DE102015005123A1

DE102015005123A1 - Zylinderkopfventileinheit

Info

Publication number: DE102015005123A1
Application number: DE102015005123.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Mehnert
Original assignee: GPI GES fur PRUEFSTANDUNTERSUCHUNGEN und INGENIEURDIENSTLEISTUNGEN MBH; Gpi Gesellschaft fur Pruefstanduntersuchungen und Ingenieurdienstleistungen Mbh
Current assignee: GPI GES fur PRUEFSTANDUNTERSUCHUNGEN und INGENIEURDIENSTLEISTUNGEN MBH; Gpi Gesellschaft fur Pruefstanduntersuchungen und Ingenieurdienstleistungen Mbh
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderkopfventileinheit, welche einen Ventilteller zum Schließen eines Ein- oder Auslasskanals eines Zylinderkopfes, einen mit dem Ventilteller verbundenen Ventilschaft, welcher von einer Ventilführung geführt ist, wenigstens eine um den Ventilschaft vorgesehene Ventilfeder, einen an einem dem Ventilteller gegenüber liegenden Ende der Ventilfeder vorgesehenen Federteller zum Übertragen einer Hubkraft auf die Ventilfeder und eine Ventilhubmessvorrichtung aufweist. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zylinderkopfventileinheit mit einer hochgenauen, robusten sowie einfach installier- und wartbaren Ventilhubmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zylinderkopfventileinheit der oben genannten Gattung, bei der die Ventilhubmessvorrichtung wenigstens einen Sensorkörper aufweist, auf dem wenigstens zwei Spulen in Hubrichtung des Ventilschafts voneinander beabstandet, in Reihe geschaltet aufgebracht sind, wobei der Sensorkörper mittig eine axiale Durchführung für wenigstens den Ventilschaft aufweist und von dem Federteller ein mit dem Ventilschaft mitbewegbares magnetisches Erfassungsobjekt in die Durchführung hineinragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderkopfventileinheit, welche einen Ventilteller zum Schließen eines Ein- oder Auslasskanals eines Zylinderkopfes, einen mit dem Ventilteller verbundenen Ventilschaft, welcher von einer Ventilführung geführt ist, wenigstens eine um den Ventilschaft vorgesehene Ventilfeder, einen an einem dem Ventilteller gegenüber liegenden Ende der Ventilfeder vorgesehenen Federteller zum Übertragen einer Hubkraft auf die Ventilfeder und eine Ventilhubmessvorrichtung aufweist.
Einseitig mechanisch betätigbare Ventile werden bekanntermaßen im Automobilbau seit Jahrzehnten als Gaseinlass- und Gasauslassventile für einen Zylinderbrennraum eingesetzt. Ein zur Messung von Bewegungen der Ventile verwendbarer Ventilhubsensor ist beispielsweise von der Firma Micro-Epsilon bekannt. Zur Ermittlung der Position des Ventils umfasst der Ventilhubsensor eine auf einem Spulenkörper aufgewickelte Messspule mit mehreren Spannungsabgriffen, wobei der Ventilhubsensor an dem Ventilschaft angeordnet wird. Als Messobjekt dient ein Target, welches derart an dem Ventilschaft angebracht ist, dass es eine mit dem Ventil gleichgerichtete Bewegung ausführen kann. Die Länge des Targets entspricht in etwa dem Abstand zwischen zwei Abgriffen der Messspule, wobei das Target aus Aluminium besteht und einen Wirbelstromsensor darstellt. Ein mit der Messspule gekoppelter Oszillator speist die Messspule mit zwei gegensinnigen Wechselspannungen, wobei sich abhängig von der Position des Targets in einem von dem Target abgedeckten Bereich die Impedanz der Messspule ändert.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2005 007 265 A1 ein weiterer Wirbelstromsensor der Firma Micro-Epsilon bekannt, bei dem das Target neben dem elektrisch leitfähigen Bestandteil, beispielsweise Aluminium, einen Permanentmagneten aufweist. Somit ist neben der Positionsbestimmung auch eine Geschwindigkeitsbestimmung möglich.
Ein Lage- und Wegsensor zur Bestimmung einer Ventilstellung bei einem hydraulischen oder pneumatischen Regelventil ist in der Druckschrift DE 196 12 835 A1 beschrieben. Hierbei sind zur Ermittlung der Position eines Ventils zwei Spulen um das Ventil vorgesehen, welche mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind. Zwischen den beiden Spulen ist ein Wegaufnahmekern derart angeordnet, dass dieser synchron mit der Ventilbewegung verfahrbar ist. Bei Bewegung des Ventils und damit des Wegaufnahmekerns wird die dadurch induktiv hervorgerufene Phasenverschiebung der Spulen durch eine digitale Auswerteschaltung gemessen. Somit ist die Position des Ventils bestimmbar.
Die Druckschrift DE 10 2005 035 316 B4 beinhaltet eine weitere Messanordnung zur Bestimmung der Position eines Objektes, welche vorzugsweise in der Luftfahrt Anwendung findet. Die Messanordnung umfasst einen nach dem Prinzip eines Differentialtransformators arbeitenden Weglängensensor, der eine Primärspule sowie zwei Sekundärspulen aufweist, die auf einem zylindrisch ausgebildeten Körper mit zentrischer Bohrung aufgewickelt sind. In der zentrischen Bohrung ist ein freibeweglicher Kern aus ferromagnetischem Material angeordnet, welcher mit einem zu messenden Objekt verbunden ist. Bei Bewegung des Kerns aus seiner Ruhelage zwischen den Sekundärspulen in Richtung einer der Sekundärspulen, erhöht sich ein magnetischer Fluss zwischen der Primärspule und derjenigen Sekundärspule, in deren Richtung der Kern bewegt wird. Anhand der Differenz der Spannungen der Sekundärspulen kann somit die Position des Kernes und damit des Objektes bestimmt werden.
Der Ventilhub wird insbesondere zur Funktionsüberprüfung und Optimierung von Ventiltriebkonzepten sowie zur Entwicklung von variablen Ventiltrieben erfasst.
Bei der Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Gaseinlass- oder Gasauslassventils für einen Zylinderbrennraum werden die Messwerte für eine möglichst hohe Genauigkeit direkt im Inneren des Zylinderkopfes gemessen. Dabei treten einerseits hohe Temperaturen von etwa 200°C und hohe Drücke von bis zu 2000 bar auf. Außerdem muss die Sensoreinheit gegenüber verschiedenen, teils aggressiven Medien, etwa Öl, Kraftstoff oder Luft-Kraftstoff-Gemisch, bestehen. Weiterhin sind auf engstem Raum zahlreiche bewegte Teile vorhanden. Somit ist einerseits nur wenig Raum für einen Sensor vorhanden und andererseits können etwaige Kabel für die elektrische Kontaktierung durch die bewegten Teile beschädigt werden. Der Motorblock ist von Kühl- und Schmiermittelkanälen durchzogen, sodass auch eine Kabelführung durch den Motorblock nicht einfach möglich ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zylinderkopfventileinheit mit einer hochgenauen, robusten sowie einfach installier- und wartbaren Ventilhubmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Zylinderkopfventileinheit der oben genannten Gattung gelöst, bei der die Ventilhubmessvorrichtung wenigstens einen Sensorkörper aufweist, auf dem wenigstens zwei Spulen in Hubrichtung des Ventilschafts voneinander beabstandet, in Reihe geschaltet aufgebracht sind, wobei der Sensorkörper mittig eine axiale Durchführung für wenigstens den Ventilschaft aufweist und von dem Federteller ein mit dem Ventilschaft mitbewegbares magnetisches Erfassungsobjekt in die Durchführung hineinragt.
Bei der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit kommt eine Ventilhubmessvorrichtung zum Einsatz, die ein induktives Messprinzip nutzt. Da das Erfassungsobjekt aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften mit den Spulen induktiv wechselwirkt und es mit dem sich für das Öffnen und Schließen des Ventils bewegten Ventilschaft mitbewegt wird, kann aus der Stellung des Erfassungsobjektes relativ zu den Spulen ein induktives Messsignal gewonnen werden, auf das wiederum auf die Position und damit den Ventilhub des Ventils geschlossen werden kann.
Das erfindungsgemäß verwendete induktive Messprinzip ist für die rauhen Betriebsbedingungen in dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors besonders geeignet. Da die Messung berührungslos erfolgt, wird beispielsweise Verschleiß vermieden und die Ventilhubmessvorrichtung behindert das Zylinderkopfventil nicht durch Reibung in seiner Bewegung.
Erfindungsgemäß kommen bei der Ventilhubmessung wenigstens zwei Spulen zum Einsatz, die in einer Differenzschaltung angeordnet sind. Je nach verwendetem Messprinzip der Ventilhubmessvorrichtung können die Spulen mit gleicher oder entgegengesetzter Polarisierung zueinander angeordnet sein. Zur Messung der Position des Erfassungsobjektes sind die Spulen in Reihe geschaltet. Je nach Lage des Erfassungsobjektes relativ zu den Spulen ergibt sich eine Verstärkung eines Magnetfeldes der Spule, zu welchem sich das Erfassungsobjekt aus einer Mittelposition hin bewegt, und eine Abschwächung des Magnetfeldes der Spule, von der sich das Erfassungsobjekt fort bewegt. Mit dem Magnetfeld einer Spule korreliert jeweils der elektrische Blindwiderstand dieser Spule. Somit ist zwischen den Spulen eine Differenzspannung messbar, welche als Signal für die Position des Erfassungsobjektes dient.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Ventilhubmessvorrichtung besitzt den Vorteil, dass sich das Erfassungsobjekt gleichmäßig mit dem Ventil mitbewegt, wobei sich die Spulen längs des von dem Erfassungsobjekt absolvierten Weges befinden, sodass eine hochgenaue induktive Erfassung der Stellung eines Gaseinlass- oder Gasauslassventils möglich ist. Das Erfassungsobjekt ist hierfür entweder an dem den Hub einer Nockenwelle auf das Ventil übertragenden Federteller befestigt oder einstückig mit dem Federteller ausgebildet. Vorzugsweise ist das Erfassungsobjekt dauerhaft beispielsweise durch Schweißen oder Kleben mit dem Federteller verbunden. Das Erfassungsobjekt kann in weiteren Ausgestaltungsvarianten aber auch lösbar mit dem Federteller gekoppelt sein. Ferner kann der Federteller auch ganz oder teilweise das Erfassungsobjekt ausbilden. Hierbei ist der Federteller komplett oder teilweise aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet. Durch Verbindung des Erfassungsobjektes mit dem Federteller und die Kopplung des Federtellers mit der Feder bzw. mit dem Ventil bewegt sich das Erfassungsobjekt kongruent zu der Ventilbewegung und kann damit von den um den Ventilschaft angeordneten Spulen induktiv erfasst werden. Vorzugsweise sind die Spulen konzentrisch um den Ventilschaft und das Erfassungsobjekt angeordnet, wobei das Erfassungsobjekt sich durch die Bewegung des Ventils in unterschiedlichen Positionen zwischen den Spulen befinden kann.
Die wenigstens zwei Spulen sind voneinander beabstandet in Hubrichtung des Ventilschaftes um den Sensorkörper vorgesehen, welcher vorzugsweise zylinderförmig, den Ventilschaft umschließend ausgebildet ist. Durch die zylinderförmige Ausgestaltung des Sensorkörpers kann dieser beim Anbringen der Ventilhubmessvorrichtung an dem Ventil einfach über den Ventilschaft gestülpt werden. Hierbei kann der Sensorkörper entweder außerhalb oder innerhalb der Ventilfeder vorgesehen sein. Der Sensorkörper muss nicht zwingend aus einer Komponente bestehen, sondern kann sich auch aus mehreren Segmenten zusammensetzen. So kann der Sensorkörper beispielsweise aus zwei Komponenten bestehen, welche einander gegenüber liegend um den Ventilschaft angeordnet sind. Zur Ausbildung einer möglichst platzsparenden Ventilhubmessvorrichtung kann der Sensorkörper Vertiefungen zur Aufnahme der Spulen aufweisen, sodass die Spulen in den Vertiefungen eingebracht werden können und die Abmessung der Ventilhubmessvorrichtung im Wesentlichen von dem Außenumfang des Sensorkörpers bestimmt wird. Zudem bieten derartige Vertiefungen auch den Vorteil, dass die Wicklungen der Spulen entlang der Höhe des Sensorkörpers nicht verrutschen können und damit ein konstant gutes Messergebnis erzielt werden kann. Ebenso kann der Sensorkörper aber auch eine glatte oder nahezu glatte Außenoberfläche aufweisen, auf welche die Spulen einfach aufgewickelt sein können.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Sensorkörper innerhalb der Ventilfeder an der Ventilführung angeordnet. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass die Beeinflussung des Messergebnisses durch eine Bewegung der Ventilfeder möglichst gering gehalten wird. Für ein optimales Messergebnis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine auf der Ventilführung aufgebrachte Ventildichtung zu entfernen und die Ventilführung auf eine definierte Höhe relativ zum Zylinderkopf einzukürzen. Somit kann eine nicht erwünschte, mechanische Wechselwirkung des Erfassungsobjektes mit der Ventildichtung vermieden werden, und die Spulen auf dem Sensorkörper können entlang der Hubrichtung des Ventilschaftes weiter voneinander beabstandet werden, wodurch ein größerer Weg vermessen werden kann, als dies mit der Ventildichtung möglich ist.
Bei einem innerhalb der Ventilfeder angeordneten Sensorkörper kann der Sensorkörper beispielsweise auf der den Ventilschaft führenden Ventilführung angeordnet sein. Die Ventilführung kann einige Millimeter in den Bereich der Ventilfeder aus dem Zylinderkopf herausragen. Wenn hierbei der Innendurchmesser des Sensorkörpers ähnlich groß wie der Außendurchmesser der Ventilführung ausgebildet ist, kann der Sensorkörper beispielsweise auf die Ventilführung aufgesteckt werden. Somit kann ein Verrutschen oder Kippen des Sensorkörpers relativ zur Ventilfeder verhindert werden. Außerdem kann zur Verbindung des Sensorkörpers mit der Ventilführung und/oder dem Zylinderkopf in einem die Ventilführung umgebenden Bereich eine Klebe- oder Schweißverbindung verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Erfassungsobjekt ringförmig um den Ventilschaft ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine radial gleichmäßige Beeinflussung des durch die Spulen hervorgerufenen Magnetfeldes, wodurch eine besonders hohe Messgenauigkeit gegeben ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Erfassungsobjekt beispielsweise auch als Prisma mit einer axialen Ausnehmung für den Ventilschaft ausgebildet sein.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit ist der Sensorkörper ringförmig um die Ventilfeder und den durch die Ventilfeder verlaufenden Ventilschaft angeordnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung muss zum Anbringen des Sensorkörpers nicht die Ventilfeder entfernt und wieder montiert werden. Der Sensorkörper kann in einer solchen Ausgestaltungsvariante mit dem Zylinderkopf verschweißt oder verklebt werden. Ebenso kann der Zylinderkopf aber auch eine Vertiefung aufweisen, welche der Form des Sensorkörpers entspricht, in welche der Sensorkörper eingesteckt werden kann.
Ferner ergibt sich dann, wenn der Sensorkörper um die Ventilfeder vorgesehen ist, im Vergleich zu der Ausführungsform, in welcher der Sensorkörper innerhalb der Ventilfeder vorgesehen ist, eine vereinfachte Kabelführung der Kabel, welche die Spulen kontaktieren, da die Kabel nicht durch die Windungen der Ventilfeder hindurch zu einem außenliegenden Anschlusskontakt geführt werden müssen. Eine durch die kontinuierliche Stauchung und Streckung der Ventilfeder verursachte Beschädigung der Kabel kann somit vermieden werden.
In der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit, in welcher der Sensorkörper innerhalb der Ventilfeder angeordnet ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Anschluss zur Kontaktierung der Spulen an einem oder unterhalb eines dem Federteller gegenüber liegenden Ende(s) der Ventilfeder herausgeführt ist. Somit wird der elektrische Anschluss möglichst wenig von der Bewegung der Ventilfeder sowie anderer bewegter Teile, beispielsweise Nocken oder Federteller, beeinträchtigt, sodass die Gefahr der Beschädigung des elektrischen Anschlusses minimiert ist. Die Durchführung des elektrischen Anschlusses unterhalb der Ventilfeder ermöglicht zudem dessen einfache Montage. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der elektrische Anschluss jedoch zwischen Windungen der Ventilfeder nach außen zu dem Anschlusskontakt geführt werden.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens das Kabel zur Kontaktierung der Spulen als Flachbandkabel ausgebildet ist. Ein Flachbandkabel kann beispielsweise als eine biegsame Platine mit aufgedruckten Leiterbahnen ausgebildet sein. Aufgrund der flachen Ausführungsform des Flachbandkabels ist dieses insbesondere dazu geeignet, zwischen Windungen der Ventilfeder oder unterhalb der Ventilfeder, das heißt, unter dem dem Federteller gegenüber liegenden Ende der Ventilfeder, aus dem Inneren der Ventilfeder nach außen geführt zu werden.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn von der Durchführung ein Kabelkanal und/oder ein Ölablaufkanal abgeht, der zwischen einem zu dem Ventilteller zeigenden Ende des Sensorkörpers und einer Federaufstandsfläche verläuft und/oder an einer Längsseite des Sensorkörpers verläuft. Dabei ist unter der Federaufstandsfläche die Innenfläche des Zylinderkopfes zu verstehen, gegen welche die Ventilfeder bei einem Öffnungshub der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinehit gedrückt wird und die hierbei einen Gegenhalt für die Ventilfeder ausbildet.
Insbesondere bietet der Kabelkanal bei der Ausgestaltungsvariante, in welcher der Sensorkörper innerhalb der Ventilfeder angeordnet ist, den Vorteil, dass das Einbringen des Kabels in den Kabelkanal eine durch das Kabel unbehinderte Auflage der Ventilfeder auf der Federaufstandsfläche ermöglicht und damit das Kabel vor Beschädigungen geschützt ist. Hierbei kann der Kabelkanal beispielsweise durch eine Fräsung in der Federaufstandsfläche und/oder dem Sensorkörper gebildet sein. Ebenso kann ein solcher Kabelkanal auch durch eine an einer Längsseite des Sensorkörpers vorgesehene Bohrung ausgebildet sein.
Der Ölablaufkanal ist nötig, damit eine Ölansammlung in der erfindungsgemäß verwendeten Ventilhubmessvorrichtung vermieden wird. Der Ölablaufkanal kann beispielsweise durch eine Fräsung in der Ventilführung und/oder dem Zylinderkopf ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ölablaufkanal auch in dem zum Ventilteller weisenden Ende des Sensorkörpers durch eine Fräsung oder Bohrung eingebracht sein.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit ist das Erfassungsobjekt wenigstens aus Ferrit ausgebildet. Ferrite sind ferrimagnetische Werkstoffe und somit besonders für die induktive Wechselwirkung mit elektromagnetischen Spulen geeignet. In Gegenwart eines Magnetfeldes führen Ferrite zu einer Verstärkung dieses Magnetfeldes. Wechselwirkt also ein Ferrit mit einer elektromagnetischen Spule, verstärkt sich das durch die Spule hervorgerufene Magnetfeld.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Federteller aus einem festen Werkstoff oder Werkstoffverbund, der eine geringere Dichte als Ferrit aufweist, ausgebildet ist. Durch den Einsatz eines Materials mit geringer Dichte für den Federteller, kann das Gesamtgewicht der aus dem Federteller und dem typischerweise schweren Erfassungsobjekt bestehenden Erfassungseinheit so gestaltet werden, dass das Ventil der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit ein ähnliches Gewicht und ähnliche dynamische Eigenschaften wie ein Ventil ohne die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Ventilhubmessvorrichtung aufweist. Dadurch kommt es nicht oder nur zu möglichst geringen Änderungen der dynamischen Eigenschaften des Ventiltriebes. Ein zur Ausbildung des Federtelleres geeigneter Werkstoff kann beispielsweise Titan oder eine Titanlegierung sein. Diese Werkstoffe weisen weiterhin einen geringen Paramagnetismus auf, wodurch der induktive Messeffekt kaum beeinträchtigt wird.
Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn der Sensorkörper aus einem Werkstoff oder Werkstoffverbund besteht, welcher dia- oder para- oder unmagnetisch ist, wobei wenigstens eine Oberfläche des Sensorkörpers eine spezifische Leitfähigkeit von weniger als 10³ S/m aufweist. Die wenigstens einen Oberfläche des Sensorkörpers kann hierbei eine einzige Oberfläche des Sensorkörpers oder auch eine Mehrzahl miteinander verbundener einzelner Oberflächenabschnitte des Sensorkörpers, welche geometrisch durch Kanten voneinander getrennt sein können, sein.
Der Sensorkörper, auf dem die Spulen angeordnet sind, beeinflusst aufgrund seines Dia- oder Paramagnetismus die durch die Spulen hervorgerufenen Magnetfelder nur marginal, wodurch die gewünschte Messung des Erfassungsobjektes möglichst wenig gestört wird. Im Falle eines ferro- oder ferrimagnetisch ausgebildeten Sensorkörpers könnte dieser als magnetische Schirmung gegenüber dem Erfassungsobjekt wirken, was eine genaue Messung nicht möglich bzw. unter geänderten Randbedingungen erschweren würde. Von einer unmagnetischen Ausbildung des Sensorkörpers ist daher abzusehen. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, die wenigstens eine Oberfläche des Sensorkörpers, welche direkt mit den Spulen in Kontakt kommt, mit einer spezifischen Leitfähigkeit von weniger als 1.000 S/m, das heißt als Isolator mit vorzugsweise einer spezifischen Leitfähigkeit von kleiner 10^–8 S/m. vorzusehen. Somit werden Kurzschlüsse vermieden und eventuell auftretende, die Messgenauigkeit negativ beeinflussende Wirbelströme im Sensorkörper minimiert.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der Sensorkörper und wenigstens die Spulen mit einem Werkstoff oder Werkstoffverbund ummantelt, welches/r eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 1.000 aufweist. Hierfür kommt beispielsweise Mu-Metall als Werkstoff in Betracht, das eine relative magnetische Permeabilität im Bereich zwischen 50.000 und 140.000 aufweist. Durch die hohe relative magnetische Permeabilität der Ummantelung des Sensorkörpers und der Spulen wird eine magnetische Schirmung der Spulen nach außen erreicht, wodurch induktive Wechselwirkungen der Spulen mit anderen Bauteilen des Zylinders oder des Motors, welche magnetisch oder magnetisierbar sein können, vermieden wird.
Vorzugsweise sind die Spulen mit wenigstens einem eine Wechselspannung von wenigstens 1 kHz erzeugenden Oszillator und einer elektronischen Auswerteeinheit elektrisch verbunden. Durch den eine Wechselspannung mit hoher Frequenz erzeugenden Oszillator wird eine hohe Messauflösung zur Beschreibung des Ventilweges mit entsprechend untersetzten Messpunkten gewährleistet. Wenn in einem Motor oder an einem Zylinder mehrere Ventile mit einem Ventilhubsensor versehen sind, so kann der Oszillator mit mehreren Ventilhubsensoren elektrisch verbunden sein. Die elektronische Auswerteeinheit dient zur Berechnung der Position des Erfassungsobjektes und somit auch des Ventiltellers. In einer möglichen Ausführungsform kann die elektronische Auswerteeinheit in einem Steuergerät des Motors integriert sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden die Spulen eine Differentialdrossel aus. In diesem Fall sind die in Reihe geschalteten Spulen vorzugsweise mit einer gleichen Wickelsinn als Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung vorgesehen. Somit dient eine sich bei Positionsänderung des Erfassungsobjektes ergebende Differenzspannung zwischen den Spulen zur Positionsbestimmung des Erfassungsobjektes.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Spulen Sekundärspulen eines Differentialtransformators. In diesem Fall sind die Spulen mit entgegengesetzter Polarisierung in Reihe geschaltet und eine Primärspule ist für die Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen. Eine sich bei Positionsänderung des Erfassungsobjektes ergebende Differenzspannung zwischen den Spulen dient zur Positionsbestimmung des Erfassungsobjektes.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Abgleich einer Bewegung des Ventilschafts eine Kalibriervorrichtung mechanisch und/oder optisch mit dem Ventilteller und/oder dem Federteller und elektrisch mit wenigstens den Spulen, dem Oszillator und der Auswerteeinheit verbunden oder verbindbar ist. Eine Kalibrierung der Ventilhubmessvorrichtung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit ist insbesondere nach dem Einbau sowie im Betrieb in regelmäßigen Abständen vorteilhaft, um eine hohe Genauigkeit des Ventilhubsensors zu gewähren. Dafür kann als mechanische Verbindung mit dem Ventilteller oder Federteller eine Messuhr vorgesehen sein, alternativ ist auch eine optische Wegmessung mittels Lichtstrahl möglich.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile sind im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit mit einem innerhalb einer Ventilfeder angeordneten Sensorkörper in einem Querschnitt zeigt;
2 schematisch eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf, eine Ventilführung und eine Ventilfederführung für eine Ventilfeder mit einem Kabelkanal und einem Ölablaufkanal einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit zeigt;
3 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit mit einem außerhalb einer Ventilfeder angeordneten Sensorkörper in einem Querschnitt zeigt;
4 schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ventilhubmessvorrichtung einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit in der Ausführung als Differentialdrossel zeigt; und
5 schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ventilhubmessvorrichtung einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit in der Ausführung als Differentialtransformator zeigt.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit 10 in einer geschnittenen Querschnittsansicht. Die Zylinderkopfventileinheit 10 weist einen Ventilteller 1 auf, mit dem ein Gaseinlass- oder ein Gasauslasskanal eines hier nicht gezeigten Zylinderbrennraumes eines Motors verschließbar ist. Je nach Position des Ventiltellers 1 ist also ein Gaseinlass- oder Gasauslasskanal geöffnet, sodass entweder durch den Gaseinlasskanal Kraftstoff, Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinderbrennraum einströmen oder durch den Gasauslasskanal heißes Abgas ausströmen kann.
Zur gerichteten Bewegung des Ventiltellers 1 ist dieser mit einem Ventilschaft 2 verbunden, der wiederum in einer den Ventilschaft 2 radial umgebenden Ventilführung 20 geführt ist. Die Ventilführung 20 verhindert dabei, dass sich die Auslenkungsachse des Ventilschafts 2 ändert. An dem dem Ventilteller 1 gegenüber liegenden Ende des Ventilschaftes 2 ist an dem Ventilschaft 2 ein einen Hub auf eine den Ventilschaft 2 umgebende Ventilfeder 3 übertragender Federteller 4 vorgesehen. Der Federteller 4 begrenzt die Ventilfeder 3 nach oben, das heißt, in der von einer Federaufstandsfläche 11 des Zylinderkopfes abgewandten Richtung. In Richtung der Federaufstandsfläche 11 des Zylinderkopfes wird die Ventilfeder 3 von einer Ventilfederführung 30 begrenzt, welche in der Ausführungsform gemäß 1 durch eine Erhebung gegenüber der Federaufstandsfläche 11 ausgebildet ist. Die Ventilfederführung 30 kann beispielsweise aus Aluminiumguss ausgebildet sein.
Wird auf das obere Ende des Ventilschaftes 2 beispielsweise mittels einer Nockenwelle eine Kraft in Richtung der Federaufstandsfläche 11 ausgeübt, wird der Ventilschaft 2 samt dem Ventilteller 1 und der Ventilfeder 3 in der gezeigten Darstellung nach unten, in Richtung des Zylinderbrennraumes, bewegt. Dies führt zu einer Öffnung des Gaseinlass- oder Gasauslasskanals. Außerdem wird die Ventilfeder 3 zusammengedrückt. Lässt die auf den Federteller 4 wirkende Kraft nach, geht die Ventilfeder 3 aufgrund der Federrückstellkraft wieder in ihre unkomprimierte Ausgangsform über, wodurch der Federteller 4, der Ventilschaft 2 und damit verbunden der Ventilteller 1 nach oben bewegt werden. Dadurch wird der Gaseinlass- oder Gasauslasskanal wieder verschlossen.
Zur Erfassung dieser geschilderten Hubbewegung weist die Zylinderkopfventileinheit 10 eine Ventilhubmessvorrichtung 5 auf. Diese weist einen Sensorkörper 51 auf, welcher in 1 innerhalb der Ventilfeder 3 angeordnet ist. Der Sensorkörper 51 ist in der Ausführungsform gemäß 1 auf eine aus der Federaufstandsfläche 11 herausragende Ventilführung 20 aufgesteckt. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensorkörper 51 den gleichen Durchmesser wie die Ventilführung 20 aufweisen und auf diese aufgeklebt oder aufgeschweißt sein.
Auf dem Sensorkörper 51 sind zwei Spulen 52, 53 in Hubrichtung des Ventilschafts 2 voneinander beabstandet angeordnet. Die Spulen 52, 53 dienen der Positionsbestimmung eines Erfassungsobjektes 55, welches mit dem Federteller 4 verbunden ausgebildet ist und sich mit dem Federteller 4, dem Ventilschaft 2 und dem Ventilteller 1 mitbewegt. Somit lässt sich aus dem Ort des Erfassungsobjektes 55 auf den Ort des Ventiltellers 1 schließen. Im Sensorkörper 51 ist weiterhin eine axiale Durchführung 54 vorgesehen, in welcher der Ventilschaft 2 und das Erfassungsobjekt 55 entsprechend der Hubbewegung des Ventilschafts 2 transversal bewegbar sind.
Die Spulen 52, 53 sind jeweils an einem unteren und oberen Totpunkt des Erfassungsobjektes 55 angeordnet. Die Spule 52 ist an einem oberen Totpunkt des Erfassungsobjekts 55 angeordnet, das heißt, bezogen auf die Hubrichtung des Ventilschafts 2 in der Höhe, in welcher sich das Erfassungsobjekt 55 in der Schließstellung des Ventiltellers 1 befindet. Die Spule 53 ist an einem unteren Totpunkt des Erfassungsobjekts 55 angeordnet, das heißt, bezogen auf die Hubrichtung des Ventilschafts 2 in der Höhe, in welcher sich das Erfassungsobjekt 55 in der Öffnungsstellung des Ventiltellers 1 befindet. In 1 befindet sich der Ventilteller 1 in der Schließstellung, wobei sich das Erfassungsobjekt 55 in Höhe der Spule 52 befindet.
Die Spulen 52, 53 bilden in der Ausführungsform nach 1 eine Differentialdrossel aus, deren Funktionsprinzip in 4 gezeigt ist. Die Spulen 52, 53 bilden jeweils ein wechselndes Magnetfeld aus.
Das Erfassungsobjekt 55 ist erfindungsgemäß aus einem magnetischen, also ferromagnetischen, antiferromagnetischen oder ferrimagnetischen, Werkstoff ausgebildet. Somit verstärkt das Erfassungsobjekt 55 das Magnetfeld einer Spule 52, 53, welcher es nahe kommt, wodurch sich auch der elektrische Widerstand dieser Spule 52, 53 erhöht. Somit ist eine Positionsermittlung des Erfassungsobjektes 55 möglich.
Die elektrische Kontaktierung der Spulen 52, 53 erfolgt über einen elektrischen Anschluss 56. Der elektrische Anschluss 56 ist in der Ausführungsform gemäß 1 als Flachbandkabel ausgeführt. Der elektrische Anschluss 56 ist vom Sensorkörper 51 zu der Federaufstandsfläche 11 in einen Kabelkanal 6 geführt, welcher gemäß 1 in der Ventilfederführung 30 angeordnet ist. Über den Kabelkanal 6 wird der elektrische Anschluss 56 unter der Ventilfeder 3 nach außen geführt. Damit kommt der elektrische Anschluss 56 mit möglichst wenigen bewegten Teilen der Zylinderkopfventileinheit 10 in Kontakt und die Bruchgefahr ist minimiert.
Weiterhin ist am unteren Ende des Sensorkörpers 51, also dem zur Federaufstandsfläche 11 weisenden Ende, ein von einer Außenseite des Sensorkörpers 51 zur Durchführung 54 reichender Ölablaufkanal 7 vorgesehen. Dafür ist in der Ausführungsform gemäß 1 die Ventilführung 20 angeschrägt und nach außen folgt ein weiterer Kanalbereich zwischen dem Sensorkörper 51 und der Federaufstandsfläche 11. Die Schräge und der weitere Kanalbereich bilden gemeinsam den Ölablaufkanal 7, durch den vermieden wird, dass sich Öl im Sensorkörper 51 ansammelt.
In 2 ist eine Draufsicht auf die Federaufstandsfläche 11 des Zylinderkopfes, die kreisrunde Ventilführung 20 und die ebenfalls kreisrunde Ventilfederführung 30 für die Ventilfeder 3 einer Ausführungsform einer Zylinderkopfventileinheit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ventilfederführung 30 umgibt die Ventilführung 20. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kabelkanal 6 in die Ventilfederführung 30 eingebracht, beispielsweise durch Fräsen. Der Ölablaufkanal 7 ist in die Ventilfederführung 30 und die Ventilführung 20 eingebracht, beispielsweise durch Fräsen.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfventileinheit 10' in einer geschnittenen Querschnittsansicht gezeigt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie bei der Zylinderkopfventileinheit 10 aus 1, wobei auf obige Beschreibung dieser Komponenten verwiesen wird.
Die Zylinderkopfventileinheit 10' wiest im Unterschied zu der Zylinderkopfventileinheit 10 einen Sensorkörper 51' auf, der außerhalb einer Ventilfeder 3 und in einer Ventilfederführung 30' angeordnet ist, welche als eine Vertiefung in einer Federaufstandsfläche 11 ausgebildet ist. Auf dem Sensorkörper 51' sind Spulen 52', 53' vorgesehen, wobei die Spulen 52', 53' als Sekundärspulen eines Differentialtransformators ausgebildet sind. Als Primärspule des Differentialtransformators fungiert eine Spule 57, welche zwischen den beiden Sekundärspulen 52', 53 auf dem Sensorkörper 51' angeordnet ist. Die Spulen 52', 53' erfassen gemäß dem Funktionsprinzip des Differentialtransformators die Position des Erfassungsobjekts 55', welches am Federteller 4' angeordnet ist und sich bei der Hubbewegung des Ventiltellers 1 mitbewegt. Das Erfassungsobjekt 55' ist auch in bei der Zylinderkopfventileinheit 10' aus einem magnetischen, also ferromagnetischen, ferrimagnetischen oder antiferromagnetischen, Material ausgebildet. Auch in 3 befindet sich der Ventilteller 1 in der Schließstellung, wodurch sich das Erfassungsobjekt 55' in Höhe der Spule 52' befindet.
Der Federteller 4' ist bei der Zylinderkopfventileinheit 10' in seiner vertikalen Erstreckung kürzer als der Federteller 4 der Zylinderkopfventileinheit 10 gemäß 1 ausgeführt. Dies ist möglich, da der Sensorkörper 51' der Zylinderkopfventileinheit 10' eine größere vertikale Erstreckung und somit einen größeren Messbereich erlaubt als der Sensorkörper 51 der Zylinderkopfventileinheit 10 gemäß 1. Der Sensorkörper 51' weist weiterhin eine Durchführung 54' auf, in welcher ein Ventilschaft 2, die Ventilfeder 3, der Federteller 4' und das Erfassungsobjekt 55' entsprechend der Hubbewegung des Ventilschafts 2 bewegbar sind.
Die Kontaktierung der Primärspule 57 sowie der Spulen 52', 53', welche als Sekundärspulen ausgebildet sind, erfolgt durch ein Kabel 56'. Dieses ist an einem zur Federaufstandsfläche 11' weisenden Ende des Sensorkörpers 51' seitlich auskragend angeordnet. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Kabel 56' auch als Flachbandkabel ausgeführt sein.
Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel von 1 ist auch in der Ausgestaltungsvariante der 3 ein Ölablaufkanal 7' in dem Sensorkörper 51' vorgesehen.
In 4 ist schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild des Funktionsprinzips der Ventilhubmessvorrichtung 5, die eine Differentialdrossel zur Induktivitätsänderungserfassung und damit zur Ventilhubmessung nutzt, gezeigt. Es ist schematisch gezeigt, dass sich der Ventilteller 1, der Ventilschaft 2, der Federteller 4 und das Erfassungsobjekt 55 gemeinsam in der Hubrichtung A bewegen. Entlang der Hubrichtung A sind in unterschiedlichen Höhen die in Form einer Differentialdrossel in Reihe geschalteten Spulen 52, 53 angeordnet. Die Spulen 52, 53 sind dabei in gleicher Polarisierung geschaltet und sind zusammen mit den Widerständen 12 Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung. Die Spulen 52, 53 sind elektrisch mit einem Oszillator 8 verbunden, der eine Wechselspannung erzeugt. Durch diese Wechselspannung bauen die Spulen 52, 53 jeweils ein mit der Frequenz der Wechselspannung wechselndes Magnetfeld auf. Eine mit dem Oszillator 8 und den Spulen 52, 53 elektrisch verbundene Auswerteeinheit 9 ist derart ausgebildet, dass die durch die Spulen 52, 53 erzeugte Differenzspannung in ein Positionssignal des Erfassungsobjektes 55 umgerechnet wird.
In 5 ist schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ventilhubmessvorrichtung 5' der Zylinderkopfventileinheit 10' aus 3, welche einen Differentialtransformator zur Induktivitätsänderungserfassung und damit zur Ventilhubmessung nutzt, gezeigt. Es ist schematisch gezeigt, dass sich der Ventilteller 1, der Ventilschaft 2, der Federteller 4' und das Erfassungsobjekt 55' gemeinsam in der Hubrichtung A bewegen. Entlang der Hubrichtung A sind in unterschiedlichen Höhen die die Sekundärspulen eines Differentialtransformators ausbildenden, mit entgegengesetzter Polarisierung in Reihe geschalteten Spulen 52', 53' angeordnet. Relativ zur Hubrichtung A und zentriert zu den Spulen 52', 53' ist die Primärspule 57 angeordnet, welche elektrisch mit einem Oszillator 8' verbunden ist. Der Oszillator 8' erzeugt eine Wechselspannung, wodurch die Primärspule 57 ein mit der Frequenz der Wechselspannung wechselndes Magnetfeld aufbaut. Das durch die Primärspule 57 erzeugte Magnetfeld induziert in den Spulen 52', 53' jeweils einen Induktionsstrom mit einer Induktionsspannung. Je näher das Erfassungsobjekt 55' einer der Spulen 52', 53' ist, desto stärker ist das Magnetfeld im Bereich dieser Spule 52', 53' und gleichzeitig umso schwächer an der anderen Spule 52', 53'. Somit werden in den Spulen 52', 53' unterschiedliche Spannungen induziert. Aufgrund der entgegengesetzt polarisierten Schaltung der Spulen 52', 53' ist eine Differenzspannung messbar. Befindet sich das Erfassungsobjekt 55' genau mittig zwischen den Spulen 52', 53', so ist die resultierende Differenzspannung gleich Null. Eine mit dem Oszillator 8 und den Spulen 52', 53' elektrisch verbundene Auswerteeinheit 9' ist derart ausgebildet, dass die durch die Spulen 52', 53' erfasste Differenzspannung in ein Positionssignal des Erfassungsobjektes 55' umgerechnet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005007265 A1 [0003]
DE 19612835 A1 [0004]
DE 102005035316 B4 [0005]

Claims

Zylinderkopfventileinheit (10, 10'), welche einen Ventilteller (1) zum Schließen eines Ein- oder Auslasskanals eines Zylinderkopfes, einen mit dem Ventilteller (1) verbundenen Ventilschaft (2), welcher von einer Ventilführung (20) geführt ist, wenigstens eine um den Ventilschaft (2) vorgesehene Ventilfeder (3), einen an einem dem Ventilteller (1) gegenüber liegenden Ende der Ventilfeder (3) vorgesehenen Federteller (4, 4') zum Übertragen einer Hubkraft auf die Ventilfeder (3) und eine Ventilhubmessvorrichtung (5, 5') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhubmessvorrichtung (5, 5') wenigstens einen Sensorkörper (51, 51') aufweist, auf dem wenigstens zwei Spulen (52, 52', 53, 53') in Hubrichtung des Ventilschafts (2) voneinander beabstandet, in Reihe geschaltet aufgebracht sind, wobei der Sensorkörper (51, 51') mittig eine axiale Durchführung (54, 54') für wenigstens den Ventilschaft (2) aufweist und von dem Federteller (4, 4') ein mit dem Ventilschaft (2) mitbewegbares magnetisches Erfassungsobjekt (55, 55') in die Durchführung (54, 54') hineinragt.
Zylinderkopfventileinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (51) innerhalb der Ventilfeder (3) an der Ventilführung (20) angeordnet ist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsobjekt (55, 55') ringförmig um den Ventilschaft (2) ausgebildet ist.
Zylinderkopfventileinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (51') ringförmig um die Ventilfeder und den durch die Ventilfeder (3) verlaufenden Ventilschaft (2) angeordnet ist.
Zylinderkopfventileinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Anschluss (56) zur Kontaktierung der Spulen (52, 53) an einem oder unterhalb eines dem Federteller (4) gegenüber liegenden Ende(s) der Ventilfeder (3) herausgeführt ist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Anschluss (56) zur Kontaktierung der Spulen (52, 52', 53, 53') als Flachbandkabel ausgebildet ist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Durchführung (54, 54') ein Kabelkanal (6) und/oder ein Ölablaufkanal (7, 7') abgeht, der zwischen einem zu dem Ventilteller (1) zeigenden Ende des Sensorkörpers (51, 51') und einer Federaufstandsfläche (11, 11') verläuft und/oder an einer Längsseite des Sensorkörpers (51, 51') verläuft.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsobjekt (55, 55') wenigstens aus Ferrit ausgebildet ist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federteller (4, 4') aus einem festen Werkstoff oder Werkstoffverbund, der eine geringere Dichte als Ferrit aufweist, in der Art ausgebildet ist, dass sich das Gewicht des Federtellers (4, 4') und des mitbewegbaren magnetischen Erfassungsobjektes (55, 55') nicht oder nur gering gegenüber dem Ausgangszustand verändert.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (51, 51') aus einem Werkstoff oder Werkstoffverbund besteht, welcher dia- oder para- oder unmagnetisch ist und wobei wenigstens eine Oberfläche des Sensorkörpers (51, 51') eine spezifische Leitfähigkeit von weniger als 10³ S/m aufweist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (51, 51') und wenigstens die Spulen (52, 52', 53, 53') mit einem Werkstoff oder Werkstoffverbund ummantelt sind, welches/r eine relative magnetische Permeabilität μ_r von wenigstens 1.000 aufweist.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (52, 52', 53, 53') mit wenigstens einem eine Wechselspannung von wenigstens 1 kHz erzeugenden Oszillator (8, 8') und einer elektronischen Auswerteeinheit (9, 9') elektrisch verbunden sind.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (52, 53) eine Differentialdrossel ausbilden oder die Spulen (52', 53') Sekundärspulen eines Differentialtransformators sind.
Zylinderkopfventileinheit nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleich einer Bewegung des Ventilschafts (2) eine Kalibriervorrichtung mechanisch und/oder optisch mit dem Ventilteller (1) und/oder dem Federteller (4, 4') und elektrisch mit wenigstens den Spulen (52, 52', 53, 53'), dem Oszillator (8, 8') und der Auswerteeinheit (9, 9') verbunden oder verbindbar ist.