DE19947758C2 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine gattungsbildende Vorrichtung mit einem elektromagneti­ schen Aktuator ist aus der DE 197 28 479 A1 bekannt. Der Ak­ tuator besitzt eine elektromagnetische Einheit mit zwei Schaltmagneten, einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagne­ ten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ven­ tilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt über ei­ nen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Ferner besitzt der Aktuator einen Federmechanismus mit zwei vorgespannten Druckfedern, von denen eine obere Ventilfeder das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und eine untere Ven­ tilfeder das Gaswechselventil in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten.

Um von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materia­ lien, differierende Federsteifigkeiten der oberen und der un­ teren Ventilfeder sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Ventilfedern usw., ausgleichen zu können, ist ein Spielausgleichselement zwischen einem Ankerschaft und einem Ventil­ schaft angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel wird das Spielausgleichselement über eine Tasse und in einem weiteren Ausführungsbeispiel über einen sich in Längsrichtung erstrec­ kenden Kanal im Ankerschaft mit Drucköl versorgt.

Um beim Start des Aktuators den Anker aus der Gleichgewichts­ lage anzuziehen, wird entweder der Schließmagnet oder der Öff­ nungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker mit einer An­ schwingroutine mit seiner Resonanzfrequenz in Schwingung ver­ setzt.

In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der An­ ker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungs­ richtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechsel­ ventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker schlägt auf die Polfläche des Öffnungsmagneten auf und wird von diesem festgehalten. Um das Gaswechselventil wie­ der zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wir­ kende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge­ wichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten.

Das Gaswechselventil sollte stets sicher schließen. Um dies zu erreichen, besitzt das Spielausgleichselement die Tendenz sich stets langsam zu verkürzen. Dies wird mit einer Drosselstelle erreicht, über die Drucköl aus dem Spielausgleichselement abfließen kann. Wenn das Spielausgleichselement durch die Lecka­ ge zu kurz geworden ist, stellt sich dieses wieder in der Schließstellung des Gaswechselventils auf die exakte Länge ein, indem ein Rückschlagventil öffnet und ein Druckraum des Spielausgleichselements mit dem Druckölanschluß verbunden wird.

Nach dem Abschalten des Aktuators bzw. der Brennkraftmaschine wird der Anker bei nicht erregten Magneten durch die Ventilfe­ dern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen der Magnete gehalten. Die Ventilfedern wirken mit einer Druckkraft auf das hydraulische Spielausgleichselement. Das Drucköl fließt über die Drosselstelle aus dem Spielausgleichselement, so daß sich dieses verkürzt. Ferner sinkt die Temperatur der Brennkraftmaschine bzw. des Aktuator ab. Wird der Aktuator er­ neut gestartet, schlägt aufgrund des abgesunkenen Spielaus­ gleichselements das Gaswechselventil mit seinem Ventilteller an einem Ventilsitzring an bevor der Anker am Schließmagneten anliegt. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder stützt sich vor der Endstellung des Ankers über den Ventilschaft und den Ventilteller am Ventilsitzring ab und kann ab diesem Zeit­ punkt nicht mehr in Richtung Schließstellung auf den Anker wirken. Damit der Anker ohne die unterstützende Wirkung der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder an den Schließmagneten angezogen werden kann, muß dieser entsprechend stärker be­ stromt werden. Um stets ein Starten zu ermöglichen, ist die Bestromung auf die maximale Verkürzung des Spielausgleichsele­ ments bzw. auf die schlechtesten Startparameter auszulegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsbilden­ de Vorrichtung weiterzuentwickeln und insbesondere den Ener­ giebedarf und Verschleiß beim Start des Aktuators zu reduzie­ ren. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betätigen ei­ nes Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem Ak­ tuator der eine elektromagnetische Einheit aufweist, über die ein mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehender Anker zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, und mit einem auf das Gaswechselventil wirkenden Federmechanismus, in dessen Gleichgewichtslage sich der Anker zwischen den Endstellungen befindet.

Es wird vorgeschlagen, daß mit wenigstens einer Vorrichtung vor und/oder während dem Start des Aktuators zumindest eine Kenngröße für wenigstens einen Startparameter erfaßbar und ab­ hängig von der Kenngröße die elektromagnetische Einheit über eine Steuereinheit beim Start bestrombar ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Aktuator abhängig von verschiedenen Startparametern beim Start vorteilhaft mit un­ terschiedlichen Stromstärken und Bestromungsstrategien be­ stromt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ein oder mehrere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Startpa­ rameter erfaßt werden, wie beispielsweise Temperatur, Luft­ feuchtigkeit, Motorstillstandszeit, Viskosität eines Schmier­ mittels, Reibung, Federkennlinien des Federmechanismus und/oder eine Verkürzung eines Spielausgleichselements usw. Abhängig von den vorliegenden Parametern kann eine optimale Bestromung gewählt werden. Zu hohe Stromstärken und/oder un­ vorteilhafte Bestromungsstrategien sind vermeidbar. Der Start­ vorgang kann beschleunigt, Energie kann eingespart und ein Auftreffen des Ankers mit einer hohen Geschwindigkeit auf ei­ ner Polfläche und eine damit verbundene Gefahr eines Abprallens können verhindert werden. Ferner können der Verschleiß und die Geräuschemission reduziert werden.

Bei der Entwicklung der Vorrichtung bzw. der Brennkraftmaschi­ ne werden vorteilhaft für verschiedene Startparameter ver­ schiedene Kennfelder ermittelt, aus denen abhängig von verschie­ denen vorliegenden Startparametern über ein Steuergerät eine vorteilhafte Bestromung der elektromagnetischen Einheit des Aktuators ausgelesen und eingeleitet werden kann. Die Startpa­ rameter können durch verschiedene Vorrichtungen mit unter­ schiedlichen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Verfah­ ren ermittelt werden. Besonders vorteilhaft werden bereits vorhandene Vorrichtungen genutzt, wie beispielsweise Tempera­ tursensoren, Wegsensoren, Zeitmeßvorrichtungen, Viskositäts­ meßvorrichtungen usw. Ferner können auch erfaßte Kenngrößen eines letzten Brennkraftmaschinenlaufs bzw. Aktuatorlaufs ver­ wertet werden.

Einen großen Einfluß auf den Startvorgang besitzen die Ak­ tuatortemperatur und insbesondere die Verkürzung eines Spielausgleichselements, wodurch für diese Parameter besonders vorteilhaft Kenngrößen für eine gezielte Bestromung erfaßt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichselements über einen Wegsensor zu erfassen, und zwar besonders vorteilhaft über einen bereits vorhanden Wegsensor zur Überwachung des Flugverhaltens des Aktuators zwischen seinen Endstellungen. Mit einem Wegsensor können auf eine einfache Weise exakte Kenngrößen erfaßt werden. Ferner können durch den meist be­ reits vorhandenen Wegsensor zusätzliche Bauteile eingespart werden.

Die Kenngröße für die Verkürzung kann direkt aus einem Posi­ tionssignal eines Wegsensors oder vorteilhaft aus einer Weg­ differenz abgleitet werden, die über einen Wegsensor oder über andere Vorrichtungen erfaßt werden kann, wie beispielsweise mit einer Vorrichtung, die eine von der Stellung des Ankers abhängige Induktivität der elektromagnetischen Einheit erfaßt usw. Eine in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder des Feder­ mechanismus unterstützt auch bei einer Verkürzung des Spielausgleichselements die Bewegung des Ankers in Öffnungs­ richtung bis an eine Polfläche, wodurch beim Start der Anker vorzugsweise zuerst zu einem in Öffnungsrichtung wirkenden Elektromagneten ausgelenkt wird. Es bietet sich daher an, aus einer Wegdifferenz zwischen einer Ausgangsstellung des Ankers vor dem Start und einer Öffnungsstellung eine Kenngröße für eine Verkürzung des Spielausgleichselements abzuleiten.

Anstatt aus einer Wegdifferenz kann ferner aus der Lage eines Umkehrpunkts des Ankers eine Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichselements abgeleitet werden. Wird der Aktuator bestromt als hätte keine Verkürzung des Spielausgleichsele­ ments stattgefunden, unterstützt eine in Schließrichtung wir­ kende Ventilfeder des Federmechanismus die Ankerbewegung nicht vollständig bis in seine Schließstellung, wie bereits zuvor ausgeführt. Der Anker besitzt einen Umkehrpunkt vor seiner endgültigen Schließstellung, aus dessen Lage eine Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichselements abgeleitet wer­ den kann. Die Lage des Umkehrpunkts kann wiederum mit einem Wegsensor oder beispielsweise mit einer die Induktivität der elektromagnetischen Einheit bzw. eines in Schließrichtung wir­ kenden Elektromagneten erfaßt werden usw. Ferner kann ab einer bestimmten Motorstillstandszeit aus einem bekannten Blockmaß des Spielausgleichselements eine Kenngröße für die Verkürzung abgeleitet bzw. auf die Lage des Ankers geschlossen werden.

Eine Kenngröße für die Aktuatortemperatur kann vorteilhaft mit einem bereits vorhandenen Temperatursensor oder über einen elektrischen Widerstand der elektromagnetischen Einheit ermit­ telt werden. Zusätzliche Bauteile, Bauraum und Kosten können dadurch vermieden werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unmittelbar nach dem Abschalten,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 nach einer Stillstandszeit und

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 in einem Startvorgang.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils 12 einer Brennkraftmaschine mit einem Aktuator, der eine elektromagnetische Einheit 3 aufweist. Die elektromagnetische Einheit 3 besitzt einen elektromagnetischen Öffnungsmagneten 13 und einen elektromagnetischen Schließma­ gneten 14, zwischen denen ein Anker 6 koaxial verschiebbar an­ geordnet ist. Der Anker 6 ist über eine Ankerschaftführung 15 im Öffnungsmagneten 13 geführt und wirkt über einen Anker­ schaft 16 und über ein hydraulisches Spielausgleichselement 5 auf einen Ventilschaft 17, der über eine Schaftführung 18 in einem Zylinderkopf 19 geführt ist. Das hydraulische Spielaus­ gleichselement 5 ist über einen nicht näher dargestellten Längskanal im Ankerschaft 16 und über die Ankerschaftführung 15 mit einem Druckölanschluß verbunden, könnte jedoch auch grundsätzlich ohne Druckanschluß ausgeführt sein.

Damit das Gaswechselventil 12 im Betrieb stets sicher schließt, besitzt das Spielausgleichselement 5 die Tendenz sich stets langsam zu verkürzen. Dies wird mit einer nicht nä­ her dargestellten Drosselstelle erreicht, über die Drucköl aus dem Spielausgleichselement 5 in einen Federraum 24 abfließen kann. Wenn das Spielausgleichselement 5 durch die Leckage zu kurz geworden ist, stellt sich dieses wieder in der Schließ­ stellung 7 des Gaswechselventils 12 auf die exakte Länge ein, indem ein Rückschlagventil öffnet und ein Druckraum des Spielausgleichselements 5 mit dem Druckölanschluß verbunden wird.

Ferner wirkt auf den Ventilschaft 17 ein Federmechanismus mit einer oberen, in Öffnungsrichtung 20 wirkenden Ventilfeder 21 und einer unteren, in Schließrichtung 22 wirkenden Ventilfeder 23. Die Ventilfedern 21, 23 sind im Federraum 24 auf der dem Gaswechselventil 12 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 13 angeordnet. Es könnten jedoch auch eine oder beide Ventilfe­ dern 21, 23 auf der dem Gaswechselventil 12 abgewandten Seite des Schließmagneten 14 angeordnet sein. Die obere Ventilfeder 21 stützt sich an einem Ende am Öffnungsmagneten 13 ab und wirkt mit einem zweiten Ende über einen ersten Federteller 25 auf den Ankerschaft 16 in Öffnungsrichtung 20. Die untere Ven­ tilfeder 23 stützt sich an einem Ende über einen Ring 26 am Zylinderkopf 19 ab und wirkt mit einem zweiten Ende über einen zweiten Federteller 27 in Schließrichtung 22 auf den Ventil­ schaft 17.

Nach dem Abschalten des Aktuators wird der Anker 6 bei nicht erregten Elektromagneten 13, 14 durch die Ventilfedern 21, 23 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen der Elek­ tromagnete 13, 14 gehalten (Fig. 1). Die Ventilfedern 21,23 wirken mit einer Druckkraft auf das hydraulisch Spielaus­ gleichselement 5. Das Drucköl fließt über die Drosselstelle aus dem Spielausgleichselement 5 in den Federraum 24, so daß sich dieses verkürzt (Fig. 2).

Bei einem erneuten Start des Aktuators wird über einen Wegsen­ sor 1 eine Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleich­ selements 5 und über eine Widerstandsmeßvorrichtung 2 eine Kenngröße für eine Aktuatortemperatur erfaßt. Die Widerstands­ meßvorrichtung 2 mißt einen elektrischen Widerstand von Spulen 28, 29 der Elektromagnete 13, 14. Die Kenngrößen werden über Signalleitungen 30, 31, 32, 33 an ein Steuergerät 4 weiterge­ leitet. Abhängig von den Kenngrößen wird durch das Steuergerät 4 eine bestimmte Bestromungsstrategie aus einem im Steuergerät 4 abgelegten Kennfeld ausgelesen und über Stromleitungen 34, 35 durchgeführt. Das Steuergerät 4 kann neben den Kenngrößen für die Verkürzung des Spielausgleichselements 5 und der Ak­ tuatortemperatur noch weitere Kenngrößen bei der Bestromung berücksichtigen und kann hierfür mit weiteren Meßvorrichtungen und/oder Steuergeräten verbunden sein.

Der Wegsensor 1 besitzt eine im Schließmagneten 14 angeordnete Spule 36, in die ein mit dem Anker 6 verbundener Stabmagnet 37 eintaucht. Neben dem dargestellten Wegsensor 1 können sämtli­ che, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Wegsensoren ver­ wendet werden, wie beispielsweise optische und/oder mechani­ sche Wegsensoren. Um beim Start der Brennkraftmaschine den An­ ker 6 aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, wird vorzugsweise zuerst der in Öffnungsrichtung 20 wirkende Elektromagnet 13 kurzzeitig übererregt. Über den Wegsensor 1 kann dabei eine Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichselements 5 aus einer Wegdifferenz 9 zwischen einer Ausgangsstellung 10 des Ankers 6 vor dem Start und einer Öffnungsstellung 8 abgleitet werden, in der der Anker 6 an einer Polfläche des Öffnungsma­ gneten 13 anliegt (Fig. 2).

Wird der Aktuator bestromt als hätte keine Verkürzung des Spielausgleichselements 5 stattgefunden, schlägt das Gaswech­ selventil 12 mit seinem Ventilteller 38 auf einem Ventilsitz­ ring 39 auf bevor der Anker 6 in seiner Schließstellung 7 am Schließmagneten 14 anliegt (Fig. 3). Die in Schließrichtung 22 wirkende Ventilfeder 23 stützt sich vor der Endstellung 7 des Ankers 6 über den Ventilschaft 17 und den Ventilteller 38 am Ventilsitzring 39 ab und kann ab diesem Zeitpunkt nicht mehr in Schließrichtung 22 auf den Anker 6 wirken. Der Anker 6 be­ sitzt dadurch einen Umkehrpunkt 11 vor der Polfläche des Schließmagneten 14, dessen Lage über den Wegsensor 1 erfaßt werden kann. Aus der Lage des Umkehrpunkts 11 des Ankers 6 kann anschließend eine Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichselements 5 abgeleitet werden.

Nach dem Start liegt der Anker 6 in geschlossener Stellung des Gaswechselventils 12 an der Polfläche des Schließmagneten 14 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 14 spannt die in Öffnungsrichtung 20 wirkende Ventilfeder 21 weiter vor. Das Gaswechselventil 12 verschließt mit seinem Ventilteller 38 einen Auslaßkanal 40 an dem Ventilsitzring 39. Um das Gaswech­ selventil 12 zu öffnen, wird der in Schließrichtung 22 wirken­ de Schließmagnet 14 ausgeschaltet und der in Öffnungsrichtung 20 wirkende Öffnungsmagnet 13 eingeschaltet. Die in Öffnungs­ richtung 20 wirkende Ventilfeder 21 beschleunigt den Anker 6 über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 13 angezogen wird. Der Anker 6 schlägt auf die Polfläche des Öffnungsmagneten 13 auf und wird von diesem ge­ halten. Das Gaswechselventil 12 ist geöffnet und in einem Aus­ laßtakt kann Abgas über einen nicht näher dargestellten Kolben in den Auslaßkanal 40 ausgeschoben werden. Um das Gaswechsel­ ventil 12 wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet 13 aus­ geschaltet und der Schließmagnet 14 eingeschaltet. Die in Schließrichtung 22 wirkende Ventilfeder 23 beschleunigt den Anker 6 über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten 14. Der Anker 6 wird vom Schließmagneten 14 angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten 14 auf und wird von die­ sem gehalten.

Über den Wegsensor 1 kann das Flugverhalten des Ankers 6 zwi­ schen seinen Endstellungen 7, 8 erfaßt und an das Steuergerät 4 weitergeleitet werden. Störgrößen können frühzeitig erkannt und beseitigt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem Aktuator, der eine elektromagne­ tische Einheit aufweist, über die ein mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehender Anker zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, und mit einem auf das Gaswechselventil wir­ kenden Federmechanismus, in dessen Gleichgewichtslage sich der Anker zwischen den Endstellungen befindet, dadurch gekennzeichnet, daß mit wenigstens einer Vorrichtung (1, 2) vor und/oder wäh­ rend dem Start des Aktuators zumindest eine Kenngröße für we­ nigstens einen Startparameter erfaßbar und abhängig von der Kenngröße die elektromagnetische Einheit (3) über eine Steuer­ einheit (4) beim Start bestrombar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kenngröße für eine Verkürzung eines Spielausgleich­ selements (5) erfaßbar und abhängig von dieser Kenngröße die elektromagnetische Einheit (3) beim Start bestrombar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichsele­ ments (5) über einen Wegsensor (1) erfaßbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (1) einstückig mit einem Wegsensor zur Über­ wachung des Flugverhaltens des Ankers (6) zwischen den End­ stellungen (7, 8) ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichsele­ ments (5) aus einer Wegdifferenz (9) zwischen einer Ausgangs­ stellung (10) des Ankers (6) vor dem Start und einer Endstel­ lung (8) abgeleitet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße für die Verkürzung des Spielausgleichsele­ ments (5) aus der Lage eines Umkehrpunkts (11) des Ankers (6) abgeleitet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kenngröße für eine Temperatur des Aktuators erfaßbar und abhängig von dieser Kenngröße die elektromagnetische Ein­ heit (3) beim Start bestrombar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße für die Temperatur des Aktuators aus einem elektrischen Widerstand der elektromagnetischen Einheit (3) abgeleitet ist.