DE19531437A1 - Verfahren zur Erfassung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventil - Google Patents
Verfahren zur Erfassung des Ventilspiels an einem durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten GaswechselventilInfo
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Description
Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die einzelnen Gaswechsel
ventile 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 Gaswechselven
til 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 Komponen
ten bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen 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 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 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 Bau
weise 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 nach dem Abschalten des Haltestroms IH am haltenden
Elektromagneten unter Berücksichtigung der Klebzeit tK
die Meßzeit tH bis zum Auftreffen des Ankers am fangenden
Elektromagneten gemessen und aus der Differenz zu der durch
das aus Anker, Ventilkörper und Rückstellfedern bestehenden
Feder-Masse-System vorgegebenen Bewegungszeit tB die Größe
des Ventilspiels abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren
wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die Bewegungs
zeit tB des Ventils praktisch nur von der zu bewegenden
Masse, hier also Anker und Ventilkörper selbst und von
der Federsteifigkeit der betreffenden Rückstellfedern abhängt.
Ferner wird hierbei die Tatsache ausgenutzt, daß bei der
Einleitung der Öffnungsbewegung für das Ventil zunächst
vom Anker allein das tatsächlich vorhandene Ventilspiel
überbrückt wird und erst nach dem Auftreffen des Ankers
auf dem Ventilkörper durch die zugeordnete Rückstellfeder
des Schließmagneten der Anker und die Masse des Ventil
körpers beschleunigt werden muß, wobei darüber hinaus die
Kraft der Rückstellfeder des Öffnermagneten entgegenwirkt.
Damit ist es möglich, aus der Überbrückungszeit tVS, d. h.
der Zeit, die der Anker nach dem Lösen von der Polfläche
des haltenden Elektromagneten bis zum Auftreffen auf den
Ventilkörper zurücklegt unmittelbar das Ventilspiel ab zu
leiten. Hierbei gilt folgende Beziehung:
tVS = tH - tK - tB
Die Hubzeit tH wird hierbei gemessen vom Abschalten des
Haltestroms an der haltenden Spule bis zum Erkennen des
Auftreffens des Ankers an der fangenden Spule. Die Kleb
zeit tK ist hierbei aus der Auslegung des Elektromagneten
und die Bewegungszeit tB ist hierbei aus den Daten des
mechanischen Feder-Masse-Systems bekannt.
Da die Klebzeit tK durch äußere Einflüsse, auch durch Ein
flüsse während des Betriebes veränderbar sein kann, ist
in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, daß zur Berücksichtigung der tatsächlichen
Klebzeit tK der tatsächliche Ablösezeitpunkt tA des Ankers
am haltenden Elektromagneten festgestellt und der Beginn
der Meßzeit tmess hierdurch festgelegt wird. Dies kann
beispielsweise durch eine Erfassung des zeitlichen Verlaufs
der Spannung an der Spule des haltenden Elektromagneten
erfolgen. Bei dieser Verfahrensweise macht sich mit Vorteil
zunutze, daß nach dem Abschalten des Haltestroms durch
den Abbau des Magnetfeldes am haltenden Elektromagneten
in der Spule des haltenden Elektromagneten ein Spannungsan
stieg induziert wird, der mit dem Abbau des Magnetfeldes
absinkt, daß jedoch mit dem tatsächlichen Ablösen des Ankers
von der Polfläche des haltenden Elektromagneten aufgrund
der sich ändernden Induktivität eine deutliche Spannungsände
rung bewirkt wird, die dann als "Startsignal" für den Beginn
der Messzeit tmess ausgenutzt werden kann. Damit vereinfacht
sich die mathematische Beziehung zur Erfassung der für
die Bestimmung des Ventilspiels maßgeblichen Zeit tVS auf
die Beziehung
tVS = tB - tmess
Auch hier wird wieder davon ausgegangen, daß die Bewegungs
zeit des aus Anker und Ventilkörper und den Rückstellfedern
gebildeten Feder-Masse-Systems mit hinreichender Genauigkeit
aufgrund der Konstruktionsdaten vorgegeben werden kann.
Da die Konstruktionsdaten für das Feder-Masse-System "Anker-
Rückstellfedern" ebenfalls bekannt ist, kann aus der
ermittelten Zeit tVS unmittelbar das Ventilspiel selbst
abgeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gaswechselventil mit elektromagneti
schem Aktuator,
Fig. 2 mit einander zugeordneten Diagrammen a),
b), c) und d) den zeitlichen Verlauf
von Strom und Spannung am haltenden
Elektromagneten, den Ankerhub und den
Strom am fangenden Magneten.
In Fig. 1 ist ein Gaswechselventil 1 dargestellt, dessen
Ventilschaft 2 mit einem Ventilteller 3 versehen ist, auf
dem sich eine Schließfeder 4 abstützt, die das Gaswechsel
ventil 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
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 unterschiedliche Wärmedehnun
gen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem Zeit
punkt 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 entgegen
wirkende Kraft der Schließfeder 4 überwunden werden.
Da jedoch nun aufgrund der elektrischen und elektromagneti
schen Vorgänge beim Abschalten des Haltestroms am Schließ
magneten 7 der Anker sich nicht sofort in Bewegung setzt,
sondern eine gewisse Klebzeit vorhanden ist, kann nun der
Abschaltzeitpunkt nicht unmittelbar als Beginn der tatsäch
lichen Ankerbewegung zugrunde gelegt werden. Diese Klebzeit
tK muß entweder rechnerisch aufgrund der bekannten System
daten oder aber über eine entsprechende Messung kompensiert
werden.
Der zeitliche Verlauf für Strom und Spannung am haltenden
Schließmagneten ist in Fig. 2, Diagramm a) (Strom) und
Diagramm b) (Spannung) dargestellt. In Fig. 2 ist im Dia
gramm c) der Hubweg des Ankers und des Gaswechselventils
aus der Schließstellung bis in die Öffnungsstellung darge
stellt.
Wie im Diagramm a) dargestellt, wird zunächst der Schließ
magnet 7 mit einem getakteten Haltestrom IH beaufschlagt
und zwar solange, bis über einen entsprechenden Steuerbefehl
das Öffnen des Gaswechselventils eingeleitet werden soll.
Zu diesem Zeitpunkt TA wird der Haltestrom IH abgeschaltet.
Korrespondierend hierzu fällt auch die Spannung an der
Spule des Schließmagneten ab. Aufgrund der induktiven magneti
schen Verhältnisse kann sich jedoch der Anker 9 nicht sofort
von der Polfläche des Schließmagneten 7 lösen, sondern
"klebt" während einer gewissen Zeit bevor er sich lösen
kann.
Beim Abschalten des Haltestroms IH baut sich in der Spule
des Schließmagneten 7 eine Gegenspannung auf, die sich
während der Klebzeit tK langsam abbaut, jedoch wieder plötz
lich ansteigt, wenn sich der Anker tatsächlich vom Schließmag
neten löst. Dieser Spannungsanstieg kann zur Erkennung
des Ablösezeitpunktes ausgewertet werden. Hierzu können
prinzipiell bekannte Schaltungen, beispielsweise ein Diffe
renzglied und ein Komparator mit nachgeschalteter Torschal
tung zur Eingrenzung des Zeitraums verwendet werden. Ist
nun, wie in Fig. 1 und in Fig. 2c dargestellt, der das
Ventilspiel bestimmende Spalt 12 vorhanden, dann bewegt
sich nach dem Lösen von der Polfläche zum Zeitpunkt T₂
zunächst unter dem Einfluß der Kraft der Rückstellfeder
11 die Masse des Ankers 9 allein, bis der Anker 9 zum Zeit
punkt T₁ auf dem Ventilteller 3 zur Auflage kommt. Erst
ab diesem Zeitpunkt muß von der Rückstellfeder 11 die Masse
des Ankers und des Ventilkörpers des Gaswechselventils
1 bewegt werden. Dieser Bewegungsablauf ist im Diagramm c)
in Fig. 2 dargestellt. Zum Zeitpunkt T₀ kommt dann der
Anker 9 an der Polfläche des fangenden Öffnermagneten 8
zur Anlage.
Hat man nun aufgrund der Konstruktionsdaten des aus Anker
und Ventilkörper und den Rückstellfedern gebildeten Feder-
Masse-Systems die Bewegungszeit tB ermittelt, die dem Bewe
gungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt T₁ und T₀ im Diagramm c)
in Fig. 2 entspricht, und kennt man ferner aufgrund der
Konstruktionsdaten des Schließmagneten 7 die Klebzeit tK,
so kann durch eine einfache Messung des Zeitraumes tH zwi
schen dem Zeitpunkt TA, d. h. dem Abschalten des Haltestroms
und der Auftrefferkennung des Ankers am fangenden Öffner
magneten zum Zeitpunkt T₀ unter Berücksichtigung der bekann
ten Zeiten tK und tB die Zeit tVS ermittelt werden, die
der Anker allein benötigt, um das durch den Spalt 12 vorge
gebene Ventilspiel zu überbrücken. Aus dieser Zeitmessung
kann unmittelbar auch die Größe des Ventilspiels abgeleitet
werden und somit eine entsprechende Stellmaßnahme vorgenommen
werden.
Da jedoch die Klebzeit tK ebenfalls durch betriebsbedingte
Einflüsse variieren kann, erlauben die in Fig. 2 dargestell
ten Verhältnisse auch eine andere Verfahrensweise. Aufgrund
des nach dem Abschaltzeitpunkt TA wieder feststellbaren
Spannungsanstiegs zum Zeitpunkt T₂, d. h. zu dem Zeitpunkt,
an dem der Anker 9 sich tatsächlich von der Polfläche des
haltenden Schließmagneten 7 löst und somit ein signifikantes
für diesen Zeitpunkt zur Verfügung steht, kann hiermit
auch eine Messzeit tmess gestartet werden, die bis zum
Zeitpunkt T₀ läuft, d. h. dem Zeitpunkt, an dem die Auflage
des Ankers am Öffnermagneten erkannt wird. Setzt man nun
die durch das Feder-Masse-System vorgegebene Bewegungszeit tB
in Relation zu der gemessenen Zeit tmess, dann ergibt sich
aus der Differenz unmittelbar die Bewegungszeit tVS, die
der Anker benötigt, um das durch den Spalt 12 vorgegebene
Ventilspiel zu überwinden. Hieraus kann dann die Größe
des Ventilspiels abgeleitet werden.
Wie das Diagramm d) in Fig. 2 zeigt, ist das Auftreffen
des Ankers auf der Polfläche des Öffnermagneten beispiels
weise aus dem zeitlichen Verlauf des zum Aufbau des Magnet
feldes fangenden Öffnermagneten benötigten Stroms abzuleiten.
Aufgrund der induktiven Veränderungen die durch den sich
nahenden Anker bewegt werden, führt dies zu einem deutlichen
Stromabfall.
Das Signal zur Erkennung des Ankerauftreffens kann auch
durch andere meßtechnischen Maßnahmen an dem fangenden.
Öffnermagneten, beispielsweise über Erfassung von Spannungs
änderungen oder dergl. abgeleitet werden. Dies ist insbeson
dere bei der Verwendung eines linear geregelten Fangstromes
vorteilhaft. Hierbei wird die Spulenspannung ausgewertet,
die zum Auftreffzeitpunkt einen deutlichen Peak aufweist.
Claims (2)
1. Verfahren zur Erfassung des Spiels zwischen einem Gas
wechselventil einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem
dieses betätigenden elektromagnetischen Aktuators, der
einen Schließmagneten und einen Öffnermagneten sowie einen
Anker aufweist, der jeweils gegen die Kraft einer Rückstell
feder zwischen den beiden Elektromagneten hin- und herbeweg
bar geführt ist und der auf das Gaswechselventil einwirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten des Halte
stroms IH am haltenden Elektromagneten unter Berücksichtigung
der Klebzeit tK die Zeit tH bis zum Auftreffen des Ankers
am fangenden Elektromagneten gemessen und aus der Differenz
zu der durch der aus Anker, Ventilkörper und Rückstellfedern
bestehenden Feder-Masse-System vorgegebenen Bewegungszeit tB
die Größe des Ventilspiels abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Berücksichtigung der tatsächlichen Klebzeit tK der
tatsächliche Ablösezeitpunkt TA des Ankers am haltenden
Schließmagneten und der Beginn der Messzeit tmess festgelegt
wird.
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