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Die Erfindung geht aus von einer
Einrichtung zur Erkennung der Phasenlage bei einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei
einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einer Kurbel- und einer
Nockenwelle wird vom Steuergerät in
Abhängigkeit
von der erkannten Lage der Kurbel- bzw. Nockenwelle berechnet, wann
und in welchen Zylinder Kraftstoff eingespritzt werden soll, und
zu welchem Zeitpunkt die Zündung
ausgelöst
werden muss. Dabei ist es üblich,
die Winkellage der Kurbelwelle mit Hilfe eines Sensors zu ermitteln,
der die Kurbelwelle, bzw. eine mit dieser verbundene Scheibe mit
einer charakteristischen Oberfläche
abtastet. Ausgehend von der erhaltenen Impulsfolge kann das Steuergerät die Winkelzuordnungen
erkennen.
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Da sich die Kurbelwelle innerhalb
eines Arbeitsspieles zweimal dreht, lässt sich jedoch allein durch
Abtasten der Kurbelwelle die Phasenlage der Brennkraftmaschine nicht
eindeutig bestimmen. Damit dies möglich ist, wird üblicherweise
mit Hilfe eines zweiten Sensors eine mit der Nockenwelle in Verbindung
stehende Geberscheibe, die an ihrer Oberfläche eine Bezugsmarke aufweist,
abgetastet. Da sich die Nockenwelle nur einmal während eines Arbeitsspieles
dreht, kann das Steuergerät
aus dein vom Nockemvellensensor gelieferten Signal mit einem einzigen
Impuls pro Arbeitsspiel die Phasenlage der Brennkraftmaschine erkennen
und eine Syn- chronisation durchführen. Ein solches System wird
beispielsweise in der
DE
42 30 616 A1 be schrieben. Aus der
DE 40 40 828 A1 ist bereits
ein Verfahren bekannt bei dem in einem Probe- betrieb nur einer
von zwei möglichen
Zylinder mit Kraftstoff versorgt und die sich dadurch ergebende
Drehzahländerung
ausgewertet wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung
der Phasenlage bei einer Brennkraftmaschine hat die Aufgabe, dass
kein eigener Phasensensor, also kein Sensor, der eine mit der Nockenwelle
rotierende Scheibe abtastet, benötigt
wird, sondern lediglich ein Sensor, der die Stellung der Kurbelwelle
ermittelt.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei wird unter bestimmten Bedingungen
eine Überprüfung der
Phasenlage durchgeführt,
wobei diese Bedingungen vorteilhafterweise das Wiedereinsetzen der
sequentiellen Kraftstoffeinspritzung nach einer Schubabschaltung
sind. Im einzelnen wird dabei über
einen Segmentzeitvergleich ermittelt, ob die Drehzahlerhöhungen einzelner
eingespritzter Zylinder in der erwarteten Winkellage auftreten.
Daraus wird auf die richtige oder die falsche Phasenlage geschlossen.
Unter Segmentzeit ist eine Zeit zu verstehen, die verstreicht, während sich
die Kurbelwelle um einen Winkel dreht, der allgemein als Segment
bezeichnet wird.
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Durch eine vorteilhafte Einspritz-
und Ausblendfolge kann nach der Schubabschaltung ein Wiedereinsetzen
der sequentiellen Kraftstoffeinspritzung und eine sanfte Aufsteuerung
auf das volle Drehmoment erzielt werden. Ein sicherer Segmentzeitvergleich
und eine Mehrfachabsicherung der Phasenlage während eines Wiedereinsetzvorganges ist
in vorteilhafter Weise gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann in vorteilhafter
Weise bei einem System mit Auslauferkennung eingesetzt werden. Es
wird dann im Start die sequentielle Kraftstoffeinspritzung entsprechend der
abgespeicherten Auslaufposition sofort durchgeführt und die Zündung nach
er- folgreicher Kurbelwellen-Synchronisation, also nach erfolgreicher
Phasenerkennung, begonnen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann jedoch
auch bei anderen herkömmlichen
Systemen verwendet werden, bei denen der Phasensensor eingespart
werden soll oder kann dann eingesetzt werden, wenn ein vorhandener
Phasensensor ausfällt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch bei
einem herkömmlichen
System ohne Auslauferkennung eingesetzt werden, wenn im Start Simultaneinspritzungen
erfolgen, die unabhängig
von der richtigen Phasenlage zu einem Start der Brennkraftmaschine
führen.
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Weiter Vorteile der Erfindung sind
durch die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen zu
erzielen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. In 1 sind die für das Verständnis der
Erfindung wesentlichen Bestandteile des Steuerungssystems einer
Brennkraftmaschine schematisch dargestellt und in 2 werden die Zusammenhänge zwischen
Einlassventilöffnung,
Einspritzimpulsen und Zündungen
in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel angegeben.
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Beschreibung
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In 1 sind
die zur Erläuterung
der Erfindung erforderlichen Komponenten des Steuerungssystems einer
Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Dabei ist mit 10 eine
Geberscheibe bezeichnet, die starr mit der Kurbelwelle 11 der
Brennkraftmaschine verbunden ist und an ihrem Umfang eine Vielzahl
gleichartiger Winkelmarken 12 aufweist. Neben diesen gleichartigen
Winkelmarken 12 ist eine Referenzmarke 13 vorhanden,
die beispielsweise durch zwei fehlende Winkelmarken realisiert ist.
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Eine Anzahl von Winkelmarken 12 bildet
jeweils ein Segment. Die Größe eines
Segments bzw. der Winkelbereich δ, über den
sich ein Segment erstreckt, hängt
von der Zahl n der Zylinder ab.
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Die Geberscheibe 10 wird
vom Aufnehmer 14, beispielsweise einem induktiven Aufnehmer
oder einem Hall-Sensor, abgetastet, die beim Vorbeilaufen der Winkelmarken
im Aufnehmer erzeugten Signale werden im Steuergerät 15 in
geeigneter Weise aufbereitet.
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Ein bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen vorhandener
Phasensensor, der die Nockenwelle 16 bzw. eine mit der
Nockenwelle 16 verbundene Scheibe mit einer Markierung
abtastet, wird hier nicht benötigt.
Die Information bezüglich
der Phasenlage, die aus dem Ausgangssignal eines solchen Sensors üblicherweise
gewonnen wird, wird hier mit Hilfe der Überprüfung der Phasenlage durch gestuftes
seqentielle Kraftstoffeinspritz-Wiedereinsetzen erhalten.
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Das Steuergerät 15 erhält über verschiedene Eingänge weitere,
für die
Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine erforderliche Eingangsgrößen, die
von verschiedenen Sensoren gemessen werden. In 1 sind diese Sensoren mit 17 bezeichnet. Über einen
weiteren Eingang wird ein "Zündung ein"-Signal zugeführt, das
beim Schließen
des Zündschalters 18 von
der Klemme Kl. 15 des Zündschlosses
geliefert wird und dem Steuergerät
die Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine anzeigt.
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Das Steuergerät 15 selbst umfasst
wenigstens eine zentrale Prozessoreinheit 20 sowie Speicher 19.
Im Steuergerät 15 werden
Signale für
die Einspritzung und Zündung
für nicht
näher bezeichnete
entsprechende Komponenten der Brennkraftmaschine ermittelt. Diese
Signale werden über
die Ausgänge 21 und 22 des
Steuergerätes 15 abgegeben.
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Die Spannungsversorgung des Steuergerätes 15 erfolgt
in üblicher
Weise mit Hilfe einer Batterie 23, die über einen Schalter 24 während des
Betriebes der Brennkraftmaschine sowie während einer vom Steuergerät selbst
gesteuerten Nachlaufphase nach Abstellen des Motors mit dein Steuergerät 15 in Verbindung
steht. Die Nachlaufphase kann auch mit anderen Mitteln, beispielsweise
mittels im Steuergerät
vorhandener Spannungsspeicher realisiert werden. In der Nachlaufphase
werden die nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine nach ermittelten
Informationen abgespeichert, sie stehen dann beim Wiedereinschalten
der Brennkraftmaschine dem Steuergerät sofort zur Verfügung. Diese
Informationen umfassen insbesondere auch die letzten Winkelstellungen
der Kurbel- bzw. Nockenwelle sowie Informationen hinsichtlich der
letzten Phasenlage.
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Mit der in 1 beschriebenen Einrichtung kann die
Stellung der Kurbelwelle 11 während des Betriebes der Brennkraftmaschine
jederzeit erfasst werden. Da die Zuordnung zwischen Kurbelwelle
und Nockenwelle ebenso bekannt ist wie die Zuordnung zwischen der
Stellung der Nockenwelle und der Lage der einzelnen Zylinder, kann
nach dem Erkennen der Bezugsmarke eine Synchronisation erfolgen,
jedoch nur dann, wenn ein für
die Phasenlage charakteristisches Signal vorhanden ist.
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Bei einem System, das ohne Phasensensor auskommen
soll, das heißt
also ohne Sensor, der die Stellung der Nockenwelle ermittelt, besteht
das Problem, dass das vom Kurbelwellensensor gelieferte Bezugsmarkensignal
mehrdeutig ist, da sich die Kurbelwelle innerhalb eines Arbeitsspieles
zweimal dreht, während
sich die Nockenwelle nur einmal dreht. Es wird deshalb zur Erkennung
der Phasenlage vom Steuergerät
bei bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere nach einer erkannten
Schubabschaltung beim Wiedereinsetzen der sequentiellen Kraftstoffeinspritzung
diese so beeinflusst, dass sie unter bestimmten Umständen zu
Drehzahländerungen
führt,
die vom Steuergerät
erkannt werden können
und zur Phasensynchronisation herangezogen werden. Die genaue Vorgehensweise
bei dieser Phasensynchronisation bzw. bei der Überprüfung, ob die angenommene Phase
richtig ist, soll nun anhand der in 2 dargestellten
Zusammenhänge
verdeutlicht werden.
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In 2 sind
die für
die Zündung
und Einspritzung wesentlichen Größen über dein
Kurbelwellenwinkel α KW
in Grad KW aufgetragen. Dabei sind in 2a die Verläufe der
Einlassventilöffnungen
und Zündungen
bei einer Vierzylinderbrennkraftmaschine dargestellt. Die dargestellte
Folge der Zylinder entspricht nicht der mechanischen Anordnung der
Zylinder sondern der Reihenfolge der Zündungen. 2b zeigt die Zusammenhänge bei
einer Wiedereinsetzung bei richtig angenommener Phasenlage und 2c denselben Sachverhalt
bei einem Wiedereinsetzen bei falscher Phasenlage und anschließender Neusynchronisation.
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Im einzelnen bedeuten in 2:
LWOT1 ist der Punkt,
zu dem sich der Zylinder 1 im sogenannten Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt befindet.
ZOT1 bezeichnet den oberen Totpunkt des Zylinders, bei dem gezündet wird.
Dass eine Zündung ausgelöst wird,
wird durch die Pfeile 25 in 2 symbolisiert.
Der Bereich 26 bezeichnet jeweils einen Bereich, in dem
ein Einlassventil geöffnet
ist und mit 27 sind die Einspritzimpulse bezeichnet. Gestrichelt
sind Bereiche 27a, an denen Einspritzimpulse nicht ausgelöst werden.
Jeweils nach einem Winkel von 720 Grad KW, also nach einem Arbeitsspiel
ist eine vertikale Linie eingetragen. EE und ES sind Abkürzungen für erste
Einspritzung und erste Synchronisation. EEvES bedeutet erste Einspritzung
vor erster Synchronisation. Mit 1. Zykl, 2. Zykl
usw. ist der erste, zweite usw. Zyklus bezeichnet.
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Mit der in 1 dargestellten Vorrichtung sowie den
in 2 angegebenen Zusammenhängen kann
das im folgenden beschriebene Verfahren durchgeführt werden.
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In einem System mit Auslauferkennung,
bei dem also nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine die letzten
Winkelstellungen der Kurbel- bzw. Nockenwelle sowie die Phasenlage
im Steuergerät 15 abgespeichert
werden, wird im Start die sequentielle Kraftstoffeinspritzung entsprechend
der gespeicherten Auslaufposition sofort begonnen. Die ersten Zündungen
werden nach einer erfolgreichen Kurbelwellensynchronisation eingeleitet.
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Ist in seltenen Fällen die Auslaufposition falsch,
erfolgt der Start der Brennkraftmaschine mit um 360 Grad KW verschobener
Phasenlage der Einspritzung; dies führt zu keinen nennenswerten
Einschränkungen
des Start- und Nachstartverhaltens. Dies gilt für alle Systeme, die mit rotierender
oder ruhender Hochspannungsverteilung mit Doppelfunkenspulen arbeiten,
die ohne Zylindererkennung auskommen. Bei ruhender Hochspannungsverteilung mit
Einzelfunkenspulen müsste
bis zur erstmöglichen Phasenüberprüfung mit
Doppelzundung gearbeitet werden, so dass bei jedem oberen Totpunkt
(ZOT, LWOT) eine Zündung
ausgelöst
wird. Es ist auch möglich,
im Start Simultaneinspritzungen durchzuführen, die unabhängig sind
von der richtigen Phasenlage.
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Bei der nun beschriebenen Überprüfung der Phasenlage
durch gestuftes sequentielles Kraftstoffeinspritz-Wiedereinsetzen
(SEFI-Wiedereinsetzen) ist es möglich,
ohne jede Einbuße
an Motorlauf- bzw. Fahrverhalten eine Phasenüberprüfung zu erhalten. Es muss für die Einspritzung
berücksichtigt
werden, dass eine Einspritzfolge gewählt wird, die sicherstellt, dass
in einem Motorzyklus nur in einem der beiden Zylinder eingespritzt
wird. Die folgende Verbrennung des Kraftstoffs muss im gleichen
Kurbelwellen-Segment der Segmentlänge α erfolgen. In 2a ist eine solche Folge für eine Vierzylinderbrennkraftmaschine
dargestellt. Die Zahlen entsprechend vereinfachend nicht der Zündfolge
sondern der chronologischen Reihenfolge.
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Das gestufte SEFI-Wiedereinsetzen
erfolgt, nachdem vom Steuergerät 15 erkannt
wurde, dass eine Schubphase beendet ist. Die Schubabschaltung erfolgt
bei den heute eingesetzten Systemen allgemein bei geringer Last
und wird vom Steuergerät 15 eingeleitet
und beendet. Die Einspritzfolge beginnt also beim Beispiel nach 2a ab erkannter Wiedereinsetz-Bedingung
mit Zylinder 1. Die Folge lautet dann: 1-4-2-3-4-1-2-3-4
.... Andere Folgen, auch für beliebige
Zylinderzahlen sind denkbar. Sie sollten so gewählt sein, dass sie gleichzeitig
einen möglichst sanften
Momentenaufbau gewährleisten,
so dass nach dem Wiedereinsetzen der Einspritzungen ein optimaler Übergang
erfolgt.
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In 2b sind
die Zusammenhänge
bei der Wiedereinsetzung der Kraftstoffeinspritzung bei angenommener
richtiger Phasenlage dargestellt. Die Bereiche mit erkannter Schubbabschaltung
sind mit S und der Bereich, in dem Wiedereinsetzen der Einspritzung
vorliegt, ist mit W bezeichnet. Diese Zusammenhänge gelten also, wenn die nach
der Auslauferkennung abgespeicherten Phasenlage sich nicht verändert hat.
In 2c sind die Zusammenhänge dargestellt,
wenn ausgehend von der Auslauferkennung mit einer falschen Phasenlage
begonnen wird. Es ist dann eine anschließende Synchronisation erforderlich.
Nach der Synchronisation ist die richtige Phasenlage erkannt und
die sequentiellen Kraftstoffeinspritzungen erfolgen in optimaler
Weise.
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Die Erkennung, ob die Einspritzung
in richtiger oder falscher Phasenlage erfolgt, wird durch einen
Vergleich der zylinderspezifischen Segmentzeiten erzielt. Es wird
dabei vom Steuergerät 15 überwacht,
wann die sich einstellenden Drehzahlüberhöhungen auftreten.
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Als zylinderspezifische Segmentzeiten
tα werden
die Zeiten bezeichnet, die ablaufen, während sich die Kurbelwelle
um einen Kurbelwellenwinkel α, der
einem Segment entspricht, dreht. Im Steuergerät 15 werden diese
Zeiten laufend ermittelt und miteinander verglichen.
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Eine erste Art der Phasenprüfung kann
wie in 2 dargestellt,
durch Auswertung der Verschiebung der Drehzahlerhöhung zur
erfolgten Einspritzung, in Verbindung mit großer Vorlagerung der Einspritzung
erfolgen. Dabei ist unter Vorlagerung ein Winkel zu verstehen, um
den die Einspritzung verschoben ist. Liegen die Drehzahlerhöhungen wie
in 2b bei der gewählten Vorlagerung
erst im Segement 720 Grad KW nach den Einspritzungen, ist die Phasenlage
korrekt. Erfolgen sie jedoch wie in 2c schon
im Segment 360 Grad KW nach den Einspritzungen, ist die Phasenlage
falsch.
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Eine weitere Art der Phasenprüfung, die
alternativ oder zusätzlich
erfolgen kann, beruht darauf, dass eine Drehzahlerhöhung eines
eingespritzten Zylinders immer nach dessen Zünd-OT liegen muss. Somit kann
beispielsweise beim Beispiel nach 2c rückwirkend
festgestellt werden, dass die erste Drehzahlerhöhung, die aus den ersten Einspritzungen
des Einspritzventiles EV1 resultiert, nach dem Zünd-Oberen Totpunkt 1 liegen
muss und nicht dem für
die Vorlagerungsberechnung verwendeten Zünd-Oberen Totpunkt 1 (falsch)
entspricht. Diese Art der Phasenprüfung kann bei beliebiger Vorlagerung
erfolgen.
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Durch den Vergleich mehrerer Segmentzeiten
von gefeuertem (eingespritztem) und nicht gefeuertem Betrieb kann
eine gute Absicherung erfolgen. Ein Drehzahlabfall, insbesondere
bei ausgekuppelter Brennkraftmaschine kann durch die Bildung des
mittleren Segmentzeitverlaufs über
den gesamten Wiedereinsetz-Verlauf und darauf bezogenem Unterschied
der einzelnen Segmentzeiten berücksichtigt werden.
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Nach festgestellter falscher Phasenlage kann
vom Steuergerät
eine neue Synchronisation vorgenommen werden und die Phase um 360
Grad KW verschoben werden. Hier sind verschiedene Verläufe der
sequentiellen Kraftstoffeinspritzung denkbar. Bei dem in 2c dargestellten Beispiel
wird nach Ablauf des zweiten Brennkraftmaschinenzyklus ab Wiedereinsetzbeginn
die Synchronisation durchgeführt.
Es werden dabei alle Einspritzungen parallel abgesetzt, die bei
richtiger Phasenlage schon früher erfolgt
wären.
Anschließend
erfolgen die Einspritzungen in korrekten Kurbelwellenwinkelstellungen.
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Um eine Störung der Segmentzeiten durch Kraftstoff-Füllungsänderungen
der Zylinder zu minimieren, kann die Phasenprüfung auf Wiedereinsetzvorgänge beschränkt werden,
die durch Unterschreiten der Wiedereinsetz-Drehzahl oder zusätzlich durch
langsame Drosselklappenänderungen,
also weiches Wiedereinsetzen, ausgelöst werden. Im letzteren Fall
ist zusätzlich
eine Beschränkung
auf den Drehzahlbereich nötig,
in dem noch ausreichende Momenten- und somit Segmentzeitänderungen
auftreten.
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Die beschriebene Zylindererkennung
mit gestuftem SEFI-Wiedereinsetzen kann bei einem System ohne Nockenwellengeber
mit Auslauferkennung eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass eine
solche Zylindererkennung zusätzlich
durchgeführt
wird, wobei bei herkömmlichen
Systemen mit Phasensensor die Phasenerkennung ausgehend vom Signal
des Phasensensors erfolgt, und die Phasenerkennung mit Hilfe der
Wiedereinsetzung lediglich zur Überprufung
der erkannten Phasenlage durchgeführt wird. Es kann dann bei
einem Ausfall des Phasensensors während des Betriebs sofort ein Notlauf
aktiviert werden.