DE69125637T2 - Sensor mit hoher Auflösung für innere Brennkraftmaschinen - Google Patents

Sensor mit hoher Auflösung für innere Brennkraftmaschinen

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Zündkerzentakt- bzw. Zeitsteuersystem, und insbesondere ein Sensorsystem mit magnetischen Erfassungsfähigkeiten zum Synchronisieren der Zündung mit der Motorwellenposition.
  • Faktisch weisen sämtliche heutzutage hergestellten Brennkraftmaschinen eine elektronische Steuereinheit auf, welche den Zündtakt bzw. die Zündzeitsteuerung überwacht und steuert. Funktionen, die früher durch verschiedene Mechanismen gesteuert wurden, werden zunehmend in der elektronischen Steuereinheit gesteuert bzw. geregelt. Mit dieser Steueranordnung kann die Synchronisierung der Motorzünd- und Kraftstoffeinspritzfunktionen mit dem Ventil jedes Zylinders präzise gesteuert werden. Diese Präzision erbringt einen größeren Nutzeffekt bzw. Wirkungsgrad und ein rascheres Ansprechen des Motors auf variierende Betriebszustände.
  • Heutzutage verwendete Verteilersensoren erzeugen typischerweise einen Impuls oder eine ansteigende Flanke für jede zu zündende Zündkerze.
  • Viele aktuell verwendete Verteiler stellen keine Information bereit, die zur Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems erforderlich ist. Ferner stellen diese Systeme keine Information für die elektronische Steuereinheit bereit, um anzuzeigen, welche Zündkerze gerade gezündet wird. In diesen Systemen regelt die elektronische Steuereinheit die Zündungsvorverstellung in bezug auf das Ventil und den Kraftstoffeinspritzertakt durch Ermitteln der Motordrehzahl zwischen Sensorsignalen und Verzögern der Zündung für eine berechnete Zeit, nachdem das Sensorsignal empfangen wurde.
  • Okada et al. offenbarten im US-Patent 4 742 811 ein Zündtaktsteuersystem unter Verwendung von drei axial benachbarten Säulen von Magneten, die an einer Welle angebracht sind. Jede Magnetsäule rotiert relativ zu einem Hall-Sensor, der ein Signal bei verschiedenen Graden der Wellendrehung erzeugt. Die erste Reihe von Magneten ist symmetrisch um die Säule herum beabstandet. Die zweite Reihe ist asymmetrisch beabstandet, während die dritte Reihe symmetrisch beabstandet ist, jedoch einen Impuls aufweist, der sich von den anderen durch sehr kleine Polumsteuerungen bzw. -umkehrungen am Ende des Impulses unterscheidet. Die Verarbeitung dieser drei Signale durch die elektronische Steuereinheit stellt die Unterscheidungsfähigkeit bereit, die für ein geeignetes Arbeiten des Systems erforderlich ist.
  • Die Anordnung der Magnetsäulen übereinander in dem Okada-Patent erfordert eine feste Minimalhöhe für den erläuterten Aufbau. Darüber hinaus legen die vierundzwanzig symmetrischen Pole in der ersten Säule fest, daß jeder Pol einen Winkel von 15º auf dem Umfang der Säule einnimmt. Dieser ziemlich große Impuls aufgrund der Winkelgleichheit bewirkt eine Begrenzung der Präzision der Funktion der Vorrichtung. Die mangelnde Präzision wird durch Verwendung von drei magnetisierten Säulen eher überwunden als durch eine geringere Anzahl.
  • In der europäischen Patentanmeldung EP-A-190 639 von HITACHI ist die Realisierung eines magnetischen Aufzeichnungsmediums offenbart, welches die Form einer sich drehenden Platte mit zwei konzentrischen Spuren aufweist, wobei es jedoch der Anordnung des zum Medium weisenden Magnetsensors an Genauigkeit mangelt. Das US-Patent 3 373 729 für Lemen offenbart ein elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen, das eine Scheibe bzw. Platte mit einer Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Magneten um ihren Umfang herum aufweist. Die Scheibe ist senkrecht zu ihrer Achse unter Bildung eines Schlitzes eingesägt, wobei im Scheibenumfang auf beiden Seiten des Schlitzes axial gegenüberliegende Magneten vorhanden sind. Ein in dem Schlitz angeordneter Hall-Sensor erzeugt Triggersignale entsprechend dem fluktuierenden Magnetfeld, das bei sich drehender Scheibe auftritt. Diese Vorrichtung dient im wesentlichen als Ersatz für Unterbrechungspunkte, die beim Verteiler eines magnetisch getakteten Standardzündsystems vorliegen. Deshalb beseitigt dieser Stand der Technik die mechanischen Kontaktpunkte zusammen mit ihren Nachteilen, ohne jedoch die Genauigkeit der Zünd- und Kraftstoffeinspritz-Zeitsteuerung bzw. -Synchronisierung zu verbessern.
  • Die vorstehend dargestellten bekannten Beschränkungen betreffen aktuelle Vorrichtungen und Verfahren. Offensichtlich wäre es deshalb von Vorteil, eine Alternative bereitzustellen, die darauf abzielt, eine oder mehrere der vorstehend angeführten Beschränkungen zu überwinden.
  • Eine geeignete Alternative wird unter Einschluß von Merkmalen bereitgestellt, die nachfolgend näher offenbart sind.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies durch Bereitstellen eines Sensorsystems mit hoher Auflösung für Brennkraftmaschinen erzielt, mit:
  • - einem ersten ringförmigen magnetischen Codierer mit einer Anordnung von gleichförmig verteilten und gleichförmig bemessenen magnetischen Polen;
  • - einem zweiten ringförmigen magnetischen Codierer mit einer Anordnung von magnetischen Polen, wobei der erste und zweite Codierer drehfest mit einer Verteilerwelle (1) verbunden sind;
  • - einem ersten Magnetfeldsensor, der in der Nähe des Drehweges des ersten Codierers angeordnet ist;
  • - einem zweiten Magnetfeldsensor, der in der Nähe des Drehweges des zweiten Codierers angeordnet ist;
  • wobei die beiden Codierer konzentrisch und koaxial auf einer drehbaren plattenförmigen Halterung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die winkelmäßige Bemessung und die Stärke der magnetischen Pole des zweiten Codierers ungleichförmig sind, daß die beiden Sensoren an geeigneten radialen Stellen derart angeordnet sind, daß sie zu den zwei zugehörigen Codierern ausrichtbar sind, auf einem feststehenden Gehäuse, das mittels eines Lagers/Abstandhalters im Abstand von der drehbaren Halterung angeordnet ist und daß die ersten und zweiten ringförmigen magnetischen Codierer an der drehbaren Halterung durch eine Befestigungsanordnung befestigt sind, welche aufweist:
  • - einen kreisförmigen Ring mit einem ebenen Bereich auf einer Axialfläche, die sich auf den Codierern abstützt;
  • - einen sich axial erstreckenden, ringförmigen Flansch, der sich von dem ebenen Bereich des ringförmigen Rings (21) bis zu einem Abstand erstreckt, der proportional zur axialen Dicke der Codierer ist;
  • - wenigstens einen sich axial erstreckenden Absatz, der aus der Axialfläche des sich axial erstreckenden, ringförmigen Flansches herausragt zur Befestigung an der drehbaren Halterung.
  • Die Magnetkodierer gemäß dieser Erfindung sind mit einer Magnetisierungsvorrichtung verwirklicht, die einen elektrisch leitenden Draht aufweist, der auf einem Träger in einem planaren Serpentinenpfad verlegt ist, und die außerdem Magnetfeldmodifizierer aufweist, die innerhalb der Leiterschleifen angeordnet sind, um die Größe, Stärke und den Ort von bzw. für jeden gebildeten Magnetpol zu verändern.
  • Die vorstehend angeführten sowie weitere Aspekte erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungsfiguren. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Zeichnungsfiguren nicht als Definition der Erfindung dienen sollen, sondern lediglich zu Erläuterungszwecken.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene fragmentarische Aufrißansicht des Sensorsystems.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Magnetfeldsensoren.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht der beiden magnetischen Codierer.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht der Haltervorrichtung.
  • Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht des Halters von der Linie 5- 5 in Fig. 4 aus gesehen.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf die obere Antriebsnabe, die Tragplatte und die Antriebsfeder.
  • Fig. 7 zeigt eine Darstellung der analogen und digitalen Signale, die durch den Magnetfeldsensor von dem asymmetrischen magnetischen Codierer ermittelt werden.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene fragmentarische Aufrißansicht einer Ausführüngsform der Erfindung gezeigt. Das Sensorsystem mit hoher Auflösung ist bevorzugt dazu ausgelegt, auf einer vorhandenen Kraftfahrzeug-Verteilerbasis bzw. -Grundplatte angebracht zu werden; es kann jedoch auch an beliebiger Stelle auf oder in dem Motor angebracht werden, wo es synchron mit der Kurbelwelle oder der Nockenwelle des Motors angetrieben werden kann.
  • In dieser Ausführungsform ist die Verteilerwelle 1 zu sehen, die dazu dient, das Drehelement des Sensorsystems anzutreiben, das durch die stationäre Verteilerbasis 2 vorsteht, auf welcher das Sensorgehäuse 30 angebracht ist. Ein magnetischer Codierer 10 mit hoher Auflösung und ein magnetischer Codierer 15 mit niedriger Auflösung sind auf einer Tragplatte 20 angebracht, die auf einem Lager/Abstandhalter 35 reitet. Die Codiererringe 10 und 15 sind an der Tragplatte unter Verwendung eines Halterrings 21 angebracht, der vorstehende Bolzen 22 aufweist, die durch Löcher in der Tragplatte 20 vorstehen, und eine Antriebsfeder 40. Die Bolzen 22 des Halters 21 sind aufgepreßt, geschraubt oder anderweitig fixiert, um den Aufbau aufzunehmen.
  • Ein Sensor 11 mit hoher Auflösung und ein Sensor 16 mit niedriger Auflösung sind an geeigneten radialen Stellen angebracht, um eine Ausrichtung bzw. Fluchtung mit dem magnetischen Codierer 10 mit hoher Auflösung bzw. dem magnetischen Codierer 15 mit niedriger Auflösung bereitzustellen. Bei den Sensoren handelt es sich um Hall-Effektwandler, die ungeachtet der Drehzahl bzw. Bewegungsgeschwindigkeit ein geeignetes Ausgangssignal bereitstellen. Die in den Sensoren erzeugten Signale werden zu der elektronischen Steuereinheit des Motors übertragen.
  • Eine obere bzw. obenliegende Antriebsnabe 41 ist mit der Verteilerwelle verbunden, durch welche sie drehangetrieben wird. Eine Antriebsfeder 40 erstreckt sich von der oberen Antriebsnabe 41 zu der Tragplatte 20 und stellt die Antriebsverbindung zwischen den beiden Platten bereit. Die Antriebsfeder 40 ist so ausgelegt, daß sie kleine vertikale Verstellungen der Verteilerwelle 1 aufnimmt, ohne irgendeine Relativdrehung zwischen der oberen Antriebsnabe 41 und der Tragplatte 20 zu verursachen. Dieses Merkmal ist erforderlich, um Änderungen der Zeitsteuerung bzw. der Synchronisierung zu vermeiden, die anderweitig ausgelöst durch eine Vertikalbewegung der Verteilerwelle 1 erzeugt werden würden.
  • Eine Abdeckung 51 ist vorgesehen, um das Sensorsystem vor einer Beschädigung oder Verschmutzung zu schützen. Optionale Dichtungen 52 sind für die Grenzfläche zwischen der Abdeckung 51 und der Verteilerwelle 1 ebenso wie für das Sensorgehäuse 30 und die Verteilerwelle 1 vorgesehen. Bei den Dichtungen kann es sich um O-Ringe oder andere geeignete Dichtelemente handeln. Die Abdeckung 51 ist auf dem Gehäuse 30 angeordnet und mit Klebstoff oder einem anderen geeigneten Dichtmittel fest verbunden. Die Unterseite des Gehäuses 30 ist mit einer Vergießung 50 ausgefüllt, welche die gedruckte Schaltkarte sowie weitere Elektronikelemente des Sensorsystems schützt.
  • Der Sensor 11 mit hoher Auflösung und der Sensor 16 mit niedriger Auflösung sind in Fig. 2 schematisch in Draufsicht gezeigt. Dabei ist ersichtlich, daß der Sensor mit hoher Auflösung aus zwei Hall-Effektwandlern und ihren zugeordneten Elektronikelementen besteht. Dieser bringt eine hohe Auflösung durch Verdoppeln der Anzahl von Signalen, die in den Sensoren ansprechend auf jede Magnetpolumkehr auf dem magnetischen Codiererring 10 mit hoher Auflösung erzeugt werden. Lediglich ein Hall-Effektwandler wird auf dem Sensor 16 mit niedriger Auflösung verwendet.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht eines magnetischen Codiererrings 10 mit hoher Auflösung und eines magnetischen Codiererrings 15 mit niedriger Auflösung. Der Codiererring 10 mit hoher Auflösung weist eine große Anzahl von Magnetpolen auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat dieser Ring 360 Pole; er kann jedoch mehr oder weniger Pole entsprechend der Motorkonstruktion aufweisen. Der magnetische Codiererring 15 mit niedriger Auflösung ist mit sechzehn Polen als ein Beispiel für einen Vierzylindermotor gezeigt. Es sind vier starke Nordpole, acht mittelstarke Südpole und vier sehr schwache sehr diffuse Nordpole vorgesehen. Die vier starken Nordpole, von denen jeweils einer für jeden Zylinder vorgesehen ist, werden verwendet, um anzuzeigen, welcher Zylinder entweder Zündung erfordert oder Kraftstoff benötigt. Dies wird durch Bereitstellen von Polen mit unterschiedlicher Winkelausdehnung erreicht. Beispielsweise ist es möglich, Pole mit einem Grad, zwei Grad, drei Grad und vier Grad vorzusehen, um die jeweiligen Zylinder zu bezeichnen, zu denen sie gehören. Demnach würde bei einem Vierzylindermotor der Drei- Grad-Magnet der Anzahl von drei Zylindern entsprechen. Es wird bemerkt, daß die gesamte Zeitsteuerung bzw. Synchronisierung an der ansteigenden Flanke der Magnetimpulse erfolgt.
  • Ein Halterring 21 ist in Fig. 4 und 5 gezeigt. Aus diesen geht hervor, daß der Magnethalterring 21 ringförmig ist und einen "T"-Querschnitt aufweist. Zusätzlich weist er eine Mehrzahl von vorstehenden Bolzen 22 auf, die verwendet werden, um den Ring und die Magnete an einer Druckscheiben- bzw. Schubbelastungsplatte oder einer Tragplatte 20 zu befestigen. Abhängig von dem verwendeten Magnetanbringungsschema kann der Halterring auch mit einem "L"-Querschnitt hergestellt werden.
  • Die vorstehenden Bolzen 22 durchsetzen den Spalt zwischen den zwei Magnetringen 10 und 15, die Tragplatte 20 und die Antriebsfeder 40. Die Antriebsfeder 40 überträgt die Drehantriebskraft zwischen der oberen Antriebsplatte 41, die mit der Verteilerwelle 1 verbunden ist, und der Tragplatte 20. Außerdem verbleibt ein fester Kontakt zwischen der Tragplatte 20 und dem Lager/Abstandhalter 35.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht der oberen Antriebsnabe 41, der Antriebsfeder 40, der unteren Antriebsplatte und der vorstehenden Bolzen 22. Die Feder 40 ist drei Beine aufweisend gezeigt; sie kann jedoch auch abhängig von den Konstruktionserfordernissen mit mehr oder weniger Beinen gezeigt sein.
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des analogen 120 und digitalen 130 Signals, die aus einer Umdrehung des magnetischen Codierers 15 mit niedriger Auflösung herrühren. Die analoge Spur bzw. der analoge Signalverlauf 120 gibt das rohe Ausgangssignal des Hall-Sensors wieder. Die digitale Spur bzw. der digitale Signalverlauf 130 gibt dasselbe Ausgangssignal nach einer Aufbereitung des Signals in der Sensorschaltung wieder. Diese signalverläufe geben die Asymmetrie wieder, die die Unterscheidung bzw. Diskriminierung bereitstellt, die erlaubt, daß der geeignete Zylinder das Zündsignal empfängt. In diesem Fall nimmt jeder andere bzw. nächste Impuls zwei Winkelgrade ein. Die Impulse 122 und 126 sind jeweils Zwei-Grad-Impulse, während die Impulse 124 und 128 Sieben-Grad- bzw. Zwölf-Grad-Impulse sind. Das analoge oder unbearbeitete Signal bezeichnet insgesamt sechzehn Pole oder acht Dipole für den vollen magnetischen Codiererring. Der digitale Kurvenverlauf 130 zeigt lediglich vier Impulse, welche durch diese sechzehn Pole erzeugt werden. Dies wird durch eine Signalbearbeitung erreicht, die so ausgelegt ist, daß sie lediglich positive oder Nordpol-Magnetfeldstärken mit größeren Höhen aufweist als diejenigen der diffusen Nordpole 115. Damit erkennt der digitale Kurvenverlauf 130 lediglich die vier starken Nordpole 122, 124, 126 und 128. Damit werden lediglich vier Impulse zu der elektronischen Steuereinheit durch die Sensorschaltung mit niedriger Auflösung für jede Umdrehung des Codiererrings 15 mit niedriger Auflösung übertragen. Die Zeitsteuer- bzw. Taktfunktion wird durch die ansteigende Flanke von jedem Puls gesteuert, während die Unterscheidungs- bzw. Diskriminierfunktion durch die Winkelbreite von jedem Puls festgelegt wird.
  • Der magnetische Codiererring 10 mit hoher Auflösung dreht sich selbstverständlich synchron mit dem magnetischen Codiererring 15 mit niedriger Auflösung. Da der Codiererring 10 mit hoher Auflösung 360 Pole aufweist, und da er zwei hochauflösende Magnetfeldsensoren 11 aufweist, die ihm zugeordnet sind, werden 720 Impulse für jede Umdrehung des Codiererrings 10 mit hoher Auflösung erzeugt. Dadurch wird eine Halbgradauflösung ohne Interpolationen bereitgestellt, und mit Interpolationen sogar eine höhere Auflösung.

Claims (6)

1.Sensoreinrichtung für Brennkraftmaschinen mit:
- einem ersten ringförmigen magnetischem Codierer (10) mit einer Anordnung von gleichförmig verteilten und gleichförmig bemessenen magnetischen Polen;
- einem zweiten ringförmigen magnetischem Codierer (15) mit einer Anordnung von magnetischen Polen, wobei der erste und zweite Codierer (10, 15) drehfest mit einer Verteilerwelle(1) verbunden sind
- einem ersten Magnetfeldsensor (11), der in der Nähe des Drehweges des ersten Codierers (10) angeordnet ist;
- einem zweiten Magnetfeldsensor (16), der in der Nähe des Drehweges des zweiten Codierers (15) angeordnet ist;
wobei die beiden Codierer (10, 15) konzentrisch und koaxial auf einer drehbaren plattenförmigen Halterung (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die winkelmäßige Bemessung und die Stärke der magnetischen Pole des zweiten Codierers (15) ungleichförmig sind, daß die beiden Sensoren (11, 16) an geeigneten radialen Stellen derart angeordnet sind, daß sie zu den zwei zugehörigen Codierern (10, 15) ausrichtbar sind, auf einem feststehenden Gehäuse (30), das mittels eines Lagers/Abstandshalters (35) im Abstand von der drehbaren Halterung (20) angeordnet ist und daß der erste und zweite magnetische Codierer (10, 15) an der drehbaren Halterung (20) durch eine Befestigungsanordnung (21, 22) befestigt sind, welche aufweist:
- einen kreisförmigen Ring (21) mit einem ebenen Bereich auf einer Axialfläche, die sich auf den Codierern (10, 15) abstützt;
- einen sich axial erstreckenden, ringförmigen Flansch, der sich von dem ebenen Bereich des ringförmigen Rings (21) bis zu einem Abstand erstreckt, der proportional zur axialen Dicke der Codierer (10, 15) ist;
- wenigstens einen sich axial erstreckenden Absatz (22), der aus der Axialfläche des sich axial erstreckenden, ringförmigen Flansches herausragt zur Befestigung an der drehbaren Halterung (20).
2.Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist:
- eine obere Antriebsnabe (41), die drehfest mit der Verteilerwelle (1) verbunden ist und
- eine Antriebsfeder (40), die sich von der oberen Antriebsnabe (41) bis zur plattenförmigen Halterung (20) erstreckt.
3.Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Antriebsfeder (40) eine ungerade Anzahl von Beinen aufweist.
4.Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Magnetfeldsensor (11, 16) Halleffekt-Einrichtungen zusammen mit den zugehörigen elektrischen Schaltkreisen aufweist.
5.Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Stärke der magnetischen Pole des zweiten ringförmigen magnetischen Codierers (15) gleicher Polarität ungleichförmig ist.
6.Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Anzahl der ersten Magnetfeldsensoren (11) zwei beträgt und bei der beide Sensoren derart angeordnet sind, daß die Meßauflösung des Polabstandes verdoppelt ist.
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