DE19531437A1

DE19531437A1 - Verfahren zur Erfassung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventil

Info

Publication number: DE19531437A1
Application number: DE19531437A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Ing Schrey
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-08-26
Filing date: 1995-08-26
Publication date: 1997-02-27
Also published as: US5832955A

Description

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die einzelnen Gaswechsel ventile jeweils durch eine Schließfeder in Schließstellung gehalten, so daß das Gaswechselventil nur gegen die Kraft der Schließfeder geöffnet werden kann. Um sicherzustellen, daß das Gaswechselventil auch zuverlässig geschlossen ist, besteht zwischen dem Betätigungsmittel und dem Gaswechselven til keine feste Verbindung, sondern es wird zwischen den beiden Komponenten ein definierter Spalt vorgesehen, der als Ventilspiel bezeichnet wird. Hierdurch wird vermieden, daß schon aufgrund von thermischen Ausdehnungen der Komponen ten bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen das Ventil entweder nicht richtig schließt oder aber mit dem jeweiligen Betätigungsmittel nicht ordnungsgemäß in Wirkverbindung steht.

Bei der Verwendung eines elektromagnetischen Aktuators, der einen Schließmagneten und einen Öffnermagneten sowie einen Anker aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbewegbar ist und der auf das Gaswechselventil ein wirkt, wobei eine der Rückstellfedern die Schließfeder das Gaswechselventils bildet, muß nun die Anordnung so getroffen werden, daß der Anker bei geschlossenem Ventil an der Polfläche des Schließmagneten anliegt, andererseits bei Betätigung des Öffnermagneten das Gaswechselventil auch zuverlässig in der gewünschten Weise geöffnet wird. Würde man nun den Anker fest mit dem Ventil verbinden, so würde alleine schon aufgrund der thermischen Ausdehnungen bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen in ähnlicher Weise wie bei anderen Aktuatoren entweder das Ventil nicht richtig schließen oder aber der Anker nicht an der Polfläche des Schließmagneten anliegen. Wegen der geschlossenen Bau weise derartiger elektromagnetischer Aktuatoren ist der das Ventilspiel definierende Spalt zwischen Anker und Schaft des Gaswechselventils praktisch nicht frei zugänglich, so daß eine mechanische Messung praktisch nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein "elektri sches" Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem Gaswechselventil zu schaffen, das über einen elektromagne tischen Aktuator betätigt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nach dem Abschalten des Haltestroms I_H am haltenden Elektromagneten unter Berücksichtigung der Klebzeit t_K die Meßzeit t_H bis zum Auftreffen des Ankers am fangenden Elektromagneten gemessen und aus der Differenz zu der durch das aus Anker, Ventilkörper und Rückstellfedern bestehenden Feder-Masse-System vorgegebenen Bewegungszeit t_B die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die Bewegungs zeit t_B des Ventils praktisch nur von der zu bewegenden Masse, hier also Anker und Ventilkörper selbst und von der Federsteifigkeit der betreffenden Rückstellfedern abhängt. Ferner wird hierbei die Tatsache ausgenutzt, daß bei der Einleitung der Öffnungsbewegung für das Ventil zunächst vom Anker allein das tatsächlich vorhandene Ventilspiel überbrückt wird und erst nach dem Auftreffen des Ankers auf dem Ventilkörper durch die zugeordnete Rückstellfeder des Schließmagneten der Anker und die Masse des Ventil körpers beschleunigt werden muß, wobei darüber hinaus die Kraft der Rückstellfeder des Öffnermagneten entgegenwirkt.

Damit ist es möglich, aus der Überbrückungszeit t_VS, d. h. der Zeit, die der Anker nach dem Lösen von der Polfläche des haltenden Elektromagneten bis zum Auftreffen auf den Ventilkörper zurücklegt unmittelbar das Ventilspiel ab zu leiten. Hierbei gilt folgende Beziehung:

t_VS = t_H - t_K - t_B

Die Hubzeit t_H wird hierbei gemessen vom Abschalten des Haltestroms an der haltenden Spule bis zum Erkennen des Auftreffens des Ankers an der fangenden Spule. Die Kleb zeit t_K ist hierbei aus der Auslegung des Elektromagneten und die Bewegungszeit t_B ist hierbei aus den Daten des mechanischen Feder-Masse-Systems bekannt.

Da die Klebzeit t_K durch äußere Einflüsse, auch durch Ein flüsse während des Betriebes veränderbar sein kann, ist in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß zur Berücksichtigung der tatsächlichen Klebzeit t_K der tatsächliche Ablösezeitpunkt t_A des Ankers am haltenden Elektromagneten festgestellt und der Beginn der Meßzeit t_mess hierdurch festgelegt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Spannung an der Spule des haltenden Elektromagneten erfolgen. Bei dieser Verfahrensweise macht sich mit Vorteil zunutze, daß nach dem Abschalten des Haltestroms durch den Abbau des Magnetfeldes am haltenden Elektromagneten in der Spule des haltenden Elektromagneten ein Spannungsan stieg induziert wird, der mit dem Abbau des Magnetfeldes absinkt, daß jedoch mit dem tatsächlichen Ablösen des Ankers von der Polfläche des haltenden Elektromagneten aufgrund der sich ändernden Induktivität eine deutliche Spannungsände rung bewirkt wird, die dann als "Startsignal" für den Beginn der Messzeit t_mess ausgenutzt werden kann. Damit vereinfacht sich die mathematische Beziehung zur Erfassung der für die Bestimmung des Ventilspiels maßgeblichen Zeit t_VS auf die Beziehung

t_VS = t_B - t_mess

Auch hier wird wieder davon ausgegangen, daß die Bewegungs zeit des aus Anker und Ventilkörper und den Rückstellfedern gebildeten Feder-Masse-Systems mit hinreichender Genauigkeit aufgrund der Konstruktionsdaten vorgegeben werden kann. Da die Konstruktionsdaten für das Feder-Masse-System "Anker- Rückstellfedern" ebenfalls bekannt ist, kann aus der ermittelten Zeit t_VS unmittelbar das Ventilspiel selbst abgeleitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gaswechselventil mit elektromagneti schem Aktuator,

Fig. 2 mit einander zugeordneten Diagrammen a), b), c) und d) den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung am haltenden Elektromagneten, den Ankerhub und den Strom am fangenden Magneten.

In Fig. 1 ist ein Gaswechselventil 1 dargestellt, dessen Ventilschaft 2 mit einem Ventilteller 3 versehen ist, auf dem sich eine Schließfeder 4 abstützt, die das Gaswechsel ventil 1 in der dargestellten Schließstellung hält.

Dem Gaswechselventil 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator 5 zugeordnet, der in einem Gehäuse 6 zwei mit Abstand zuein ander angeordnete Elektromagneten aufweist, wobei der obere Elektromagnet den Schließmagneten 7 und der untere Elektro magnet den Öffnermagneten 8 darstellt. Zwischen den beiden Elektromagneten 7 und 8 ist ein Anker 9 angeordnet, der hin- und herbewegbar geführt ist, und der durch eine in Öffnungsrichtung (Pfeil 10) wirkenden Rückstellfeder 11 beaufschlagt ist. Wird der Schließmagnet 7 bestromt, dann liegt der Anker 9, wie dargestellt, an der Polfläche des Schließmagneten 7 an. Da Anker und Gaswechselventil nicht in einer festen Verbindung stehen, ist es nunmehr möglich, durch ein Verschieben des Schließmagneten 7 innerhalb des Gehäuses 6 in Bewegungsrichtung des Gaswechselventils 1 zwischen dem Anker 9 und dem Ventilteller 3 als Ventilspiel einen Spalt 12 einzustellen, der beispielsweise eine Größe von etwa 0,6 mm aufweist. Die Größe des Ventilspiels ist so bemessen, daß beispielsweise unterschiedliche Wärmedehnun gen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem Zeit punkt dazu führen, daß bei einem Halten des Ankers 9 in Schließstellung dieser den Ventilteller 3 berührt oder aber das Ventil sogar aufdrückt.

Wird nun der Haltestrom am Schließmagneten 7 abgeschaltet, dann wird der Anker 9 durch die Rückstellfeder 11 in Rich tung auf den Ventilteller 3 bewegt, wobei die Rückstell feder 11 zunächst nur die Masse des Ankers 9 zu beschleuni gen und zu bewegen hat. Mit dem Auftreffen des Ankers auf dem Ventilteller 3 muß nicht nur die Masse des Ventils beschleunigt werden, sondern gleichzeitig auch die entgegen wirkende Kraft der Schließfeder 4 überwunden werden.

Da jedoch nun aufgrund der elektrischen und elektromagneti schen Vorgänge beim Abschalten des Haltestroms am Schließ magneten 7 der Anker sich nicht sofort in Bewegung setzt, sondern eine gewisse Klebzeit vorhanden ist, kann nun der Abschaltzeitpunkt nicht unmittelbar als Beginn der tatsäch lichen Ankerbewegung zugrunde gelegt werden. Diese Klebzeit t_K muß entweder rechnerisch aufgrund der bekannten System daten oder aber über eine entsprechende Messung kompensiert werden.

Der zeitliche Verlauf für Strom und Spannung am haltenden Schließmagneten ist in Fig. 2, Diagramm a) (Strom) und Diagramm b) (Spannung) dargestellt. In Fig. 2 ist im Dia gramm c) der Hubweg des Ankers und des Gaswechselventils aus der Schließstellung bis in die Öffnungsstellung darge stellt.

Wie im Diagramm a) dargestellt, wird zunächst der Schließ magnet 7 mit einem getakteten Haltestrom I_H beaufschlagt und zwar solange, bis über einen entsprechenden Steuerbefehl das Öffnen des Gaswechselventils eingeleitet werden soll. Zu diesem Zeitpunkt T_A wird der Haltestrom I_H abgeschaltet. Korrespondierend hierzu fällt auch die Spannung an der Spule des Schließmagneten ab. Aufgrund der induktiven magneti schen Verhältnisse kann sich jedoch der Anker 9 nicht sofort von der Polfläche des Schließmagneten 7 lösen, sondern "klebt" während einer gewissen Zeit bevor er sich lösen kann.

Beim Abschalten des Haltestroms I_H baut sich in der Spule des Schließmagneten 7 eine Gegenspannung auf, die sich während der Klebzeit t_K langsam abbaut, jedoch wieder plötz lich ansteigt, wenn sich der Anker tatsächlich vom Schließmag neten löst. Dieser Spannungsanstieg kann zur Erkennung des Ablösezeitpunktes ausgewertet werden. Hierzu können prinzipiell bekannte Schaltungen, beispielsweise ein Diffe renzglied und ein Komparator mit nachgeschalteter Torschal tung zur Eingrenzung des Zeitraums verwendet werden. Ist nun, wie in Fig. 1 und in Fig. 2c dargestellt, der das Ventilspiel bestimmende Spalt 12 vorhanden, dann bewegt sich nach dem Lösen von der Polfläche zum Zeitpunkt T₂ zunächst unter dem Einfluß der Kraft der Rückstellfeder 11 die Masse des Ankers 9 allein, bis der Anker 9 zum Zeit punkt T₁ auf dem Ventilteller 3 zur Auflage kommt. Erst ab diesem Zeitpunkt muß von der Rückstellfeder 11 die Masse des Ankers und des Ventilkörpers des Gaswechselventils 1 bewegt werden. Dieser Bewegungsablauf ist im Diagramm c) in Fig. 2 dargestellt. Zum Zeitpunkt T₀ kommt dann der Anker 9 an der Polfläche des fangenden Öffnermagneten 8 zur Anlage.

Hat man nun aufgrund der Konstruktionsdaten des aus Anker und Ventilkörper und den Rückstellfedern gebildeten Feder- Masse-Systems die Bewegungszeit t_B ermittelt, die dem Bewe gungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt T₁ und T₀ im Diagramm c) in Fig. 2 entspricht, und kennt man ferner aufgrund der Konstruktionsdaten des Schließmagneten 7 die Klebzeit t_K, so kann durch eine einfache Messung des Zeitraumes t_H zwi schen dem Zeitpunkt T_A, d. h. dem Abschalten des Haltestroms und der Auftrefferkennung des Ankers am fangenden Öffner magneten zum Zeitpunkt T₀ unter Berücksichtigung der bekann ten Zeiten t_K und t_B die Zeit t_VS ermittelt werden, die der Anker allein benötigt, um das durch den Spalt 12 vorge gebene Ventilspiel zu überbrücken. Aus dieser Zeitmessung kann unmittelbar auch die Größe des Ventilspiels abgeleitet werden und somit eine entsprechende Stellmaßnahme vorgenommen werden.

Da jedoch die Klebzeit t_K ebenfalls durch betriebsbedingte Einflüsse variieren kann, erlauben die in Fig. 2 dargestell ten Verhältnisse auch eine andere Verfahrensweise. Aufgrund des nach dem Abschaltzeitpunkt T_A wieder feststellbaren Spannungsanstiegs zum Zeitpunkt T₂, d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem der Anker 9 sich tatsächlich von der Polfläche des haltenden Schließmagneten 7 löst und somit ein signifikantes für diesen Zeitpunkt zur Verfügung steht, kann hiermit auch eine Messzeit t_mess gestartet werden, die bis zum Zeitpunkt T₀ läuft, d. h. dem Zeitpunkt, an dem die Auflage des Ankers am Öffnermagneten erkannt wird. Setzt man nun die durch das Feder-Masse-System vorgegebene Bewegungszeit t_B in Relation zu der gemessenen Zeit t_mess, dann ergibt sich aus der Differenz unmittelbar die Bewegungszeit t_VS, die der Anker benötigt, um das durch den Spalt 12 vorgegebene Ventilspiel zu überwinden. Hieraus kann dann die Größe des Ventilspiels abgeleitet werden.

Wie das Diagramm d) in Fig. 2 zeigt, ist das Auftreffen des Ankers auf der Polfläche des Öffnermagneten beispiels weise aus dem zeitlichen Verlauf des zum Aufbau des Magnet feldes fangenden Öffnermagneten benötigten Stroms abzuleiten. Aufgrund der induktiven Veränderungen die durch den sich nahenden Anker bewegt werden, führt dies zu einem deutlichen Stromabfall.

Das Signal zur Erkennung des Ankerauftreffens kann auch durch andere meßtechnischen Maßnahmen an dem fangenden. Öffnermagneten, beispielsweise über Erfassung von Spannungs änderungen oder dergl. abgeleitet werden. Dies ist insbeson dere bei der Verwendung eines linear geregelten Fangstromes vorteilhaft. Hierbei wird die Spulenspannung ausgewertet, die zum Auftreffzeitpunkt einen deutlichen Peak aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung des Spiels zwischen einem Gas wechselventil einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem dieses betätigenden elektromagnetischen Aktuators, der einen Schließmagneten und einen Öffnermagneten sowie einen Anker aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstell feder zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbeweg bar geführt ist und der auf das Gaswechselventil einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten des Halte stroms I_H am haltenden Elektromagneten unter Berücksichtigung der Klebzeit t_K die Zeit t_H bis zum Auftreffen des Ankers am fangenden Elektromagneten gemessen und aus der Differenz zu der durch der aus Anker, Ventilkörper und Rückstellfedern bestehenden Feder-Masse-System vorgegebenen Bewegungszeit t_B die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der tatsächlichen Klebzeit t_K der tatsächliche Ablösezeitpunkt T_A des Ankers am haltenden Schließmagneten und der Beginn der Messzeit t_mess festgelegt wird.