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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind bereits Betätigungsvorrichtungen, insbesondere Ventiltriebbetätigungsvorrichtungen, mit einer Überwachungseinheit, die dazu vorgesehen ist, zumindest einen Betätigungsaktuator zum Schalten eines Ventiltriebs zu überwachen, und mit zumindest einer Spule bekannt.
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Die
DE 697 28 756 T2 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln der Stellung eines Ankers innerhalb einer Solenoidspule. Aus der
DE 10 2006 059 188 A1 ist ein Aktuator zur Positionierung zumindest eines Stellglieds eines variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine bekannt. Die
US 5 583 434 A offenbart eine Einrichtung zum Überwachen einer Ankerposition. Außerdem ist aus der
US 2007/0030619 A1 ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Aktors bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine flexibel einsetzbare Überwachungseinheit bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren für eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einem axial verschiebbaren Nockenelement das axial verschiebbar und drehfest mit einer Grundwelle verbunden und mittels einer Schaltkulisse verstellbar ist, und mit einer Betätigungsvorrichtung, welche zumindest einen Betätigungsaktuator aufweist, mittels welchem das Nockenelement axial verschiebbar und dadurch ein Ventiltrieb der Brennkraftmaschine zu schalten ist, wobei der Betätigungsaktuator einen Schaltpin aufweist, welcher zwischen einer Schaltstellung und einer Neutralstellung verstellbar ist. In der Schaltstellung ist der Schaltpin ausgefahren, und der Schaltpin greift in die Schaltkulisse der Betätigungsvorrichtung ein, um das Nockenelement axial zu verschieben. In der Neutralstellung ist der Schaltpin aus der Schaltkulisse zurückgezogen.
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Der Betätigungsaktuator weist eine Elektromagneteinheit mit einer Statoreinheit und einer Ankereinheit auf, wobei die Statoreinheit eine Spule und einen Spulenkern umfasst, mittels dem ein durch die Spule erzeugbares Spulenmagnetfeld verstärkbar ist. Die Ankereinheit umfasst einen Permanentmagneten, der ein Permanentmagnetfeld bereitstellt. Die Spule ist als eine Schaltspule ausgebildet, mittels welcher der Schaltpin zwischen der Schaltstellung und der Neutralstellung verstellbar ist,
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Vorgesehen ist eine Überwachungseinheit, die dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Betätigungsaktuator zum Schalten des Ventiltriebs zu überwachen.
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Die Überwachungseinheit ist dazu vorgesehen, zur Bestimmung einer Spulenkenngröße eine Prüfspannung und/oder einen Prüfstrom für die Spule einzustellen. Dadurch kann eine Überwachungseinheit bereitgestellt werden, die unabhängig von einem Schaltvorgang des Betätigungsaktuators eine Überwachung einer Schaltpinstellung bereitstellen kann, wodurch eine besonders flexibel einsetzbare Überwachungseinheit realisiert werden kann. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden. Unter einer „Überwachungseinheit“ soll weiter insbesondere eine Einheit mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit und mit einer Sensoreinheit zur Durchführung der Überwachung verstanden werden. Unter „einstellen“ soll weiter insbesondere aktivieren und/oder bereitstellen verstanden werden Insbesondere soll unter „einstellen“ eine Einstellung eines definierten Werts verstanden werden. Unter „bestimmen“ soll ferner insbesondere sensieren und/oder auswerten verstanden werden. Unter „sensieren“ soll insbesondere ein messtechnisches Bestimmen einer Größe verstanden werden. Unter „auswerten“ soll das Verknüpfen der messtechnisch bestimmten Größe mit zumindest einem weiteren Parameter verstanden werden, wie beispielsweise ein Vergleich der messtechnisch bestimmten Größe mit einer Referenzgröße und/oder die Berechnung von weiteren, zumindest von der einen messtechnisch bestimmten Größe abhängigen Größen.
Die Überwachungseinheit überwacht in einem ersten Überwachungsmodus einen Einfahrschaltvorgang des Schaltpins, welcher in dem Einfahrschaltvorgang mittels eines Ausspursegments der Schaltkulisse von der Schaltstellung in die Neutralstellung bewegt wird, wobei bei dem Einfahrschaltvorgang ein durch den Permanentmagneten in die Spule eingebrachtes Permanentmagnetfeld eine zeitliche Veränderung aufweist, durch welche in die Spule eine Induktionsspannung induziert wird, deren Größe mittels der Überwachungseinheit bestimmt wird, wobei anhand einer Höhe der Induktionsspannung eine Plausibilität des Einfahrschaltvorgangs bestimmt wird.
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Die Überwachungseinheit überwacht in einem zweiten Überwachungsmodus den Einfahrschaltvorgang des Schaltpins, wobei in dem zweiten Überwachungsmodus die Überwachungseinheit ein Stromintegral eines Induktionsstroms bestimmt, der durch die zeitliche Veränderung des in die Spule eingebrachten Permanentmagnetfelds in die Spule induziert wird, und wobei über eine Höhe des Stromintegrals die Plausibilität des Einfahrschaltvorgangs bestimmt wird.
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Die Überwachungseinheit bestimmt in einem dritten Überwachungsmodus zu diskreten Zeitpunkten eine Schaltpinstellung des Schaltpins, indem in dem dritten Überwachungsmodus die Überwachungseinheit eine Spulenkenngröße bestimmt, die unabhängig von der zeitlichen Veränderung des in die Spule eingebrachten Permanentmagnetfelds ist und von einer Induktivität der Spule abhängt.
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Unter einer „Spulenkenngröße“ soll dabei insbesondere eine die Spule beschreibende physikalische Kenngröße verstanden werden, die von der Induktivität der Spule abhängt, wie beispielsweise eine in der Spule speicherbare und/oder gespeicherte Energie. Unter einer „Induktivität“ soll dabei insbesondere eine innere Induktivität verstanden werden, die unabhängig von einem externen Feld, wie beispielsweise einem in die Spule eingebrachten Magnetfeld ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, einen Verlauf des Prüfstroms und/oder einen Verlauf der Prüfspannung auszuwerten. Über den Verlauf der Prüfspannung und/oder den Prüfstrom kann die Induktivität einfach bestimmt werden, wodurch eine vorteilhafte Spulenkenngröße einfach bereitgestellt werden kann. Unter einer Auswertung von einem „Verlauf des Prüfstroms“ soll dabei insbesondere eine Auswertung verstanden werden, die eine Messung über einen definierten Zeitraum größer Null erfordert.
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Vorzugsweise weist der Prüfstrom zumindest eine durch die Induktivität bedingte Abklingzeit auf, die größer als ein Zeitparameter des Prüfstromintegrals ist. Unter einem „Zeitparameter“ des Prüfstromintegrals soll dabei insbesondere eine Zeitspanne verstanden werden, während der eine Integration über den Prüfstrom durchgeführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, eine als Wechselspannung ausgebildete Prüfspannung einzustellen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Impedanz der Spule bestimmt werden, mittels der einfach auf die Induktivität zur Bestimmung der Schaltpinstellung geschlossen werden kann. Die Impedanz der Spule bildet eine besonders vorteilhafte, von der Induktivität abhängige Spulenkenngröße.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Überwachungseinheit dazu vorgesehen, eine Vorerregungsspannung und/oder einen Vorerregungsstrom zur Überlagerung mit der Prüfspannung und/oder dem Prüfstrom einzustellen. Dadurch kann eine Abhängigkeit der Impedanz der Spule von der Schaltpinstellung vorteilhaft vergrößert werden, wodurch eine besonders einfache Bestimmung der Schaltpinstellung erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft kann dadurch eine Überwachungseinheit für einen Doppelaktuator bereitgestellt werden. Grundsätzlich ist ein zusätzlicher Vorerregungsstrom aber auch bei einem Einfachaktuator denkbar. In einer vorteilhaften Ausbildung ist der Vorerregungsstrom als ein auf einen definierten Wert geregelter Gleichstrom ausgebildet.
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Vorteilhafterweise ist die Überwachungseinheit dazu vorgesehen, eine Prüfstromamplitude zu bestimmen. Dadurch kann die Impedanz einfach bestimmt werden, wodurch einfach eine Bestimmung der Schaltpinstellung möglich ist. Unter einer „Amplitude“ soll dabei insbesondere eine Amplitude eines als Wechselstrom ausgebildeten Prüfstroms verstanden werden. Grundsätzlich sind aber auch andere Verfahren zur Bestimmung der Schaltpinstellung mittels der Induktivität denkbar, wie beispielsweise eine Bestimmung der Induktivität mittels eines Schwingkreises oder einer Brückenschaltung.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, die Prüfspannung und/oder den Prüfstrom zeitgleich mit einer Schaltspannung und/oder einem Prüfstrom einzustellen. Dadurch kann die Schaltpinstellung einfach unmittelbar vor, während und/oder unmittelbar nach einem Schaltvorgang bestimmt werden. Unter „einstellen einer Spannung und/oder eines Stroms“ soll insbesondere eine Einstellung von einem Wert größer als Null verstanden werden.
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Dabei ist insbesondere eine Ventiltriebvorrichtung mit zumindest einem axial verschiebbaren Nockenelement, das mittels einer Schaltkulisse verstellbar ist, und mit einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung vorteilhaft, da mittels einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung eine besonders gut überwachbare Betätigungsaktuatorik zur Schaltung eines Ventiltriebs realisierbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf eine Ventiltriebvorrichtung mit axial verschiebbaren Nockenelementen,
- 2 einen Querschnitt durch eine Betätigungsvorrichtung der Ventiltriebvorrichtung,
- 3 ein Zeitdiagramm mit einem Schaltvorgang und einer Überwachung in einem Überwachungsmodus,
- 4 ein Zeitdiagramm mit einem Schaltvorgang und einer Überwachung in einem weiteren Überwachungsmodus,
- 5 eine Impedanz- / Frequenzabhängigkeit für zwei unterschiedliche Schaltpinstellungen der Betätigungsvorrichtung,
- 6 eine geschnittene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Betätigungsvorrichtung mit Doppelaktuator,
- 7 eine Abhängigkeit der Impedanz der Spule vom Vorerregungsstrom für den ersten Schaltpin und
- 8 eine Abhängigkeit der Impedanz der Spule vom Vorerregungsstrom für den zweiten Schaltpin.
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1 zeigt eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Ventiltriebvorrichtung weist zumindest ein Nockenelement 21a auf, das axial verschiebbar und drehfest mit einer Grundwelle 24a verbunden ist. Weiter weist die Ventiltriebvorrichtung eine Betätigungsvorrichtung 23a auf, mittels der eine Schaltkraft zum Verschieben des zumindest einen Nockenelements 21a bereitgestellt wird.
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Die Betätigungsvorrichtung 23a weist eine Schalteinheit 16a mit zumindest einem Betätigungsaktuator 11a und mit einer Schaltkulisse 22a mit zumindest einer Kulissenbahn 26a auf. Der Betätigungsaktuator 11a weist einen Schaltpin 27a auf. In einer Schaltstellung 37a, in dem der Schaltpin 27a ausgefahren ist, greift der Schaltpin 27a in die Schaltkulisse 22a ein, wodurch eine Drehbewegung des Nockenelements 21a in die axial wirkende Schaltkraft bereitgestellt wird. In einer Neutralstellung 38a ist der Schaltpin 27a aus der Schaltkulisse zurückgezogen. Ein zweiter, nicht näher bezeichneter Betätigungsaktuator ist analog ausgestaltet.
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Der Betätigungsaktuator 11a weist eine Elektromagneteinheit 28a mit einer Statoreinheit 29a und einer Ankereinheit 30a auf. Die Statoreinheit 29a umfasst eine Spule 13a und einen Spulenkern 32a, mittels dem ein durch die Spule 13a erzeugbares Spulenmagnetfeld verstärkt wird. Die Ankereinheit 30a umfasst einen Permanentmagneten 33a, der ein Permanentmagnetfeld bereitstellt. Die Spule 13a der Statoreinheit 29a ist als eine Schaltspule zur Schaltung des Ventiltriebs ausgeführt.
Ist die Spule 13a unbestromt, wechselwirkt der Permanentmagnet 33a mit dem umgebenden Material. In der Neutralstellung 38a wechselwirkt der Permanentmagnet 33a insbesondere mit dem Spulenkern 32a der Elektromagneteinheit 28a, der aus einem magnetisierbaren Material besteht. In der Schaltstellung 37a wechselwirkt der Permanentmagnet 33a insbesondere mit einem Akutatorgehäuse 34a des Betätigungsakuators 11a. In einem unbestromten Betriebszustand stabilisiert der Permanentmagnet 33a den Schaltpin 27a in der Schaltstellung 37a bzw. der Neutralstellung 38a. Der Betätigungsaktuator 11a ist als ein bistabiles System ausgeführt, das in einem unbestromten Zustand der Schaltstellung 37a oder der Neutralstellung 38a zustrebt.
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In einem Betriebszustand, in dem die Elektromagneteinheit 28a bestromt ist, wechselwirkt das Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 33a mit dem Spulenmagnetfeld der Spule 13a. Abhängig von einer Polarisierung des Permanentmagneten 33a und der Elektromagneteinheit 28a kann dabei eine anziehende Kraft und eine abstoßende Kraft realisiert werden. Eine Polarisierung der Elektromagneteinheit 28a lässt sich mittels einer Stromrichtung, mit der die Spule 13a bestromt wird, einstellen. Um den Schaltpin 27a von seiner Neutralstellung 38a in die Schaltstellung 37a auszufahren, wird die Spule 13a in der Stromrichtung bestromt, für die zwischen der Elektromagneteinheit 28a und dem Permanentmagneten 33a eine abstoßende Kraft wirkt.
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Weiter weist der Betätigungsaktuator 11a eine Federeinheit 35a auf, die ebenfalls eine Kraft auf den Schaltpin 27a ausübt. Die Federeinheit 35a ist wirkungsmäßig zwischen der Statoreinheit 29a und der Ankereinheit 30a angeordnet. Die Kraft der Federeinheit 35a ist in eine Richtung gerichtet, die einer Richtung der abstoßenden Kraft zwischen der Elektromagneteinheit 28a und dem Permanentmagneten 33a entspricht. Mittels der Federeinheit 35a wird ein Ausfahrvorgang des Schaltpins 27a beschleunigt.
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Zur Bereitstellung der Schaltkraft weist die Kulissenbahn 26a eine axiale und eine radiale Richtungskomponente auf. Befindet sich der Schaltpin 27a in der Schaltstellung 37a, wirkt durch die axiale Richtungskomponente eine Drehbewegung des Nockenelements 21a als die axial wirkende Kraft, mittels der das Nockenelement 21a verschoben wird. Um nach einem Verschieben des Nockenelements 21a den Schaltpin 27a in seine Neutralstellung 38a zu bewegen, weist die Kulissenbahn 26a ein Ausspursegment auf, in dem ein Nutgrund bis auf ein Grundkreisniveau ansteigt (vgl. 2). Durch das Ausspursegment wirkt auf den Schaltpin 27a eine Kraft, die den Schaltpin 27a in seine Neutralstellung 38a zurückbewegt.
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Bei einem Einfahrschaltvorgang, in dem der Schaltpin 27a mittels des Ausspursegments von seiner Schaltstellung 37a in die Neutralstellung 38a bewegt wirkt, strebt der Schaltpin 27a in einer ersten Phase durch eine Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 33a und dem Aktuatorgehäuse 34a der Schaltstellung 37a zu. In einer zweiten Phase löst sich der Schaltpin 27a von dem Nutgrund und strebt durch die Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 33a und dem Spulenkern 32a der Neutralstellung 38a zu. Der Schaltpin 27a wird durch die Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 33a und dem Spulenkern 32a in der zweiten Phase unabhängig von der Drehbewegung des Nockenelements 21a in seine Neutralstellung 38a bewegt.
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Zur Schaltung des Betätigungsaktuators 11a weist die Schalteinheit 16a eine Steuereinheit 36a auf. Mittels der Steuereinheit 36a wird ein Schaltstrom 19a und eine Schaltspannung 42a zur Schaltung des Ventiltriebs eingestellt. Zur Überwachung des Betätigungsaktuators 11a, d.h. zur Bestimmung einer Schaltpinstellung 25a und zur Überwachung von einem Schaltvorgang des Schaltpins 27a, weist die Betätigungsvorrichtung 23a eine Überwachungseinheit 10a auf. Die Überwachungseinheit 10a umfasst eine Steuereinheit 41a mit einer Speichereinheit und einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm sowie eine Sensoreinheit. Die Überwachungseinheit 10a ist teilweise einstückig mit der Schalteinheit 16a ausgeführt.
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Die Sensoreinheit ist zur Bestimmung von einem Strom durch die Spule 13a und einer an der Spule 13a anliegenden Spannung vorgesehen. Mittels der Sensoreinheit kann die Überwachungseinheit 10a eine Größe des durch die Spule 13a fließenden Stroms und eine Größe der an der Spule 13a anliegenden Spannung bestimmen. Zur Auswertung der Spannung und des Stroms kann die Überwachungseinheit 10a eine Höhe der Spannung, eine Höhe des Stroms und ein Stromintegral über einen fließenden Strom bestimmen. Die Steuereinheit 36a der Überwachungseinheit 10a ist einstückig mit der Steuereinheit 41a der Schalteinheit ausgeführt. Die Spule 13a ist ebenfalls einstückig für die Schalteinheit 16a und die Überwachungseinheit ausgeführt.
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In einem ersten Überwachungsmodus überwacht die Überwachungseinheit 10a den Einfahrschaltvorgang des Schaltpins 27a. Bei dem Einfahrschaltvorgang weist das durch den Permanentmagneten 33a in die Spule 13a eingebrachte Permanentmagnetfeld eine zeitliche Veränderung auf. Durch die zeitliche Veränderung des in die Spule 13a eingebrachten Permanentmagnetfelds wird in die Spule 13a eine Induktionsspannung induziert, deren Größe mittels der Überwachungseinheit 10a bestimmt wird. Anhand einer Höhe der Induktionsspannung kann eine Plausibilität des Einfahrschaltvorgangs bestimmt werden. In einem zweiten Überwachungsmodus überwacht die Überwachungseinheit 10a ebenfalls den Einfahrschaltvorgang des Schaltpins 27a. In dem zweiten Überwachungsmodus bestimmt die Überwachungseinheit ein Stromintegral eines Induktionsstroms, der durch die zeitliche Veränderung des in die Spule 13a eingebrachten Permanentmagnetfelds in die Spule 13a induziert wird. Ein Zeitparameter des Stromintegrals entspricht einer Zeitspanne, während der in die Spule 13a induzierte Induktionsstrom größer ist als ein definierter Grenzwert. Über eine Höhe des Stromintegrals kann ebenfalls die Plausibilität des Einfahrschaltvorgangs bestimmt werden.
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In einem dritten Überwachungsmodus bestimmt die Überwachungseinheit 10a zu diskreten Zeitpunkten 17a, 18a die Schaltpinstellung 25a des Schaltpins 27a (vgl. 3). In dem dritten Überwachungsmodus bestimmt die Überwachungseinheit 10a eine Spulenkenngröße, die prinzipiell unabhängig von der zeitlichen Veränderung des in die Spule 13a eingebrachten Permanentmagnetfelds ist. Mittels des dritten Überwachungsmodus kann die Überwachungseinheit 10a die Schaltpinstellung 25a zu beliebigen Zeitpunkten 17a, 18a bestimmen. Die in dem dritten Überwachungsmodus bestimmte Spulenkenngröße hängt von einer Induktivität der Spule 13a ab.
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Die Induktivität der Spule weist eine Abhängigkeit von einem Abstand zwischen der Spule 13a und dem Permanentmagneten 33a auf. In der Neutralstellung 38a ist der Permanentmagnet 33a unmittelbar benachbart zu der Spule 13a angeordnet, wodurch das von der Spule erzeugbare Spulenmagnetfeld den Permanentmagneten 33a in der Neutralstellung 38a stärker durchsetzt als in der Schaltstellung 37a. In der Neutralstellung 38a des Schaltpins 27a ist die Induktivität der Spule 13a größer in der Schaltstellung 37a des Schaltpins 27a.
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Zur Bestimmung der Schaltpinstellung 25a wird von der Überwachungseinheit 10a ein Prüfstrom 15a für die Spule 13a eingestellt, der geringer ist als der Schaltstrom 19a zum Schalten des Schaltpins 27a. Die Überwachungseinheit 10a stellt für den Prüfstrom 15a einen definierten Wert ein, der beispielsweise 1 Ampere beträgt. Nach dem Abschalten einer Prüfspannung 14a, mittels der der Prüfstrom 15a auf den definierten Wert eingestellt wird, fällt der Prüfstrom 15a aufgrund der Induktivität der Spule 13a über einen definierten Zeitraum größer Null hinweg ab. Ein Verlauf des Prüfstroms 15a ist mittels einer Exponentialfunktion beschreibbar, deren negativer Exponent die Induktivität als einen Divisor aufweist. Für den Verlauf des Prüfstroms 15a nach Abschalten der Prüfspannung 14a gilt:
mit I(t) als der Verlauf des Prüfstroms 15a, I
0 als der definierte Wert des Prüfstroms 15a, mit t als eine Zeitvariable für den Verlauf des Prüfstroms 15a und mit R als ein ohmscher Widerstand der Spule.
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Befindet sich der Schaltpin 27a in der Neutralstellung 38a, ist die Induktivität der Spule 13a groß, wodurch ein Verlauf 39a des Prüfstroms 15a flach ausfällt. Befindet sich der Schaltpin 27a in der Schaltstellung 37a, ist die Induktivität der Spule 13a klein, wodurch ein Verlauf 40a des Prüfstroms 15a steil ausfällt (vgl. 3). Die Überwachungseinheit 10a bestimmt die Schaltpinstellung 25a des Schaltpins 27a mittels des Verlaufs des Prüfstroms 15a.
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Eine Abklingzeit, innerhalb der der Prüfstrom 15a unterhalb eines definierten Grenzwerts abfällt, hängt von der Induktivität der Spule 13a ab. Der der Schaltstellung 37a zugeordnete Verlauf 40a des Prüfstroms 15a weist eine lange Abklingzeit auf. Der der Neutralstellung 38a zugeordnete Verlauf 39a des Prüfstroms 15a weist eine kurze Abklingzeit auf. Der Grenzwert beträgt beispielsweise 10% des definierten Werts für den Prüfstrom 15a. Grundsätzlich können aber auch andere, insbesondere niedrigere Grenzwerte verwendet werden.
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Zur Bestimmung der Schaltpinstellung 25a wertet die Überwachungseinheit 10a ein Prüfstromintegral aus, mittels dem die Spulenkenngröße zur Bestimmung der Schaltpinstellung 25a ausgebildet ist. Das Prüfstromintegral weist einen Zeitparameter 31a auf, der auf den Verlauf 40a des Prüfstroms 15a in der Schaltstellung 37a und den Verlauf 39a des Prüfstroms 15a in der Neutralstellung 38a angepasst ist. Der Zeitparameter 31a entspricht der Abklingzeit, die der Verlauf 40a des Prüfstroms 15a, der der Schaltstellung 37a zugeordnet ist, aufweist. Der Zeitparameter 31a des Prüfstromintegrals weist unabhängig von einer zu erwartenden Schaltpinstellung 25a stets die gleiche Größe auf. Mittels des Prüfstromintegrals, das den Zeitparameter 31a aufweist, hängt die mittels des Prüfstromintegrals bestimmte Spulenkenngröße von der Induktivität der Spule 13a ab.
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Die Größe des Prüfstromintegrals entspricht direkt der Spulenkenngröße. Die Spulenkenngröße ist als eine Energie ausgebildet, die von der Spule 13a innerhalb des Zeitparameters 31a des Prüfstromintegrals abgegeben wird. Der Zeitparameter 31a des Prüfstromintegrals ist kürzer als die Abklingzeit, die der Verlauf 39a des Prüfstroms 15a in der Neutralstellung 38a aufweist. Dadurch weist das Prüfstromintegral abhängig von der Schaltpinstellung 25a unterschiedliche Werte auf. Zur Bestimmung der Schaltpinstellung 25a sind in der Speichereinheit der Überwachungseinheit 10a zwei Referenzwerte hinterlegt, mit denen die als Stromintegral ausgebildete Spulenkenngröße verglichen wird. Mittels der Referenzwerte ist die Spulenkenngröße eindeutig der Schaltstellung 37a oder der Neutralstellung 38a zuordenbar, wodurch die Schaltpinstellung 25a mittels des dritten Überwachungsmodus zu den beliebigen diskreten Zeitpunkten 17a, 18a bestimmt werden kann.
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Der Prüfstrom, der zur Bestimmung der Spulenkenngröße eingestellt wird, ist grundsätzlich unabhängig von einem Schaltvorgang des Schaltpins 27a. Zur Überwachung eines Schaltvorgangs kann der Schaltstrom 19a zur Bereitstellung des Prüfstroms 15a verwendet werden. Nach einem Schaltvorgang weist der Schaltstrom 19a zu dem Zeitpunkt 18a die gleiche Größe auf, wie sie für den Prüfstrom 15a vorgesehen ist. Ein Teilwert des Schaltstroms 19a kann somit als der Prüfstrom 15a verwendet werden.
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In einem vierten Überwachungsmodus bestimmt die Überwachungseinheit 10a die Schaltpinstellung 25a kontinuierlich über den gesamten gezeigten Zeitraum (vgl. 4). Eine Spulenkenngröße, die mittels der Überwachungseinheit 10a in dem vierten Überwachungsmodus bestimmt wird, hängt ebenfalls von der Induktivität der Spule 13a ab. Die in dem vierten Betriebsmodus bestimmte Spulenkenngröße ist als eine Impedanz ausgebildet.
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In dem vierten Überwachungsmodus stellt die Überwachungseinheit eine Prüfspannung 14a ein, die als eine Wechselspannung ausgebildet ist. Aufgrund der als Wechselspannung ausgebildeten Prüfspannung 14a stellt sich in der Spule 13a ein Prüfstrom 15a ein, der als ein Wechselstrom ausgebildet ist. Eine Anregungsfrequenz der Prüfspannung 14a und eine Frequenz des Prüfstroms 15a sind gleich. Zur Überwachung der Schaltpinstellung 25a wird ein Verlauf des Prüfstroms 15a ausgewertet. Die Anregungsfrequenz der Prüfspannung 14a beträgt ca. 100 Hz. Eine Abtastrate, mit der die Schaltpinstellung 25a in dem vierten Überwachungsmodus bestimmt werden kann, entspricht im Wesentlichen der Anregungsfrequenz der Prüfspannung 14a.
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Eine Prüfstromamplitude 20a des Prüfstroms 15a hängt von der Impedanz der Spule 13a ab. Die Impedanz der Spule 13a wiederum hängt von der Induktivität der Spule ab. Befindet sich der Schaltpin 27a in der Schaltstellung 37a, ist die Impedanz der Spule 13a groß und der Prüfstrom 15a weist eine kleine Prüfstromamplitude 20a auf. Befindet sich der Schaltpin 27a in der Neutralstellung 38a, ist die Impedanz der Spule 13a klein und der Prüfstrom weist eine große Prüfstromamplitude 20a auf. In der Neutralstellung 38a ist die Prüfstromamplitude 20a ca. doppelt so groß wie in der Schaltstellung 37a.
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Zur Bestimmung der Prüfstromamplitude 20a weist die Überwachungseinheit 10a einen Bandpassfilter auf, mittels dem der Prüfstrom 15a gefiltert wird. Der Bandpassfilter weist eine Durchlassfrequenz auf, die der Anregungsfrequenz für die Prüfspannung 14a entspricht. Mittels des Bandpassfilters werden Gleichstromanteile herausgefiltert. Insbesondere der Schaltstrom 19a zur Schaltung des Schaltpins 27a ist als ein Gleichstrom ausgebildet und wird mittels des Bandpassfilters unterdrückt.
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Die Spulenkenngröße, mittels der die Schaltpinstellung 25a überwacht wird, wird mittels der Prüfstromamplitude 20a bestimmt. Mittels der Prüfstromamplitude 20a ist die Schaltpinstellung 25a direkt bestimmbar. In der Überwachungseinheit 10a sind verschiedene Referenzgrößen hinterlegt, mittels denen die Prüfspannung 14a und der daraus resultierende Prüfstrom 15a der Schaltpinstellung 25a zugeordnet sind.
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Befindet sich der Schaltpin 27a in der Neutralstellung 38a, wird die Spule 13a zur Überwachung der Schaltpinstellung 25a lediglich mit der als Wechselspannung ausgebildeten Prüfspannung 14a beaufschlagt. Die Prüfspannung 14a ist geringer als die Schaltspannung 42a, wodurch der Schalpin 27a von der Prüfspannung 14a unbeeinflusst ist. Die Prüfspannung 14a bedingt einen Prüfstrom 15a, dessen Prüfstromamplitude 20a in der Überwachungseinheit 10a als eine Referenzgröße für die Neutralstellung 38a hinterlegt ist und von der Überwachungseinheit 10a bestimmt wird.
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Um während eines Schaltvorgangs die Schaltpinstellung 25a zu überwachen, werden die Prüfspannung 14a und die Schaltspannung 42a überlagert. Ein aus der Prüfspannung 14a und der Schaltspannung 42a resultierender Strom durch die Spule 13a ist als eine Überlagerung von dem Prüfstrom 15a und dem Schaltstrom 19a ausgebildet. Die Prüfstromamplitude 20a weist während dem Schaltvorgang des Schaltpins 27a Anteile auf, die durch die Schaltspannung 42a bedingt sind. Diese Anteile sind mittels einer entsprechenden Referenzgröße in der Überwachungseinheit 10a berücksichtigt.
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Befindet sich der Schaltpin 27a in der Schaltstellung 37a, wird die Spule 13a zur Überwachung der Schaltpinstellung 25a wieder lediglich mit der als Wechselspannung ausgebildeten Prüfspannung 14a beaufschlagt. Die in der Schaltstellung 37a durch die Prüfspannung 14a bedingte Prüfstromamplitude 20a ist als eine weitere Referenzgröße in der Überwachungseinheit 10a hinterlegt. Zur Anregung der Prüfspannung können grundsätzlich beliebige Frequenzen verwendet werden. Die Impedanz der Spule weist über einen großen Frequenzbereich unterschiedliche Werte für die Schaltstellung 37a und die Neutralstellung 38a auf (vgl. 5).
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In den 6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 6 bis 8 ersetzt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen. Bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen kann auf die Beschreibung und/oder die Zeichnungen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 verwiesen werden.
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6 zeigt eine Betätigungsvorrichtung eines schaltbaren Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine. Die Betätigungsvorrichtung weist eine Schalteinheit 16b mit einem Doppelaktuator auf. Der Doppelaktuator umfasst zwei Betätigungsaktuatoren 11b, 11b', die im Wesentlichen analog zu dem vorangegangen Ausführungsbeispiel ausgestaltet sind. Baugleiche Bauteile des Doppelaktuators sind dabei grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine Beschreibung von einem der Bauteile gilt gleichermaßen für alle weiteren, mit dem Bezugszeichen versehenen Bauteile. Zur Unterscheidung sind die Bezugszeichen von Bauteilen des Betätigungsaktuators 11b' mit einem Hochkomma versehen.
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Die Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' weisen eine teilweise einstückig ausgeführte Elektromagneteinheit 28b auf. Eine Statoreinheit 29b ist einstückig für die beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' ausgeführt. Ankereinheiten 30b, 30b' der Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' sind voneinander getrennt ausgeführt.
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Die beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' weisen analog ausgeführte Schaltpins 27b, 27b' zum Eingriff in eine in diesen Figuren nicht näher dargestellte Schaltkulisse 22b mit zwei Kulissenbahnen 26b, 26b' auf. Ankereinheiten 30b, 30b' der beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' sind getrennt voneinander ausgeführt. Zur Bereitstellung einer Betätigungskraft weisen die Ankereinheiten 30b, 30b' jeweils einen Permanentmagneten 33b, 33b' und eine Federeinheit 35b, 35b' auf. Zur Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 33b, 33b' weisen die Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' eine teilweise einstückig ausgeführte Statoreinheit 29b auf. Eine Spule 13b der Statoreinheit 29b ist für beide Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' vorgesehen. Mittels einer Bestromung der Spule 13b' können die beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' geschaltet werden.
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Die Ankereinheiten 30b, 30b' sind voneinander getrennt in der Statoreinheit 29b angeordnet. Die Spule 13b ist räumlich teilweise zwischen den Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' angeordnet. Die Ankereinheiten 30b, 30b' grenzen seitlich an die Spule 13b an. Bei einer Bestromung der Spule 13b wechselwirkt ein von der Spule 13b bereitgestelltes Spulenmagnetfeld mit Permanentmagnetfeldern der beiden Permanentmagneten 33b, 33b' der Ankereinheiten 30b, 30b'. Da die beiden Permanentmagneten 33b, 33b' unterschiedlichen Polaritäten aufweisen, wird in Abhängigkeit von Richtung der Bestromung der Spule 13b wahlweise einer der beiden Schaltpins 27b, 27b' ausgefahren.
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Zur Überprüfung einer Schaltstellung der Schaltpins 27b, 27b' der Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' weist die Schalteinheit 16b eine Überwachungseinheit 10b auf, mittels der die beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' zeitgleich überwacht werden können. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel weist die Überwachungseinheit 10b eine Steuereineinheit 41b und eine Sensoreinheit auf, die zur Überwachung von Einfahrschaltvorgängen der Schaltpins 27b, 27b' und zur Bestimmung von Schaltpinstellungen 25b, 25b' zu diskreten Zeitpunkten 17b, 18b vorgesehen sind. Mittels der Sensoreinheit kann ein Strom durch die Spule 13b und eine an der Spule 13b anliegende Spannung bestimmt werden. Mittels der Steuereinheit 41b kann die Überwachungseinheit 10b eine Prüfspannung 14b und einen Prüfstrom 15b einstellen.
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Die Überwachungsmodi der Überwachungseinheit 10b sind im Wesentlichen gleich ausgebildet wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel, weshalb insbesondere auf die Zeichnungen des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen werden darf. Mittels der Überwachungseinheit 10b wird in zwei der Überwachungsmodi eine Spulenkenngröße der Spule 13b bestimmt, die von einer Induktivität der Spule 13b abhängt. In Abhängigkeit von den Schaltpinstellung 25b, 25b' der Schaltpins 27b, 27b' weist die Spule 13b eine definierte Induktivität und damit eine definierte Impedanz auf, mittels der analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel entweder zu den diskreten Zeitpunkten 17b, 18b oder kontinuierlich über einen definierten Zeitraum hinweg die Schaltpinstellungen 25b, 25b' bestimmt werden können.
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Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel stellt die Überwachungseinheit 10b in den beiden Betriebsmodi zusätzlich zu dem Prüfstrom 15b mittels einer Vorerregungsspannung 44b einen Vorerregungsstrom 45b ein. Der Prüfstrom 15b ist in beiden Betriebsmodi als ein sich verändernder Strom ausgebildet. Der Vorerregungsstrom 45b ist in beiden Betriebsmodi als ein Gleichstrom ausgebildet. Er ist während der Überwachung der Schaltpinstellung 25b, 25b' auf einen konstanten Wert eingestellt, wie beispielsweise 0,5 Ampere. Der Vorerregungsstrom 45b ist kleiner als ein Schaltstrom 19b für die Betätigungsaktuatoren 11b, 11b'. Grundsätzlich können für den Vorerregungsstrom 45b auch andere Werte ungleich Null gewählt werden.
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Ein durch die Spule 13b fließender Gesamtstrom ist als eine Überlagerung des Prüfstroms 15b und des Vorerregungsstroms 45b ausgebildet. Ein dadurch von der Spule 13b erzeugtes Spulenmagnetfeld überlagert die von den Permanentmagneten 33b, 33b' bereitgestellten Permanentmagnetfelder. Eine Impedanz der Spule 13b hängt somit zumindest zum Teil von dem Vorerregungsstrom 45b und den Schaltpinstellungen 25b, 25b' der Schaltpins 27b, 27b' ab. 7 zeigt eine Abhängigkeit der Impedanz der Spule 13b von dem Vorerregungsstrom 45b in einer Schaltstellung 37b, in der der Schaltpin 27b ausgefahren ist, und in einer Neutralstellung 38b, in der der Schaltpin eingefahren ist. Die 8 zeigt analog eine Abhängigkeit der Impedanz der Spule 13b für den zweiten Schaltpin 27b' in einer Schaltstellung 37b' und einer Neutralstellung 38b'. Der bevorzugte Wert von 0,5 Ampere für den Vorerregungsstrom 45b ist in beiden Figuren gestrichelt eingezeichnet. Eine Frequenz der Prüfspannung 14b beträgt in beiden 1 kHz.
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Durch die unterschiedliche Polarität der beiden Permanentmagneten 33b, 33b' hängt die Impedanz der Spule 13b von den einzelnen Schaltpinstellungen 25b, 25b' der beiden Betätigungsaktuatoren 11b, 11b' ab. In der Steuereinheit 41b' sind Referenzgrößen hinterlegt, mittels denen die Prüfspannung 14a und der daraus resultierende Prüfstrom 15a der Schaltpinstellung 25b und der Schaltpinstellung 25b' zugeordnet sind. Mittels der Referenzgrößen kann bestimmt werden, ob beide Schaltpins 27b, 27b' eingefahren sind bzw. welcher der beiden Schaltpins 27b, 27b' ausgefahren ist. Für das in 6 dargestellte System beträgt die Impedanz beispielsweise ca. 52 mH, wenn lediglich der Schaltpin 27b ausgefahren ist, ca. 88 mH wenn lediglich der Schaltpin 27b' ausgefahren ist, und ca. 70 mH, wenn beide Schaltpins 27b, 27b' eingefahren sind.
