DE19735375C2 - 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 nockenwellenbetätigten Ventilen werden die Magnetventile zum Öffnen und Schließen von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteu­ ert. Dabei muß der Magnetantrieb in der Lage sein, hohe Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Aus­ laßventils. 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 Gas­ wechselventils angeordnet ist und die in einem Bereich der in der Achsrichtung des Ventilschafts mit dem Kern eines Elektromagneten fluchtet, dicker ausgebildet ist als in den restlichen Bereichen.

Bei solchen Magnetventilen ist es bekannt (EP 0 400 389 A2), die Bestromung der Magnetwicklung abhängig vom Ventilhub zu verändern. So erhält die Ma­ gnetwicklung während einer ersten Phase einen maximalen Stromwert, der mit einer bestimmten Frequenz zwischen ei­ nem oberen und unteren Amplitudenwert verändert wird. Sobald sich der Anker verschiebt und damit der Luftspalt zwischen Anker und ferromagnetischem Wickelkörper ver­ ringert wird, steigt die Induktivität der Wicklung, die ge­ messen 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 zuver­ lässig 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 einen mittleren Wert abzusenken.

Die Ankerstellung des Ventils läßt sich auch mit anderen Mitteln erkennen. So ist es bekannt (EP-0 493 634 A1), ei­ nen optischen Lagegeber zu verwenden, um die Stellung ei­ nes ein Gaswechselventil betätigenden Ankers in Form ei­ ner Ankerscheibe zu erkennen oder mit mehreren optischen Lagegebern zu erfassen. Der Einsatz von optischen Hubsen­ soren ist jedoch wegen der Verschmutzungsgefahr proble­ matisch, während magnetische Hubsensoren, wie Hall-Sen­ soren, ungenaue Meßsignale liefern, da große elektroma­ gnetische Störungen in der Nähe des Magnetantriebs auftre­ ten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stel­ lung des Ankers am Magnetventil mit einfachen Mitteln zu­ verlässig 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 Piezoelementes gemessen und kann mit den Meßwerten die Geschwindigkeit des Ankers ermittelt und über die Bestro­ mung der Wicklung so geregelt werden, daß sich das ge­ wünschte Verhalten des Ventils ergibt. Hat die Feder eine li­ neare Kennlinie, so ändert sich die Federkraft linear propor­ tional zur Stellung des Ankers. Aber auch bei einem pro­ gressiven Federkraftverlauf ist es möglich, die Regelung auf dem vom Piezoelement abgegebenen Signal aufzubauen.

Es ist zweckmäßig, das vom Piezoelement gelieferte Aus­ gangssignal in den beiden Hubendstellungen des Ventils zu messen und aus den beiden Meßwerten die Stellung des An­ kers zu bestimmen, wobei insbesondere eine lineare Abhän­ gigkeit 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 Ausgangssignal des Piezoelementes in zeitlichen Abständen gemessen wird und hieraus die Ankergeschwin­ digkeit ermittelt wird, um mit diesem Signal die Schaltung zum Ansteuern des Magnetantriebes so zu regeln, daß eine minimale Auftreffgeschwindigkeit des Ankers in der jewei­ ligen Endstellung erzielt wird.

Ferner läßt sich mit einem Piezoelement das Ventilspiel bestimmen, indem der Kraftsprung der Feder bei Überwin­ den des Ventilspiels ausgewertet wird. Hierzu sind zwei Pie­ zoelemente erforderlich, deren Signale miteinander vergli­ chen werden.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Magnetventil mit eingebau­ ten 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 Tellerventil, 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 Ke­ gelstück 6 versehen ist. Der Ventilteller ist zwischen zwei Endstellungen bewegbar: in einer oberen Endstellung ist das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstellung geöff­ net. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5 und dem Ventilkegel 6 angeordnete Feder 8 beaufschlagt den Ventil­ teller in die Schließstellung.

Der Magnetantrieb 1 besteht aus einem oberen ferroma­ gnetischen Spulenkörper 10 und einem unteren ferromagne­ tischen Spulenkörper 12, die jeweils eine Wicklung 14 und 16 tragen.

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

Eine weitere Feder 22 ist zwischen dem Anker 17 und ei­ nem gehäuseseitigen Anschlag 24 angeordnet und beauf­ schlagt den Anker in Richtung Öffnungsstellung des Ventil­ tellers 2. Die Ankerscheibe 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 ei­ ner Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regel­ schaltung 28 angesteuert werden.

Zwischen der gehäuseseitigen Abstützung 24 und der Fe­ der 22 ist ein erstes Piezoelement 30 eingesetzt, das die Kraft der Feder 22 mißt, wenn die untere Wicklung 16 be­ stromt wird, um das Ventil zu öffnen bzw. die obere Wick­ lung 14 bestromt wird, um das Ventil zu schließen. Das Aus­ gangssignal des Piezoelementes 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 30 läßt sich so die jeweilige Position des Ankers und damit des Ventils und so der Hubverlauf und damit die Geschwin­ digkeit des Ankers bestimmen.

Ein zweites Piezoelement 32 ist zwischen der ventilseiti­ gen Feder 8 und der gehäuseseitigen Ventilführung 5 einge­ setzt und mißt somit die Kraft der ventilseitigen Feder 8. Soll das Ventil in die Öffnungsstellung umgeschaltet wer­ den, so tritt nach Überwindung des Ventilspiels ein Kraft­ sprung an der ventilseitigen Feder 8 auf, sobald das Ventil­ spiel überwunden ist und die Feder 8 beim Herausbewegen aus dem Ventilsitz zusammengedrückt wird. Der Kraft­ sprung 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 32 erfaßt und dessen Ausgangssignal wird mit dem Signal des antriebsseitigen Piezoelementes 30 verglichen, wenn dieses anzeigt, daß die Ankerscheibe 18 in eine der beiden Endstel­ lungen ist. Aus dem Vergleich der beiden Signale läßt sich somit das Ventilspiel bestimmen. Dies ist für die Vornahme notwendiger Einstellarbeiten vorteilhaft.

Ist dagegen ein hydraulischer Ventilspielausgleich vor­ handen, so kann die Bestimmung des Ventilspiels und damit das ventilseitige Piezoelement 32 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 haltende Haltestrom abgeschaltet, so daß der Anker von der betreffenden, sich entspannenden Feder in Richtung auf die andere Endstellung in Bewegung gesetzt wird. Gelangt der Anker dabei in die Nähe des anderen An­ schlages 18 oder 20, was über die Kraftänderung der Feder 22 mit dem Piezoelement 30 meßbar ist, so wird die zugehö­ rige Wicklung 14 oder 16 mit dem Fangstrom i1 bestromt. Dabei wird der Strom i1 durch Takten auf dem Fangsstrom­ niveau 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 Haltestrom i2 umgeschaltet werden, der ausreicht, die Ankerscheibe 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 Mittel­ lage zurück.

Claims (4)

1. Magnetventil, insbesondere für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen, das aufweist:
einen ferromagnetischen Spulenkörper (10, 12) mit Wicklung (14, 16);
einen Anker, der in dem Spulenkörper zwischen zwei Endstel­ lungen verschiebbar ist und der ein Ventil antreibt;
eine zwischen dem Anker und einem Gehäuse abgestützte Feder (22) und
eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Stellung des Ankers,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung ein Piezoelement (30) ist, das zwi­ schen der Feder (22) und einer gehäuseseitigen Abstützung (24) angeordnet ist und dessen Ausgangssignal abhängt von der Federkraft, der die Stellung des Ankers zugeordnet ist, und eine Regelschaltung (28) vorgesehen ist, der das Ausgangs­ signal zugeführt wird und die aus der Stellung des Ankers die tatsächliche Geschwindigkeit des Ankers ableitet und zur Re­ gelung der Geschwindigkeit des Ankers verwendet, sowie den nach Überwindung des Ventilspiels auftretenden Kraftsprung der Feder (22) mißt und hieraus das Ventilspiel bestimmt.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (28) die Stellung des Ankers in vorbe­ stimmten zeitlichen Abständen mißt und hieraus die Geschwin­ digkeit des Ankers berechnet.

3. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (10, 12) zwei beabstan­ dete Wicklungen (14, 16) trägt, zwischen denen eine Anker­ scheibe (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 Anker­ scheibe (18) von den Federn (8, 22) in einer Mittelstellung gehalten wird, solange die Wicklungen stromlos sind, und daß beim Erregen der ankerseitigen Wicklungen (14) das Ventil schließt und beim Erregen der ventilseitigen Feder (8) das Ventil öffnet.

4. Magnetventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Ventilspiels ein zweites Piezoelement (32) zwischen der ventilseitigen Feder (8) und ihrer gehäuseseiti­ gen Abstützung (5) vorgesehen ist.