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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Phase
des Motorzyklus für einen Motor mit gleichzeitiger Zündung von Zylinderpaaren,
insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Nach dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei
denen die Zündkerzen der Zylinder jedes Paares an die Ausgänge einer
Sekundärwicklung einer Zündspule angeschlossen sind, deren Primärwicklung mit
einem Rechner zur Steuerung der Funktion des Motors über eine Leistungsstufe
verbunden ist.
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Diese Vorrichtungen werden dazu verwendet, die Steuerung der
Kraftstoffeinspritzung und der Vorzündung in Verbrennungsmotoren und die
Zündsteuerung zu optimieren.
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Es ist daher notwendig, nicht nur die Winkelstellung der Kurbelwelle, sondern
außerdem die Arbeitsphase des Motors und insbesondere von jedem seiner
Zylinder zu kennen.
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Zu diesem Zweck wird gemäß dem Stand der Technik ein Sensor benutzt, der
die Winkelposition der Nockenwelle feststellt.
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Diese Vorrichtung benötigt außer dem Sensor eine Meßmarkierung, die an
dieser Welle angebracht ist und eine oder mehrere Einkerbungen umfaßt.
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Ferner ist es möglich, diese Messung durch Analyse der Zündsignale der den
Zylindern zugeordneten Zündkerzen vorzunehmen.
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Das allgemeine Prinzip dieser Analyse besteht darin, eine gleichzeitige Zündung
von zwei mechanisch synchronen Zylindern hervorzurufen, das heißt z. B. der
Zylinder Nr. 1 und 4 und Nr. 2 und 3 im Fall eines Motors mit vier Zylindern,
und die elektrischen Eigenschaften zu beobachten, die sich aus dem
Druckun
terschied in den zwei einander entsprechenden Verbrennungskammern beim
Zündzeitpunkt ergeben.
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Diese zweite Meßmöglichkeit der Phase ist wirtschaftlicher als die erste, da sie
ohne einen speziellen Sensor und die damit verbundene Meßmarkierung
auskommt.
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Dennoch benötigt die Analyse der Zündsignale Einrichtungen zur Messung der
Klemmenspannung der Zündkerzen sowie eine Einrichtung zur Filterung und
zum Vergleich dieser Spannungen.
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Bei Zündsystemen mit einer Zündspule pro Zylinderpaar liegt die benötigte
Information nicht auf der Höhe der Primärwicklung dieser Zündspule vor, und es
ist daher notwendig, eine Messung auf Höhe ihrer Sekundärwicklung
durchzuführen.
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Die Dokumente EP-A-272 225 und 404 763 schlagen Lösungen vor, die darin
bestehen, einen oder mehrere kapazitive Meßfühler auf dem oder den
Hochspannungsleitern anzubringen, die die Verbindung mit den Zündkerzen
herstellen.
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Bei den Vorrichtungen, die in diesen Dokumenten beschrieben sind, ist es
jedoch notwendig, einen analogen Vergleich der gemessenen Spannungen
durchzuführen.
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Dies bringt drei Nachteile mit sich, nämlich:
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1) Die Schwierigkeit, die Vergleichseinrichtungen und die damit verbundenen
Meßschwellen einzustellen;
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2) Die Mehrkosten, die der mit den elektronischen Verarbeitungsstufen und der
Signalaufnahme verbunden ist; und
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3) Die Schwierigkeit, einen guten Schutz des Rechners gegenüber der
Hochspannung zu gewährleisten.
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Ziel der Erfindung ist es daher, diese Probleme zu überwinden.
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Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur
Erkennung der Phase des Motorzyklus für einen Motor mit gleichzeitiger Zündung von
Zylinderpaaren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem die Zündkerzen der
Zylinder jedes Paares an die Ausgänge einer Sekundärwicklung einer Zündspule
angeschlossen sind, deren Primärwicklung mit einem Rechner zur Steuerung
der Funktion des Motors über eine Leistungsstufe verbunden ist, welcher
Rechner ein Signal aufnimmt, das für die Phase des Motorzyklus repräsentativ ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Sekundärwicklungen, die einem der
Zylinderpaare zugeordnet ist, eine Wicklung mit Mittelabgriff ist, und daß
Einrichtungen vorgesehen sind, die die Spannung am Mittelpunkt der Wicklung
abtasten und zu einem Spannungssignal ausbilden, das an den Rechner als Signal
abgegeben wird, das repräsentativ ist für die Phase des Motorzyklus des Motors.
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Das Dokument EP-A-602 803, das eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
vorliegenden Anspruchs 1 offenbart, sieht die Anbringung eines kapazitiven
Sensors an der Mitte der Sekundärwicklung vor, um ein Signal zu erzeugen,
dessen Polarität die Phase des Motorzyklus des Motors anzeigt.
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Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung verständlich, die
ausschließlich beispielhaft gegeben wird und sich auf die folgenden beigefügten
Zeichnungen bezieht:
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Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschaltbild, das einen Schaltkreis zum Anschluß der
Zündkerzen der entsprechenden Zylinder in einem Zylinderpaar eines
Verbrennungsmotors mit gleichzeitiger Zündung, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
zeigt;
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel von Spannungssignalen verschiedener Punkte des
Schaltkreises, die in Fig. 1 gezeigt sind, in dem Fall, wenn der Zylinder Nr. 1
sich in der Verdichtungsphase befindet;
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Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung;
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Signals, das für die Phase des Motorzyklus des
Motors repräsentativ ist, und das von der in Fig. 3 gezeigten Meßvorrichtung
ausgegeben wird;
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Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung;
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Fig. 6 stellt Signale dar, die an verschiedenen Punkten der Vorrichtung erhalten
werden, die in Fig. 5 gezeigt sind; und
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Fig. 7 zeigt ein Übersichtsschaltbild, das den Aufbau eines Systems zur
Steuerung des Motorzyklus eines Motors zeigt, welches eine erfindungsgemäße
Meßvorrichtung umfaßt.
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Wie in den Figuren zu sehen ist, ist eine erfindungsgemäße
Erkennungsvorrichtung zur Erkennung der Phase des Motorzyklus für einen Motor gleichzeitiger
Zündung von Zylinderpaaren vorgesehen, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Bei einem solchen Motor sind die Zündkerzen, die den entsprechenden
Zylindern jedes Paares zugeordnet sind, an den Enden einer Sekundärwicklung einer
Zündspule angeschlossen, deren Primärwicklung an einen Rechner zur
Steuerung des Motorzyklus des Motors über eine Leistungsstufe angeschlossen ist.
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Gemäß Fig. 1 sind die Zündkerzen beispielhaft mit den Bezugszeichen B1 und
B4 bezeichnet und entsprechen den Zündkerzen, die den Zylindern Nr. 1 und 4
zugeordnet sind, falls es sich beispielsweise um einen Motor mit vier Zylindern
handelt.
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Eine der Elektroden der Zündkerzen ist an die Masse angeschlossen, während
die anderen Elektroden an die entsprechenden Ausgänge einer
Sekundärwicklung 1 einer Zündspule 2 angeschlossen sind, deren Primärwicklung 3 mit
Einspeisungseinrichtungen verbunden sind, die durch den Rechner zur Steuerung
des Motorzyklus des Motors gesteuert werden und beispielsweise einen NPN-
Transistor 4 umfassen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung 1 eine Wicklung
mit Mittelabgriff PM, und die erfindungsgemäße Erkennungsvorrichtung nutzt
die Tatsache aus, daß die Spannung Vpm, die am Mittelpunkt der
Sekundärwicklung der Spule gemessen wird, wechselweise positiv und negativ
entsprechend der Phase des Motorzyklus des Motors ist.
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Diese Vorrichtung ist insbesondere für Zündsysteme vorgesehen, die
Zündspulen umfassen, deren Primär- und Sekundärwicklungen auf gesonderten
Magnetkernen angeordnet sind.
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Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ergibt sich schließlich, daß während der
Zündphase die Spannung Vpm mit den Klemmenspannungen V1 und V4 der jeweiligen
Zündkerzen B1 und B4 durch folgende Gleichung zusammenhängt:
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Vpm = V1-V4/2
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Die Spannungen V1 und V4 sind jeweils proportional zu den Drucken P1 und
P4 in den Verbrennungskammern der Zylinder Nr. 1 und 4 des betrachteten
Paares.
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Falls der Zylinder Nr. 1, der der Zündkerze B1 entspricht, sich in der
Kompressionsphase befindet, folgt:
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P 1 > > P4 V1 > > V4 V1-V4 > 0 Vpm > 0
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Wenn hingegen der Zylinder Nr. 4, der der Zündkerze B4 entspricht, sich in der
Kompressionsphase befindet, folgt:
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P1 < < P4 V1 < < V4 V1-V4 < 0 Vpm < 0
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Es ergibt sich also, daß man durch die Messung und durch die Bildung eines
Spannungssignals am Mittelpunkt PM der Sekundärwicklung 1 der Zündspule
ein Signal bilden kann, das repräsentativ für die Phase des Motorzyklus des
Motors ist, und das nach der Bildung direkt vom Rechner zur Steuerung des
Motorzyklus des Motors verwendet werden kann.
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Diese Messung und diese Bildung können beispielsweise durch die
Zwischenschaltung eines Halbleiterbauteils zur Leitung in einer Richtung realisiert
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt, in welcher
identische Bezugszeichen die gleichen Bauteile bezeichnen, die bereits im
Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden.
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Demnach sind in Fig. 3 der Transistor 4, die Zündspule 2, deren
Primärwicklung 3 und Sekundärwicklung 1 und die Zündkerzen B1 und B4 sichtbar.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Erkennungsvorrichtung eine
Reihenschaltung, die zwischen dem Mittelpunkt PM der Sekundärwicklung 1 der Spule
2 und der Masse geschaltet ist und beispielsweise einen Widerstand 5 und eine
Zener-Diode 6 umfaßt, die das Spannungssignal Vz kappt, wenn Vpm positiv ist,
und die die negative Spannung Vz begrenzt, wenn Vpm negativ ist.
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Der Widerstand 5 ermöglicht es, den Strom durch die Zener-Diode zu begrenzen.
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Es ergibt sich, daß das Klemmen-Signal Vz dieser Zener-Diode 6 ein Signal ist,
das einen Spannungsimpuls bei jeder Zündung des Zylinders repräsentiert, wie
in Fig. 4 zusehen ist.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung, in der
identische Bezugszeichen wiederum Bauteile bezeichnen, die bereits im
Zusammenhang mit den Fig. 1 und 3 beschrieben sind.
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Demnach sind in Fig. 5 der Transistor 4, die Zündspule 2, deren
Primärwicklung 3 und Sekundärwicklung 1, die Zündkerze B1 und die Zündkerze B4 zu
erkennen.
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In dem in dieser Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Mittelpunkt PM der
Sekundärwicklung 1 der Zündspule an eine Reihenschaltung angeschlossen, die
einen Widerstand 7 und einen opto-elektronischen Schalter umfaßt, der
allgemein mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet ist.
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Der opto-elektronische Sensor umfaßt beispielsweise in bekannter Weise eine
Elektrolumineszenz-Diode 9, die an einen Photo-Transistor 10 angeschlossen
ist, während eine Schutzdiode 11 mit den Klemmen des Schalters zur
Begrenzung der inversen Spannung an dessen Klemmen angeschlossen ist.
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Der Widerstand 7 ermöglicht es, den Strom durch den Koppler zu begrenzen
und legt dessen Meßempfindlichkeit fest.
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Es ist zu erkennen, daß dieser Aufbau eine galvanische Isolierung ermöglicht
und daher eine größere Sicherheit im Fall des Ausfalls der Zündvorrichtung
gewährleistet.
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In Fig. 6 ist die Spannung Vi dargestellt, die am Kollektor des Phototransistors
10 des opto-elektronischen Schalters anliegt, während die Spannung Vpm
positiv ist. Dieses Signal Vi repräsentiert einen negativen Impuls, während sich der
Zylinder Nr. 1 in der Kompressionsphase befindet.
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Offensichtlich kann durch die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung, die
aufgrund des Spannungssignals, das am Mittelpunkt beispielsweise der
Sekundärwicklung der Zündspule vorhanden ist, ein Signal erzeugt, das repräsentativ
für die Phase des Motorzyklus des Motors ist, dieses Signal eventuell direkt vom
Rechner zur Steuerung des Motorzyklus des Motors und insbesondere für
dessen Mikroprozessor verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Steuersystems für den Motorzyklus eines Motors
ist in Fig. 7 dargestellt, in der ein Rechner 12 zur Steuerung des Motorzyklus
eines Motors gezeigt ist, an dessen Eingang der Ausgang eines Sensors für die
Position der Kurbelwelle angeschlossen ist, der allgemein durch die Bezugsziffer 13
bezeichnet ist, und welcher Sensor einer Markierung 14 zugeordnet ist, die
wiederum mit der Kurbelwelle verbunden ist und Einkerbungen umfaßt.
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Insbesondere ist dieser Sensor 13 mit einem Mikroprozessor 15 des Rechners
verbunden, welcher Mikroprozessor Ausgänge aufweist, die mit einer
Leistungsstufe 16 zur Steuerung der Zündspulen verbunden sind, wie es bereits
vorstehend beschrieben wurde.
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Tatsächlich kann diese Leistungsstufe mit einer der Klemmen der
Primärwicklung 3 der Zündspule 2 verbunden sein, während die Primärwicklung 1
beispielsweise mit den Zündkerzen B1 und B4 eines zugehörigen Zylinderpaares
des Motors verbunden ist.
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Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung 1 der Zündspule 2 ist mit einem in Fig.
5 dargestellten analogen Schaltkreis verbunden, welcher im einzelnen einen
Widerstand 7, einen opto-elektronischen Schalter 8 und eine Schutzdiode umfaßt.
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Der Ausgang dieses opto-elektronischen Schalters 8 ist über eine Eingangsstufe,
die allgemein mit der Bezugsziffer 17 in der Figur bezeichnet ist, mit dem
Mikroprozessor 15 des Rechners verbunden.
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Um die Phase der Funkenbildung auszublenden, die im allgemeinen gestört ist,
wird mit der Aufnahme der Phase des Motorzyklus des Motors durch den
Mikroprozessor auf ein Signal hin, das vom opto-elektronischen Schalter abgegeben
wird, erst nach einem Zeitraum nach dem Zündzeitpunkt begonnen.
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Dieser Zeitraum kann programmierbar sein und im Mikroprozessor gespeichert
sein.
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In diesem Fall kann der Wert für diesen Zeitraum in dessen Speicher enthalten
sein und durch verschiedene Merkmale des Zündsystems bestimmt sein.
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Es versteht sich also, daß in jedem Moment der Datenaufnahme das Signal Vi,
das vom opto-elektronischen Schalter abgegeben wird, entweder den logischen
Zustand 1 oder den logischen Zustand 0 annehmen kann.
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Wenn der Motorzyklus durch die Messung einer definierten Wechselfolge
erkannt ist, kann jeder Arbeitstakt am entsprechenden Zylinder des Motors durch
die Zündfolge beeinflußt werden.
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Das Starten des Motors wird durch die gemeinsame Einspritzung bewirkt.
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Der Mikroprozessor 15 stellt darin die Winkelstellung der Kurbelwelle mittels
des Sensors 13 fest und bestimmt ferner, welche Spule angesteuert werden soll
und in welchem Moment die Zündung bewirkt werden soll.
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Wenn die Spule angesteuert wird, wird in einem bestimmten Zylinderpaar die
Zündung bewirkt, doch der aktive Zylinder bleibt unbestimmt.
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Wenn der Motorzyklus durch die Bestimmung der festen Wechselfolge einmal
erkannt worden ist, wird jeder Arbeitstakt am entsprechenden Zylinder beeinflußt,
und die Motorsteuerung kann dann von der Gruppeneinspritzung zur
aufeinanderfolgenden Einspritzung übergehen.
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Es ist offensichtlich, daß verschiedene Ausführungsformen der
Detektionseinrichtungen und der Bildung des Spannungssignals, das am Mittelpunkt der
Sekundärwicklung anliegt, vorstellbar sind.