DE19830667C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Gaswechselventiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Gaswechselventils.

Ventile kontrollieren den Durchfluß eines Fluids und sind dadurch maßgeblich an der Steuerung von Arbeitsprozessen beteiligt. Ein längsgeführtes Verschlußglied des Ventils sitzt in der Schließstellung des Ventils auf einem Ventil­ sitz und ist durch Abheben vor dem Ventilsitz in die Öffnungsstellung bringbar. In den meisten Anwendungsfällen des Ventils ist die Bestimmung der Öffnungs- und Schließ­ zeitpunkte und damit der Steuerzeiten von großer Bedeutung. Äußere Einflüsse beeinflussen die Steuerzeiten des Ventiles und verursachen gegebenenfalls eine nachteilige Beein­ flussung des Arbeitsprozesses. Insbesondere bei Gaswechsel­ ventilen für Brennkraftmaschinen beeinflussen die Steuer­ zeitpunkte und das individuell möglicherweise unter­ schiedliche Ventilspiel viele Betriebsparameter der Brenn­ kraftmaschine wie Schadstoffemission und Kraftstoffver­ brauch und damit nachhaltig die Qualität der Gemisch­ bildung.

Aus der DE 29 25 187 A ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt, deren Verschlußglied aus elektrisch leitendem Werkstoff besteht und in einem elektrischen Stromkreis mit dem Ventilsitz einen elektrischen Schalter bildet. Der Schalter zeigt durch sein Öffnen und Schließen den Spritzbeginn und die Spritzdauer an.

Die DE 195 41 508 A1 beschreibt ein Kraftstoffeinspritz­ ventil, dessen Ventilsitz in einem Stromkreis einen orts­ festen Kontakt bildet, an den Erdpotential angelegt wird. Eine verstellbare Ventilmembran wird mit einer Speise­ spannung beaufschlagt, so daß bei geschlossenem Einspritz­ ventil und am Ventilsitz anliegender Membran ein Stromkreis geschlossen ist. Der Stromfluß durch den Stromkreis wird mittels einer Auswerteschaltung erfaßt. Hebt die Ventil­ membran am Beginn der Öffnungshubbewegung vom Ventilsitz des Zapfens ab, so wird der Stromkreis unterbrochen und entsprechend der Zeitpunkt des Einspritzbeginns von der Auswerteschaltung registriert.

Mit den bekannten Vorrichtungen kann zwar eine definitive Aussage darüber getroffen werden, ob sich das Ventil in der Schließstellung befindet, wenn nämlich der Stromkreis durch das aufsitzende Verschlußglied geschlossen ist. Die Ventil­ stellung ist jedoch während des geöffneten Zeitintervalls während des Öffnungs- und Schließhubes zeitlich veränder­ lich. In der Praxis ergeben sich immer wieder Anwendungs­ fälle, in denen die genaue Kenntnis der Ventilstellung vor­ teilhaft oder sogar erforderlich ist, beispielsweise für präzise Regelung der Kraftstoffeinspritzung, die von der Ventilstellung maßgeblich beeinflußt sind.

Die WO 94/29589 schlägt einen Kraftstoffinjektor mit einer Einrichtung zur Erfassung der Ventilstellung vor, bei der die gemessene elektrische Größe, nämlich der elektrische Widerstand im Stromkreis über die Injektornadel und den Ventilsitz ausgewertet wird, um die momentane Hubposition der Ventilnadel genauer zu bestimmen. Dabei soll auch die Erfassung der Kapazität oder auch der Induktivität als Meß­ größe zur Bestimmung des Öffnungshubes des Injektors mög­ lich sein.

Zur Messung der Induktivität zum Zwecke der Bestimmung des Nadelhubes eines Kraftstoffinjektors sieht die JP 9133244 A eine elektrische Spule im Meßstromkreis vor, in dessen Feld die Injektornadel angeordnet ist und bei jeder Längsbe­ wegung eine erfaßbare Veränderung der Meßgröße bewirkt.

Die Anordnung einer Spule zur Detektion der Ventilstellung ist auch für schwere Schieberventile zur Anordnung in Pipe­ lines zur Verlegung auf dem Meeresgrund aus der DE 32 09 361 A1 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Gaswechselventils derart weiterzu­ bilden, daß eine präzise Bestimmung der Ventilstellung mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Ist das Verschlußglied elektrisch isoliert geführt, so bil­ det es in dem Stromkreis eine Elektrode eines Kondensators, dessen andere Elektrode der Ventilsitz ist. Die Kapazität des Kondensators ändert sich mit dem Ventilhub. Die Kapazi­ tät dieses Kondensators wird von der Auswertungseinheit erfaßt, welche zu jedem Zeitpunkt aus dem veränderbaren ka­ pazitiven Widerstand des Stromkreises den entsprechenden Abstand des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz bestimmt.

Bei dem Lösungsvorschlag gemäß Anspruch 2 ist eine elektro­ magnetische Spule vorgesehen, welche von einem längsbeweg­ lichen Ventilstößel des Ventilgliedes durchsetzt ist. Die stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches bei einer Bewegung des Ventilstößels durch eine Markierung verändert wird, welche der Ventilstößel auf Höhe der Spule trägt. Die zeitliche Änderung des induktiven Widerstandes des Stromkreises infolge der Bewegung der Markierung mit dem Verschlußglied wird von der Auswertungseinheit erfaßt, welche mit der Spule über eine elektrische Signalleitung verbunden ist. Aus der zeitlichen Änderung der Induktion der Spule ist ein genauer Rückschluß auf die zugehörige Stellung des Verschlußgliedes möglich. Zweckmäßig ist dabei die Spule in der Führung des Ventilstößels aufgenommen, so daß eine einfache Bauweise möglich ist. Die Markierung wird vorteilhaft umlaufend und von der Oberfläche des Ventil­ stößels abweichend ausgebildet, wodurch eine deutliche Be­ einflussung des Magnetfeldes der Spule erreicht ist.

Bei Brennkraftmaschinen ist mit der genauen Kenntnis der Ventilstellung der Gaswechselventile, insbesondere des Ein­ laßventils eine Regelung variabler Ventilsteuerungen möglich. Vorteilhaft wird auch die erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Regelung der Gemischbildung bei Brennkraft­ maschinen eingesetzt, wobei die Kenntnis der Ventilstellung der Einlaßventile einer Berechnung des momentanen Luft­ durchsatzes der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt wird. Auf die bisher notwendigen Luftmassenmesser kann somit ver­ zichtet werden. Denkbar ist auch ein Einsatz der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Ventilstellun­ gen von Einspritzventilen zur Ermittlung und gegebenenfalls zur Regelung der Einspritzmenge.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, dessen Einlaßventil eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Ventil­ stellung zugeordnet ist,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt eines Gaswechsel­ ventils mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt eines Gaswechsel­ ventils mit einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder 17 einer Brennkraftmaschine 11. In dem Zylinder 17 ist ein Kolben 12 längsbeweglich angeordnet, welcher über eine strichpunktiert angedeutete Pleuelstange 18 auf die Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine 11 wirkt. Der Kolben 12 be­ grenzt in dem Zylinder 17 einen Brennraum 16, dem durch einen Einlaßkanal 13 Frischgas zuführbar ist. Ein Injektor 14 spritzt in den Einlaßkanal 13 und die darin strömende Frischluft Kraftstoff ein. Die Kraftstoffeinspritzung kann jedoch auch direkt in den Zylinder 17 erfolgen. Der Gas­ wechsel der Brennkraftmaschine 11 wird von einem oder mehreren Einlaßventilen 1 und Auslaßventilen gesteuert; letztere sind in der Zeichnung durch eine strichpunktierte Ventilachse 19 angedeutet. Das Einlaßventil 1 weist einen Ventilstößel 4 auf, welcher in einer Führung 8 im Zylinder­ kopf längsbeweglich geführt ist. Der Ventilstößel 4 trägt ein Verschlußglied 2, welches in der Schließstellung des Ventils 1 auf einem Ventilsitz 3 im Endabschnitt des Ein­ laßkanals 13 sitzt und durch Abheben von dem Ventilsitz 3 in die Öffnungsstellung bringbar ist.

Die Führung 8 des Ventilstößels 4 weist Elemente einer wei­ ter unten näher erläuterten Vorrichtung zur Bestimmung der Ventilstellung des Einlaßventils 1 auf, welche einen elektrischen Stromkreis umfaßt, in dem mindestens eine elektrische Größe von der Ventilstellung V beeinflußbar und von einer Auswertungseinheit 5 erfaßbar ist. Die Auswer­ tungseinheit 5 ist Teil einer Reglereinheit 21 für die Ge­ mischbildung der Brennkraftmaschine 1. Der Eingang der Reg­ lereinheit 1 ist dabei mit einem Drucksensor 15 in der Ein­ laßleitung 13 und mit der Auswertungseinheit 5 verbunden. Aus dem Drucksignal P₂ des Drucksensors 15 und der vorlie­ genden Ventilstellung V berechnet die Reglereinheit den augenblicklich in den Brennraum 16 eintretenden Gasmassen­ strom. Der Ausgang der Reglereinheit 21 ist über eine Steuersignalleitung 20 mit dem Injektor 14 verbunden, und auf der Grundlage des Gasmassenstroms erzeugt die Regler­ einheit Stellsignale für den Injektor 14, um einen opti­ malen Einspritzvorgang zu gewährleisten.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Ventilstößel 4 des Gaswechselventils 1 elektrisch isoliert geführt. Eine elektrisch leitende Führungshülse 8 ist mit einer Isolier­ hülse 9 aus elektrisch nicht leitfähigem Material in den Zylinderkopf 23 eingesetzt. Die Führung 8 und der Ventil­ stößel 4 sind elektrisch leitfähig über Schleifkontakt ver­ bunden. Die Führung 8 und somit der Ventilstößel 4 sind Teil eines elektrischen Stromkreises 6 und werden von einer Spannungsquelle 22 mit einem höheren Potential beauf­ schlagt, während der Zylinderkopf 23 das niedrigere Potential bildet. In der Schließstellung des Ventils 1 schließt das Verschlußglied 2 nach Art eines Kontaktschal­ ters durch den Kontakt mit dem Ventilsitz 3 den Stromkreis 6. Hebt das Verschlußglied 2 von dem Ventilsitz ab, so bil­ den die bewegbaren Ventilteile und der Ventilsitz jeweils Elektroden eines Kondensators, dessen Kapazität von der Breite des Luftspalts zwischen dem Verschlußglied 2 und dem Ventilsitz 3 bestimmt ist. Der kapazitive Widerstand des Stromkreises 6 ändert sich mit dem Ventilhub und wird von der Auswertungseinheit 5 erfaßt. Die Auswertungseinheit ermittelt aus dem eingegebenen Wert der vorliegenden Kapa­ zität die zugehörige Ventilstellung. Der Auswertungseinheit 5 ist ein Speicher 10 zugeordnet, in dem Wertepaare der Kapazität als elektrischer Größe des Stromkreises und der jeweils entsprechenden Stellung des Verschlußgliedes 2 abgelegt sind.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 durchsetzt der Ventilstößel 4 eine elektromagnetische Spule 7, welche in der Führung des Stößels aufgenommen ist. Der Ventilstößel 4 ist auf Höhe der Spule 7 mit einer umlaufenden Markierung 24 versehen, welche bei einer Bewegung des Ventilstößels 4 das Magnetfeld der Spule 7 beeinflußt. Im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Markierung als Nut ausgebildet. Der Stößel kann jedoch auch vorteilhaft als Markierung mit einem Absatz versehen sein, welcher ebenso von der Oberfläche des Ventilstößels 4 abweicht und das Magnetfeld be­ einflußt. Die Nut 24 ist derart angeordnet, daß sie über den gesamten Ventilhub zwischen den Extremstellungen des Verschlußgliedes 2 im Magnetfeld der Spule 7 verbleibt. Die Spule 7 ist über eine elektrische Signalleitung mit der Auswertungseinheit 5 verbunden, so daß die mit der Stößel­ bewegung eintretende Veränderung des Magnetfeldes von der Auswertungseinheit 5 erfaßbar ist. Die Stößelbewegung ist proportional einer Änderung des induktiven Widerstandes im Stromkreis der Spule 7, so daß die Auswertungseinheit 5 aus dem eingegebenen Wert der Induktion die zugehörige Ventil­ stellung ermitteln kann. In dem Speicher 10 sind Wertepaare der induktiven Widerstände und der jeweils entsprechenden Stellungen des Verschlußgliedes 2 abgelegt und zur be­ darfsweisen Entnahme durch die Auswertungseinheit 5 bereit­ gehalten.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließ­ zeitpunkte eines Gaswechselventils (1) einer Brenn­ kraftmaschine mit einem längsgeführten Verschlußglied (2), welches in der Schließstellung des Gaswechsel­ ventils (1) auf einem Ventilsitz (3) sitzt und durch Abheben von dem Ventilsitz (3) in die Öffnungs­ stellung bringbar ist, mit einem elektrischen Strom­ kreis (6), in dem mindestens eine elektrische Größe von der jeweiligen Stellung des Verschlußgliedes (2) beeinflußbar und von einer Auswertungseinheit (5) er­ faßbar ist, wobei das Verschlußglied (2) elektrisch isoliert geführt ist und eine Elektrode eines Konden­ sators bildet, dessen andere Elektrode der Ventilsitz (3) ist, und dieser Kondensator in dem Stromkreis (6) derart angeschlossen ist, daß dessen Kapazität der Auswertungseinheit (5) eingebbar ist, wobei die Vor­ richtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung im Zylinder (17) der Brennkraftmaschine (11) eingesetzt wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließ­ zeitpunkte eines Gaswechselventils (1) einer Brenn­ kraftmaschine mit einem längsgeführten Verschlußglied (2), welches in der Schließstellung des Gaswechsel­ ventils (1) auf einem Ventilsitz (3) sitzt und durch Abheben von dem Ventilsitz (3) in die Öffnungsstellung bringbar ist, mit einem elektrischen Strom­ kreis (6), in dem mindestens eine elektrische Größe von der jeweiligen Stellung des Verschlußgliedes (2) beeinflußbar und von einer Auswertungseinheit (5) er­ faßbar ist, wobei ein Ventilstößel (4) des Verschluß­ gliedes (2) eine elektromagnetische Spule (7) durch­ setzt und auf Höhe der Spule (7) eine Markierung (24) trägt, durch die bei Bewegung des Ventilstößels das Magnetfeld der Spule (7) beeinflußt wird, wobei die Spule (7) über eine elektrische Signalleitung mit der Auswertungseinheit (5) verbunden ist, wobei die Vor­ richtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung im Zylinder (17) der Brennkraftmaschine (11) eingesetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (7) in einer Führung (8) des Stößels (4) aufgenommen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (24) um­ laufend und von der Oberfläche des Ventilstößels (4) abweichend ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung als Nut (24) ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertungseinheit (5) ein Speicher (10) zugeordnet ist, in dem Werte­ paare der eingegebenen elektrischen Größe und der jeweils entsprechenden Stellung des Verschlußgliedes (2) abgelegt sind.