DE19743247A1 - Kurbelwellenwinkelsensoranordnung und damit ausgerüsteter Motor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zum Erfassen von Eigenschaften eines sich drehenden mechanischen Teiles und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Sensoranordnung zum Erfassen der Drehung einer Kurbelwelle.

Seit der Einführung elektronisch gesteuerter Verbrennungsmoto­ ren haben Vorrichtungen zum Erfassen der Drehung der Kurbelwel­ le eines Motors zunehmend Verbreitung erlangt. Beispielsweise wird häufig die auch Kurbelwellenwinkel genannte Winkelstellung der Kurbelwelle erfaßt, um die Kraftstoffzufuhr, den Zündzeit­ punkt und die Abgase zu steuern. Darüber hinaus ist oft die durch die Kurbelwellendrehzahl angegebene Motordrehzahl ein wichtiger Parameter unterschiedlicher Motorsteuerungsschemata. Die US Patente Nr. 5 476 082 an Carpenter et al, 5 361 630 an Kowalski und 4 936 277 an Deutsch et al seien hier als allge­ meine Quellen zur Information über unterschiedliche elektroni­ sche Motorsteuerungssysteme genannt, die auf einer Messung der Kurbelwellendrehung beruhen.

Um zunehmend strengere Abgasvorschriften zu erfüllen, die Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren auferlegt werden, muß der Kurbelwellenwinkel mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Eine Möglichkeit, die geforderte Genauigkeit zu erreichen besteht darin, ein Kurbelwellenwinkelerfassungssystem einzusetzen, das einen Sensor und ein Referenzglied aufweist, welches nahe dem Sensor mit der Kurbelwelle rotiert. Der Sensor ist so ausge­ legt, daß er die Drehung des Referenzgliedes erfassen kann.

Eine Art von Erfassungssystem hat ein Referenzglied mit mehre­ ren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Anzeigern oder "Winkelmarkierungen" längs seines Umfangs, die derart ausge­ führt sind, daß sie ein magnetisches Feld ändern können. Bei einer Vorbeibewegung jedes dieser Anzeiger am Sensor erfaßt letzterer die entsprechende Änderung des Magnetfeldes und erzeugt einen Detektionsimpuls. Durch Variieren des Abstandes der Anzeiger auf bekannte Weise kann eine Angabe der relativen Winkelstellung der Kurbelwelle erhalten werden. Des weiteren kann die Pulsrate dazu benutzt werden, die Drehzahl der Kurbel­ welle zu ermitteln. Die US Patente Nr. 5 520 043 an Koelle et al, 5 469 823 an Ott et al, 5 460 134 an Ott et al, 4 760 827 an Schreiber et al, 4 442 822 an Kondo et al und 4 365 602 an Stiller et al seien hier als Beispiele unterschiedlicher Typen von Kurbelwellenwinkelerfassungssystemen genannt.

Bei einem bekannten Kurbelwellenwinkelerfassungssystem ist eine Referenzscheibe an einem Getriebeschwungrad außerhalb des Motors angebracht. Eine außerhalb erfolgende Anordnung der Scheibe erfordert leider normalerweise einen zusätzlichen Konstruktionsaufwand für jedes unterschiedliche Getriebe, das für einen gegebenen Motor angeboten wird. Daher ist es in vielen Fällen wünschenswert, die Referenzscheibe als Teil des Motors auszuführen. Eine Anbringung der Scheibe direkt an der Kurbelwelle erfordert jedoch im allgemeinen eine Verlängerung der Kurbelwelle, um eine geeignete Befestigungsstelle zu schaf­ fen.

Das US Patent Nr. 5 361 630 an Kowalski beschreibt einen Ver­ such zur Lösung dieses Problems, indem Anzeigerschlitze in ein Kurbelwellengegengewicht eingeformt werden, welches dann als ein Referenzdrehglied dient. Diese Lösung erfordert jedoch immer noch eine umfassende Umkonstruktion der Kurbelwelle. Darüber hinaus erzwingt diese einstückige Gegengewichtskon­ struktion eine Zerlegung der Kurbelwelle, wenn ein Austausch oder eine Einstellung des Referenzgliedes nötig ist.

Es besteht somit Bedarf an einem Kurbelwellenwinkelerfassungs­ system, das ohne weiteres verschiedenen Motorkonfigurationen angepaßt werden kann. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein hochgenaues Kurbel­ wellenwinkelreferenzglied bereitzustellen, das keine umfassende Umkonstruktion der Kurbelwelle erforderlich macht.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe.

Ein Verbrennungsmotor hat üblicherweise eine Kurbelwelle mit einer Reihe von Kurbelwangen. Diese Kurbelwelle dreht sich während des Betriebs das Motors. Erfindungsgemäß ist ein Refe­ renzring an einer der Kurbelwangen zur gemeinsamen Drehung mit derselben befestigt. Der Ring umschreibt einen Teil der Kurbel­ welle und weist eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Anzeigern auf. Das System umfaßt auch einen Sensor, der nahe dem Ring so angeordnet ist, daß er die Anzeiger erfassen und ein Sensorsignal liefern kann, das einer Dreheigenschaft (beispielsweise Drehzahl, Drehwinkel etc.) der Kurbelwelle entspricht. Die Befestigung des Rings an der Kurbelwange ergibt ein Referenzglied, das keine umfassende Umkonstruktion der Kurbelwelle erfordert.

Erfindungsgemäß kann bei einer Kurbelwelle mit einer Reihe von Kurbelwangen ein Referenzdrehglied auch zumindest zwei trennba­ re Teile aufweisen, die an einer der Kurbelwangen befestigt sind. Ein Sensor ist nahe der Kurbelwelle angeordnet und spricht auf eine Bewegung des Referenzgliedes an, um ein einer Dreheigenschaft der Kurbelwelle entsprechendes Sensorsignal zu liefern. Diese Ausführung führt ebenfalls ohne eine aufwendige Umkonstruktion der Kurbelwelle zu einem Referenzglied.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein Einstimmungs- oder Resolverrad (tone wheel oder chopper) vor­ handen, das an einer Kurbelwange der Kurbelwelle eines Verbren­ nungsmotors angebracht werden kann, um einen Rotationsparameter der Kurbelwelle mit einem Sensor zu erfassen, der auf Verände­ rungen eines Magnetfeldes anspricht. Das Resolverrad umfaßt ein erstes, gekrümmtes Ringsegment, das einen ersten Winkel von zumindest 180° überspannt und das auch eine erste Anzahl von Umfangszähnen definiert, die jeder eine im wesentlichen gleiche Größe aufweisen und die voneinander durch einen im wesentlichen gleichbleibenden Abstandswinkel getrennt sind. Das Resolverrad umfaßt darüber hinaus ein zweites, gekrümmtes Ringsegment, das einen zweiten Winkel von nicht mehr als 180° überspannt und das eine zweite Anzahl von Umfangszähnen definiert, die jeder die im wesentlichen gleiche Größe und den Abstandswinkel der ersten Anzahl von Zähnen haben. Das erste und das zweite Segment weisen je zumindest ein Befestigungsloch auf, das ein Befesti­ gungselement zur Anbringung an der Kurbelwange aufnehmen kann. Des weiteren fluchten das erste und zweite Segment miteinander bezüglich eines kreisringförmigen Weges, der einen Teil der Kurbelwelle umgibt, wenn das erste und das zweite Segment zur Drehung mit der Kurbelwange an ihr befestigt sind. Darüber hinaus definiert entweder das erste oder das zweite Segment eine Indexlücke entsprechend einem Indexwinkel, der größer als der im wesentlichen einheitliche Abstandswinkel ist. Die Zähne der Segmente sind aus einem Material hergestellt, das eine von dem Sensor erfaßbare Magnetfeldänderung bewirkt, wenn die Segmente sich drehen. Die mehrteilige Ringstruktur des Resol­ verrades erlaubt einen Zusammenbau um die Drehachse der Kurbel­ welle ohne daß es erforderlich ist, die Kurbelwelle zu zerlegen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Aspekte der vorliegenden Erfin­ dung werden aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispieles der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren ersichtlich. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht eines Ausführungsbei­ spieles eines erfindungsgemäßen Erfassungssystems für einen Verbrennungsmotor,

Fig. 2 eine Teilansicht eines in Fig. 1 dargestellten Resol­ verrades und einer Kurbelwangenanordnung von unten,

Fig. 3 eine aufgebrochene Teildraufsicht der Kurbelwelle mit dem Resolverrad und der Kurbelwange aus Fig. 1,

Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, wobei die Befestigungselemente des Resolverrades der besseren Übersichtlichkeit hal­ ber weggelassen sind,

Fig. 5 eine aufgebrochene Teilrückansicht der Kurbelwelle mit dem Resolverrad und der Kurbelwange aus Fig. 1, und

Fig. 6 einen Querschnitt des in den Fig. 1 bis 5 darge­ stellten Resolverrades, das der Deutlichkeit wegen von der Kurbelwange getrennt wiedergegeben ist.

Um das Verständnis der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzi­ pien zu fördern, wird nun Bezug genommen auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel und es werden dabei teils abweichende Begriffe verwendet.

In Fig. 1 ist eine Verbrennungsmotoranordnung 10 dargestellt, die mit einem erfindungsgemäßen Erfassungssystem ausgerüstet ist. Die Anordnung 10 umfaßt einen Motor 20 mit einem Motor­ block 22, einem Kraftstoffversorgungssystem 23 und einer Zylin­ derkopf/Ventilanordnung 24. Der Motor 20 weist auch eine Ölwanne 26 und ein durch einen Kühlerventilator 28 dargestell­ tes Kühlsystem auf. Vorzugsweise hat der Motor 20 sechs Zylin­ der und ist für einen Viertaktbetrieb ausgelegt. Die Erfindung kann jedoch auch an anderen Verbrennungsmotoren verwendet werden, die sich hinsichtlich der Zylinderzahl und/oder hin­ sichtlich des Arbeitsverfahrens von dem dargestellten Motor unterscheiden.

Der Motor 20 treibt einen Kraftübertragungsstrang 30 an. Der Kraftübertragungsstrang 30 umfaßt ein Getriebe 32 und eine Antriebswelle 34 (z. B. eine Kardanwelle), die eine Last 36 antreibt. Bei einer Anwendung, bei der sich die Anordnung 10 in einem Fahrzeug befindet, kann die Last 36 aus der bzw. den angetriebenen Achsen und den daran befestigten, in Bodenberüh­ rung stehenden Fahrzeugrädern bestehen.

Die Anordnung 10 umfaßt auch eine Steuerung 40, die verschiede­ ne Funktionen des Motors 20 regelt. Die Steuerung 40 ist durch eine Leitung 42 betrieblich mit dem Kraftstoffversorgungssystem 23 gekoppelt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kraftstoff­ versorgungssystem 23 um eine elektronisch gesteuerte Kraft­ stoffeinspritzanlage, die auf herkömmliche Art und Weise den Zylindern des Motors 20 Kraftstoff zumißt. Die funktionelle Kopplung des Kraftstoffversorgungssystems 23 mit dem Motor 20 ist durch eine Leitung 41 dargestellt. Andere Kraftstoffversor­ gungsanlagen können ebenfalls eingesetzt werden, beispielsweise ein für jeden Zylinder separat betätigbarer Kraftstoffinjektor. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform ist bevorzugt jeder Injektor direkt mit der Steuerung 40 verbunden.

Die Steuerung 40 umfaßt auch eine von einer Kurbelwellensen­ soranordnung 46 kommende Eingangsleitung 44. Zu den von der Steuerung 40 geregelten Funktionen gehören die Zündung, die Kraftstoffzumessung und der Ausstoß der Verbrennungsgase. Zum Teil werden diese Funktionen dadurch gesteuert,daß dem Kraft­ stoffversorgungssystem 23 geeignete Aktivierungssignale zuge­ leitet werden. Die Leitung 32 repräsentiert daher einen oder mehrere Signalwege zwischen der Steuerung 40 und dem Kraft­ stoffversorgungssystem 23. Die Steuerung 40 kann außer von der Sensoranordnung 46 auch noch von anderen Sensoren Eingangs­ signale erhalten, beispielsweise von einem Gaspedal oder von einer Drosselklappe (nicht dargestellt). Die genaue Arbeitswei­ se, die Anbindungsmöglichkeiten und die Steuerverfahren, die von der Steuerung 40 ausgeführt werden können, sind Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt und brauchen daher nicht näher erläu­ tert zu werden.

Die Steuerung 40 kann eine elektronische Schaltung aus einem oder mehreren Bauteilen sein. Die Steuerung 40 kann digitale Schaltkreise, analoge Schaltkreise oder auch beides aufweisen. Sie kann auch zumindest teilweise programmierbar sein. Vor­ zugsweise ist die Steuerung 40 auf der Basis eines Mikroprozes­ sors herkömmlicher Konstruktion ausgeführt.

Der Motorblock 22 hat eine Reihe von nicht dargestellten Zylin­ derbohrungen mit zugehörigen Brennkammern, in denen je eine Kolbenanordnung 50 auf herkömmliche Art aufgenommen ist. Jede Kolbenanordnung 50 umfaßt einen Kolben 52 und eine schwenkbar daran angebrachte Pleuelstange 54, die mit einer Kurbelwelle 60 verbunden ist.

Die Kurbelwelle 60 umfaßt eine Hauptwelle 62 aus Kurbelwellen­ lagern 64a bis 64f, mittels derer die Kurbelwelle 60 auf her­ kömmliche Weise drehbar im Motorblock 22 gelagert ist. Jede Pleuelstange 54 ist mit der Kurbelwelle 60 durch ein zugehöri­ ges Pleuellager 66a bis 66f schwenkbar verbunden. Das Pleuella­ ger 66a ist an gegenüberliegenden Enden mit einem Paar von Kurbelwangen 70a, 72a der Kurbelwelle 60 verbunden. Die Kurbel­ wange 70a ist mit dem Kurbelwellenlager 64a verbunden und die Kurbelwelle 72a ist mit dem Kurbelwellenlager 64b verbunden. Die übrigen Pleuellager 66b bis 66f und Kurbelwangen 70b bis 70f und 72b bis 72f sind in analoger Weise längs der Kurbelwel­ le 60 angeordnet. Die Kurbelwangen 70a bis 70f und 72a bis 72f sind bevorzugt als Kurbelwellengegengewichte ausgestaltet. Die Kurbelwangen 70a bis 70f und 72a bis 72f sowie die Pleuellager 66a bis 66f können sich relativ zu den Kurbelwellenlagern 64a bis 64f drehen, so daß die Kurbelwelle 60 sich auf übliche Weise um eine Rotationsachse R drehen kann.

An der Kurbelwange 72a ist nahe der Sensoranordnung 46 ein Resolverrad 80 befestigt. Vorzugsweise sind das Resolverrad 80 und die Sensoranordnung 46 so ausgestaltet, daß sie ein Sensor­ signal über die Eingangsleitung 44 an die Steuerung 40 senden, das der Winkelstellung der Kurbelwelle 60 entspricht. Die Steuerung 40 kann so ausgestaltet sein, daß sie aus diesem Signal eine Drehzahlinformation ableiten kann. Diese Stellungs- und Drehzahlinformation wird von der Steuerung 40 auf übliche Weise dazu benutzt, den Motorbetrieb zu steuern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2, aus der weitere Details der Anord­ nung des Resolverrades 80 und der Kurbelwange 72a bezüglich der Sensoranordnung 46 hervorgehen, wird nun eine Teilansicht des Resolverrades 80 und der Kurbelwange 72a im Motor 20 von unten gezeigt. Die Sensoranordnung 46 erstreckt sich durch eine in einer Wand 23 des Motorblocks 22 begrenzte Öffnung 21 und hat einen Fühlerkopf 47, der neben dem Resolverrad 80 angeordnet und von letzterem durch einen Spalt G getrennt ist. Die Sen­ soranordnung 46 umfaßt eine Halleffekteinrichtung 45, die im Fühlerkopf 47 angeordnet ist, um Änderungen eines Magnetfeldes zu erfassen. Die Sensoranordnung 46 ist mittels einer Schraube 48 an der Wand 23 befestigt. Zur Verbindung mit der Leitung 44 weist die Sensoranordnung 46 ein Steckerelement 49 auf.

Das Resolverrad 80 dreht sich mit der Kurbelwange 72a, die sich ihrerseits dreht, wenn die Kurbelwelle 60 gedreht wird. Der Spalt G bleibt während einer Drehung der Kurbelwelle 60 vor­ zugsweise konstant.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 werden nun weitere De­ tails bezüglich der Anordnung des Resolverrades 80 und der Kurbelwange 72a erläutert. Das Resolverrad 80 ist allgemein als Kreisring geformt, der wie in Fig. 3 dargestellt einen Innenra­ dius R1 hat. Das Resolverrad 80 umfaßt ein erstes gekrümmtes Ringsegment 82 und ein zweites gekrümmtes Ringsegment 92. Jedes gekrümmte Segment 82, 92 hat eine entsprechende Anzahl von Umfangszähnen 83, 93, die in Umfangsrichtung voneinander durch im wesentlichen gleich große Lücken 84, 94 beabstandet sind. Die Umfangszähne 83, 93 haben ungefähr dieselbe Größe und Gestalt. In gleicher Weise hat jede Lücke 84, 94 ungefähr dieselbe Größe und Orientierung. Jeder Zahn des Resolverrades 80 ist folglich von einem benachbarten Zahn in Umfangsrichtung durch einen Abstandswinkel Al getrennt (sh. Fig. 3). Der klein­ ste Außenradius R2 des Resolverrades 80 ist durch den Boden der Lücken 84, 94 gebildet und der größte Außenradius R3 des Resol­ verrades 80 ist durch die Kopfflächen der Umfangszähne 83, 93 gegeben. Das Ringsegment 82 definiert des weiteren eine In­ dexlücke 85, die einen in Fig. 3 dargestellten Indexwinkel A2 überstreicht.

Die Kurbelwange 72a hat eine Fläche 74a, die von einer Umfangs­ linie 76 begrenzt wird. Die Fläche 74a begrenzt ihrerseits eine Ausnehmung 77 zur Aufnahme des Resolverrades 80, die eine Reihe von Gewindelöchern 78 aufweist, um das Resolverrad 80 daran zu befestigen. Da die Rotationsachse R senkrecht durch die Figure­ nebene der Fig. 3 bis 5 verläuft, ist sie in diesen Figuren nur als Schwenkpunkt dargestellt. Die zueinander senkrechten Achsen x und Y schneiden sich am Punkt P und gehen von diesem Punkt aus. Die Fläche 74a ist zum Schwenkpunkt P, zur Achse R und zu den Achsen X und Y asymmetrisch. Die Kurbelwange 72a weist auch eine Fläche 74b auf, die auf einer der Fläche 74a gegenüberlie­ genden Seite angeordnet ist. Die Fläche 74b ist in den Fig. 2 und 5 dargestellt und ist ebenfalls asymmetrisch.

Das Ringsegment 82 hat Befestigungslöcher 86 und das Ringseg­ ment 92 hat Befestigungslöcher 96. Die Befestigungslöcher 86, 96 des Resolverrades 80 fluchten bei korrekter Positionierung mit den in der Kurbelwange 72a ausgebildeten Gewindelöchern 78. Schrauben 88 und 98 können dann durch die Löcher 86, 96 in die Gewindelöcher 78 geschraubt werden und befestigen das Resolver­ rad 80 wie in Fig. 3 dargestellt an der Kurbelwange 72a. Im befestigten Zustand hat das Resolverrad 80 eine im wesentlichen kreisringförmige Gestalt, die einem im wesentlichen kreisring­ förmigen Weg um die Kurbelwelle 60 folgt. Das Ringsegment 82 umfaßt Endabschnitte 93a und 93b, die an der Kurbelwange 72a befestigt sind, und einen zwischen den Endabschnitten 93a und 93b gelegenen, gekrümmten Mittelabschnitt 93c. Der Mittelab­ schnitt 93c erstreckt sich über die Umfangslinie 76 der als Gegengewicht ausgebildeten Kurbelwange 72a hinaus, insbesondere in radialer Richtung. Die mehrteilige Struktur des als Refe­ renzglied dienenden Resolverrades 80 erlaubt es den Ringsegmen­ ten 82, 92, einen Teil der Kurbelwelle 60 zu umgeben, ohne bei ihrem Ein- oder Ausbau die Kurbelwelle 60 zerlegen zu müssen oder das Referenzglied über ein Ende der Kurbelwelle führen zu müssen. Durch das Umgeben der Kurbelwelle 60 ist auf einfachere Weise ein hochauflösender Anzeiger für die Kurbelwellenstellung bereitgestellt.

In Fig. 6 sind abgeschrägte Befestigungsflächen 81, 91 der Ringsegmente 82, 92 dargestellt. Der Abschrägungswinkel dieser Flächen liegt vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 20° bis 25°. Die Befestigungslöcher 86, 96 erstrecken sich schräg durch das Ringsegment 82 bzw. 92. Dies ist in Fig. 6 durch einen Winkel A3 bezüglich einer zur Rotationsachse R parallelen Achse dargestellt. Der Winkel A3 ist vorzugsweise gleich dem Abschrägungswinkel.

Vorteilhaft ist der Abstandswinkel A1 nicht größer als 25° und der Indexwinkel A2 ist mindestens 25% größer als der Winkel A1, um eine geeignete, hochgenaue Auflösung des Kurbelwellen­ winkels und der Kurbelwellendrehzahl zu ergeben. Ein Weg S1 überspannt einen Winkel von zumindest 180° um den Punkt P und ein Weg S2 umspannt einen Winkel von nicht mehr als 180° um den Punkt P, wobei diese Winkel gleich den Winkeln sind, die von einem um den Punkt P von einem Ende zum anderen Ende jedes Ringsegmentes 82 bzw. 92 rotierenden Radius überstrichen wer­ den.

In dem in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstandswinkel A1 etwa 10° und der Indexwinkel A2 beträgt ungefähr 20°. Am Ringsegment 82 sind ungefähr sieben­ undzwanzig im wesentlichen gleich große Umfangszähne 83 ausge­ bildet, und am Ringsegment 92 sind ungefähr acht im wesentli­ chen gleich große Umfangszähne 93 ausgebildet. Das Wegstück S1 überspannt einen Winkel von ungefähr 280° und das Wegstück S2 überspannt einen Winkel von ungefähr 80° um den Punkt P.

Im Betrieb stellt die Sensoranordnung 46 ein Magnetfeld bereit und die Halleffekteinrichtung 45 erzeugt in Abhängigkeit von Änderungen dieses Magnetfeldes ein elektrisches Signal. Die Umfangszähne 83, 93 des Resolverrades 80 bestehen aus einem Material, das das Magnetfeld der Halleffekteinrichtung 45 ändert, wenn sie mit der Kurbelwange 72a und der Kurbelwelle 60 rotieren. Bei jedem Umfangszahn 83, 93, der sich am Fühlerkopf 47 vorbeibewegt, erzeugt die Halleffekteinrichtung 45 folglich ein entsprechendes Signal. Vorzugsweise werden die Signale so konditioniert, daß sich eine zeitliche Abfolge von Impulsen ergibt, wobei jeder Impuls einem Umfangszahn entspricht, der am Fühlerkopf 47 der Sensoranordnung 46 vorbeiläuft.

Das von den im wesentlichen gleichen Umfangszähnen 83, 93 und den zugehörigen Lücken 84, 94 gelieferte Signalmuster ist normalerweise unterscheidbar von dem zur Indexlücke 85 gehören­ den Signalmuster. Demzufolge liefert die Indexlücke 85 einen Winkelreferenzpunkt für jede Umdrehung der Kurbelwelle 60, die die Steuerung 40 zur leichteren Steuerung der Anordnung 10 benutzen kann. In einem Ausführungsbeispiel ist die Indexlücke 85 zur Motorsteuerung - unter Berücksichtigung der Tatsache, daß eine Kurbelwelle eines Viertaktmotors für jeden Verbren­ nungs- und Ausstoßvorgang zwei Umdrehungen macht - an einer vorbestimmten Stelle relativ zum oberen Totpunkt einer ausge­ wählten Kolbenanordnung 50 positioniert.

Aufgrund der Gleichförmigkeit der Umfangszähne 83, 93 und der Lücken 84, 94 kann die Steuerung 40 ohne weiteres kleine Änderungen der Kurbelwellendrehzahl während jeder Kurbelwellen­ umdrehung feststellen. Gegenüber dem dargestellten Ausführungs­ beispiel können entsprechend den Anforderungen eines Systems mehr oder weniger Umfangszähne und andere räumliche Anordnungen der Umfangszähne verwendet werden.

Vorzugsweise sind die Umfangszähne 83, 93 des Resolverrades 80 aus einem ferritischen Material hergestellt, das eine Änderung eines Magnetfeldes leicht erfaßt. Des weiteren und wie in Fig. 1 dargestellt ist es bevorzugt, daß das Resolverrad 80 und die Sensoranordnung 46 an einer zur hintersten Kolbenanordnung 50 des Motors 20 gehörenden Kurbelwange vorgesehen sind. Es hat sich herausgestellt, daß Torsionsschwingungen des Motors 20 zu weniger Sensorrauschen führen, wenn das Resolverrad 80 sich an dieser Stelle befindet, als wenn es an einem der sich weiter vorne befindenden Kurbelwangen 70b bis 70f oder 72b bis 72f befestigt ist.

Neben einer Zahn/Lückenanordnung können auch andere Arten von Anzeigern oder Markierungen verwendet werden, je nach dem ausgewählten Sensortyp. Beispielsweise werden im US Patent Nr. 4 155 430 in ein Referenzglied eingebettete, unterschied­ lich polarisierte Magnete als Anzeiger verwendet. Neben Hall­ effekteinrichtungen können auch andere Sensortypen, beispiels­ weise induktive und magneto-resistive, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann es je nach Ausführungsform unnötig sein, die Kurbelwelle 60 vollständig mit einer Ringstruktur zu umge­ ben, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Auch kann es unnötig sein, eine Referenzlücke vorzusehen oder ein ringförmi­ ges Referenzglied zu benutzen. In alternativen Ausführungsbei­ spielen kann ein einstückiges Referenzglied an einer Kurbelwange befestigt sein.

Das beschriebene Erfassungssystem kann mit anderen Sensorsyste­ men zur Rotationserkennung kombiniert sein, beispielsweise mit einem System zur Erfassung der Nockenwellendrehung, um die gewünschte Motorsteuerung zu ermöglichen.

Claims (29)

1. Erfassungs- und Steuerungsvorrichtung, mit:

• - einem Motor (20) mit einer Kurbelwelle (60), die mehrere Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) aufweist und die sich im Be­ trieb um eine Rotationsachse (R) dreht,
• - einem ersten gekrümmten Segment (82), das durch zumindest ein Befestigungselement an einer der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) zur gemeinsamen Drehung mit dieser befestigt ist, wobei das erste Segment (82) einen ersten Winkel um die Rotati­ onsachse (R) überspannt und eine erste Anzahl von Anzeigern aufweist,
• - einer Sensoranordnung (46), die nahe der Kurbelwelle so angeordnet ist, daß die ersten Anzeiger erfaßt werden und daß ein Sensorsignal bereitgestellt wird, das einer Dreheigenschaft der Kurbelwelle (60) entspricht, und
• - einer Steuerung (40), die betrieblich mit dem Motor (20) gekoppelt ist und auf die Sensoranordnung (46) anspricht, um ein Steuersignal in Abhängigkeit des Sensorsignals zu erzeugen, wobei der Motor (20) entsprechend dem Steuersignal betrieben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Dreheigenschaft die Relativstellung und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle (60) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeiger eine Vielzahl von Umfangszähnen (82, 92) umfassen, die ein Magnetfeld ändern können und daß die Sensoranordnung (46) eine Halleffekteinrich­ tung (45) aufweist, die eine Änderung des Magnetfeldes erfassen kann.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel mehr als 275° beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel kleiner als 85° ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) eine asymmetrische Fläche (74a) festlegt, die eine um die Rotationsachse (R) laufende Umfangslinie (76) hat, daß das erste Segment (82), einen ersten Endabschnitt (93a) und einen zweiten Endabschnitt (93b), die an der Fläche (74a) befestigt sind, und einen zwischen den beiden Endabschnitten (93a, 93b) angeordneten, gekrümmten Mittelabschnitt (93c) aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt (93c) sich über die Umfangslinie der asymmetrischen Fläche (74a) hinaus erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Ringsegment (92) an einer der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) befestigt ist, wobei das zweite Segment (92) eine zweite Anzahl von Anzeigern auf­ weist, und wobei die beiden Segmente (82, 92) so angeordnet sind, daß sie einen Teil der Kurbelwelle (60) im wesentlichen umgeben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel größer als 180° ist, daß die ersten Anzeiger eine erste Anzahl von Umfangszäh­ nen (83) aufweisen, die voneinander durch je einen im wesentli­ chen gleichen Abstandswinkel (A1) getrennt sind, und daß das erste Segment (82) eine Indexlücke (85) definiert, die einen Winkel (A2) überspannt, der größer als der Abstandswinkel (A1) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Segment (92) einen zweiten Winkel von weniger als 180° um die Rotationsachse (R) überspannt, und daß die zweiten Anzeiger einen zweite Anzahl von Umfangszähnen (93) aufweisen, die voneinander durch den im wesentlichen gleichbleibenden Abstandswinkel (A1) getrennt sind.

10. Verbrennungsmotoranordnung (10), mit:

• - einer sich im Betrieb drehenden Kurbelwelle (60) mit einer Reihe von Kurbelwangen, (70a-70f, 72a-72f),
• - einem ringförmigen Referenzglied, das an einer der Kurbel­ wangen (70a-70f, 72a-72f) zur Drehung mit dieser befestigt ist, wobei das Referenzglied einen Teil der Kurbelwelle (60) um­ schreibt und eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeter Anzeiger aufweist, und
• - einer nahe dem Referenzglied angeordneten Sensoranordnung (46) zum Erfassen der Anzeiger und zum Bereitstellen eines Sensorsignals, das einer Dreheigenschaft der Kurbelwelle (60) entspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (40) betrieblich mit einem Motor (20) der Anordnung (10) gekoppelt ist und auf das Sensorsignal reagiert, um ein Steuersignal für den Betrieb des Motors (20) zu erzeugen.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheigenschaft die Relativ­ stellung und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle (60) ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzglied ein erstes ge­ krümmtes Segment (82) und ein zweites gekrümmtes Segment (92) aufweist, wobei die beiden Segmente (82, 92) voneinander trenn­ bar sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzglied eine Vielzahl von Umfangszähnen (83, 93) aufweist, die ein Magnetfeld ändern können, und daß die Sensoranordnung (46) eine Halleffektein­ richtung (45) umfaßt, die die Änderung des Magnetfeldes erfas­ sen kann.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzglied mehrere Befesti­ gungslöcher (86, 96) aufweist, die zur Aufnahme je eines Befe­ stigungselementes bestimmt sind, um das Referenzglied an der einen der genannten Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) zu befesti­ gen.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzglied ein erstes ge­ krümmtes Segment (82) mit einem ersten Paar von Befestigungslö­ chern (86) und ein zweites gekrümmtes Segment (92) mit einem zweiten Paar von Befestigungslöchern (96) aufweist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) eine Fläche (74a) mit einer Umfangslinie (76) um eine Rotationsachse (R) der Kurbelwelle (60) festlegt, wobei die Fläche (74a) asymmetrisch zur Rotationsachse (R) ist, und wobei die Fläche (74a) mehrere den Befestigungslöchern (86, 96) zugehörige Gewindelöcher (78) aufweist, daß die Befestigungse­ lemente Schrauben (88, 98) sind, die durch je ein Befestigungs­ loch (86, 96) passen und schraubend in eines der Gewindelöcher (78) eingreifen, um das Referenzglied an der Fläche (74a) zu befestigen, und daß das Referenzglied im befestigten Zustand einen Abschnitt aufweist, der sich radial über die Umfangslinie (76) hinaus erstreckt.

18. Resolverrad (80) zur Anbringung an einer Kurbelwange (70a-70f, 72a-72f) der Kurbelwelle (60) eines Verbrennungsmo­ tors, um eine Dreheigenschaft der Kurbelwelle (60) mit einer Sensoranordnung (46), die auf Magnetfeldveränderungen an­ spricht, zu erfassen, mit:

• - einem ersten gekrümmten Ringsegment (82), das einen ersten Winkel von mindestens 180° überspannt und eine erste Anzahl von Umfangszähnen (83) aufweist, die je eine im wesentlichen glei­ che Größe haben und voneinander durch einen im wesentlichen gleichbleibenden Abstandswinkel (Al) getrennt sind,
• - einem zweiten gekrümmten Ringsegment (92), das einen zweiten Winkel von nicht mehr als 180° überspannt und eine zweite Anzahl von Umfangszähnen (93) aufweist, die je die im wesentlichen gleiche Größe der ersten Anzahl Umfangszähne (83) haben und die voneinander durch den Abstandswinkel (A1) ge­ trennt sind, wobei das, erste Segment (82) und das zweite Seg­ ment (92) je zumindest ein Befestigungsloch (86, 96) zur Aufnahme eines Befestigungselements zur Anbringung an der Kurbelwange (70a-70f, 72a-72f) aufweisen, und wobei das erste Ringsegment (82) und das zweite Ringsegment (92) auf einem kreisförmigen Weg aufeinanderfolgen, der einen Teil der Kurbel­ welle (60) umgibt, wenn das erste Segment (82) und das zweite Segment (92) an der Kurbelwange (70a-70f, 72a-72f) zur Drehung mit dieser angebracht sind, und wobei eines der Segmente (82, 92) eine Indexlücke (85) festlegt, deren Erstreckung in Um­ fangsrichtung ein Indexwinkel (A2) beschreibt, der größer als der Abstandswinkel (A1) ist, und daß die erste und zweite Anzahl von Umfangszähnen (83, 93) je ein Material aufweisen, das eine von der Sensoranordnung (46) erfaßbare Magnetfeldände­ rung hervorruft, wenn die Segmente (82, 92) mit der Kurbelwange (70a-70f, 72a-72f) rotieren.

19. Resolverrad nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel zumindest 275° beträgt und daß der zweite Winkel nicht größer als 85° ist.

20. Resolverrad nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen gleichbleibende Abstandswinkel (A1) ungefähr 10° beträgt.

21. Resolverrad nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Segment (82) die In­ dexlücke (85) festlegt und daß der Indexwinkel (A2) ungefähr 20° beträgt.

22. Resolverrad nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl von Umfangszähnen (83) ungefähr 27 ist und die zweite Anzahl von Umfangszähnen (93) ungefähr 8.

23. Verbrennungsmotoranordnung (10) mit:

• - einer sich im Betrieb drehenden Kurbelwelle (60) mit einer Reihe von Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f),
• - einem Referenzdrehglied, das zumindest zwei voneinander trennbare Teile umfaßt, die an einer der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) zur Drehung mit dieser befestigt sind, und
• - einer Sensoranordnung (46), die nahe der Kurbelwelle (60) angeordnet ist und auf eine Bewegung des Referenzdrehgliedes anspricht, um ein Sensorsignal entsprechend einer Dreheigen­ schaft der Kurbelwelle (60) bereitzustellen.

24. Verbrennungsmotoranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei voneinander trennbaren Teile je mindestens ein Befestigungsloch (86, 96) zur Aufnahme eines entsprechenden Befestigungselementes aufwei­ sen, um an der einen der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) befe­ stigt werden zu können.

25. Verbrennungsmotoranordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzdrehglied eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt hat und einen Teil der Kur­ belwelle (60) umgibt.

26. Verbrennungsmotoranordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzdrehglied eine Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Umfangszähne (83, 93) aufweist, die ein Magnetfeld verändern können, und daß die Sensoranordnung (46) eine Halleffekteinrichtung (45) aufweist, die die Magnetfeldänderung erfassen kann.

27. Verbrennungsmotoranordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (40) betrieblich mit einem Motor (20) der Anordnung (10) gekoppelt ist und auf das Sensorsignal reagiert, um in Abhängigkeit dieses Sensorsignals ein Steuersignal für den Betrieb des Motors (20) zu erzeugen.

28. Verbrennungsmotoranordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheigenschaft die Drehstel­ lung und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle (60) ist.

29. Verbrennungsmotoranordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Kurbelwangen (70a-70f, 72a-72f) eine Fläche (74a) mit einer Umfangslinie (76) um eine Rotationsachse (R) der Kurbelwelle (60) festlegt, wobei die Fläche (74a) relativ zur Rotationsachse (R) asymmetrisch ist, und daß das Referenzdrehglied an der Fläche (74a) befestigt ist und einen Abschnitt aufweist, der sich insbesondere radial über die Umfangslinie (76) der Fläche (74a) hinaus erstreckt.