DE19753275C2 - Elektromechanisches Stellgerät - Google Patents
Elektromechanisches StellgerätInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
- F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Valve Device For Special Equipments (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Stellgerät
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektromechanische Stellgeräte mit einem Stellantrieb und
einem Stellglied, das als Ein-/Auslaßventile einer
Brennkraftmaschine ausgebildet ist, sind bekannt. Im
Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen werden diese
elektromechanischen Ventile zum Öffnen und Schließen von
einem Steuergerät in Abhängigkeit von der Drehlage der
Kurbelwelle angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der
Lage sein, hohe Kräfte aufzubringen; dies erfordert hohe
Magnetkräfte. Zur Steuerung der Bewegung des Ventils muß
dessen periodische Hubbewegung ständig gemessen werden.
Bei solchen Stellgeräten ist es bekannt (EP 0 400 389 B1), die
Induktivität der Wicklung zu messen und als Maß für den
Hubverlauf zu verwenden, da die Induktivität steigt, sobald
sich der Anker verschiebt und damit der Luftspalt zwischen
Anker und ferromagnetischem Spulenkern verringert. DE 195 18 056 A1
sieht auf ähnliche Weise vor, eine Spule des Antriebes
mittels eines Meßpolschenkels so fortzubilden, daß der Anker
durch seine Bewegung die Induktivität der Spule verändert,
woraus ein Signal für die Ankerbewegung abgeleitet werden
kann.
Es ist auch bekannt, zwischen dem Anker und dem Spulenkern
eine zusätzliche Aufnehmerspule vorzusehen, die mit einem
hochfrequenten Signal beaufschlagt wird. Das so erzeugte
Wechselfeld induziert im Anker Wirbelströme, die wiederum die
Induktivität der zusätzlichen Aufnehmerspule verändern. Diese
Änderung ist abhängig von der Position des Ankers, was eine
Messung des Ventilhubes ermöglicht. Zur Aufnahme des
Ventilhubes von 8 mm sind zwei Spulen erforderlich, auf jeder
Seite des Ankers eine. Da die Aufnehmerspulen direkt im Feld
des elektromechanischen Ventilantriebes liegen, treten starke
Störungen auf, die das eigentliche Nutzsignal um mehr als
Faktor 100 übersteigen. Diese Störungen können mit
vertretbarem Aufwand nicht herausgefiltert werden.
Die Ankerstellung des elektromechanisch betätigten Ventils
läßt sich auch mit anderen Mitteln erkennen. So ist es aus
EP 0493634 A1 bekannt, einen optischen Lagegeber zu verwenden,
um die Stellung eines ein Gaswechselventil betätigenden An
kers in Form einer Ankerscheibe zu erkennen oder mit mehreren
optischen Lagegebern zu erfassen. Der Einsatz optischer Hub
sensoren ist jedoch wegen der Verschmutzungsgefahr sehr pro
blematisch.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stellung
des Ankers eines elektromechanischen Stellgeräts mit einfa
chen Mitteln zuverlässig und weitgehend störungsfrei zu er
fassen.
Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird ein Wirbelstromaufnehmer eingesetzt, der
als Anker einen ohnehin schon vorhandenen Federteller auf dem
Ventilschaft verwendet. Durch die Anordnung der aufnehmenden
Spule am Ventilteller ist sie vom störenden Magnetfeld des
elektromechanischen Ventilantriebes genügend weit entfernt,
wodurch die Störungen minimiert werden.
Der Federteller wird als Längsanker verwendet, d. h. die Spule
ist so angeordnet, daß die Ankerbewegung aus einer Mittellage
heraus erfolgt. Ein Entfernen und Annähern des Ankers wie bei
einem Queranker findet nicht statt. Durch die Längsankeran
ordnung kann ein größerer Hubbereich abgedeckt werden. Mit
einer Spule kann ein Hub von 10 mm und mehr abgebildet wer
den. Eine zweite Spule ist nicht mehr erforderlich. Somit
verringert sich die Anzahl der erforderlichen Leitungen auf
maximal zwei.
Ferner ist es möglich, durch geeignete Formgebung des
Federtellers eine Signalformung zu erreichen. So kann das
Meßsignal linear zur Hubbewegung sein oder es können bestimm
te Hubbereiche mit höherer Auflösung erfaßt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt eines elektromechanisch betätigten Ein-
/Auslaßventiles einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 einen Schnitt eines Wirbelstromaufnehmers mit Längsan
ker,
Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des Wirbelstromauf
nehmers mit Anker,
Fig. 4 zwei weitere Ausführungsformen des als Anker dienenden
Ventiltellers und
Fig. 5 den hubabhängigen Verlauf der Aufnehmerspulenindukti
vität.
Fig. 1 zeigt ein elektromechanisch angetriebenes
Ein-/Auslaßventil, das aus einem Ventilschaft 2 mit Ventil
teller und Ventilsitz besteht. Der Ventilteller ist zwischen
zwei Endstellungen bewegbar. In einer oberen Endstellung ist
das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstellung ge
öffnet. Eine Ventilfeder 4 ist zwischen einem oberen Feder
teller 3 und einem Ventildeckel 13 eingespannt und beauf
schlagt den Ventilschaft in Richtung der Öffnungsstellung des
Ventiltellers. Eine zwischen dem Gehäuse und einem auf dem
Ventilschaft angebrachten unteren Federteller 5 angeordnete
Feder 6 beaufschlagt den Ventilteller in die Schließstellung.
Der elektromechanische Antrieb besteht aus einem oberen Spu
lenkern 10 und einem unteren Spulenkern 9, um die herum je
weils eine Wicklung 7 und 8 angeordnet sind. In den Spulenkernen
9, 10 ist der Ventilschaft 2 verschiebbar. Auf ihm ist
zwischen dem oberen Spulenkern 10 und dem unteren Spulenkern
9 eine Ankerscheibe 11 angeordnet. Die der Ankerscheibe 11
zugekehrten Stirnseiten 14 und 15 der beiden Spulenkerne 10
und 9 bilden Anschläge für die Ankerscheibe 11 und definieren
damit die obere und untere Endstellung des Ventils, in der es
geöffnet bzw. geschlossen ist.
Solange die Wicklungen 7 und 8 stromlos sind, wird die Anker
scheibe 11 von den beiden Ventilfedern 4 und 6 in der Mittel
stellung zwischen den beiden Anschlägen 14 und 15 gehalten,
wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die beiden Wick
lungen 7 und 8 werden jeweils von einer Treiberschaltung be
stromt, die von einer Regelschaltung angesteuert wird. Wird
eine Wicklung 7 bzw. 8 stromdurchflossen, entsteht am von
Wicklung 7 bzw. 8 und Spulenkern 10 bzw. 9 gebildeten Elek
tromagneten ein Magnetfeld, das den Anker 11 zum Spulenkern 10
bzw. 9 hinzieht, wodurch der Ventilschaft 2 angetrieben wird.
In Fig. 2 ist der auf dem Ventilschaft 2 angeordnete obere
Federteller 3 vergrößert gezeichnet. Um den oberen Federtel
ler 3 herum verläuft eine gehäusefeste Spule 1. Natürlich
kann die Spule 1 auch am unteren Federteller 5 angeordnet
sein. Die Spule 1 dient als Aufnehmerspule für einen Wirbel
stromaufnehmer. An die Spule 1 wird eine hochfrequente Wech
selspannung angelegt, wodurch ein hochfrequentes magnetisches
Wechselfeld entsteht. Der obere Federteller 3 dient als
Längsanker, d. h. er bewegt sich durch die Spule hindurch. Im
Federteller 3 werden durch das hochfrequente Magnetfeld elek
trische Wirbelströme induziert, deren Magnetfelder das erzeu
gende Magnetfeld der Spule 1 schwächen. Dadurch verringert
sich die Induktivität der Spule 1 und ihr Verlustwinkel er
höht sich. Die Induktivitätsänderung und das daraus erhaltene
Signal ist von der Bewegung des Federtellers 3 und damit vom
Hub des Ventilschaftes 2 abhängig. Da sich der Federteller 3
durch die Spule hindurchbewegt, kann mit nur einer Spule ein
Hub von 10 mm und mehr erfaßt werden.
Die Induktivität I als Funktion des Ventilhubes h für die An
ordnung der Fig. 2 ist im Signalverlauf 16 der Fig. 5 darge
stellt. Bewegt sich der auf dem Ventilschaft 2 befestigte Fe
derteller 3 aus der durch die Federn 4 und 6 vorgegebenen
Mittellage bei h = 0, so sinkt die Induktivität.
Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Fall ist die Aufneh
merspule 1 nicht ringförmig um den Federteller herum angeord
net, sondern eine kleine ringförmige Spule, deren Achse senk
recht zum Ventilschaft 2 steht. In dieser Ausführungsform ist
das axiale Querschnittsprofil des Federtellers 3 konisch. So
mit verändert sich bei einer Hubbewegung des Ventilschaftes
der Abstand zwischen der Mantelfläche des Federtellers 3 und
der Spule 1, was wiederum zu einer hubabhängigen Induktivi
tätsänderung führt. Durch die Wahl des Querschnittsprofils
wird der Hubverlauf des Meßsignals beeinflußt. Mittels der
Formgebung kann eine Signalformung erreicht werden, bestimmte
Hubbereiche können z. B. zum Zwecke höherer Auflösung aufge
spreizt werden oder das Meßsignal proportional zum Hub sein.
Fig. 4 zeigt weitere mögliche Ausbildungsformen des Federtel
lers 3 als Doppelkonus. Die Form der Fig. 4a führt zum Si
gnalverlauf 17 der Fig. 5. Die Endstellungen des Ventilhubes
h werden dabei mit höherer Auflösung gemessen, als bei der
Federtellerform der Fig. 3. Die Form der Fig. 4b liefert ein
Meßsignal ähnlich dem Signalverlauf 16.
Claims (8)
1. Elektromechanisches Stellgerät, das aufweist:
- - einen ferromagnetischen Spulenkern (9, 10) mit Wicklung (7, 8),
- - einen Anker, der in dem Spulenkern zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist und einen Ventilschaft (2) antreibt,
- - eine Ventilfeder (4, 6), die zwischen einem Gehäuse und einem am Ventilschaft (2) befestigten Federteller (3, 5) abgestützt ist und
- - eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Ventilstellung,
2. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spule (1) des Wirbelstromaufnehmers
sich ringförmig um den Federteller (3, 5) herum erstreckt.
3. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) des
Wirbelstromaufnehmers seitlich am Federteller (3, 5)
angeordnet ist.
4. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf
(16, 17) des Wirbelstromaufnehmers vom axialen
Querschnittsprofil des Federtellers (3, 5) abhängt.
5. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Signalverlauf (16, 17) direkt
proportional zum Ventilhub (h) ist.
6. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (3, 5)
konisch ausgebildet ist.
7. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (3, 5)
als Doppelkonus ausgebildet ist.
8. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen
Ansprüche mit einer weiteren Ventilfeder (6) mit einem
Federteller (5), dadurch gekennzeichnet, daß der der
Brennkammer (12) abgewandte Federteller (3) den Meßanker des
Wirbelstromaufnehmers bildet.
Priority Applications (1)
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DE19753275A DE19753275C2 (de) | 1997-12-01 | 1997-12-01 | Elektromechanisches Stellgerät |
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DE19753275A1 DE19753275A1 (de) | 1999-06-10 |
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ID=7850409
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DE19753275A Expired - Fee Related DE19753275C2 (de) | 1997-12-01 | 1997-12-01 | Elektromechanisches Stellgerät |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19753275C2 (de) |
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DE102005018797A1 (de) * | 2005-04-22 | 2006-10-26 | Bosch Rexroth Ag | Wegsensor und Ventil |
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- 1997-12-01 DE DE19753275A patent/DE19753275C2/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140701 |