DE19735375C1 - Magnetventil, insbesondere für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Antriebe für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwel­ lenbetätigten Ventilen werden die Magnetventile zum Öffnen und Schließen von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert. Dabei muß der Ma­ gnetantrieb in der Lage sein, hohe Kräfte aufzubringen, ins­ besondere beim Öffnen eines Auslaßventils. Dabei muß stets die jeweilige Endstellung des Ventils beim Öffnen und Schließen mit Sicherheit erreicht werden.

Ein elektromagnetischer Antrieb (GB 23 02 762 A) für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen weist eine Ankerplatte auf, die senkrecht zu dem Ventilschaft des Gaswechselventils angeordnet ist und die in einem Bereich der in der Achsrich­ tung des Ventilschafts mit dem Kern eines Elektromagneten fluchtet, dicker ausgebildet ist als in den restlichen Berei­ chen.

Bei solchen Magnetventilen ist es bekannt (EP 0 400 389 A2), die Bestromung der Magnetwicklung abhängig vom Ventilhub zu ver­ ändern. So erhält die Magnetwicklung während einer ersten Phase einen maximalen Stromwert, der mit einer bestimmten Frequenz zwischen einem oberen und unteren Amplitudenwert verändert wird. Sobald sich der Anker verschiebt und damit der Luftspalt zwischen Anker und ferromagnetischem Wickelkör­ per verringert wird, steigt die Induktivität der Wicklung, die gemessen wird, und als Maß für den Hubverlauf Verwendung findet, so daß sich in einer zweiten Phase die Frequenz des Erregerstroms für die Wicklung verringert, bis die Endstel­ lung des Ventils erreicht ist, worauf der Spulenstrom auf ei­ nen geringeren Haltestrom umgeschaltet wird. Es handelt sich also bei der bekannten Ansteuerung des Magnetventils um eine Fangstromschaltung, die abhängig vom Ventilhub des Ventils die Wicklung so ansteuert, daß das Ventil zuverlässig ohne Prallen in die Endstellung gelangt und in dieser gehalten wird. Aus der genannten Patentschrift ist es auch bekannt, vor Erreichen der Endstellung den Strom auf ei­ nen mittleren Wert abzusenken.

Die Ankerstellung des Ventils läßt sich auch mit anderen Mit­ teln erkennen. So ist es bekannt (EP-0 493 634 A1), einen opti­ schen Lagegeber zu verwenden, um die Stellung eines ein Gas­ wechselventil betätigenden Ankers in Form einer Ankerscheibe zu erkennen oder mit mehreren optischen Lagegebern zu erfas­ sen. Der Einsatz von optischen Hubsensoren ist jedoch wegen der Verschmutzungsgefahr problematisch, während magnetische Hubsensoren, wie Hall-Sensoren, ungenaue Meßsignale liefern, da große elektromagnetische Störungen in der Nähe des Magne­ tantriebs auftreten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stellung des Ankers am Magnetventil mit einfachen Mitteln zuverlässig und weitgehend störungsfrei zu erfassen.

Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird so die Federkraft mit Hilfe eines Piezo­ elementes gemessen und kann mit den Meßwerten die Geschwin­ digkeit des Ankers ermittelt und über die Bestromung der Wicklung so geregelt werden, daß sich das gewünschte Verhal­ ten des Ventils ergibt. Hat die Feder eine lineare Kennlinie, so ändert sich die Federkraft linear proportional zur Stel­ lung des Ankers. Aber auch bei einem progressiven Federkraft­ verlauf ist es möglich, die Regelung auf dem vom Piezoelement abgegebenen Signal aufzubauen.

Es ist zweckmäßig, das vom Piezoelement gelieferte Ausgangs­ signal in den beiden Hubendstellungen des Ventils zu messen und aus den beiden Meßwerten die Stellung des Ankers zu be­ stimmen, wobei insbesondere eine lineare Abhängigkeit des Piezosignals und damit der Stellung des Ankers zwischen den beiden Endwerten vorausgesetzt wird. Ferner ist es möglich, die Ankerstellung dadurch zu bestimmen, daß das Ausgangs­ signal des Piezoelementes in zeitlichen Abständen gemessen wird und hieraus die Ankergeschwindigkeit ermittelt wird, um mit diesem Signal die Schaltung zum Ansteuern des Magnetan­ triebes so zu regeln, daß eine minimale Auftreffgeschwindig­ keit des Ankers in der jeweiligen Endstellung erzielt wird.

Ferner läßt sich mit einem Piezoelement das Ventilspiel be­ stimmen, indem der Kraftsprung der Feder bei Überwinden des Ventilspiels ausgewertet wird. Hierzu sind zwei Piezoelemente erforderlich, deren Signale miteinander verglichen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Magnetventil mit einge­ bauten Piezoelementen;

Fig. 2 eine Darstellung des Stromverlaufs bei einer Fangstromschaltung für ein Magnetventil gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Antrieb 1 für ein Tel­ lerventil, das aus einem Ventilteller 2 mit Ventilsitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der in einer gehäuseseitigen Führung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit einem Kegel­ stück 6 versehen ist. Der Ventilteller ist zwischen zwei End­ stellungen bewegbar: in einer oberen Endstellung ist das Ven­ til geschlossen und in einer unteren Endstellung geöffnet. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5 und dem Ventilke­ gel 6 angeordnete Feder 8 beaufschlagt den Ventilteller in die Schließstellung.

Der Magnetantrieb 1 besteht aus einem oberen ferromagneti­ schen Spulenkörper 10 und einem unteren ferromagnetischen Spulenkörper 12, die jeweils eine Wicklung 14 und 16 tragen.

Innerhalb des oberen Spulenkörpers 10 ist ein Ankerschaft 17 verschiebbar gelagert, der eine Ankerscheibe 18 aufweist, die zwischen den beiden Wicklungen 14 und 16 angeordnet ist. Die der Ankerscheibe 18 zugekehrten Stirnseiten 19 und 20 der beiden Spulenkörper 10 und 12 bilden Anschläge für die Anker­ scheibe 18 und definieren damit die obere und untere Endstel­ lung des Ventils, in der es geöffnet bzw. geschlossen ist.

Eine weitere Feder 22 ist zwischen dem Anker 17 und einem ge­ häuseseitigen Anschlag 24 angeordnet und beaufschlagt den An­ ker in Richtung Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Die An­ kerscheibe 18 liegt auf dem Ventilschaft 4 auf. Solange die Wicklungen 14 und 16 stromlos sind, wird die Ankerscheibe 18 von den beiden Federn 8 und 22 in der Mittelstellung zwischen den beiden Anschlägen 18 und 20 gehalten, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.

Die beiden Wicklungen 14 und 16 werden jeweils von einer Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschal­ tung 28 angesteuert werden.

Zwischen der gehäuseseitigen Abstützung 24 und der Feder 22 ist ein erstes Piezoelement 30 eingesetzt, das die Kraft der Feder 22 mißt, wenn die untere Wicklung 16 bestromt wird, um das Ventil zu öffnen bzw. die obere Wicklung 14 bestromt wird, um das Ventil zu schließen. Das Ausgangssignal des Pie­ zoelementes 30 wird der Regelschaltung 28 zugeführt und dient dazu, die Auftreffgeschwindigkeit der Ankerscheibe 18 auf den Spulenkörper 10 bzw. 12 an den Anschlägen 18 bzw. 20 so zu regeln, daß das Ventil ohne Prallen rasch und zuverlässig in die jeweilige Endstellung gezogen und in dieser gehalten wird. Mit dem Piezoelement 22 läßt sich so die jeweilige Po­ sition des Ankers und damit des Ventils und so der Hubverlauf und damit die Geschwindigkeit des Ankers bestimmen.

Ein zweites Piezoelement 32 ist zwischen der ventilseitigen Feder 8 und der gehäuseseitigen Ventilführung 5 eingesetzt und mißt somit die Kraft der ventilseitigen Feder 8. Soll das Ventil in die Öffnungsstellung umgeschaltet werden, so tritt nach Überwindung des Ventilspiels ein Kraftsprung an der ven­ tilseitigen Feder 8 auf, sobald das Ventilspiel überwunden ist und die Feder 8 beim Herausbewegen aus dem Ventilsitz zusammengedrückt wird. Der Kraftsprung tritt auch auf beim Schließen, wenn der Ventilteller in den Ventilsitz fällt und dann die Kraftwirkung der Feder 8 wegfällt. Dieser Kraftsprung wird von dem Piezoelement 8 erfaßt und dessen Ausgangssignal wird mit dem Signal des antriebsseitigen Pie­ zoelementes 30 verglichen, wenn dieses anzeigt, daß die An­ kerscheibe 18 in eine der beiden Endstellungen ist. Aus dem Vergleich der beiden Signale läßt sich somit das Ventilspiel bestimmen. Dies ist für die Vornahme notwendiger Einstellar­ beiten vorteilhaft.

Ist dagegen ein hydraulischer Ventilspielausgleich vorhanden, so kann die Bestimmung des Ventilspiels und damit das ven­ tilseitige Piezoelement 8 entfallen.

In Fig. 2 ist der Stromverlauf in einer Wicklung 14 oder 16 dargestellt, der von der Regelschaltung 28 eingestellt wird, um mit Hilfe einer Fangstromschaltung das Ventil ohne Prallen zuverlässig in die jeweils andere Endstellung umzuschalten. Hierzu wird der den Anker in der jeweiligen Endstellung hal­ tende Haltestrom abgeschaltet, so daß der Anker von der be­ treffenden, sich entspannenden Feder in Richtung auf die an­ dere Endstellung in Bewegung gesetzt wird. Gelangt der Anker dabei in die Nähe des anderen Anschlages 18 oder 20, was über die Kraftänderung der Feder 22 mit dem Piezoelement 30 meßbar ist, so wird die zugehörige Wicklung 14 oder 16 mit dem Fang­ strom i1 bestromt. Dabei wird der Strom i1 durch Takten auf dem Fangsstromniveau gehalten, wie dies aus Fig. 2 erkennbar ist. Setzt die Ankerscheibe 18 auf dem Anschlag 18 bzw. 20 auf, so kann die zugehörige Wicklung auf den niedrigeren Hal­ testrom i2 umgeschaltet werden, der ausreicht, die Anker­ scheibe 18 und damit das Ventil in der jeweiligen Endstellung dauernd zu halten. Bei Abschalten des Haltestroms gelangt dann die Ankerscheibe 18 und das Ventil in die dargestellte Mittellage zurück.

Claims (5)

1. Magnetventil, insbesondere für Ein- und Auslaßven­ tile von Brennkraftmaschinen, das aufweist:
einen ferromagnetischen Spulenkörper (10, 12) mit Wicklung (14, 16);
einen Anker, der in dem Spulenkörper zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist und der ein Ventil antreibt;
eine zwischen dem Anker und einem Gehäuse abge­ stützte Feder (22) und
eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Stellung des Ankers,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Piezoelement (30) ist, das zwischen der Feder (22) und einer gehäuseseitigen Abstützung (24) angeordnet ist und dessen Ausgangssignal abhängt von der Federkraft, der die Stellung des Ankers zugeordnet ist, wobei aus der Stellung des Ankers die tatsächliche Geschwindigkeit des Ankers abgeleitet wird, die zur Regelung der Geschwindigkeit des Ankers verwendet wird.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellung des Ankers in vorbestimmten zeitlichen Abständen gemessen wird und hieraus die Geschwindigkeit des Ankers berechnet wird.

3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der nach Überwindung des Ventilspiels auf­ tretende Kraftsprung der Feder gemessen und hieraus das Ven­ tilspiel bestimmt wird.

4. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (10, 12) zwei be­ abstandete Wicklungen (14, 16) trägt, zwischen denen eine An­ kerscheibe (18) verschiebbar ist, die von der zwischen dem Anker und dem Gehäuse angeordneten ersten Feder (22) in die erste Endstellung und von einer zweiten ventilseitigen Feder (8) in die zweite Endstellung beaufschlagt ist, wobei die An­ kerscheibe (18) von den Federn (8, 22) in einer Mittelstel­ lung gehalten wird, solange die Wicklungen stromlos sind, und daß beim Erregen der ankerseitigen Wicklung (14) das Ventil schließt und bei Erregen der ventilseitigen Feder (8) das Ventil öffnet.

5. Magnetventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Ventilspiels ein zweites Piezoelement (32) zwischen der ventilseitigen Feder (8) und ihrer gehäuse­ seitigen Abstützung (5) vorgesehen ist.