DE19913869A1 - Positionssensor, geeignet für elektromagnetisch betriebene Ventilsteuerung, und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Mit dem Positionssensor ist die augenblickliche Hubstellung (5) eines Gaswechsel- oder Einspritzventils (1) zu erfassen, wobei die mit einer Änderung der Flußverkettung verbundene Induktivitätsänderung einer Spule (6) als Positionssignal ausgewertet wird. Insbesondere wird eine Ventilfeder (6) auch als Meßspule verwendet.

Description

Zum Stand der Technik gehört der Entwicklungstrend, die Gas­ wechselventile und/oder die Kraftstoff-Einspritzdüsen, je­ weils bei Brennkraftmaschinen, betriebsbedingt abhängig va­ riabel zu steuern, insbesondere um einen höheren Wirkungsgrad und/oder verminderte Schadstoffemission zu erzielen. In Ent­ wicklung begriffen ist der Ersatz der bisher verwendeten Noc­ kenwelle für den Ventilantrieb einer Brennkraftmaschine durch Antrieb dieser Ventile mittels elektromagnetischer Aktuato­ ren. Damit kann jedes einzelne Ventil einen gesonderten Ak­ tuator erhalten. Dieser kann mittels einer Steuereinheit den Betriebsbedingungen angepaßt so betrieben werden, daß nicht nur zu wählbarem Zeitpunkt sondern auch mit zeitlich vorgeb­ barem Verlauf das Öffnen und Schließen des jeweiligen Ventils erfolgt. Entsprechendes gilt auch für Einspritzventile und deren Steuerung.

In 2244 Research Disclosure, 352 (August 1993) Emsworth, GB, sind nähere Einzelheiten zur Problematik einer Ventilsteue­ rung mit elektromagnetischem Antrieb beschrieben, wobei sich diese Veröffentlichung insbesondere mit der mathematischen Funktion der Auslenkung und Steuerung eines derart angetrie­ benen Ventils befaßt. Es ist dort ein Algorithmus angegeben und auf einen weiteren anderen Algorithmus, beschrieben in der US-A-4761595, hingewiesen.

Für die Ausführung einer solchen Ventilsteuerung ist das Vor­ handensein eines Positionssensors unabdingbar, mit dem eine augenblickliche Ventilstellung im Ablauf der Steuerung erfaßt werden kann. Solche Positionssensoren und deren Betriebs- und Arbeitsweise sind beschrieben in EP-A-0717172 (= Druckschrift 2), in DE-A-195 18 056 (= Druckschrift 3), in WO-98/36160 (= Druckschrift 4), in US-A-5570015 (= Druckschrift 5), und z. B. in DE-A-44 38 059 (= Druckschrift 6).

In Druckschrift (2) ist ein Positionssensor beschrieben, der zur Kontrolle, ob ein jeweiliges Ventil tatsächlich geschlos­ sen ist, dient. Einen dagegen diffizieleren Aufbau beschreibt Druckschrift (3), und zwar einen Sensor mit speziellen Polna­ sen eines Magnetsensors. In Druckschrift (4) ist dagegen ein solcher Sensor beschrieben, der mit dem GMR-(Giant Magneto Resistance)-Effekt arbeitet. Auch Druckschrift (5) beschreibt einen magnetoresistiven Sensor für einen Positionssensor, wo­ bei auch hier die Änderung der Richtung eines magnetischen Flusses, bezogen auf die Ebene des magnetoresistiven Elements als Meßgröße erfaßt wird.

In diesem genannten Stand der Technik ist darauf hingewiesen, daß Schwierigkeiten zu bewältigen sind, die durch das Vorhan­ densein der starken magnetischen Streufelder der elektroma­ gnetischen Aktuatoren der Ventilantriebe bedingt sind. Die jeweilige Öffnungsstellung eines z. B. Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine festzustellen, d. h. ein exaktes Erfassen der tatsächlichen Position des Ventils zu erreichen, bzw. diesbezüglich erforderlich hohe Meßgenauigkeit zu haben, be­ darf spezieller Maßnahmen. Es können dies z. B. besonders ent­ wickelte magnetische Abschirmungen sein. Hohe Meßgenauigkeit ist nämlich insbesondere im Bereich der Ventilstellung erfor­ derlich, in der sich das Ventil nahe der Position "geschlos­ sen" befindet. Der Verlauf der Position bzw. der Geschwindig­ keitsverlauf der Bewegung des Ventils nahe dem Schließen des­ selben muß insbesondere deshalb besonders exakt gesteuert werden können, um ein "weiches" Aufsetzen des Ventiltellers auf dem Ventilsitz zu erreichen, nämlich wie dies mit dem konventionellen Nockenwellenantrieb bekanntermaßen zur Geräu­ schminderung und Lebensdauererhöhung des Ventils erzielbar ist.

In Druckschrift (6) ist ein Sensor zur meßtechnischen Erfas­ sung lediglich der Hubbewegungen, genauer des Hubverlaufs und/oder der Geschwindigkeit, eines jedoch mit (konventionel­ ler) Nockenwelle angetriebenen Ventils beschrieben. Im we­ sentlichen ist die dort angegebene Einrichtung dahingehend ausgebildet, den Einfluß der bei einer Brennkraftmaschine auftretenden hohen Temperaturunterschiede auf die Meßergeb­ nisse zu kompensieren. Der dort für die Erfassung der Hubbe­ wegung des Nockenwellen-angetriebenen Ventils vorgesehene Sensor umfaßt eine Spule, die mit Gleichstrom zur Erzeugung eines Permanentmagnetfeldes oder mit Wechselstrom impulsweise zu speisen ist, und einen Spulenkern. Dieser Spulenkern ist ein Anteil des Ventilschaftes. Im Bereich der Spule besteht der Ventilschaft aus in Axialrichtung magnetisch oder elek­ trisch leitend voneinander unterschiedlichen Werkstoffen. Bei der Hubbewegung des Ventils wird die Stelle des Übergangs vom einen zum anderen Werkstoff im Bereich der Spule in Axial­ richtung hin und her bewegt. Dies ergibt eine wegen sich än­ dernder magnetischer Flußführung bzw. Flußverdrängung zu mes­ sende Veränderung der Impedanz der Spule. Um eine Temperatur­ kompensation des temperaturabhängigen elektrischen Widerstan­ des der Spule entbehrlich zu machen, ist für die aus Druck­ schrift (6) bekannte Anordnung vorgeschlagen, den Magnet­ kreis, bestehend aus Spule und Ventilschaft als seinen Ort ändernden Kern der Spule, in Resonanz als Schwingkreis zu be­ treiben und die auftretende Änderung der Resonanzfrequenz als Maß für den Ventilhub zu erfassen. Der Magnetkreis soll also in Resonanzfrequenz betrieben und die Änderung der Stellung des Kerns als auftretende Änderung der Resonanzfrequenz aus­ gewertet werden. Angaben, einen Kondensator zusätzlich zu verwenden, sind nicht gemacht. Für eine Messung bzw. Fest­ stellung einer momentanen Position des Ventils ist der Druck­ schrift (6) kein Hinweis zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, mit denen Meßfehler durch magnetische Streufeld-Beeinflussung des Meß­ wertes einer Positionsbestimmung der aktuellen Stellung eines Ventils minimiert oder gar ausgeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Sensors mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, und in den davon abhängigen Unteransprüchen sind Maßnahmen für Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Sensors genannt. Patentanspruch 12 gibt eine Lö­ sung der Aufgabe bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb des Sensors an.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, - abweichend von den oben ge­ nannten, bekanntermaßen angewandten Prinzipien der Änderung der Flußführung oder der Flußverdrängung durch Wirbelstrom­ effekt, - eine von der Hubbewegung des Ventils gesteuert her­ beigeführte (zeitliche) Änderung der magnetischen Flußverket­ tung in der auch bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Spule zu nutzen. Die technische Realisierung der Nutzung der Flußverkettung besteht darin, eine solcherart ausgebildete Spule zu verwenden, deren Wicklungsgeometrie als meßbare Stellgröße sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Ventil­ stellung während des Arbeitens des Ventils ändert. Bei der vorliegenden Erfindung bedarf es keines Kernes in der hier speziell verwendeten Spule. Insbesondere soll kein magneti­ scher Kern und auch keine magnetische Abschirmung in der Nähe der Spule vorhanden sein, die von einem Streufeld, insbeson­ dere eines Aktuators, beeinflußt werden können.

Eine besonders bevorzugte Ausführung zu dem bei der Erfindung genutzten Prinzip einer Änderung der Flußverkettung ist die, eine wie an sich üblicherweise verwendete schraubenförmige Ventilfeder, diese ggfs. angepaßt modifiziert, außerdem auch als diese Meßspule zu verwenden. Mit der sich beim Arbeitshub des Ventils ergebenden Formveränderung der Ventilfeder geht eine sich ändernde Magnetfeld-Verkettung der also auch als Spule verwendeten Ventilfeder einher. Diese Änderung der Flußverkettung bewirkt eine hubabhängige und damit posi­ tionsabhängige Änderung der zu messenden Spuleninduktivität.

Der jeweilige Induktivitätsmeßwert, d. h. das sich davon ab­ hängig ändernde elektrische Signal, kann dann in an sich be­ kannter Weise als aktuelle Positionsangabe gemessen und aus­ gewertet werden.

Der Einbau dieser Ventilfeder ist wie erforderlich wenigstens einpolig elektrisch isoliert ausgeführt.

Diese Ventilfeder als sich formverändernde Spule kann aber auch (wenigstens ein) Teil eines Resonanzschwingkreises sein, und es kann die Änderung der Spuleninduktivität vorteilhaft auch als Resonanzfrequenz-Änderung (oder auch als Änderung des Resonanzwiderstandes) des gebildeten Schwingkreises aus­ gewertet werden. Um die bei der Erfindung als Spule verwende­ te Ventilfeder in einem Resonanzkreis zu benutzen, kann die­ ser Spule in Reihe oder auch parallel eine Kapazität hinzuge­ schaltet sein. Hinsichtlich dieser Kapazität sollte beachtet werden, daß diese so ausgeführt ist und/oder im Motorblock so angeordnet ist, daß sie von betriebsbedingten Einflüssen durch den Motor möglichst unbeeinflußt bleibt. In diesem Zu­ sammenhang sind insbesondere die Ölnebel im Inneren des Mo­ torblocks zu berücksichtigen.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist, die Ventil­ feder als Spule in Eigenresonanz schwingen zulassen.

Der Meßwert, der bei einer solchen Ausführungsform als Reso­ nanzkreis erfaßt wird, d. h. die Frequenzmessung, wird gene­ rell durch ein vorhandenes, sich änderndes magnetisches Streufeld nicht beeinflußt, d. h. ein solches Streufeld kann keinen Meßfehler herbeiführen.

Für den Fall, daß die Ventilfeder für die Messung nach dem Flußverdrängungs-Prinzip nicht geeignet ist oder nicht zur Verfügung steht, kann eine für das beschriebene Prinzip des Spulenaufbaus und -einsatzes ausgeführte separate Spule in Form einer Schraubenfeder vorgesehen sein, die mechanisch mit dem Ventil bzw. Ventilschaft derart gekoppelt und in das Mo­ torbauteil eingesetzt ist, daß diese separate Spule eine z. B. der Federverformung der Ventilfeder wenigstens entsprechende Form-Änderung ihres Wicklungsaufbaues, abhängig von der augenblicklichen Ventilposition, ausführt. Das voranstehend beschriebene Prinzip der Signalgewinnung als Induktivitätsän­ derung oder im Resonanzkreis als Frequenzänderung oder Reso­ nanzwiderstandsänderung gilt sinngemäß auch für diese zusätz­ liche Spule.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand der nach­ folgenden Figurenbeschreibung gegeben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Er­ findung.

Fig. 2 zeigt schematisch (in teilweise aufgebrochener An­ sicht) eine Weiterbildung der Erfindung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein hubbewegter Körper in Form eines Gaswechselventils mit einem Ventilteller 2 und einem Ventil­ schaft 3 bezeichnet. Mit 4 ist ein Aktuator bezeichnet, mit dem das Ventil elektromagnetisch zu betätigen ist. Das Ventil führt dann eine Hubbewegung 5 aus. Mit 6 sind eine Ventilfe­ der und mit 7 ein Federteller üblicher Art bezeichnet. Mit 8 ist eine Auflage im Motorblock bezeichnet. Wie konventionell üblich, wird bei Hubbewegung 5 des Ventils 1 mit dem mitbe­ wegten oberen Federteller 7 die Ventilfeder 6 mehr oder weni­ ger zusammengedrückt. Dabei erfährt die Ventilfeder eine Formveränderung.

Als besondere erfindungsgemäße Ausführungsform wird diese Ventilfeder 6 auch als Induktivität bzw. messende Spule be­ nutzt. Es ist die Isolationsscheibe 71 vorgesehen, mit der zumindest das eine Ende der Feder 6 gegenüber Masse elek­ trisch isoliert wird. Mit 13, 13' sind Anschlußleitungen be­ zeichnet, mit denen das jeweilige Ende der Feder 6 in der zu­ sätzlichen Funktion als elektrische Spule mit einem Meß- und Auswertegerät 14 verbunden ist. Bei einseitiger Masseverbin­ dung der Feder 6 (bei z. B. elektrischem Kontakt zwischen Fe­ der und oberem Federteller) genügt entsprechend eine einzige solche Leitung 13 für das elektrisch isolierte zweite Ende der Feder.

Der Ventilschaft soll insbesondere im Bereich der Spule bzw. der auch als Spule verwendeten Feder vorzugsweise aus nicht­ magnetischem Material bestehen. Mit dieser Maßnahme soll bzw. kann wenigstens weitgehend vermieden werden, daß der Aktuator durch ein Streufeld einen Meßwertfehler bewirkt.

Die wie oben beschriebene Formänderung der Feder als elektri­ sche Spule ergibt infolge veränderter Flußverkettung inner­ halb derselben eine Induktivitätsänderung, die mit dem Meß- und Auswertegerät in ein elektrisches Positionssignal als Si­ gnal am Ausgang 15 umgesetzt wird.

Mit V sind eine Stromversorgung des Gerätes 14 und mit M ein elektrischer Masseanschluß bezeichnet.

Zusätzliche Maßnahmen können vorgesehen sein, um z. B. den Grundwert der Induktivität der Ventilfeder 6 als Spule einzu­ stellen.

Anstelle die Ventilfeder 6 auch als Spule zu verwenden oder zusätzlich zur Feder 6 als Spule können vorzugsweise im Inne­ ren der Feder 6 ein oder mehrere (zusätzliche) Spulen vorge­ sehen und angeordnet sein. Diese eine oder mehreren (zusätz­ lichen) Spulen sind ebenso wie die Ventilfeder 6 mit der Hub­ bewegung 5 gekoppelt, um die oben beschriebene Spulen- Formveränderung im Betrieb auszuführen. Diese eine oder meh­ reren Spulen sind untereinander und als zusätzliche Spulen auch mit der Feder 6 als Spule elektrisch verbunden. Sind diese Spulen und ggfs. dazu die Feder 6 elektrisch in Reihe geschaltet und hinsichtlich der Stromdurchflutung gleichsin­ nig orientiert, ergibt dies eine höhere Induktivität bzw. im Betrieb eine höhere Induktivitätsänderung. Es kann aber auch wenigstens eine, vorzugsweise im Inneren der übrigen Spulen angeordnete, Spule hinsichtlich ihrer Stromdurchflutung im entgegengesetzten Sinne zu den übrigen Spulen orientiert sein, womit dann ein Abschirmeffekt mittels dieser Spule be­ züglich der üblichen äußeren Spulen gegenüber dem Ventil­ schaft zu erzielen ist. Diese mehreren Spulen können unter­ einander und als zusätzliche Spulen auch bezüglich der Feder 6 als Spule vorzugsweise mit gleichsinniger Stromdurchflutung auch parallelgeschaltet sein.

Solche mehreren Spulen können vorzugsweise koaxial zueinander und koaxial zur Feder 6 angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Ausführungsform mit einer zur beschriebenen Feder 6 zusätzlichen koaxialen Ventilfeder 61. Als bloßes Ventilfeder-System eines Motors ist eine solche Ausführungsform mit z. B. zwei koaxialen Ventilfedern 6, 61 an sich bekannt.

Die Besonderheit bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist, daß die jeweils beiden Enden dieser Federn 6, 61 mit Hilfe z. B. der Isolatorscheiben 71, 71' elektrisch gegen Masse isoliert sind. Die beiden auch als Spulen verwen­ deten Federn 6 und 61 sind elektrisch kontaktiert derart mit­ einander verbunden, daß sie für einen durchfließenden elek­ trischen Strom hier z. B. in Reihe geschaltet sind und gleich­ sinnige Stromdurchflutung haben. Die beiden jeweils unteren Enden der Federn bzw. Spulen sind elektrisch mit den Verbin­ dungsleitungen 13 bzw. 13' verbunden. In entsprechender Weise können noch mehrere zusätzliche Federn wie die zusätzliche Feder 61 koaxial als Ventilfedern angeordnet sein und auch als Spulen genutzt werden.

Es sei zu einer Ausführungsform mit mehreren solchen sich im Betrieb formverändernden Spulen darauf hingewiesen, daß diese zur Ventilfeder 6 zusätzlich vorgesehenen, federnd eingebau­ ten Spulen, hier in Fig. 2 die zusätzliche Feder bzw. Spule 61, nicht notwendigerweise auch einen wesentlichen Beitrag bezüglich einer Federkraft bringen müssen, dies aber vorteil­ haft vorgesehen sein kann. Vorzugsweise wird man solche zu­ sätzlichen Spulen ebenfalls aus elastisch federndem Draht hergestellt verwenden.

Es soll auch darauf hingewiesen sein, daß dafür Sorge getra­ gen sein muß, daß kein Windungsschluß innerhalb einer jewei­ ligen Spule bzw. Feder oder von Spule bzw. Feder zu benach­ barter Spule bzw. Feder (abgesehen von den vorgesehenen elek­ trischen Verbindungen jeweiliger Spulenenden miteinander) eintritt.

Zum Zwecke der elektrischen Verbindung zweier Spulen an deren Spulenende kann vorgesehen sein, daß (hier in Fig. 2) die Fläche der Unterseite der Isolierscheibe 71' teilweise mit einem elektrisch leitenden Belag 171' als Leiterbahn versehen ist. Dieser Belag ist auf dieser Unterseite der Isolierschei­ be 71' so strukturiert, daß (jeweils) nur die zwei miteinan­ der zu verbindenden dort anliegenden Federenden miteinander kontaktiert werden und insbesondere beim Durchfedern sich die örtliche Lage der Kontaktstellen zwischen dem Belag 171' und dem jeweiligen Federende nicht wesentlich ändert. Dieser Be­ lag 171' erstreckt sich auf dieser Fläche dementsprechend nur eng begrenzt.

Wie vorstehend ausgeführt, kann der erfindungsgemäße Positi­ onssensor als Resonanzschwingkreis betrieben werden. Dazu liefert das Meß- und Auswertegerät 14 gemäß Fig. 1 ein hoch­ frequentes Anregungssignal für den Schwingkreis. Eines zu­ sätzlichen Kondensators 20 bedarf es, hier in der Fig. 1 als Parallelkondensator dargestellt, wenn die Ventilfeder als Spule nicht in Eigenresonanz betrieben werden soll. Es kann auch ein Reihenschwingkreis mit einem in Reihe geschalteten Kondensator vorgesehen sein.

Auf die besondere Unbeeinflußbarkeit der Messung durch magne­ tische Streufelder, nämlich bei Betrieb in Resonanz, ist be­ reits vorstehend hingewiesen worden.

Claims (12)

1. Positionssensor für die augenblickliche Hubstellung eines hubbewegten Körpers (1) mit Auswertung einer von der Hubbewe­ gung (5) abhängigen Induktivitätsänderung, wobei

• - der Sensor mindestens eine induktivitätsbehaftete Spule (6) umfaßt, die in das die Hubbewegung (5) ausführende Sy­ stem mit dem hubbewegten Körper (1) derart eingefügt ist, daß diese Spule (6) eine Formveränderung bei vorsichgehen­ der Hubbewegung ausführt
  und
• - zum Erfassen der durch magnetische Flußverkettung aufge­ tretenden Induktivitätsänderung dieser Spule eine Meß- und Auswertegerät (14) für ein Positions-Ausgangssignal vorge­ sehen ist.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich mit der Hubbewe­ gung (5) formverändernde Spule eine mechanische Schraubenfe­ der (6, 61) einer hubbewegenden Mechanik des Systems ist.

3. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Spule (61) vorgesehen ist, die mit der Mechanik der Hubbewegung des Systems derart gekoppelt ist, daß diese Spule bei Hubbewegung eine Formveränderung ihres Wicklungsaufbaus ausführt.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spule (6, 61) parallel oder in Reihe ein Kondensator (20) zur Bildung eines Schwingkreises aus Spule und Kondensator zugeschaltet ist und das Meß- und Auswertegerät (14) für Resonanzmessung als Ausgangssignal des Positionssensors ausgebildet ist.

5. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge­ kennzeichnet durch ein Gaswechselventil (1) als hubbewegtem Körper.

6. Positionssensor nach Anspruch 5, gekennzeich­ net durch eine schraubenförmige Ventilfeder als Spule (6).

7. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge­ kennzeichnet durch einen Hubkolben eines Ein­ spritzventils als hubbewegtem Körper (1).

8. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere mit der Hubbewegung (5) des Systems gekoppelte formveränderbare Spulen (6, 61) vorgesehen sind, die miteinander verbunden mit dem Meß- und Auswertegerät (14) verbunden sind.

9. Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mehreren Spulen (6, 61) derart bezüglich ihres jeweiligen Wickelsinns orientiert und derart mit ihren elektrischen Anschlüssen miteinander verbun­ den sind, daß diese Spulen gleichsinnige Stromdurchflutung haben.

10. Positionssensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den mehreren Spulen wenigstens eine Spule der mindestens einen anderen Spule ge­ genüber gegensinnige Stromdurchflutung hat.

11. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schrauben­ federn eines Antriebs eines Gaswechselventils oder Kolbens einer Einspritzdüse als wenigstens zwei Spulen (6, 61) vorge­ sehen sind.

12. Verfahren zum Betrieb eines Positionssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (6, 61) in Eigenresonanz betrieben wird.