DE10136497A1

DE10136497A1 - Verfahren zur Bestimmung des Spiels zwischen dem Schaft eines Ventils und einem Aktuator und Aktuator zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10136497A1
Application number: DE10136497A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Spiels zwischen dem Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors und dem bewegten Teil eines Aktuators beschrieben, der dieses Ventil abwechselnd in eine Schließstellung und eine Offenstellung bringt. DOLLAR A Hierzu wird bei einer negativen Geschwindigkeitsänderung kurz nach Freigabe des bewegten Teils des Aktuators aus der Schließstellung der zugehörige Hub ermittelt und als Spielwert gespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Spiels zwischen dem Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors und dem lose auf diesem Ventilschaft aufliegenden beweglichen Teil eines Aktuators.
Ein Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 198 13 395 A1 bekannt.
Zwischen dem Antrieb eines Ventils, z. B. über Rollenschlepphebel, Tassenstößel oder elektromagnetischen Aktuatoren und dem Ventilschaft entsteht eine Spiel welches hauptsächlich von:
Einbautoleranzen
thermischen Ausdehnungsunterschieden zwischen Ventil und Zylinderkopf
und dem Ventilverschleiß abhängt.
In der Regel betragend diese Toleranzen bis zu 1 mm. Zur Vermeidung des Spiels werden hydraulische Ventilspielausgleichsglieder (HVA) verwendet. Bei einer elektromagnetischen Ventilsteuerung gemäß WO 00/11326 ist dieses HVA zwischen dem Ankerstößel und dem Ventil angeordnet. Bei der Anordnung der DE 100 00 045 A1 ist das HVA in den Anker integriert.
Dieses Spiel wenigstens weitgehend auszuschalten ist zum Erreichen einer kleinen Ventilauftreffgeschwindigkeit dem sogenannten Soft-Touch sehr wichtig.
Aus der DE 100 19 739 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem nach dem Aufsetzen des Ventils der Anker des Aktuators schwebend gehalten wird. In dieser Anmeldung wird in Spalte 3 das Ventilspiel erwähnt, ohne dass dessen genaue Ermittlung beschrieben ist. Die Erkennung des Ventilspieles oder des Ventilhubs bei der das Ventil aufsetzt ist von großer Bedeutung, da für geringe Ventilaufsetzgeschwindigkeiten sehr kleine Hübe erforderlich sind. Ideal ist, wenn das Ventil gerade beim Ventilhub 0 aufsetzt. Bei 10 µm Differenz zwischen dem Ventilaufsetzen und dem Ankerhubende entsteht im ungeregelten Betrieb bereits eine Auftreffgeschwindigkeit von 0,1 m/s. Angestrebt wird aber im Leerlauf eine Auftreffgeschwindigkeit von < 0,05 m/s. Deswegen ist es bedeutsam, das Spiel zwischen dem antreibenden Teil, also z. B. dem Anker eines elektromagnetischen Aktuators und dem Ventilschaft zu kennen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein brauchbares Verfahren zur Bestimmung dieses Spiels zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das ermittelte Spiel kann in der Folge dazu benutzt werden, in die Regelung der Geschwindigkeit des bewegten Teils bei der Annäherung des Ventils an die Schließstellung im Sinne eines sanften Aufsetzens des Ventils auf seinen Sitz (Soft-Touch) einbezogen zu werden. Hierbei ist es gleichgültig, ob zusätzlich ein Spielausgieichselement benutzt wird oder nicht.
Man kann das ermittelte Spiel auch in die Regelung der Geschwindigkeit des bewegten Teils nach seiner Freigabe aus der Schließstellung im Sinne eines sanften Aufsetzens des bewegten Teils auf dem Ventilschaft einbeziehen.
Bei kaltem Motor wird man wegen der Änderungen des Spiels während der Motorerwärmung das Spiel relativ häufig, z. B. bei jedem Zyklus ermitteln. Bei warmem Motor genügt eine Bestimmung von Zeit zu Zeit.
Gegenstand der Erfindung ist auch der Aktuator zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 6ff.
Oben wurde gesagt, dass man durch die Erfindung auf die Verwendung eines Ventilausgleichselements, z. B. eines HVA's verzichten kann, da man das ermittelte Spiel in die Regelung der Geschwindigkeit einbeziehen kann. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Verwendung von Ventilausgleichselementen aufwändig ist. Z. B. ist bei HVA's eine hydraulische Druckversorgung notwendig.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel ohne Ventilausgleichselement,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einem Ventilausgleichselement,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt ein Ventil 1, das von einem elektromagnetischen Aktuator 2 angetrieben wird. Der Aktuator 2 besteht aus einem bei 3 schwenkbar gelagerten Hebel 4 mit integriertem Anker und aus zwei Elektromagneten 5 und 6, die von einem Regler 7 angesteuert werden. Zwischen dem Hebel 4 und dem Schaft des Ventils 1 ist ein Übertragungsglied 8 angeordnet. Dem Hebel 4 ist ein Sensor 9 zugeordnet, der die Winkelbewegung des Hebels 4 und damit auch den Hub des Ventils 1 und z. B. mittels Differenzation dessen Geschwindigkeit ermitteln kann. Auf das Ventil 1 wirkt eine Feder 12. Die entgegengesetzt wirkende Federkraft wird durch einen im Drehpunkt 3 wirkenden Drehstab 13 erzeugt.
Die Elektromagnete 5 und 6 werden von dem Regler 7 angesteuert, wobei in diese Regelung die Signale der Sensoren 9 einbezogen werden (Closed-Loop-Regelung).
In der gezeigten Stellung liegt der Anker im Hebel 4 am Joch des Schließmagneten 5 an.
Das bewegliche Übertragungsglied 8 überträgt die Drehbewegung des Hebels 4 auf das Ventil 1. Der Hebel 4 ist am Ende walzenförmig gestaltet, so dass die Kraft linienförmig auf den Übertragungskopf 8a des Übertragungsglieds 8 übertragen wird.
Am anderen Ende wirkt der Schaft des Übertragungsglieds 8 punktförmig auf den Schaft des Ventils 1. Während der Hubbewegung wälzt sich das Übertragungsglied an beiden Enden ab, was einer besonders geringe Reibung zur Folge hat.
Am Übertragungskopf 8a ist eine u-förmige Feder 10 angebracht, welche einen Stift 11 am Hebelende umfasst. Dadurch wird in der gezeigten Stellung beim Ventilschließen das Übertragungsglied 8 ausgerichtet. Dies ist möglich, da in dieser Stellung keine Übertragungskräfte wirken, weil ein Spiel S zwischen dem Übertragungsglied 8 und dem Ventil 1 vorhanden ist. Während des Hubes außerhalb der Schließstellung wirken sehr hohe Kräfte an beiden Seiten auf das Übertragungsglied 8, so dass eine zwangsläufige Abwälzung erfolgt.
Das Übertragungsglied 8 ist im mittleren Teil 8b u-förmig ausgebildet. Diese Gestaltung hat eine geringe Elastizität zur Folge, was die Stoßbelastung beim Aufsetzen auf das Ventil 1 reduziert. Die Elastizität wird durch einen Anschlag 8c begrenzt.
In Fig. 1a ist die resultierende Federkraft F aus Drehstab 13 und Ventilfeder 12 dargestellt, die gegeneinander wirken. Schließt das Ventil 1 so entsteht ein Sprung in der Federkraftkennlinie, welcher der Ventilvorspannkraft entspricht. Der Abstand des Kraftanstieges beim Hub s₁ zum Anschlag S₀ entspricht dem Spiel zwischen Ventil 1 und Übertragungsglied 8.
Fig. 1b zeigt die Beschleunigungskraft b auf den Anker, wenn der Magnet 5 in der Schließstellung abgeschaltet wird. Die Beschleunigung b folgt dem in Fig. 1a gezeigten Federkraftverlauf und nimmt nach dem Sprung weiter ab, da nach dem Aufsetzen des Übertragungsglieds 8 auf das Ventil 1 auch die angekoppelten Massen z. B. das Ventil 1, die Ventilfeder 12 und der Ventilteller beschleunigt werden müssen.
Fig. 1c zeigt den daraus resultierenden Geschwindigkeitsverlauf V. Die Kurve 20 zeigt den Verlauf, wenn schon bei einem relativ kleinen Spiel s₁ der Kraftsprung erfolgt. Dieser hat einen deutlichen Geschwindigkeitseinbruch zur Folge. Bei größerem Ventilspiel s₂ tritt eine entsprechend höhere Auftreffgeschwindigkeit auf, bis es zum Auftreffen kommt (Kurve 21). Gemäß dem Erfindungsgedanken wird die jeweilige Geschwindigkeitsänderung dem erreichten Hub zugeordnet und damit das Ventilspiel identifiziert. Damit die Auftreffgeschwindigkeit nicht zu groß wird, wird der Hebel mittels des Reglers 6 in der Geschwindigkeit begrenzt. Dies zeigt der Verlauf 22. Auch hier tritt die typische Geschwindigkeitsänderung 22a auf, die entsprechend ausgewertet wird. Der zugehörige Hub wird gespeichert. Nun schließt sich die Hubbewegung zur Öffnungsstellung des Ventils 1 an. Bei der anschließenden Schließbewegung dient der ermittelte Wert s als Sollwert für die Soft-Touch-Regelung. Bei der Erfindung gemäß Fig. 1 wird das Ventilspiel nicht mechanisch ausgeglichen, sondern das Spiel wird ermittelt und bei der Geschwindigkeitsregelung mit verarbeitet. Da sich bei kaltem Motor das Ventil maximal um 0,2 µm während der Hubbewegung ausdehnt, kann diese Änderung vernachlässigt werden oder sie wird als Funktion von Motortemperatur, Last und Zeit eingerechnet.
Bei dieser Darstellung wird die Ventil- und Ankerbewegung über einen Sensor erfasst. Es ist auch möglich dieses Verfahren sensorlos anzuwenden. Hierbei wird über Strom- und Spannungsmessung aus dem Magnetkennfeld der Ankerhub bestimmt wie dies in DE 100 20 996.7 beschrieben ist. Anstelle der Geschwindigkeitsänderung kann man auch den Beschleunigungssprung als Auslöser für die Hubbestimmung benutzen.
Mit der erfindungsgemäßen Methode kann bei jedem Hub das Ventilspiel neu ermittelt werden. Wenn die Warmlaufphase abgeschlossen ist, kann dies auch in größeren Zeitabständen erfolgen.
Durch diese Methode entstehen nur kleine Auftreffgeschwindigkeiten des Übertragungsglieds 8 auf das Ventil 1 und des Ventils 1 auf den Ventilsitz. Daraus resultiert ein niedriger Geräuschpegel und geringer Verschleiß. Außerdem können durch Wegfall des hydraulischen Ausgleichgliedes erhebliche Kosten eingespart werden; auch kann die Ölbenetzung des Hebels 4 und damit des Ankers vermieden werden.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der ein HVA 30 mit einer Ölzufuhr der Hydraulikversorgung im Hebel 4' integriert ist. Der Verlauf der Kraft und Beschleunigung ist hier nicht so abrupt da verschiedene Elastizitäten wie Lufteinschlüsse und eine variable Ölkompression den Übergang verschleifen. Die in Fig. 2c gezeigte Geschwindigkeitsänderung ist jedoch nach wie vor deutlich auswertbar. Die Auswertung des ermittelten Spiels dient hier vorwiegend der Soft-Touch-Regelung beim Ventilaufsetzen, bei der der ermittelte Ankerhub als Sollwert wichtig ist.
Fig. 3 zeigt einen alternativen Stellantrieb 40, z. B. einen Linearmotor oder einen hydraulisch arbeitenden Aktuator 40. Auch hier kann das Spiel durch die beschriebene Methode ermittelt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Spiels zwischen dem Schaft eines Ventils (1) eines Verbrennungsmotors und dem lose auf diesem Ventilschaft aufliegenden bewegten Teil (4, 8) eines Aktuators (2), der das Ventil abwechselnd in eine Schließ- und eine Offenstellung bringt und kurzzeitig dort festhält, wobei auf das Ventil eine in Schließrichtung wirkende Ventilfederkraft (Feder 12) einwirkt und auf das bewegliche Teil (4, 8) des Aktuators (2) eine dieser Ventilfederkraft entgegen gerichtete Federkraft (Drehstab 13) einwirkt und wobei eine Einrichtung (9) zur Bestimmung des Hubs und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung des bewegten Teils (4, 8) des Aktuators (2) vorgesehen ist, wobei Wenigstens eine dieser Größen in die Regelung der Geschwindigkeit des bewegten Teils (4, 8) einbezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Geschwindigkeitsabnahme (negativen Geschwindigkeitsänderung 20a), bzw. dem Beschleunigungssprung)des bewegten Teils (4, 8) des Aktuators (2) kurz nach Freigabe des bewegten Teils aus der Schließstellung vorhandene Hub (S) des bewegten Teils (4, 8) bestimmt und zur Spielbestimmung ausgewertet und gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch dass das ermittelte Spiel in die Regelung der Geschwindigkeit des bewegten Teils (4, 8) bei der Annäherung des Ventils (1) an die Schließstellung im Sinne eines sanften Aufsetzens des Ventils (1) auf den Ventilsitz einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ermittelte Spiel in die Regelung der Geschwindigkeit des bewegten Teils (4, 8) des Aktuators (2) nach Freigabe des bewegten Teils (4, 8) in der Schließstellung im Sinne eines sanften Aufsetzens des bewegten Teils (4, 8) des Aktuators (2) auf den Ventilschaft einbezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung der Geschwindigkeitsänderung der Hubverlauf differenziert wird, wobei der Hub vorzugsweise sensorlos, z. B. aus einem Kennfeld gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die Anfangsgeschwindigkeit des beweglichen Teils (4, 8) des Aktuators (2) nach seiner Freigabe aus der Schließstellung begrenzt.

6. Aktuator zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte Teil (4, 8) des Aktuators (2) aus einem angetriebenen Teil (4) und einem Übertragungsglied (8) besteht.

7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (8) ein elastisches Teil (8b) aufweist.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität des Teils begrenzt ist (Begrenzer 8c).

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des angetriebenen Teils (4) als um eine Achse schwenkbarer Hebel (4) das Übertragungsglied (8) am freien Ende des Hebels (4) angeordnet ist und dass zwischen Hebelende und Übertragungsglied ein Ausrichtglied (10, 11) angeordnet ist, das bei Entlastung des Übertragungsglieds (8) dieses gegenüber dem Hebelende ausrichtet.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen seinem bewegliche Teil (4') und dem Ventilschaft ein Ventilspielausgleichsglied (30), ins besondere ein hydraulisches Ventilspielausgleichsglied angeordnet ist.

11. Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Teil (4) ein elektromagnetisch angetriebener Anker oder ein den Anker beinhaltendes Teil (4) ist.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Teil (4) pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird.

13. Aktuator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Teil (4) der Rotor des Motors ist.