DE10133380A1

DE10133380A1 - Einrichtung und Verfahren zum Erfassen und Steuern eines bewegbaren Objektes

Info

Publication number: DE10133380A1
Application number: DE10133380A
Authority: DE
Inventors: Zlatko Ovari
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Einrichtung und Verfahren zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine, welches aus einer von einem Anschlag bestimmten Bezugsposition (8) heraus und wieder zu dieser zurück hin- und herbewegbar ist. Eine Messvorrichtung mit einem magnetischen Kreis, welcher von einem mit dem Objekt veränderlichen Luftspalt unterbrochen ist, dessen jeweilige Weite zu dem jeweiligen Abstand des Objektes von der Bezugsposition (8) proportional ist, und ein Sensor sind vorgesehen, von welchem die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreis erfassbar ist. Ein elektromagnetischer Objektantrieb (20) mit zwei Antriebsspulen (2, 3), von denen die eine Antriebsspule (2) für das Antreiben des Hinbewegens des Objektes bestromt ist und die andere Antriebsspule (3) für das Antreiben des Herbewegens des Objektes bestromt ist, und eine mit dem Objektantrieb (20) gekoppelte Steuereinrichtung (6) ist vorgesehen, von welcher der Objektantrieb (20) aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte des magnetischen Kreises derart gesteuert ist, dass die Geschwindigkeit des Objektes (4) in der Bezugsposition Null ist, wobei die das Hinbewegen des Objektes antreibende, bei dessen Herbewegen nicht-bestromte Antriebsspule (2) mit dem magnetischen Kreis der Messvorrichtung als Sensor der Messvorrichtung gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes, welches Objekt beispielsweise in der Ausführungsform eines Ein- bzw. Auslaßventils in einem Verbrennungsmotor aus einer Bezugsposition heraus- bzw. zu dieser zurück bewegbar ist.
Beim Antreiben von bewegbaren Objekten, welche aus einer Bezugsposition heraus bzw. zu dieser zurück bewegbar sind, sind die Geräuschemissionen sowie die Haltbarkeit stark von der Geschwindigkeit abhängig, mit welcher das Objekt die Bezugsposition erreicht.
Beispielsweise besteht beim Erfassen der Position eines Ventils einer Brennkraftmaschine, welche mittels eines elektromechanischen oder elektromagnetischen Aktuator angesteuert wird, das Problem, die Aufsetzgeschwindigkeit des Ventils auf den Ventilsitz derart zu steuern, dass sie minimal ist.

Um dies zu erreichen, ist es aus dem US-Patent Nr. 5,769,043 bekannt, eine stationäre Magnetfeldquelle in einem elektromechanischen oder elektromagnetischen Ventil-Aktuator mit einem Eisenteil vorzusehen, welches entlang eines linearen Pfades einer Auf- und Abbewegung eines Ventils einer Brennkraftmaschine zwischen dessen geöffneter und geschlossener Stellung bewegbar ist. Mittels des Eisenteils wird die magnetische Flussdichte der Magnetfeldquelle verändert und mittels eines Sensors, welcher in dem linearen Pfad zwischen der stationären Magnetfeldquelle und dem Eisenteil angeordnet ist und von der Magnetfeldquelle beabstandet ist, wird die Flussdichte erfasst und zur Ermittlung der Ventilbewegung verwendet.

Außerdem ist es aus der japanischen Patentanmeldung JP 2075901 A bekannt, einen magnetischen Kreis mit einem Permanentmagneten, einem Joch und einem Hallelement aufzubauen und aus der gemessenen magnetischen Flussdichte Steuersignale für den Antriebsschaltkreis eines Antriebs eines bewegbaren Objektes zu ermitteln.

Jedoch ist hierzu der Aufbau eines von dem Objektantrieb separaten Messkreises mit gesondertem Sensor zum Erfassen der magnetischen Flussdichte in einem magnetischen Kreis erforderlich, welcher den Abstand des Objektes von dessen Bezugsposition abbildet. Ein solcher separater Messkreis erfordert jedoch zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise einen Sensor zum Messen der magnetischen Flussdichte in dem magnetischen Kreis oder ein zusätzliches Joch, um die Ausbildung eines magnetischen Kreises zu ermöglichen. Diese zusätzlich erforderlichen Bauteile verschlechtern die Zuverlässigkeit des Aktuators und führen zu hohen Produktionskosten und erschweren die Montierbarkeit bzw. Wartung.

Es besteht daher der Bedarf an einer zuverlässigen und kostengünstig herstellbaren Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht mit einem Verfahren zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine, welches mittels eines elektromagnetischen Objektantriebs mit zwei Antriebsspulen aus einer Bezugsposition heraus und wieder zu dieser zurück hin- und herbewegt wird. Hierbei wird die eine der Antriebsspulen für das Antreiben des Hinbewegens des Objektes bestromt und die andere der Antriebsspulen wird für das Antreiben des Herbewegens des Objektes bestromt. Überdies wird die magnetische Flussdichte eines magnetischen Kreises erfasst, und zwar in der Weise, dass die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises von der das Hinbewegen des Objektes antreibenden, bei dessen Herbewegen nicht bestromten Antriebsspule erfasst wird.

Zwischen der Spule und dem Objekt befindet sich ein Luftspalt, der mit der Objektbewegung veränderlich ist, so dass dessen jeweilige Weite zu dem jeweiligen Abstand des Objektes von der Bezugsposition proportional ist. Der Objektantrieb wird dann von einer Steuereinrichtung aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte derart gesteuert, dass die Geschwindigkeit des Objektes in der Bezugsposition Null ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind dabei die zwei Antriebsspulen in Richtung des Hin- und Herbewegens übereinander angeordnet und die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises wird in einem Bereich erfasst, welcher von den zwei Antriebsspulen einschließlich derselben begrenzt ist.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine, geschaffen, welches aus einer von einem Anschlag bestimmten Bezugsposition heraus und wieder zu dieser zurück hin- und herbewegbar ist. Die Einrichtung weist dabei eine Messvorrichtung mit einem magnetischen Kreis, welcher von einem mit dem Objekt veränderlichen Luftspalt unterbrochen ist, dessen jeweilige Weite zu dem jeweiligen Abstand des Objektes von der Bezugsposition proportional ist, einen Sensor, von welchem die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises erfasst wird, einen elektromagnetischen Objektantrieb mit zwei Antriebsspulen, von denen die eine Antriebsspule für das Antreiben des Hinbewegens des Objektes bestromt ist und die andere Antriebsspule für das Antreiben des Herbewegens des Objektes bestromt ist, und eine mit dem Objektantrieb gekoppelte Steuereinrichtung auf, von welcher der Objektantrieb aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte des magnetischen Kreises derart gesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des Objekts in der Bezugsposition Null ist. Die das Hinbewegen des Objektes antreibende, bei dessen Herbewegen nicht bestromte Antriebsspule ist dabei mit dem magnetischen Kreis der Messvorrichtung als Sensor der Messvorrichtung gekoppelt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zwei Antriebsspulen in der Richtung des Hin- und Herbewegens übereinander angeordnet und die Messvorrichtung ist in einem Bereich angeordnet, welcher von den zwei Antriebsspulen einschließlich derselben begrenzt ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Objektantrieb ein elektromagnetischer Ventilantrieb einer Brennkraftmaschine und das Objekt ist ein Ein- oder Auslass-Ventil der Brennkraftmaschine.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Objektantrieb außerdem ein oberes Aktuatorgehäuse, ein unteres Aktuatorgehäuse und einen Anker, welcher an einer Aktuatorstange befestigt mit dem Objekt gekoppelt ist, sowie zwei Elemente zur magnetischen Kopplung der beiden Spulen auf. Dadurch wird zum einen ein magnetischer Arbeitskreis zwischen der bestromten Spule und dem Anker gebildet, dessen magnetischer Widerstand vom Luftspalt zwischen der oberen Fläche des Ankers und der Unterseite des oberen Aktuatorgehäuses abhängt, und zum anderen wird ein Messkreis geschaffen, dessen Widerstand konstant ist. Durch die Verkleinerung des Luftspaltes während der Flugzeit des Ankers verringert sich der magnetische Widerstand des Arbeitskreises. Dies führt zur Herabsetzung des magnetischen Flusses durch den Messkreis, wodurch es zur Spannungsinduktion in der unbestromten Spule kommt.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die Position eines bewegbaren Objektes zu erfassen und zu steuern, ohne dass hierfür ein separater Sensor erforderlich ist und ohne dass ein magnetischer Kreis in zusätzlichen Bauteilen gebildet werden muss. Durch Verwenden mindestens einer der Antriebsspulen zum Erfassen der magnetischen Flussdichte in dem magnetischen Kreis ist es möglich, das Erfassen und Steuern der Position des bewegbaren Objektes ohne einen zusätzlichen Sensor für die magnetische Flussdichte durchzuführen. Hierbei wird eine Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes geschaffen, welche einfach und kostengünstig herzustellen ist und zudem eine hohe Zuverlässigkeit zeigt.

Ferner ist es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes möglich, durch Fertigungstoleranzen bedingte Abweichungen von den Sollwerten eines Objektantriebs, eines Objektes sowie dessen Bezugsposition auszugleichen. Darüber hinaus können auch betriebsbedingte Sollwertveränderungen ausgeglichen werden, wie beispielsweise wärmebedingte Veränderungen des Objektes sowie der Bezugsposition, welche eine Veränderung der Anordnung des Objektes und der Bezugsposition relativ zueinander verursachen können.

Da die Geschwindigkeit des Objektes in dessen Bezugsposition Null ist, kann eine noch höhere Lebensdauer des Objektantriebs, des bewegbaren Objektes und des die Bezugsposition bestimmenden Anschlags erreicht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen Graphen des Verlaufs der magnetischen Flussdichte des magnetischen Kreises in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in geschnittener Ansicht, wobei die Schnittlinie symmetrisch durch den Aktuator 20 des Ventils verläuft.
Die Gestalt des Aktuators 20 kann dabei eine rechteckige Quaderform oder eine zylindrische Form haben.
Im vorliegenden, in der Zeichnung dargestellten Fall wird von einer Quaderform des Aktuators ausgegangen.
Eine Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes 4 weist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, neben dem Aktuator 20 auch eine Steuereinrichtung 6 auf.
Der Aktuator 20 weist in seinem Gehäuse eine obere Antriebsspule 2 und eine untere Antriebsspule 3 auf. Eine Aktuatorstange 5 ist mittels der Steuereinrichtung 6 und den beiden Antriebsspulen 2 und 3 zusammen mit einem Anker 7, der eine Quaderform hat, nach oben bzw. nach unten bewegbar. Das Objekt 4 ist mit der Aktuatorstange 5 gekoppelt. Durch Bestromen der jeweiligen unteren bzw. oberen Spule wird ein Magnetfeld mit einem magnetischen Kreis durch Teile des oberen Aktuatorgehäuses 21 bzw. des unteren Aktuatorgehäuses 31, sowie durch einen Teil des Ankerkörpers 7 erzeugt, wobei ein Luftspalt zwischen der oberen Fläche des Ankers und der Unterseite des oberen Aktuatorgehäuses vorgesehen ist, dessen Weite zu dem Abstand des Objektes 4 von der Bezugsposition 8 des geschlossenen Ventils proportional ist.
Mittels der während der Bewegung des Ankers 7 und damit des Objektes 4 nach oben nicht bestromten Antriebsspule 2 ist die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises für den Fall erfassbar, dass der Anker 7 mittels der unteren Antriebsspule 3 nach oben auf das obere Aktuatorgehäuse 21 zu bewegt wird. Die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises nimmt für eine Luftspaltgröße von h → 0 ihren Maximalwert an. Daher ist es mittels der erfassten magnetischen Flussdichte möglich, den Aktuator 20 derart zu steuern, dass die Geschwindigkeit des Objektes 4 in der Bezugsposition 8 des geschlossenen Ventils Null ist, so dass der Verschleiss des Systems sowie die Geräuscherzeugung minimiert sind. Dies wird bevorzugt über die Steuerleitungen 61 bzw. 62 bewirkt, mittels welcher die Steuereinrichtung 6 an die obere Aktuatorspule 2 bzw. die untere Aktuatorspule 3 angeschlossen ist.
Für den Fall, dass der Anker 7 mittels der unteren Aktuatorspule 3 zu dem oberen Aktuatorgehäuse 21 hin bewegt wird, wird durch Bestromen der unteren Aktuatorspule ein magnetischer Kreis durch die beiden zur magnetischen Kopplung der zwei Spulen vorgesehenen Elemente 9, 10 durch einen Teil des Ankers 7 und einen Teil des oberen Aktuatorgehäuse 21 mit der Luftspaltgröße h gebildet. Die magnetische Flussdichte dieses magnetischen Kreises durchsetzt dabei die obere Antriebsspule 2 als Messspule. Daher ist von der oberen Antriebsspule 2 die magnetische Flussdichte in dem in einem Teil des Ankers 7, einem Teil des oberen Aktuatorgehäuses 21 sowie den beiden magnetischen Kopplungselementen 9, 10 gebildeten magnetischen Kreis erfassbar.
Das in der Fig. 1 dargestellte äußere Kopplungselement 9 ist im vorliegenden Fall eine rechteckige Scheibe, die an der Innenwand des Aktuatorgehäuses angeordnet ist. Demgemäß ist das äußere Kopplungselement 9 in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Die Scheibe steht damit senkrecht auf die Längsachse des Ankers. Das sich gegenüber dieser Innenwand des Aktuators auf der Innenseite des Aktuatorgehäuses angeordnete innere Kopplungselement 10 muß derart gestaltet sein, dass sich der Anker hindurch bewegen läßt. Demnach weist das innere Kopplungselement 10 einen Spalt an der Stelle des Ankers auf, in dem sich der Anker auf und ab bewegen kann.
In gleicher Weise ist es möglich, das innere Kopplungselement 10 durch zwei von einander getrennte Teile vorzusehen, die o. g. Spalt bilden, damit sich der Anker auf und ab bewegen kann.
Im Falle eines zylindrischen Aktuatorgehäuses ist es ebenso möglich, ein am Bewegungsweg des Ankers durchbrochenes zylindrisches Kopplungselement vorzusehen.
Die obere Antriebsspule 2 ist nun mit dem magnetischen Kreis gekoppelt. Durch eine derartige, beispielsweise induktive Kopplung ist es möglich, die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises mittels der oberen Antriebsspule zu erfassen.
Der magnetische Kreis und die als Sensor in dem magnetischen Kreis angeordnete obere Antriebsspule bilden dabei eine Messvorrichtung.
Dabei zeigt die magnetische Flussdichte den aus Fig. 2 ersichtlichen Verlauf in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes h.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, beträgt die magnetische Flussdichte für eine Luftspaltgröße h = h_max den Minimalwert der magnetischen Flussdichte φ_min. Mit abnehmender Größe des Luftspaltes h nähert sich die magnetische Flussdichte dem Maximalwert φmax an, welcher für die Luftspaltgröße h → 0 erreicht wird.
Von der Steuereinrichtung 6 wird die untere Aktuatorspule 3 über die Steuerleitung 62 aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte φ derart gesteuert, dass die Geschwindigkeit des Ankers 7, und damit des Objektes 4, in der Nähe der Luftspaltgröße minimal, und in der Bezugsposition 8 Null ist.
Als bewegbares Objekt 4 kommt bevorzugt ein Ventil einer Brennkraftmaschine in Betracht.
Durch entsprechende Anbringung eines Ventils 4 derart, dass bei Anliegen des Ankers 7 am oberen Aktuatorgehäuse 21, d. h. bei einer Größe des Luftspaltes des magnetischen Kreises von Null, das Ventil 4 am Ventilsitz 8 anliegt, ist es möglich, die Aufsetzgeschwindigkeit des Ventils auf den Ventilsitz derart zu steuern, dass deren Betrag Null ist. Dabei kann das Ventil 4 direkt oder indirekt mit dem Anker 7 gekoppelt sein.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes (4), insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine, welches mittels eines elektromagnetischen Objektantriebs (20) mit zwei Antriebsspulen (2, 3) aus einer Bezugsposition (8) heraus und wieder zu dieser zurück hin- und herbewegt wird, wobei die eine der Antriebsspulen für das Antreiben des Hinbewegens des Objektes bestromt wird und die andere der Antriebsspulen für das Antreiben des Herbewegens des Objektes bestromt wird, die magnetische Flussdichte eines magnetischen Kreises erfasst wird, welcher einen mit dem Objekt veränderlichen Luftspalt aufweist, dessen jeweilige Weite zu dem jeweiligen Abstand des Objektes von der Bezugsposition (8) proportional ist, und von einer Steuereinrichtung aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte der Objektantrieb derart gesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des Objektes in der Bezugsposition Null ist, und wobei die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises von der das Hinbewegen des Objektes antreibenden, bei dessen Herbewegen nicht bestromten Antriebsspule erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zwei Antriebsspulen in Richtung des Hin- und Herbewegens übereinander angeordnet sind und die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises in einem Bereich erfasst wird, welcher von den zwei Antriebsspulen einschließlich derselben begrenzt ist.

3. Einrichtung zum Erfassen und Steuern der Position eines bewegbaren Objektes (4), insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine, welches aus einer von einem Anschlag bestimmten Bezugsposition (8) heraus und wieder zu dieser zurück hin- und herbewegbar ist, welche Einrichtung aufweist:
eine Messvorrichtung mit einem magnetischen Kreis, welcher von einem mit dem Objekt veränderlichen Luftspalt unterbrochen ist, dessen jeweilige Weite zu dem jeweiligen Abstand des Objektes (4) von der Bezugsposition (8) proportional ist, und
einem Sensor, von welchem die magnetische Flussdichte des magnetischen Kreises erfassbar ist,
einen elektromagnetischen Objektantrieb (20) mit zwei Antriebsspulen (2, 3), von denen die eine Antriebsspule (2) für das Antreiben des Hinbewegens des Objektes bestromt ist und die andere Antriebsspule (3) für das Antreiben des Herbewegens des Objektes bestromt ist,
eine mit dem Objektantrieb (20) gekoppelte Steuereinrichtung (6), von welcher der Objektantrieb (20) aufgrund der erfassten magnetischen Flussdichte des magnetischen Kreises derart gesteuert ist, dass die Geschwindigkeit des Objekts (4) in der Bezugsposition (8) Null ist, wobei
die das Hinbewegen des Objektes antreibende, bei dessen Herbewegen nicht-bestromte Antriebsspule (2) mit dem magnetischen Kreis der Messvorrichtung als Sensor der Messvorrichtung gekoppelt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die zwei Antriebsspulen in Richtung des Hin- und Herbewegens übereinander angeordnet sind und die Messvorrichtung in einem Bereich angeordnet ist, welcher von den zwei Antriebsspulen einschließlich derselben begrenzt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Objektantrieb (20) ein elektromagnetischer Ventilantrieb einer Brennkraftmaschine ist und das Objekt (4) ein Ein- oder Auslass-Ventil der Brennkraftmaschine ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Objektantrieb (20) außerdem ein oberes Aktuatorgehäuse (21), ein unteres Aktuatorgehäuse (31) und einen Anker (7) aufweist, welcher an einer Aktuatorstange (5) befestigt mit dem Objekt (4) gekoppelt ist, und der magnetische Kreis der Messvorrichtung in einem Teil des Ankers, und mindestens einem in dem Luftspalt zur magnetischen Kopplung der oberen mit der unteren Spule angeordneten Element (9, 10), sowie einem Teil des oberen Aktuatorgehäuses (21) ausgebildet ist.