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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Regelung des Hubverlaufes eines Auslass-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.
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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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Ferner
ist aus der
DE 101
40 461 A1 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.
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Eine ähnliche
Vorrichtung ist in der US-A-5,873,335 beschrieben. Hierbei wirkt
ein von einem Elektromotor angetriebener Steuernocken üblicher
Bauart einerseits mit dem von einer Schließfeder belasteten Tellerventil
zusammen und steht andererseits mit einem orthogonal zum Tellerventil
angeordneten, über
eine Öffnungsfeder
federbelasteten Stößel in Verbindung.
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Eine
Weiterbildung einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß der
DE 101 40 461 A1 ist in
der
DE 102 52 991
A1 beschrieben. 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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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes
eines Auslass-Gaswechselventils zu schaffen, die eine Verbesserung
hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs einer Aktuatorvorrichtung
gewährleistet.
Insbesondere soll durch den Gegenstand der Erfindung auch sichergestellt
werden, dass in jedem Betriebszustand der Öffnungsvorgang des Auslassventils
in dem gewünschten
Ausmaß erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung
sind mindestens zwei Sollbahnen zur Regelung der Geschwindigkeit
des Rotors eines ein Auslass-Gaswechselventil
antreibenden Elektromotors vorgesehen. Dabei unterscheiden sich
die Sollbahnen dadurch, dass sie aufgrund ihrer Ausgestaltung und
der damit verbundenen Beschleunigung des Rotors während des
Ventil-Öffnungsvorgangs
unterschiedlich hohe kinetische Energien erzeugen und über das
mit dem Rotor verbundene Betätigungselement
auf das Auslass-Gaswechselventil übertragen.
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So
ist mindestens eine erste Sollbahn zur Erzeugung und Übertragung
einer geringeren kinetischen Energie vorgesehen, wobei die Sollbahn
dann Anwendung findet, wenn beispielsweise aufgrund einer kleineren
aktuellen Last bzw. Lastanforderung (Last innerhalb eines vorbestimmten
Lastbereiches geringerer Last) ein kleinerer Gasgegendruck in der Brennkammer
vorherrscht. Ferner ist mindestens eine zweite Sollbahn vorgesehen,
die die Erzeugung und Übertragung
einer im Vergleich zur kinetischen Energie der ersten Sollbahn vergrößerte kinetische Energie
erzeugt und überträgt. Diese
findet dann Anwendung, wenn bei einer größeren aktuellen Last oder Lastanforderung
(für eine
vorliegende Last innerhalb eines vorbestimmten Lastbereiches höherer Last),
die Öffnung
des Auslass-Gaswechselventils aufgrund des größeren Gasgegendruckes in der Brennkammer
bei Steuerung des Rotors anhand der ersten Sollbahn nicht mehr mit
Sicherheit gewährleistet
werden kann, weil der Elektromotor nicht ausreichend Energie zur
Verfügung
stellen kann. In diesem Fall wird der dem Elektromotor fehlende
Energieanteil durch Erzeugung eines zusätzlichen kinetischen Energieanteils
ausgeglichen. Der kinetische Energieanteil wird erzeugt, indem anhand
einer zweiten Sollbahn die Rotorwinkelgeschwindigkeit – zumindest
in der Wegphase bis zum Scheitelpunkt des Hubverlaufes des Auslass-Gaswechselventils
(insbesondere einen vorbestimmten Zeitraum vor dem Beginn der Ventilbewegung,
also während
der sogenannten Freilaufphase des Betätigungselements) – während des Öffnungsvorgangs
im Vergleich zur Rotorwinkelgeschwindigkeit (in der gleichen Wegphase
bzw. in dem gleichen Zeitraum) bei Regelung gemäß der ersten Sollbahn erhöht wird.
Hierfür
ist bei der zweiten Sollbahn entweder von Beginn des Wegverlaufes (des
Rotors) an (und damit eine definierte Zeit vor Beginn der eigentlichen
Ventilbewegung) oder von einem vorbestimmten Zeitpunkt oder einer
bestimmten Wegstrecke (des Rotors) an (ebenfalls eine definierte
Zeit vor Beginn der eigentlichen Ventilbewegung) die Geschwindigkeitsvorgabe
für den
Rotor im Vergleich zur Geschwindigkeitsvorgabe gemäß der ersten
Sollbahn derart erhöht,
dass in der Freilaufphase des Rotors eine im Vergleich zur ersten
Sollbahn vergrößerte kinetische
Energie erzeugt wird.
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Herkömmliche
Drehaktuatorvorrichtungen mit einem Elektromotor als Antriebseinheit
für Gaswechselventile
kompensieren auftretende Störkräfte generell
zu dem Zeitpunkt, zu dem sie auftreten. Sollten Störkräfte in Form
von Gasgegendrücken
ausgeglichen werden, sind hierfür
in der Regel Elektromotoren höherer
Leistung erforderlich. Durch den Gegenstand der Erfindung können im
Vergleich zum Stand der Technik in Leistung (und somit im Energieverbrauch)
und Baugröße verkleinerte
Elektromotoren verwendet werden.
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Bevorzugt
findet die Erfindung ihre Anwendung bei Drehaktuatorsystemen mit
einem elektrischen Nockenantrieb, bei denen der das Auslass-Gaswechselventil
antreibende und über
den Rotor des Elektromotors angetriebene Nockenantrieb einen Freilaufabschnitt
aufweist. Der Freilaufabschnitt gewährleistet, dass der Rotor ausgehend
von der Schließposition
des Auslass-Gaswechselventils, in der der Rotor mit dem kleinsten
Hub – insbesondere
dem durch den Nockengrundkreis vorgegebenen Nullhub – auf das
Auslass-Gaswechselventil wirkt, sich für einen definierten Anlaufwegabschnitt
bzw. Freilaufabschnitt auf dem Nockengrundkreis bewegt. Über den
gesamten Weg des Anlaufwegabschnittes kann das Nockenbetätigungselement
mit geringstem Energieeinsatz durch den Elektromotor beschleunigt und
so kinetische Energie für
die Übertragung
auf das Auslass-Gaswechselventil erzeugt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb
eines Gaswechselventils einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine,
und
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2a, 2b:
die Sollvorgabe eines Geschwindigkeitsverlaufes für den Rotor
eines Elektromotors zur Betätigung
eines Auslass-Gaswechselventils
sowie den hierzu korrespondierenden sich einstellenden Rotorwinkel.
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1 zeigt
die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb
eines Auslass-Gaswechselventils
2 (im Folgenden Gaswechselventil
genannt) 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 (gezielter Nichtberücksichtigung)
der Umgebungseinflüsse (insbesondere
Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen R1–R2 (Vollhub) oder
R1'–R2' (Teilhub) 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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Im
Besonderen ist in der ersten momentenneutralen Position R1 (in 1 dargestellt)
das Gaswechselventil 2 geschlossen und somit die Schließfeder 10 unter
Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt, während die Öffnungsfeder 12 maximal
vorgespannt ist. Die Kraft der vorgespannten Öffnungsfeder 12 wird über ein
ortsfestes Abstützelement 6c der
Nockenwelle 6 auf diese übertragen und ist in der Position
R1 genau durch den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet
und somit quasi neutralisiert. Auch die aufgrund der Rest-Vorspannung
vorhandene Kraft der Schließfeder 10 wird
in der beschriebenen Position neutralisiert, da diese über den
Schlepphebel 8 ebenfalls in den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet
ist.
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In
der nicht dargestellten zweiten momentenneutralen Position R2 wäre das Gaswechselventil 2 mit
seinem Maximalhub gemäß dem Hauptnocken 6b geöffnet und
die um das Gaswechselventil 2 herum angeordnete Schließfeder 10 maximal
vorgespannt, während
die Öffnungsfeder 12 unter
Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt wäre. Die
Anordnung der einzelnen Komponenten ist derart gewählt, dass
wiederum die Kraft des maximal vorgespannten Federmittels (jetzt:
Schließfeder 10) und
des maximal entspannten Federmittels (jetzt: Öffnungsfeder 12) jeweils
genau durch dem Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet
und somit in dieser Position quasi neutralisiert sind.
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Eine
dritte, ebenfalls nicht dargestellte, momentenneutrale Position
R0 ist dann vorhanden, wenn das System einen sogenannten abgefallen
Zustand einnimmt, in dem die Nockenwelle 6 eine Position
zwischen den beiden ersten momentenneutralen Positionen R1, R2 einnimmt.
Aus der abgefallenen Position kann das System lediglich mittels
hohem Energieaufwand wieder herausgebracht werden, in dem beispielsweise
durch ein Anschwingen oder Hochschwingen der Rotors die Nockenwelle 6 wieder
in eine der beiden ersten momentenneutralen Positionen R1, R2 überführt wird
oder die Nockenwelle 6 zumindest bis zu einem Teilhub angeschwungen
wird, bei dem ein regulärer
Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung wieder möglich ist.
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Analog
zu den beschriebenen drei momentenneutralen Positionen R0, R1, R2
für den
Betrieb der Vorrichtung mittels dem Hauptnocken 6b können weitere
Positionen (nicht dargestellt) für
den Minimalhubbetrieb bei Betätigung
des zweiten Nocken 6a vorhanden sein. Für diese weiteren momentenneutralen
Positionen gilt das gleiche, wie für die zuvor beschrieben momentenneutralen
Positionen R0, R1, R2.
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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 und ohne Gasgegendrücke entsprechen wird gewährleistet,
dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum
Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste und
der auftretenden Gasgegendrücke
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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In 2a ist
die Sollvorgabe eines Geschwindigkeitsverlaufes für den Rotor
eines Elektromotors 4 zur Betätigung eines Auslass-Gaswechselventils 2 schematisch
dargestellt. Die fett dargestellte Sollbahn SB1 ist eine Sollbahn
zur Regelung der Rotorgeschwindigkeit anhand der geregelt werden
soll, wenn lediglich niedrigere Gasgegendrücke innerhalb der Brennkammer
während
des Öffnungsvorgangs des
Auslass-Gaswechselventils 2 vorhanden oder zu erwarten
sind. Die zweite, nicht fett dargestellte Sollbahn SB2 ist eine
Sollbahn für
den Fall, dass erhöhte Gasgegendrücke in der
Brennkammer vorhanden oder zu erwarten sind, so dass diese Sollbahn
eine erhöhte
Geschwindigkeitsvorgabe für
den Rotor, insbesondere im Wegbereich kurz vor Beginn der tatsächlichen
Ventilöffnungsbewegung
des Auslass-Gaswechselventils 2, vorgibt. Die Rotorgeschwindigkeit
wird dabei derart erhöht,
dass mittels der zweiten Sollbahn SB2 eine im Vergleich erhöhte kinetische
Energie Ekin_beschleunigt erzeugt und auf
das Auslass-Gaswechselventil 2 übertragen
werden kann. Hierfür
kann die Geschwindigkeitsvorgabe anhand der zweiten Sollbahn SB2
entweder über
den gesamten Wegbereich des Rotors und zu jedem Zeitpunkt – im Vergleich
zur ersten Sollbahn – erhöht sein,
oder nur über
einzelne Teile des Wegbereiches erhöht werden. Insbesondere in
einem definierten Zeitraum Δtbeschleunigt vor dem Beginn der Ventil-Öffnungsbewegung
(im Punkt VÖ)
wird die Rotorgeschwindigkeit gezielt erhöht. Sowohl der Zeitraum Δtbeschleunigt als auch die Höhe der Beschleunigung werden
vorzugsweise in Abhängigkeit
von der jeweils vorliegenden Lastanforderung vorgegeben. Um vorgegebene Steuerzeiten
einzuhalten ist dann die Geschwindigkeit des Rotors in der Startphase
des Rotors dementsprechend geringer als bei der Sollbahn für eine geringere
oder eine mittlere Lastanforderung. Erfindungswesentlich ist lediglich,
dass die Geschwindigkeitserhöhung
eine Erhöhung
der kinetischen Energie zur Folge hat, die gewährleistet, dass zu jedem Betriebszeitpunkt
auftretende Gasgegendrücke
beim Öffnungsvorgang
des Auslass-Gaswechselventils 2 überwunden
werden können.
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Bevorzugt
sind eine Vielzahl von Sollbahnen zur Regelung der Rotorgeschwindigkeit
vorhanden, wobei jeder Sollbahn ein vorbestimmter Lastbereich bzw.
ein vorbestimmter Gasgegendruckbereich zugeordnet ist. Ferner können zusätzliche
Sollbahnen durch Interpolation in einem Bereich zwischen zwei benachbarten
hinterlegten Sollbahnen erzeugt werden.
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2b zeigt
jeweils den sich aufgrund der Regelung der Rotorwinkelgeschwindigkeit
einstellenden Rotorwinkel des Elektromotors 4. Dabei ist
der gestrichelt dargestellte Kurvenabschnitt der Rotorwinkelverlauf
aufgrund der erhöhten
Rotorwinkelgeschwindigkeit. Demnach führt die erhöhte Rotorwinkelgeschwindigkeit
analog unmittelbar zu einem erhöhten
Rotorwinkel. Der frühzeitig
erhöhte
Rotorwinkel führt
aufgrund des vorstehend beschriebenen Freilaufabschnittes nicht
zu einem unmittelbaren Abtrieb des Gaswechselventils 2,
sondern ermöglicht auf
erfindungsgemäße Weise
den Aufbau einer zusätzlichen
kinetischen Energie Ekin_beschleunigt (durch Beschleunigung
der während
des Freilaufs bewegten Massen, wie Rotormasse und Masse des Betätigungselements)
zur Unterstützung
des Elektromotors 4 während
des Öffnungsvorgangs
des Auslass-Gaswechselventils 2.