DE102005049250B4

DE102005049250B4 - Ventilhubsensor

Info

Publication number: DE102005049250B4
Application number: DE102005049250A
Authority: DE
Inventors: Douglas R. Sterling Heights Verner; Craig D. Clawson Marriott
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2025-10-15
Also published as: US20060081202A1; DE102005049250A1; US7032549B1

Abstract

Motorventilaufbau (10), der ein Motorventilgehäuse (14), das mindestens eine Öffnung (16) definiert, ein Motorventil (18), das zwischen offenen und geschlossenen Positionen in der Öffnung (16) bewegbar ist, und einen Ventilhubsensor (32) umfasst, umfassend:
eine einzige feststehende elektrische Spule (36), die durch das Motorventilgehäuse (14) gehalten ist;
ein bewegbares leitendes Zielelement (42), das durch das Motorventil (18) gehalten ist und mit dem Ventil (18) in größere und geringere Nähe zu der Spule (36) bewegbar ist, wenn das Ventil (18) geöffnet bzw. geschlossen wird;
einen Signalgenerator (34), der dazu eingerichtet ist, um der Spule (36) und einem Widerstand (38) in Serie ein Wechselspannungssignal (44) zu liefern und um auf diese Weise für eine induktive Übertragung von Energie zu dem bewegbaren Zielelement (42) ein oszillierendes Magnetfeld um die Spule (36) zu erzeugen, was eine veränderliche Spannung (46) durch die Spule (36) an dem Widerstand (38) bewirkt; und
einen Komparator...

Description

Diese Erfindung betrifft Motorventilhub-Positionssensoren und spezieller einen Motorventilhubsensor, der ein lineares Ausgangssignal liefern kann, das sich mit der Position eines Motorventils während eines Motorventilzyklus ändert.
In der Technik sind Hall-Effekt-Sensoren bekannt, um den Motorventilbetrieb zu verfolgen. Hall-Effekt-Sensoren liefern jedoch ein nichtlineares Ausgangssignal, das die Position des Motorventils während eines Motorventilzyklus nicht genau detektieren kann.
Ferner ist beispielsweise aus der DE 34 37 150 A1 ein Ventilhubsensor bekannt, der zwei Spulen besitzt, so dass in Abhängigkeit der vom jeweiligen Ventilhub abhängigen Induktivität der beiden Spulen auf den jeweiligen Ventilhub geschlossen werden kann.
Es ist ein kostengünstiger Ventilsensor erwünscht, der ein lineares Ausgangssignal liefern kann, um die Position eines Motorventils während eines Motorventilzyklus genau zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen kostengünstigen Motorventilsensor bereit, der ein lineares Ausgangssignal liefern kann, das sich mit der Position eines Motorventils während eines Motorventilzyklus ändert.
Der Motorventilsensor ist durch einen Motorventilaufbau gehalten. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Motorventilaufbau ein Motorventilgehäuse wie beispielsweise einen Zylinderkopf, der ein Motorventil mit einem Ventilschaft und einem Ventilkopf an einem Ende des Ventilschafts trägt. Der Schaft erstreckt sich in das Ventilgehäuse und ist durch eine Ventilschaftdichtung abgedichtet. Ein Ventilfederhalter ist durch den Schaft gehalten und ist von der Ventilschaftdichtung axial beabstandet. Eine Feder erstreckt sich zwischen der Ventilschaftdichtung und dem Ventilfederhalter, um das Motorventil in Richtung einer geschlossenen Position vorzuspannen.
Der Sensoraufbau umfasst einen Signalgenerator wie beispielsweise einen Oszillator, der eine feststehende Spule erregt, die direkt oder indirekt durch das Motorventilgehäuse gehalten ist, und eine Strommesseinrichtung wie beispielsweise einen Widerstand in Serie mit der Spule. In einem Abstand neben der Spule befindet sich ein bewegbares elektrisch leitendes Zielelement oder Geberelement, das zum Beispiel metallisch ist und direkt oder indirekt durch das Ventil gehalten ist. Die Spule erzeugt, wenn sie durch den Signalgenerator mit Energie beaufschlagt wird, ein oszillierendes Magnetfeld, das in dem Grad, in dem das Magnetfeld auf das Zielelement einwirkt, Wirbelströme in dem Zielelement induziert. Die Wirbelströme in dem Zielelement führen zu einem Energieverlust, der bei dem Spulenstrom und der Spannung über dem Widerstand eine Phasennacheilung in Bezug auf die Signalgeneratorspannung bewirkt, die sich mit der Ventilhubposition ändert. Ein Komparator wie beispielsweise ein integrierter Schaltkreis, der ein Exklusiv-ODER-Glied bildet, kann somit auf der Grundlage des Grads der Phasennacheilung aus dem erzeugten Ansteuerungssignal die Position des Zielelements und des Motorventils bestimmen.
Die Position des Zielelements und die Spule in der Ventilfeder und die Verwendung eines Exklusiv-ODER-Glied-Komparatorschaltkreises definieren ein System, das bei vergleichsweise niedrigen Kosten auf einen Mehrzylindermotor angewandt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Motorventilaufbaus, der einen Ventilhubpositionssensor gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt;
2 ein Schaltbild des Ventilhubpositionssensors der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Schaubild, das eine Signalverarbeitung eines diskreten Exklusiv-ODER-Logikglieds, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, erläutert.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 im Allgemeinen einen beispielhaften Motorventilaufbau. Der Aufbau 10 ist in einen Zylinderkopf 12 integriert, der ein Ventilgehäuse 14 mit mindestens einem Ventilport oder -kanal 15, der eine Öffnung 16 aufweist, in Verbindung mit einer Verbrennungskammer 17 eines Motors definiert. Der Zylinderkopf 12 umfasst auch ein bewegbares Motorventil 18 für jede Öffnung 16. Jedes Motorventil 18 weist einen Ventilschaft 20 mit einem Ventilkopf 22 an einem Ende des Ventilschafts auf, der mit der Öffnung 16 in Eingriff treten kann. Das Motorventil 18 ist bezüglich seiner jeweiligen Öffnung 16 zwischen offenen und geschlossenen Positionen bewegbar. Es sei angemerkt, dass das Motorventil 18 entweder ein Einlass- oder ein Auslassventil sein kann und elektrohydraulisch oder elektromechanisch angetrieben sein kann.
Eine Ventilschaftdichtung 24, die in eine Aussparung 26 des Ventilgehäuses 14 eingepasst ist, steht mit der Umfangsoberfläche des Ventilschafts 20 in Eingriff, um eine Abdichtung gegen einen Ölverlust in den Ventilport 15 vorzusehen. Ein Ventilfederhalter 28 ist an dem Ventilschaft 20 gehalten und ist in einer Entfernung zu der Ventilschaftdichtung 24 axial beabstandet. Eine Motorventilfeder 30 ist zwischen dem Ventilgehäuse 14 und dem Ventilfederhalter 28 um den Ventilschaft 20 angeordnet, um das Motorventil 18 in Richtung der geschlossenen Position vorzuspannen, so dass der Ventilkopf 22 die Öffnung 16 schließt, wie es in 1 gezeigt ist.
Ein Sensoraufbau 32, wie er in 2 erläutert ist, dient dazu, die Position des Motorventils während einer Motorventilbetätigung zu bestimmen. Der Sensoraufbau 32 umfasst einen Schaltkreis 33, der einen Signalgenerator 34 wie beispielsweise einen Oszillator aufweist, der elektrischen Strom durch eine feststehende Spule 36 und einen Widerstand 38 in Serie führt, so dass der gesamte Strom, der durch die Spule geführt wird, durch den Widerstand geführt wird und durch den Spannungsabfall über dem Widerstand gemessen werden kann. Der Schaltkreis umfasst auch einen Komparator 40 wie beispielsweise ein Exklusiv-ODER-Glied, das den Spannungsabfall über dem Widerstand 38 mit der Spannung, die von dem Signalgenerator 34 geliefert wird, vergleicht.
In 1, die eine mögliche Integration des Sensoraufbaus 32 mit dem Ventilaufbau 10 zeigt, ist die Spule 36 zwischen dem Ventilschaft 20 und der Motorventilfeder 30 angeordnet und ist an der Ventilschaftdichtung 24 gehalten. Ein bewegbares leitendes Zielelement 42 ist an dem Ventilfederhalter benachbart zu der Spule 36 gehalten. Das Zielelement 42 kann jedoch alternativ an dem Ventilschaft 20 des Motorventils 18 benachbart zu der Spule 36 gehalten sein oder in den Ventilschaft 20 des Motorventils 18 benachbart zu der Spule 36 integriert sein.
Im Betrieb wird das Motorventil 18 zwischen der geschlossenen Position und der geöffneten Position bewegt, um zu ermöglichen, dass Fluide für einen Betrieb des Motors in eine zugehörige Verbrennungskammer und aus einer zugehörigen Verbrennungskammer transportiert werden.
Die Position des Motorventils 18 wird durch den Sensoraufbau 32 überwacht. Der Signalgenerator 34 beaufschlagt die Spule 36 mit einer oszillierenden Spannung, um ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen, das konzentrisch zu der Spule ist. Das oszillierende Magnetfeld induziert in dem Zielelement Wirbelströme, die wiederum entgegenwirkende Magnetfelder erzeugen. Die Stärke von diesen erhöht sich, wenn das Ventil geöffnet wird und das Zielelement in größerem Umfang auf das Spulenmagnetfeld einwirkt, so dass sich die Wirbelströme erhöhen und sich eine größere Phasenverschiebung zwischen der Spannung des Signalgenerators und dem Strom in der Spule und dem Widerstand ergibt.
Die entgegenwirkenden Felder der Wirbelströme beeinflussen durch Erzeugen eines Nacheilens der Stromphase der Spule 36 und des Widerstands 38 in Bezug auf die Phase der Spannung, die durch den Signalgenerator 34 geliefert wird, den Stromfluss durch die Spule. Die Phase des Stroms in dem Widerstand 38 wird dann in dem Komparator 40 mit der Phase der Spannung von dem Signalgenerator 34 verglichen. Der Komparator 40 liefert dann ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tast- oder Einschaltverhältnis, das proportional zu dem Ventilhub ist. Dieses Signal kann unter Verwendung eines digitalen Zeitschaltkreises direkt durch einen Motorventilcontroller, der nicht dargestellt ist, gelesen werden. Alternativ kann der Ausgang des Komparators 40 unter Verwendung eines Filters, das nicht dargestellt ist, in ein analoges Signal umgewandelt werden.
In der vorliegenden Erfindung geht die Versorgungsleistung sowohl durch den Widerstand als auch durch die Wirbelströme in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Einwirkung des Zielelements auf das Magnetfeld der Spule als Wärme verloren. Diese Einwirkung ist direkt proportional zu dem Motorventilhub, wenn das Zielelement an dem Ventil befestigt ist und die Spule an dem Zylinderkopf befestigt ist, wie es in 1 gezeigt ist. Deshalb kann die Phasennacheilung des Stroms durch die Spule und den Widerstand in Bezug auf die Signalgeneratorspannung linear mit dem Ventilhub in Beziehung gebracht werden.
Wenn sich das Zielelement 42 in einer Öffnungsposition des Motorventils 18 näher zu der Spule 36 bewegt, erhöht sich der Betrag der Phasennacheilung in der Spule und dem Widerstand. Wenn sich das Zielelement 42 von der Spule 36 weg in eine Schließposition des Motorventils 18 bewegt, verringert sich der Betrag der Phasennacheilung in der Spule und dem Widerstand. Demgemäß kann die Position des Zielelements 42 (und des Ventils) in Bezug auf die Spule 36 durch Vergleichen des Betrags der Phasenverschiebung/-nacheilung zwischen dem Strom oder dem Spannungsabfall über dem Widerstand 38 und der Versorgungsspannung von dem Signalgenerator 34 gemessen werden.
3 ist ein Schaubild, das die Signalverarbeitung des Exklusiv-ODER-Glieds erläutert. Der obere Teil des Schaubilds erläutert eine Überlagerung der Signalgeneratorspannung und der zwischen dem Widerstand 38 und der Spule 36 gemessenen Spannung. Die Signalgeneratorspannung ist durch eine Rechteckwellenlinie 44 dargestellt, während die zwischen dem Widerstand und der Spule gemessene Spannung durch eine veränderliche Wellenlinie 46 dargestellt ist. Eine Schwellenlinie 48 halbiert die Amplitude der Rechteckwellenlinie 44 ungefähr, um einen ”High”-Zustand oberhalb der Linie 48 und einen ”Low”-Zustand unterhalb der Linie 48 zu definieren.
Der untere Teil des Schaubilds erläutert das Exklusiv-ODER-Ausgangssignal in Bezug auf den oberen Teil des Schaubilds. Eine Linie 50 stellt ein digitales Signal mit veränderlichem Tastverhältnis mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die Frequenz des Signalgenerators ist, dar. Im Speziellen werden für jeden Signalgeneratorzyklus zwei Ausgangssignale erzeugt, die als Spitzen 52 und 54 gezeigt sind. Die Breite von jedem Ausgangssignal ist proportional zu der Antwortverzögerung (Phasennacheilung) der Spannung am Widerstand in Bezug auf die Signalgeneratorspannung.
Das Exklusiv-ODER-Ausgangssignal wird gemäß der folgenden Logik bestimmt. Wenn der Zustand der Signalgeneratorspannung und der Spannung am Widerstand der gleiche ist, ist das Ausgangssignal ”Low”, wie es durch die Abschnitte 56 der Linie 50 erläutert ist. Wenn jedoch der Zustand der Signalgeneratorspannung und der Spannung am Widerstand unterschiedlich ist, wird ein ”High”-Ausgangssignal erzeugt, wie es durch die Abschnitte 52 und 54 der Linie 50 erläutert ist, bis die Zustände die gleichen werden. Somit ist das Tastverhältnis (oder die Weite) der Ausgangssignale 52, 54 proportional zu der Antwortverzögerung (Phasennacheilung) der Spannung am Widerstand, die proportional zu dem Ventilhub ist.
Wenn es erwünscht ist, kann der Sensoraufbau 32 abgewandelt werden, so dass der Signalgenerator 34 mehreren Sensoraufbauten, die ähnlich dem Sensoraufbau 32 sind und an einem Motorventiltrieb angeordnet sind, um die Positionen von mehreren Motorventilen zu verfolgen, parallel eine Spannung liefert.
In der erläuterten Ausführungsform erstreckt sich die Ventilfeder zwischen einem Ventilsitz an dem Zylinderkopf und einem Ventilhalter, der an dem Ventilschaft angebracht ist, und spannt das Ventil in Richtung einer geschlossenen Position vor. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Formen von Ventilfedern angewandt werden, die ein Ventil in Richtung einer Mittelposition oder einer offenen Position vorspannen, sowie auf Ventile, die ohne Ventilfedern betätigt werden.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Ventilhubsensor, der die Position eines Motorventils detektiert. Der Ventilhubsensor umfasst ein bewegbares Zielelement, das an einem Motorventil gehalten ist, und eine feststehende Spule, die in einem Motorventilaufbau gehalten ist. Ein Signalgenerator beaufschlagt die Spule mit einer oszillierenden Spannung, um für eine induktive Übertragung mit dem Zielelement ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen, das konzentrisch zu der Spule ist. Ein Komparator vergleicht die Spannung von dem Signalgenerator mit der Spannung an dem Widerstand, um die Phasennacheilung der Spannung am Widerstand in Bezug auf die Signalgeneratorspannung zu bestimmen und die Motorventilposition anzugeben. Unter Verwendung der Phasennacheilung liefert der Komparator ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis, das proportional zu dem Ventilhub ist, an eine Motorventilsteuerung, die dazu dient, den Betrieb des Motorventils zu steuern.

Claims

Motorventilaufbau (10), der ein Motorventilgehäuse (14), das mindestens eine Öffnung (16) definiert, ein Motorventil (18), das zwischen offenen und geschlossenen Positionen in der Öffnung (16) bewegbar ist, und einen Ventilhubsensor (32) umfasst, umfassend: eine einzige feststehende elektrische Spule (36), die durch das Motorventilgehäuse (14) gehalten ist; ein bewegbares leitendes Zielelement (42), das durch das Motorventil (18) gehalten ist und mit dem Ventil (18) in größere und geringere Nähe zu der Spule (36) bewegbar ist, wenn das Ventil (18) geöffnet bzw. geschlossen wird; einen Signalgenerator (34), der dazu eingerichtet ist, um der Spule (36) und einem Widerstand (38) in Serie ein Wechselspannungssignal (44) zu liefern und um auf diese Weise für eine induktive Übertragung von Energie zu dem bewegbaren Zielelement (42) ein oszillierendes Magnetfeld um die Spule (36) zu erzeugen, was eine veränderliche Spannung (46) durch die Spule (36) an dem Widerstand (38) bewirkt; und einen Komparator (40), der dazu eingerichtet ist, um die Spannung (44) von dem Signalgenerator (34) mit der Spannung (46) an dem Widerstand (38) zu vergleichen, indem er die Phasennacheilung der Spannung (46) am Widerstand in Bezug auf die Signalgeneratorspannung (44) zur Angabe der Motorventilposition bestimmt.
Aufbau nach Anspruch 1, der eine Feder (30) umfasst, die das Motorventil (18) in Richtung einer vorbestimmten Position vorspannt.
Aufbau nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Position des Ventils (18) geschlossen ist.
Aufbau nach Anspruch 1, umfassend eine Ventilschaftdichtung (24), die durch das Ventilgehäuse (14) gehalten ist und mit dem Motorventil (18) abdichtend in Eingriff steht.
Aufbau nach Anspruch 4, wobei die feststehende Spule (36) durch die Ventilschaftdichtung (24) gehalten ist.
Aufbau nach Anspruch 1, wobei der Komparator (40) ein Exklusiv-ODER-Glied ist.
Aufbau nach Anspruch 1, wobei der Signalgenerator (34) ein Oszillator ist.
Aufbau nach Anspruch 1, wobei der Komparator (40) ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis, das proportional zu dem Motorventilhub ist, liefert.
Verfahren des Bestimmens einer Motorventilhubposition, mit den Schritten: Bereitstellen eines Motorventilaufbaus (10), der ein Motorventilgehäuse (14), das mindestens eine Öffnung (16) definiert, ein Motorventil (18), das zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen in der Öffnung (16) bewegbar ist, eine einzige feststehende elektrische Spule (36), die durch das Motorventilgehäuse (14) gehalten ist, ein bewegbares metallisches Zielelement (42), das an dem Motorventil (18) gehalten ist und mit dem Ventil (18) in größere und geringere Nähe zu der Spule (36) bewegbar ist, wenn das Ventil (18) geöffnet bzw. geschlossen wird, einen Signalgenerator (34), der dazu eingerichtet ist, um der Spule (36) und einem Widerstand (38) in Serie ein Wechselspannungssignal (44) zu liefern, was einen veränderlichen Stromfluss durch die Spule und den Widerstand bewirkt, und um auf diese Weise für eine induktive Übertragung von Energie zu dem bewegbaren Zielelement (42) ein oszillierendes Magnetfeld um die Spule (36) zu erzeugen, und einen Komparator umfasst, der dazu eingerichtet ist, um die Spannung (46) von dem Signalgenerator mit der Spannung zwischen der Spule (36) und dem Widerstand (38) zu vergleichen, indem er die Phasennacheilung der Spannung am Widerstand in Bezug auf die Signalgeneratorspannung zur Angabe der Motorventilposition bestimmt; wobei ein Bewegen des Motorventils (18) während des Motorbetriebs eine äquivalente Bewegung des Zielelements (42), das an dem Ventil (18) gehalten ist, in Bezug auf die feststehende Spule (36) bewirkt und somit eine Veränderung der Phasennacheilung bewirkt, die die kontinuierlichen Veränderungen der Ventilhubposition angibt.
Verfahren nach Anspruch 9, das ein Erzeugen eines Ausgangssignals proportional zu dem Ventilhub aus der Phasennacheilung zwischen der Spannung an dem Widerstand (44) und der Spule (36) und der Ausgangsspannung (46) von dem Signalgenerator (34) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Signal pulsweitenmoduliert ist und ein Tastverhältnis aufweist, das proportional zu dem Ventilhub ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ein Weiterleiten des Signals an eine Motorventilsteuerung umfasst.