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Title:
METHOD FOR REVERSING THE DIRECTION OF ROTATION OF A TWO-STROKE ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/060300
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for reversing the direction of rotation of a two-stroke engine by specifically adjusting a misfire during coasting. In order to determine the direction of rotation of the engine with only one sensor, cyclic variations of the angular velocity of the crank mechanism during coasting are determined by using an incremental transducer. By allocating the transducer segments information on the angle position of the crank mechanism can be obtained that is referred to in conjunction with a further position information obtained through a gap of the incremental transducer to determine the direction of rotation. A corresponding suitable sensor can be used in piston engines independently of the method for determining the angle position of the crank mechanism.

Inventors:
BEIL REINHARD (DE)
HERM THOMAS (DE)
KUTZNER FRANK (DE)
Application Number:
PCT/DE2003/000025
Publication Date:
July 24, 2003
Filing Date:
January 08, 2003
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BEIL REINHARD (DE)
HERM THOMAS (DE)
KUTZNER FRANK (DE)
International Classes:
F02P7/07; F01L13/02; F02B77/08; F02D27/00; F02D41/04; F02D41/34; F02D43/00; F02D45/00; F02P9/00; F02B75/02; F02D37/02; F02P5/15; (IPC1-7): F02B77/08; F01L13/02; F02P5/00; G01P3/00
Foreign References:
US6098574A2000-08-08
US6034525A2000-03-07
US6039010A2000-03-21
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 374 (M - 749) 6 October 1988 (1988-10-06)
"Ottomotor-Management", 1998, ROBERT BOSCH GMBH, STUTTGART, XP002241143
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Umkehr der Laufrichtung eines Zweitaktmo tors, dessen Drehzahl und Kurbeltriebstellung mit Hilfe einer geeigneten Sensorik erfasst werden, wobei zur Um kehr der Drehrichtung zunächst die Zündung und/oder die Kraftstoffzufuhr abgeschaltet werden und beim nachfolgen den Auslaufen des Motors bei Unterschreiten einer be stimmten Grenzdrehzahl und nach gegebenenfalls erfolgter Wiederaufnahme der Kraftstoffzufuhr eine gezielte Früh zündung gesetzt wird, die die Drehrichtung des Motors um kehrt und nachfolgend die Kraftstoffzufuhr und die Zün dung entsprechend der umgekehrten Laufrichtung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Sensor mit einem Inkrementalgeber mit einer bestimmten Anzahl gleichmäßig über einen Umfang verteilten Gebersegmenten und einer Lücke zusammenwirkt und mit Hilfe der Geberseg mente die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit des Kur beltriebes über den Umfang ermittelt und die Lücke zur Bestimmung der Kurbeltriebstellung ausgewertet wird, wo bei beim Auslaufen des Motors mit Hilfe des Inkremental gebers die durch die Kompressionsund Expansionsphasen des wenigstens einen Brennraumes des Motors bedingten Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit des Kurbeltriebes während einer Umdrehung des Motors erfasst und einem be stimmten Gebersegment zugeordnet werden und aus der rela tiven Winkellage dieses Gebersegments zu der Lücke die Drehrichtung des Motors bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Drehrichtungsumkehr die Lage der Zündund ge gebenenfalls Einspritzzeitpunkte mit der Lücke des Inkre mentalgebers neu synchronisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Drehrichtungsumkehr nach einigen Sensorsi gnalen ein Drehzahlanstieg erwartet wird, bei dessen Aus bleiben der Motor abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Zweizylindermotor mit 180° am Kurbeltrieb versetzten Zylindern eingesetzt wird und nach einer Dreh richtungsumkehr die Zuordnung zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder vertauscht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass bei einem Motor mit mehr als zwei Zy lindern die Zuordnung zwischen um 180° am Kurbeltrieb zu einander versetzt angeordneten Zylindern paarweise ge tauscht wird oder bei abweichendem Versatz der Zylinder die Zuordnung entsprechend dem Versatz mit Bezug auf die Lücke neu bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass bei einem Einzylindermotor entspre chend der Lage der Lücke die Zuordnung entsprechend der Lage der Lücke bezüglich des oberen Totpunktes des Kol bens nach der Drehrichtungsumkehr steuerungstechnisch verzögert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass nach der Abgabe der Frühzün dung die Zahl der den Sensor passierenden Gebersegmente des Inkrementalgebers gezählt und bei Überschreiten einer bestimmten Grenzanzahl der Motor abgeschaltet wird.
8. Sensorik mit einem Sensor und einem an einem rotierenden Bauteil eines Zweitaktmotors mit einem über den Umfang gleichmäßig verteilte Gebersegmente aufweisenden Inkre mentalgeber, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerlo gik mit Hilfe des Inkrementalgebers beim Auslaufen des Motors durch die Kompressionsund Expansionsphasen des wenigstens einen Brennraums bedingte zyklische Schwankun gen der erfassten Winkelgeschwindigkeit während eines Um laufes erfasst und durch Zuordnung zu bestimmten Geber segmenten des Inkrementalgebers eine Information über die Winkelstellung des Kurbeltriebes generiert.
9. Sensorik nach Anspruch 8, insbesondere zur Verwendung bei einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass der Inkrementalgeber eine Lük ke aufweist, die eine weitere Information über eine Win kelstellung des Kurbeltriebes darstellt.
10. Sensorik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik durch Zählen der durch die Gebersegmente ausgelösten Steuersignale zwischen der Lücke und der rechnerisch bestimmten Kurbeltriebstellung die Drehrich tung des Motors ermittelt.
11. Sensorik nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücke in Vorwärtslaufrichtung des Motors gesehen 90° vor dem ersten oder einzigen Zylinder des Motors vor gesehen ist.
12. Sensorik nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Inkrementalgeber aus 36 Geberseg menten besteht, von denen zwei zur Bildung der Lücke ver kürzt oder ausgespart sind.
13. Sensorik nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sensor ein Induktivsensor ist.
14. Sensorik nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sensor ein HallSensor ist.
Description:
Beschreibung Verfahren zur Drehrichtungsumkehr bei Zweitaktmotoren Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Umkehr der Laufrichtung eines Zweitaktmotors, dessen Drehzahl und Kur- beltriebstellung mit Hilfe einer geeigneten Sensorik erfasst werden, wobei zur Umkehrung der Drehrichtung zunächst die Zündung und/oder die Kraftstoffzufuhr abgeschaltet werden und beim nachfolgenden Auslaufen des Motors bei Unterschreiten einer bestimmten Grenzdrehzahl und nach gegebenenfalls er- folgter Wiederaufnahme der Kraftstoffzufuhr eine gezielte Frühzündung gesetzt wird, die die Drehrichtung des Motors um- kehrt, und nachfolgend die Zündung und die Kraftstoffzufuhr entsprechend der umgekehrten Laufrichtung gesteuert werden.

Ein solches Verfahren zur Umkehr der Laufrichtung eines Zwei- taktmotors aus dem Betrieb heraus ist bereits bekannt. Die für die Steuerung notwendige Bestimmung der Laufrichtung er- folgt dabei mit wenigstens zwei Hall-Sensoren, wobei aus der zeitlichen Abfolge der Sensorsignale neben der Bestimmung der Drehzahl auch eine Drehrichtungs-und Positionsbestimmung der Kurbelwelle möglich ist. Neben den erhöhten Kosten für den zweiten Sensor erhöhen sich auch die Kosten für die Montage des zweiten Sensors, der ebenfalls an eine Steuerlogik anzu- schließen ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Umkehr der Laufrichtung eines Zweitaktmotors zu schaffen, das mit nur einem Sensor arbeitet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der ein- gangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem ein einziger Sen- sor mit einem Inkrementalgeber mit einer bestimmten Anzahl gleichmäßig über einen Umfang verteilten Gebersegmenten und einer Lücke zusammenwirkt und mit Hilfe der Gebersegmente die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit des Kurbeltriebes über den Umfang ermittelt und die Lücke zur Bestimmung der absolu- ten Kurbeltriebstellung ausgewertet wird, wobei beim Auslau- fen des Motors mit Hilfe des Inkrementalgebers die durch die Kompressions-und Expansionsphasen wenigstens eines Brenn- raums des Motors bedingten Schwankungen der Winkelgeschwin- digkeit des Kurbeltriebes während einer Umdrehung erfasst und einem bestimmten Gebersegment zugeordnet werden und aus der relativen Winkellage dieser Gebersegmente zu der Lücke die Drehrichtung bestimmt wird.

Das Verfahren nutzt die bei einem ohne Zündung und/oder Kraftstoffzufuhr auslaufenden Motor auftretenden zyklischen Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit, die aus dem Abbremsen des Kurbeltriebes während der Kompressionsphasen und einem leichten Wiederbeschleunigen während der Expansionsphasen re- sultieren. Das Erfassen dieser Schwankungen wird durch den Einsatz eines Inkrementalgebers möglich, dessen Gebersegmente in bestimmtem Winkelabstand vorgesehen sind, so dass sich aus dem zeitlichen Abstand der ausgelösten Signale über den Um- fang mehrfach während einer Umdrehung die exakte Winkelge- schwindigkeit bestimmen lässt. Während des Auslaufens treten als Beispiel lokale Maxima und Minima der Winkelgeschwindig- keit auf, die bestimmten Gebersegmenten zugeordnet werden können, beispielsweise durch Zählen der Impulse seit dem letzten Passieren der Lücke des Inkrementalgebers. Dadurch erhält man neben der Lücke eine weitere Information über die Winkelstellung des Kurbeltriebes, wobei das zugeordnete Ge- berelement je nach Drehrichtung des Motors eine unterschied- liche Segmentzahl von der Lücke entfernt liegt. Die Art des eingesetzten Sensors ist dabei unerheblich, es können sowohl Induktivsensoren als auch Hall-Sensoren, die beispielsweise mit Zähnen als Gebersegmenten zusammenwirken, oder auch son- stige Sensoren, beispielsweise optisch wirkende Sensoren ein- gesetzt werden, die mit einer Lochscheibe oder dergleichen als Inkrementalgeber zusammenwirken, wobei die Lücke in die- sem Fall ein verschlossenes Loch ist.

Vorzugsweise wird nach einer erfolgten Drehrichtungsumkehr die Lage der Zünd-und gegebenenfalls Einspritzzeitpunkte der Kraftstoffzufuhr mit der Lücke des Inkrementalgebers neu syn- chronisiert. Dies kann zweckmäßig sein, um bei der Drehrich- tungsumkehr eventuell entstehende Positionierungsfehler aus- zugleichen, da die Zahl der durch die Gebersegmente ausgelö- sten Impulse je nach Zahl der nach der Frühzündung noch in- folge der Massenträgheit des Kurbeltriebes passierten Geber- segmente in Vorwärtsrichtung schwanken kann. In der Regel kann die Synchronisation bereits während der ersten Umdrehung in der Gegenrichtung vorgenommen werden.

Weiterhin kann das Verfahren in der Weise weitergebildet sein, dass nach der Frühzündung nach wenigen Sensorsignalen ein Drehzahlanstieg erwartet wird, bei dessen Ausbleiben der Motor abgeschaltet wird. Bei erfolgreicher Drehrichtungsum- kehr wird der Motor bereits bei seiner ersten Umdrehung in neuer Drehrichtung stark beschleunigt, was mit Hilfe des In- krementalgebers durch den Sensor erfassbar ist. Dieser bei einem fehlerhaften Überschreiten des oberen Totpunktes nach der Frühzündung in der vorherigen Drehrichtung ausbleibende Drehzahlanstieg kann als Signal für das Abschalten des Motors herangezogen werden, um zu vermeiden, dass der noch vorwärts laufende Motor durch einen bei der nachfolgenden Umdrehung völlig falschen Zündzeitpunkt beansprucht wird.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren bei einem Zweizylin- dermotor verwendet, dessen Zylinder um 180° am Kurbeltrieb versetzt angeordnet sind, wobei nach der Drehrichtungsumkehr die Zuordnung, d. h. die Ansteuerung der Zündung und gegebe- nenfalls der Kraftstoffeinspritzung, zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder vertauscht wird. Denkbar wäre es zwar auch, die Ansteuerung der Zylinder rechnerisch zu verändern, jedoch ergibt sich durch das Vertauschen der besondere Vor- teil, dass die meist ungefähr 90° vor dem oberen Totpunkt des ersten Zylinders mit Bezug auf die Vorwärtsdrehrichtung ange- ordnete Lücke des Inkrementalgebers auch beim Rückwärtslauf in relativ geringem Winkelabstand mit Bezug auf den tatsäch- lich dann beim zweiten Zylinder erfolgenden Zündvorgang liegt, wodurch sich Vorteile bei der Ansteuerung ergeben. Bei einem Einzylindermotor muss selbstverständlich nach der Dreh- richtungsumkehr die Zündung und gegebenenfalls die Kraftstof- feinspritzung in einen geänderten Bezug zur Lage der Lücke des Inkrementalgebers gesetzt werden. Denkbar wäre unter Um- ständen auch das Vorsehen einer weiteren Lücke, die aller- dings nicht die Positionsbestimmung des Kurbeltriebes in der zuvor beschriebenen Art und Weise erschweren darf.

Bei Mehrzylindermotoren kann je nach Versatz der den Zylin- dern zugeordneten Kröpfungen der Kurbelwelle die neue Zuord- nung nach der Drehrichtungsumkehr durch paarweisen Tausch zwischen Zylindern geändert werden oder, beispielsweise bei einem Dreizylinder, wird die Zuordnung mit Bezug auf die LÜk- ke des Inkrementalgebers neu bestimmt.

Ein weiterer Vorteil des Inkrementalgebers wird bei einer be- vorzugten Weiterbildung des Verfahrens eingesetzt, wonach nach der Abgabe der Frühzündung die Zahl der den Sensor pas- sierenden Gebersegmente des Inkrementalgebers gezählt und bei Überschreiten einer bestimmten Grenzanzahl der Motor abge- schaltet wird. Diese alternativ oder ergänzend zur Erfassung des Drehzahlanstieges mögliche Maßnahme kann ebenfalls zur Bewertung herangezogen werden, ob die Drehrichtungsumkehr des Motors erfolgreich war. Die Lücke des Inkrementalgebers liegt, wie bereits erwähnt, in der Regel bei bis ungefähr 90° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens mit Bezug auf die Vor- wärtsdrehrichtung. Die Frühzündung liegt beispielsweise be- vorzugt ungefähr 50° vor dem oberen Totpunkt, d. h. ungefähr 4 bis 5 Gebersegmente nach der Lücke des Inkrementalgebers.

Kehrt sich die Drehrichtung erfolgreich um, erfasst der Sen- sor bis zum erneuten Erreichen der Lücke auch bei Überschwin- gen infolge der Massenträgheit des Kurbeltriebes erheblich weniger Segmente, als bei einem Überschreiten des Totpunktes mit einem nachfolgenden 270°-Umlauf des Inkrementalgebers.

Wird die Lücke nach einer Anzahl von Sensorimpulsen in einer Anzahl ungefähr gleich einem Viertel der Gesamtzahl der Ge- bersegmente erfasst, kann von einer erfolgreichen Drehrich- tungsumkehr ausgegangen werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Sensorik, die eine Positionserfassung mit Hilfe eines über den Umfang gleichmäßig verteilte Gebersegmente aufweisenden Inkremental- gebers und einem Sensor ermöglicht. Erfindungsgemäß erfasst eine Steuerlogik beim nicht-angetriebenen Auslaufen des Mo- tors durch die Kompressions-und Expansionsphasen des wenig- stens einen Brennraums des Motors bedingte zyklische Schwan- kungen der erfassten Winkelgeschwindigkeit während eines Um- laufes und generiert durch Zuordnen dieser Schwankungen zu bestimmten Gebersegmenten des Inkrementalgebers eine Informa- tion über die Winkelstellung des Kurbeltriebes. Man kann mit einer solchen Sensorik, die sich zum Einsatz in verschiedenen Bereichen eignet, die Winkelstellung eines Kurbeltriebes be- stimmen. Für den bevorzugten Einsatz bei einem Verfahren der zuvor beschriebenen Art weist der Inkrementalgeber vorzug- weise eine Lücke auf, die vorzugsweise durch Verkürzung oder Aussparung zweier Gebersegmente gebildet ist, die in Verbin- dung mit dem Sensor eine weitere Information über die Winkel- stellung des Kurbeltriebes darstellt. Eine solche Sensorik ermöglicht mit der Zuordnung bestimmter Gradienten der Win- kelgeschwindigkeit zu bestimmten Gebersegmenten und mit der Erfassung der Lücke neben einer Bestimmung der Momentandreh- zahl und einer Bestimmung der Kurbeltriebstellung auch eine exakte Bestimmung der Drehrichtung, da der Winkelabstand zwi- schen dem ermittelten Gebersegment und der Lücke je nach Drehrichtung beim Auslaufen des Zweitaktmotors unterschied- lich ist.

Wie bereits erwähnt, ist die Lücke in Vorwärtslaufrichtung des Motors gesehen vorzugsweise 90° vor dem ersten oder ein- zigen Zylinders des Motors vorgesehen, um einerseits bei re- gulärem Lauf eine zeitnahe Auslösung der Zündimpulse zu er- möglichen und andererseits auch bei einer gewünschten Dreh- richtungsumkehr noch den vorzugsweise ungefähr 50° vor dem oberen Totpunkt liegenden Frühzündung auslösen zu können.

Die im Fahrzeugbereich bisher verwendeten Inkrementalgeber besitzen in der Regel eine Aufteilung von 60 Zähnen über den Umfang, wobei die Lücke in der Regel zwei Zähne ausmacht, um sie mit Bestimmtheit erfassen zu können. Die erfindungsgemäße Sensorik weist vorzugsweise hingegen nur 36 über den Umfang verteilte Gebersegmente, vorzugsweise Zähne, auf, von denen zwei zur Bildung der Lücke weggelassen sind. Diese Anzahl von Gebersegmenten hat sich bei einer Anordnung an der Kurbelwel- le eines Zweitaktmotors als vorteilhaft erwiesen, da sich bei einer üblichen Anzahl von 60 Zähnen eine zu hohe Interrupt- Belastung des Systems aufgrund der hohen Wiederholrate bei hohen Drehzahlen ergibt. Die Anzahl von ungefähr 36 Geberseg- menten hat sich dabei im Hinblick einerseits auf eine Senkung der Interrupt-Belastung des Systems und andererseits auf eine hinreichende Auflösung über den Umfang des Kurbeltriebes als besonders vorteilhaft erwiesen.