DE102011011455A1

DE102011011455A1 - Ventiltriebbetätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011011455A1
Application number: DE102011011455A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Lehmann Kai; Dipl.-Ing. Lengfeld Markus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Ventiltriebbetätigungsvorrichtung, insbesondere Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung, mit zumindest einer Schalteinheit (11), die zumindest ein Schaltelement (12, 13) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zu einer axialen Verschiebung (14) zumindest eines Nockenelements (15, 16) mit einer Schaltkulisse (17) zumindest teilweise in Eingriff gebracht zu werden, und mit einer Sensoreinheit (18), die zu einer Überwachung der axialen Verschiebung (14) vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit (18) zumindest ein Sensorelement (19) aufweist, das dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Parameter (20) zu erfassen, der von einer auf das zumindest eine Schaltelement (12, 13) wirkenden Kraft zumindest abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2009 016 445 A1 ist bereits eine Ventiltriebbetätigungsvorrichtung, insbesondere eine Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung, mit zumindest einer Schalteinheit, die zumindest ein Schaltelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, zu einer axialen Verschiebung eines Nockenelements mit einer Schaltkulisse zumindest teilweise in Eingriff gebracht zu werden, und mit einer Sensoreinheit, die für eine Überwachung der axialen Verschiebung vorgesehen ist, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Zuverlässigkeit der Überwachung der axialen Verschiebung zu erhöhen. 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 Ventiltriebbetätigungsvorrichtung, insbesondere einer Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung, mit zumindest einer Schalteinheit, die zumindest ein Schaltelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, zu einer axialen Verschiebung zumindest eines Nockenelements mit einer Schaltkulisse zumindest teilweise in Eingriff gebracht zu werden, und mit einer Sensoreinheit, die für eine Überwachung der axialen Verschiebung vorgesehen ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit zumindest ein Sensorelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Parameter zu erfassen, der von einer auf das zumindest eine Schaltelement wirkenden Kraft zumindest abhängig ist. Dadurch kann ein Verlauf der axialen Verschiebung direkt erkannt werden, wodurch eine Schaltstellung des Schaltelements und des zumindest einen Nockenelements direkt erkannt bzw. diagnostiziert werden kann. Dadurch können eine erfolgreiche und eine misslungene axiale Verschiebung direkt erkannt bzw. diagnostiziert werden, wodurch eine Zuverlässigkeit der Überwachung der axialen Verschiebung erhöht und somit die Überwachung der axialen Verschiebung verbessert werden kann. Vorzugsweise erfolgt durch eine axiale Verschiebung des zumindest einen Nockenelements eine Ventilhubumschaltung. Unter „axial” soll insbesondere axial in Bezug auf eine Rotationsachse, vorteilhaft in Bezug auf eine Rotationsachse des Nockenelements, verstanden werden. Unter einer „Schaltkulisse” soll dabei insbesondere eine Schalteinheit, insbesondere eine mechanische Schalteinheit, zum axialen Verstellen eines Elements verstanden werden, die wenigstens eine Kulissenbahn aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung in eine axiale Verstellkraft umzusetzen. Unter einer „Kulissenbahn” soll insbesondere eine Bahn zur beidseitigen Zwangsführung eines Schaltelements verstanden werden. Die Kulissenbahn ist vorzugsweise in Form eines Stegs, in Form eines Schlitzes und/oder in Form einer Nut ausgebildet. Das Schaltelement ist vorzugsweise in Form eines den Steg umgreifenden Schaltschuhs, in Form eines in den Schlitz eingreifenden Pins und/oder in Form eines in der Nut geführten Pins ausgebildet. Unter „Überwachen einer axialen Verschiebung” soll insbesondere verstanden werden, dass eine vorgesehene axiale Verschiebung des zumindest einen Nockenelements, insbesondere eine vorgesehene Ventilhubumschaltung, auf ihre fehlerfreie Ausführung hin überwacht wird. Unter einem „Parameter” soll insbesondere eine Größe verstanden werden, aus der direkt und/oder indirekt eine Kraft bestimmt werden kann. Unter einem „Parameter, der von einer Kraft zumindest abhängig ist” soll insbesondere auch ein als Kraft ausgebildeter Parameter verstanden werden. Unter „erfassen” soll insbesondere messtechnisch bestimmen verstanden werden. Vorzugsweise ist die Schalteinheit dazu vorgesehen, eine Kraft entlang zumindest eines Kraftflusswegs von dem zumindest einen Schaltelement auf ein Statorgehäuse und von dem Statorgehäuse auf eine Schalteinheitbefestigung weiterzuleiten. Vorteilhafterweise ist die Schalteinheit auf der Schalteinheitbefestigung fest angeordnet und/oder befestigt. Die Schalteinheitbefestigung ist vorteilhaft als ein Motorblock und besonders vorteilhaft als eine Zylinderkopfhaube einer die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Sensorelement eine parametersensitive Richtung aufweist, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaltachse des zumindest einen Schaltelements verläuft. Dadurch kann ein vorteilhaftes Sensorelement bereitgestellt werden. Unter einer „parametersensitiven Richtung” soll insbesondere eine Richtung verstanden werden, in die das Sensorelement, insbesondere bezüglich des Parameters, sensibel ist und/oder in der das Sensorelement den Parameter erfasst. Vorzugsweise verläuft die parametersensitive Richtung parallel zu der Rotationsachse, insbesondere zu der Rotationsachse des zumindest einen Nockenelements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das zumindest eine Sensorelement richtungssensitiv. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Sensorelement bereitgestellt werden. Unter „richtungssensitiv” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Sensorelement zwischen unterschiedlichen Wirkrichtungen des Parameters und/oder zwischen unterschiedlichen Vorzeichen des Parameters unterscheiden kann.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Schalteinheit zumindest ein weiteres Schaltelement aufweist und das zumindest eine Sensorelement zumindest teilweise zwischen den beiden Schaltelementen der Schalteinheit angeordnet ist. Dadurch kann die Erfassung des Parameters zwischen zwei Schaltelementen besonders einfach und durch ein einziges Sensorelement realisiert werden, wodurch Kosten, Gewicht, Platz und/oder eine Komplexität reduziert werden können. Unter „zwischen” soll in diesem Zusammenhang insbesondere bezüglich eines senkrechten Abstands zwischen den zumindest zwei Schaltelementen verstanden werden. Vorzugsweise kann das Sensorelement an einer beliebigen Stelle entlang des Kraftflusswegs zwischen dem zumindest einen Schaltelement und der Schalteinheitbefestigung angeordnet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, mittels des zumindest einen Sensorelements eine fehlerfreie und/oder eine fehlerhafte axiale Verschiebung des zumindest einen Nockenelements zu erkennen. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Ventiltriebbetätigungsvorrichtung bereitgestellt werden. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit” soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einem Steuergerät verstanden werden. Unter einem „Steuergerät” soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Grundsätzlich kann die Steuer- und/oder Regeleinheit mehrere untereinander verbundene Steuergeräte aufweisen, die vorzugsweise dazu vorgesehen sind, über ein Bus-System, wie insbesondere ein CAN-Bus-System, miteinander zu kommunizieren. Vorzugsweise bestimmt die Steuer- und/oder Regeleinheit mittels des von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Parameters die Schaltstellung des zumindest einen Schaltelements und/oder die Schaltstellung, insbesondere eine axiale Schaltstellung, des zumindest einen Nockenelements. Unter „bestimmen” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Sensoreinheit, insbesondere das zumindest eine Sensorelement, ein von der Steuer- und/oder Regeleinheit auswertbares Signal bereitstellt, mittels dessen die Steuer- und/oder Regeleinheit die Schaltstellung definieren kann.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Steuer- und/oder Regeleinheit eine Diagnosefunktion aufweist, die dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Istverlauf des erfassten Parameters mit wenigstens einem Sollverlauf zu vergleichen. Dadurch kann eine erfolgreiche und eine misslungene bzw. eine fehlerfreie und eine fehlerhafte axiale Verschiebung besonders einfach direkt erkannt werden. Unter einem „Sollverlauf” soll insbesondere ein in der Steuer- und/oder Regeleinheit hinterlegter Wertesatz verstanden werden, der einem zeitlichen Ablauf von Werten des Parameters bei einer fehlerfrei durchgeführten Ventilhubumschaltung entspricht. Vorzugsweise ist der Sollverlauf empirisch ermittelt. Der Sollverlauf kann dabei eine Abhängigkeit von einer Drehzahl der Nockenelemente aufweisen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Steuer- und/oder Regeleinheit eine Verschleißerfassungsfunktion aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine erhöhte Abnutzung zumindest des Schaltelements zu erkennen. Dadurch kann ein erhöhter Verschleiß der Ventiltriebbetätigungsvorrichtung frühzeitig erkannt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Sensorelement als ein kapazitiver Sensor, ein induktiver Sensor, ein Dehnungssensor und/oder ein Beschleunigungssensor ausgebildet ist. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Sensorelement gefunden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 eine Ventiltriebvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Ventiltriebbetätigungsvorrichtung mit einer Sensoreinheit,
2 die Ventiltriebvorrichtung in einem Schnitt entlang einer Schnittlinie II-II gemäß 1,
3 schematisch eine Abhängigkeit einer Drehzahl eines durch die Sensoreinheit erfassten Parameters,
4 schematisch eine fehlerfreie axiale Verschiebung und
5 schematisch eine fehlerhafte axiale Verschiebung.
Die 1 bis 5 zeigen eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ventiltriebvorrichtung ist als eine Kraftfahrzeugventiltriebvorrichtung ausgebildet. In der 2 ist ein Schnitt entlang einer Schnittlinie II-II gemäß der 1 dargestellt. Die Ventiltriebvorrichtung weist einen schaltbaren Ventilhub auf. Die Ventiltriebvorrichtung weist eine Nockengrundwelle 24 und zwei zur Nockengrundwelle 24 koaxial angeordnete Nockenelemente 15, 16 auf. Die Nockengrundwelle 24 weist eine Rotationsachse 25 auf, die einer Rotationsachse des Nockenelements 15 und einer Rotationsachse des Nockenelements 16 entspricht. Die Nockenelemente 15, 16 sind zur Betätigung von Ventilen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Nockenelemente 15, 16 bilden jeweils einen Nockenträger aus. Auf den Nockenelementen 15, 16 ist jeweils wenigstens ein Nocken angeordnet, der zumindest zwei Teilnocken mit unterschiedlichen Ventilbetätigungskurven aufweist. Die Nockenelemente 15, 16 sind drehfest und axial verschiebbar auf der Nockengrundwelle 24 angeordnet. Durch eine axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 wird zwischen zwei unterschiedlichen diskreten Ventilhüben, wie beispielsweise zwischen Vollhub und Teilhub, umgeschaltet. In einem Schaltvorgang werden die Nockenelemente 15, 16 sequentiell nacheinander axial verschoben.
Zur Ventilhubumschaltung weist die Ventiltriebvorrichtung eine Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 auf. Die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 stellt eine Schaltkraft zur axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 bereit. Die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 ist als eine Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung ausgebildet.
Zur axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 weist die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 eine Schalteinheit 11 und eine Schaltkulisse 17 auf. Die Schaltkulisse 17 ist einstückig mit dem Nockenelement 15 und mit dem Nockenwellenelement 16 ausgebildet. Die Schaltkulisse 17 weist zwei Kulissenbahnen auf. Die zwei Kulissenbahnen sind dazu vorgesehen, die Nockenelemente 15, 16 in zwei entgegengesetzte axiale Richtungen zu verschieben. Die Kulissenbahnen weisen zur Bereitstellung der Schaltkraft jeweils eine axiale und eine radiale Richtungskomponente auf. Die Kulissenbahnen sind jeweils als eine Nut ausgebildet.
Zur Bereitstellung der Schaltkraft weist die Schalteinheit 11 zwei Betätigungsaktuatoren 26, 27 auf. Die Betätigungsaktuatoren 26, 27 weisen jeweils eine Schaltstellung und eine Neutralstellung auf. In den 1 und 2 ist der Betätigungsaktuator 26 in der Neutralstellung und der Betätigungsaktuator 27 in der Schaltstellung geschaltet.
Die Schalteinheit 11 weist weiter ein Statorgehäuse 28 mit zwei Gehäuseelementen 29, 30 auf. Die zwei Betätigungsaktuatoren 26, 27 sind in dem Statorgehäuse 28 integriert. Das Statorgehäuse 28 ist fest mit einem nicht näher dargestellten Motorblock der Brennkraftmaschine, insbesondere fest mit einer Zylinderkopfhaube der Brennkraftmaschine, verbunden. In der 2 ist die Schalteinheit 11 in einem Längsschnitt durch den Betätigungsaktuator 26 entlang der Schnittlinie II-II dargestellt. Grundsätzlich kann die Schalteinheit 11 auch zwei Statorgehäuse aufweisen, in denen jeweils ein Betätigungsaktuator 26, 27 integriert ist.
Die Betätigungsaktuatoren 26, 27 sind zur Verschiebung der Nockenelemente 15, 16 in zwei entgegengesetzte axiale Richtungen vorgesehen. Zur axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 wird, je nachdem in welche Richtung verschoben werden soll, der Betätigungsaktuator 26 oder der Betätigungsaktuator 27 in die Schaltstellung geschaltet.
Die zwei Betätigungsaktuatoren 26, 27 sind analog ausgebildet, weswegen lediglich der Betätigungsaktuator 26 näher erläutert wird. Der Betätigungsaktuator 26 ist bistabil. Der Betätigungsaktuator 26 weist ein Schaltelement 12 auf. Das Schaltelement 12 weist eine Schaltachse 22 auf. Das Schaltelement 12 ist entlang seiner Schaltachse 22 verschiebbar in dem Statorgehäuse 28 angeordnet. Durch eine Verschiebung des Schaltelements 12 entlang der Schaltachse 22 wird das Schaltelement 12 mit der Schaltkulisse 17 in Eingriff gebracht oder aus der Schaltkulisse 17 zurückgezogen. Die Schaltachse 22 des Schaltelements 12 des Betätigungsaktuators 26 ist parallel zu einer Schaltachse eines Schaltelements 13 des Betätigungsaktuators 27 angeordnet. Die Schaltachse 22 des Schaltelements 12 ist parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der Schalteinheit 11 angeordnet. Die Haupterstreckungsrichtung der Schalteinheit 11 und die Haupterstreckungsrichtung des Betätigungsaktuators 26 sind parallel zueinander. Die Schaltachse 22 des Schaltelements 12 ist senkrecht zu der Rotationsachse 25 der Nockengrundwelle 24 angeordnet und damit insbesondere auch senkrecht zu der axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 angeordnet.
In der Schaltstellung des Betätigungsaktuators 26 greift das Schaltelement 12 in die entsprechende Kulissenbahn der Schaltkulisse 17 ein, wodurch eine Drehbewegung der Nockenelemente 15, 16 in eine axiale Bewegung der Nockenelemente 15, 16 umgewandelt wird. Die Nockenelemente 15, 16 werden dadurch axial entlang der Rotationsachse 25 verschoben. In der Schaltstellung des Betätigungsaktuators 26 ist das Schaltelement 12 ausgefahren. Das in die Kulissenbahn eingreifende Schaltelement 12 wird beidseitig von der Kulissenbahn der Schaltkulisse 17 zwangsgeführt. In der Neutralstellung des Betätigungsaktuators 26 ist das Schaltelement 12 aus der Schaltkulisse 17 zurückgezogen. Das Schaltelement 12 ist als ein Schaltpin ausgebildet.
Der Betätigungsaktuator 26 weist eine Elektromagneteinheit 31 und eine Ankereinheit 32 auf. Die Elektromagneteinheit 31 umfasst eine Spule 33 und einen Spulenkern 34, mittels dessen ein durch die Spule 33 erzeugbares Spulenmagnetfeld verstärkt wird. Der Spulenkern 34 besteht aus einem magnetisierbaren Material. Er ist einstückig mit dem ersten Gehäuseelement 29 des Statorgehäuses 28 ausgebildet. Die Spule 33 der Elektromagneteinheit 31 ist als eine Schaltspule ausgebildet. Die Spule 33 ist zur Schaltung bzw. zur Einstellung der Ventilhübe vorgesehen. Sie ist zur Bereitstellung einer Kraft zur Verschiebung des Schaltelements 12 entlang der Schaltachse 22 vorgesehen. Die Elektromagneteinheit 31 ist fest mit dem Statorgehäuse 28 verbunden.
Die Ankereinheit 32 weist einen Permanentmagneten 35 auf. Der Permanentmagnet 35 stellt ein Permanentmagnetfeld bereit. Der Permanentmagnet 35 ist fest mit dem Schaltelement 12 verbunden. Der Permanentmagnet 35 ist entlang der Schaltachse 22 des Schaltelements 12 verschiebbar in dem Statorgehäuse 28 angeordnet.
Ist die Spule 33 unbestromt, wechselwirkt der Permanentmagnet 35 mit einem umgebenden Material des Statorgehäuses 28. In der Neutralstellung des Betätigungsaktuators 26 wechselwirkt der Permanentmagnet 35 insbesondere mit dem Spulenkern 34 der Elektromagneteinheit 31. In der Schaltstellung des Betätigungsaktuators 26 wechselwirkt der Permanentmagnet 35 insbesondere mit dem Statorgehäuse 28. Der Permanentmagnet 35 wechselwirkt in der Schaltstellung des Betätigungsaktuators 26 insbesondere mit dem Gehäuseelement 30 des Statorgehäuses 28. In einem unbestromten Betriebszustand der Spule 33 stabilisiert der Permanentmagnet 35 das Schaltelement 12 in der Schaltstellung des Betätigungsaktuators 26 bzw. in der Neutralstellung des Betätigungsaktuators 26. Der Betätigungsaktuator 26 ist als ein bistabiles System ausgeführt, das in einem unbestromten Zustand der Schaltstellung oder der Neutralstellung zustrebt.
In einem Betriebszustand, in dem die Elektromagneteinheit 31 bestromt ist, wechselwirkt das Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 35 mit dem Spulenmagnetfeld der Spule 33. Abhängig von einer Polarisierung des Permanentmagneten 35 und der Elektromagneteinheit 31 kann dabei eine anziehende Kraft und eine abstoßende Kraft realisiert werden. Eine Polarisierung der Elektromagneteinheit 31 lässt sich mittels einer Stromrichtung, mit der die Spule 33 bestromt wird, einstellen. Um den Betätigungsaktuator 26 von der Neutralstellung in die Schaltstellung zu schalten und damit das Schalelement 12 von seiner Neutralstellung in die Schaltstellung auszufahren, wird die Spule 33 in der Stromrichtung bestromt, für die zwischen der Elektromagneteinheit 31 und dem Permanentmagneten 35 eine abstoßende Kraft wirkt.
Befindet sich der Betätigungsaktuator 26 und damit das Schaltelement 12 in der Schaltstellung, wirkt durch die axiale Richtungskomponente die Drehbewegung der Nockenelemente 15, 16 als eine axial wirkende Kraft, mittels der die Nockenelemente 15, 16 axial verschoben werden und somit die axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 stattfindet. Um nach einem Verschieben der Nockenelemente 15, 16 den Betätigungsaktuator 26 in die Neutralstellung zu schalten und damit das Schaltelement 12 in seine Neutralstellung zu bewegen, weisen die Kulissenbahnen der Schaltkulisse 17 jeweils ein Ausspursegment auf, in dem ein Nutgrund 36 bis auf ein Grundkreisniveau 23 ansteigt (vgl. 2). Durch das Ausspursegment wirkt auf das Schaltelement 12 eine Kraft, die den Betätigungsaktuator 26 in die Neutralstellung schaltet und somit das Schaltelement 12 in seine Neutralstellung zurückbewegt.
Der Betätigungsaktuator 26 weist weiter eine Federeinheit 37 auf. Die Federeinheit 37 ist ebenfalls zur Bereitstellung einer Kraft zur Verschiebung des Schaltelements 12 entlang der Schaltachse 22 vorgesehen. Die Federeinheit 37 ist wirkungsmäßig zwischen der Elektromagneteinheit 31 und der Ankereinheit 32 angeordnet. Die Federeinheit 37 ist wirkungsmäßig zwischen den Gehäuseelementen 29, 30 angeordnet. Die Kraft der Federeinheit 37 ist in eine Richtung gerichtet, die einer Richtung der abstoßenden Kraft zwischen der Elektromagneteinheit 31 und der Ankereinheit 32 entspricht. Die Richtung der Kraft der Federeinheit 37 ist parallel zu der Schaltachse 22 angeordnet. Mittels der Federeinheit 37 wird das Bewegen des Schaltelements 12 in die Schaltstellung beschleunigt. Die Federeinheit 37 umfasst ein als Spiralfeder ausgebildetes Federelement 38.
Zur Überwachung der axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 weist die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 eine Sensoreinheit 18 auf. Die Sensoreinheit 18 umfasst ein Sensorelement 19. Das Sensorelement 19 erfasst einen Parameter 20, der von einer auf das Schaltelement 12 und das Schaltelement 13 wirkenden Kraft abhängig ist. Der Parameter 20 hängt dabei insbesondere von einer Kraft ab, die in einer Richtung senkrecht zu den Schaltachsen 22 der Schaltelemente 12, 13 wirkt. Der Parameter 20 ist als eine axiale Bewegung des Schaltelements 12 und des Schaltelements 13 ausgebildet. Über den Parameter wird die axiale Bewegung der Schaltelemente 12, 13 und damit eine parallel zu der Rotationsachse 25 wirkende Kraft erfasst. Bei einer axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 verändert sich der Parameter 20. Der Parameter 20 gibt damit eine Kraft, die bei der axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 entsteht, wieder.
Der Parameter 20 weist eine Abhängigkeit von einer Drehzahl auf. Je höher die Drehzahl ist, desto höher sind Parameterpeaks des Parameters 20. Die Drehzahl ist als eine Nockenwellendrehzahl ausgebildet. Die Abhängigkeit des Parameters 20 von der Drehzahl ist in der 3 dargestellt. In der 3 ist der erfasste Parameter 20 für vier verschiedene Drehzahlen gegen eine Nockenwellenposition bzw. einen Nockenwellenwinkel aufgezeigt. Eine Höhe bzw. ein Wert des Parameters 20 ist auf einer Ordinatenachse 39 und die Nockenwellenposition bzw. der Nockenwellenwinkel auf einer Abszissenachse 40 dargestellt.
Während einer Ventilhubumschaltung weist der Parameter 20 einen zeitlichen Verlauf auf. In 3 ist ein schematischer Istverlauf 41 des Parameters 20 während einer Ventilhubumschaltung bei einer ersten Drehzahl, ein schematischer Istverlauf 42 des Parameters 20 bei einer zweiten Drehzahl, ein schematischer Istverlauf 43 des Parameters 20 bei einer dritten Drehzahl und ein schematischer Istverlauf 44 des Parameters 20 bei einer vierten Drehzahl dargestellt. Beim Vergleich der vier Drehzahlen ist die erste Drehzahl am kleinsten und die vierte Drehzahl am größten ausgebildet. Der Parameterpeak des Istverlaufs 41 weist somit den kleinsten Wert und der Parameterpeak des Istverlaufs 44 den größten Wert auf. Beim Vergleich der vier Drehzahlen ist die zweite Drehzahl größer als die erste Drehzahl und kleiner als die dritte Drehzahl. Der Parameterpeak des Istverlaufs 42 weist somit einen größeren Wert als der Parameterpeak des Istverlaufs 41 und einen kleineren Wert als der Parameterpeak des Istverlaufs 43 auf.
Das Sensorelement 19 ist fest mit dem Statorgehäuse 28 verbunden. Das Sensorelement 19 ist als ein Kraftmesselement ausgebildet. Das Sensorelement 19 ist zur Messung eines Kraftimpulses vorgesehen. Mittels des Sensorelements 19 kann ein auf das Schaltelement 12 und ein auf das Schaltelement 13 wirkender Kraftimpuls gemessen werden. Das Sensorelement 19 ist als ein kapazitiver Sensor ausgebildet. Grundsätzlich kann das Sensorelement 19 auch als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Kraftmesselement ausgebildet werden, wie beispielsweise als ein induktiver Sensor, als ein Dehnungssensor oder als ein Beschleunigungssensor.
Das Sensorelement 19 weist eine parametersensitive Richtung 21 auf. Die parametersensitive Richtung 21 verläuft senkrecht zu der Schaltachse 22 des Schaltelements 12 und der Schaltachse des Schaltelements 13. Sie verläuft parallel zu der Rotationsachse 25 der Nockengrundwelle 24. Die parametersensitive Richtung 21 verläuft damit parallel zu der axialen Verschiebung 14.
Das Sensorelement 19 ist richtungssensitiv, wodurch das Sensorelement 19 unterschiedliche Vorzeichen des erfassten Parameters 20 entlang der parametersensitiven Richtung 21 erkennt. Das Sensorelement 19 erfasst den Parameter 20 in zwei zueinander entgegengesetzte Wirkrichtungen des Parameters 20.
Über das Sensorelement 19 wird damit die Kraft, die entlang der parametersensitiven Richtung 21 auf die Schaltelemente 12, 13 wirkt, erfasst. Mittels des Sensorelements 19 ist während der Ventilhubumschaltung die von den Nockenelementen 15, 16 auf die Schaltelemente 12, 13 ausgeübte axiale Kraft erfassbar. Die axiale Kraft verläuft dabei parallel zur Rotationsachse 25.
Das Sensorelement 19 ist entlang der Rotationsachse 25 zwischen dem Schaltelement 12 des Betätigungsaktuators 26 und dem Schaltelement 13 des Betätigungsaktuators 27 angeordnet. Es ist damit entlang einer Richtung, die von der Schaltachse 22 des Schaltelements 12 senkrecht zu der Schaltachse des Schaltelements 13 verläuft, räumlich zwischen den Schaltelementen 12, 13 angeordnet. Das Sensorelement 19 ist zwischen einem das Schaltelement 12 umgebenden Material des Gehäuseelements 30 und einem das Schaltelement 13 umgebenden Material des Gehäuseelements 30 angeordnet.
Grundsätzlich kann die Schalteinheit 11 auch mehrere Sensorelemente aufweisen, die jeweils eine parametersensitive Richtung umfassen. Beispielsweise kann die Schalteinheit 11 zwei Sensorelemente aufweisen, die jeweils einem der Schaltelemente 12, 13 zugeordnet sind. Vorteilhafterweise ist dabei ein Sensorelement zwischen dem Schaltelement 12 und dem Statorgehäuse 28, insbesondere dem Gehäuseelement 30 des Statorgehäuses 28, und ein Sensorelement zwischen dem Schaltelement 13 und dem Statorgehäuse 28, insbesondere dem Gehäuseelement 30 des Statorgehäuses 28 angeordnet. Weiter ist auch eine Ausgestaltung mit einem Schaltelement und einem Sensorelement denkbar. Das zumindest eine Sensorelement kann grundsätzlich überall im Kraftfluss zwischen dem Schaltelement 12 und/oder dem Schaltelement 13 und dem Statorgehäuse 28 angeordnet werden. Insbesondere ist auch eine Anordnung des zumindest einen Sensorelements zwischen dem Statorgehäuse 28 und dem Motorblock, insbesondere zwischen dem Statorgehäuse 28 und der Zylinderkopfhaube, denkbar.
Zur Überwachung bzw. zur Diagnose der Ventilhubumschaltung weist die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 eine nicht näher dargestellte Steuer- und Regeleinheit auf. Die Steuer- und Regeleinheit erkennt mittels des Sensorelements 19 eine fehlerfreie und eine fehlerhafte axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 und damit eine fehlerfreie und eine fehlerhafte Ventilhubumschaltung. Die Steuer- und Regeleinheit ist mittels einer Kommunikationsleitung mit dem Sensorelement 19 der Sensoreinheit 18 verbunden.
Zur Erkennung einer fehlerfreien und einer fehlerhaften axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 vergleicht die Steuer- und Regeleinheit einen Sollverlauf 46, 48 des Parameters 20 mit einem Istverlauf 45, 47 des durch das Sensorelement 19 erfassten Parameters 20. Der Sollverlauf 46, 48 ist parametrisiert mit einer Abhängigkeit von der Drehzahl in der Steuer- und Regeleinheit hinterlegt. Zum Vergleichen des Sollverlaufs 46, 48 des Parameters 20 mit dem Istverlauf 45, 47 des Parameters 20 weist die Steuer- und Regeleinheit eine Diagnosefunktion auf. Die Diagnosefunktion der Steuer- und Regeleinheit vergleicht dabei den Istverlauf 45, 47 des erfassten Parameters 20 mit dem Sollverlauf 46, 48, der an die Drehzahl angepasst wurde, bei der der Parameter 20 von dem Sensorelement 19 erfasst wurde.
Da ein Zeitpunkt eines Auftretens des Parameters 20 durch die Schaltkulisse 17 und durch eine Anordnung der Nockenwellenelemente 15, 16 geometrisch eindeutig definiert ist und somit bei fehlerfreier axialer Verschiebung 14 immer zur gleichen Nockenwellenposition bzw. zu gleichen Nockenwellenwinkeln erfolgt, erkennt die Steuer- und Regeleinheit mittels der Diagnosefunktion eine fehlerhafte axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 durch eine Abweichung des Istverlaufs 45, 47 des Parameters 20 von einem Sollverlauf 46, 48 des Parameters 20.
In der Steuer- und Regeleinheit ist dabei ein Toleranzbereich hinterlegt, innerhalb dessen der Istverlauf 45, 47 dem Sollverlauf 46, 48 entsprechen muss, um einen Schaltvorgang und somit die axiale Verschiebung 14 als fehlerfrei zu definieren. Erkennt die Steuer- und Regeleinheit eine Abweichung zwischen dem Istverlauf 45, 47 und dem Sollverlauf 46, 48, der außerhalb des Toleranzbereichs liegt, wird der Schaltvorgang und somit die axiale Verschiebung 14 als fehlerhaft deklariert. Der Toleranzbereich erlaubt eine Abweichung des Istverlaufs 45, 47 des erfassten Parameters 20 von dem Sollverlauf 46, 48 von maximal 21 Prozent, vorteilhaft von maximal 10 Prozent und besonders vorteilhaft von maximal 5 Prozent. Befindet sich der Istverlauf 45, 47 des erfassten Parameters 20 innerhalb des Toleranzbereichs, erkennt die Steuer- und Regeleinheit eine fehlerfreie axiale Verschiebung 14.
Zur Erkennung einer erhöhten Abnutzung der Schaltelemente 12, 13 der Betätigungsaktuatoren 26, 27 und einer erhöhten Abnutzung der Schaltkulisse 17 weist die Steuer- und Regeleinheit eine Verschleißerfassungsfunktion auf. Die Verschleißerfassungsfunktion vergleicht die Parameterpeaks des Istverlaufs 45, 47 des erfassten Parameters 20 mit Parameterpeaks des Sollverlaufs 46, 48 des Parameters 20. Die Verschleißerfassungsfunktion vergleicht die Parameterpeaks des Istverlaufs 45, 47 des erfassten Parameters 20 mit den Parameterpeaks des Sollverlaufs 46, 48 des Parameters 20, die bei einer Drehzahl ermittelt wurde bzw. die einer Drehzahl zugeordnet wurde, die der Drehzahl entspricht, bei der der Parameter 20 durch das Sensorelement 19 erfasst wurde. Die Steuer- und Regeleinheit vergleicht die Parameterpeaks und somit die Werte des erfassten Istverlaufs 45, 47 mit den Parameterpeaks und somit den Werten des Sollverlaufs 46, 48. Ist ein Parameterpeak des Istverlaufs 45, 47 größer als der zugehörige Parameterpeak des Sollverlaufs 46, 48, erkennt die Steuer- und Regeleinheit mittels der Verschleißerfassungsfunktion eine erhöhte Abnutzung. Ein erhöhter Verschleiß der Schaltelemente 12, 13 und der Schaltkulisse 17 wird dabei ebenfalls als eine fehlerhafte axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 deklariert.
Zur Reduzierung einer erhöhten Abnutzung der Schaltelemente 12, 13 und der Schaltkulisse 17 weist die Steuer- und Regeleinheit eine Verschleißminderungsfunktion auf. Die Verschleißminderungsfunktion leitet bei einer durch die Verschleißerfassungsfunktion erkannten erhöhten Abnutzung Maßnahmen ein, die den erhöhten Verschleiß reduzieren. Die Maßnahmen sind beispielsweise als eine Reduzierung einer Häufigkeit der axialen Verschiebung 14 und damit als eine Reduzierung einer Häufigkeit der Ventilhubumschaltung und/oder als eine Reduzierung einer maximalen Drehzahl, bei der eine axiale Verschiebung 14 durchgeführt wird, und/oder als Ähnliches ausgebildet. Zudem wird in einem Fehlerspeicher der Steuer- und Regeleinheit ein entsprechender Fehlercode hinterlegt.
Die Steuer- und Regeleinheit ist weiter zur Schaltung der Betätigungsaktuatoren 26, 27 vorgesehen. Die Steuer- und Regeleinheit stellt einen Schaltstrom und eine Schaltspannung für die Betätigungsaktuatoren 26, 27 und damit zur Ventilhubumschaltung bereit.
Zur Erfassung der Drehzahl weist die Ventiltriebbetätigungsvorrichtung 10 eine nicht näher dargestellte Sensoreinheit auf. Die nicht näher dargestellte Sensoreinheit ist mittels einer Kommunikationsleitung mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden. Die nicht näher dargestellte Sensoreinheit ist zur Erfassung der Nockenwellendrehzahl vorgesehen. Grundsätzlich kann die nicht dargestellte Sensoreinheit auch zur Erfassung einer Brennkraftmaschinendrehzahl vorgesehen werden.
In der 4 ist eine fehlerfreie axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 dargestellt. Die Steuer- und Regeleinheit vergleicht mittels der Diagnosefunktion und mittels der Verschleißerfassungsfunktion einen Istverlauf 45 des erfassten Parameters 20 (gestrichelte Linie) mit einem Sollverlauf 46 des Parameters 20 (durchgezogene Linie) bei einer vorliegenden Drehzahl und erkennt eine fehlerfreie axiale Verschiebung 14, da kein Abweichen des Istverlaufs 45 von dem Sollverlauf des Parameters 20 vorliegt. In der 4 sind die Höhe bzw. der Wert des Parameters 20 auf einer Ordinatenachse 49 und die Nockenwellenposition bzw. der Nockenwellenwinkel auf einer Abszissenachse 50 dargestellt.
In der 5 ist eine fehlerhafte axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 dargestellt. Die Steuer- und Regeleinheit vergleicht mittels der Diagnosefunktion und mittels der Verschleißerfassungsfunktion einen Istverlauf 47 des erfassten Parameters 20 (gestrichelte Linie) mit einem Sollverlauf 48 des Parameters 20 (durchgezogene Linie) und erkennt eine erhöhte Abnutzung der Schaltelemente 12, 13 und der Schaltkulisse 17 bei der axialen Verschiebung 14, da ein Parameterpeak des Istverlaufs 47 höher ist als ein Parameterpeak des Sollverlaufs 48 des Parameters 20. Durch den erhöhten Verschleiß weicht der Istverlauf 47 des Parameters 20 von dem Sollverlauf 48 des Parameters 20 ab, weswegen die Steuer- und Regeleinheit Maßnahmen zur Verringerung der Abnutzung einleitet. In der 5 sind die Höhe bzw. der Wert des Parameters 20 auf einer Ordinatenachse 51 und die Nockenwellenposition bzw. der Nockenwellenwinkel auf einer Abszissenachse 52 dargestellt.
In einem Betriebszustand, in dem die Nockenelemente 15, 16 zur Ventilhubumschaltung axial verschoben werden sollen, stellt die Steuer- und Regeleinheit einen Schaltstrom und eine Schaltspannung für die Spule 33 der Elektromagneteinheit 31 ein. Dadurch erzeugt die Elektromagneteinheit 31 ein Spulenmagnetfeld, wodurch das entsprechende Schaltelement 12, 13 des entsprechenden Betätigungsaktuators 26, 27 in die Schaltstellung bewegt wird und in die Schaltkulisse 17 eingreift. Durch das entsprechende, in die Schaltkulisse 17 eingreifende Schaltelement 12, 13 und durch eine Drehbewegung der Nockenelemente 15, 16 wirken die Nockenelemente 15, 16 nacheinander mit einer Kraft auf das in die Schaltkulisse 17 eingreifende Schaltelement 12, 13, wodurch die Drehbewegung der Nockenelemente 15, 16 in eine axiale Bewegung umgewandelt wird und die Nockenelemente 15, 16 axial nacheinander verschoben werden. Eine komplette axiale Verschiebung 14, d. h. eine axiale Verschiebung beider Nockenelemente 15, 16 und damit eine Ventilhubumschaltung, besteht aus zwei aufeinanderfolgenden axialen Verschiebungen 14 der Nockenelemente 15, 16. Zunächst wird das, je nachdem in welche Richtung verschoben wird, erste Nockenelement 15, 16 durch das Eingreifen des entsprechenden Schaltelements 12, 13 in die Schaltkulisse 17 des entsprechenden ersten Nockenelements 15, 16 axial beschleunigt und kurz darauf wieder axial abgebremst. Dadurch entsteht zunächst ein positiver Verlaufsabschnitt 53 des Parameters 20 aufgrund einer Beschleunigung und anschließend ein negativer Verlaufsabschnitt 54 aufgrund einer Verzögerung des entsprechenden Nockenelements 15, 16. Daraufhin erfolgt mit demselben Schaltelement 12, 13 eine gleiche axiale Verschiebung für das bezüglich der Richtung, in die verschoben wird, zweite Nockenelement 15, 16. Eine komplette axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16 in die entgegengesetzte Richtung erfolgt analog, wobei sich Vorzeichen des Parameters 20 für die Beschleunigung und die Verzögerung umkehren.
Die Sensoreinheit 18 überwacht die komplette axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16, indem das Sensorelement 19 der Sensoreinheit 18 den auf das entsprechende Schaltelement 12, 13 wirkenden Parameter 20, der von der auf das entsprechende Schaltelement 12, 13 wirkenden Kraft abhängig ist, erfasst. Das Sensorelement 18 erfasst die auf das entsprechende Schaltelement 12, 13 wirkende Kraft bei der kompletten axialen Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16. Die mit dem Sensorelement 19 kommunizierende Steuer- und Regeleinheit vergleicht zur Erkennung einer fehlerfreien oder fehlerhaften kompletten axialen Verschiebung 14 den erfassten Parameter 20 und somit den Istverlauf 45, 47 des Parameters 20 mit dem Sollverlauf 46, 48 des Parameters 20. Ermittelt die Steuer- und Regeleinheit eine Abweichung des Verlaufs des erfassten Parameters 20 von dem Sollverlauf 46, 48 des Parameters 20, erkennt die Steuer- und Regeleinheit eine fehlerhafte axiale Verschiebung 14 der Nockenelemente 15, 16. Ermittelt die Steuer- und Regeleinheit einen Parameterpeak des erfassten Parameters 20, der größer ist als ein Parameterpeak des Sollverlaufs 46, 48 des Parameters 20, erkennt die Steuer- und Regeleinheit einen erhöhten Verschleiß des entsprechenden Schaltelements 12, 13 und leitet Maßnahmen zur Reduzierung der erhöhten Abnutzung ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009016445 A1 [0002]

Claims

Ventiltriebbetätigungsvorrichtung, insbesondere Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung, mit zumindest einer Schalteinheit (11), die zumindest ein Schaltelement (12, 13) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zu einer axialen Verschiebung (14) zumindest eines Nockenelements (15, 16) mit einer Schaltkulisse (17) zumindest teilweise in Eingriff gebracht zu werden, und mit einer Sensoreinheit (18), die zu einer Überwachung der axialen Verschiebung (14) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (18) zumindest ein Sensorelement (19) aufweist, das dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Parameter (20) zu erfassen, der von einer auf das zumindest eine Schaltelement (12, 13) wirkenden Kraft zumindest abhängig ist.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (19) eine parametersensitive Richtung (21) aufweist, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaltachse (22) des zumindest einen Schaltelements (12, 13) verläuft.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (19) richtungssensitiv ist.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (11) zumindest ein weiteres Schaltelement (12, 13) aufweist und das zumindest eine Sensorelement (19) zumindest teilweise zwischen den beiden Schaltelementen (12, 13) der Schalteinheit (11) angeordnet ist.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuer- und/oder Regeleinheit, die dazu vorgesehen ist, mittels des zumindest einen Sensorelements (19) eine fehlerfreie und/oder eine fehlerhafte axiale Verschiebung (14) des zumindest einen Nockenelements (15, 16) zu erkennen.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit eine Diagnosefunktion aufweist, die dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Istverlauf (45, 47) des erfassten Parameters (20) mit wenigstens einem Sollverlauf (46, 48) zu vergleichen.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit eine Verschleißerfassungsfunktion aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine erhöhte Abnutzung zumindest des Schaltelements (12, 13) zu erkennen.
Ventiltriebbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (19) als ein kapazitiver Sensor, ein induktiver Sensor, ein Dehnungssensor und/oder ein Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
Verfahren zur Verwendung einer Ventiltriebbetätigungsvorrichtung (10), insbesondere Kraftfahrzeugventiltriebbetätigungsvorrichtung, mit zumindest einer Schalteinheit (11), die zumindest ein Schaltelement (12, 13) aufweist, das zu einer axialen Verschiebung (14) zumindest eines Nockenelements (15, 16) mit einer Schaltkulisse (17) zumindest teilweise in Eingriff gebracht wird, und mit einer Sensoreinheit (18), die die axiale Verschiebung (14) überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Parameter (20) erfasst wird, der von einer auf das zumindest eine Schaltelement (12, 13) wirkenden Kraft abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Istverlauf (45, 47) des wenigstens einen erfassten Parameters (20) mit wenigstens einem Sollverlauf (46, 48) verglichen wird.