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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ventilspiels
bei einem nockenwellenunabhängig
betätigten
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen,
deren Gaswechselventile nockenwellenunabhängig betätigt werden, sind bekannt.
Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten
Gaswechselventilen werden diese Gaswechselventile zum Öffnen und
Schließen
in Abhängigkeit von
der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert; eine feste mechanische
Kopplung mit der Kurbelwelle liegt nicht vor. Beispielsweise sind
elektromechanische Stellgeräte
für Gaswechselventile
aus
DE 297 12 502
U1 oder
EP
0 724 067 A1 bekannt. Sie weisen eine zwischen einer geschlossenen
und einer offenen Stellung liegende Ruhestellung auf, aus der sie mittels
Elektromagneten ausgelenkt werden können.
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Um
ein Gaswechselventil zu öffnen
oder zu schließen,
wird die Spule des jeweiligen Elektromagneten bestromt, wobei der
erforderliche Strom in einer Fangphase größer ist als in einer Haltephase,
in der das Gaswechselventil in einer Endstellung gehalten wird.
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Während bei
herkömmlichem,
nockenwellenbetätigtem
Ventiltrieb eine Vorgabe der Steuerzeiten im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine nicht
anfällt,
müssen
bei elektromechanisch betätigten
Gaswechselventilen entsprechende Steuerzeiten berechnet und vorgegeben
werden.
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Wird
der entsprechende Elektromagnet einfach mit Strom beaufschlagt,
so trifft der Ventilteller mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz,
was lärmerzeugend
und verschleißfördernd ist.
Um dies zu vermeiden wird die Bestromung geeignet geregelt.
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Bei
einer solchen Auftreffregelung muß das Ventilspiel berücksichtigt
werden. Es ist deshalb erforderlich, das Ventilspiel zu bestimmen,
das zwischen einem das Gaswechselventil betätigenden Stellgerät und dem
Gaswechselventil vorhanden ist.
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Aus
der
DE 195 29 155
A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ventilspiels bekannt,
bei dem die Bewegung eines Ankers innerhalb des Ventilspiels in
Abhängigkeit
vom Verlauf der Spannung oder des Stroms an einem Schließmagneten
erfaßt und
aus der durch das Auftreffen des Ankers bewirkten Unregelmäßigkeit
das Ventilspiel abgeleitet wird.
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Aus
der
DE 195 31 437
A1 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Ventilspiels
bekannt, bei dem nach Abschalten des Haltestroms, mit dem zum Abschalten
des Ankers in einer Endstellung ein Elektromagnet bestromt wird,
die Flugzeit bis zum Auftreffen des Ankers am Elektromagneten der
neuen Endstellung gemessen wird und aus einer Differenz zur aufgrund
mechanischer Gegebenheiten, insbesondere Masse von Anker und Ventilkörper sowie
Kraft der Rückstellfedern,
zu erwartenden Flugzeit die Größe des Ventilspiels
ermittelt wird.
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Die
prioritätsältere nachveröffentlichte
DE 198 34 545 A1 betrifft
ein Verfahren zur Messung des Ventilspiels, wobei die Messung in
der Zeitspanne durchgeführt
wird, in der sich bei geschlossenem Gaswechselventil der Kolben
des zugehörigen Brennkraftmaschinenzylinders
nahe seinem oberen Totpunkt befindet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Bestimmung des Ventilspiels anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird das
Ventilspiel in demjenigen oberen Totpunkt des Zylinders bestimmt, an
dem ein Gemisch zündet (Zünd-OT).
Zu diesem Zeitpunkt sind die Gaswechselventile des Zylinders unabhängig von
der Betätigung
der Gaswechselventile aufgrund des hohen Drucks im Zylinder geschlossen
und bleiben dies auch, wenn man das Stellgerät nicht weiter ansteuert.
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Damit
das Steuergerät,
das das Gaswechselventil betätigende
Stellgerät
ansteuert, die oberen Totpunkte, an denen ein Gemisch zündet, kennt,
wird das Schaltsignal, das das Öffnen
oder Schließen
des entsprechenden Gasventils anweist, und ein Kurbelwellenstellungssignal
geeignet ausgewertet.
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Aus
dem Kurbelwellenstellungssignal oder dem Schaltsignal werden nun
die Zeitpunkte der oberen Totpunkte des Zylinders ermittelt. Diejenigen oberen
Totpunkte, an denen ein Gemisch zündet, werden aus dem jeweils
anderen Signal abgeleitet, so daß dann die Zeitpunkte bekannt
sind, zu denen das Ventilspiel als Spiel zwischen Stellgerät und Gaswechselventil
ermittelt werden kann.
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Wichtig
ist dabei, daß eines
der Signale (Schaltsignal oder Kurbelwellenstellungssignal) zeitexakt
die oberen Totpunkte angibt. Das andere Signal muß lediglich
die Erkennung der Zünd-OT
erlauben.
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Vorteilhafterweise
wird dazu das Stellgerät aus
einer dem oberen Totpunkt zugeordneten Endstellung freigegeben,
so daß das
Spiel zwischen Stellgerät
und Gaswechselventil erfaßt
werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird weiter ein Hubsignal erzeugt, das den Hub des Stellgliedes
anzeigt. Aus dem Wert dieses Hubsignals kann man bei Freigabe des
Stellgerätes
das Ventilspiel ablesen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gaswechselventil
elektromagnetisch betätigt,
und es ist mindestens ein Aufsetzregler vorgesehen, der das Gaswechselventil
in Abhängigkeit des
Schaltsignales ansteuert, sowie ein Kommunikationsrechner, der aus
dem Kurbelwellenstellungssignal die Schaltsignale für mehrere
Aufsetzregler erzeugt. Der Aufsetzregler bewirkt ein sanftes, geräuscharmes
Aufsetzen des Gaswechselventils in den Endstellungen und bestimmt
dazu das Ventilspiel.
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In
einer weiter bevorzugten Fortbildung dieser Ausführungsform kommunizieren Kommunikationsrechner
und Aufsetzregler über
einen SPI-BUS. Dabei findet die SPI-Kommunikation zu festgelegten Zeitpunkten
statt. Diese SPI-Kommunikation findet für ein gegebenes Gaswechselventil
nur einmal pro Arbeitsspiel (720° Kurbelwellenwinkel
bei einer 4-Zylinderbrennkraftmaschine)
statt. Somit kann der Aufsetzregler aus dieser das Schaltsignal
dargestellten SPI-Kommunikation
zusammen mit dem Kurbelwellenstellungssignal oder einem vom Kommunikationsrechner
erzeugten Ersatzsignal die oberen Totpunkte, zu denen ein Gemisch
zündet,
zeitgenau und eindeutig bestimmen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Schaltung mit elektromechanisch betätigten Gaswechselventilen
für eine
4-Zylinderbrennkraftmaschine,
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2 eine
Zeitreihe mit einem die oberen Totpunkte anzeigenden Signal und
einem Schaltsignal und
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3 eine
Zeitreihe eines Kurbelwellenstellungssignals, der Zeitpunkte einer
SPI-BUS-Kommunikation sowie der möglichen Zeitpunkte der Öffnung von
Einlaß-
und Auslaßventilen
eines Zylinders einer 4-Zylinderbrennkraftmaschine.
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Die
Schaltung der
1 dient zur Ansteuerung elektromechanisch
angetriebener Gaswechselventile
5a,
5b,
6a,
6b.
Ein solches elektromechanisch angetriebenes Gaswechselventil ist
beispielsweise in dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 97 12 502 U1 beschrieben.
Für das
Verständnis
dieser Erfindung ist dabei nur wesentlich, daß das Gaswechselventil durch
die Bestromung zweier Spulen betätigt
wird, wobei eine Spule für
das Schließen,
die andere für das Öffnen des
Gaswechselventils verantwortlich ist. Um das Gaswechselventil in
der offenen oder der geschlossenen Stellung zu halten, wird die
jeweilige Spule mit einem Haltestrom bestromt. Um das Gaswechselventil
in die offene oder geschlossene Stellung zu bringen, wird die jeweils
erforderliche Spule mit Strom beaufschlagt, wobei in einer Fangphase der
Strom größer ist
als in der nachfolgenden Haltephase.
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In 1 ist
schematisch die Schaltung für eine
4-Zylinderbrennkraftmaschine
dargestellt, jedoch ist diese Zylinderzahl nur beispielhaft zu verstehen.
Ein Zylinder hat in diesem Beispiel zwei Einlaßventile 5a, 5b sowie
zwei Auslaßventile 6a, 6b.
Für die
Einlaß-
bzw. die Auslaßventile 5a, 5b bzw. 6a, 6b ist
jeweils ein eigener Aufsetzregler 2 bzw. 3 vorgesehen.
Der Aufsetzregler 2, 3 steuert Endstufen an, die
die Bestromung der jeweiligen Spulen des Gaswechselventils 5a, 5b, 6a, 6b bewerkstelligen.
Dabei ist beispielsweise für
jede Spule eine eigene Endstufe vorgesehen.
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Der
Aufsetzregler 2, 3 steuert die Endstufen eines
Gaswechselventils 5, 6 abhängig von Zeitvorgaben eines
Kommunikationsrechners 1 an, der später noch beschrieben werden
wird. Beispielsweise kann dem Aufsetzregler 2,3 ein
Zeitsteuersignal VS zugeführt
werden. Für
die Einlaß-
und die Auslaßventile
jedes Zylinders gibt es ein eigenes Zeitsteuersignal VS. Bei einer
Brennkraftmaschine mit mehr als zwei Gaswechselventilen pro Zylinder
kann auch für jedes
Gaswechselventil ein eigenes Zeitsteuersignal VS vorgesehen werden.
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Das
Zeitsteuersignal VS ist beispielsweise ein Rechtecksignal, bei dem
die fallende Flanke das Öffnen
und die steigende Flanke das Schließen des zugehörigen Gaswechselventils
anzeigt; es ist in
2 dargestellt. Der Aufsetzregler
2,
3 hat
einen digitalen Prozessor, der die Bestromung der Spulen durch die
Endstufen so regelt, daß das
Gaswechselventil
5a,
5b,
6a,
6b in
der gewünschten
Endstellung sanft aufsetzt. Üblicherweise
wird, um das Gaswechselventil aus einer Endstellung in die andere
zu bringen, die Bestromung der Spule für die zu verlassende Endstellung
abgeschaltet und die Bestromung der Spule des Elektromagneten für die neu
einzunehmende Endstellung eingeschaltet. Der Strom wird vom Prozessor
des Aufsetzreglers
2,
3 so geregelt, daß das Gaswechselventil
sanft in der neuen Endstellung aufsetzt. Für diese Regelung jedes Gaswechselventils
verwendet der Aufsetzregler
2,
3 ein Hubsignal,
das Auskunft über
die Stellung des jeweiligen Gaswechselventils
5a,
5b,
6a,
6b gibt.
Zur Erzeugung des Hubsignals ist jeder elektromechanische Antrieb
der Gaswechselventile
5a,
5b,
6a,
6b mit
einem geeigneten Positionssensor versehen, wie er beispielsweise
in der deutschen Anmeldung
DE
97 53 275 A1 der der
DE 195 18 056 A1 beschrieben ist. Als Führungs-
und Regelgröße des Aufsetzreglers kann
alternativ anstatt des Hubsignals auch jede beliebige andere Größe verwendet
werden.
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Die
Regelung des Spulenstroms zum Fangen des Gaswechselventils
5a,
5b,
6a,
6b ist
beispielsweise in der
DE
195 26 683 A1 prinzipiell beschrieben. Der Aufsetzregler
mißt dazu
den IST-Strom durch die Spule und gibt den SOLL-Wert an die Endstufe
aus. Statt des Stromes kann jedoch auch eine andere Größe verwendet
werden, die die Betätigung
des Stellgerätes
ausdrückt,
z.B. die Treiberspannung der Endstufe.
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Der
Kommunikationsrechner 1 ist an einen CAN-BUS 8 angeschlossen
und führt
darüber
die Kommunikation mit einem Betriebssteuergerät 9 der Brennkraftmaschine
durch. Eine solche BUS-Verbindung ist beispielsweise in W. Lawrenz,
CAN-Controller Area
Network, Hüthig
Verlag, 1994, ISBN 3-7785-2263-7
beschrieben. Weiter erhält
der Kommunikationsrechner 1 das Kurbelwellenstellungssignal
und berechnet daraus zusammen mit den Anforderungen des Betriebssteuergerätes 9 die
Zeitsteuersignale VS für
die Aufsetzregler 2, 3 und gibt sie über die
unidirektionalen Kommunikationsleitungen 4 an die Aufsetzregler 2, 3 aus.
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In
einer alternativen Ausführungsform
erhält jeder
Aufsetzregler 2, 3 die Zeitvorgaben zum Schalten
der Gaswechselventile nicht über
ein Zeitsteuersignal VS, sondern über einen seriellen SPI-BUS
7 vom Kommunikationsrechner 1. Dazu erhält jeder Aufsetzregler 2, 3 zusätzlich noch
ein allgemeines Kurbelwellenstellungssignal CRK, aus dem der Aufsetzregler 2, 3 die
Stellung der Kurbelwelle ableiten kann. Ein separates Zeitsteuersignal
für jeden
Aufsetzregler 2, 3 ist damit unnötig. Über den
SPI-BUS 7 muß der
Kommunikationsrechner 1 den Aufsetzreglern 2, 3 dann
nur noch mitteilen, zu welcher Kurbelwellenstellung ein Gaswechselventil
geöffnet
bzw. geschlossen werden muß.
Die Kommunikation über den
SPI-BUS 7 muß nur
eine gewisse Mindestzeit vor dem zu erfolgenden Ven tilschaltvorgang
erfolgen. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß Kommunikationsrechner 1 und
Aufsetzregler 2, 3 Zustandsinformationen bzw.
Fehlerinformationen über
den SPI-BUS austauschen können.
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Damit
der Aufsetzregler 2, 3 nun in der Lage ist, das
Gaswechselventil sanft in der jeweiligen Endstellung aufzusetzen,
muß er
Kenntnis vom Ventilspiel zwischen Stellgerät und Gaswechselventil haben.
Dies kann auf dreierlei Weise geschehen:
- 1.
Erfolgt die Zeitvorgabe an den Aufsetzregler 2, 3 vom
Kommunikationsrechner 1 mittels eines Zeitsteuersignals
VS, wird der obere Totpunkt, zu dem ein Gemisch zündet (im
folgenden als Zünd-OT
bezeichnet) wie folgt bestimmt: Der Kommunikationsrechner 1 liest
das Signal eines Zahnradsensors, der ein an der Kurbelwelle befestigtes
Rad abtastet, aus. Daraus erzeugt er das Kurbelwellenstellungssignal
CRK, das beispielhaft in 2 dargestellt ist und dem Aufsetzregler 2, 3 zeitgenau
die Zeitpunkte der oberen Totpunkte des Zylinders angibt, dessen
Gaswechselventile 5, 6 er steuert. Diese sind
im Signal CRK durch die steigenden Flanken dargestellt. Fallende
Flanken bezeichnen einen unteren Totpunkt. Bei der hier dargestellten
4-Zylinderbrennkraftmaschine liegt
zwischen oberem und unterem Totpunkt ein Kurbelwellenwinkel von
180°. Ein
komplettes Arbeitsspiel umfaßt
720° Kurbelwellenwinkel,
d.h. in einem kompletten Arbeitsspiel treten zwei obere Totpunkte
auf, wie an den steigenden Flanken des Signals CRK in 2 zu
sehen ist. Um nun eindeutig feststellen zu können, welche dieser steigenden
Flanken einem Zünd-OT
zugeordnet ist, wertet der Aufsetzregler 2, 3 zusätzlich das
Zeitsteuersignal VS aus. Da im Zünd-OT
alle Gaswechselventile geschlossen sein müssen, kann es sich bei den
zwei innerhalb von 720° Kurbelwellenwinkel
auftretenden steigenden Flanken des Signals CRK nur bei derjenigen
um einen Zünd-OT
handeln, bei der das Signal VS einen Hochpegel hat, der im dargestellten
Beispiel für ein
geschlossenes Gaswechselventil steht. Somit kann der Aufsetzregler 2, 3 den
Zeitpunkt Z-OT des Zünd-OT
eindeutig bestimmen.
- 2. Erfolgt die Zeitvorgabe an den Aufsetzregler 2, 3 vom
Kommunikationsrechner 1 mittels SPI-BUS-Kommunikation,
wird der Zünd-OT
wie folgt bestimmt: Der Aufsetzregler 2, 3 erhält wie bei
vorheriger Ausführungsform
das Kurbelwellenstellungssignal CRK. Daraus ermittelt der Aufsetzregler 2, 3 wieder
die Zeitpunkte der oberen Totpunkte des Zylinders, dessen Gaswechselventile 5, 6 er
steuert. Um nun eindeutig feststellen zu können, welcher obere Totpunkt
vorliegt, wertet der Aufsetzregler 2, 3 zusätzlich die
Zeitpunkte einer SPI-BUS-Kommunikation
aus.
In 3 ist dazu zur Erläuterung
eine Zeitreihe des Zahnradsignals und des jeweils zugeordneten Zahnes
des abgetasteten Rades dargestellt. Das Zahnradsignal ist in Zeile 10 eingetragen,
der zugeordnete Zahn in Zeile 11. Die oberen Totpunkte
sind dabei genau einem durchlaufenden Zahn des Kurbelwellensignals
zugeordnet, z.B. in der 3 ist dies der Zahn 20.
Läuft nun
der Zahn 20 durch, handelt es sich entweder um einen Zünd-OT (Z-OT in 3)
oder einen oberen Totpunkt mit Lastwechsel (W-OT in 3).
In Zeile 12 ist verzeichnet, welchem Zahn ein oberer Totpunkt
(Z-OT oder W-OT) bzw. unterer Totpunkt (UT) zugeordnet ist. In Zeile 13 ist
das Zeitfenster INV_OPEN eingetragen, in dem das Einlaßventil geöffnet werden
kann. In Zeile 14 ist das Zeitfenster EXV_CLOSE eingetragen,
in dem das Einlaßventil
geschlossen werden kann.
In Zeile 15 ist das Zeitfenster
INV_CLOSE eingetragen, in dem das Einlaßventil geschlossen werden
kann. In Zeile 16 ist schließlich das Zeitfenster EXV_OPEN
eingetragen, in dem das Einlaßventil
geöffnet
werden kann. Die Darstellung der 3 umfaßt ein Arbeitsspiel
der Brennkraftmaschine, bei der es sich in diesem Beispiel um eine 4-Zylinderbrennkraftmaschine
handelt, wobei lediglich die entsprechenden Zeitfenster für einen Zylinder
A dargestellt sind.
In 3 ist zu
sehen, daß die
SPI-BUS-Kommunikation für
das Einlaßventil
dem möglichen
Zeitfenster INV_CLOSE, in dem das Einlaßventil geschlossen werden
kann, um eine gewissen Zeitdauer voreilt. Sie erfolgt im Zeitfenster
SPI_INV zwischen dem Durchlauf der Zähne 45 und 53. Ebenso
eilt der Zeitpunkt der SPI-BUS-Kommunikation
zur Ansteuerung des Auslaßventils
dem Zeitfenster EXV_OPEN, in dem das Einlaßventil geöffnet werden kann, um ein gewisses
Maß voraus.
Diese SPI-BUS-Kommunikation
findet im Zeitfenster SPI_EXV zwischen Durchlauf des Zahnes 59 und
des Zahnes 7 statt.
Aus dem Zeitpunkt der SPI-BUS-Kommunikation, beispielsweise
für das
Einlaßventil,
kann der Aufsetzregler 2, 3 eindeutig ermittelt,
welche der steigenden Flanken des Kurbelwellenstellungsignals CRK
einem Zünd-OT
zugeordnet ist. Aus 3 ergibt sich beispielsweise,
daß der
zweite obere Totpunkt, der auf eine das Einlaßventil betreffende SPI-BUS-Kommunikation
folgt, ein Zünd-OT ist.
Somit kann der Aufsetzregler 2, 3 den Zeitpunkt
Z-OT des Zünd-OT eindeutig
bestimmen.
- 3. Alternativ kann jedem Aufsetzregler 2, 3 das Zahnradsignal
direkt zugeführt
werden. Aus diesem können
dann zeitexakt die oberen Totpunkte bestimmt werden. Das Zeitsteuersignal
VS oder die Zeitpunkte der SPI-BUS-Kommunikation ermöglicht dann die Erkennung der
Zünd-OT.
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Zum
Zeitpunkt Z-OT stellt der Aufsetzregler 2, 3 nun
die Bestromung der jeweiligen Spule oder Spulen ein. Das Gaswechselventil 5a, 5b, 6a, 6b bleibt
dabei dennoch geschlossen, da im Zünd-OT der Druck im Zylinder
sehr groß ist.
Aus dem Hubsignal des Stellgerätes
des Gaswechselventils 5a, 5b, 6a, 6b kann
der Aufsetzregler 2, 3 nun das Ventilspiel ablesen.
Der so ermittelte Wert für
das Ventilspiel wird dann bei der zukünftigen Aufsetzregelung berücksichtigt:
Optional kann ein einmal ermittelter Wert durch weitere Überprüfungen adaptiv
fortgeschrieben und beispielsweise bei Überschreitung eines gewissen
Grenzwertes ein Fehlersignal an den Kommunikationsrechner 1 gesendet
werden.
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Vorteilhafterweise
sind für
die Einlaßventile 5a, 5b und
die Auslaßventile 6a, 6b jedes
Zylinders eigenständige
Aufsetzregler 2, 3 vorgesehen, es ist aber auch
eine andere Aufteilung möglich,
insbesondere kann ein einziger Aufsetzregler den Anforderungen genügen. Weiter
kann zusätzlich
zu einem Kommunikationsrechner 1 noch mindestens ein weiterer Kommunikationsrechner
vorgesehen werden, beispielsweise kann für alle Einlaßventile 5 sowie
alle Auslaßventile 6 der
Brennkraftmaschine ein eigener Kommunikationsrechner vorgesehen
werden. Durch diesen Aufbau erhält
man eine gewisse Redundanz, da bei Ausfall eines der Kommunikationsrechner
der andere die Aufgaben des ausgefallenen übernehmen kann.
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Die
Erfindung wurde anhand elektromagnetisch betätigter Gaswechselventile erläutert. Sie
ist jedoch nicht auf eine solche Gaswechselventilbetätigung eingeschränkt, sondern
kann auch bei beliebig anderen nockenwellenunabhängigen Betätigungsprinzipien Anwendung
finden, so beispielsweise bei hydraulisch betätigten Gaswechselventilen.