EP1812692B1 - Vorrichtung zur regelung des hubverlaufes eines gaswechselventils einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur regelung des hubverlaufes eines gaswechselventils einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP1812692B1
EP1812692B1 EP05801994A EP05801994A EP1812692B1 EP 1812692 B1 EP1812692 B1 EP 1812692B1 EP 05801994 A EP05801994 A EP 05801994A EP 05801994 A EP05801994 A EP 05801994A EP 1812692 B1 EP1812692 B1 EP 1812692B1
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EP
European Patent Office
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gas exchange
valve
exchange valve
energy storage
drive
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05801994A
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English (en)
French (fr)
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EP1812692A1 (de
Inventor
Rudolf Dr. SEETHALER
Christian Beierlieb
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Publication of EP1812692A1 publication Critical patent/EP1812692A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08—Shape of cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/22—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by rotary motors

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for controlling the Hubverlaufes a gas exchange valve of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
  • the camshaft is mechanically driven via a timing chain or timing belt from the crankshaft.
  • a so-called electromagnetic valve train In the case of a fully variable valve train, an "actuator unit" is assigned to each valve or "valve group" of a cylinder.
  • actuator units In a basic type (so-called stroke actuators), a valve or a valve group is associated with an opening and a closing magnet. By energizing the magnets, the valves can be moved axially, ie opened or closed.
  • a control shaft is provided with a cam, wherein the control shaft is pivotable by an electric motor back and forth.
  • a Drehaktuatorvorraum for stroke control of a gas exchange valve is described.
  • the stroke control takes place here via a map-controlled electric motor, to whose rotor a shaft is arranged with a rotatably connected control cam.
  • the motor oscillates or reciprocates and the control cam periodically presses the gas exchange valve into its open position via a pivoting lever.
  • the gas exchange valve is closed by the spring force of a valve spring.
  • an additional spring is attached to the shaft.
  • the forces of valve spring and additional spring are such that during periodic operation of the rotary actuator device according to the position of the gas exchange valve, the kinetic energy is stored either in the valve spring or in the additional spring.
  • the existing Drehaktuatorvorides is here by a second actuator (second control cam) in the opposite direction of rotation with a lower stroke relative to the main cam extended.
  • This second actuator does not fully open the valve and is used only for small strokes in the range of low engine speeds.
  • the Drehaktuatorvortechnisch is energized so that the shaft pivots only in the direction of the second actuating element, while at high speeds is pivoted exclusively in the direction of the first actuating element. Due to the small stroke, the rotary actuator device advantageously consumes less power at low speeds.
  • the object of the invention is to provide a device for controlling the Hubverlaufes a gas exchange valve, which ensures an improvement in the electrical energy consumption of an actuator.
  • the inventive device for controlling the Hubverlaufes a gas exchange valve comprises a control device (so-called setpoint controller), which drives a drive device (eg the electric motor of a rotary actuator or the electromagnets of an electromagnetic Hubaktuators or the drive means of a Schwenkaktuators) according to a stored desired trajectory, wherein the desired trajectory is such that the ideal swing-out behavior of the energy storage drive element energy storage system (spring-mass-spring system) of the actuator device (in addition to be driven valve unit with gas exchange valve and closing spring) is represented by them.
  • a control device eg the electric motor of a rotary actuator or the electromagnets of an electromagnetic Hubaktuators or the drive means of a Schwenkaktuators
  • this device in a Drehaktuatorvortechnische according to the DE 101 40 461 A1 Find use and reduce the energy requirements of the electric motor used here by the rotational profile of the rotor of the drive motor is controlled in accordance with the determined ideal nominal path of the vibration system of the rotary actuator. Due to this regulation then sets in Control behavior in which the electric motor only out of the ideal (calculated) vibration system deviating environmental influences such as friction and gas backpressure by feeding additional drive energy.
  • An ideal swing-out behavior in the sense of the invention is characterized in that a vibration behavior free of friction losses and environmental influences such as gas and gas back pressures is present. Ideally, an ideal vibration behavior corresponds to the calculated vibration curve of the system free of any kind of losses.
  • the invention is a spring-mass-spring system (according to the DE 101 40 461 A1 ) with a valve return spring or opening spring (spring 1), a valve return spring counteracting opening spring (spring 2) and moving in this system between the springs mass (for example: rocker arm, drive cam together with the drive shaft and rotor of the driving electric motor, mass shares of the drive cam in the opening direction acting opening spring and gas exchange valve in addition to mass fractions of the moving closing spring).
  • spring 1 valve return spring or opening spring
  • spring 2 valve return spring counteracting opening spring
  • moving in this system between the springs mass for example: rocker arm, drive cam together with the drive shaft and rotor of the driving electric motor, mass shares of the drive cam in the opening direction acting opening spring and gas exchange valve in addition to mass fractions of the moving closing spring.
  • the device comprises a Drehaktuatorvorraum according to the not previously published DE 103 58 936 ,
  • the DE 103 58 936 in particular with regard to the construction of a rotary actuator (but in particular with regard to the arrangement and design of the opening spring as a torsion bar) with its entire contents included in the disclosure of this application.
  • the rotary actuator with a driven by an electric motor actuator in the form of a so-called double cam according to the DE 102 52 991 A1 educated. Regarding the particular embodiment of such two control tracks having double cam is at this point the content of the DE 102 52 991 A1 included in the disclosure of this application.
  • a plurality of so-called ideal set paths are deposited, each set path describing a different valve lift.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a Drehaktuatorvortechnische for driving a gas exchange valve 2 of an internal combustion engine, not shown.
  • the essential components of this device are, in particular designed as a servomotor electric motor 4 (drive means), a driven by this, preferably two cams 6a, 6b different strokes camshaft 6 (actuator), one with the camshaft 6 on the one hand and with the gas exchange valve 2 on the other operatively connected rocker arm 8 (transmission element) for transmitting movement of the predetermined by the cam 6a, 6b lifting height to the gas exchange valve 2 and one, the gas exchange valve 2 in the closing direction with a spring force acting and designed as a closing spring first energy storage means 10 and, via the camshaft 6 and the drag lever 8, the gas exchange valve 2 acted upon by an opening force and designed as an opening spring second energy storage means 12.
  • a servomotor electric motor 4 drive means
  • actuator driven by this, preferably two cams 6a, 6b different strokes camshaft 6 (actuator
  • the electric motor 4 In order to ensure a low-energy operation of the electric motor 4, which drives the existing gas exchange valve 2 via the camshaft 6, in addition to the optimal design of the counteracting springs (closing spring 10, opening spring 12) and the ideal positioning of rotation and articulation points in the geometry the device itself, the electric motor 4 via a control device 20 according to a desired path SB1, SB2, SB3, which maps the ideal swing-out behavior of the spring-mass-spring system regulated. In particular, this regulation is effected by controlling the rotor profile of the electric motor 4 which drives the at least one actuating element 6, 6a, 6b.
  • the ideal path profile of the rotor which resonates as part of the vibration system, becomes analogous to the ideal vibration curve of the overall system to monitor the actual position of the rotor, an unillustrated displacement sensor is present, which transmits a sensor signal S to the control device 20 or another control device.
  • the electric motor 4 is controlled by the control device 20 such that the at least one gas exchange valve 2 from a first Ventilendlage E1, which corresponds for example to the closed valve position, in a second Ventilendlage E2, E2 ', for example, a partial (E2': Operahub) or maximum opened (E2: full stroke) valve position corresponds, is transferred and vice versa.
  • the system is ideally designed so that the actuator 6, 6a, 6b in the absence of environmental influences (in particular friction and gas back pressure) the way between two end positions R1 - R2 or R1 '- R2' without feeding additional energy, ie without active drive through the Drive device 4, travels and thus engages supportive only in the environmental conditions occurring in practice.
  • the system according to the invention is preferably designed such that in the maximum end positions R1, R2 of the rotor (oscillation end positions at maximum oscillation stroke) each are in a torque-neutral position, in which the forces occurring are in an equilibrium of forces and in which the rotor without application of a additional holding force is held.
  • the rotor thus oscillates from one end position E1, E1 'to the other end position E2, E2' alone due to the forces stored in the energy storage means 10, 12 without feeding an additional energy, such as by the electric motor 4.
  • the ideal decay behavior would be thus that of a perpetuum mobile (infinite constant vibration).
  • the FIG. 2 shows a time chart with nominal paths of the rotor angle of the drive motor of a rotary actuator over time, by means of which a control of the stroke of gas exchange valves according to the invention takes place. Due to the nominal paths, the ideal decay behavior (stroke progression) of a rotary actuator device is determined according to FIG FIG. 1 displayed. Shown are three different nominal paths SB1, SB2, and SB3, wherein the first nominal path SB1 the maximum stroke (rotor oscillates between R1 and R2 back and forth, valve position between E1 and E2 adjusts) of the gas exchange valve represents Tö1 at a given control time with a first valve opening time.
  • the nominal paths SB2 and SB3 each describe partial strokes (rotor oscillates between R1 'and R2' back and forth, valve position between E1 and E2 'adjusts) with shortened valve opening times Tö2 and Tö3.
  • VH_max represents the maximum valve lift
  • VH_teil a possible partial lift that has been set, for example, on the basis of one of the setpoint paths SB2 or SB3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle mechanisch über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bringt es erhebliche Vorteile, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen sogenannten vollvariablen (veränderbare Steuerzeiten und veränderbarer Ventilhub), beispielsweise einen sogenannten elektromagnetischen Ventiltrieb möglich. Bei einem vollvariablen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht.
    Bei einem Grundtyp (sogenannte Hubaktuatoren) sind einem Ventil oder einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden.
  • Aus der DE 103 18 245 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Ventiltriebs (eines Hubaktuators) bekannt, bei dem zur energiesparenden Bewegungssteuerung eine Dreipunktregelung durchgeführt wird.
  • Bei dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin und her schwenkbar ist.
    In der DE 101 40 641 A1 ist eine Drehaktuatorvorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils beschrieben. Die Hubsteuerung erfolgt hier über einen kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit einem drehfest verbundenen Steuernocken angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Motor hin und her und der Steuernocken drückt über einen Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung. Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft der Ventilfeder beim Öffnen des Gaswechselventils überwinden muss, ist an die Welle eine zusätzliche Feder angebracht. Die Kräfte von Ventilfeder und zusätzlicher Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie entweder in der Ventilfeder oder in der zusätzlichen Feder gespeichert ist. Durch diese Maßnahme wird der Strombedarf beim Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung reduziert. Nachteilig bei der beschriebenen Drehaktuatorvorrichtung ist der hohe Strombedarf bei niedrigen Drehzahlen.
  • Eine Weiterbildung einer derartigen Drehaktuatorvorrichtung beschreibt die DE 102 52 991 A1 . Die bestehende Drehaktuatorvorrichtung wird hier durch ein zweites Betätigungselement (zweiter Steuernocken) in gegenläufiger Drehrichtung mit einem geringeren Hub gegenüber dem Hauptnocken erweitert. Dieses zweite Betätigungselement öffnet das Ventil nicht komplett und wird nur für kleine Hübe im Bereich niedriger Motordrehzahlen verwendet. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird die Drehaktuatorvorrichtung derart bestromt, dass die Welle nur in Richtung des zweiten Betätigungselementes schwenkt, während bei hohen Drehzahlen ausschließlich in Richtung des ersten Betätigungselementes geschwenkt wird. Durch den geringen Hub verbraucht die Drehaktuatorvorrichtung bei niedrigen Drehzahlen in vorteilhafter Weise weniger Strom.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils zu schaffen, die eine Verbesserung hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs einer Aktuatorvorrichtung gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils umfasst eine Regeleinrichtung (sogenannter Sollbahnregler), die eine Antriebseinrichtung (z.B. den Elektromotor eines Drehaktuators oder den bzw. die Elektromagneten eines elektromagnetischen Hubaktuators oder die Antriebseinrichtung eines Schwenkaktuators) gemäß einer hinterlegten Sollbahn ansteuert, wobei die Sollbahn dergestalt ist, dass durch sie das ideale Ausschwingverhalten des Energiespeicher-Antriebselement-Energiespeicher-Systems (Feder-Masse-Feder-System) der Aktuatorvorrichtung (nebst anzutreibender Ventileinheit mit Gaswechselventil und Schließfeder) abgebildet wird. Als hinterlegte Sollbahn(en) im Sinne der Erfindung gelten sowohl einmalig in einem Speicher hinterlegte Sollbahnen (Daten) als auch hinterlegte Berechnungsvorschriften anhand derer eine derartige Sollbahn online berechnet werden kann. Mit Vorteil soll diese Vorrichtung bei einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß der DE 101 40 461 A1 Verwendung finden und den Energiebedarf des hier verwendeten Elektromotors reduzieren, indem der Drehverlauf des Rotors des Antriebsmotors gemäß der ermittelten idealen Sollbahn des Schwingungssystems der Drehaktuatorvorrichtung geregelt wird. Aufgrund dieser Regelung stellt sich dann ein Regelungsverhalten ein, bei dem der Elektromotor lediglich vom idealen (berechneten) Schwingungssystem abweichende Umgebungseinflüsse wie Reibung und Gasgegendrücke durch Einspeisung zusätzlicher Antriebsenergie ausregelt.
    Ein ideales Ausschwingverhalten im Sinne der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingungsverhalten frei von Reibungsverlusten und Umgebungseinflüssen wie Gas- und Gasgegendrücken vorhanden ist. Idealerweise entspricht ein ideales Schwingungsverhalten dem berechneten Schwingungsverlauf des Systems frei von jedweder Art von Verlusten. Mit Vorteil handelt es sich bei der Erfindung um ein Feder-Masse-Feder-System (gemäß der DE 101 40 461 A1 ) mit einer Ventil-Rückstellfeder bzw. Öffnungsfeder (Feder 1), einer der Ventilrückstellfeder entgegenwirkenden Öffnungsfeder (Feder 2) und der in diesem System zwischen den Federn bewegten Masse (beispielsweise: Schlepphebel, Antriebsnocken nebst Antriebswelle und Rotor des antreibenden Elektromotors, Masseanteile der auf den Antriebsnocken in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungsfeder sowie Gaswechselventil nebst Masseanteilen der bewegten Schließfeder).
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Drehaktuatorvorrichtung gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 103 58 936 . Die DE 103 58 936 wird insbesondere bezüglich des Aufbaus eines Drehaktuators (insbesondere aber im Hinblick auf die Anordnung und Ausbildung der Öffnungsfeder als Drehstabfeder) mit ihrem gesamten Inhalt in die Offenbarung dieser Anmeldung mit einbezogen.
  • In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Drehaktuator mit einem über einen Elektromotor angetriebenen Betätigungselement in Form eines sogenannten Doppelnockens gemäß der DE 102 52 991 A1 ausgebildet. Bezüglich der besonderen Ausgestaltung eines derartigen zwei Steuerbahnen aufweisenden Doppelnockens wird an dieser Stelle der Inhalt der DE 102 52 991 A1 in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen.
  • Um den Energiebedarf eines Drehaktuators noch weiter zu reduzieren, sind eine Mehrzahl von sogenannten idealen Sollbahnen hinterlegt, wobei jede Sollbahn einen unterschiedlichen Ventilhub beschreibt. In einer Ausführung gemäß Patentanspruch 2 bzw. 3 sind zumindest eine Sollbahn mit einem Maximalhub und eine Sollbahn mit einem im Vergleich hierzu reduzierten Hub als feste Sollbahnen (abgespeicherte Trajektorie oder entsprechende Berechnungsvorschrift) hinterlegt, während in einer Weiterbildung nach Patentanspruch 4 jegliche zwischen diesen zumindest zwei festen Sollbahnen benötigten Kurvenverläufe durch interpolation zwischen den hinterlegten Sollbahnen gebildet werden. Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 5 bis 9 beziehen sich auf die Ausbildung der Aktuatorvorrichtung als Drehaktuator gemäß der DE 101 40 461 A1 und gemäß der DE 103 58 936 .
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    den schematischen mechanischen Aufbau einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 2:
    ein Zeitdiagramm mit Sollbahnen des Rotorwinkels des Antriebsmotors eines Drehaktuators über der Zeit, die das ideale Ausschwingverhalten (Hubverlauf) eines Drehaktuators gemäß Figur 1 abbilden, und
    Figur 3:
    ein Hubdiagramm für ein Einlass- und ein Auslassventil eines vollvariablen Ventiltriebs der anhand einer Regeleinrichtung mit idealer Sollbahn gemäß der Erfindung geregelt wird.
  • Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die wesentlichen Bestandteile dieser Vorrichtung sind ein, insbesondere als Servomotor ausgebildeter Elektromotor 4 (Antriebseinrichtung), eine von diesem angetriebene, vorzugsweise zwei Nocken 6a, 6b unterschiedlichen Hubs aufweisende Nockenwelle 6 (Betätigungselement), ein mit der Nockenwelle 6 einerseits und mit dem Gaswechselventil 2 andererseits in Wirkverbindung stehender Schlepphebel 8 (Übertragungselement) zur Bewegungsübertragung der durch die Nocken 6a, 6b vorgegebenen Hubhöhe auf das Gaswechselventil 2 sowie ein, das Gaswechselventil 2 in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagendes und als Schließfeder ausgebildetes erstes Energiespeichermittel 10 und ein, über die Nockenwelle 6 und den Schlepphebel 8 das Gaswechselventil 2 mit einer Öffnungskraft beaufschlagendes und als Öffnungsfeder ausgebildetes zweites Energiespeichermittel 12. Für die genaue Wirkungsweise und mechanische Ausgestaltung der Drehaktuatorvorrichtung wird auf die DE 102 52 991 A1 verwiesen.
  • Um einen energiearmen Betrieb des Elektromotors 4, der über die Nockenwelle 6 das vorhandene Gaswechselventil 2 antreibt, zu gewährleisten, wird neben der optimalen Auslegung der einander entgegenwirkenden Federn (Schließfeder 10, Öffnungsfeder 12) und der idealen Positionierung von Dreh- und Anlenkpunkten in der Geometrie der Vorrichtung selbst, der Elektromotor 4 über eine Regeleinrichtung 20 gemäß einer Sollbahn SB1, SB2, SB3, die das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems abbildet geregelt. Insbesondere erfolgt diese Regelung durch Regelung des Rotorverlaufes des, das mindestens eine Betätigungselement 6, 6a, 6b antreibenden Elektromotors 4. Der ideale Wegverlauf des Rotors, der als Teil des Schwingungssystems mitschwingt, wird analog zum idealen Schwingungsverlauf des Gesamtsystems rechnerisch ermittelt und bildet die Sollbahn zur Regelung des Elektromotors 4. Zur Überwachung der Istposition des Rotors ist ein nicht dargestellter Wegsensor vorhanden, der ein Sensorsignal S an die Regeleinrichtung 20 oder eine andere Steuereinrichtung übermittelt. Der Elektromotor 4 wird derart durch die Regeleinrichtung 20 angesteuert, dass das zumindest eine Gaswechselventil 2 von einer ersten Ventilendlage E1, die beispielsweise der geschlossenen Ventilposition entspricht, in eine zweite Ventilendlage E2, E2', die beispielsweise einer teilweise (E2': Teilhub) oder maximal geöffneten (E2: Vollhub) Ventilposition entspricht, überführt wird und umgekehrt. Bei der Regelung des Elektromotors 4 wird der Rotor und damit das mit dem Rotor wirkverbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b in seiner Position entsprechend gesteuert, so dass der Rotor bzw. das Betätigungselement 6, 6a, 6b analog zur Schließposition E1 des Gaswechselventils 2 eine Position im Wegebereich des Nockengrundkreises, z.B. im Wegebereich zwischen R1 und R1' einnehmen wird und analog zur zweiten Endlage E2, E2' eine Position im Wegebereich des Nockens 6a, 6b, z.B. im Wegebereich zwischen R2 und R2' einnehmen wird. Das System ist idealerweise so ausgelegt, dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b bei Ausschluss der Umgebungseinflüsse (insbesondere Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen R1 - R2 oder R1' - R2' ohne Einspeisung zusätzlicher Energie, also ohne aktiven Antrieb durch die Antriebseinrichtung 4, zurücklegt und somit nur bei den in der Praxis auftretenden Umgebungseinflüssen unterstützend eingreift. Das erfindungsgemäße System ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es in den Maximalendlagen R1, R2 des Rotors (Schwingungsendlagen bei maximalem Schwingungshub) sich jeweils in einer momentenneutralen Position befindet, in der sich die auftretenden Kräfte in einem Kräftegleichgewicht befinden und in der der Rotor ohne Aufbringung einer zusätzlichen Haltekraft gehalten ist.
  • Bei dem berechneten idealen Ausschwingverhalten schwingt der Rotor also von einer Endposition E1, E1' in die andere Endposition E2, E2' allein aufgrund der in den Energiespeichermitteln 10, 12 gespeicherten Kräfte ohne Einspeisung einer zusätzlichen Energie, etwa durch den Elektromotor 4. In dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage R1' zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2' schwingt, wäre das ideale Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche gleichbleibende Schwingung). Für den Fall, dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt, wäre er jeweils in den Endlagen R1, R2 in einer momentenneutralen Position gehalten und müsste aus dieser Position jeweils durch Einbringung einer Anstoßenergie (Motorimpuls) wieder veranlasst werden die nächste Schwingung in die andere Endlage vorzunehmen. Dadurch, dass die Sollbahnen für Vollhub und für Teilhub dem Ausschwingverhalten der Drehaktuatorvorrichtung ohne Reibungsverluste entsprechen wird gewährleistet, dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste ansteuert. Da Reibungsverluste hauptsächlich bei hohen Rotordrehzahlen auftreten, muss der Elektromotor 4 bei hohen Drehzahlen die größte Leistung abgeben. Da dies mit dem energieoptimalen Betriebspunkt des Elektromotors 4 zusammenfällt, kann durch die Regelung anhand idealisierter Sollbahnen des zu betreibenden Aktuatorsystems ein energiesparsamer Betrieb des selben gewährleistet werden.
  • Die Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm mit Sollbahnen des Rotorwinkels des Antriebsmotors eines Drehaktuators über der Zeit, anhand derer eine Regelung des Hubs von Gaswechselventilen gemäß der Erfindung erfolgt. Durch die Sollbahnen wird das ideale Ausschwingverhalten (Hubverlauf) einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß Figur 1 abgebildet. Dargestellt sind drei verschiedene Sollbahnen SB1, SB2, und SB3, wobei die erste Sollbahn SB1 den Maximalhub (Rotor schwingt zwischen R1 und R2 hin und her; Ventilposition zwischen E1 und E2 stellt sich ein) des Gaswechselventils 2 bei einer vorgegebenen Steuerzeit mit einer ersten Ventilöffnungszeit Tö1 darstellt. Die Sollbahnen SB2 und SB3 beschreiben jeweils Teilhübe (Rotor schwingt zwischen R1' und R2' hin und her; Ventilposition zwischen E1 und E2' stellt sich ein) mit verkürzten Ventilöffnungszeiten Tö2 und Tö3.
  • Das ideale Ausschwingverhalten eines über eine Drehaktuatorvorrichtung gemäß Figur 1 angetriebenen Gaswechselventils 2 ist in Figur 3 veranschaulicht. Dabei ist mit VH_max der maximale Ventilhub und mit VH_teil ein möglicher Teilhub, der beispielsweise aufgrund einer der Sollbahnen SB2 oder SB3 eingestellt wurde dargestelllt.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils (2) einer Brennkraftmaschine, umfassend
    - eine Drehaktuatorvorrichtung mit einer steuerbaren und als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinrichtung (4) mit einem Betätigungselement (6, 6a, 6b) zur Betätigung des Gaswechselventils (2),
    - zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (10, 12),
    - und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Steuereinheit eine Regeleinrichtung (20) umfasst, die die Antriebseinrichtung (4) gemäß einer hinterlegten Sollbahn (SB1; SB2; SB3) ansteuert anhand der das Gaswechselventil (2) von einer ersten Ventilendlage (E1) in eine zweite Ventilendlage (E2; E2') überführt wird und umgekehrt,
    - wobei die zumindest eine Sollbahn (SB1; SB2; SB3) das ideale Ausschwingverhalten zumindest einer bewegten Komponente des Energiespeicher-Antriebselement-Energiespeicher-Systems der Vorrichtung ohne Berücksichtigung von weiteren Umgebungseinflüssen abbildet, und
    - wobei das ideale Ausschwingverhalten sich ergibt aus dem berechneten Ausschwingverhalten eines Rotors des Elektromotors, bei dem der Rotor ohne eine Einspeisung zusätzlicher Energie von einer Endposition in eine andere Endposition schwingt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) hinterlegt ist, wobei zumindest eine der Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) den Hubverlauf des Gaswechselventils (2) zwischen der Schließposition (E1) mit Ventilhub gleich Null und der Öffnungsposition (E2) mit maximalem Ventilhub beschreibt und mindestens eine weitere Sollbahn (SB1; SB2; SB3) vorhanden ist, die den Hubverlauf des Gaswechselventils (2) zwischen der Schließposition (E1) und einer vorbestimmten Zwischenposition (E2') mit einem Teilhub beschreibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei hinterlegten Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) zumindest eine weitere Sollbahn durch Interpolation erzeugbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Betätigungselement (6, 6a, 6b) und Gaswechselventil (2) ein Übertragungselement (8), insbesondere ein Rollenschlepphebel, zur Betätigung des Gaswechselventils (2) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (4) als Synchronmaschine ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (6, 6a, 6b) als auf einer Welle angeordneter Nocken ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeichermittel (12) als eine das Gaswechselventil (2) in Öffnungsrichtung mit einer Federkraft beaufschlagende Öffnungsfeder ausgebildet ist und/oder ein Energiespeichermittel (10) als eine das Gaswechselventil (2) in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagende Schließfeder (10) ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Öffnungsrichtung auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (12) als Drehstabfeder ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils (2) einer Brennkraftmaschine mit einer Drehaktuatorvorrichtung umfassend eine, über eine Regeleinrichtung (20) steuerbare und als Elektromotor ausgebildete Antriebseinrichtung (4) und zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf ein Antriebselement (6, 6a, 6b) wirkende Energiespeichermittel (10, 12), wobei das Antriebselement (6, 6a, 6b) zur Betätigung eines Gaswechselhubventils (2) zumindest zeitweise gemeinsam mittels der steuerbaren Antriebsmittel (4) und jeweils einem der Energiespeichermittel (10, 12) aus einer ersten Ventilendlage (E1) in eine zweite Ventilendlage (E2, E2') überführbar ist, wobei die Regeleinrichtung (20) die steuerbaren Antriebsmittel (4) gemäß einer hinterlegten Sollbahn (SB1; SB2; SB3) von der einen Endlage (E1) in die andere Endlage (E2, E2') überführt und umgekehrt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sollbahn (SB1; SB2; SB3) das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems der Aktuatorvorrichtung ohne Berücksichtigung von weiteren Umgebungseinflüssen abbildet, wobei das ideale Ausschwingverhalten sich ergibt aus dem berechneten Ausschwingverhalten eines Rotors des Elektromotors, bei dem dieser ohne eine Einspeisung zusätzlicher Energie von einer Endposition in eine andere Endposition schwingt.
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