DE19723792C1 - Einrichtung zur Einstellung eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einstellung eines elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen sich ein Anker koaxial zu einer Gaswechselventilachse des Gaswechselventils bewegen kann. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerbolzen auf einen Ventilschaft des Gaswechsel­ ventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder belastet das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung. Bei stromlosen Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleich­ gewichtslage zwischen den Magneten gehalten, die in der Regel aus energetischen Gründen der Mittellage zwischen den Polflä­ chen der Magnete entspricht.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt, um den Anker aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder es läuft eine Anschwingungsroutine ab, bei der die Magnete wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil und den Anker in Schwingungen zu versetzen, bis der Anker von einem Magneten eingefangen werden kann. In geschlossener Stellung des Gaswech­ selventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließma­ gnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker wird von der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder verzögert und schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an, wo er von dieser festge­ halten wird. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet einge­ schaltet. Der Schließvorgang läuft in entsprechender Weise wie der Öffnungsvorgang ab.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, z. B. Fertigungstoleranzen einzelner Bautei­ le, Wärmedehnung unterschiedlicher Materialien, differierende Federsteifigkeiten der oberen und der unteren Ventilfeder sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Federn usw., können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichge­ wichtslage nicht mit der geometrischen Mittellage zwischen den Polflächen übereinstimmt bzw. nicht einen bestimmten Abstand zu diesen aufweist.

Die von dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten benötigte Energie, auch Fangenergie genannt, um den Anker von einem be­ stimmten Abstand aus anzuziehen, nimmt mit dem Abstand exponen­ tiell zu. Dies führt dazu, daß bei einem Anker, der in Ruhelage beispielsweise in Richtung des Öffnungsmagneten verschoben ist, zwar der Energiebedarf des Öffnungsmagneten aufgrund des geringeren Abstandes kleiner wird, jedoch der Energiebedarf des Schließmagneten aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs mit dem Abstand wesentlich stärker zunimmt als sich der des Öff­ nungsmagneten verringert. Der Gesamtenergiebedarf steigt an. Die durch die Ventilfedern bestimmte, energetisch optimale Gleich­ gewichtslage des Ankers befindet sich daher in der Mittelposi­ tion zwischen den Polflächen.

Ferner werden durch den exponentiellen Zusammenhang schnell Abstände erreicht, bei denen der Energiebedarf unzulässig hoch ist, so daß der Öffnungsmagnet bzw. der Schließmagnet den Anker nicht mehr anziehen kann. Der Aktuator verliert seine Funkti­ onsfähigkeit.

Aus der DE 39 20 976 A1 ist ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventil für Verdrängungsmaschinen bekannt. Zwischen einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten ist ein Anker von mindestens zwei Federn nach dem Prinzip eines Federmasseschwin­ gers gehalten. Der Anker, der auf den Schaft des Steuerventils wirkt, wird beim Schließen des Steuerventils vom Schließmagne­ ten angezogen, indem eine Öffnungsfeder vorgespannt wird. Öffnet das Steuerventil, wird der Schließmagnet stromlos geschaltet und die Öffnungsfeder bringt das Steuerventil unter Mitwirkung des erregten Öffnungsmagneten in die Öffnungslage.

Über eine Stellschraube wird die Gleichgewichtslage des schwin­ gungsfähigen Systems, bestehend aus den Federn, dem Anker, dem Schaft des zu betätigenden Steuerventils und einem Federteller so eingestellt, daß der Anker im stromlosen Zustand in der Mitte zwischen dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten ruht. Die Mittellage kann nur im Stillstand eingestellt werden. Veränderungen, die sich während des Betriebes aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen und Wärmedehnungen sowie Ver­ schleiß ergeben können, werden nicht berücksichtigt. Ferner ist es schwierig, bei der Einstellung die exakte Mittellage fest zu­ stellen.

Aus der DE 196 31 909 A1 ist ein Verfahren zum Justieren der Ruhelage des Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator bekannt, wie er beispielsweise an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt wird, um Gaswechselventile zu betätigen. Die Ruhela­ ge entspricht einer Gleichgewichtslage, die sich bei stromlosen Magneten aus der Vorspannung der Ventilfedern ergibt. Bei dem Verfahren wird die Induktivität der beiden Elektromagneten jeweils gemessen und aus dem Vergleich der beiden gemessenen Induktivitätswerte die Stellung des Ankers in der Gleichge­ wichtslage in bezug auf die Polflächen der Elektromagnete abgeleitet. Bei der Messung befindet sich der Anker in der Gleichgewichtslage; es ist aber auch möglich, die Induktivität des jeweiligen Elektromagneten bei anliegendem Anker zu dessen und den Meßwert und/oder die Differenz beider Meßwerte mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen und dadurch einen Korrekturwert für ein Stellsignal abzuleiten. Der Anker kann während der Messung über mechanische Mittel und/oder über einen Haltestrom an dem betreffenden Elektromagneten anliegend gehalten werden. Mithin ist das Verfahren nicht geeignet, die Mittellage bzw. die Gleichgewichtslage des Ankers während des Betriebs zu korrigieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung und ein Verfahren zu schaffen, um die Mittellage des Ankers auch während des Betriebs einfach einstellen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat ein elektrisch beheizbares Wärmedehnelement, an dem sich mindestens eine Ventilfeder abstützt. Als Dehnstoffelemente eignen sich feste Werkstoffe mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder flüssige bzw. wachsartige Stoffe in einem geschlossenen, in Längsrich­ tung veränderbaren Gehäuse. Solche Dehnstoffelemente werden zweckmäßigerweise ringförmig gestaltet und koaxial zu den Ventilfedern angeordnet. Anstelle der Dehnstoffelemente können auch entsprechende Bimetallelemente vorgesehen werden, die unter Wärmeeinwirkung ihre Länge ändern.

Die Dehnstoffelemente sowie die Bimetallelemente können z. B. durch einen elektrischen Widerstand oder induktiv beheizt werden. Sie werden solange beheizt, bis die gewünschte Gleichge­ wichtslage des Ankers erreicht ist.

Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Motorelektronik kann die Motorelektronik in vorteilhafter Weise als Auswerte­ einrichtung dienen, um mit geringem Bauaufwand die für die Einstellung erforderlichen Parameter auszuwerten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Stromaufnahme der Magnete während der Erregung gemessen und aus einem Vergleich der Stromverlaufskurve für den Öffnungshub mit dem Stromverlauf für den Schließhub in einer elektronischen Auswerteeinrichtung ein Kennwert für die Gleichgewichtslage des Ankers gebildet. Der Kennwert wird mit einem Sollwert verglichen, wobei abhängig von der Abweichung die Gleichgewichtslage des Ankers über Einstellmittel in Richtung des Sollwertes verändert wird. Zweckmäßigerweise werden aus den Stromverlaufskurven Flächen­ integrale gebildet, die miteinander verglichen werden. Da es vorteilhaft ist, daß sich der Anker in der Gleichgewichtslage in einer Mittelposition befindet, kann die Vorspannung der Ventilfedern über die Einstellmittel so lange variiert werden, bis die Flächenintegrale gleich groß sind. Soll die Gleichge­ wichtslage des Ankers von der Mittellage abweichen, können gezielt Differenzen der Flächenintegrale vorgegeben werden.

Die Stromverlaufskurven werden während des Betriebs aufgenommen und ausgewertet, so daß auch während des Betriebs die Gleichge­ wichtslage des Ankers dem Sollwert über die Einstellmittel angepaßt werden kann. Dadurch kann Veränderungen infolge von Temperaturschwankungen, Verschleiß usw. entgegengewirkt werden. Als Einstellmittel können elektronisch ansteuerbare elektri­ sche, hydraulische oder mechanische Stellglieder verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger­ weise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen,

Fig. 2 ein Gaswechselventil mit einem Aktuator in einer geöff­ neten Stellung,

Fig. 3 eine Stromverlaufskurve über der Zeit gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Gaswechselventil mit einem Aktuator in einer ge­ schlossenen Stellung und

Fig. 5 eine Stromverlaufskurve über der Zeit während einer Schließphase nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils 1, der in einem Zylinderkopf 2 einge­ setzt ist und einen Öffnungsmagneten 3 und einen Schließmagne­ ten 4 besitzt, die fest miteinander verbunden sind.

Ein Anker 5 ist zwischen den Magneten 3, 4 koaxial verschiebbar zu einem Ventilschaft 6 angeordnet. Der Anker 5 ist im Öffnungsmagneten 3 geführt und wirkt über einen Ankerbolzen 24 auf den in einer Ventilführung 13 geführten Ventilschaft 6 des Gaswechselventils 1. Der Ventilschaft 6 kann mit dem Ankerbolzen 24 einstückig ausgebildet sein. Auf den Anker 5 wirkt eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder 8, 7 die beide auf der dem Gaswechselventil 1 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 3 angeordnet sind. Die untere Ventilfeder 7 stützt sich in Richtung des Gaswechselventils 1 in dem Zylinderkopf 2 und in Richtung des Aktuators an einem Federteller 25 ab, der fest mit dem Ventilschaft 6 verbunden ist. Die obere Ventilfeder 8 stützt sich einerseits an einem weiteren Federteller 10, der an dem Ankerbolzen 24 befestigt ist, und andererseits über Einstellmittel 17 am Öffnungsmagneten 3 ab.

Bei nicht erregten Magneten 3, 4 wird der Anker 5 in einer durch die Ventilfedern 7, 8 bestimmten Gleichgewichtslage zwischen den Magneten 3, 4 gehalten. Wird beim Start der Aktuator aktiviert, wird der Schließmagnet 4 kurzzeitig überer­ regt oder der Anker 5 durch eine Anschwingungsroutine ins Schwingen versetzt, um ihn aus der Gleichgewichtslage anziehen zu können.

Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt sein Ventil­ teller 9 an einem Ventilsitzring 11 an und verschließt eine Verbindung zwischen einem Brennraum und einem Gaswechselkanal 12. Gleichzeitig ist der Anker 5 von dem bestromten Schließmag­ neten 4 angezogen und gehalten. Der Schließmagnet 4 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 8 weiter vor. Um das Gaswechselventil 1 zu öffnen, wird der Schließmagnet 4 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 8 beschleunigt den Anker 5 über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 3 angezogen wird. Der Anker 5 schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten 3 an und wird von diesem gehalten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfaßt eine Auswerteein­ richtung 16, z. B. eine Motorelektronik, den Stromverlauf des Öffnungsmagneten 3 während der Öffnungsphase des Gaswechselven­ tils 1 bzw. den Stromverlauf des Schließmagneten 4 während der Schließphase des Gaswechselventils 1. Der Verlauf des Stromes I über der Zeit t ist in Fig. 3 für den Öffnungsmagneten 3 mit 19 bezeichnet, während der Stromverlauf für den Schließmagneten 4 in Fig. 5 mit 20 bezeichnet ist. Die schraffierten Flächen unter den Stromverlaufskurven 19, 20 ergeben die entsprechenden Flächenintegrale 21 für den Öffnungsmagneten 3 und 22 für den Schließmagneten 4. Fig. 2 zeigt die Position des geöffneten Gaswechselventils 1 entsprechend der Stromverlaufskurve 19 in Fig. 3. Fig. 4 zeigt die Position des geschlossenen Gaswechsel­ ventils 1 entsprechend der Stromverlaufskurve 20 in Fig. 5.

Befindet sich der Anker 5 in der Gleichgewichtslage in einer Mittelposition zwischen den Polflächen des Öffnungsmagneten 3 und des Schließmagneten 4, sind die Flächenintegrale 21, 22 gleich groß. Weicht dagegen die Gleichgewichtslage des Ankers 5 von der Mittelposition ab, kann sich z. B. eine gestrichelt eingezeichnete Stromverlaufskurve ergeben. Die Flächenintegrale der gestrichelten Kurven sind ungleich groß. Durch Einstellmit­ tel 17, z. B. in Form von elektrisch beheizbaren Dehnstoffele­ menten, kann die Gleichgewichtslage korrigiert werden, so daß die Flächenintegrale 21 bzw. 22 der Stromverlaufskurven 19 bzw. 20 wieder gleich groß sind. Als elektrische Heizung dient ein elektrischer Widerstand in Form einer Heizwendel 18.

Soll die Gleichgewichtslage des Ankers 5 von der Mittelposition um einen bestimmten Wert abweichen, können die Einstellmittel 17 so angesteuert werden, daß eine vorgegebenen Differenz der Flächenintegrale 21, 22 erreicht wird. Die Magnete 3, 4 sowie die Einstellmittel 17 sind über Steuerleitungen 15 mit der Auswerteeinrichtung 16 verbunden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Einstellung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils (1), der sowohl einen Öffnungsmagneten (3) als auch einen Schließmagneten (4) besitzt, zwischen denen ein Anker (5) koaxial verschiebbar angeordnet ist und durch eine obere und eine untere vorgespann­ te Ventilfeder (8, 7) bei stromlosem Zustand der Magnete (3, 4) in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten (3, 4) gehalten wird, wobei die Gleichgewichtslage über Einstellmittel (17) in Abhängigkeit von Meßgrößen der Magnete (3, 4) einge­ stellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstellmittel (17 mindestens ein elektrisch beheizbares Wärmedehnelement vorgesehen ist, an dem sich mindestens eine Ventilfeder (7 oder 8) abstützt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedehnelement ein ringförmig gestalteten Dehnstoffelement und koaxial zu den Ventilfedern (7, 8) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstellmittel (17) mindestens ein elektrisch beheizbares, ringförmiges Bimetallelement vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellmittel (17) mit einer Auswerte­ einrichtung (16), insbesondere einer Motorelektronik verbunden ist.

5. Verfahren zur Einstellung eines elektromagnetischen Aktuators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromauf­ nahme der Magnete (3, 4) während der Erregung gemessen und aus einem Vergleich der Stromverlaufskurve (19) für den Öffnungshub mit der Stromverlaufskurve (20) für den Schließhub in einer elektronischen Auswerteeinrichtung (16) ein Kennwert für die Gleichgewichtslage gebildet wird.

6. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenintegrale (21, 22) der Stromverlaufskurven (19, 20) miteinander vergli­ chen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungen der Ventilfedern (7, 8) solange variiert werden, bis die Flächenintegrale (21, 22) der Stromverlaufskurven (19, 20) gleich sind.