DE19753275A1 - Elektromechanisches Stellgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromechanisches Stellgerät ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromechanische Stellgeräte mit einem Stellantrieb und ei­ nem Stellglied, das als Ein-/Auslaßventile einer Brennkraft­ maschine ausgebildet ist, sind bekannt. Im Gegensatz zu noc­ kenwellenbetätigten Ventilen werden diese elektromechanischen Ventile zum Öffnen und Schließen von einem Steuergerät in Ab­ hängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert. Da­ bei muß der Stellantrieb in der Lage sein, hohe Kräfte aufzu­ bringen; dies erfordert hohe Magnetkräfte. Zur Steuerung der Bewegung des Ventils muß dessen periodische Hubbewegung stän­ dig gemessen werden.

Bei solchen Stellgeräten ist es bekannt (EP 0 500 389), die Induktivität der Wicklung zu messen und als Maß für den Hub­ verlauf zu verwenden, da die Induktivität steigt, sobald sich der Anker verschiebt und damit der Luftspalt zwischen Anker und ferromagnetischem Spulenkern verringert.

Es ist auch bekannt, zwischen dem Anker und dem Spulenkern eine zusätzliche Aufnehmerspule vorzusehen, die mit einem hochfrequenten Signal beaufschlagt wird. Das so erzeugte Wechselfeld induziert im Anker Wirbelströme, die wiederum die Induktivität der zusätzlichen Aufnehmerspule verändern. Diese Änderung ist abhängig von der Position des Ankers, was eine Messung des Ventilhubes ermöglicht. Zur Aufnahme des Ventil­ hubes von 8 mm sind zwei Spulen erforderlich, auf jeder Seite des Ankers eine. Da die Aufnehmerspulen direkt im Feld des elektromechanischen Ventilantriebes liegen, treten starke Störungen auf, die das eigentliche Nutzsignal um mehr als Faktor 100 übersteigen. Diese Störungen können mit vertretba­ rem Aufwand nicht herausgefiltert werden.

Die Ankerstellung des elektromechanisch betätigten Ventils läßt sich auch mit anderen Mitteln erkennen. So ist es aus EP 0493634 bekannt, einen optischen Lagegeber zu verwenden, um die Stellung eines ein Gaswechselventil betätigenden An­ kers in Form einer Ankerscheibe zu erkennen oder mit mehreren optischen Lagegebern zu erfassen. Der Einsatz optischer Hub­ sensoren ist jedoch wegen der Verschmutzungsgefahr sehr pro­ blematisch.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Stellung des Ankers eines elektromechanischen Stellgeräts mit einfa­ chen Mitteln zuverlässig und weitgehend störungsfrei zu er­ fassen.

Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird ein Wirbelstromaufnehmer eingesetzt, der als Anker einen ohnehin schon vorhandenen Federteller auf dem Ventilschaft verwendet. Durch die Anordnung der aufnehmenden Spule am Ventilteller ist sie vom störenden Magnetfeld des elektromechanischen Ventilantriebes genügend weit entfernt, wodurch die Störungen minimiert werden.

Der Federteller wird als Längsanker verwendet, d. h. die Spule ist so angeordnet, daß die Ankerbewegung aus einer Mittellage heraus erfolgt. Ein Entfernen und Annähern des Ankers wie bei einem Queranker findet nicht statt. Durch die Längsankeran­ ordnung kann ein größerer Hubbereich abgedeckt werden. Mit einer Spule kann ein Hub von 10 mm und mehr abgebildet wer­ den. Eine zweite Spule ist nicht mehr erforderlich. Somit verringert sich die Anzahl der erforderlichen Leitungen auf maximal zwei.

Ferner ist es möglich, durch geeignete Formgebung des Federtellers eine Signalformung zu erreichen. So kann das Meßsignal linear zur Hubbewegung sein oder es können bestimm­ te Hubbereiche mit höherer Auflösung erfaßt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt eines elektromechanisch betätigten Ein- /Auslaßventiles einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt eines Wirbelstromaufnehmers mit Längsan­ ker,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des Wirbelstromauf­ nehmers mit Anker,

Fig. 4 zwei weitere Ausführungsformen des als Anker dienenden Ventiltellers und

Fig. 5 den hubabhängigen Verlauf der Aufnehmerspulenindukti­ vität.

Fig. 1 zeigt ein elektromechanisch angetriebenes Ein-/Auslaßventil, das aus einem Ventilschaft 2 mit Ventil­ teller und Ventilsitz besteht. Der Ventilteller ist zwischen zwei Endstellungen bewegbar. In einer oberen Endstellung ist das Ventil geschlossen und in einer unteren Endstellung ge­ öffnet. Eine Ventilfeder 4 ist zwischen einem oberen Feder­ teller 3 und einem Ventildeckel 13 eingespannt und beauf­ schlagt den Ventilschaft in Richtung der Öffnungsstellung des Ventiltellers. Eine zwischen dem Gehäuse und einem auf dem Ventilschaft angebrachten unteren Federteller 5 angeordnete Feder 6 beaufschlagt den Ventilteller in die Schließstellung.

Der elektromechanische Antrieb besteht aus einem oberen Spu­ lenkern 10 und einem unteren Spulenkern 9, um die herum je­ weils eine Wicklung 7 und 8 angeordnet sind. In den Spulen­ kernen 9, 10 ist der Ventilschaft 2 verschiebbar. Auf ihm ist zwischen dem oberen Spulenkern 10 und dem unteren Spulenkern 9 eine Ankerscheibe 11 angeordnet. Die der Ankerscheibe 11 zugekehrten Stirnseiten 14 und 15 der beiden Spulenkerne 10 und 9 bilden Anschläge für die Ankerscheibe 11 und definieren damit die obere und untere Endstellung des Ventils, in der es geöffnet bzw. geschlossen ist.

Solange die Wicklungen 7 und 8 stromlos sind, wird die Anker­ scheibe 11 von den beiden Ventilfedern 4 und 6 in der Mittel­ stellung zwischen den beiden Anschlägen 14 und 15 gehalten, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die beiden Wick­ lungen 7 und 8 werden jeweils von einer Treiberschaltung be­ stromt, die von einer Regelschaltung angesteuert wird. Wird eine Wicklung 7 bzw. 8 stromdurchflossen, entsteht am von Wicklung 7 bzw. 8 und Spulenkern 10 bzw. 9 gebildeten Elek­ tromagneten ein Magnetfeld, das den Anker 9 zum Spulenkern 10 bzw. 9 hinzieht, wodurch der Ventilschaft 2 angetrieben wird.

In Fig. 2 ist der auf dem Ventilschaft 2 angeordnete obere Federteller 3 vergrößert gezeichnet. Um den oberen Federtel­ ler 3 herum verläuft eine gehäusefeste Spule 1. Natürlich kann die Spule 1 auch am unteren Federteller 5 angeordnet sein. Die Spule 1 dient als Aufnehmerspule für einen Wirbel­ stromaufnehmer. An die Spule 1 wird eine hochfrequente Wech­ selspannung angelegt, wodurch ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld entsteht. Der obere Federteller 3 dient als Längsanker, d. h. er bewegt sich durch die Spule hindurch. Im Federteller 3 werden durch das hochfrequente Magnetfeld elek­ trische Wirbelströme induziert, deren Magnetfelder das erzeu­ gende Magnetfeld der Spule 1 schwächen. Dadurch verringert sich die Induktivität der Spule 1 und ihr Verlustwinkel er­ höht sich. Die Induktivitätsänderung und das daraus erhaltene Signal ist von der Bewegung des Federtellers 3 und damit 'vom Hub des Ventilschaftes 2 abhängig. Da sich der Federteller 3 durch die Spule hindurchbewegt, kann mit nur einer Spule ein Hub von 10 mm und mehr erfaßt werden.

Die Induktivität I als Funktion des Ventilhubes h für die An­ ordnung der Fig. 2 ist im Signalverlauf 16 der Fig. 5 darge­ stellt. Bewegt sich der auf dem Ventilschaft 2 befestigte Fe­ derteller 3 aus der durch die Federn 4 und 6 vorgegebenen Mittellage bei h = 0, so sinkt die Induktivität.

Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Fall ist die Aufneh­ merspule 1 nicht ringförmig um den Federteller herum angeord­ net, sondern eine kleine ringförmige Spule, deren Achse senk­ recht zum Ventilschaft 2 steht. In dieser Ausführungsform ist das axiale Querschnittsprofil des Federtellers 3 konisch. So­ mit verändert sich bei einer Hubbewegung des Ventilschaftes der Abstand zwischen der Mantelfläche des Federtellers 3 und der Spule 1, was wiederum zu einer hubabhängigen Induktivi­ tätsänderung führt. Durch die Wahl des Querschnittsprofils wird der Hubverlauf des Meßsignals beeinflußt. Mittels der Formgebung kann eine Signalformung erreicht werden, bestimmte Hubbereiche können z. B. zum Zwecke höherer Auflösung aufge­ spreizt werden oder das Meßsignal proportional zum Hub sein.

Fig. 4 zeigt weitere mögliche Ausbildungsformen des Federtel­ lers 3 als Doppelkonus. Die Form der Fig. 4a führt zum Si­ gnalverlauf 17 der Fig. 5. Die Endstellungen des Ventilhubes h werden dabei mit höherer Auflösung gemessen, als bei der Federtellerform der Fig. 3. Die Form der Fig. 4a liefert ein Meßsignal ähnlich dem Signalverlauf 16.

Claims (8)

1. Elektromechanisches Stellgerät, das aufweist:

• - einen ferromagnetischen Spulenkern (9, 10) mit Wicklung (7, 8),
• - einen Anker, der in dem Spulenkern zwischen zwei Endstel­ lungen verschiebbar ist und den Ventilschaft (2) antreibt,
• - eine Ventilfeder (4, 6), die zwischen einem Gehäuse und ei­ nem am Ventilschaft (2) befestigten Federteller (3, 5) abge­ stützt ist und
• - eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Ventilstellung, dadurch gekennzeichnet, daß
  die Meßeinrichtung ein Wirbelstromaufnehmer mit einem Längs­ anker ist, welcher von dem Federteller (3, 5) gebildet ist.

2. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) des Wirbelstromaufnehmers sich ringförmig um den Federteller (3, 5) herum erstreckt.

3. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spule (1) des Wirbelstromauf­ nehmers seitlich am Federteller (3, 5) angeordnet ist.

4. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf (14, 15) des Wirbelstromaufnehmers vom axialen Querschnitts­ profil des Federtellers (3, 5) abhängt.

5. Elektromechanisches Stellgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf (14, 15) direkt propor­ tional zum Ventilhub (h) ist.

6. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (3, 5) konisch ausgebildet ist.

7. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (3, 5) als Doppelkonus ausgebildet ist.

8. Elektromechanisches Stellgerät nach einem der vorherigen Ansprüche mit zwei Ventilfedern (4, 6), dadurch gekennzeich­ net, daß der der Brennkammer (12) abgewandte Federteller (3) den Anker des Wirbelstromaufnehmers bildet.