Der Erfindung liegt insbesondere
die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen,
mit der bei reduziertem Aufwand die Gleichgewichtslage besonders
exakt ermittelbar ist. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den weiteren
Ansprüchen
entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung mit einer Sensoreinheit und einer Auswerteeinheit zur
Ermittlung einer Gleichgewichtslage eines Ankers eines Aktuators,
insbesondere zur Betätigung eines
Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, der eine elektromagnetische
Einheit und einen Federmechanismus umfasst, über den der Anker bei abgeschalteter
elektromagnetischer Einheit in der Gleichgewichtslage zwischen zwei
Endstellungen gehalten ist. Die Gleichgewichtslage ergibt sich aus im
Federmechanismus gespeicherten Energien.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis
aus, dass ein Bewegungsverhalten des Ankers aus seinen Endstellungen
heraus abhängig
ist von der vorliegenden Gleichgewichtslage. Aufgrund dessen wird vorgeschlagen,
dass über
die Sensoreinheit eine Bewegungskenngröße des Ankers bei einer Bewegung desselben
von zumindest einer Endstellung zur Gleichgewichtslage erfassbar
und mittels der Auswerteeinheit von der Bewegungskenngröße auf die Gleichgewichtslage
schließbar
ist. Bei der Bewegung des Ankers von der Endstellung zur Gleichgewichtslage
wirken in der Regel im Wesentlichen ausschließlich die Kräfte des
Federmechanismus auf den Anker. Störeinflüsse der elektromagnetischen
Einheit auf die Ermittlung der Bewegungskenngröße können zumindest weitgehend vernachlässigt bzw.
können
bekannte Störeinflüsse, wie
beispielsweise Gasdrücke im
Zylinder, vorteilhaft berücksichtigt
werden, und es kann die Gleichgewichtslage mit geringem Aufwand besonders
exakt ermittelt werden. Unter Bewegungskenngröße soll in diesem Zusammenhang
eine Kenngröße verstanden
werden, über
die insbesondere auf eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung
des Ankers in einer bestimmten Lage geschlossen werden kann.
Ferner kann eine dynamische Erfassung
der Gleichgewichtslage insbesondere auch während des Betriebs erreicht
werden, und die ermittelte Gleichgewichtslage kann vorteilhaft zur
Steue rung und/oder Regelung des Aktuators und/oder der Brennkraftmaschine
genutzt werden. Es kann eine verbesserte Start- bzw. Anschwingroutine
des Aktuators erzielt und während
des Betriebs kann frühzeitig
und gezielt reagiert bzw. gegengesteuert werden, beispielsweise durch
gezielte Bremseingriffe auf den Anker mittels einer Bestromung eines
Elektromagneten. Zudem können
unterschiedliche Maximalstromeinstellungen bei unterschiedlichen
Gleichgewichtslagen eingestellt und/oder es kann eine Lastbegrenzung
bei bestimmten, ungünstigen
Gleichgewichtslagen eingeleitet werden, so dass Beschädigungen
des Aktuators und des Gaswechselventils vermeidbar sind und eine
so genannte Limp-home-Funktion erreichbar ist. Es kann eine einfache
Einstellung des Federmechanismus in der Produktion und im Servicefall
und es kann ein energiesparender, geräuscharmer sowie sicherer Betrieb
erzielt werden. Gegenüber
einer statischen Kraftmessung können
zudem ungewünschte Einflüsse eines
Spielausgleichselements, insbesondere eines hydraulischen Spielausgleichselements, auf
die Ermittlung der Gleichgewichtslage zumindest weitgehend vermieden
werden.
Ferner kann die Vorrichtung vorteilhaft
als Diagnosesystem genutzt werden, und zwar insbesondere vorteilhaft,
wenn die Gleichgewichtslage periodisch ermittelt wird. Insbesondere
Verschleiß,
Setzerscheinungen des Federmechanismus und Fehlfunktionen des Aktuators
können
durch die Vorrichtung frühzeitig
erkannt und anschließend
bei der Steuerung berücksichtigt
werden. Es kann eine zumindest weitgehend kontinuierliche Anpassung
erreicht werden. Vorteilhaft wird dabei die Gleichgewichtslage stets
in bestimmten Betriebspunkten, nach definierten Betriebszeiten und/oder
nach definierten Laufleistungen ermittelt.
Ist über die Sensoreinheit die Bewegungskenngröße ausgehend
von der Endstellung in einem Teilhubbereich erfassbar, der kleiner
ist als 40% eines Gesamthubs und besonders vorteilhaft kleiner ist als
30% des Gesamthubs, können
insbesondere ungewünschte
Einflüsse
eines der Endstellung gegenüberliegen den
Elektromagneten auf die Ermittlung der Gleichgewichtslage vermieden
werden. Ferner kann eine kostengünstige
Sensoreinheit erreicht werden, und zwar insbesondere wenn die Sensoreinheit
wenigstens eine Spule zur Erfassung der Bewegungskenngröße des Ankers
umfasst, wie insbesondere zur Erfassung eines vom Anker in der Spule
induzierten Stroms oder einer induzierten Spannung. Die Spule kann
vorteilhaft platzsparend innerhalb des der Endstellung zugeordneten
Elektromagneten integriert werden und kann dabei einstückig mit
der Spule des Elektromagneten oder von dieser getrennt ausgeführt sein.
Im letztere Fall kann die Spule vorteilhaft gezielt auf ihre Funktion
ausgelegt und eine besonders sensible Sensoreinheit kann erreicht
werden.
Ferner kann eine besonders einfache
und schnelle Auswertung erreicht werden, indem über die Sensoreinheit eine
Flugzeit des Ankers von der Endstellung bis zu wenigstens einem
Hubschwellenwert erfassbar ist. Grundsätzlich könnte jedoch auch über die
Sensoreinheit eine genaue Hubverfolgung durchgeführt oder es könnte ein
zeitlicher Verlauf bis zu einem Hubschwellenwert erfasst werden
usw.
In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung wird vorgeschlagen, dass mittels der Auswerteeinheit neben
der Bewegungskenngröße wenigstens ein
weiterer Betriebsparameter bei der Ermittlung der Gleichgewichtslage
verwertbar ist. Störgrößen im Hinblick
auf die Ermittlung der Gleichgewichtslage können eliminiert und es können besonders
genaue Werte erzielt werden. Der Betriebsparameter kann dabei durch
die Sensoreinheit erfasst oder aus einem bereits vorhandenen Datennetzwerk,
beispielsweise an einem CAN-Bus (CAN: Controller Area Network), abgegriffen
werden.
Grundsätzlich können sämtliche, dem Fachmann als sinnvoll
erscheinende Betriebsparameter bei der Ermittlung der Gleichgewichtslage
mit berücksichtigt
werden, wie beispielsweise auf ein Gaswechselventil wirkende Gaskräfte während des
Betriebs usw. Besonders vorteilhaft wird jedoch zumindest ein Temperaturwert
bei der Ermittlung der Gleichgewichtslage berücksichtigt, wodurch häufig wesentliche,
temperaturbedingte Störgrößen im Hinblick
auf die Ermittlung der Gleichgewichtslage eliminiert werden können, wie
insbesondere aus einer temperaturabhängigen Viskosität von Schmierstoffen resultierende
Störgrößen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 einen
Ausschnitt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
2 einen
Ausschnitt mit Hubverlaufskurven bei unterschiedlichen Gleichgewichtslagen.
1 zeigt
einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit
einem in einem Kurbelgehäuse 21 geführten Hubkolben 22 und einem
am Kurbelgehäuse 21 abschließenden Zylinderkopf 23.
Auf und teilweise im Zylinderkopf 23 ist ein Ventiltrieb
mit einem elektromagnetischen Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils 24 angeordnet.
Der Aktuator besitzt eine elektromagnetische Einheit 45 mit
einem ersten, in Öffnungsrichtung 25 wirkenden Öffnungsmagneten 26 und
einem zweiten, in Schließrichtung 27 wirkenden
Schließmagneten 28,
zwischen denen ein Anker 11 koaxial ver schiebbar angeordnet
ist. Der Anker 11 wirkt über einen in einer Ankerschaftführung 29 geführten Ankerschaft 30 und über ein
hydraulisches Spielausgleichselement 31 auf einen Ventilschaft 32,
der in einer Schaftführung 33 im
Zylinderkopf 23 geführt
ist.
Ferner wirkt auf den Ventilschaft 32 ein
Federmechanismus 20 mit einer oberen, in Öffnungsrichtung 25 wirkenden
Ventilfeder 34 und einer unteren, in Schließrichtung 27 wirkenden
Ventilfeder 35. Der Anker 11 ist bei abgeschalteter
elektromagnetischer Einheit über
den Federmechanismus 20 in einer Gleichgewichtslage 14 zwischen
zwei Endstellungen 12, 13 gehalten. Aufgrund dessen,
dass die Gleichgewichtslage 14 häufig vorteilhaft genau mittig sich
zwischen den Endstellungen 12, 13 befindet, wird
diese oft auch als Mittenlage bezeichnet.
Die in Schließrichtung 27 wirkende
Ventilfeder 35 ist in einem in den Zylinderkopf 23 eingebrachten
Federraum 36 auf der dem Gaswechselventil 24 zugewandten
Seite des Öffnungsmagneten 26 angeordnet,
stützt
sich über
eine Ringscheibe 37 am Zylinderkopf 23 ab und
wirkt über
eine Federauflage 38 in Schließrichtung 27 auf den
Ventilschaft 32.
Die in Öffnungsrichtung 25 wirkende
Ventilfeder 34 ist auf der dem Gaswechselventil 24 abgewandten
Seite des Schließmagneten 28 angeordnet und
stützt
sich mit einem dem Gaswechselventil 24 abgewandten Ende
an einer topfförmigen
Federauflage 39 ab, die auf dem Zylinderkopf 23 befestigt
ist.
Ferner wirkt die obere Ventilfeder 34 mit
einem dem Gaswechselventil 24 zugewandten Ende über eine
Federauflage 40 auf einen Federstößel 41, der über eine
Führung 42 im
Schließmagneten 28 geführt ist
und mit einer in Richtung Gaswechselventil 24 weisenden
Stirnseite auf eine Stirnseite des Ankerschafts 30 wirkt.
Um beim Start der Brennkraftmaschine
den Anker 11 aus seiner Gleichgewichtslage 14 zwischen den
Elektromagneten 26, 28 anzuziehen, wird entweder
der Schließmagnet 28 oder
der Öffnungsmagnet 26 kurzzeitig übererregt
oder der Anker 11 mit einer Anschwingroutine mit seiner
Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt.
In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 24 liegt
der Anker 11 an einer Polfläche des bestromten Schließmagneten 28 an
und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 28 spannt
die in Öffnungsrichtung 25 wirkende
Ventilfeder 34 weiter vor. Um das Gaswechselventil 24 zu öffnen, wird
der Schließmagnet 28 ausgeschaltet
und der Öffnungsmagnet 26 eingeschaltet.
Die in Öffnungsrichtung 25 wirkende
Ventilfeder 34 beschleunigt den Anker 11 über die
Gleichgewichtslage 14 hinaus, so dass dieser vom Öffnungsmagneten 26 angezogen
wird. Der Anker 11 schlägt
auf eine Polfläche
des Öffnungsmagneten 26 auf
und wird von diesem in der Endstellung 13 gehalten. Um
das Gaswechselventil 24 wieder zu schließen, wird
der Öffnungsmagnet 26 ausgeschaltet
und der Schließmagnet 28 eingeschaltet.
Die in Schließrichtung 27 wirkende
Ventilfeder 35 beschleunigt den Anker 11 über die
Gleichgewichtslage 14 hinaus zum Schließmagneten 28. Der
Anker 11 wird vom Schließmagneten 28 angezogen,
schlägt
auf die Polfläche
des Schließmagneten 28 auf
und wird von diesem in der Endstellung 12 gehalten.
Zur Ermittlung der Gleichgewichtslage 14 des
Ankers 11 ist eine Vorrichtung mit einer Sensoreinheit 10 und
einer Auswerteeinheit 15 vorgesehen. Über die Sensoreinheit 10 ist
eine Bewegungskenngröße des Ankers 11 bei
einer Bewegung desselben von der Endstellung 12 zur Gleichgewichtslage 14 und
von der Endstellung 13 zur Gleichgewichtslage 14 erfassbar,
wobei mittels der Auswerteeinheit 15 von der Bewegungskenngröße auf die
Gleichgewichtslage 14 schließbar ist.
Die Sensoreinheit 10 umfasst
zwei Spulen 16, 17 zur Erfassung eines infolge
des Ankers 11 in den Spulen 16, 17 induzierten
Stroms, die innerhalb von Kernen, jeweils im radial äußeren Bereich
von Spulen 43, 44 der Elektromagnete 26, 28 angeordnet sind.
Der in den Spulen 16, 17 induzierte Strom ist abhängig von
einem Bewegungsverhalten des Ankers 11 ausgehend von seinen
Endstellungen 12, 13.
Periodisch wird jeweils nach beispielsweise 1000
km Fahrstrecke des Kraftfahrzeugs jeweils beim Abschalten der Brennkraftmaschine
die Gleichgewichtslage 14 ermittelt, und zwar von sämtlichen Aktuatoren
der Brennkraftmaschine. Die Gleichgewichtslage 14 wird
von der Endstellung 12 oder 13 aus ermittelt,
in der sich der Anker 11 beim Abschalten der Brennkraftmaschine
befindet. Befindet sich der Anker 11 beim Abschalten in
keiner Endstellung 12 oder 13 oder kann die Gleichgewichtslage 14 aus einem
anderen Grund nicht ermittelt werden, wird diese beim nächsten Abschalten
der Brennkraftmaschine ermittelt.
Bei der Ermittlung der Gleichgewichtslage 14 wird über die
Sensoreinheit 10 eine Flugzeit des Ankers 11 von
der Endstellung 12 bzw. 13 bis zu einem Hubschwellenwert 18 bzw. 19 erfasst,
wobei der Hubschwellenwert 18 bzw. 19 ausgehend
von der jeweiligen Endstellung 12 bzw. 13 einen
Teilhubbereich begrenzt, der ca. 25% eines Gesamthubs darstellt (2). Bei einer Gleichgewichtslage 14 ergibt
sich eine Hubverlaufskurve 48.
Weist der Federmechanismus 20 eine Gleichgewichtslage 14' auf, die im
Vergleich zur mit einer Mittenlage übereinstimmenden Gleichgewichtslage 14 in Öffnungsrichtung 25 zur
Endstellung 13 bzw. zum Öffnungsmagneten 26 verschoben
ist, wird der Hubschwellenwert 19 ausgehend von der Endstellung 12 nach
einer kürzeren
Zeit und der Hubschwellenwert 18 ausgehend von der Endstellung 13 nach
einer längeren
Zeit erreicht. Im Vergleich zum korrekt eingestellten Aktuator mit
der Gleichge wichtslage 14 weist die in Öffnungsrichtung 25 wirkende
Ventilfeder 34 in der Schließstellung bzw. in der Endstellung 12 eine
höhere
Spannenergie und die in Schließrichtung 27 wirkende
Ventilfeder 35 in der Öffnungsstellung
bzw. in der Endstellung 13 eine niedrigere Spannenergie
auf. Bei einer Gleichgewichtslage 14' ergibt sich eine Hubverlaufskurve 49.
Weist der Federmechanismus 20 eine Gleichgewichtslage 14'' auf, die im Vergleich zur Gleichgewichtslage 14 in
Schließrichtung 27 zur Endstellung 12 bzw.
zum Schließmagneten 28 verschoben
ist, wird der Hubschwellenwert 19 ausgehend von der Endstellung 12 nach
einer längeren
Zeit und der Hubschwellenwert 18 ausgehend von der Endstellung 13 nach
einer kürzeren
Zeit erreicht. Im Vergleich zum korrekt eingestellten Aktuator mit
der Gleichgewichtslage 14 weist die in Öffnungsrichtung 25 wirkende
Ventilfeder 34 in der Schließstellung bzw. in der Endstellung 12 eine
niedrigere Spannenergie und die in Schließrichtung 27 wirkende
Ventilfeder 35 in der Öffnungsstellung
bzw. in der Endstellung 13 eine höhere Spannenergie auf. Bei
einer Gleichgewichtslage 14'' ergibt sich
eine Hubverlaufskurve 50.
Dieses Verhalten zeigt sich dabei
in jedem Betriebspunkt, so dass grundsätzlich auch denkbar ist, die
Gleichgewichtslage 14 während
des Betriebs in bestimmten Betriebszuständen, und zwar insbesondere
vorteilhaft in definierten Betriebszuständen, zu erfassen, beispielsweise
stets oder nach bestimmten Zeitabschnitten, wenn ein oder mehrere Betriebspunkte
durchfahren werden.
In der Auswerteeinheit 15 sind
neben der Bewegungskenngröße weitere
Betriebsparameter bei der Ermittlung der Gleichgewichtslage 14 verwertbar, und
zwar insbesondere Schmiermitteltemperaturwerte, Gasdruckwerte im
Zylinder, Gasströmungskräfte usw.,
die über
eine Datenleitung 46 aus einem Datennetzwerk auslesbar
sind.
Die ermittelte Gleichgewichtslage 14 wird
einer Steuer- und Regeleinheit 47 zugeführt und wird zur Steuerung
und Regelung des Aktuators und der Brennkraftmaschine genutzt. Eine
Klassifizierung der Gleichgewichtslage 14 kann dabei beliebig
fein erfolgen, sie sollte jedoch möglichst auf eine vorliegende Sensorgenauigkeit
abgestimmt werden.
Im Ausführungsbeispiel ist ein Aktuator
mit einem translatorisch verschiebbaren Anker 11 dargestellt.
Grundsätzlich
ist die erfindungsgemäße Lösung jedoch
auch bei anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Aktuatoren
anwendbar, wie insbesondere bei Aktuatoren mit einem schwenkbar gelagerten
Anker.