DE19529155A1 - Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventil - Google Patents

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.