DE19810369C1

DE19810369C1 - Vorrichtung zur Messung des Ventilhubes

Info

Publication number: DE19810369C1
Application number: DE1998110369
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Clemens; Achim Koch; Bernhard Klingseis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2018-03-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Ven tilhubes bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Hubsteue rung der Ventile gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei konventionellen Otto-Motoren mit Drosselklappenlaststeue rung entspricht Vollast dem Zustand, in dem volle Drossel klappenöffnung erreicht ist. Es sind aber auch Vorrichtungen zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Hub und die Öffnungsdauer der Einlaß ventile verändert werden können. Hierzu sind verschiedene Sy steme beschrieben worden, beispielsweise in EP 0 638 706 oder DE 42 44 550. In letzterer Druckschrift sind zur Betätigung der Ventile zwei Nockenwellen vorgesehen, welche über einen Schwinghebel auf die in Schließrichtung federbelasteten Ven tile wirken und über ein 4-rädriges Koppelgetriebe miteinan der in Eingriff stehen. An der von der Kurbelwelle angetrie benen ersten Nockenwelle ist ein Antriebsrad fest angebracht, und an der anzutreibenden, relativ zur ersten Nockenwelle zu verdrehenden zweiten Nockenwelle ein Abtriebsrad. An- und Ab triebsrad stehen über zwei Zwischenräder miteinander derart in Eingriff, daß eine an einer Koppel angreifende Verstellung ein Abrollen der Zwischenräder auf den Ab- und Antriebsrädern bewirkt und somit eine relative Verdrehung der beiden Nocken wellen gegeneinander erreicht wird. Der Schwinghebel tastet die Drehstellung der beiden Nockenwellen ab, die den Ventil hub bestimmt. Die Nockenwellenverstellung ermöglicht es, La dungswechsel- und Drosselverluste in der Brennkraftmaschine zu verringern. Zum optimalen Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Steuerung des Ventilhubes ist es deshalb wün schenswert, die Hubstellung ständig zu messen.

Ferner ist aus der DE 43 26 379 A1 eine Vorrichtung zur Mes sung des Ventilhubes eines Ventilschaftes eines Gaswechsel ventils einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Magneten und eine Spule aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Ventilhubes bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Hubsteuerung der Ventile zu schaffen.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Messung des Ventilhubes erfolgt durch die kontaktlose Messung der Stellung der Koppel des Koppelgetriebes. Diese Koppel gibt die Einstellung des Ventilhubes wieder und bewegt sich bei Veränderung der Drehstellung der Nockenwellen auf einer gekrümmten Bahn. Mittels eines magnetfeldsensitiven Meßaufnehmers, der im Ventiltrieb an einer Stelle nahe der Koppel fest angebracht ist, und eines an der Koppel befestigten Permanentmagneten, der ein magnetisches Streufeld erzeugt, wird der Winkel zwischen Meßaufnehmer und Koppel gemessen. Durch die Messung des Winkels zwischen dem fest angebrachten Meßaufnehmer und der Koppel ist auch bei gekrümmter Bewegungsbahn der Koppel eine genaue Messung möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Meßaufnehmer ein magnetorestriktives Giant-MR-Schichtsystem, wie es aus WO 94/17 426 der Anmelderin bekannt geworden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperaturabhängigkeit des Meßaufnehmers kompensiert. Dies ist vorteilhaft, da der Meßaufnehmer im Ventiltrieb angebracht ist und somit starken Temperaturschwankungen, beispielsweise zwischen -20 und +120°, ausgesetzt sein kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Permanentmagnet so an der Koppel angebracht, daß seine Nord/Süd-Achse im wesentlichen parallel zur Koppelbewegung ist. Dadurch kann ein großer Koppelweg erfaßt werden, insbesondere wenn die Länge des Permanentmagneten im wesentlichen der Länge des Koppelwegs gleicht. Nach einer anderen Ausführungsform steht die Nord/Süd-Achse des Permanentmagneten im wesentlichen senkrecht zur Koppelbewegung. Dadurch kann der meßbare Koppelweg höher aufgelöst werden und ein kleinerer Magnet zum Einsatz kommen.

In einer besonderen Ausführungsform wird der Meßwert an einer Koppelendstellung vom Steuergerät zur Kalibrierung der genauen Einbauposition des Meßaufnehmers verwendet. Dadurch können Toleranzen bei der Fertigung, oder wenn beispielsweise der Einstellmechanismus für den Ventilhub ausgewechselt wurde, ausgeglichen werden und daraus resultierende Leistungseinbußen verhindert werden.

Selbstverständlich ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzeptes auch möglich, die Position von Meßaufnehmer und Permanentmagnet zu vertauschen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung in Form von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines verstellbaren Ventiltriebes mit der Vorrichtung zum Messen des Ventilhubes,

Fig. 2 die Bewegungsbahn des an der Koppel angebrachten Permanentmagneten beim Verstellen der Koppel,

Fig. 3 ein Diagramm mit dem Ventilhub als Funktion verschiedener Meßwerte und

Fig. 4 eine Schaltung zur Temperaturkompensation des Meßaufnehmers.

Fig. 1 zeigt einen aus DE 42 44 550 bekannten Ventiltrieb 1 mit zwei Nockenwellen 2 und 3, die zum Antrieb eines nicht dargestellten Ventils dienen. Die Nockenwelle 2 wird von der Kurbelwelle angetrieben und der Antrieb der zweiten Nockenwelle 3 erfolgt über zwei Zwischenzahnräder 4 und 5, die über drei Koppeln 6, 7 und 8 miteinander verbunden sind. Auf die Koppel 6 des Koppelgetriebes wirkt ein Stellglied 10. Durch Verschwenken der Koppel 6 um den Drehpunkt der Nockenwelle 2 wird über den Zahneingriff der Zahnräder 4 und 5 die Nockenwelle 3 relativ zur Nockenwelle 2 verdreht. Dabei bewegt sich die Koppel 7 auf einer gekrümmten Bahn. Durch diesen Mechanismus lassen sich Steuerzeit und Ventilhub verändern.

Das Stellglied 10 wird zur Verstellung des Koppelgetriebes von einer Leistungsstufe 11 angesteuert, die ein Ansteuersignal, insbesondere ein impulsbreitenmoduliertes Signal von einem Steuergerät 14 erhält.

Die Messung des Ventilhubes erfolgt durch die Messung der Stellung der Koppel 7. Die Stellung der Koppel 7 ist eindeutig den Stellungen der Zahnräder 4 und 5 und damit der Drehstellung der Nockenwellen zugeordnet. Die Koppel 7 bewegt sich, wie in Fig. 2 zu sehen ist, jedoch nicht geradlinig, sondern auf einer gekrümmten Bahn und vollführt zugleich eine leichte Kippbewegung. An der Koppel 7 ist ein Permanentmagnet 9 befestigt. Dieser Permanentmagnet erzeugt ein magnetisches Streufeld, das von einem fest nahe der Koppel montierten, magnetorestriktiven Giant-MR-Schichtmeßaufnehmer erfaßt wird. Dieser Meßaufnehmer ist im wesentlichen empfindlich auf die Richtung des magnetischen Streufeldes und nicht auf die Feldstärke, er stellt somit einen den Winkel messenden Meßaufnehmer dar. In Fig. 2 ist der Meßaufnehmer 13 mit dem Permanentmagneten 9 zu sehen. Der Permanentmagnet 9 ist so an der Koppel 7 angebracht, daß seine Nord/Süd-Achse im wesentlichen parallel zur Koppelbewegung liegt. Der Giant-MR- Schichtmeßaufnehmer wird vom magnetischen Streufeld durchflossen. Die Feldstärke des Streufeldes des Permanentmagneten 9 ändert sich bei der komplexen Bewegung der Koppel 7 stark, so daß die Position der Koppel 7 nicht genau meßbar ist. Ferner ändert sich die Feldstärke des Magneten durch die starken Temperaturunterschiede, die im Ventilantrieb vorliegen (-40 bis ca. +120°). Dagegen ist die Richtung des magnetischen Streufeldes am Ort des Meßaufnehmers 13 eindeutig von der Position der Koppel 7 abhängig, unabhängig von Feldstärkeschwankungen. Dadurch gibt die in Kurve 15 der Fig. 3 dargestellte Kennlinie des Meßaufnehmers 13 genau die absolute Position der Koppel und somit den Ventilhub wieder. Konventionelle Meßaufnehmer, die nur den Abstand zur Koppel 7 messen würden, ergäben eine nicht lineare Kennlinie, wie sie in Kurve 16 gestrichelt dargestellt ist.

Die Temperaturabhängigkeit des Meßaufnehmers, nämlich die Temperaturabhängigkeit des Meßaufnehmerwiderstandes und die Temperaturabhängigkeit des magnetorestriktiven Effekts, kann durch eine Widerstandsanordnung kompensiert werden. Eine solche Kompensation ist in Fig. 4 dargestellt. Dazu wird die Versorgungsspannung V_cc dem Giant-MR-Schichtmeßaufnehmer 13 nicht direkt zugeführt, sondern über eine Parallelschaltung eines Widerstandes 18 mit einem NTC-Widerstand 17. Der Parallelwiderstand 18 sorgt für eine Linearisierung der nahezu exponentiellen Kennlinie des NTC-Widerstandes und dient zur genauen Einstellung des Widerstandskoeffizienten. Dadurch, daß der NTC-Widerstandswert mit zunehmender Temperatur abnimmt, verändern sich die Spannungsverhältnisse in dieser Schaltung so, daß die Spannung zwischen den Ausgängen Sig- und Sig+ des Giant-MR-Schichtmeßaufnehmers wie gewünscht zunimmt. Es ist natürlich auch eine andere Kompensationsschaltung z. B. mit einem Operationsverstärker denkbar. Das Ausgangssignal des Meßaufnehmers 13 ist ein Stromsignal, das zwischen 4 mA und 20 mA liegt. Es wird einem Steuergerät 14 zugeführt, das mittels abgelegter Kennlinien aus der Stromstärke den Ventilhub berechnet. Dieser Ventilhub wird über nicht näher bezeichnete Leitungen dem Steuergerät 12 der Brennkraftmaschine zugeführt. Natürlich kann das Steuergerät 14 auch in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine integriert sein.

Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und für den Fall, daß beispielsweise der Einstellmechanismus für den Ventilhub ausgewechselt wurde, verwendet das Steuergerät 14 im Betrieb den Meßwert an einer Koppelendstellung 9' oder 9", zur Kalibrierung der genauen Einbauposition des Meßaufnehmers.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Ventilhubes bei einer Brennkraftmaschine mit variablen Hubsteuerung der Ventile mittels zweier Nockenwellen (2, 3), welche über einen Schwinghebel auf die in Schließrichtung federbelasteten Ventile wirken und die gegeneinander über ein Koppelgetriebe (4, 5, 6, 7, 8) verdrehbar sind, das eine Koppel (7) aufweist, die sich bei Verdrehung der Nockenwellen (2, 3) gegeneinander auf einer gekrümmten Bahn bewegt und die die Einstellung des zu messenden Ventilhubes bestimmt, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten (9) der an der Koppel (7) befestigt ist und ein magnetisches Streufeld erzeugt, einen magnetfeldsensitiven Meßaufnehmer (13), der an einer Stelle nahe der Koppel (7) fest angebracht ist und der den Winkel zur Koppel (7) mißt, und ein Steuergerät (14), dem der Meßwert des Meßaufnehmers (13) zugeführt wird und das aus dem Winkel zwischen Meßaufnehmer (13) und Koppel (7) die Stellung der Koppel (7) und damit die Verdrehung der beiden Nockenwellen (2, 3) gegeneinander und den Ventilhub berechnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldsensitive Meßaufnehmer (13) einen feldabhängigen Widerstand hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldsensitive Meßaufnehmer (13) ein magnetorestriktives Giant-MR-Schichtsystem aufweist, so daß der Ausgangswert im wesentlichen nur von der Richtung des magnetischen Feldes und nicht von der Feldstärke abhängt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit des Meßaufnehmerwiderstandes durch eine Brückenschaltung kompensiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstandsanordnung, bestehend aus einem Widerstand (17) und einem NTC-Widerstand (18), zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des magnetorestriktiven Effektes vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (13) ein Stromsignal an das Steuergerät (14) leitet, dessen Stromstärke zwischen einem unteren Wert und einem oberen Wert liegt und den Meßwert darstellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Wert 4 mA und der obere Wert 20 mA beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (14) eine Kennlinie abgelegt ist, die den Ventilhub als Funktion des Meßwertes wiedergibt.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (14) im Betrieb den Meßwert an einer Koppelendstellung (9', 9") zur Kalibrierung der genauen Einbauposition des Meßaufnehmers (13) verwendet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppel (7) aus nicht- ferromagnetischem Material ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (9) so an der Koppel (7) angebracht ist, daß seine Nord/Süd Achse im wesentlichen parallel zur Koppelbewegung ist, wodurch ein großer Koppelweg erfaßt werden kann.

12. Vorrichtung nach Anspruche 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Permanentmagneten (9) im wesentlichen der Länge des Koppelwegs gleicht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (9) so an der Koppel (7) angebracht ist, daß seine Nord/Süd Achse im wesentlichen senkrecht zur Koppelbewegung steht, wodurch der meßbare Koppelweg höher aufgelöst wird.