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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
der unabhängigen Ansprüche.
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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.
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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. Einzelne Typen sind dabei mit Permanentmagneten ausgestattet,
die es erlauben, den das Ventil antreibenden und zwischen zwei Elektromagneten
hin- und her fliegenden Anker mittels Permanentmagnetkraft in den
Endpositionen stromlos zu halten.
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Bei
dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle
mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor
hin und her schwenkbar ist.
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In
der
DE 101 40 461
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.
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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.
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Des
Weiteren ist aus der
US
2004/0060528 A1 eine Hubaktuatorvorrichtung bekannt, bei
der das angetriebene Gaswechselventil bei einem unbestromten Elektromagneten
der Hubaktuatorvorrichtung in einer stabilen definierten Mittenposition
gehalten ist, in der das Gaswechselventil sich in einer leicht geöffneten
Position befindet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Regelung
des Hubverlaufes eines Gaswechselventils zu schaffen, welche(s) eine
Verbesserung hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs einer
Aktuatorvorrichtung gewährleistet.
Insbesondere soll der Energieverbrauch von Antriebseinrichtungen
abgeschalteter Gaswechselventile reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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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) zur Betätigung
eines Gaswechselventils gemäß einer
hinterlegten Sollbahn ansteuert. Als hinterlegte Sollbahn 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.
Erfindungsgemäß ist die Regeleinrichtung
derart ausgebildet, dass für
den Fall, dass mindestens ein Gaswechselventil zumindest zeitweise
abgeschaltet (in der Öffnungs-
oder Schließposition
verbleibend) werden soll, die Regeleinrichtung, die dem abzuschaltenden
Gaswechselventil zugeordnete Antriebseinrichtung gemäß einer vorgegebenen
Gaswechselventil-Abschaltsollbahn derart ansteuert, dass das dem
jeweiligen Gaswechselventil zugeordnete Betätigungselement in eine momentenneutrale
beziehungsweise in eine kraftneutrale Position überführt wird.
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Wird
beispielsweise aufgrund einer Fahrerwunschanforderung oder aufgrund
vorliegender Betriebsparameter vom Motorsteuergerät eine Betriebsart
vorgegeben, bei der mindestens ein Gaswechselventil mindestens eines
Zylinders abgeschaltet werden soll, wird das jeweilige Gaswechselventil
in eine entsprechende Abschaltposition überführt und gleichzeitig das zugehörige Betätigungselement
in eine momentenneutrale beziehungsweise kraftneutrale Position – im Folgenden
momentenneutrale Position genannt – gebracht. In dieser momentenneutralen
Position kann das Betätigungselement
und damit das Gaswechselventil ohne Bestromung der zugehörigen Antriebseinrichtung
in der gewünschten Abschaltposition
gehalten werden. Insbesondere bei hohen Drehzahlen werden die Gaswechselventile über die
jeweilige Antriebseinrichtung und ihr Betätigungselement nicht mehr über den
ganzen Hub des Betätigungselementes
angefahren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel analog zur
DE 101 40 461 A1 liegen
die momentenneutralen Positionen jeweils dann vor, wenn eines der
Federmittel maximal vorgespannt ist (maximale Öffnungsposition des Ventils
bei maximaler Auslenkung des Betätigungselementes
in Öffnungsrichtung
bzw. Schließposition
des Ventils bei Nullhub und maximaler Auslenkung des Betätigungselementes
in Schließrichtung)
und die durch das Federmittel auf das hier als Nockenwelle mit Betätigungsnocken
ausgebildete Betätigungselement wirkende
Antriebskraft genau durch den Mittelpunkt der Nockenwelle wirkt
oder wenn eine Zwischenposition (im Betrieb zu vermeiden – sogenannte
abgefallene Position) erreicht ist, in der beide Federmittel mit gleicher
Federkraft auf die Nockenwelle wirken und diese in einer sogenannten
abgefallenen Position festhalten.
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Die
Abschaltposition kann dabei je nach Vorgabe des Motorsteuergerätes (aufgrund
eines bestimmten Betriebszustandes bzw. Fahrerwunsches) die gehaltene
Schließposition
oder die gehaltene Öffnungsposition
eines oder mehrere Gaswechselventile sein. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist
die Abschaltposition gleichzusetzen mit der Schließposition
mindestens eines Gaswechselventils. In der Regel wird dies der Fall
sein, bei einer sogenannten Zylinderabschaltung aufgrund der dann alle
Gaswechselventile mindestens eines Zylinders in die Schließposition überführt werden.
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Mit
Vorteil soll die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß der
DE 101 40 461 A1 Verwendung
finden und den Energiebedarf des hier verwendeten Elektromotors, insbesondere
bei Fixierung der Antriebseinrichtung bzw. bei Fixierung der Betätigungselemente
zur Haltung der Gaswechselventile in der Abschaltposition, reduzieren.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
den schematischen mechanischen Aufbau einer Drehaktuatorvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik, und
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2a, 2b:
ein Zeitdiagramm mit Gaswechselventil-Abschaltsollbahnen des Rotorwinkels des
Antriebsmotors über
der Zeit, bei niedrigen und bei hohen Drehzahlen, wobei eine Antriebseinrichtung
für ein
Gaswechselventil in eine Abschaltposition überführt wird, in der über die
Antriebseinrichtung keine zusätzliche
Halteenergie zugeführt
werden muss.
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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.
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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, 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 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.
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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.
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In
dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage
R1' zu einer korrespondierenden
zweiten Endlage R2' schwingt
(insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre das ideale
Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche
gleichbleibende Schwingung).
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Für den Fall,
dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu
einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt (insbesondere
bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), 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.
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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.
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Die 2a und 2b zeigen
jeweils ein Zeitdiagramm mit Sollbahnen des Rotorwinkels des Antriebsmotors 4 eines
Drehaktuators über
der Zeit, anhand derer eine Regelung des Hubs von Gaswechselventilen
gemäß der Erfindung
erfolgt und in einem zweiten Zeitdiagramm die aufgrund der Rotorwinkelregelung
sich ergebenden Hubverläufe
der Gaswechselventile 2. Dabei ist veranschaulicht, dass bei
einer gewünschten
Gaswechselventilabschaltung mit Schließposition der Rotorwinkel auf
einen Wert eingeregelt wird, bei dem das Betätigungselement 6, 6a, 6b in
eine Position überführt wird,
die zum einen die Schließposition
des Gaswechselventils 2 zur Folge hat und die zum anderen
gewährleistet,
dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b sich
in einer momentenneutralen Position befindet.
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In
der Darstellung gemäß 2a,
die den schematischen Sollbahnverlauf einer Gaswechselventil-Abschaltsollbahn
für mindestens
ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zeigt, wird der
gewünschte
Regelungsverlauf für
den Rotor der Antriebseinrichtung 4 veranschaulicht. Hier
schwingt der Rotor der Antriebseinrichtung 4 mit maximalem Hub
zwischen der Position mit maximaler Rotorauslenkung in Richtung
Schließposition
(entspricht z.B. Position R1) und der Position mit maximaler Auslenkung
in Richtung Öffnungsposition
(entspricht z.B. Position R2) hin und her. In den maximalen Auslenkungsendlagen
(bei alpha 1 und alpha 2) erreicht der Rotor bzw. dessen Betätigungselement 6, 6a, 6b in Form
einer Nockenwelle jeweils die momentenneutrale Position (R1, R2),
in der der Rotor ohne elektrische Energiezufuhr für die Antriebseinrichtung
gehalten werden kann.
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Bei
Auftreten eines Abschaltbefehls für mindestens ein Gaswechselventil 2 mindestens
eines Zylinders schaltet die Regeleinrichtung 20 ihren
Betrieb von Normalbetrieb, anhand einer hierfür vorgesehenen Sollbahn, auf
einen Abschaltbetrieb, anhand einer hierfür vorgesehenen Gaswechselventil-Abschaltsollbahn,
um. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wird aufgrund des Abschaltbefehls sowohl der Rotor eines Elektromotors 4 für das Einlassventil
EV als auch der Rotor eines Elektromotors 4 für das Auslassventil
AV in eine momentenneutrale Position des Betätigungselementes 6, 6a, 6b mit
geschlossenem Gaswechselventil überführt.
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Da
der jeweilige Rotor hier bei niedrigen Drehzahlen (2a)
der Brennkraftmaschine zwischen zwei momentenneutralen Positionen
hin- und herschwenkt, wird bei Auftreten des Abschaltbefehls lediglich
der jeweilige Rotor in der momentenneutralen Schließposition
energiesparend gehalten. Die hieraus sich ergebenden Hubverläufe von
Einlass- und Auslassventil sind in dem jeweils zugehörigen Hubdiagramm
dargestellt.
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Bei
der Regelung des Ventilhubes bei hohen Motordrehzahlen (2b) ändert sich
die Regelvorgabe (Sollbahn) für
den Rotorwinkel dahingehend, dass dieser nicht mehr in die momentenneutralen Endpositionen
(R1, R2) überführt wird.
Vielmehr wird der Rotor lediglich zwischen einer Endposition mit geschlossenem
Gaswechselventil 2 und verringertem Auslenkweg in Richtung
Schließposition
(entspricht z.B. Position R1')
und einer Endposition mit geöffnetem
Gaswechselventil 2 und verringertem Auslenkweg in Richtung Öffnungsposition
(entspricht z.B. Position R2')
hin- und herbewegt. Erfindungsgemäß wird bei Auftreten eines
Abschaltbefehls für
ein oder mehrere Gaswechselventile 2 jedes Gaswechselventil 2 in
die entsprechende Abschaltposition und jeder Rotor nebst dem mit
diesem gekoppelten Betätigungselement 6, 6a, 6b in
die entsprechende momentenneutrale Position überführt. Hierfür schaltet die Regeleinrichtung 20 wiederum
ihren Betrieb von Normalbetrieb, anhand einer hierfür vorgesehenen Sollbahn
(gemäß 2b,
oberes Diagramm erstes Drittel), auf einen Abschaltbetrieb, anhand
einer hierfür
vorgesehenen Gaswechselventil-Abschaltsollbahn (gemäß 2b,
oberes Diagramm letzte zwei Drittel), um. Hier kann allerdings der
Rotor bzw. das Betätigungselement 6, 6a, 6b nicht
ohne zusätzlich Energiezufuhr
in einer Endposition gehalten werden. Um den Energiebedarf so gering
wie möglich
zu halten, wird dem Elektromotor 4 kurzzeitig Energie zugeführt und
der Rotor nebst Betätigungselement 6, 6a, 6b in
eine momentenneutrale Position (R1, R2) überführt und anschließend energiefrei
gehalten.