. - Mit Hilfe der Zenerdioden wird eine Begrenzung
eingeführt. Mit kleiner werdendem Um beginnt über 63, 62 und 54 ein Strom zum Punkt
51 zu fliessen. Gleiches gilt für Um und 505 61 und 52. Die Spannung an 53 wird
nicht mehr von Um und Um bestimmt. Da die Charakteristik der Zenerdioden in der
Umgebung des Einsetzens des Zenerstromes eine gekrümmte Kurve Ist, erfolgt ein "weiches"
Einsetzen des Begrenzungseffektes. Dies ist in Fig. 3 strichpunktiert gezeichnet.
In der Praxis werden zum Zwecke der Temperaturkompensation insgesamt 4 Zenerdioden
eingesetzt, die prinzipielle Wirkuiigsweise ändert sich jedoch nicht, wenn die Zenerdioden
62, 63 und 60, 61 zu je einer Diode zusammengefaßt werden.
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Entsprechend Fig. 3 bewirkt demnach die Dioden-Widerstands-Kombination
von Fig. t eine Hysterese-Aufweitung oberhalb einer wählbaren Drehzahl nh, und diese
bestimmte Drehzahl ist wiederum durch die Steuerspannungen Um und Um bestimmt. Die
Steuerspannungen Um und Um selbst lassen sich über nichtlineare Schaltungselemente
aus einem drehzahlproportionalen Gebersignal gewinnen.
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In Fig. 5 ist das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
die Hystereseverstellung nicht über einen Eingriff in die Mitkopplungs-Leitung erfolgt,
sondern der Widerstand vor dem nichtinvertierenden Eingang 26 in wählbarer Weise
verändert wird. Dazu ist der Ausgang 40 des Gebers 15 mit dem Verbindungspunkt eines
Spannungsteilers aus den Wider- -ständen 70 und 71 zwischen der Plus leitung 34
und der Minusleitung 35 verbunden,von dem aus ein veränderbarer Widerstand 72 zum
nichtinvertierenden Eingang 26 des Verstärkers 20 geführt ist. Der zweite Eingang
30 des Gebers 15 liegt über einen Widerstand 73 am invertierenden Eingang 38.
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Da die Hysterese des Schmitt-Triggers proportional zum Wert des Widerstandes
72 ist und die Hysterese bei höheren Drehzahlen größer werden soll, so muß bei kleiner
Drehzahl ein kleiner Wert für den Widerstand 72 geschaffen werden und-entsprechend
bei großer Drehzahl ein großer Widerstandswert. Zweckmäßigerweise wird anstelle
dieses Widerstandes 72 ein Feldeffekttransistor verwendet, der mit der Steuerspannung
Um über einen Spannungsteiler gesteuert wird (selbstleitender Sperrschicht-FET,
z. B. BF 245).
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Die vorstehend beschriebenen Schaltungen sind ihrem Typ nach Schmitt-Trigger
mit veränderbarer Hysterese. In der gezeigten Beschaltung liefern sie nahezu drehzahlunabhängige
Signale für eine nachfolgende Auswerteschaltung, wodurch z.B. ein Bezugspunkt für
die Zündauslösung bei einer Brennkraftmaschine exakt ermittelt werden kann. Die
in Fig. 3 gezeigte Form hat sich im vorliegenden Fall als zweckmäßig erwiesen, jedoch
können auch lineare Abhängigkeiten je nach nachfolgender Auswerteschaltung wünschenswert
sein.
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Die Bezeichnung Schmitt-Trigger steht in der vorstehenden Beschreibung
generell für einen Schwellwertschalter mit Hysterese.