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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers
eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer
Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen
jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende
Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei die an der
dem Anker näherliegenden
und folglich bestromten Spule anliegende elektrische Spannung getaktet geregelt
wird und das Spannungs-Taktverhältnis
von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden
Solltrajektorie bestimmt wird.
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Zum
technischen Umfeld wird neben der
DE 195 30 121 A1 insbesondere auf die nicht
vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung
DE
198 32 196 A1 sowie zusätzlich
auf die ebenfalls nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung
DE
198 32 198 A1 verwiesen.
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Ferner
ist aus der
DE 195
30 121 A1 ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines
Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator bekannt, bei dem, bei
Annäherung
des Ankers an die Polfläche
des Elektromagneten, die an der Spule anliegende Spannung auf einen
vorgebbaren Maximalwert begrenzt wird, so dass der durch die Spule fließende Strom
während
eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt.
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Die
DE 195 44 207 A1 beschreibt
ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen
an elektromagnetischen Aktuatoren. Hierbei wird unter anderem erläutert die
Ankergeschwindigkeit des Aktuators entsprechend einer Sollkurvenvorgabe
einzustellen, um auf diese Weise eine Verringerung des Kontaktprellens
zu erzielen.
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Des
Weiteren beschreibt die
DE
196 40 659 A1 ein Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen
Aktuators mit Beeinflussung des Spulenstroms während der Ankerbewegung. Demnach
wird die Stromzufuhr zum Elektromagneten so gesteuert, dass der
zeitliche Verlauf der erzeugten Magnetkraft zumindest in der Endphase
der Annäherung
des Ankers an die Polfläche
des Elektromagneten in etwa dem Verlauf der Federkennlinie der Ankerrückstellfeder
entspricht, wobei die Magnetkraft jedoch größer ist als die Kraft der Rückstellfeder,
zumindest in diesem Bewegungsbereich.
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Mit
einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 können
die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine in
gewünschter
Weise betätigt,
d.h. oszillierend geöffnet
und ge schlossen werden. Bei einem derartigen elektromechanischen
Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische
Stellglieder, die sog. Aktuatoren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und
das Schließen
jedes Hubventiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden
kann. Hierdurch können
die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen
Betriebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie
an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen,
Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen
Fahrzeuges angepaßt
werden.
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Die
wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der
Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete
für das
Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektromagnetspulen,
und ferner Rückstellfedern
für die
Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch
auf die beigefügte
1 verwiesen,
die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in den
beiden möglichen Endlagen
des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt,
und wobei zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der Aktuator-Hubventil-Einheit
der Verlauf des Ankerhubes z bzw. Ankerweges zwischen den beiden
Elektromagnet-Spulen und ferner die an die beiden Elektromagnet-Spulen
angelegte elektrische Spannung jeweils über der Zeit t entsprechend
dem in der eingangs genannten
deutsche
Patentanmeldung 198 32 196.1 beschriebenen Stand der Technik
dargestellt ist.
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Wie
ersichtlich ist in 1 der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles dargestellt,
welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist und welches
sich hierbei in Richtung auf seinen Ventilsitz 30 bewegt.
Wie üblich
greift an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an,
ferner wirkt auf den Schaft des Hubventiles 1 der in seiner
Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktuator ein. Dieser besteht
neben zwei Elektromagnet-Spulen 4a, 4b aus einer
auf den Schaft des Hubventiles 1 einwirkenden Stößelstange 4c,
die einen Anker 4d trägt,
der zwischen den Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend
längsverschiebbar
geführt
ist. Am dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der
Stößelstange 4c greift ferner
eine Ventilöffnungsfeder 2b an.
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Hierbei
handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für welches
die Ventilschließfeder 2a und
die Ventilöffnungsfeder 2b eine
erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden, für
welche folglich im weiteren ebenfalls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet
werden. Linksseitig ist in 1 die erste
Endposition dieses schwingungsfähigen
Systems dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist
und der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt,
die im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet
wird, nachdem diese Spule 4b das Hubventil 1 in
seiner geöffneten
Position hält. Rechtsseitig
ist in 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen Systems
dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geschlossen
ist und somit auf seinem Ventilsitz 30 aufsitzt und wobei
der Anker 4d an der oberen Elektromagnet-Spule 4a anliegt, die
im folgenden auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet
wird, nachdem diese Spule 4a das Hubventil 1 in
seiner geschlossenen Position hält.
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Im
folgenden wird kurz der Schließvorgang des
Hubventils 1 beschrieben, d.h. in 1 der Übergang
vom linksseitigen Zustand in den rechtsseitig dargestellten Zustand;
dazwischen ist neben dem Hubverlauf bzw. der Wegkoordinate z des
Ankers 4d über
der Zeit t die an die Elektromagnetspulen 4a bzw. 4b angelegte
elektrischen Spannung U aufgetragen. Bezüglich der Wegkordinate z entspricht
dabei der Wert z0 einem vollständig geöffnetem Hubventil 1,
d.h. der Anker 4d liegt an der Öffner-Spule 4b an,
während
bei z = z1 der Anker 4d an der
Schließerspule 4a anliegt.
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Ausgehend
von der linksseitigen Position "Hubventil
offen" liegt zunächst an
der Öffner-Spule 4b eine
getaktete sog. Halte-Spannung (U) an, so daß der Anker 4d in
dieser Position gegen die gespannte Ventilschließfeder 2a (= untere
erste Rückstellfeder 2a)
gehalten wird, wobei diese an diese Spule 4b getaktet angelegte
Spannung U gestrichelt dargestellt ist. Wird anschließend daran
diese Öffner-Spule 4b nicht
weiter bestromt, d.h. wird keine elektrische Spannung U mehr angelegt,
so löst
sich der Anker 4d von dieser Spule 4b und das
Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventilschließfeder 2a in etwa
bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleunigt, bewegt sich
jedoch aufgrund seiner Massenträgheit
weiter und spannt dabei die Ventilöffnungsfeder 2b, so
daß das
Hubventil 1 (und der Anker 4d) dadurch abgebremst
werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu einem
geeigneten Zeitpunkt bestromt (die getaktet an diese Spule 4a angelegte
Spannung ist in durchgezogenen Linien dargestellt), wodurch diese
Spule 4a den Anker 4d einfängt – hierbei handelt es sich um
den sog. Fangvorgang –, und
ihn schließlich
in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlossen" hält. Nachdem
der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen
ist, wird diese im übrigen
mit dem im Zusammenhang mit der Spule 4b bereits erwähnten Haltespannungs-Taktverhältnis beaufschlagt.
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Der
umgekehrte Übergang
von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen" geschieht ausgehend
von der in 1 rechtsseitig dargestellten
Position analog durch Nullsetzen der Spannung U in der Schließer-Spule 4a und
zeitversetztes getaktetes Beaufschlagen der Öffner-Spule 4b mit
der elektrischen Spannung U. Dabei wird generell, d.h. bei den beiden Bewegungsabläufen des
Hubventiles 1 bzw. des Ankers 4d die betragsmäßig konstante
elektrische U getaktet an die jeweiligen Elektromagnetspulen 4a, 4b ange legt,
um in diesen einen gezielten Stromfluß und demzufolge eine gezielte
Magnetkraft zu erzielen, derart, daß der Anker 4d wie
gewünscht
zwischen den Elektromagnetspulen 4a, 4b bewegt
wird. Tatsächlich
soll nämlich
der Anker 4d sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des
Hubventiles 1 möglichst
sanft auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b auftreffen
und das Hubventil 1 bei seiner Schließbewegung ebenfalls mit möglichst
geringer Geschwindigkeit auf seinem Ventilsitz 30 aufsetzen,
um die damit verbundenen mechanischen Belastungen und insbesondere
auch die Geräuschentwicklung
so gering als möglich
zu halten.
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Das
hierzu erforderliche an die jeweilige Elektromagnetspule 4a, 4b anzulegende
Spannungs-Taktverhältnis,
d.h. allgemein die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der
elektrischen Spannung U sowie ggf. zusätzlich deren Vorzeichen wird
dabei durch einen elektronischen Regler bestimmt und veranlaßt, und
zwar anhand einer die Anker-Sollbewegung
beschreibenden Solltrajektorie.
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Der
Begriff „Trajektorie" ist dem Fachmann für Regelungstechnik
bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers
gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden
Fall also die Bahnkurve des Ankers 4d zwischen den beiden
Elektromagnetspulen 4a, 4b. Bevorzugt enthält dabei
diese Soll-Trajektorie über bzw.
in Abhängigkeit
von der Zeit (wie üblich
mit „t" bezeichnet) Werte
für die
Position des Ankers 4d (im folgenden auch als „Wegkoordinate" z bezeichnet), für dessen
Geschwindigkeit und für
die Beschleunigung des Ankers, d.h. es handelt es sich quasi um eine
einfache Wertetabelle, die entweder fix in einem geeigneten Steuergerät abgelegt
sein kann oder in Abhängigkeit
von aktuellen Randbedingungen jeweils individuell berechnet werden
kann.
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Dabei
wird für
die weitere Beschreibung die sog. Solltrajektorie bildlich vereinfacht
alleine durch den gewünschten
Bewegungsablauf des des Ankers 4d dargestellt und mit der
Bezugsziffer 20 bzw. 20a, 20b, 20c,
.... bezeich net. In 1 gibt im z-t-Diagramm der Verlauf
der Wegkoordinate z der Ankerposition somit eine solchermaßen vereinfacht
dargestellte Solltrajektorie wieder und trägt demzufolge die Bezugsziffer 20.
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Im
Hinblick auf ein derartiges Verfahren zur Bewegungssteuerung eines
Aktuatorankers für
die Betätigung
eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Solltrajektorien
für unterschiedliche
Bewegungsabläufe
des Ankers und/oder des Gaswechsel-Hubventiles vorgesehen sind.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist es
somit möglich,
den Anker 4d sowie das Hubventil 1 nicht nur in
gewünschter
Weise in deren jeweilige Endpositionen zu überführen, sondern es sind daneben
noch weitere Bewegungsabläufe
der genannten Elemente umsetzbar. Beispiele für mögliche weitere Bewegungsabläufe sind
in Form von – wie
bereits erwähnt vereinfacht
dargestellten – Solltrajektorien 20a, 20b, 20c in
den 2, 3 gezeigt, wobei jeweils über der
Zeit t der Verlauf der Wegkoordinate z des Ankers 4d ähnlich der
Darstellung der Solltrajektorie 20 in 1 abgebildet
ist.
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So
kann neben einer das Hubventil 1 in seine vollständig geöffnete Position
führenden
Solltrajektorie 20a (vgl. 2) zumindest
eine in 3 gezeigte, das Hubventil 1 nur
teilweise öffnende
Solltrajektorie 20b vorgesehen sein. Dabei unterscheidet
sich die Darstellung nach 3 von derjenigen
der 1, 2 dadurch, daß in 3 eine Öffnungs-
und eine Schließbewegung
des Hubventiles 1 gezeigt ist, d.h. die Zeitachse (t) erstreckt
sich über
eine längere
Zeitspanne als in den 1, 2. Bevorzugt
kann dabei (wie dargestellt) das Hubventil 1 durch die
dieses nur teilweise öffnende
Solltra jektorie 20b nahe seiner Schließposition gehalten werden,
d.h. die Wertänderung
der Wegkoordinate z des das Hubventil 1 betätigenden
Ankers 4d ist relativ gering, so daß ausgehend vom geschlossenen
Hubventil 1 bzw. ausgehend von z = z1 (d.h.
der Anker 4d liegt an der Schließer-Spule 4a an) lediglich
der geringe Anker-Hub z = z3 bzw. die Wegkoordinate
z3 erreicht wird.
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Mit
einer derartigen Solltrajektorie 20b kann seitens des genannten
Reglers somit eine Schwebeposition des Ankers 4d in einer
quasi fiktiven Endlage eingestellt werden, in welcher der Anker 4d zumindest
geringfügig
von der ihn zuvor freigebenden Schließer-Spule 4a beabstandet
bleibt. Somit wird bspw. bei einer Öffnungsbewegung des Hubventiles 1 nicht
die Öffner-Spule 4b (vgl.
hierzu auch 1), sondern eine fiktive Endlage,
nämlich
z = z3 des Ankers 4d in der Nähe der Schließer-Spule 4a angefahren,
die bspw. einem minimalen Ventilhub des Hubventiles 1 von
ca. 1 mm bis 2 mm entspricht. Wird der Anker 4d und somit
das Hubventil 1 in einer derartigen Position (bspw. z3) in der Schwebe gehalten, so führt dies
bei der dementsprechenden Betätigung
eines Brennkraftmaschinen-Einlaßventiles
zu einer verbesserten Gemischaufbereitung und im Falle einer Betätigung des
Brennkraftmaschinen-Auslaßventiles
zur Optimierung der Ladungsbewegung, wie dies dem Fachmann für Brennkraftmaschinen
grundsätzlich
bekannt ist.
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Weiterhin
kann insbesondere für
den Schließvorgang
des Hubventiles 1 eine den Anker 4d zumindest
kurzfristig geringfügig
von der entsprechenden Elektromagnetspule bzw. Schließer-Spule 4a beabstandet
haltende Solltrajektorie 20c vorgesehen sein. Wie 2 zeigt,
soll hierbei wieder ausgehend von z = z0 zunächst ein
Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers 4d erfolgen,
die durch z = z2 definiert ist und in welcher
der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden
Spule 4a beabstandet bleibt, wonach eine zweite Anker-Endlage angefahren
wird, die dessen mechanischer Endlage, nämlich z = z1 entspricht.
Hiermit ist quasi ein elektronischer Ventilspielausgleich im Hubventiltrieb
der Brennkraftmaschine möglich.
Demzufolge wird bei einem Schließvorgang des Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 der
Ankers 4d zunächst
zur Position z2 hinbewegt, die dem Aufsetzen
des Hubventils 1 auf seinem Ventilsitz 30 (vgl. 1)
entspricht. Anschließend
daran wird der Anker 4d in die Position z1 bewegt,
die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht, in welcher er
also an der Schließer-Spule 4a zum
Anliegen kommt.
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Im übrigen kann
dann bei einem darauffolgenden Öffnen
des Hubventils 1 zunächst
eine erste Quasi-Endlage des Ankers 4d entsprechend dem Ventilspiel
(d.h. abermals die Position z = z2) angefahren
werden und anschließend
daran eine zweite Endlage, die der mechanischen Endlage des Ankers 4d an
der Öffner-Spule 4b entspricht
(nämlich
z = z0), so daß der Anker 4d aufgrund
bzw. nach Überwindung
des Ventilspieles in der Position z2 möglichst sanft
auf den Schaft des Hubventiles 1 auftrifft.
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Statt
der mechanischen Endlagen des Ankers 4d an den Elektromagnetspulen 4a, 4b können im übrigen generell
fiktive oder sog. Quasi-Endlagen des Ankers 4d (zwischen
z0 und z1 liegend)
angefahren werden, d.h. es sind hier figürlich nicht dargestellte Solltrajektorien
vorgesehen, die das Hubventil 1 bspw. in dessen Endpositionen
bewegen und dabei den Anker 4d von der jeweiligen Elektromagnetspule 4a oder 4b beabstandet
halten. Hierdurch wird somit eine sog. Schwebeposition des Ankers 4d in
einer fiktiven oder Quasi-Endlage eingestellt, in welcher der Anker 4d zumindest
geringfügig
von der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet
bleibt. Somit wird anstelle der mechanischen Endlage des Ankers 4d beim Öffnen und/oder
beim Schließen
des Hubventiles 1 eine fiktive Endlage vor der jeweiligen
Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b angefahren, und
der Anker in dieser Zwischenposition durch den eingangs genannten,
die entsprechende Solltrajektorie verarbeitenden Regler in der Schwebe
gehalten. Da dann kein Auf treffen des Ankers 4d auf der
jeweiligen Spule 4a bzw. 4b stattfindet, wird
hierdurch die Geräuschentwicklung
im Ventiltrieb erheblich reduziert.
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Wie
bereits eingangs erläutert,
werden diese verschiedenen Solltrajektorien 20, 20a, 20b, 20c,
.... in einem elektronischen Regler verarbeitet, der eine dementsprechende
Beaufschlagung der jeweiligen Elektromagnetspule 4a und/oder 4b mit
einem geeigneten Spannungs-Taktverhältnis veranlaßt. Um eine hohe
Robustheit dieses Reglers zu gewährleisten, werden
sämtliche
vorgesehenen Solltrajektorien 20, als eine Menge von Betriebszuständen definiert,
in denen das geregelte System, nämlich
der elektromagnetische Ventiltrieb für das Gaswechsel-Hubventil 1,
das gewünschte
Verhalten aufweist. Nun muß dafür gesorgt
werden, daß dieses
betrachtete System entsprechend der jeweils gewünschten Solltrajektorie in
den gewünschten
Betriebszustand gebracht wird und diesen bis zum Abschluß des jeweiligen
Bewegungsablaufes auch nicht mehr verläßt. Dies kann unter geeigneten
Voraussetzungen durch ein unstetiges Stellsignal analog zu einem
Zweipunktregler erreicht werden. Unter gewissen Voraussetzungen können die
gewünschten
Betriebszustände
unabhängig
von Abweichungen oder Störungen
gewählt werden,
so daß das
geregelte System weitgehend unabhängig von Abweichungen und Störungen ist.
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Abschließend seien
die signifikanten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, resultierend aus
der Verwendung eines auf verschiedene Solltrajektorien 20, 20a, 20b, 20c,
.... zurückgreifenden Reglers
zusammengestellt:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht bereits
prinzipiell die Darstellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten
des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b.
Wenn jedoch der Anker 4d überhaupt nicht mehr auf den
jeweiligen Spulen 4a, 4b aufsetzt, verschwindet
das damit verbundene Aufsetzgeräusch
vollständig.
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Weiterhin
werden die durch das Aufsetzen ansonsten verursachten Verschleißerscheinungen weitgehend
eliminiert.
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Innerhalb
gewisser Grenzen, die u.a. auch durch die Rückstellfedern 2a, 2b und
durch die magnetische Auslegung insgesamt bestimmt werden, kann
der Hub des Aktuators 4 und somit auch des Hubventiles 1 beliebig
eingestellt und für
jeden einzelnen Öffnungs-
und Schließvorgang
verändert
werden.
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Schließlich kann
auf den ansonsten bei einem mechanischen Brennkraftmaschinen-Hubventiltrieb
erforderlichen hydraulischen Ventilspielausgleich verzichtet und
das (vorhandene, da stets erforderliche) Ventilspiel elektromagnetisch
ausgeglichen werden. Dabei sind selbstverständlich eine Vielzahl von Abweichungen
und Ergänzungen
vom bzw. zum beschriebenen Ausführungsbeispiel
möglich,
ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.
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- 1
- Hubventil
- 2a
- Ventilschließfeder =
(erste) Rückstellfeder
- 2b
- Ventilöffnungsfeder
= (zweite) Rückstellfeder
- 4
- Aktuator
- 4a
- Elektromagnet-Spule
= Schließer-Spule
- 4b
- Elektromagnet-Spule
= Öffner-Spule
- 4c
- Stößelstange
- 4d
- Anker
- 20
- Solltrajektorie,
figürlich
vereinfacht dargestellt als Funktion z(t)
- 20a
- Solltrajektorie
für 4d,
die 1 in die Schließposition
bewegt
- 20b
- Solltrajektorie
für 4d,
die an 1 nur geringen Hub erzeugt
- 20c
- Solltrajektorie
für 4d,
die das Ventilspiel berücksichtigt
- 30
- Ventilsitz
(von 1)
- U
- elektrische
Spannung an 4a, 4b
- t
- Zeit
- z
- Position
des Ankers 4d = Wegkoordinate der Anker-Position