DE19913870A1 - Positionssensor, geeignet für elektromagnetisch betriebene Ventilsteuerung - Google Patents

Abstract

Positionssensor, geeignet für elektromagnetisch betriebene Ventilsteuerung zur Feststellung der augenblicklichen Ventilstellung, wobei die Kapazitätsänderung eines Kondensators (10), dessen eine Elektrode (11) mit der Bewegung des Ventils mitbewegt wird, als Ausgangssignal (15) die Positionsangabe liefert.

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 zeitlicher vor­ gebbarem Verlauf das Öffnen und Schließen des jeweiligen Ven­ tils 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 (= 2), in DE-A- 195 18 056 (= 3), in WO-98/36160 (= 4), in US-A-5570015 (= 5), und z. B. in DE-A-44 38 059 (= 6).

In (2) ist ein Positionssensor beschrieben, der zur Kontrol­ le, ob ein jeweiliges Ventil tatsächlich geschlossen ist, dient. Einen dagegen diffizieleren Aufbau beschreibt (3), und zwar einen Sensor mit speziellen Polnasen eines Magnetsen­ sors. In (4) ist dagegen ein solcher Sensor beschrieben, der mit dem GMR-(Giant Magnetic Resistance)-Effekt arbeitet. Auch die (5) beschreibt einen magnetoresistiven Sensor für einen Positionssensor, wobei auch hier die Änderung der Richtung eines magnetischen Flusses, bezogen auf die Ebene des magne­ toresistiven Element 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 der Druckschrift (6) ist ein Sensor zur meßtechnischen Er­ fassung 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 Magnetspule. Um eine Tem­ peraturkompensation des temperaturabhängigen elektrischen Wi­ derstandes der Spule entbehrlich zu machen, ist für die aus (6) bekannte Anordnung vorgeschlagen, den Magnetkreis, beste­ hend aus Spule und Ventilschaft als seinen Ort ändernder Kern der Spule, in Resonanz als Schwingkreis zu betreiben und die auftretende Änderung der Resonanzfrequenz als Maß für den Ventilhub zu erfassen. Der Magnetkreis soll also in Resonanz­ frequenz betrieben werden und die Änderung der Stellung des Kerns als auftretende Änderung der Resonanzfrequenz ausgewer­ tet werden. Angaben, einen Kondensator zusätzlich zu verwen­ den, sind nicht gemacht. Für eine Messung/Feststellung ei­ ner momentanen Position des Ventils ist der Druckschrift (6) kein Hinweis zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die Feststellung/Angabe der augenblicklichen Position eines hubbewegbaren Körpers, insbesondere eines Gaswechselventils oder eines Kolbens einer Pumpe, einen Sensor anzugeben, der von magnetischen Streufel­ dern, insbesondere eines die Hubbewegung magnetisch antrei­ benden Aktuators, unbeeinflußt arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und in den Unteransprüchen sind Maßnahmen für Weiter­ bildungen der Erfindung genannt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Meßsignal für die Posi­ tionsermittelung mit rein kapazitiver Messung zu erreichen. Zu diesem Zwecke ist eine mit sich ändernder Kapazität arbei­ tende Meßeinrichtung für die augenblickliche Position der Ventilstellung vorgesehen. Diese Einrichtung kann in einfa­ cher Ausführung ein Plattenkondensator sein, dessen eine Kon­ densatorplatte zusammen mit dem Ventilantrieb, insbesondere mit dem Ventilschaftende verbunden, sich gegenüber einer feststehenden Kondensatorplatte hin und her bewegt, und zwar in Richtung des Abstandes dieser beiden Platten. Einen im Re­ gelfall größeren Meßsignalhub liefernde Ausführung der Ein­ richtung besteht darin, die feststehende Elektrode und die von der Ventilstellung abhängig positionsveränderte Elektrode beide als ineinandertauchende Topfelektroden auszubilden. Da­ bei können die Topfformen der einen oder der beiden Kondensa­ torelektroden auch als mehrfach ineinander greifende topfför­ mige Gebilde ausgestaltet sein. Eine solche Ausführung hat z. B. den Vorteil gegenüber einer ebenfalls in Frage kommenden Ausführung nach Art eines Drehkondensators, daß die Teile der bewegten Elektrode des Kondensators nur Hin- und Herbewegun­ gen ausführen, die hier im wesentlichen verschleißfreie Lage­ rung ermöglichen.

Eine noch weitere Maßnahme, den Kapazitätswert eines Konden­ sators hubabhängig zu verändern, ist, zwischen die entgegen­ gesetzt gepolten Elektroden/Platten desselben ein Dielektri­ kum mit einer (von z. B. Luft verschiedenen Dielektrizitäts­ konstante) mehr oder weniger weit hineinzuschieben.

Der Vorzug einer Positionsbestimmung auf kapazitivem Wege ist, daß die sehr erheblichen Streufelder des magnetischen Antriebs des Aktuators des Ventils praktisch keinen störenden Einfluß auf das kapazitive elektrische Meßergebnis ausführen können. Aufwendige Magnetabschirmungen sind bei der vorlie­ genden Erfindung und deren Realisierung zumindest weitestge­ hend, wenn nicht vollständig, entbehrlich.

Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist, das sich durch Kapazitätsänderung ergebende Meßsignal nicht direkt als bloßes kapazitätsbeeinflußtes Signal zu messen, sondern die­ sen Meßkondensator mit hubabhängig sich ändernder Kapazität zu einem Bestandteil eines Resonanzkreises mit einer zusätz­ lichen, vorzugsweise magnetisch gut abgeschirmten und ggfs. auch weiter entfernt positionierten Spule als Induktivität zu machen und die Resonanzfrequenzänderung und/oder die Änderung des Resonanzwiderstandes des Schwingkreises als Meßgröße für die Position des Ventils auszuwerten.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der nachfolgen­ den Beschreibung zu Beispielen von Ausführungsformen der Er­ findung hervor.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Plat­ tenkondensator,

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit topf/-zylinderförmigen Elektroden des Kondensators,

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit die Kapazität hubabhängig veränderbarem Dielektrikum.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Gaswechselventil bezeichnet, wie es in Brennkraftmaschinen üblicherweise verwendet wird. Mit 2 ist der Ventilteller und mit 3 der Ventilschaft bezeichnet. Das Bezugszeichen 4 weist auf ein Stellglied hin, das z. B. ein elektromagnetischer Aktuator ist, der die mit dem Doppel­ pfeil 5 angedeutete Hubbewegung des Gaswechselventils 1 in bekannter Weise bewirkt. Nicht dargestellt ist in dieser Prinzipdarstellung die übliche Ventilfeder und die dazu wei­ teren üblichen Teile wie Federteller und dgl.

Mit 11 ist eine erste Kondensatorplatte als Elektrode und mit 12 eine zweite Kondensatorplatte als (Gegen-)Elektrode be­ zeichnet. Die erste Elektrode 11 ist mit z. B. dem Ende bzw. mit einer Verlängerung des Ventilschaftes 3 mechanisch fest verbunden und sie bewegt sich entsprechend der Hubbewegung 5 bei Betrieb des Ventils. Die Elektrode 12 ist z. B. ortsfest im Motor angebracht. Die beiden Elektroden 11 und 12 sind mittels Leitungen 13, 13' mit einem Meß- und Auswertegerät 14 verbunden. Dieses hat einen Signalausgang 15. Bei einseitigem Masseschluß, z. B. elektrischem Schluß der Elektrode 11 mit dem Ventilschaft 3, ist die Leitung 13' entbehrlich und das Gerät 14 wird entsprechend mit Masse verbunden.

Eine bei Hubbewegung 5 bewirkte Änderung des Abstandes der beiden Elektroden 11 und 12 des Kondensators 10 voneinander und die dabei auftretende Kapazitätsänderung ergibt ein Aus­ gangssignal am Signalausgang 15 des Meß- und Auswertegerätes 14. Das Ausgangssignal gibt die augenblickliche Hub-Position des Ventils 1 an.

Die in Fig. 2 (und Fig. 3) enthaltenen Bezugszeichen, die mit Bezugszeichen der Fig. 1 übereinstimmen, haben dieselbe Bedeutung. Mit 21 und 22 sind zwei, wie aus der Fig. 2 her­ vorgeht, z. B. topfförmig ausgebildete Elektroden des Konden­ sators 10' bezeichnet. Zur Verstärkung der Meßwirkung können z. B. noch weitere topfförmige, koaxial angeordnete Elektroden des Kondensators vorgesehen sein, z. B. die weitere Elektrode 22', die mit der Elektrode 22 elektrisch verbunden ist. Bei auftretender Hubbewegung 5 des Ventils 1 wird die Elektrode 21 mehr oder weniger weit in den Zwischenraum zwischen die beiden Elektroden 22 und 22' hereingeschoben. Die dabei auf­ tretende Kapazitätsänderung des Kondensators 10' ergibt, wie schon zur Fig. 1 beschrieben, das Signal am Ausgang 15 des Meß- und Auswertegerätes 14.

In den Fig. 1 und 2 ist gestrichelt und zu einer Weiter­ bildung der Erfindung gehörig noch eine Spule bzw. Induktivi­ tät 30 angegeben. Diese liegt parallel dem Kondensator 10, 10' und bildet mit diesem zusammen einen Schwingkreis. Für diese weitergebildete Ausführungsform der Erfindung ist das Meß- und Auswertegerät so ausgebildet, daß es die sich abhän­ gig von der Hubstellung des Ventils einstellende, angeregte Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises mißt und daraus das jeweilige Positionssignal des Ausgangs erzeugt wird. Wahlwei­ se kann dafür auch ein Reihenschwingkreis vorgesehen sein.

Die Fig. 3 zeigt die hubabhängige Steuerung der Kapazität mittels eines im Kondensator positionsveränderbaren Dielek­ trikums 20. Diese Positionsveränderung, d. h. das mehr oder weniger tiefe Eintauchen des Dielektrikums 20 zwischen die entgegengesetzt gepolten Elektroden 121 und 122 bewirkt Ände­ rungen des Kapazitätswertes dieses Kondensators 10'' und da­ mit ein Positionssignal am Ausgang 15. Auch bei dieser Aus­ führungsform kann mit hinzugefügter Spule ein Resonanzkreis gebildet werden und das Positionssignal ist als (Resonanz-) Hochfrequenzsignal zu erhalten.

Wenn sich jeweils eine zu große relative Kapazitätsänderung ergeben sollte, kann diese durch einen parallelgeschalteten externen Festkondensator 101 verringert werden.

Für den Aufbau einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist zu beachten, daß ein/der erfindungsgemäß seinen Kapazitätswert hubabhängig ändernde Kondensator in/am Motor so angeordnet ist, daß sich zwischen seinen Kondensatorelek­ troden kein solches (gasförmiges) Medium, z. B. keine relevan­ te Menge Ölnebel und dergleichen, befindet, das bzw. der (un­ kontrollierbare) veränderliche Dielektrizitätskonstante hat. Dadurch würde nämlich die hubabhängige Kapazitätsänderung als Meßsignal verfälscht werden (können). Bei Aktuatorantrieb ist diese Bedingung problemlos ausführbar.

Der erfindungsgemäße Positionssensor ist hier für ein huban­ getriebenes Ventil beschrieben. Die Erfindung ist aber auch für andere sinngemäß bewegte Körper als Sensor für die augen­ blickliche Position des Körpers während seiner Bewegung an­ wendbar.

Claims (8)

1. Positionssensor für die augenblickliche Hubstellung eines hubbewegbaren Körpers (1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kondensator (10, 10', 10'') vor­ gesehen und mit der Hubbewegung (5) derart gekoppelt ist, daß dieser Kondensator eine hubabhängige Kapazitätsänderung auf­ weist und daß ein Meß- und Auswertegerät (14) für Kapazitäts­ änderung und für ein Ausgangssignal vorgesehen ist, das die jeweilige Hubstellung angibt.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine erste Elektrode (11, 21) des Kondensators (10, 10') mit einem hubbewegten Teil (3) dieses Körpers (1) mechanisch gekoppelt ist und diese mit ei­ ner zweiten, ihr gegenüber feststehenden Elektrode (12, 22) des Kondensators (10) ein seine Kapazität änderndes Elektro­ denpaar bildet.

3. Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine erste Elektrode (11) und die ihr gegenüber positionierte zweite Elektrode (12) zu­ sammen einen Plattenkondensator (10) bilden.

4. Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine erste Elektrode (21) und die ihr gegenüber positionierte zweite Elektrode (22, 22') topfförmig ausgebildet und einen Kondensator (11') bil­ dend hubverändert abhängig mehr oder weniger ineinandergrei­ fend positioniert sind.

5. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Dielektrikum (20) vorge­ sehen ist, das hubabhängig (5) mehr oder weniger weit zwi­ schen einander entgegengesetzt gepolte Elektroden (121, 122) des Kondensators (10'') positionsveränderbar angeordnet ist.

6. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Kondensa­ tor (10, 10') zusätzlich eine Induktivität (30) in Reihe oder parallel geschaltet hinzugefügt ist und das Meß- und Auswer­ tegerät (14) als Resonanzfrequenz-Meßgerät für das Ausgangs­ signal ausgebildet ist.

7. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper (1) ein mit einem Aktuator (4) angetriebenes Gaswechselventil (1) ist.

8. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper (1) der Kolben eines Einspritzventils ist.