DE2911420C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Umwandlung von Bewegungen in elektrische Signale.

Ein derartiger Wandler ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für eine Verbrennungskraftmaschine bestimmt, um ein elektrisches Signal zu liefern, das kenn­ zeichnend für die Winkeldrehlage der Kurbelwelle der Maschi­ ne ist und zur Steuerung der Funkenzündung der Maschine dient.

Bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen wird die Zündung meistens durch mechanische Unterbrecherkontakte gesteuert, die von einem sich drehenden Nocken betätigt werden, der von der Kurbelwelle der Maschine angetrieben ist. Der Zeitpunkt der Zündung wird dadurch gesteuert, daß die Winkelstellung der Unterbrecherkontakte relativ zu der Drehachse des Nockens in Abhängigkeit von dem Wert des Teilvakuums bewegt wird, das im Einlaßstutzen der Maschine abgenommen wird.

Vor kurzem sind elektronische Zündsysteme für Verbrennungskraftmaschinen entwickelt worden. Elektronische Systeme gestatten die Steuerung des Zeitpunktes der Zündung in Ab­ hängigkeit nicht nur von dem zuvor genannten Vakuumpegel, sondern außerdem in Abhängigkeit von verschiedenen anderen Betriebsparametern der Maschine, so daß damit die Maschine mit einem größeren Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die elektronischen Zündsysteme benötigen nicht die herkömmlichen Unterbrecherkontakte und Steuernocken, jedoch sind gewisse Mittel erforderlich, um dem System ein elektrisches Signal zu liefern, das die Drehwinkellage der Maschine angibt, so daß so das System den Zeitpunkt der Zündung steuern kann. Darüber hinaus ist eine sehr viel genauere Überwachung der Drehwinkellage der Kurbelwelle der Maschine erforderlich, als das mit der herkömmlichen Anordnung, bestehend aus Un­ terbrecherkontakten und Nocken, möglich ist, wenn die Vor­ teile hinsichtlich des Wirkungsgrades des Betriebs der Ma­ schine, der durch die elektronischen Zündsysteme möglich ist, auf ein Maximum gebracht werden sollen.

Ein älterer Vorschlag zur Überwachung der Rotation der Maschine besteht darin, in das Schwungrad der Maschine eine Reihe von Permanentmagneten in einem genauen Abstand am Um­ fang des Schwungrades einzusetzen. Die Magneten stecken in Löchern, die in das Schwungrad gebohrt sind. Eine Aufnahme­ spule befindet sich an der Maschine dicht an dem Schwungrad, so daß bei dessen Drehung jeder Magnet einen elektrischen Impuls in der Spule induziert, wenn der Magnet die Spule passiert. Jeder Impuls kennzeichnet somit das Auftreten einer bestimmten Winkelstellung der Maschine. Es ist bei dieser Anordnung jedoch schwierig, scharfe Impulse zu erzielen, wie das für ein elektronisches Zündsystem erforderlich ist, um genau anzugeben, wann jeder der Magnete sich in die Flucht­ linie mit der Spule bewegt, da dann, wenn ein Magnet sich der Spule nähert und diese passiert, ein relativ langer Anstieg und Abfall der induzierten Impulse auftritt, so daß es schwie­ rig ist, die Spitze des Impulses zu bestimmen und somit den Augenblick des Fluchtens von Spule und Magnet. Zur Verringe­ rung, jedoch nicht zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist die Spule so nahe wie möglich an dem Schwungrad angeordnet, beispielsweise näher als 0,2 mm, was in der Praxis schwierig zu erreichen ist, ohne daß die Kosten der Maschine erhöht wer­ den. Außerdem ist von Nachteil, daß das erforderliche genaue Bohren des Schwungrades zum Einsetzen der Magnete merklich die Kosten der Maschine erhöht. Eine weitere Schwierigkeit bei die­ sem älteren Vorschlag besteht darin, daß bei Betrieb die Ten­ denz besteht, daß sich Schmutz auf der Aufnahmespule absetzt, was dazu führt, daß die Spitzenamplitude der erzeugten Impulse sich mit der Zeit verringert, wenn sich der Schmutz aufbaut, so daß es schwierig ist, Schwellwertkreise zu verwenden, um die Form der induzierten Impulse zu verbessern. Wird ein Schwell­ wertkreis mit festem Schwellwert verwendet, so muß die Ampli­ tude des Schwellwertes relativ niedrig sein, um der Verringe­ rung der Impulsamplitude Rechnung zu tragen, die im Laufe der Zeit bei den magnet-induzierten Impulsen auftritt, wenn man davon ausgeht, daß die induzierten Impulse immer den Schwellwert überschreiten müssen. Der relativ niedrige Schwellwert bedingt somit ungenaue Ergebnisse.

Durch die DE-OS 19 13 517 ist ein Wandler der be­ treffenden Art bekannt, bei dem die Sende- und Empfangsmit­ tel aufgrund der innewohnenden elektrischen Eigenschaften einer Langzeitdrift unterliegen, die sich nachteilig auf den Wert der Ausgangssignale auswirken. Außerdem wirken sich angesetzter Schmutz, Fett oder dergleichen nachteilig auf den absoluten Wert der von dem Empfangsmittel abgegebenen Signale aus. Da bei einer Verbrennungskraftmaschine naturgemäß hohe Temperaturunterschiede, starke Vibrationen und Ansätze von Schmutz oder Fett auftreten, fallen die genann­ ten Langzeitdriftnachteile besonders stark ins Gewicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der betreffenden Art zu schaffen, der einfach und billig ist, bei dem die Anforderungen an die Toleranzen für die Anordnung der Teile gering sind und der ein genaues Drehwinkelsignal liefert, auf das sich Langzeitänderungen der Schaltung, der Anordnung sowie eine langsame Ansammlung von Schmutz nicht nachteilig auswirken.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.

Der Wandler gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß das durch die Vergleichseinrichtung erzeugte Signal eine genaue Anzeige des Beginns und des Endes der von dem beweg­ lichen Teil gesetzten Unterbrechungen liefert, selbst im Falle einer Änderung der Signalamplitude aufgrund von Schmutz, der sich auf den Sende- und Empfangsmitteln aufge­ baut hat. Dieser Vorteil ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß das Ausgangssignal von dem Empfangsmittel in der Ver­ gleichseinrichtung mit einem Steuersignal verglichen wird, das repräsentativ für einen Mittelwert der ersten und zwei­ ten Werte ist. Eine Änderung der Signalamplitude aufgrund von angesammeltem Schmutz ändert die ersten und zweiten Werte des Ausgangssignals und ändert infolgedessen den Wert des Kontroll- oder Steuersignals. Das Kontrollsignal defi­ niert somit sehr wirksam einen variablen Schwellwert, der sich automatisch ändert, um aufgebauten Schmutz oder anderen Faktoren Rechnung zu tragen, die die Größe des Ausgangs­ signals von den Empfangsmitteln ändern.

Die ersten und zweiten Inverter sind zweck­ mäßigerweise CMOS-Inverter.

Eine alternative Lösung der der Erfindung zu­ grundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 3 angegeben. Bei dieser Alternativlösung ist statt der Konden­ satoranordnung gemäß Anspruch 1 ein Filternetzwerk verwendet.

Anhand der Zeichnungen sollen weitere Einzel­ heiten und Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung nach­ folgend näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen elektrischen Verschiebewandler gemäß der Erfindung, angebracht an einer Verbrennungskraft­ maschine,

Fig. 2 zeigt perspektivisch und mehr im einzelnen einen Teil des Wandlers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Wandlers, und

Fig. 4 verdeutlicht mehrere elektrische Wellenzüge, die bei Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 3 gebildet werden.

In Fig. 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit sechs Zylindern gezeigt, die mit einem elektrischen Verschiebewandler gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Der Wandler weist ein Teil auf, das von der Maschine gedreht wird und eine Metallscheibe 2 ist, die auf der Kurbelwelle der Maschine befestigt ist und einen kronierten Rand hat. An dem Gehäuse der Maschine ist ein elektrischer Abtaster 3 befestigt, der elektrische Signale liefert, die die Drehwinkelstellung der Scheibe 2 angeben. Die Anordnung 3 wird mit elektrischen Signalen aus einem Steuer­ kreis 4 gespeist, während Ausgangssignale aus der Anordnung 3 in einen Kreis 4 gelangen.

Der Kreis 4 liefert Signale auf einer Leitung 5, die sehr genau die Drehwinkelstellung der Scheibe 2 angeben, und diese Signale gelangen in einen Rechenkreis 6, der die Signale als Bezugssignale bei der Berechnung des passenden Zündzeitpunktes für die Zündkerzen der Maschine verwendet, wobei der Zeitpunkt in Abhängigkeit von abgetasteten Betriebsparametern der Ma­ schine berechnet wird. Solche Rechenkreise sind bekannt, einer ist z. B. in der britischen Patentschrift 14 81 683 beschrieben.

Das Ausgangssignal des Rechenkreises gelangt an eine Ein­ richtung 7 zur Erzeugung und Verteilung der Zündfunken. Die Ein­ richtung kann beliebiger, allgemein bekannter Art sein und braucht daher nicht hier näher beschrieben zu werden. Die Anordnung 7 speist elektrische Hochspannungssignale in her­ kömmliche Zündkerzen 8 ein, die in der Maschine 1 eingebaut sind.

Die Scheibe 2 und die Abtastanordnung 3 des Wandlers sind im einzelnen näher in Fig. 2 gezeigt. Die Scheibe 2 weist Kronierungen 9 mit drei Zacken auf, die sechs sich radial erstreckende Kanten 10 haben, von denen jede eine vorbestimmte Stellung der Winkeldrehung der Maschine definiert. Die Kanten sind so angeordnet, daß sie beim Passieren der Tastanordnung 3 mit ihren entsprechenden Kanten einen vorbestimmten Winkel vor dem oberen Totpunkt der sechs Kolben der Maschine definieren. Die Abtastanordnung 3 stellt den Durchgang der Kanten 10 fest und weist Sende- und Empfangsmittel auf gegenüberliegenden Sei­ ten der Scheibe 2 auf, wobei die Sendemittel eine Spule 11 ent­ halten, die auf einem U-förmigen Ferritkern 12 aufgewickelt ist, deren Polstücke 12 a, b auf einer Linie liegen, die sich radial zu der Scheibe erstreckt, während die Empfangsmittel bei diesem Ausführungsbeispiel in gleicher Weise eine auf einem Ferritkern 14 aufgewickelte und mit Mittelanzapfung versehene Spule 13 aufweisen.

Wie das nachfolgend näher erläutert wird, wird in die Spule 11 ein oszillierendes elektrisches Signal zur Induzierung eines elektrischen Ausgangssignals in der Spule 13 eingespeist. Bei Drehung der Scheibe 2 unterbrechen die Kronierungen 9 immer wieder den Pfad des magnetischen Flusses von der Spule 11 zu der Spule 13, und somit wechselt bei Drehung der Scheibe 2 das in der Spule 13 induzierte Ausgangssignal zwischen zwei Spitzenamplituden, von denen die erste einen relativ gerin­ gen Wert hat und während der Zeitspannen auftritt, während deren die Kronierungen 9 die induktive Kopplung zwischen den Spulen 11 und 13 unterbrechen, während die zweite davon einen relativ großen Wert hat und während Zeitspannen zwi­ schen den Unterbrechungen auftritt. Somit kennzeichnen die Übergänge zwischen zwei Spitzenamplituden in dem in der Spule 13 induzierten Signal den Durchgang der Kanten 10 der Scheibe 2 durch die Abtastanordnung 3. Der Schaltkreis 4 dient zur Feststellung dieser Übergänge zwischen den beiden Spitzen­ signalamplituden.

Der Schaltkreis 4 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 näher erläutert, er ist mit gestrichelten Linien gekennzeichnet. Die Schaltung wird durch einen Systemtakt­ geber (nicht dargestellt) gespeist, der Taktimpulse an eine Klemme 15 liefert. Die Taktimpulse haben typischerweise eine Frequenz von 100 kHz oder mehr und sind in einen Treiberkreis 16 eingespeist, der mit der Frequenz der Taktimpulse eine rechteckige oder sinusförmige Wellenform erzeugt, die dazu dient, die Spule 11 zu erregen. Die Wellenform des in die Spule 11 eingespeisten Signals ist in Fig. 4a gezeigt. Die Wellenform des bei Drehung der Scheibe 2 in der Spule 13 induzierten Signals ist in Fig. 4b gezeigt, aus der sich ergibt, daß das induzierte Signal aus dem Signal der Fig. 4a besteht, wiederkehrend mit einer ersten Spitzenwertamplitude amplitudenmoduliert, während die Kronierungen 9 die induktive Kopplung zwischen den Spulen unterbrechen, und amplituden­ moduliert auf eine zweite Spitzenwertamplitude für Zeitspannen zwischen den Unterbrechungen durch die Kronierungen 9. Es ist außerdem zu ersehen, daß an den Übergängen zwischen zwei Spitzensignalpegeln eine endliche Anstiegs- oder Abfallzeit auftritt als Resultat der Zeit, die die Kanten 10 zum Durch­ laufen der Spulen 11, 13 benötigen.

Das in der Spule 13 mit Mittelanzapfung induzierte modu­ lierte Signal gelangt über Leitungen 17 und 18 an einen Ganz­ wellendemodulator 19, um die Trägerfrequenz der Taktwellen­ form zu entfernen und ein Signal abzuleiten, das die Ampli­ tudenmodulation wiedergibt, die durch die Rotation der Scheibe 2 bewirkt wird.

Der Demodulator weist zwei CMOS-Übertragungsgatter 20, 21 auf, die an Leitungen 17 und 18 und einen Inverter 22 ange­ schlossen sind. Die Steuerelektroden der MOS-Transistoren der Gatter 20, 21 werden entweder mit dem Taktwellenzug oder mit einer Umkehrung davon, erzeugt durch einen Inverter 22, in solcher Weise gespeist, daß die durch die Drehung der Scheibe 2 erzeugte Amplitudenhüllkurve wiedergewonnen wird. Das Aus­ gangssignal des Demodulators 19 gelangt in ein Filter mit einem Widerstand R 1 und einem Kondensator C 1, das die durch den Demodulator erzeugten Harmonischen ausfiltert.

Das gefilterte Ausgangssignal des Demodulators 19 ist in Fig. 4c gezeigt, aus der sich ergibt, daß das gefilterte Ausgangssignal sich abwechselnd zwischen einem ersten Signal­ pegel mit der Größe V₁ und einem zweiten Signalpegel von der Größe V₂ jedesmal dann ändert, wenn eine der Kanten 10 der Scheibe die Spulen 11, 13 passiert. Das Signal hat endliche Anstiegs- und Abfallzeiten t _r , t _s , wenn die Kanten 10 zwi­ schen den Spulen passieren.

Zur genauen Feststellung der Zeitlage der Übergänge in der Wellenform der Fig. 4c wird das gefilterte Ausgangs­ signal des Demodulators 19 in einen Eingang eines Differen­ tialverstärkers 22 eingespeist, der als Rechteckvergleichs­ einrichtung arbeitet. Der andere Eingang des Verstärkers 22 erhält einen Gleichspannungspegel Va, gewonnen aus dem Aus­ gangssignal des Demodulators durch ein Filternetzwerk mit einem Widerstand R 2 und einem Kondensator C 2. Der Gleich­ spannungspegel V a ist so bemessen, daß er einen Mittelwert der Werte der Signalpegel V₁, V₂ darstellt und vorzugsweise folgenden Wert hat:

Va = ½ (V₁ + V₂)

Die Vergleichseinrichtung 22 wird nur dann ein Ausgangssignal auf Leitung 23 liefern, wenn der in Fig. 4c gezeigte Signal­ pegel den Wert Va übersteigt, was zu einem rechteckigen Wellen­ zug auf Leitung 23 führt, wie das in Fig. 4d gezeigt ist. Die vorderen und hinteren Kanten des Rechtecks geben sehr ge­ nau den Durchgang der Kanten 10 der Scheibe 2 zwischen den Spulen 11, 13 an, da die Größe des gefilterten Ausgangssignals des Demodulators 19 gleich Va auf dem halben Weg der Anstiegs­ zeiten t _r , t _s wird. Die Verwendung der Vergleichseinrichtung 22 und des mittelnden Filternetzwerks R 2, C 2 bedeutet einen wesentlichen Vorteil, indem die Zeitlage der vorderen und hinteren Kanten der Impulse der Wellenform gemäß Fig. 4d nicht nachteilig durch langzeitiges Triften der Werte von V₁ und / oder V₂ beeinflußt wird, da das gefilterte Aus­ gangssignal des Demodulators 19 immer mit einem Mittelwert von V₁ und V₂ verglichen und der Mittelwert im gleichen Verhältnis durch das Langzeittriften von V₁ und / oder V₂ beeinflußt wird, so daß die vorderen und hinteren Kanten der Wellenform gemäß Fig. 4d immer auf der Hälfte der Über­ gänge zwischen V₁ und V₂ auftreten.

Es ist außerdem zu ersehen, daß Änderungen in der Fre­ quenz der Taktwellenform an der Klemme 15 nicht wesentlich die Genauigkeit des Ausgangssignals auf der Leitung 23 be­ einflussen.

Darüber hinaus kann das Filternetzwerk C 2, R 2 so ausge­ legt werden, daß der Wandler genau im normalen Geschwindig­ keitsbereich der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine ar­ beitet.

Der Schaltkreis 4 hat außerdem den Vorteil, daß er sich sehr einfach durch integrierte CMOS-Schaltkreistechniken reali­ sieren und in die Schaltkreiskomponente(n) des Rechenkreises 6 integrieren läßt.

Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Sende- und Empfangsmittel auf Ferritkernen angeordnete Spulen aufweisen, können auch andere Einrichtungen, wie beispiels­ weise l.e.d. oder ein Fotodetektor, verwendet werden. Die beschriebene Spulenanordnung ist jedoch besonders zweck­ mäßig, da sie einen weiten Abstand von z. B. 5 mm zwischen den Kernen ermöglicht und praktisch nicht durch Schmutz oder andere darauf angesammelte Ablagerungen beeinträchtigt wird und Vibrationen, Stößen oder Temperaturänderunqen wider­ stehen kann, die in der Nähe einer Verbrennungskraftmaschine auftreten.

Während das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er­ findung bei einem Zündsystem für eine Verbrennungskraftma­ schine Verwendung findet, bestehen auch andere Anwendungs­ möglichkeiten, z. B. bei der Brennstoffeinspritzung, Abgas­ rezirkulation und anderen Maschinensteuersystemen.

Claims (4)

1. Wandler zur Umwandlung von Bewegungen in elektrische Signale, mit im Abstand zueinander angeordneten Sende- und Empfangsmitteln zur Aussendung von Energie und zum Empfang der Energie, mit einem Teil, das zwischen dem Sendemittel und dem Empfangsmittel bewegbar ist und zur wiederkehrenden Unterbrechung des Pfades der Energie von dem Sendemittel zu dem Empfangsmittel in Abhängigkeit von der Bewegung des Teils zwischen den beiden Mitteln dient, wobei das Empfangs­ mittel ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das während der wiederkehrenden Unterbrechung einen ersten Wert annimmt und während der zwischen den Unterbrechungen liegenden Zeitspannen einen zweiten, unterschiedlichen Wert, wobei

• - die genannten Sende- und Empfangsmittel im Abstand zueinander angeordnete und miteinander induktiv ge­ koppelte Spulen aufweisen,
• - ein Treiberkreis mit einem Eingang zur Aufnahme von Taktimpulsen vorgesehen ist, der oszillierend elek­ trische Signale in eine der genannten Spulen mit einer Frequenz einspeist, die durch die Frequenz der Takt­ impulse gesteuert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Empfangsmittel einen Demodulator aufweisen, der Übertragungsgatter mit Transistoren aufweist, deren Elektroden die Taktimpulse oder deren Kehrwerte er­ halten und
• - Ausgangsmittel vorgesehen sind, die auf das ge­ nannte Ausgangssignal ansprechen und ein gesteuertes Signal einer Größe erzeugen, das für einen Mittelwert der genannten ersten und zweiten Größen repräsentativ ist, wobei die Ausgangsmittel einen Kondensator auf­ weisen, der mit ersten und zweiten Invertern verbun­ den ist, die die gleiche thermische Umgebung haben, wobei der erste Inverter ein Ausgangssignal der glei­ chen allgemeinen Form liefert, wie sie durch den ge­ nannten Demodulator an den genannten Kondensator ge­ liefert wird, die jedoch auf ein vorbestimmtes Poten­ tial verschoben ist, während der zweite Inverter den Schaltschwellwert des genannten ersten Inverters im Sinne einer Kompensation von Langzeittemperaturdriften des Wandlers steuert.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Inverter CMOS-Inverter sind.

3. Wandler zur Umwandlung von Bewegungen in elektrische Signale, mit im Abstand zueinander angeordneten Sende- und Empfangsmitteln zur Aussendung von Energie und zum Empfang der Energie, mit einem Teil, das zwischen dem Sendemittel und dem Empfangsmittel bewegbar ist und zur wiederkehrenden Unterbrechung des Pfades der Energie von dem Sendemittel zu dem Empfangsmittel in Abhängigkeit von der Bewegung des Teils zwischen den beiden Mitteln dient, wobei das Empfangs­ mittel ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das während der wiederkehrenden Unterbrechung einen ersten Wert annimmt und während der zwischen den Unterbrechnungen liegenden Zeitspannen einen zweiten, unterschiedlichen Wert, gekennzeichnet durch Mittel (17-22, R 2, C 2), die auf das Ausgangssignal ansprechen und ein Steuersignal von einer Größe erzeugen, die repräsentativ für das Mittel der ersten und zweiten Werte ist, wobei die genannten Mittel zur Erzeugung eines Steuersignals ein an einen Demodulator angeschlossenes und das genannte Steuersignal erzeugendes Filternetzwerk um einen einen Differenzverstärker aufweisenden Komparator aufweisen, der mit einem ersten Eingang an das genannte Filternetzwerk angeschlossen ist und von dort das genannte Steuersignal erhält und der mit einem zweiten Eingang zur Einspeisung des demodulierten Signals von dem Demodulator angeschlossen ist, so daß die Größe eines solchen Signals von den genannten Empfangsmitteln mit der Größe des Steuersignals verglichen wird, um so das genannte Ausgangssignal zu bilden.