DE19529155A1 - Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventil - Google Patents
Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten GaswechselventilInfo
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Description
Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die einzelnen Gas
wechselventile jeweils durch eine Schließfeder in Schließ
stellung gehalten, so daß das Gaswechselventil nur gegen
die Kraft der Schließfeder geöffnet werden kann. Um sicher
zustellen, daß das Gaswechselventil auch zuverlässig ge
schlossen ist, besteht zwischen dem Betätigungsmittel und
dem Gaswechselventil keine feste Verbindung, sondern es
wird zwischen den beiden Komponenten ein definierter Spalt
vorgesehen, der als Ventilspiel bezeichnet wird. Hierdurch
wird vermieden, daß schon aufgrund von thermischen Ausdeh
nungen der Komponenten bei den unterschiedlichen Betriebs
bedingungen das Ventil entweder nicht richtig schließt
oder aber mit dem jeweiligen Betätigungsmittel nicht ord
nungsgemäß in Wirkverbindung steht.
Bei der Verwendung eines elektromagnetischen Aktuators,
der einen Schließmagneten und einen Öffnermagneten sowie
einen Anker aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer
Rückstellfeder zwischen den beiden Elektromagneten hin-
und herbewegbar ist und der auf das Gaswechselventil ein
wirkt, wobei eine der Rückstellfedern die Schließfeder
das Gaswechselventils bildet, muß nun die Anordnung so
getroffen werden, daß der Anker bei geschlossenem Ventil
an der Polfläche des Schließmagneten anliegt, andererseits
bei Betätigung des Öffnermagneten das Gaswechselventil
auch zuverlässig in der gewünschten Weise geöffnet wird.
Würde man nun den Anker fest mit dem Ventil verbinden,
so würde alleine schon aufgrund der thermischen Ausdeh
nungen bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen in
ähnlicher Weise wie bei anderen Aktuatoren entweder das
Ventil nicht richtig schließen oder aber der Anker nicht
an der Polfläche des Schließmagneten anliegen. Wegen der
geschlossenen Bauweise derartiger elektromagnetischer
Aktuatoren ist der das Ventilspiel definierende Spalt
zwischen Anker und Schaft des Gaswechselventils praktisch
nicht frei zugänglich, so daß eine mechanische Messung
praktisch nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein "elektri
sches" Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem
Gaswechselventil zu schaffen, das über einen elektromagne
tischen Aktuator betätigt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß die Bewegung des Ankers innerhalb des Ventilspiels
in Abhängigkeit vom Verlauf der Spannung und/oder des
Stromes am Schließmagneten erfaßt und aus der durch das
Auftreffen des Ankers auf dem Ventil und/oder auf der Pol
fläche des Schließmagneten bewirkten Unregelmäßigkeit im
Verlauf der Spannung und/oder des Stromes die Größe des
Ventilspiels abgeleitet wird. Befindet sich das Gaswechsel
ventil durch Bestromung des Schließmagneten in Schließstel
lung, dann wird der Haltestrom abgeschaltet, so daß unter
dem Einfluß der in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder
der Anker in Öffnungsrichtung bewegt wird und nach Durch
laufen der durch das vorhandene Ventilspiel vorgegebenen
Strecke plötzlich auf den Schaft des Gaswechselventils
auftrifft und hierdurch in seiner Bewegung plötzlich abge
bremst wird. Je nach den Gegebenheiten kann das Abschalten
des Haltestroms unmittelbar auf Null erfolgen, wobei durch
den Abbau des Magnetfeldes der Abfall des Stromes auf Null
eine gewisse Zeit benötigt. In gleicher Weise ist es auch
möglich, den Haltestrom geregelt gegen Null zu führen,
so daß hier ein definierter Strom- bzw. Spannungsverlauf
gegeben ist. Da das Auftreffen des Ankers auf den Schaft
bzw. den Teller des Gaswechselventils bei den gegebenen
Spielgrößen noch innerhalb einer Zeit erfolgt, in der der
Abfall des Haltestroms erfolgt, ergibt sich im Verlauf
der Strom- bzw. der Spannungskurve durch die plötzliche
Änderung der Induktivität eine entsprechend deutliche
Unregelmäßigkeit in der Spannungs- oder Stromverlaufs
kurve, so daß hieraus, ggf. in Verbindung mit einer ent
sprechenden Zeitmessung, eine Aussage über die Größe des
Ventilspiels getroffen werden kann. Die Genauigkeit kann
noch dadurch erhöht werden, daß bei der Auswertung des
Verlaufs von Spannung und/oder Strom die sogenannte Kleb
zeit des Ankers am Haltemagneten berücksichtigt wird. Dies
kann durch eine entsprechende Zeitvorgabe und/oder ggf.
durch Erkennen signifikanter Abweichungen in der Spannungs-
oder Stromverlaufskurve berücksichtigt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß der Anker in einer der beiden
Endlagen des Ventilspiels gehalten wird und am Schließ
magneten ein Strom geschaltet wird, und daß der Verlauf
der Spannung und/oder des Stromes an der Spule des Schließ
magneten ab dem Schalten erfaßt wird. Dieses Verfahren
ist in zwei Modifikationen möglich. In einer ersten Version
wird das Ventil durch Bestromen des Schließmagneten in
seiner Schließstellung gehalten. Der Begriff "Schalten"
im Sinne des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens
umfaßt zum einen das vollständige Abschalten des Halte
stroms auf Null, so daß sich der Verlauf der Spannung
und/oder des Stromes über den Abbau des Magnetfeldes am
Schließmagneten ergibt. Der Begriff umfaßt aber auch ein
geregeltes Vermindern des Stromes von der Höhe des Halte
stroms auf Null. Ferner umfaßt der Begriff eine Arbeits
weise, bei der der Strom auf Null gesetzt wird, für die
Beurteilung jedoch zusätzlich zu dem Abschaltzeitpunkt
auch die Klebzeit des Ankers am Magneten, sei es durch
eine fest vorgegebene Zeit, sei es durch ein Erkennen des
Bewegungsbeginnes mit berücksichtigt wird. Der Begriff
"Schalten" beinhaltet ferner den Vorgang, daß der Halte
strom am Schließmagneten abgeschaltet und kurzzeitig nach
dem Abschalten wieder eingeschaltet wird, so daß der Anker
sich zunächst in Öffnungsrichtung bewegt, jedoch unmittel
bar danach wieder gefangen wird.
Anstelle oder zusätzlich zu den erfaßten Signifikanzen
im Verlauf der Spannung und/oder des Stromes, ggf. unter
Berücksichtigung einer Erkennung des Beginns der Ankerbewe
gung ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mög
lich, über eine Messung der Zeit zwischen dem Schalten
des Stromes und der durch das Auftreffen des Ankers auf
der der Endlage des zu messenden Ventilspiels zugehörigen
Fläche bewirkten Unregelmäßigkeit im Verlauf von Strom
und/oder Spannung die Größe des Ventilspiels abzuleiten.
Die jeweils gemessenen Zeiten können dann mit vorgegebenen
Eichkurven verglichen werden, wobei davon ausgegangen wer
den kann, daß bei einer Motorinspektion, die auch die. Kon
trolle des Ventilspiels beinhaltet, zunächst einmal die
Motorfunktion als solche im Betrieb geprüft wird, so daß
sichergestellt ist, daß die einzelnen Gaswechselventile
nicht durch erhöhte Reibung oder sonstige mechanisch be
einflußte Unregelmäßigkeiten in ihrer freien Bewegung be
einträchtigt sind.
Die vorstehend beschriebenen Verfahrensweise bieten den
Vorteil, daß das Ventilspiel über rein elektrische Maß
nahmen im Rahmen einer elektronischen Motorüberwachung
geprüft werden kann, ohne daß es erforderlich ist, sich
durch Öffnen des Ventildeckels Zugang zu den Aktuatoren
zu verschaffen.
In einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
jedoch den Zugang zu den Aktuatoren erfordert, ist vorge
sehen, daß das Gaswechselventil in Schließstellung mecha
nisch arretiert wird. Hierdurch wird bewirkt, daß bei einem
Schalten des Stroms am Schließmagneten der Anker nur inner
halb des vorhandenen Ventilspiels bewegt wird. Gerade bei
diesem Verfahren ist es dann vorteilhaft, den Schließmagne
ten zunächst stromlos zu setzen, so daß der Anker am Ven
tilteller anliegt und anschließend den Schließmagneten
mit einem ansteigenden Strom zu beaufschlagen. Da die
Magnetkraft quadratisch mit der Zunahme des Ankerabstandes
von der Polfläche abnimmt, ist der Bewegungsbeginn des
Ankers in Richtung auf den Schließmagneten gegen die Kraft
der Rückstellfeder sowohl von der Größe des Stromes als
auch von der Größe des Ventilspiels abhängig. Damit ist
für jeden gegebenen Ankerabstand eine bestimmte Höhe des
zuzuführenden Stromes notwendig, um den Anker aus der End
lage am Gaswechselventil in seine Endlage an der Polfläche
des Schließmagneten zu bringen, so daß über die Erfassung
der Stromgröße die jeweils gegebene Größe des Ventilspiels
abgeleitet werden kann.
In einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorgesehen, daß das Gaswechselventil durch wenigstens teil
weises Entspannen der auf den Anker in Öffnungsrichtung
wirkenden Rückstellfeder in Schließstellung gehalten wird.
Die Rückstellfeder wird in vorteilhafter Weise so weit
entspannt, daß sich die Gleichgewichtslage zwischen der
in Schließrichtung wirkenden Rückstellfeder und der in
Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder so weit in Rich
tung auf den elektromagnetischen Aktuator verschoben ist,
daß das Gaswechselventil in Schließstellung durch die
Schließfeder gehalten wird. Damit ist es dann möglich,
das Ventilspiel über eine Erfassung des Bewegungsablaufes
durch Bestromen des Schließmagneten abzuleiten oder durch
Schalten des bestromten Schließmagneten, so daß sich der
Anker von der Polfläche des Schließmagneten bis zum An
schlagen am Ventilteller des Gaswechselventils bewegt.
Die vorstehenden unterschiedlichen Verfahrensweisen sowie
die Auswertung können nun in der Weise automatisiert werden,
daß das Verfahren zur Messung des Ventilspiels in ein
Diagnosesystem integriert werden kann, so daß das gemessene
Ventilspiel oder eine Abweichung von einem Soll angezeigt
wird.
In der Zeichnung ist ein Gaswechselventil 1 dargestellt,
dessen Ventilschaft 2 mit einem Ventilteller 3 versehen
ist, auf dem sich eine Schließfeder 4 abstützt, die das
Gaswechselventil 1 in der dargestellten Schließstellung
hält.
Dem Gaswechselventil 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator
5 zugeordnet, der in einem Gehäuse 6 zwei mit Abstand zuein
ander angeordnete Elektromagneten aufweist,. wobei der obere
Elektromagnet den Schließmagneten 7 und der untere Elektro
magnet den Öffnermagneten 8 darstellt. Zwischen den beiden
Elektromagneten 7 und 8 ist ein Anker 9 angeordnet, der hin-
und herbewegbar geführt ist, und der durch eine in Öffnungs
richtung (Pfeil 10) wirkenden Rückstellfeder 11 beaufschlagt
ist. Wird der Schließmagnet 7 bestromt, dann liegt der
Anker 9, wie dargestellt, an der Polfläche des Schließmagne
ten 7 an. Da Anker und Gaswechselventil nicht in einer
festen Verbindung stehen, ist es nunmehr möglich, durch
ein Verschieben des Schließmagneten 7 innerhalb des Ge
häuses 6 in Bewegungsrichtung des Gaswechselventils 1 zwi
schen dem Anker 9 und dem Ventilteller 3 als Ventilspiel
einen Spalt 12 einzustellen, der beispielsweise eine Größe
von etwa 0,6 mm aufweist. Die Größe des Ventilspiels ist
so bemessen, daß beispielsweise unterschiedliche Wärmedeh
nungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem
Zeitpunkt dazu führen, daß bei einem Halten des Ankers
9 in Schließstellung dieser den Ventilteller 3 berührt
oder aber das Ventil sogar aufdrückt.
Wird nun der Haltestrom am Schließmagneten 7 abgeschaltet,
dann wird der Anker 9 durch die Rückstellfeder 11 in Rich
tung auf den Ventilteller 3 bewegt, wobei die Rückstell
feder 11 zunächst nur die Masse des Ankers 9 zu beschleuni
gen und zu bewegen hat. Mit dem Auftreffen des Ankers auf
dem Ventilteller 3 muß nicht nur die Masse des Ventils
beschleunigt werden, sondern gleichzeitig auch die ent
gegenwirkende Kraft der Schließfeder 4 überwunden werden.
Bei noch vorhandenem Magnetfeld im Schließmagneten 7 wird
durch das Entfernen des Ankers von seiner Polfläche eine
Änderung des magnetischen Flusses bewirkt. An der zugehöri
gen Spule des Schließmagneten 7 entsteht nun eine Spannung,
die proportional zur Änderung des magnetischen Flusses
ist. Eine plötzliche Änderung in der Bewegung des Ankers
9 durch das Auftreffen auf dem Ventilteller 3 ist mit einer
plötzlichen Spannungsänderung an der Spule des Schließ
magneten 7 verbunden, die dann ausgewertet werden kann.
Mißt man nun die Zeit, die nach dem Abschalten des Halte
stromes und/oder vom Erkennen des Loslösens des Ankers
von der Polfläche bis zum Auftreten dieser Unregelmäßigkeit
in Form eines peaks im Spannungsverlauf vergeht, dann hat
man eine Möglichkeit, auf die Größe des durch den Spalt
12 vorgegebenen Ventilspiels Rückschlüsse zu ziehen.
Wird nun durch Entspannen der in Öffnungsrichtung wirkenden
Rückstellfeder 11 oder durch mechanische Mittel das Gaswech
selventil 1 in seiner Schließstellung mechanisch arretiert,
dann können die vor stehend beschriebenen Meßvorgänge auch
in der Weise vorgenommen werden, daß der Anker 9 bei strom
los gesetztem Schließmagneten 7 zunächst unter dem Einfluß
der Rückstellfeder 11 am Ventilteller 3 anliegt. Wird der
Strom eingeschaltet, dann ergeben sich, wie vorstehend
beschrieben, im Verlauf der Spannung und/oder des Stromes
entsprechend signifikante Änderungen in dem Augenblick,
in dem der Anker 9 auf der Polfläche des Schließmagneten 7
auftrifft. Hieraus, ggf. in Kombination mit einer Zeitmes
sung, läßt sich wieder die Größe des durch den Spalt 12
vorgegebenen Ventilspiels ableiten.
Bei der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise mit mecha
nisch in Schließstellung arretiertem Gaswechselventil,
sei es durch Festsetzen, sei es durch Entspannen der Rück
stellfeder 11, läßt sich die Größe des durch den Spalt
12 vorgegebenen Ventilspiels auch noch in anderer Weise
ableiten. Da die Magnetkraft, bezogen auf die Polfläche
mit zunehmendem Abstand des Ankers von der Polfläche quadra
tisch abnimmt, kann der Anker entsprechend der Größe des
vorhandenen Spaltes 12 erst dann aus seiner am Ventilteller
3 anliegenden Stellung in Richtung auf den Schließmagneten
7 bewegt werden, wenn durch einen Strom entsprechender
Größe eine Magnetkraft auf den Anker einwirkt, die diesen
gegen die Wirkung der Rückstellfeder 11, sei sie nun in
Betriebsspannung oder teilweise entspannt, in Richtung
auf den Schließmagneten bewegt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Messung des Spiels zwischen einem Gas
wechselventil einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem
dieses betätigenden elektromagnetischen Aktuator, der einen
Schließmagneten und einen Öffnermagneten sowie einen Anker
aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder
zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbewegbar
geführt ist und der auf das Gaswechselventil einwirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Ankers inner
halb des Ventilspiels in Abhängigkeit vom Verlauf der
Spannung und/oder des Stromes am Schließmagneten erfaßt
und aus der durch das Auftreffen des Ankers auf dem Ventil
und/oder auf der Polfläche des Schließmagneten bewirkten
Unregelmäßigkeit im Verlauf der Spannung und/oder des
Stromes die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker in einer der beiden Endlagen des Ventilspiels
gehalten wird und am Schließmagneten ein Strom geschaltet
wird, und daß der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes
an der Spule des Schließmagneten ab dem Schalten erfaßt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeit zwischen dem Schalten des Stromes und der
durch das Auftreffen des Ankers auf der Endlage des zu
messenden Ventilspiels zugehörigen Fläche bewirkten Unregel
mäßigkeit im Verlauf von Strom und/oder Spannung gemessen
und hieraus die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß durch Bestromung des Schließmagneten
das Gaswechselventil in Schließstellung gehalten und der
Meßvorgang durch Abschalten des Haltestromes eingeleitet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der der Messung zugrunde liegende
Schaltzeitpunkt durch Erkennung des Lösens des Ankers von
der Polfläche des Schließmagneten definiert ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten des Haltestromes
mit Erkennen des Ankerlösens der Schließmagnet wieder
bestromt wird und aus dem Verlauf von Strom und/oder
Spannung und/oder einer Messung der Zeit bis zum Wiederauf
treffen des Ankers auf der Polfläche die Größe des Ventil
spiels abgeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil in Schließstellung
mechanisch arretiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil durch wenigstens
teilweises Entspannen der auf den Anker in Öffnungsrichtung
wirkenden Rückstellfeder in Schließstellung gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß bei in Schließstellung gehaltenem Gas
wechselventil der stromlos gesetzte Schließmagnet mit einem
ansteigenden Strom beaufschlagt wird und aus der für eine
Bewegung des Ankers bis zur Anlage an der Polfläche des
Schließmagneten erforderlichen Größe des Stromes das be
stehende Ventilspiel abgeleitet wird.
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