DE19529155B4

DE19529155B4 - Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventil

Info

Publication number: DE19529155B4
Application number: DE19529155A
Authority: DE
Inventors: Franz Prof. Dr. Pischinger; Günter Dr.-Ing. Schmitz; Martin Dr.-Ing. Pischinger
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: US5711259A; DE19529155A1

Abstract

Verfahren zur Messung des Spiels zwischen einem Gaswechselventil (1) einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem dieses betätigenden elektromagnetischen Aktuator (5), der einen Schließmagneten (7) und einen Öffnermagneten (8) sowie einen Anker (9) aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder (11) zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist und der auf das Gaswechselventil (1) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Ankers (9) innerhalb des Ventilspiels in Abhängigkeit vom Verlauf der Spannung und/oder des Stromes am Schließmagneten (7) erfasst und aus der durch das Auftreffen des Ankers (9) auf dem Ventil und/oder auf der Polfläche des Schließmagneten (7) bewirkten Unregelmäßigkeit im Verlauf der Spannung und/oder des Stromes die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.

Description

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die einzelnen Gaswechselventile jeweils durch eine Schließfeder in Schließstellung gehalten, so dass das Gaswechselventil nur gegen die Kraft der Schließfeder geöffnet werden kann. Um sicherzustellen, dass das Gaswechselventil auch zuverlässig geschlossen 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 Ausdehnungen der Komponenten bei den unterschiedlichen Betriebsbedingunge das Ventil entweder nicht richtig schließt oder aber mit dem jeweiligen Betätigungsmittel nicht ordnungsgemäß 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 einwirkt, 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 Ausdehnungen 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.

Aus der DE 33 16 588 A1 ist es für einen nockenwellenbetriebenen Ventiltrieb bekannt, über Körperschallaufnehmer eine Bewertung des Schließverhaltens des Ventiltriebes zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein "elektrisches" Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem Gaswechselventil zu schaffen, das über einen elektromagnetischen 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 Polfläche des Schließmagneten bewirkten Unregelmäßigkeit im Verlauf der Spannung und/oder des Stromes die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird. Befindet sich das Gaswechselventil durch Bestromung des Schließmagneten in Schließstellung, dann wird der Haltestrom abgeschaltet, so dass unter dem Einfluss der in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder der Anker in Öffnungsrichtung bewegt wird und nach Durchlaufen der durch das vorhandene Ventilspiel vorgegebenen Strecke plötzlich auf den Schaft des Gaswechselventils auftrifft und hierdurch in seiner Bewegung plötzlich abgebremst 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 Stromverlaufskurve, so dass hieraus, ggf. in Verbindung mit einer entsprechenden 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 Klebzeit 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 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. 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 Haltestroms 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 Haltestroms auf Null. Ferner umfasst der Begriff eine Arbeitsweise, bei der d 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 Haltestrom am Schließmagneten abgeschaltet und kurzzeitig nach dem Abschalten wieder eingeschaltet wird, so dass der Anker sich zunächst in Öffnungsrichtung bewegt, jedoch unmittelbar 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 Ankerbewegung ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, über e 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 werden kann, dass bei einer Motorinspektion, die auch die. Kontrolle 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 beeinflusste Unregelmäßigkeiten in ihrer freien Bewegung beeinträchtigt sind.

Die vorstehend beschriebenen Verfahrensweise bieten den Vorteil, dass das Ventilspiel über rein elektrische Maßnahmen 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 vorgesehen, dass das Gaswechselventil in Schließstellung mechanisch arretier wird. Hierdurch wird bewirkt, dass bei einem Schalten des Stroms am Schließmagneten der Anker nur innerhalb des vorhandenen Ventilspiels bewegt wird. Gerade bei diesem Verfahren ist es dann vorteilhaft, den Schließmagneten zunächst stromlos zu setzen, so dass der Anker am Ventilteller 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 Endlage 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 teilweises 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 Richtung 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 Anschlagen 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 zueinander angeordnete Elektromagneten aufweist, wobei der obere Elektromagnet den Schließmagneten 7 und der untere Elektromagnet 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 Öffnungsrichtung (Pfeil 10) wirkenden Rückstellfeder 11 beaufschlagt ist. Wird der Schließmagnet 7 bestromt, dann liegt der Anker 9, wie dargestellt, an der Polfläche des Schließmagneten 7 an. Da Anker und Gaswechselventil nicht in einer festen Verbindung stehen, ist es nunmehr möglich, durch ein Verschieben des Schließmagneten 7 innerhalb des Gehäuses 6 in Bewegungsrichtung des Gaswechselventils 1 zwischen 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 unter schiedliche Wärmedehnungen 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 Richtung auf den Ventilteller 3 bewegt, wobei die Rückstellfeder 11 zunächst nur die Masse des Ankers 9 zu beschleunigen 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 entgegenwirkende 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 zugehörigen 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 Schließmagneten 7 verbunden, die dann ausgewertet werden kann. Misst man nun die Zeit, die nach dem Abschalten des Haltestromes 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 Gaswechselventil 1 in seiner Schließstellung mechanisch arretiert, dann können die vor stehend beschriebenen Messvorgänge auch in der Weise vorgenommen werden, dass der Anker 9 bei stromlos 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 Zeitmessung, lässt sich wieder die Größe des durch den Spalt 12 vorgegebenen Ventilspiels ableiten.
Bei der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise mit mechanisch in Schließstellung arretiertem Gaswechselventil, sei es durch Festsetzen, sei es durch Entspannen der Rückstellfeder 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 quadratisch 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

Verfahren zur Messung des Spiels zwischen einem Gaswechselventil (1) einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem dieses betätigenden elektromagnetischen Aktuator (5), der einen Schließmagneten (7) und einen Öffnermagneten (8) sowie einen Anker (9) aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder (11) zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbewegbar geführt ist und der auf das Gaswechselventil (1) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Ankers (9) innerhalb des Ventilspiels in Abhängigkeit vom Verlauf der Spannung und/oder des Stromes am Schließmagneten (7) erfasst und aus der durch das Auftreffen des Ankers (9) auf dem Ventil und/oder auf der Polfläche des Schließmagneten (7) bewirkten Unregelmäßigkeit im Verlauf der Spannung und/oder des Stromes die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (9) in einer der beiden Endlagen des Ventilspiels gehalten wird und am Schließmagneten (7) ein Strom geschaltet wird, und dass der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes an der Spule des Schließmagneten (7) ab dem Schalten erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit zwischen dem Schalten des Stromes und der durch das Auftreffen des Ankers (9) auf der Endlage des zu messenden Ventilspiels zugehörigen Fläche bewirkten Unregelmäßigkeit im Verlauf von Strom und/oder Spannung gemessen und hieraus die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bestromung des Schließmagneten (7) das Gaswechselventil in Schließstellung gehalten und der Messvorgang durch Abschalten des Haltestromes eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der der Messung zugrunde liegende Schaltzeitpunkt durch Erkennung des Lösens des Ankers (9) von der Polfläche des Schließmagneten definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Haltestromes mit Erkennen des Ankerlösens der Schließmagnet (7) wieder bestromt wird und aus dem Verlauf von Strom und/oder Spannung und/oder einer Messung der Zeit bis zum Wiederauftreffen des Ankers (9) auf der Polfläche die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1) in Schließstellung mechanisch arretiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1) durch wenigstens teilweises Entspannen der auf den Anker (9) in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder (11) in Schließstellung gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei in Schließstellung gehaltenem Gaswechselventil (1) der stromlos gesetzte Schließmagnet (7) mit einem ansteigenden Strom beaufschlagt wird und aus der für eine Bewegung des Ankers (9) bis zur Anlage an der Polfläche des Schließmagneten (7) erforderlichen Größe des Stromes das bestehende Ventilspiel abgeleitet wird.