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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil,
insbesondere als Ein-/Auslaßventil
einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 4.
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Elektromechanische Antriebe für Ein-/Auslaßventile
von Brennkraftmaschinen 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 Magnetantrieb
in der Lage sein, hohe Kräfte
aufzubringen. Dies erfordert hohe Magnetkräfte. Zur Steuerung der Ventilbewegung
muß dessen periodische
Hubbewegung ständig
gemessen werden. Der Ventilhub beträgt üblicherweise 8 mm. Dabei muß der Hub
auf etwa 1/100 mm genau gemessen werden, um eine effektive Ventilsteuerung
zu ermöglichen.
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Die Umgebungstemperatur liegt im
Bereich von –40
bis +180°C,
und das Magnetventil ist von Motoröl umgeben (Spritzöl). Sowohl
von den Zündkabeln
als auch von der elektromechanischen Betätigung des Ventils her entstehen
beträchtliche
magnetische wie elektrische Störungen.
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Bei solchen Magnetventilen ist es
bekannt (
EP 0 400 389 ),
die Induktivität
der Wicklung zu messen und als Maß für den Hubverlauf zu verwenden, da
sich die Induktivität ändert, sobald
sich der Anker verschiebt und damit den Luftspalt zwischen Anker und
ferromagnetischem Spulenkern ändert.
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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 Ankerstellung, was eine Messung des Ventilhubes ermöglicht.
Die vom elektromechanischen Ventilantrieb herrührenden Störungen schränken jedoch die Auflösung bei
diesem Meßverfahren
stark ein.
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Die Ankerstellung eines elektromechanisch betätigten Ein/Auslaßventils
läßt sich
auch mit anderen Mitteln erkennen.
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So ist es aus
EP 0 493 634 A1 bekannt,
einen optischen Lagegeber zu verwenden, um die Stellung einer Ankerscheibe
zu erkennen. Der Einsatz optischer Sensoren ist jedoch wegen der
Verschmutzungsgefahr sehr problematisch.
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Aus der
DE 32 27 245 A1 ist ein
Weggeber für
ein Magnetventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 bekannt. Dabei ist am Magnetanker ein Permanentmagnet befestigt,
und im Ventilgehäuse
befindet sich ein Hall-Element, das wegen der Hubabhängigkeit
der Feldstärke
ein Signal für
den Hub liefert. Eine ähnliche
Vorrichtung zur Messung der Stellung eines Ankers eines Elektromagneten
ist aus der
DE-OS 20 57 641 bekannt.
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In der
DE 36 05 216 C2 ist ein Geberelement für einen
Tauchanker-Elektromagneten bekannt, das den magnetischen Fluß im Elektromagneten
mißt, woraus
eine Wegsignal erzeugt wird.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein Magnetventil zu schaffen, dessen Hubstellung sich
mit einfachen Mitteln zuverlässig
und störungsfrei
erfassen läßt, wobei
die Erfassung unempfindlich auf Einbautoleranzen oder Veränderungen
der Stärke
des Permanentmagneten ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen
der nebengeordneten Ansprüche
1 und 4 gelöst.
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Die Messung des Ventilhubes erfolgt
durch kontaktlose Messung mittels eines magnetfeldsensitiven Meßaufnehmers,
der im Ventilgehäuse
befestigt ist, und eines Permanentmagneten, der bezüglich des
Ventilschaftes fest angebracht ist. Der Permanentmagnet erzeugt
ein magnetisches Streufeld. Der magnetfeldsensitive Meßaufnehmer,
dessen Signal vorzugsweise nur von der Richtung des magnetischen
Feldes abhängt,
erfaßt
die Stellung des Permanentmagneten und damit die Hubstellung des Ventils.
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Dazu wird ein nur die Richtung des
magnetischen Feldes erfassender Meßaufnehmer eingesetzt, so daß gewisse
Fertigungstoleranzen hinsichtlich des räumlichen Abstandes zwischen
Permanentmagnet und Meßaufnehmer
bzw. der Stärke
des Permanentmagneten kaum verfälschenden
Einfluß auf die
Messung haben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Meßaufnehmer
deshalb ein magnetoresistives Giant-MR-Schichtsystem, wie es aus
WO 94/17426 A1 der Anmelderin bekannt geworden ist. Der Meß aufnehmer
erzeugt somit ein Signal, das eindeutig die Position oder die Geschwindigkeit
des Permanentmagneten und somit des Ventils wiedergibt. Durch die
Anordnung des Permanentmagneten am Ventilschaft und die Anbringung
des magnetfeldsensitiven Meßaufnehmers
im Ventilgehäuse
werden die Abmessungen des elektromagnetischen Ventils nicht entscheidend
vergrößert.
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Vorzugsweise ist der Permanentmagnet
an einem Federteller befestigt, der zur Abstützung einer Ventilfeder ohnehin
vorgesehen ist. Zur Vermeidung eines Meßfehlers durch Rotation des
Federtellers kann dieser geführt
oder ein ringförmiger
Permanentmagnet verwendet werden.
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Um die vom Elektromagneten des Ventilantriebs
herrührenden
Störungen
abzuschirmen, wird am Meßaufnehmer,
beispielsweise zwischen dem Elektromagneten und dem Meßaufnehmer,
vorzugsweise eine magnetische Abschirmung vorgesehen, die magnetische
Einstreuung und elektrische Einstrahlungen am Meßaufnehmer unterdrückt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend in
einem Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Magnetventil,
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2 einen
schematisierten Längsschnitt durch
ein Magnetventil im Bereich der die Hubstellung erfassenden Meßeinrichtung,
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3 einen
schematisierten Schnitt senkrecht zur Ventilachse durch die die
Hubstellung erfassende Meßeinrichtung
und
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4 eine
Kurve mit einem typischen Verlauf des Signals der Meßeinrichgung
als Funktion der Ventilposition.
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1 zeigt
ein elektromechanisch angetriebenes Ein/Auslaßventil, das aus einem Ventilschaft 2 mit
Ventilteller und Ventilsitz besteht. Der Ventilteller ist zwischen
zwei Endstellungen bewegbar. In einer oberen Endstellung ist das
Ventil vollständig
geschlossen und in einer unteren Endstellung maximal geöffnet. Eine
Ventilfeder 4 ist gegebenfalls über eine Scheibe 11 und
einen Ring 12 zwischen einem oberen Federteller 3 und
einem Ventildeckel 5, der ein Teil des Ventilgehäuses 17 ist,
eingespannt und drückt
den Ventilschaft 2 in Richtung der Öffnungsstellung des Ventiltellers.
Eine zwischen dem Ventilgehäuse 17 und
einem auf dem Ventilschaft 2 angebrachten unteren Federteller 15 angeordnete
Feder 16 drückt
den Ventilteller in Richtung der Schließstellung.
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Der elektromechanische Antrieb besteht
aus zwei Spulenkernen 13, um die herum jeweils eine Wicklung 1 angeordnet
ist. In den Spulenkernen 13 ist der Ventilschaft 2 verschiebbar.
Auf ihm ist zwischen dem oberen Spulenkern und dem unteren Spulenkern
eine Ankerscheibe 14 angeordnet, wobei die der Ankerscheibe 14 zugekehrten
Stirnseiten der beiden Spulenkerne 13 Anschläge für die Ankerscheibe 14 darstellen
und damit die obere bzw. untere Endstellung des Ventils definieren,
in der es maximal geöffnet
bzw. geschlossen ist. Solange die Wicklungen 1 stromlos
sind, wird die Ankerscheibe 14 von den beiden Ventilfedern 4 und 16 in
der Mittelstellung gehalten, wie dies in der Zeichnung dargestellt
ist. Die beiden Wicklungen 1 werden jeweils von einer Treiberschaltung
bestromt, die von einer Regelschaltung angesteuert wird (nicht dargestellt).
Wird eine der Wicklungen 1 stromdurchflossen, entsteht
am entsprechenden Elektromagneten ein Magnetfeld, das die Ankerscheibe 14 zur
bestromten Wicklung 1 hinzieht, wodurch der Ventilschaft 2 angetrieben wird.
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Zur Messung der Hubstellung der Ankerscheibe 14 und
des Ventilschaftes 2 ist am oberen Federteller 3 ein
Permanentmagnet
6 befestigt, der ein magnetisches Streufeld
erzeugt. Natürlich
kann der Permanentmagnet 6 auch am unteren Federteller 15 oder
direkt am Ventilschaft 2 oder an einem geeigneten Magnethalter
befestigt werden, wobei es in jedem Fall günstig ist, wenn das Teil, an
dem der Permanentmagnet 6 befestigt ist, sowie der Ventilschaft 2 aus
einem weitgehend nichtmagnetischen Material bestehen.
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Im Ventilgehäuse 17 ist nahe des
Permanentmagneten 6 ein magnetfeldsensitiver Meßaufnehmer 8 befestigt;
dabei handelt es sich um einen Giant-MR-Meßaufnehmer. Diese Anordnung
von Permanentmagnet 6 und Meßaufnehmer 8 ist in 2 vergrößert dargestellt. Als Meßaufnehmer 8 sind
auch nach anderem Prinzip arbeitende Meßaufnehmer bzw. eine Kombination
von Meßaufnehmern möglich. Es
ist vorteilhaft, den Meßaufnehmer
in einen Luftspalt zwischen dem Permanentmagneten 6 und
einem ortsfesten, weichmagnetischen Bauteil anzuordnen, um den magnetischen
Fluß zu
erhöhen.
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Da von den Wicklungen des elektromagnetischen
Antriebes magnetische Störungen
verursacht werden, ist zwischen der Wicklung 1 und dem
Meßaufnehmer 8 ein
Abschirmblech 10 aus weichmagnetischem Metall angebracht.
Darüberhinaus
ist der Meßaufnehmer 8 von
einer weiteren magnetischen Abschirmung 9 umgeben.
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Der Meßaufnehmer 8 liefert
sein Ausgangssignal über
nicht näher
bezeichnete Leitungen an eine Auswerteelektronik, die vorteilhafterweise
innerhalb des Ventilgehäuses 17 angeordnet
ist (nicht dargestellt). Vorzugsweise befindet sich der Meßaufnehmer 8 direkt
auf einer Leiterplatte, auf der sich auch die Auswerteelektronik
befindet oder der Meßaufnehmer 8 und
die Auswertelektronik sind in einem elektronischen Baustein vereint.
Das Ausgangssignal, vorzugsweise ein Stromsignal, kann dann an das Steuergerät über eine
zweiadrige Zuleitung geführt werden, über die
auch die Versorgung des Meßaufnehmers 8 sowie
der Auswerteelektronik erfolgen kann.
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Das Ausgangssignal des Giant-MR-Meßaufnehmers
ist nur von der Richtung der Feldlinien des vom Permanentmagneten 6 erzeugten
magnetischen Feldes abhängig,
dagegen nicht oder nur gering von der Feldstärke. Dadurch kann die Position des
Permanentmagneten 6 und damit des Ventilschaftes 2 auch
bei Toleranzen hinsichtlich des Abstandes zwischen Permanentmagnet 6 und
Meßaufnehmer 8 bzw.
der Feldstärke
des Permanentmagneten 6 sicher festgestellt werden.
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Um eine Rotation des Federtellers 3 um
die Achse des Ventilschaftes 2 zu verhindern, wird der Federteller 3,
wie in 3 dargestellt,
mittels einer Drehsicherung 7 geführt, so daß er sich höchstens um +– 10°, vorzugsweise
um weniger als +-5° um die Achse
des Ventilschaftes 2 drehen kann.
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Soll auf die Drehsicherung 7 verzichtet
werden, ist es möglich,
einen ringförmigen
Permanentmagneten 6 zu verwenden, der rotationssymmetrisch zur
Achse des Ventilschaftes 2 angebracht ist.
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Natürlich ist es möglich, mehrere
magnetsensitive Meßaufnehmer 8 in
einer Anordnung, zum Beispiel einer Wheatstone-Brücke oder
einer Differenzanordnung vorzusehen, um die Stellung eines Permanentmagneten
zu bestimmen.
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In einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Konzeptes
kann der Permanentmagnet 6 fest mit dem Meßaufnehmer 8 verbunden
sein und der Ventilschaft 2 bzw. das an ihm befestigtes
Bauteil ein weichmagnetisches bzw. ferromagnetisches Bauteil sein,
das sich relativ zum Meßaufnehmer
bewegt, wobei sich der Meßaufnehmer 8 im
Luftspalt zwischen dem Bauteil und dem Permantentmagnet 6 befindet.
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Ein typischer Meßverlauf des Signals des Meßaufnehmers
als Funktion der Position des Ventilschaftes 2 ist in 4 dargestellt. Wie zu sehen
ist, kann der nötige
Ventilhub von 8 mm gut abgebildet werden, da der Signalverlauf weitgehend
linear ist.