DE10021152A1 - Measurement arrangement for determining valve stroke employs stroke dependent capacitance with reference capacitor to compensate for temperature conditions - Google Patents

Measurement arrangement for determining valve stroke employs stroke dependent capacitance with reference capacitor to compensate for temperature conditions

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DE10021152A1
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Abstract

A stroke transducer (7) has two electrodes, a measurement electrode (3) and a reference electrode (4) forming first and second capacitors. A section of dielectric (6) embedded in the valve shaft passes the first capacitor so varying its capacitance as the valve functions. The second capacitor is not affected and therefore serves as a reference capacitor, i.e to compensate for operating conditions such as temperature etc.

Description

Von der Automobilindustrie werden zur Befriedigung der Nachfrage bei gleichzeitig abnehmendem Verbrauch und gegen die Nachweisgrenze gehenden Emissionen immer leistungsstärkere Motoren hergestellt. Bis heute besteht keine sinnvolle Alternative zum Vier-Takt-Verbrennungsmotor. Daher ist es notwendig zur Erfüllung der vorgenannten Anforderungen, den Motor hinsichtlich jedes einzelnen Funktionsaspektes zu optimieren. Einer der wichtigsten Teilaspekte ist dabei die Optimierung der eigentlichen Verbrennung und damit zusammenhängend die Optimierung des Ladungswechsels und des Ventiltriebs. Gefordert wird dabei ein möglichst reibungsarmer Ventiltrieb mit geringen bewegten Massen und hoher Steifigkeit, um hohe Drehzahlen erreichen zu können. Hinsichtlich eines definierten Ladungswechsels und minimalem Verschleiß muß sichergestellt sein, dass die Ein- und Auslaßventile genau der Kontur der Nockenwelle folgen, d. h. der dynamische Ventilhub im Betrieb bei jeder Drehzahl und Last soll dem idealen kinematischen Ventilhub entsprechen.From the automotive industry to satisfy demand at the same time decreasing consumption and emissions going beyond the detection limit more powerful engines manufactured. To date, there is no sensible alternative to Four-stroke internal combustion engine. Therefore, it is necessary to fulfill the above Requirements to optimize the engine with regard to every single functional aspect. One of the most important aspects is the optimization of the actual combustion and related the optimization of the gas exchange and the Valve train. What is required is a valve train that is as low in friction as possible with low moving masses and high rigidity in order to achieve high speeds. With regard to a defined charge change and minimal wear Be sure that the intake and exhaust valves exactly match the contour of the camshaft following. H. the dynamic valve lift during operation at any speed and load should do that correspond to ideal kinematic valve lift.

Damit bestehende Motorkonzepte weiter optimiert werden können, sind immer genauere Meßverfahren nötig, um alle wichtigen Teilaspekte des Motorbetriebs zu erfassen. Die konventionelle Messung des Ventilhubs erfolgt dabei häufig mittels optischer Meßverfahren am geschleppten Zylinderkopf. Um alle realen Einflußfaktoren auf die Ventilbewegungen im befeuerten Motorbetrieb zu erfassen und bei der Entwicklung neuer Motoren zu berücksichtigen, muß auch der Ventilhub am befeuerten Motor gemessen werden. Dies ist mit bestehenden Meßverfahren nur sehr eingeschränkt möglich.So that existing engine concepts can be further optimized, are always more precise Measuring methods necessary to capture all important aspects of engine operation. The Conventional measurement of the valve lift is often carried out using optical Measuring method on the towed cylinder head. To all real influencing factors on the Record valve movements in fired engine operation and during development To take new engines into account, the valve lift on the fired engine must also be taken into account be measured. This is only very limited with existing measuring methods possible.

Weiterhin muss beachtet werden, dass nur ein begrenzter Einbauraum für die Messanordnung zur Verfügung steht. Durch die direkte Integration der Messanordnung in den Zylinderkopf muß die Messanordnung an die dort im befeuerten Motorbetrieb herrschenden Betriebsbedingungen angepaßt werden, damit sie zuverlässig arbeitet. Dabei sind einerseits die herrschenden Temperaturen, Relativwege, -geschwindigkeiten und -beschleunigungen von Bedeutung. Andererseits muß die Messanordnung gegenüber allen Betriebsmedien des Motors beständig sein, mit denen Teile der Messanordnung in Berührung kommen können.Furthermore, it must be noted that only a limited installation space for the Measurement setup is available. Through the direct integration of the measuring arrangement in the cylinder head must be connected to the measuring arrangement there when the engine is fired prevailing operating conditions are adjusted so that it works reliably. On the one hand, the prevailing temperatures, relative paths and speeds and accelerations of importance. On the other hand, the measuring arrangement  resistant to all operating media of the engine with which parts of the Measurement arrangement can come into contact.

Die Messanordnung soll gleichermaßen zur Bestimmung des Ventilhubs von Einlaß- und Auslaßventilen geeignet sein.The measuring arrangement is also intended to determine the valve lift of the intake and Exhaust valves should be suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in den Zylinderkopf integrierbare Messanordnung zu entwickeln, durch die der Ventilhub im befeuerten Zustand des Motors zuverlässig gemessen werden kann.The invention is based, to be integrated into the cylinder head the task To develop measuring arrangement by which the valve lift in the fired state of the Motor can be measured reliably.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Ventilhubs eines Ventils eines Verbrennungsmotors gelöst, dessen Ventilschaft einen Schaftbereich mit einer sprunghaften Schaftveränderung in seiner Geometrie und/oder in seiner dielektrischen Materialbeschaffenheit aufweist. Der Ventilschaft bildet mit einer Meßelektrode einen ersten Kondensator und mit einer Vergleichselektrode einen zweiten Kondensator. Der Ventilschaft ist relativ zu den beiden Elektroden in seiner Längsrichtung verschieblich angeordnet. Die sprunghafte Schaftveränderung ist in den Bereich der Meßelektrode hinein- und/oder herausfahrbar angeordnet.This task is accomplished by an arrangement for the capacitive measurement of the valve lift Solved valve of an internal combustion engine, the valve stem with a stem area a sudden change in shaft in its geometry and / or in its has dielectric material properties. The valve stem forms with one Measuring electrode a first capacitor and a second with a comparison electrode Capacitor. The valve stem is relative to the two electrodes in it Movable in the longitudinal direction. The sudden change in shaft is in the Area of the measuring electrode arranged in and / or moved out.

Der Aufbau der Messanordnung, d. h. eines kapazitiven Ventilhubaufnehmers, besteht aus zwei Kapazitäten, einer Meß- und einer Vergleichskapazität. Die Meßkapazität ist abhängig vom zurückgelegten Weg des Ventils, die Vergleichskapazität ist wegunabhängig. Die Vergleichskapazität durchläuft dieselben Temperaturänderungen und Temperaturdehnungen wie die Meßkapazität. Daher verbessert sie mittels einer verwendeten Auswerteschaltung die Nullpunktstabilität und Temperaturabhängigkeit des Aufbaus. Parasitäre kapazitive Anteile der verwendeten Anschlußkabel und Verbindungen zur Auswerteschaltung sind an beiden Elektroden weitgehend identisch und wirken sich daher nicht auf das Meßsignal aus.The structure of the measuring arrangement, i. H. a capacitive valve lifter from two capacities, a measuring and a comparative capacity. The measuring capacity is depending on the distance covered by the valve, the comparison capacity independent of route. The comparison capacity goes through the same temperature changes and temperature strains such as the measuring capacity. Therefore, it improves using a used evaluation circuit the zero point stability and temperature dependence of the Construction. Parasitic capacitive portions of the connecting cables used and Connections to the evaluation circuit are largely identical on both electrodes and therefore do not affect the measurement signal.

Wenn die Schaftveränderung in Schaftlängsrichtung eine Erstreckung aufweist, die größer oder gleich der Erstreckung der Meßelektrode in Schaftlängsrichtung ist, wird durch das Eintauchen des veränderten Ventilschaftbereichs in die Meßelektrode eine stetige Kapazitätsänderung (ansteigende oder abnehmende Meßkapazität) hervorgerufen, die sich gut auswerten läßt. If the shaft change in the longitudinal direction of the shaft has an extension that is greater than or equal to the extension of the measuring electrode in the longitudinal direction of the shaft by immersing the modified valve stem area in the measuring electrode constant change in capacitance (increasing or decreasing measuring capacity) caused, which can be evaluated well.  

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Elektroden zylindrisch und zum Ventilschaft konzentrisch ausgebildet. Die Anordnung der Kondensatoren erfolgt somit zylindrisch. Daraus ergeben sich nicht nur bauliche, sondern auch meß- bzw. elektrotechnische Vorteile gegenüber einer Anordnung mit Plattenkondensatoren. Der Zylinderkondensator ist am besten für translatorische Wegmessungen geeignet. Zusätzlich hat er den Vorteil, dass die Fertigung der Elektroden und Gehäuse als Drehteile leicht und präzise möglich ist. Er ist die einzige Kondensatorbauart, bei der rotatorische Ventilbewegungen keinerlei Einfluß auf das Meßsignal haben.In a preferred embodiment, the two electrodes are cylindrical and Valve stem is concentric. The capacitors are thus arranged cylindrical. This not only results in structural, but also measuring or Electrotechnical advantages over an arrangement with plate capacitors. The Cylinder capacitor is best suited for translational displacement measurements. In addition, it has the advantage that the manufacture of the electrodes and housing as Turned parts are possible easily and precisely. It is the only type of capacitor in which rotary valve movements have no influence on the measurement signal.

Die geometrische Schaftveränderung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise durch eine auf den Ventilschaft aufgebrachte Hülse mit einem größerem Außendurchmesser oder durch eine in den Ventilschaft eingearbeitete Nut ausgebildet sein. Beide Ausführungsformen bewirken eine unterschiedliche Kapazität zwischen der Meßelektrode und dem unbearbeiteten bzw. bearbeiteten Ventilschaftabschnitt. Die Gesamtkapazität zwischen der Meßelektrode und dem Ventilschaft ist dann abhängig davon, wie weit der bearbeitete Abschnitt des Ventilschafts in die Meßelektrode eingetaucht ist. Auf diese Weise erhält man die geforderte wegabhängige Kapazitäts­ änderung beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils.The geometric shaft change can be done in a simple and inexpensive manner Way through a sleeve applied to the valve stem with a larger Outside diameter or formed by a groove machined in the valve stem his. Both embodiments cause a different capacity between the Measuring electrode and the unprocessed or machined valve stem section. The The total capacity between the measuring electrode and the valve stem is then dependent how far the machined section of the valve stem into the measuring electrode is immersed. In this way, the required path-dependent capacity is obtained Change when opening or closing the valve.

Beide Varianten werfen aber in der geforderten Konstruktion auch Probleme auf. Ein Teil des bearbeiteten Ventilschaftabschnitts befindet sich immer außerhalb des Gehäuses und der andere Teil innerhalb. Der Durchmesser des bearbeiteten Ventilschaftabschnitts unterscheidet sich vom Durchmesser des unbearbeiteten Abschnitts. Fährt nun der bearbeitete Abschnitt aus dem Gehäuse aus, so kommt es im Gehäuse zu einer Volumenänderung. Dabei wird je nach Bewegungsrichtung entweder ein Unterdruck oder Überdruck im Gehäuse erzeugt, der einen Pumpeffekt auf die Medien außerhalb und innerhalb des Gehäuses ausübt. Daher ist es bevorzugt, dass die Nut bis zur Höhe der Außenumfangsfläche des Ventilschaftes mit einem Dielektrikum ausgefüllt und statt der offenen Nut im Ventilschaft ein Dielektrikum bündig in den Ventilschaft eingelegt ist. Auf diese Weise wird eine wegabhängige Kapazitätsänderung bewirkt, ohne dass sich die Abmaße des Ventilschafts ändern.However, both variants also pose problems in the construction required. A part of the machined valve stem section is always outside the housing and the other part inside. The diameter of the machined valve stem section differs from the diameter of the unmachined section. Now drives the machined section from the housing, so there is a in the housing Volume change. Depending on the direction of movement, either a negative pressure or Overpressure generated in the housing, which has a pumping effect on the media outside and exercises within the housing. Therefore, it is preferred that the groove be up to the height of the The outer peripheral surface of the valve stem is filled with a dielectric and instead of open groove in the valve stem, a dielectric is inserted flush in the valve stem. On in this way a path-dependent change in capacity is brought about without the Change the dimensions of the valve stem.

Während des befeuerten Betriebs des Motors sind nur drei Medien von Bedeutung, mit denen Teile der Messanordnung in Kontakt kommen können: Motoröl, Ansaugluft und Motorabgase. Das Motoröl steht im Betrieb einige Zentimeter hoch im Zylinderkopf. During the fired operation of the engine, only three media are important, with which parts of the measuring system can come into contact with: engine oil, intake air and Engine exhaust. The engine oil is a few centimeters high in the cylinder head during operation.  

Nockenwellen und Rollenschlepphebel werden mit Öl benetzt, das über die Ventile und die Messanordnung in den Zylinderkopf abläuft. Gegen dieses Medium muß eine wirkungsvolle Abdichtung vorgesehen werden. An Stelle einer vollständigen Abdichtung werden erfindungsgemäß zwei Varianten der kapazitiven Messanordnung vorgeschlagen, bei welcher der Innenraum der Anordnung unter Überdruck mit Luft oder Öl beaufschlagt ist. Der Innenraum zwischen dem Ventilschaft und den Elektroden ist somit mit einem Dielektrikum (Luft oder Öl) ausgefüllt. Vorstellbar wäre auch, den Innenraum zwischen dem Ventilschaft und den Elektroden mit einem beliebigen, nichtleitenden Dielektrikum (z. B. Epoxid-Harz, Luft, Öl, usw.) auszufüllen.Camshafts and roller rocker arms are wetted with oil, which flows through the valves and the measuring arrangement runs into the cylinder head. Against this medium one must effective sealing can be provided. Instead of a complete seal According to the invention, two variants of the capacitive measuring arrangement are proposed, in which the interior of the arrangement is pressurized with air or oil is. The interior between the valve stem and the electrodes is therefore one Dielectric (air or oil) filled out. It would also be conceivable to place the interior between the valve stem and the electrodes with any non-conductive dielectric (e.g. epoxy resin, air, oil, etc.).

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt, das in den Figuren der beigefügten, schematischen und nicht notwendigerweise maßstäblichen Zeichnung erläutert ist.The invention is illustrated in more detail below using an exemplary embodiment, that in the figures of the attached, schematic and not necessarily scale drawing is explained.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 der prinzipielle Aufbau einer kapazitiven Messanordnung zur Bestimmung eines Ventilhubs; Fig. 1 shows the basic structure of a capacitance measurement arrangement for determining a valve lift;

Fig. 2 eine Prinzipskizze der Auswerteschaltung; Fig. 2 is a schematic diagram of the evaluation circuit;

Fig. 3a eine Ventilschaftführung im Zylinderkopf nach dem Stand der Technik; Figure 3a is a valve stem guide in the cylinder head according to the prior art.

Fig. 3b eine erfindungsgemäße Ventilschaftführung im Zylinderkopf; FIG. 3b is a valve stem guide in the cylinder head according to the invention;

Fig. 4 ein bearbeitetes Ventil, dessen Ventilhub mit Hilfe der Messanordnung nach Fig. 1 bestimmt werden kann; Fig. 4 is a machined valve the valve lift can be determined with the aid of the measuring arrangement shown in FIG. 1;

Fig. 5 die Einbaulage der Messanordnung nach Fig. 1; FIG. 5 shows the installation position of the measuring arrangement shown in FIG. 1;

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt der Messanordnung nach Fig. 5. Fig. 6 shows an enlarged detail of the measuring arrangement according to Fig. 5.

Aus der Fig. 1 ist der Aufbau einer Messanordnung 1 zur kapazitiven Messung des Ventilhubs (Ventilhubaufnehmer) ersichtlich. Diese besteht im wesentlichen aus zwei Kapazitäten, einer Meß- und einer Vergleichskapazität. Die Meßkapazität ist abhängig vom zurückgelegten Weg eines Ventils 2, die Vergleichskapazität ist wegunabhängig. Die Vergleichskapazität durchläuft dieselben Temperaturänderungen und Temperaturdehnungen wie die Meßkapazität und verbessert daher mittels der verwendeten Auswerteschaltung gemäß Fig. 2 die Nullpunktstabilität und Temperaturabhängigkeit des Aufbaus.From Fig. 1 shows the structure of a measuring arrangement 1 for the capacitive measurement of the valve lift (Ventilhubaufnehmer) is visible. This essentially consists of two capacities, a measuring and a comparative capacity. The measuring capacity depends on the distance traveled by a valve 2 , the comparison capacity is independent of the distance. The comparison capacitance undergoes the same temperature changes and temperature expansions as the measuring capacitance and therefore improves the zero point stability and temperature dependence of the structure by means of the evaluation circuit shown in FIG. 2.

Damit beim Öffnen des Ventils 2 eine Kapazitätsänderung an der Meßelektrode 3 auftritt, ist am Ventil 2 ein Sprung in der Ventilschaftgeometrie in dem Bereich realisiert, in dem ein Ventilschaft 5 an der Meßelektrode 3 vorbeibewegt wird. In den Ventilschaft 5 ist ein Dielektrikum 6 bündig in den Schaft eingelegt. Auf diese Weise wird eine wegabhängige Kapazitätsänderung bei Bewegung des Ventils 2 in Längsrichtung 8 des Ventilschafts 5 bewirkt, ohne dass sich die Abmaße des Ventilschafts 5 ändern. Man erhält ein komplexes System von jeweils parallel liegenden Kapazitäten. Auf der einen Seite sind dies die Meßkapazitäten C11 und C12 der Meßelektrode 3, sowie die Kapazität C21 der Vergleichselektrode 4 zum Ventilschaft 5. Auf der anderen Seite gibt es außerdem eine Reihe von parasitären Kapazitäten zwischen den Elektroden 3 und 4 und einem in der Fig. 1 lediglich angedeuteten Ventilhubaufnehmergehäuse 7 (C13 und C14 sowie C22 und C23). Zusätzlich gibt es die Kapazität C3 zwischen den beiden Elektroden 3 und 4. Die Elektroden 3 und 4 liegen dabei jeweils auf einem bestimmten Potential, während der Ventilschaft 5 und das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 auf Massepotential liegen.Thus, a change in capacitance occurs at the sensing electrode 3 when opening the valve 2, the valve 2, a jump in the valve stem geometry in the area is realized, in which a valve stem 5 is moved past the sensing electrode. 3 A dielectric 6 is inserted flush into the valve stem 5 . In this way, a displacement-dependent change in capacity is effected when the valve 2 moves in the longitudinal direction 8 of the valve stem 5 , without the dimensions of the valve stem 5 changing. A complex system of parallel capacities is obtained. On the one hand, these are the measuring capacitances C 11 and C 12 of the measuring electrode 3 , as well as the capacitance C 21 of the comparative electrode 4 to the valve stem 5 . On the other hand, there are also a number of parasitic capacitances between the electrodes 3 and 4 and a valve lift receiver housing 7 (C 13 and C 14 as well as C 22 and C 23 ) which is only indicated in FIG. 1. In addition, there is the capacitance C 3 between the two electrodes 3 and 4 . The electrodes 3 and 4 are each at a certain potential, while the valve stem 5 and the valve lifter housing 7 are at ground potential.

Bei der Messanordnung 1 müssen eine Reihe Dielektrika berücksichtigt werden. So ist ε1 die Dielektrizitätszahl der Luft im Spalt zwischen den Elektroden 3 und 4 und dem Ventilschaft 5. Das in den Ventilschaft 5 eingelegte Medium 6 ist ein mineralisch gefülltes Epoxidharz mit der Dielektrizitätszahl ε2. Das Medium 6 mit der Dielektrizitätszahl ε3 ist ebenfalls ein Epoxidharz, das die Meßelektrode 3 vom Ventilhubaufnehmergehäuse 7 isoliert und im Ventilhubaufnehmergehäuse 7 fixiert. ε4 ist die Dielektrizitätszahl eines Klebebandes (Kapton) mit dem die Vergleichselektrode 4 umwickelt wird, bevor sie in das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 eingeklebt wird. Auf diese Weise wird sie vom Ventilhubaufnehmergehäuse 7 isoliert. Um die Elektroden 3 und 4 voneinander und seitlich zum Ventilhubaufnehmergehäuse 7 zu isolieren, kommen Kunststoffscheiben (Polycarbonat) mit der Dielektrizitätszahl ε5 zur Anwendung. A number of dielectrics must be taken into account in measuring arrangement 1 . So ε 1 is the dielectric constant of the air in the gap between the electrodes 3 and 4 and the valve stem 5 . The medium 6 inserted in the valve stem 5 is a mineral-filled epoxy resin with a dielectric constant ε 2 . The medium 6 with the dielectric constant ε 3 is also an epoxy resin, which isolates the measuring electrode 3 from the valve lifter housing 7 and fixes it in the valve lifter housing 7 . ε 4 is the dielectric constant of an adhesive tape (Kapton) with which the comparative electrode 4 is wrapped before it is glued into the valve lifter housing 7 . In this way it is isolated from the valve lifter housing 7 . In order to isolate the electrodes 3 and 4 from each other and laterally to the valve lifter housing 7 , plastic disks (polycarbonate) with the dielectric constant ε 5 are used.

Der Nullpunkt des Ventilweges wird für die Stellung bei vollständig geschlossenem Ventil 2 festgelegt. Für diesen Betriebspunkt werden die Elektroden 3 und 4 konstruktiv so vordimensioniert, dass ihre Kapazitäten gleich groß sind. Dies hat den Vorteil, dass der Nullpunktabgleich der Messanordnung 1 mittels der Auswerteschaltung gemäß Fig. 2 nur noch in sehr geringem Maße für Abweichungen, die durch Fertigungsungenauigkeiten entstanden sind, erfolgen muß. Damit die Gesamtkapazität der Meßelektrode 3 gleich der Gesamtkapazität der Vergleichselektrode 4 ist, muß unter Vernachlässigung der Kapazität C3 und unter Berücksichtigung aller parasitären Kapazitäten folgende Bedingung erfüllt sein:The zero point of the valve path is determined for the position when valve 2 is completely closed. For this operating point, the electrodes 3 and 4 are structurally pre-dimensioned so that their capacities are the same size. This has the advantage that the zero point adjustment of the measuring arrangement 1 by means of the evaluation circuit according to FIG. 2 only has to be carried out to a very small extent for deviations which have arisen due to manufacturing inaccuracies. So that the total capacitance of the measuring electrode 3 is equal to the total capacitance of the comparative electrode 4 , the following condition must be met, neglecting the capacitance C 3 and taking into account all parasitic capacitances:

CMeßelektrode = CVergleichselektrode C measuring electrode = C comparison electrode ⇒ C11 + C12 + C13 + C14 = C21 + C22 + C23 ⇒ C 11 + C 12 + C 13 + C 14 = C 21 + C 22 + C 23

Die einzelnen Kapazitäten lassen sich dabei wie im folgenden beschreiben:
Kapazität C11, zylindrischer Zweischichtkondensator;
Kapazität C12, Zylinderkondensator;
Kapazität C13, Plattenkondensator;
Kapazität C14, Zylinderkondensator;
Kapazität C21, Zylinderkondensator;
Kapazität C22, Plattenkondensator;
Kapazität C23, Zylinderkondensator.The individual capacities can be described as follows:
Capacitance C 11 , cylindrical two-layer capacitor;
Capacitance C 12 , cylindrical capacitor;
Capacitance C 13 , plate capacitor;
Capacitance C 14 , cylindrical capacitor;
Capacitance C 21 , cylindrical capacitor;
Capacitance C 22 , plate capacitor;
Capacitance C 23 , cylinder capacitor.

Mittels iterativer Rechnung in einer Tabellenkalkulation ist es nun möglich, die Abmaße der Elektroden 3 und 4 und des Ventilhubaufnehmergehäuses 7 so zu wählen, dass die oben aufgestellte Bedingung erfüllt werden kann. Dabei lassen sich auch konstruktive Belange berücksichtigen.Using an iterative calculation in a spreadsheet, it is now possible to select the dimensions of the electrodes 3 and 4 and the valve lifter housing 7 so that the condition set out above can be met. Here, design issues can also be taken into account.

Durch stark unterschiedliche Spaltmaße zwischen der Meßelektrode 3 zum Ventilhubaufnehmergehäuse 7 (beispielsweise 1,05 mm) bzw. zwischen der Vergleichselektrode 4 zum Ventilhubaufnehmergehäuse 7 (beispielsweise 0,15 mm) wird erreicht, dass die Grundkapazitäten von Meß- 3 und Vergleichselektrode 4 in der Nullstellung trotz stark unterschiedlicher Längen ungefähr gleich groß sind. Due to very different gap dimensions between the measuring electrode 3 to the valve lifter housing 7 (for example 1.05 mm) or between the comparison electrode 4 to the valve lifter housing 7 (for example 0.15 mm) it is achieved that the basic capacities of the measuring 3 and comparative electrode 4 are in the zero position are roughly the same size despite very different lengths.

Bei der verwendeten Auswerteschaltung gemäß Fig. 2 handelt es sich um ein Trägerfrequenzverfahren mit Transformatorbrücke. Das Verfahren macht sich den kapazitätsabhängigen Wechselstromwiderstand der Kondensatoren zunutze. Durch Nutzung eines verseilten Transformators werden die beiden Wechselspannungen US/2 in den beiden Schaltungszweigen erzeugt. Diese sind hinsichtlich Amplitude sowie Frequenz gleich und in der Phase um 180° gegeneinander verschoben. Dann gilt für den Kurzschlußstrom ik, der gegen Masse abfließt:
The evaluation circuit used according to FIG. 2 is a carrier frequency method with a transformer bridge. The process takes advantage of the capacitance-dependent AC resistance of the capacitors. By using a stranded transformer, the two AC voltages U S / 2 are generated in the two circuit branches. These are the same in terms of amplitude and frequency and are shifted in phase by 180 °. Then the following applies to the short-circuit current i k , which flows to ground:

Mit der Kapazität der Meßelektrode C1 = C0 + ΔC und der Kapazität der Vergleichselektrode C2 = C0 ergibt sich:
The capacitance of the measuring electrode C 1 = C 0 + ΔC and the capacitance of the comparison electrode C 2 = C 0 result in:

Unter der Voraussetzung, dass die Speisespannung und die Frequenz konstant gehalten werden, ist der Kurzschlußstrom also direkt proportional zur Kapazitätsänderung ΔC. Der Operationsverstärker OP gibt eine dem Kurzschlußstrom ik proportionale Spannung UM aus, die als Meßspannung ausgewertet werden kann. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass sie eine Spannung ausgibt, die zur reinen Kapazitätsdifferenz proportional ist. Die Gleichtaktverstärkung ist null und die Größe der Grundkapazität geht nicht in die Kennlinie ein. Die Auswertung des Signals geschieht phasenrein, so dass sich Blindanteile und Wirkanteile übersprechfrei und dadurch getrennt voneinander darstellen lassen. Eine separate Schirmmitführung der Anschlußkabel ist nicht notwendig. Der Innenschirm wird an die virtuelle Masse angeschlossen, und damit werden seine parasitären Kapazitäten direkt von der Transformatorspannung umgeladen.Provided that the supply voltage and the frequency are kept constant, the short-circuit current is therefore directly proportional to the change in capacitance ΔC. The operational amplifier OP outputs a voltage U M which is proportional to the short-circuit current i k and which can be evaluated as a measuring voltage. This circuit has the advantage that it outputs a voltage that is proportional to the pure capacitance difference. The common mode gain is zero and the size of the basic capacitance is not included in the characteristic. The signal is evaluated in phases, so that reactive components and active components can be displayed without crosstalk and therefore separately from one another. A separate shielding of the connection cable is not necessary. The inner shield is connected to the virtual ground, and thus its parasitic capacities are directly charged by the transformer voltage.

Zusammenfassend hat die Auswerteschaltung folgende Eigenschaften:
Betriebsspannungen: +12 V, -12 V
Auslegungskapazität: ca. 30 pF
Ausgangssignalspanne: ±5 V, linear ±2 V
Eingangssignalspanne (Offset): ±12 V
Filter: Bessel (8. Qrdnung), Grenzfrequenz: 1 kHz In summary, the evaluation circuit has the following properties:
Operating voltages: +12 V, -12 V
Design capacity: approx. 30 pF
Output signal range: ± 5 V, linear ± 2 V
Input signal range (offset): ± 12 V
Filter: Bessel (8th order), cutoff frequency: 1 kHz

Der Einbauraum, der für die Messanordnung zur Verfügung steht, ist sehr beschränkt. Daher muß die Führungslänge der Ventilschaftführung verringert werden, damit genug Bauraum für die Messanordnung zur Verfügung steht. Desweiteren muß die bekannte Ventilschaftführung so modifiziert werden, dass die Messanordnung an ihr befestigt werden kann. Aus diesen Gründen kann eine bekannte Ventilschaftführung 9 nicht verwendet werden, sondern es wird eine neue vorgeschlagen. Der Zylinderkopf muß für die Aufnahme dieser neuen Ventilschaftführungen modifiziert werden. In Fig. 3a ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Ventilschaftführung 9 und in Fig. 3b ist eine erfindungsgemäß modifizierte Ventilschaftführung 11, jeweils eingebaut in den teilweise dargestellten Zylinderkopf, gezeigt. Zur Aufnahme der modifizierten Ventilschaftführung 11 muß ein Ventilfedersteg 10 eines Zylinderkopfes entfernt werden. Seine Aufgabe übernimmt die neue Ventilschaftführung 11. Es ist eine Nut 12 in die Federauflage 13 des Zylinderkopfes gefräst werden, die dazu dient, die Kabel der Messanordnung unterhalb der in der Fig. 3 nicht gezeigten Ventilfeder hindurchzuführen. Die modifizierte Ventilschaftführung 11 hat innerhalb der Konstruktion der Messanordnung mehrere Aufgaben zu erfüllen: Führung des Ventils innerhalb des Zylinderkopfes, Abdichtung der Messanordnung in Richtung Ansaug-/Abgaskanal, Führung der Ventilfeder anstelle des Zylinderkopf-Federsteges, Zentrierung des Ventilhubaufnehmergehäuses und Befestigungsmöglichkeit für das Ventilhubaufnehmergehäuse.The installation space available for the measuring arrangement is very limited. The guide length of the valve stem guide must therefore be reduced so that there is enough installation space for the measuring arrangement. Furthermore, the known valve stem guide must be modified so that the measuring arrangement can be attached to it. For these reasons, a known valve stem guide 9 cannot be used, but a new one is proposed. The cylinder head must be modified to accommodate these new valve stem guides. FIG. 3a shows a valve stem guide 9 known from the prior art, and FIG. 3b shows a valve stem guide 11 modified according to the invention, each installed in the cylinder head that is partially shown. To accommodate the modified valve stem guide 11 , a valve spring bar 10 of a cylinder head must be removed. The new valve stem guide 11 takes over its task. A groove 12 is milled into the spring support 13 of the cylinder head, which serves to pass the cables of the measuring arrangement below the valve spring, which is not shown in FIG. 3. The modified valve stem guide 11 has to fulfill several tasks within the construction of the measuring arrangement: guiding the valve within the cylinder head, sealing the measuring arrangement in the direction of the intake / exhaust gas duct, guiding the valve spring instead of the cylinder head spring bar, centering the valve lifter housing and fastening the valve lifter housing.

Zusätzlich zur Ventilschaftführung sind die Ventile 2 nachbearbeitet, von denen eines in der Fig. 4 gezeigt ist. Um eine Kapazitätsänderung zu erreichen, wird eine Nut in einen Ventilschaft 5 eingeschliffen, die mit einem nichtleitenden Epoxidharz 6 als Dielektrikum ausgefüllt wird. Anschließend wird das Harz exakt auf das Schaftmaß abgeschliffen, so dass sich ein fugenloser Übergang ohne Querschnittsprung zum Ventilschaft 5 ergibt.In addition to the valve stem guide, the valves 2 are reworked, one of which is shown in FIG. 4. In order to achieve a change in capacity, a groove is ground in a valve stem 5 , which is filled with a non-conductive epoxy resin 6 as a dielectric. The resin is then sanded exactly to the stem dimension, so that there is a seamless transition without a cross-sectional jump to the valve stem 5 .

In der Querschnittsdarstellung eines Zylinderkopfs 21 gemäß Fig. 5 ist ein im Zylinderkopf 21 bewegliches Einlaßventil 2 in der geöffneten Ventilstellung zu erkennen. Der gesamte Aufbau der Messanordnung besteht aus drei Bauteilen. Der Aufbau wird im Detail durch die Ausschnittsvergrößerung nach Fig. 6 deutlich. Das Kernbauteil ist das Ventilhubaufnehmergehäuse 7, in das voneinander und dem Ventilhubaufnehmergehäuse 7 isoliert die beiden zylindrischen Elektroden 3 und 4 (siehe Fig. 1) eingeklebt sind. Auf das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 ist ein Deckel 24 aufgesetzt, der das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 nach außen verschließt und abdichtet. In the cross-sectional representation of a cylinder head 21 according to FIG. 5, an inlet valve 2 movable in the cylinder head 21 can be seen in the open valve position. The entire structure of the measuring arrangement consists of three components. The structure becomes clear in detail through the enlarged detail according to FIG. 6. The core component is the valve lifter housing 7 , into which the two cylindrical electrodes 3 and 4 (see FIG. 1) are glued insulated from one another and the valve lifter housing 7 . On the Ventilhubaufnehmergehäuse 7, a lid 24 is placed, which closes the Ventilhubaufnehmergehäuse 7 outwards and seals.

Das dritte Bauteil ist die modifizierte Ventilschaftführung 11 (siehe Fig. 3b), die in den Zylinderkopf 21 eingepreßt ist und an der das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 befestigt und zentriert ausgerichtet ist. Die Messanordnung befindet sich in ihrer Einbaulage im Zylinderkopf innerhalb einer Ventilfeder 25.The third component is the modified valve stem guide 11 (see FIG. 3b), which is pressed into the cylinder head 21 and to which the valve lifter housing 7 is fastened and aligned in a centered manner. The measuring arrangement is in its installed position in the cylinder head within a valve spring 25 .

Mittels des Ventilhubaufnehmergehäuses 7 werden die Meß- 3 und die Vergleichselektrode 4 befestigt, ausgerichtet und zum Ventilschaft des Einlaßventils 2 positioniert. Zwei von sechs Durchgangslöchern, die zur Aufnahme von Schrauben dienen, mit denen das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 an der Ventilschaffführung 11 befestigt ist, sind in Fig. 6 zu erkennen. Zusätzlich verfügt das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 über drei Gewindebohrungen, mit denen der Gehäusedeckel 24 am Ventilhubaufnehmergehäuse 7 festgeschraubt ist. Wie bereits die Ventilschaftführung 11 verfügt auch das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 über eine Ausfräsung, die der Kabelführung dient.By means of the valve lift sensor housing 7 , the measuring electrode 3 and the comparison electrode 4 are attached, aligned and positioned in relation to the valve stem of the inlet valve 2 . Two of six through holes, which serve to receive screws with which the valve lift sensor housing 7 is fastened to the valve stem guide 11 , can be seen in FIG. 6. In addition, the valve lifter housing 7 has three threaded bores with which the housing cover 24 is screwed onto the valve lifter housing 7 . Like the valve stem guide 11 , the valve lift receiver housing 7 also has a cutout that serves to guide the cable.

Der Außendurchmesser des Ventilhubaufnehmergehäuses 7 ist an den Außendurchmesser der Ventilschaffführung 11 angepaßt, so dass sich eine verlängerte Ventilfederführung ergibt. Am unteren Ende verfügt das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 über einen Zentrierbund, mit dem es auf der modifizierten Ventilschaftführung 11 zentriert wird. Die stark unterschiedliche Form der beiden Elektroden 3 und 4 liegt wie oben beschrieben in der Dimensionierung der Kapazitäten begründet.The outer diameter of the valve lifter housing 7 is matched to the outer diameter of the valve stem guide 11 , so that there is an extended valve spring guide. At the lower end, the valve lifter housing 7 has a centering collar with which it is centered on the modified valve stem guide 11 . As described above, the greatly different shape of the two electrodes 3 and 4 is due to the dimensioning of the capacitors.

Der Gehäusedeckel 24 hat die Aufgabe, das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 zum Zylinderkopf 21 hin zu verschließen und abzudichten. Der Außendurchmesser des Gehäusedeckels 24 ist an das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 angepaßt und der Innendurchmesser an den Innendurchmesser der Elektroden 3 und 4. Weiterhin ist der Gehäusedeckel 24 mit einer Nut zur Aufnahme eines Runddichtrings 26 versehen, der das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 nach oben abdichtet. Der Gehäusedeckel 24 hat einen Zentrierbund, der in das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 eingreift und den Gehäusedeckel 24 auf diesem zentriert. Es ist notwendig, die Messanordnung einerseits gegen Motoröl aus dem Zylinderkopf 21 und andererseits gegen Abgase aus dem Abgaskanal abzudichten. Dazu wird die Messanordnung in sich als geschlossene Konstruktion ausgeführt, d. h. es gibt keinerlei offene Durchführungen, Nuten oder Spalte. Zusätzlich muß die Durchführung des Ventilschafts durch die Messanordnung abgedichtet werden (Runddichtring 27). Hier ist eine dynamische Abdichtung nötig, da sich die Bauteile im Betrieb zueinander bewegen.The housing cover 24 has the task of closing and sealing the valve lift receiver housing 7 from the cylinder head 21 . The outer diameter of the housing cover 24 is adapted to the valve lift sensor housing 7 and the inner diameter to the inner diameter of the electrodes 3 and 4 . Furthermore, the housing cover 24 is provided with a groove for receiving an O-ring 26 which seals the valve lift sensor housing 7 upwards. The housing cover 24 has a centering collar which engages in the valve lifter housing 7 and centers the housing cover 24 thereon. It is necessary to seal the measuring arrangement on the one hand against engine oil from the cylinder head 21 and on the other hand against exhaust gases from the exhaust gas duct. For this purpose, the measuring arrangement is designed as a closed construction, ie there are no open bushings, grooves or gaps. In addition, the passage of the valve stem must be sealed by the measuring arrangement (O-ring 27 ). Dynamic sealing is necessary here because the components move towards each other during operation.

Sämtliche Bohrungen, die für die Verdrahtung der Messanordnung notwendig sind, sind nach dem Anschluß der Kabel wieder mit Epoxidharz verschlossen. Mit den so getroffenen Maßnahmen wird, vorbehaltlich der hermetischen Dichtheit der Runddichtringe 26 und 27 eine hermetische Abdichtung der Messanordnung erreicht. Bei einem in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann zusätzlich eine Zuleitung vorgesehen sein, um den Innenraum zwischen Ventilschaft und den beiden Elektroden mit Druckluft oder Öl oder einem anderen geeigneten Dielektrikum zu beaufschlagen, um konstante stationäre dielektrische Bedingungen innerhalb der Anordnung zu erzeugen.All holes that are necessary for the wiring of the measuring arrangement are closed again with epoxy resin after the cables have been connected. With the measures taken in this way, subject to the hermetic tightness of the round sealing rings 26 and 27, a hermetic sealing of the measuring arrangement is achieved. In an exemplary embodiment not shown in the figures, a supply line can additionally be provided in order to apply compressed air or oil or another suitable dielectric to the interior between the valve stem and the two electrodes in order to generate constant stationary dielectric conditions within the arrangement.

Das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 der Messanordnung zentriert und positioniert die Meß- 3 und die Vergleichselektrode 4. Mittels des Ventilhubaufnehmergehäuses 7 wird die exakte Position der Messanordnung zur Nut im bearbeiteten Ventilschaft sichergestellt. Zusätzlich werden die Elektroden 3 und 4 im Ventilhubaufnehmergehäuse 7 verdrahtet. Die beiden Elektroden 3 und 4 sind in das Ventilhubaufnehmergehäuse 7 eingeklebt, wobei der Kleber gleichzeitig als Isolierung zum Ventilhubaufnehmergehäuse 7 wirkt. Zusätzlich werden drei Kunststoffscheiben 28 bis 30 aus dem hitzebeständigen Kunststoff Polycarbonat eingelegt. Die erste Isolierscheibe 29 trennt die Meßelektrode 3 vom Gehäusedeckel 24, die zweite Scheibe 30 isoliert die Elektroden 3 und 4 voneinander und die Dritte 28 trennt die Vergleichselektrode 4 von der Ventilschaftführung 11. Die Vergleichselektrode muß sich nicht zwangsläufig oberhalb der Meßelektrode befinden. Darüber hinaus wäre es möglich, dass der mit einem nichtleitenden Epoxidharz ausgefüllte Bereich des Ventilschaftes von der Vergleichselektrode geführt wird. Die Konstruktion ist so gestaltet, dass die untere Elektrode (die Vergleichselektrode 4) in der Einbauposition bündig mit dem Ventilhubaufnehmergehäuse 7 abschließt. Auf diese Weise ist eine einfache und präzise Montage möglich, bei der die richtige Positionierung leicht kontrolliert werden kann. The valve lift sensor housing 7 of the measurement arrangement centers and positions the measurement electrode 3 and the comparison electrode 4 . The exact position of the measuring arrangement relative to the groove in the machined valve stem is ensured by means of the valve lift sensor housing 7 . In addition, the electrodes 3 and 4 are wired in the valve lifter housing 7 . The two electrodes 3 and 4 are glued into the valve lifter housing 7 , the adhesive simultaneously acting as insulation to the valve lifter housing 7 . In addition, three plastic discs 28 to 30 are inserted from the heat-resistant plastic polycarbonate. The first insulating disk 29 separates the measuring electrode 3 from the housing cover 24 , the second disk 30 isolates the electrodes 3 and 4 from one another and the third 28 separates the comparative electrode 4 from the valve stem guide 11 . The comparison electrode does not necessarily have to be located above the measuring electrode. In addition, it would be possible for the area of the valve stem filled with a non-conductive epoxy resin to be guided by the comparison electrode. The construction is designed so that the lower electrode (the comparison electrode 4 ) is flush with the valve lifter housing 7 in the installed position. In this way, a simple and precise assembly is possible, in which the correct positioning can be easily checked.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SIGN LIST

11

Kapazitive Messanordnung zur Bestimmung des Ventilhubs
Capacitive measuring arrangement for determining the valve lift

22

Ventil
Valve

33rd

Meßelektrode
Measuring electrode

44

Vergleichselektrode
Reference electrode

55

Ventilschaft
Valve stem

66

Dielektrikum
dielectric

77

Ventilhubaufnehmergehäuse
Valve lifter housing

88th

Bewegungsrichtung des Ventils Direction of movement of the valve

22

99

Ventilschaftführung
Valve stem guide

1010th

Ventilfedersteg
Valve spring bar

1111

Ventilschaftführung
Valve stem guide

1212th

Nut
Groove

1313

Federauflage
Feather rest

2121

Zylinderkopf
Cylinder head

2424th

Gehäusedeckel
Housing cover

2525th

Ventilfeder
Valve spring

2626

Dichtring
Sealing ring

2727

Dichtring
Sealing ring

2828

Isolierscheibe
Insulating washer

2929

Isolierscheibe
Insulating washer

3030th

Isolierscheibe
Insulating washer

Claims (9)

1. Anordnung (1) zur kapazitiven Messung des Ventilhubs eines Ventils (2) eines Verbrennungsmotors, dessen Ventilschaft (5) einen Schaftbereich mit einer sprunghaften Schaftveränderung (6) in seiner Geometrie und/oder in seiner dielektrischen Materialbeschaffenheit aufweist, wobei der Ventilschaft (5) mit einer Meßelektrode (3) einen ersten Kondensator und mit einer Vergleichselektrode (4) einen zweiten Kondensator bildet, und wobei der Ventilschaft (5) relativ zu den beiden Elektroden (3, 4) in seiner Längsrichtung (8) verschieblich und die sprunghafte Schaftveränderung bei einem Ventilhub nur in den Bereich der Meßelektrode (4) hinein- und/oder herausfahrbar angeordnet ist.1. Arrangement ( 1 ) for capacitive measurement of the valve lift of a valve ( 2 ) of an internal combustion engine, the valve stem ( 5 ) of which has a stem region with a sudden change in stem ( 6 ) in its geometry and / or in its dielectric material properties, the valve stem ( 5 ) with a measuring electrode (3) comprises a first capacitor and to a reference electrode (4) forms a second capacitor, and wherein the valve stem (5) relative to the two electrodes (3, displaceable in its longitudinal direction (8) and the sudden shaft change 4) in the case of a valve stroke, it can only be moved in and / or out into the area of the measuring electrode ( 4 ). 2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftveränderung in Schaftlängsrichtung (8) eine Erstreckung aufweist, die größer oder gleich der Erstreckung der Meßelektrode (4) in Schaftlängsrichtung (8) ist.2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the shaft change in the longitudinal shaft direction ( 8 ) has an extension which is greater than or equal to the extension of the measuring electrode ( 4 ) in the longitudinal shaft direction ( 8 ). 3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (3, 4) zylindrisch und zum Ventilschaft (5) konzentrisch ausgebildet sind.3. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the two electrodes ( 3 , 4 ) are cylindrical and concentric with the valve stem ( 5 ). 4. Messanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftveränderung durch eine auf den Ventilschaft (5) aufgebrachte Hülse mit einem größerem Außendurchmesser ausgebildet ist.4. Measuring arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the shaft change is formed by a sleeve with a larger outer diameter applied to the valve shaft ( 5 ). 5. Messanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftveränderung durch eine in den Ventilschaft (5) eingearbeitete Nut ausgebildet ist.5. Measuring arrangement according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the stem change is formed by a groove incorporated in the valve stem ( 5 ). 6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut bis zur Höhe der Außenumfangsfläche des Ventilschaftes (5) mit einem Dielektrikum (6) ausgefüllt ist. 6. Measuring arrangement according to claim 5, characterized in that the groove is filled up to the height of the outer peripheral surface of the valve stem ( 5 ) with a dielectric ( 6 ). 7. Messanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum zwischen dem Ventilschaft (5) und den Elektroden (3, 4) mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist.7. Measuring arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the interior between the valve stem ( 5 ) and the electrodes ( 3 , 4 ) is filled with a dielectric. 8. Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum Druckluft ist.8. Measuring arrangement according to claim 7, characterized in that the dielectric Is compressed air. 9. Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum Öl ist.9. Measuring arrangement according to claim 7, characterized in that the dielectric Is oil.
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