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Die Erfindung betrifft einen Ventilaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein System mit einem Ventil und dem Ventilaktor für ein Ventil einer Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft auch ein Ventilaktorsystem gemäß dem Anspruch 10, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 12 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Ventilaktors gemäß dem Anspruch 13.
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Ventilaktoren dienen dem Öffnen oder Schließen eines Ventils, insbesondere eines Ein- oder Auslassventils in einer Brennkraftmaschine, und sind weithin bekannt. Das Aktuieren eines Ventils erfolgt in der Regel über eine Nockenwelle. Das Ventil ist dabei als Hubventil ausgeführt. Durch die Geometrie des Nockens der Nockenwelle kann das Öffnungsverhalten des Ventils definiert werden. Auch sind variable Ventilsteuerungen bekannt, mittels denen das Öffnungsverhalten des Ventils angepasst werden kann. Dies kann zum Beispiel über, insbesondere axiale, Nockenwellenversteller erfolgen.
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Es sind weiterhin Vorrichtungen bekannt, die eine Änderung eines durch eine Nockenwelle erzeugten Ventilhubs ermöglichen. So beschreibt die
DE 100 45 313 B4 einen variablen mechanisch-hydraulischen Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit einem im Zylinderkopf ortsfest angeordneten Gehäuse, in dem axial verschiebbar ein Stößel geführt ist, der in seinem Inneren einen abgeschlossenen Druckraum aufweist, und
der von einem an seiner Oberseite angreifenden, umlaufenden Nocken, gegen die Kraft einer Ventilfeder und einer weiteren im Inneren des Stößels angeordneten Kolbenfeder bewegbar ist, und im Inneren des Stößels ein Kolben verschiebbar gelagert ist, der das Innere des Stößels in zwei Arbeitsräume teilt, und zwischen den beiden Arbeitsräumen Verbindungskanäle im Kolben angeordnet sind, und am Kolben ein Übertragungsmittel, z. B. eine Stößelstange angeordnet ist, welche mit dem Schaft eines Gaswechselventils im Eingriff steht, wobei der Druckraum im Inneren des Stößels mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt ist, deren Viskosität mittels eines steuerbaren Magnetfeldes veränderbar ist.
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Die
DE 40 27 630 C1 zeigt einen hydraulischen Ventilstößel für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckventil, durch das in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung eine elektroviskose Flüssigkeit strömt. Ein mit einem Gaswechselventil in Verbindung stehender Kolben wird dabei verschoben, so dass der Ventilhub kontinuierlich variabel ist. Dabei wird mit einer elektronischen Steuereinrichtung der Ventilhub in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine beeinflußt.
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Die
DE 102 31 214 A1 zeigt eine Ventilhubsteuerung mit einem Hubventil, das durch einen Kolben betätigbar ist, der durch ein Steuerelement verschiebbar ist. Damit bei der Ventilhubsteuerung der Hub des Hubventils auf einfache Weise zuverlässig eingestellt werden kann, ist das Hubventil unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeit durch den Kolben verschiebbar. Die Flüssigkeit ist durch Erzeugung eines Magnet- oder Elektrofeldes aus einem flüssigen in einen festen Zustand überführbar.
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Trotz der grundsätzlich vorteilhaften Möglichkeit einer individuellen Einstellbarkeit eines Ventilhubs sind derartige Systeme jedoch noch verbesserungswürdig. Insbesondere benötigen die bekannten Systeme des Standes der Technik einen relativ hohen apparativen und insbesondere regelungstechnischen Aufwand, um ausreichend genau, insbesondere hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens, zu funktionieren. Dieser Aufwand betrifft insbesondere die Erzeugung der Hubbewegung. Bei den hier genannten Systemen des Standes der Technik erfolgt die Erzeugung der Hubbewegung über eine klassische Nockenwelle, wodurch Einschränkungen durch die geometrischen Vorgaben resultieren.
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Wünschenswert wäre es daher, eine einstellbare Ansteuerung einzelner Ventile zu ermöglichen, wobei unter vertretbarem apparativen Aufwand eine ausreichend genaue Ansteuerbarkeit und Einstellbarkeit einzelner Ventile, insbesondere jedes einzelnen Ventils, ermöglicht wird, ohne dabei den geometrischen Einschränkungen einer Nockenwellengeometrie zu unterliegen.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist einen verbesserten Ventilaktor anzugeben, der die eingangs genannten Nachteile zumindest teilweise reduziert.
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Die Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Ventilaktor des Anspruchs 1 für ein Ventil einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem System mit einem Ventil und dem Ventilaktor, gelöst. Die Erfindung geht aus von einem Ventilaktor, insbesondere einem System mit einem Ventil und dem Ventilaktor, für ein Ventil für eine Brennkraftmaschine, aufweisend:
- - einen durch einen Aktorzylinder gebildeten Strömungsraum, der ausgebildet ist, von einem Aktormedium durchströmt zu werden,
- - einen innerhalb des Strömungsraums in Richtung einer Hauptachse bewegbar aufgenommenen Aktorstempel, wobei der Aktorstempel zum Übertragen eines Ventilhubs mechanisch mit einem Ventil verbindbar ist, und
- - der Ventilaktor einen Feldgenerator aufweist, ausgebildet zum Erzeugen mindestens eines physikalischen Feldes, insbesondere eines magnetischen Feldes und/oder eines elektrischen Feldes, wobei eine Viskosität des Aktormediums durch das physikalische Feld veränderbar ist, insbesondere das Aktormedium eine magneto-rheologische Flüssigkeit oder elektro-rheologische Flüssigkeit ist.
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Erfindungsgemäß ist bei dem Ventilaktor bzw. dem System mit einem Ventil und dem Ventilaktor, vorgesehen, dass der Aktorstempel vom Aktormedium zum Erzeugen einer Hubkraft anströmbar ist, wobei die Hubkraft gesteuert erzeugt wird derart, dass eine mittels einer Aktorsteuerung gesteuerte Veränderung der Viskosität eine Änderung der erzeugten Hubkraft zur Folge hat, wobei
- - ein Öffnungsprofil des Ventils, insbesondere der Ventilhub und/oder mindestens eine Steuerzeit, vollständig durch das über die Aktorsteuerung gesteuerte physikalische Feld vorbestimmt ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Einstellbarkeit von Ventilen hinsichtlich ihres Öffnungsverhalten insbesondere bei Brennkraftmaschine grundsätzlich vorteilhaft ist. Diese Einstellbarkeit betrifft insbesondere ein individuelles Einstellen einzelner Ventile.
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Bei Ansätzen mit klassischen Nockenwellen ist eine Einstellbarkeit des Öffnungsverhaltens von Ventilen nur unter relativ hohem apparativen Aufwand möglich. Dies betrifft insbesondere Systeme des Standes der Technik, bei denen eine Einstellung des Öffnungsverhaltens von Ventilen durch eine Beeinflussung der Hubübertragung mittels elektro- oder magneto-rheologischer Eigenschaften eines Fluids erfolgt.
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Im Gegensatz dazu hat die Erfindung erkannt, dass ein hydrodynamisches Aktuieren eines Ventils über einen Ventilaktor mit einem Aktorstempel, der von einem Aktormedium zum Erzeugen einer Hubkraft anströmbar ist, mit wesentlichen Vorteilen verbunden ist.
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Insbesondere kann in einer solchen Vorrichtung - im Gegensatz zu lediglich einer Umwandlung einer Hubbewegung in den genannten bestehenden Ansätzen, das heißt einer lediglichen Beeinflussung der Übertragung einer mittels einer Nockenwelle erzeugten Hubbewegung - eine Hubbewegung zum Aktuieren eines Ventils vollständig erzeugt werden, und zwar ohne eine Nockenwelle, aufwändige Aktoren oder dergleichen Antriebe, indem ein Hydraulikkreislauf zum, insbesondere konstanten, Fördern eines Aktormediums vorgesehen wird, der beispielsweise an eine zentrale Druckquelle angeschlossen ist.
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Die Erfindung schließt weiter die überraschende Erkenntnis ein, dass wenn ein Aktormedium vorgesehen wird, dessen Viskosität unter Einfluss eines physikalischen Feldes veränderbar ist, dieser Effekt vorteilhaft zum Erzeugen und insbesondere zum variablen Beeinflussen der Hubkraft genutzt werden kann. Ein solcher Effekt kann insbesondere erreicht werden, wenn das Aktormedium als magneto-rheologische Flüssigkeit oder elektro-rheologische Flüssigkeit ausgebildet ist und der Feldgenerator entsprechend eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Feldes und/oder einen Kondensator zum Erzeugen eines elektrischen Feldes aufweist.
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Indem mittels eines Feldgenerators die Feldstärke des physikalischen Feldes variiert wird, kann entsprechend die Viskosität des Aktormediums beeinflusst werden, woraufhin sich die Hubkraft verändert, welche aus dem Anströmen des Aktorstempels durch das Aktormedium resultiert.
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Auf diese Weise kann ein Öffnungsprofil des Ventils, insbesondere der Ventilhub und/oder mindestens eine Steuerzeit, vollständig durch das über die Aktorsteuerung gesteuerte physikalische Feld vorbestimmt sein.
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„Vollständig“ durch das über die Aktorsteuerung gesteuerte physikalische Feld vorbestimmt sein bedeutet dabei, dass Einschränkungen, die durch die konventionelle Verwendung einer Nockenwelle zum Aktuieren eines Ventils hervorgerufen werden, somit vorteilhaft minimiert werden. Die Aufgabe der Huberzeugung, die in bestehenden Ansätzen des Standes der Technik von einer Nockenwelle übernommen werden, werden im erfindungsgemäßen Ansatz vollständig vom rheologischen System, insbesondere dem Aktorstempel, des Aktormediums und dem Feldgenerator, übernommen.
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Je höher die Viskosität des Aktormediums, das heißt je zähflüssiger, desto größer ist der Widerstand, der durch das Anströmen des Aktorstempels erzeugt wird, und entsprechend höher ist die Hubkraft, die das Aktormedium auf den Aktorstempel ausübt. Analog gilt, dass je niedriger die Viskosität des Aktormediums ist, desto geringer die auf den Aktorstempel wirkende Hubkraft ist.
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Mittels eines Ventilaktors gemäß dem Konzept der Erfindung kann also vorteilhaft eine Hubkraft zum Aktuieren eines Ventils erzeugt oder variiert werden, ohne dass aufwändige mechanische Antriebe oder dergleichen Aktoren benötigt werden. Lediglich durch das Anpassen einer Feldspannung wird der Effekt, den ein insbesondere konstant strömendes Aktormedium auf einen Aktorstempel hat, variiert.
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Insbesondere kann mittels einer zentralen Hydraulikpumpe und einer der Anzahl von Ventilen entsprechenden Menge von Ventilaktoren - mit jeweils mindestens einem Feldgenerator - eine individuelle Einstellbarkeit jedes einzelnen Ventils erreicht werden, ohne für jedes Ventil eine aufwändige mechanische Antriebsvorrichtung vorzusehen.
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Der erfindungsgemäße Ansatz erlaubt somit vorteilhaft die Erzeugung einer Hubbewegung zum Aktuieren eines Ventils, ohne dabei von einer konventionellen mechanischen Stelleinrichtung, insbesondere einer Nockenwelle mit entsprechenden Nockenstößeln abhängig zu sein.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilaktor oder einem Ventilaktorsystem gemäß dem Konzept der Erfindung. In der Brennkraftmaschine können die Vorteile des Ventilaktors vorteilhaft genutzt werden.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Ventilaktors gemäß dem Konzept der Erfindung in einer Brennkraftmaschine, aufweisend die Schritte:
- - Feststellen anhand einer Öffnungsabfrage, ob ein Ventil geöffnet werden soll,
- - Falls die Öffnungsabfrage positiv ist, Anlegen einer Feldspannung am Feldgenerator zur Veränderung der Viskosität eines Aktormediums zum Erzeugen eines Ventilhubs. Dies kann konkret beinhalten, dass insbesondere durch die Steuereinheit, eine Prüfung erfolgt, ob ein Öffnen des Ventils, und somit eine dafür erforderliche Aktuierung durch den Ventilaktor, erfolgen muss. So kann vorteilhaft in gesteuerter Weise ein Aktuieren des Ventils durch den Ventilaktor erfolgen. Mit einer positiven Öffnungsabfrage ist gemeint, dass das Ventil geöffnet werden soll.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Feldgenerator ausgebildet zum Erzeugen des physikalischen Feldes im Strömungsraum über die Aktorsteuerung gesteuert ist. In derartigen Weiterbildungen kann die Viskosität des Aktormediums besonders effektiv im Bereich der Anströmung des Aktorstempels beeinflusst werden.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Feldgenerator mindestens eine Spule und/oder mindestens einen Kondensator aufweist. Mittels einer Spule kann ein magnetisches Feld erzeugt werden. Mittels eines Kondensators kann ein elektrisches Feld erzeugt werden. Auch ist die Anordnung mehrerer Spulen oder mehrerer Kondensatoren oder einer Anzahl sowohl von Spulen als auch Kondensatoren in einem Feldgenerator möglich.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Feldgenerator mindestens zwei Feldgeneratormodule aufweist, wobei jedes Feldgeneratormodul ausgebildet ist zum Erzeugen eines physikalischen Feldes. In derartigen Weiterbildungen können vorteilhaft mehrere physikalische Felder erzeugt werden. Insbesondere ist eine Anordnung von einer Spule oder einem Kondensator in einem Feldgeneratormodul sinnvoll, sodass ein Feldgenerator mit einer Gesamtanzahl von Spulen und Kondensatoren eine entsprechende Anzahl an Feldgeneratormodulen aufweist. Beispielsweise kann ein Feldgenerator zwei Feldgeneratormodule aufweisen, wobei jeweils ein Feldgeneratormodul eine Spule aufweist.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die physikalischen Felder entlang der Hauptachse angeordnet sind. Dies kann konkret beinhalten, dass jedes Feldgeneratormodul axial entlang der Hauptachse zueinander beabstandet oder benachbart um den Strömungsraum angeordnet ist, sodass entlang der Hauptachse, und somit entlang des Ventilhubs, unterschiedliche physikalische Felder zur Beeinflussung des Ventilhubs und der Hubgeschwindigkeit erzeugt werden können.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Feldgenerator ausgebildet ist, das mindestens eine physikalische Feld zeitlich zu verändern, insbesondere in Abhängigkeit des Ventilhubs des Aktorstempels und/oder eines Kurbelwinkels. In derartigen Weiterbildungen kann vorteilhaft die auf den Aktorstempel wirkende, durch Anströmen des Aktorstempels erzeugte, Hubkraft in Abhängigkeit des Ventilhubs beeinflusst werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Reduzierung der Hubgeschwindigkeit erreicht werden, wenn sich der Aktorstempel, und mit ihm das Ventil, einem Totpunkt nähert, wodurch eine materialschonende Betriebsweise erreicht wird. Besonders vorteilhaft kann die Erzeugung des physikalischen Feldes durch das Anlegen einer Feldspannung an den Feldgenerator gesteuert werden. Die Steuerung der Feldspannung kann vorteilhaft in Abhängigkeit des aktuellen Kurbelwinkels der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine erfolgen, da ein Sollwert für den Ventilhub des Ventils vom Kurbelwinkel abhängig ist.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass zwischen dem Aktorstempel und dem Aktorzylinder ein Strömungsspalt oder ein Strömungskanal gebildet ist. In derartigen Weiterbildungen wird - bei gleichzeitiger Anströmung des Aktorstempels - ein Vorbeiströmen des Aktormediums an dem Aktorstempel ermöglicht. So wird gewährleistet, dass der Aktorstempel zwar ein Hindernis für das Aktormedium beim Vorbeiströmen darstellt, jedoch keine vollständige Sperrung des Strömungsraums erfolgt. Durch Bestimmen der Querschnittsfläche des Strömungsspalts und/oder des mindestens einen Strömungskanals im Strömungsraum kann der Grad der Sperrung des Strömungsraums festgelegt werden. Je größer die Querschnittsfläche des Strömungsspalts und/oder des mindestens einen Strömungskanals im Verhältnis zum Querschnitt des Aktorstempels ist, desto geringer ist die Anströmung durch das Aktormedium und folglich desto geringer die erzeugte Hubkraft. Neben beispielsweise der Stärke des physikalischen Feldes und der Wahl eines Aktormediums kann so auf konstruktive Weise die Stärke der erzeugten Hubkraft beeinflusst werden.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Aktorstempel mindestens eine Strömungsöffnung aufweist, wobei sich die mindestens eine Strömungsöffnung von einer strömungszugewandten Stirnseite zu einer strömungsabgewandten Stirnseite des Aktorstempels erstreckt. Die Strömungsöffnungen können insbesondere als Bohrungen ausgeführt sein. Auch hier ist analog zu Weiterbildungen mit einem Strömungsspalt und/oder mindestens einem Strömungskanal der Grad der Sperrung des Strömungsraums abhängig von der Gesamtquerschnittsfläche aller Strömungsöffnungen im Strömungsraum. Je größer die Strömungsöffnungen oder je größer die Anzahl der einzelnen Strömungsöffnungen, desto geringer ist die Anströmung des Aktorstempels und folglich desto geringer die erzeugte Hubkraft.
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Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass der Ventilaktor weiter eine Rückstellfeder aufweist zum Erzeugen einer gegen die Hubkraft wirkenden Rückstellkraft. In derartigen Weiterbildungen kann eine Rückstellfeder gewährleisten, dass wenn kein physikalisches Feld im Strömungsraum erzeugt wird, die Rückstellkraft der Rückstellfeder stärker ist als die durch Anströmung erzeugte Hubkraft, und somit der Aktorstempel gegen die Strömungsrichtung des Aktormediums in seinen oberen Totpunkt zurückbewegt wird.
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Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Ventilaktorsystem aufweisend:
- - einen Ventilaktor nach einem der vorherigen Ansprüche,
- - eine Hydraulikpumpe,
- - eine Steuereinheit, insbesondere mit einer Ventilerhebungskurvendatenbank.
In dem Ventilaktorsystem werden die Vorteile des Ventilaktor vorteilhaft genutzt. Insbesondere kann durch eine Steuereinheit eine Echtzeitkommunikation mit einer Motorsteuerung, beispielsweise zur Ermittlung des aktuellen Kurbelwinkels, ermöglicht werden, um den Ventilaktor entsprechend anzusteuern.
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Eine Weiterbildung des Ventilaktorsystems ist gekennzeichnet durch einen Druckausgleichsbehälter. Mittels eines Druckausgleichsbehälters können vorteilhaft Schwankungen in der Versorgung des Ventilaktorsystems mit einem Aktormedium ausgeglichen werden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens weist weiter den Schritt auf:
- - Ermitteln eines Kurbelwinkels einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Dies kann konkret beinhalten, dass ein Kurbelwinkel, der die momentane Drehposition der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine beschreibt, ermittelt wird und als Basis für die Aktuierung des Ventils herangezogen wird. Mittels des Kurbelwinkels können aufgrund der festen kinematischen Beziehungen Rückschlüsse auf die momentane Position der Kolben in den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine gezogen werden. Hieraus ergeben sich Sollwerte für den erforderlichen Ventilhub einzelner Ventile. Der aktuelle Kurbelwinkel kann beispielsweise über einen Drehwinkelsensor durch die Steuereinheit eines Ventilaktorsystems von einer Motorsteuerung ermittelt werden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens weist weiter den Schritt auf:
- - Durchführen der Öffnungsabfrage auf Basis einer in einer Ventilerhebungskurvendatenbank festgelegten Sollventilerhebung, wobei die Sollventilerhebung in Abhängigkeit des ermittelten Kurbelwinkels bestimmt wird. In derartigen Weiterbildungen kann insbesondere unter relativ geringem Rechenaufwand durch Abfrage in einer Ventilerhebungskurvendatenbank für jeden gemessenen Kurbelwinkel, oder für eine Anzahl von Bereichen von Kurbelwinkeln, abgefragt werden, ob das Ventil geöffnet oder geschlossen sein soll. In Abhängigkeit dieser Information kann eine Feldspannung an den Feldgenerator angelegt werden oder eben nicht. Im einfachsten Fall kann die Ventilkurvenerhebungsdatenbank hierfür eine tabellarische Zuordnung für jeden Kurbelwinkel oder Bereich von Kurbelwinkeln enthalten, in Form einer binären Aussage ob das Ventil geöffnet werden soll oder nicht.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feldspannung zur Erzeugung eines physikalischen Feldes in Abhängigkeit eines Kurbelwinkelbereichs bestimmt wird. Durch derartige Kurbelwinkelbereiche, in denen insbesondere jeweils eine konstante Feldspannung angelegt wird, kann das Regelverfahren vorteilhaft vereinfacht werden, insbesondere, weil nicht für jeden einzelnen Kurbelwinkel, sondern für einen zusammengefassten Bereich von Kurbelwinkeln eine Feldspannung angelegt wird.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Feldspannung zu mindestens einem Kurbelwinkel oder mindestens einem Kurbelwinkelbereich in einer Ventilerhebungskurve, insbesondere in Form eines Öffnungsprofils und eines zu diesem Öffnungsprofil korrespondierenden Feldspannungsprofils, in einer Ventilerhebungskurvendatenbank festgehalten ist. Dies kann konkret beinhalten, dass - hinausgehend über eine lediglich binäre Zuordnung, ob das Ventil geöffnet oder geschlossen sein soll - ein Sollverlauf eines Ventilhubs in Form eines Öffnungsprofils - und insbesondere zusätzlich ein diesem Sollverlauf entsprechender Verlauf einer Feldspannung in Form eines Feldspannungsprofils - für jeden Kurbelwinkel in Form einer Ventilerhebungskurve in der Ventilerhebungskurvendatenbank hinterlegt ist. In derartigen Weiterbildungen können vorteilhaft Spannungsverläufe hinterlegt werden, die zu einem gewünschten Ventilhub in Abhängigkeit des Kurbelwinkels führen. Insbesondere können dort durch die genauere Ansteuerung des Ventilaktors vorteilhaft weitere Aspekte, wie zum Beispiel eine materialschonende und somit verschleißarme Betriebsweise durch Beeinflussung der Hubgeschwindigkeit, oder eine Entstromung des Feldgenerators, berücksichtigt werden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens weist weiter die Schritte auf:
- - Durchführen einer Sollhubabfrage zum Ermitteln eines Sollhubs für einen ermittelten Kurbelwinkel,
- - Anlegen einer mit dem Sollhub korrespondierenden Sollhubspannung zum Erreichen eines dem Sollhub entsprechenden Ventilhubs.
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Dies kann konkret beinhalten, dass in der Ventilerhebungskurvendatenbank ein oder mehrere Spannungswerte hinterlegt sind, für die ein bestimmter Ventilhub erreicht wird, das heißt bei dem in einer bestimmten Lage des Aktorstempels ein Kräftegleichgewicht zwischen Hubkraft auf der einen und Rückstellkraft auf der anderen Seite erreicht wird. Auf Basis dieser Information kann eine gezielte, insbesondere teilweise Öffnung des Ventils erfolgen. Die Ermittlung derartiger Sollhubspannungen für einen Ventilaktor oder eines bestimmten Typs von Ventilaktoren kann experimentell oder rechnerisch-modellbasiert erfolgen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- 1 ein Ventilaktorsystem mit einem Ventilaktor gemäß dem Konzept der Erfindung,
- 2A, 2B, 2C drei Ausführungsformen eines Aktorstempels,
- 3 eine ausschnittsweise Darstellung einer Ausführungsform eines Ventilaktors mit einem Feldgenerator mit zwei Feldgeneratormodulen,
- 4A, 4B, 4C drei Ausführungsformen eines Verfahrens zum Betreiben eines Ventilaktors,
- 5 eine detaillierte Darstellung einer Ventilerhebungskurve.
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1 zeigt ein Ventilaktorsystem 800 mit einem Ventilaktor 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Das Ventilaktorsystem 800 kann insbesondere zum Aktuieren von einem oder mehreren Ventilen 180 einer Brennkraftmaschine 1000 eingesetzt werden. Ein Aktormedium 140 wird durch eine Hydraulikpumpe 820 über eine Mediumszuleitung 822 und einen Mediumseingang 102 in das Innere eines Aktorzylinders 110 befördert, in dem ein zylindrischer, entlang einer Hauptachse AH angeordneter Strömungsraum 120 gebildet ist. Auf der in Richtung der Hauptachse AH dem Mediumseingang 102 gegenüberliegenden Seite des Aktorzylinders 110, vorliegend am unteren Ende des Aktorzylinders 110, ist ein Mediumsausgang 104 in der Mantelfläche des Aktorzylinders 110 angeordnet, über den das Aktormedium 140, nach Durchströmen des Strömungsraumes 120, über eine Mediumsrückleitung 824 aus dem Aktorzylinder 110 hinausströmen kann. Das Aktormedium 140 durchströmt somit den Strömungsraum 120 im Wesentlichen entlang der Hauptachse AH.
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Innerhalb des zylindrisch ausgeprägten Strömungsraumes 120 ist ein Aktorstempel 160 angeordnet, welcher vorliegend ebenfalls als zylindrischer Körper ausgebildet ist, und innerhalb des Strömungsraumes 120 entlang der Hauptachse AH translatorisch bewegbar ausgebildet ist.
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Das Aktormedium 140 passiert beim Durchströmen des Strömungsraums 120 den Aktorstempel 160. Dabei strömt es den Aktorstempel 160 an einer strömungszugewandten Stirnseite 162 an, da der Aktorstempel 160 als Hindernis im Strömungsraum 120 steht. Das Aktormedium 140, welches - aufgrund eines durch die Hydraulikpumpe 820 hervorgerufenen Druckgefälles zwischen Mediumseingang 102 und Mediumsausgang 104 - zum Mediumsausgang 104 drängt, bewegt sich somit auf der strömungszugewandten Stirnseite 162 in radialer Richtung nach außen, bis es durch einen zwischen der Innenwand des Aktorzylinders 110 und der äußeren Mantelfläche des Aktorstempel 160 gebildeten, ringförmigen Strömungsspalt 170, an dem Aktorstempel 160 vorbei in Richtung des Mediumsausgang 104 strömen kann.
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Durch das Anströmen des Aktorstempels 160 durch das Aktormedium 140 entsteht eine Hubkraft FH, die in Richtung der Hauptachse HA auf die strömungszugewandte Stirnseite 162 wirkt. Die Höhe der Hubkraft FH ist von mehreren Parametern abhängig, insbesondere von der Querschnittsfläche des Strömungsspalts 170, der Strömungsgeschwindigkeit VS des Aktormediums 140 und einer Viskosität V des Aktormediums 140. Weiterhin ist innerhalb des Strömungsraumes 120 eine Rückstellfeder 190 angeordnet, welche eine Rückstellkraft FR auf eine strömungabgewandte Stirnseite 164 des Aktorstempels 160 ausübt. Die Rückstellkraft FR wirkt somit ebenfalls entlang der Hauptachse AH, jedoch in entgegengesetzte Richtung der Hubkraft FH.
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Wenn der Betrag der Hubkraft FH die Trägheit des Aktorstempels 160 sowie den Betrag der Rückstellkraft FR überschreitet, bewegt sich der Aktorstempel 160 somit in einer Hubbewegung BH in Strömungsrichtung SR, das heißt in Richtung der Hauptachse AH vom Mediumseingang 102 zu Mediumsausgang 104. Dadurch, dass an der strömungsabgewandten Stirnseite 164 ein Ventilstößel 182 an den Aktorstempel 160 angeschlossen ist, wird die durch die Hubkraft FH erzeugte Hubbewegung BH, insbesondere ein Ventilhub HV, über den Ventilstößel 182 an ein Ventil 180 übertragen.
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Der Ventilaktor 100 weist weiter einen Feldgenerator 200 auf, welcher sich vorliegend praktisch ringförmig um die äußere Mantelfläche des Aktorzylinders 110 erstreckt. Mittels des Feldgenerators 200 kann ein physikalisches Feld FP im Strömungsraum 120, insbesondere in dem vom Feldgenerator 200 umschlossenen Bereich des Strömungsraums 120, generiert werden. Insbesondere kann der Feldgenerator 200 ausgebildet sein, ein magnetisches Feld FM als physikalisches Feld FP zu erzeugen. In diesem Fall weist der Feldgenerator oder ein Feldgeneratormodul des Feldgenerators mindestens eine Spule 204 auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Feldgenerator 200 ausgebildet sein, ein elektrisches Feld FE als physikalisches Feld FP zu erzeugen. In diesem Fall weist der Feldgenerator oder ein Feldgeneratormodul des Feldgenerators mindestens einen Kondensator 206 auf.
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Gemäß dem Konzept der Erfindung wird ein Aktormedium 140 eingesetzt, welches seine Viskosität V unter Einfluss des physikalischen Feldes FP verändert. Hierzu kann das Aktormedium 140 insbesondere als magneto-rheologische Flüssigkeit 142 und/oder elektro-rheologische Flüssigkeit 144 ausgebildet sein oder derartige Flüssigkeiten 142, 144 zumindest teilweise aufweisen.
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Indem an dem Feldgenerator 200 über eine Aktorsteuerung 202 mit einer Spannungsquelle eine Feldspannung UF angelegt wird, wird ein physikalisches Feld FP, insbesondere ein magnetisches Feld FM, im Strömungsraum 120 erzeugt. Dies hat zur Folge, dass sich die Viskosität V des Aktormediums 140, insbesondere einer magneto-rheologischen Flüssigkeit 142, ändert, insbesondere erhöht. Durch die Erhöhung der Viskosität V steigt der Widerstand, der beim Anströmen des Aktorstempels 160 durch das Aktormedium 140 erzeugt wird, und damit steigt die erzeugte Hubkraft FH.
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Der Ventilaktor 100 kann in allen Weiterbildungen vorteilhaft so ausgelegt sein, dass - wenn kein physikalisches Feld FP erzeugt wird - die Viskosität V des Aktormediums 140 und damit die erzeugte Hubkraft FH so gering ist, dass sich der Aktorstempel 160 nicht aus einem oberen Totpunkt OT auslenkt. In derartigen Weiterbildungen wird die Hubkraft FH erst bei Anlegen einer Feldspannung UF und somit beim Vorhandensein eines physikalischen Feldes FP groß genug, dass sie die Trägheit des Aktorstempels 160 und insbesondere die Rückstellkraft FR der Rückstellfeder 190 überwindet und damit eine Hubbewegung BH, insbesondere einen Ventilhub HV auslöst.
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Des Weiteren kann der Ventilaktor 100 in bevorzugten Weiterbildungen so ausgelegt sein, dass sich der Aktorstempel 160 an einem unteren Totpunkt UT, am unteren Ende des Ventilhubs HV, in einem Kräftegleichgewicht befindet, weil die Hubkraft FH betragsmäßig gleich der entgegengesetzten und durch die komprimierte Rückstellfeder 190 hervorgerufene Rückstellkraft FR ist. In diesem Zustand kann durch ein Abschalten oder Reduzieren des physikalischen Feldes FP, in dem die Feldspannung UF entsprechend abgeschaltet oder reduziert wird, eine Rückbewegung des Aktorstempels 160 in den oberen Totpunkt OT erreicht werden.
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Das Ventilaktorsystem 800 kann weiter einen Druckausgleichsbehälter 840 aufweisen, insbesondere um eine konstante Strömung des Aktormediums 140 sicherzustellen, auch bei Schwankungen oder einer Abschaltung der Hydraulikpumpe 820.
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Der Ventilstößel 182 tritt durch eine Durchtrittsöffnung 192 durch den Aktorzylinder 110 mittels einer geeigneten Passung zwischen dem Ventilstößel 182 und dem Aktorzylinder 110, oder einer geeigneten Dichtung 194, beispielsweise einer Gummidichtung, kann sichergestellt werden, dass kein Aktormedium 140 durch die Durchtrittsöffnung 192 entweicht.
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Insbesondere kann für einen konkreten Ventilaktor 100 eine Sollhubspannung UHS bestimmt werden, bei der, wenn sie an den Feldgenerator 200 angelegt wird, ein definierter Ventilhub HV erzeugt wird.
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Weiterhin weist das Ventilaktorsystem 800 eine Steuereinheit 830 auf, welche signalleitend mit den wesentlichen Komponenten des Ventilaktorsystems 800 in Verbindung steht, insbesondere mit der Aktorsteuerung 202, der Spannungsquelle und einer Motorsteuerung 850 der hier nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 1000. Die Steuereinheit 830 kann insbesondere eine Ventilerhebungskurvendatenbank 832 aufweisen.
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Die 2A, 2B und 2C zeigen jeweils mögliche Weiterbildungen für einen Aktorstempel 160, jeweils in einer Draufsicht und einer geschnittenen Seitenansicht.
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Der Aktorstempel 160 ist innerhalb eines vom Aktorzylinder 110 umschlossenen, zylindrischen Strömungsraums 120 dargestellt. Der innerhalb des Strömungsraumes 120 in Richtung der Hauptachse AH bewegbare Aktorstempel 160 weist dabei einen ersten Stempeldurchmesser DS1 auf, der geringer ist als ein erster innerer Zylinderdurchmesser DZ1, sodass zwischen der äußeren Mantelfläche des Aktorstempels 160 und der Innenwand, das heißt der inneren Mantelfläche des Aktorzylinders 110 ein ringförmiger Strömungsspalt 170 entsteht. Das hier nicht dargestellte Aktormedium 140, welches durch den Strömungsraum 120 strömt und zunächst auf eine strömungszugewandte Stirnseite 162 des Aktorstempels 160 trifft, übt eine Hubkraft FH auf den Aktorstempel 160 aus, da dieser als Hindernis im Strömungsraum 120 steht. Aufgrund des in 2A vorgesehenen Strömungsspaltes 170 kann das Aktormedium 140 jedoch am Aktorstempel 160 vorbei und weiter zu einem hier nicht dargestellten Mediumsausgang 104 strömen. Je größer also der Strömungsspalt 170 ist, desto kleiner ist die Querschnittsfläche des Aktorstempels 160 im Verhältnis zum Querschnitt des Strömungsraumes 120, und desto kleiner wird folglich die aus der Anströmung resultierende Hubkraft FH.
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Weiterbildungen eines Ventilaktors mit einem derartigen Aktorstempel 160 weisen insbesondere eine - hier nicht dargestellte - Lagerung des Ventilstößels 182 in einer Durchtrittsöffnung 192 auf, die den Ventilstößel 182 und somit auch den Aktorstempel 160 translatorisch entlang der Hauptachse AH bewegbar in dem Aktorzylinder 110 hält, insbesondere, weil aufgrund des Strömungsspaltes 170 der Aktorstempel 160 keinen Kontakt zur Innenwand des Aktorzylinders 110 hat.
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Die in 2B gezeigte Weiterbildung eines Aktorstempels 160' weist anstelle eines Strömungsspaltes eine Anzahl von acht Strömungsöffnungen 174 auf, welche - analog zum Strömungsspalt - ein Vorbeiströmen eines hier nicht gezeigten Aktormediums 140 am Aktorstempel 160', nämlich von einer strömungszugewandten Stirnseite 162 zu einer strömungsabgewandten Stirnseite 164 und weiter zu einem hier nicht gezeigten Mediumsausgang 104, erlauben. Der Aktorstempel 160' ist ebenfalls zylindrisch, sein Stempeldurchmesser DS2 ist jedoch größer, sodass die äußere Mantelfläche des Aktorstempels 160' die Innenwand des Aktorzylinders 110 berührt oder nahezu berührt. Dabei bleibt jedoch eine axiale Bewegbarkeit des Aktorstempels 160' in Richtung der Hauptachse AH bestehen. Der Aktorstempel 160' weist vorliegend acht Strömungsöffnungen 174 in Form von Bohrungen auf, die sich von der Strömung zugewandten Stirnseite des Aktorstempels 160' zu seiner strömungsabgewandten Stirnseite 164 erstrecken. Die Strömungsöffnungen 174 übernehmen somit die Aufgabe des Strömungsspaltes 170 in der in 2A gezeigten Weiterbildung: Sie erlauben ein Strömen des Aktormediums 140 vorbei an dem Aktorstempel 160'. Durch Variation des Durchmessers und der Anzahl der Strömungsöffnungen 174 kann vorteilhaft der Widerstand des Aktorstempels 160' und somit die Höhe der erzeugten Hubkraft FH konstruktiv beeinflusst werden.
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Der Aktorstempel 160' weist in der vorliegenden Weiterbildung einen zweiten äußeren Stempeldurchmesser DS2 auf, welcher in etwa einem zweiten Innendurchmesser DZ2 des Aktorzylinders 110 entspricht, wobei eine translatorische Bewegbarkeit des Aktorstempels 160' entlang der Hauptachse AH innerhalb des Aktorzylinders 110 gewährleistet sein muss.
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In Weiterbildungen eines Aktorzylinders mit einem derartigen Aktorstempel 160' kann der Grad der Versperrung des Strömungsraums 120 durch den Aktorstempel 160' vorteilhaft mit relativ geringem fertigungstechnischen Aufwand variiert werden. Außerdem sorgt der annähernd gleiche Durchmesser der Innenwand des Aktorzylinders 110 und der äußeren Mantelfläche des Aktorstempels 160' für eine Führung des Aktorstempels 160', wodurch insbesondere auf eine Lagerung des Ventilstößel 182 verzichtet werden kann oder die Anforderung an eine solche Lagerung vorteilhaft reduziert werden.
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2C zeigt eine dritte Weiterbildung eines Aktorstempels 160", bei dem ein Vorbeiströmen durch eine Anzahl von vorliegend acht Strömungskanälen 176 gewährleistet wird. Ähnlich wie bei der in 2B gezeigten Weiterbildung weist dabei der Aktorstempel 160" einen dritten äußeren Stempeldurchmesser DS3 auf, welcher in etwa einem dritten inneren Durchmesser DZ3 des Aktorzylinders 110 entspricht. Hierdurch entsteht - analog zu der in 2B gezeigten Weiterbildung - eine Führung des Aktorstempel 160", welche eine translatorische Bewegbarkeit des Aktorstempels 160" in Richtung der Hauptachse AH gewährleistet.
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Die Strömungskanäle 176 weisen vorliegend einen ungefähr rechteckigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt kann selbstverständlich an die Bedürfnisse eines konkreten Anwendungsfalls oder an bestimmte - insbesondere wirtschaftlich und technisch vorteilhafte - Fertigungsverfahren angepasst werden. Die Strömungskanäle 176 können beispielsweise in die äußere Mantelfläche des Aktorstempels 160" gefräst werden.
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Ebenso ist es möglich die Anzahl der hier acht Öffnungen ab einer Anzahl von eins zu variieren. Dabei kann einerseits die Fläche der Aussparung größer oder auch kleiner sein als die des geschlossenen Bereichs; eine in dieser Hinsicht vergleichsweise extreme Ausbildung ist in der Ausführungsform der 2A gezeigt.
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3 zeigt eine Weiterbildung eines Ventilaktors 100 mit einem Feldgenerator 200, der zwei Feldgeneratormodule, nämlich ein erstes Feldgeneratormodul 200.1 ein zweites Feldgeneratormodul 200.2 aufweist. Weiterhin ist in 3 ein und derselbe Aktorstempel 160 in zwei verschiedenen Hubpositionen PH1, PH2 dargestellt. Das erste Feldgeneratormodul 200.1, welches in Strömungsrichtung des Aktormediums 140 zuerst angeordnet ist, erzeugt ein erstes physikalisches Feld FP1, insbesondere ein erstes magnetisches Feld FM1. Das in Strömungsrichtung des Aktormediums 140 nachfolgend angeordnete zweite Feldgeneratormodul 200.2, welches in 3 unterhalb des ersten Feldgeneratormodul 200.1 angeordnet ist, erzeugt ein zweites physikalisches Feld FP2, insbesondere ein zweites magnetisches Feld FM2.
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Durch eine hier gezeigte Weiterbildung mit mehreren Feldgeneratormodulen 200.1, 200.2 kann vorteilhaft die auf den Aktorstempel 160 wirkende Hubkraft FH entlang des Ventilhubes HV, das heißt in Abhängigkeit seiner Hubposition PH variiert werden, indem durch die verschiedenen physikalischen Felder FP1, FP2, unterschiedliche Viskositäten V1, V2 erzeugt werden und somit die durch die Anströmung resultierende Hubkraft beeinflusst werden kann.
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Durch eine Veränderung der Hubkraft FH kann insbesondere eine Hubgeschwindigkeit VHV des Aktorstempels 160 beeinflusst werden.
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In einer ersten Hubposition PH1 befindet sich der Aktorstempel 160 im ersten physikalischen Feld FP1, welches aufgrund einer ersten Feldspannung UF1 stärker ist als das zweite physikalische Feld FP2 welches vom - von einer zweiten Feldspannung UF2 gespeisten - zweiten Feldgeneratormodul 200.2 erzeugt wird.
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Gemäß dem Konzept der Erfindung weißt das Aktormedium 140 im Bereich des stärkeren ersten physikalischen Feldes FP1 - und insbesondere in der ersten Hubposition PH1 - eine höhere Viskosität V1 auf als eine zweite Viskosität V2 in dem Bereich des schwächeren zweiten physikalischen Feldes FP2 - und insbesondere in der zweiten Hubposition PH2.
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Durch die höhere Viskosität V1 resultiert durch die Anströmung des Aktorstempels 160 in der ersten Hubposition PH1 eine erste Hubkraft FH1, die größer ist als die - durch die Anströmung des Aktorstempels 160 in der zweiten Hubposition PH2 erzeugte zweite Hubkraft FH2.
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Durch eine derartige Anordnung der physikalischen Felder FP1, FP2 kann vorteilhaft ein Geschwindigkeitsprofil entlang des Ventilhubs VH erzeugt werden: so kann insbesondere in diesem Beispiel in der zweiten Hubposition PH2, kurz vor Ende des Ventilhubs VH durch die geringere zweite Hubkraft FH2 eine geringere Hubgeschwindigkeit VHV2 erzeugt werden als eine höhere, erste Hubgeschwindigkeit VHV2 in der ersten Hubposition PH1; so kann der Aktorstempel 160, und somit auch der Ventilstößel 182 und das Ventil 180, vorteilhaft in materialschonender Weise, kurz vor Ende des Ventilhubs VH am unteren Totpunkt UT abgebremst werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist es insbesondere möglich, die physikalischen Felder FP1, FP2 zeitlich zu verändern. So können beispielsweise in einer ersten Hubbewegung BH1 vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT durch entsprechende Feldspannungen UF1, UF2 andere physikalische Felder FP1, FP2 erzeugt werden als bei einer zweiten Hubbewegung BH2 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT.
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Auch ist im Rahmen der Erfindung eine zeitliche Veränderung eines physikalischen Feldes in Weiterbildungen mit Feldgeneratoren mit nur einem Feldgeneratormodul möglich.
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Die 4A, 4B und 4C zeigen mögliche Weiterbildungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Ventilaktors 100.
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In 4A erfolgt nach einem Startpunkt S0 in einem ersten Schritt S1 eine Öffnungsabfrage AO, in der geprüft wird, ob ein Ventil 180, insbesondere zum Einlassen oder zum Auslassen von Lade- bzw. Verbrennungsluft geöffnet werden soll. Diese Öffnungsabfrage AO kann insbesondere an eine hier nicht näher dargestellte Motorsteuerung, beispielsweise in Form einer Electronic Control Unit, gestellt werden. Ist die Öffnungsabfrage AO negativ, das heißt, dass keine Öffnung des Ventils erfolgen soll, wird nach einer ersten Verzweigung V1 in einem zweiten Schritt S2 keine Spannung an den Feldgenerator angelegt, das heißt die Feldspannung UF beträgt weiterhin null, UF = 0. Nach dem Schritt S2 führt der Verfahrensablauf zu einer ersten Rückführung RF1, von der der Verfahrensablauf mit dem ersten Schritt S1 erneut beginnt.
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Ist die Öffnungsabfrage AO hingegen positiv, das heißt, dass das Ventil geöffnet werden soll, wird in einem dritten Schritt S3 eine Spannung an den Feldgenerator angelegt, das heißt, dass die Feldspannung UF größer null ist, UF > 0. Nach dem Schritt S3 führt der Verfahrensablauf ebenfalls zu der ersten Rückführung RF1.
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In 4B ist eine weitere Weiterbildung eines Verfahrens dargestellt. Nach einem Startpunkt S0 wird in einem ersten Schritt S11 ein Kurbelwinkel WK abgefragt, indem sich die Kurbelwelle eines Motors, dessen Ventil durch den Ventilaktor aktuiert wird, momentan befindet. Daraufhin erfolgt in einem zweiten Schritt S12 die Abfrage einer Sollventilerhebung SVE, insbesondere aus einer Ventilerhebungskurvendatenbank 832. In der Ventilerhebungskurvendatenbank 832 ist für eine Anzahl von Werten des Kurbelwinkels WK, insbesondere für jede Gradzahl, festgelegt, ob das Ventil geöffnet werden soll oder nicht.
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Folglich folgt in einem dritten Schritt S13 eine Öffnungsabfrage AO auf Basis des gemessenen Kurbelwinkels WK und der aus der Ventilerhebungskurvendatenbank 832 ermittelten Sollventilerhebung für diesen Kurbelwinkel WK. In dem hier ausschnittsweise gezeigten Beispiel ist bei einem Kurbelwinkel WK von 110° die Öffnungsabfrage negativ, AO = 0, und für einen Kurbelwinkel WK von 111° die Öffnungsabfrage positiv, AO = 1.
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Sollte die Öffnungsabfrage negativ sein, wird nach einer ersten Verzweigung V11 in einem vierten Schritt S14 keine Feldspannung an den Feldgenerator angelegt, das heißt UF = 0. Nach dem vierten Schritt S14 wird der Verfahrensablauf zu einer ersten Rückführung RF11 geführt, von wo das Verfahren ab dem ersten Schritt S11 neu beginnt. Wird nach der ersten Verzweigung V11 in einem fünften Schritt S15 eine Feldspannung UF zur Erzeugung eines physikalischen Feldes FP an den Feldgenerator angelegt, UF > 0. Nach dem fünften Schritt S15 wird der Verfahrensablauf ebenfalls zu der ersten Rückführung RF11 geführt.
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In 4C ist eine dritte Weiterbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines Ventilaktors dargestellt. Nach einem Startpunkt S0 folgt, analog zu in 4B gezeigten Weiterbildung, in einem ersten Schritt S21 die Ermittlung des Kurbelwinkels WK. In einem zweiten Schritt S22 erfolgt die Abfrage der einer Ventilerhebungskurve VEK aus einer Ventilerhebungskurvendatenbank 832. Die Ventilerhebungskurve VEK - in 5 im näheren Detail gezeigt - bildet den Sollverlauf des Ventilhubs VH in Form eines Öffnungsprofils PO über den Kurbelwinkel WK ab. Weiterhin enthält die Ventilerhebungskurve VEK eine Anzahl von Sollwerten für die Feldspannung UF in Form eines Feldspannungsprofils PU, die die Erzeugung des gezeigten Öffnungsprofils PO zur Folge hat. Das Feldspannungsprofil ist dabei ebenfalls über den Kurbelwinkel WK aufgetragen. Vorteilhaft kann die Ventilerhebungskurve VEK, und somit auch das Öffnungsprofil PO und/oder das Feldspannungsprofil PU, in verschiedene Bereiche von Kurbelwinkeln WK in Form von Kurbelwinkelbereichen WKB gegliedert sein. Insbesondere das Feldspannungsprofil PU kann verschiedene Kurbelwinkelbereiche WKB enthalten, für die jeweils ein bestimmter, insbesondere in diesem Kurbelwinkelbereich WKB konstanter, Sollwert für die Feldspannung UF hinterlegt ist.
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In einem darauffolgenden dritten Schritt S23 und den darauf hintereinander folgenden - hier beispielhaft - drei Verzweigungen V31, V32 und V33 wird geprüft, in welchen Kurbelwinkelbereich WKB der gemessene Kurbelwinkel WK fällt.
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In der ersten Verzweigung V31 wird geprüft, ob der gemessene Kurbelwinkel WK in den ersten Kurbelwinkelbereich WKB1 fällt. Der erste Kurbelwinkelbereich WKB1 ist in der vorliegenden beispielhaft gezeigten Ventilerhebungskurve VEK ein erster Bereich von Kurbelwinkeln WK, bei dem ein größer werdender Ventilhub VH zur Öffnung des Ventils führt. Die Öffnung des Ventils 180 von einem geschlossenen Zustand bis zur vollständigen Öffnung mit dem gesamten Ventilhub VH in einem unteren Totpunkt UT liegt in einem Zeitraum zwischen zwei Steuerzeiten TS, nämlich einer ersten Steuerzeit TS1 und einer zweiten Steuerzeit TS2. Daher wird, sofern der gemessene Kurbelwinkel WK in diesem ersten Kurbelwinkelbereich WKB1 fällt, in einem vierten Schritt S24 eine maximale Feldspannung UF=UFMAX an den Feldgenerator 200 angelegt. Auf diese Weise wird die Viskosität V des Aktormediums 140 maximal erhöht, und eine aus der Anströmung des Aktorstempels 160 resultierende Hubkraft FH führt zu einer möglichst hohen Hubgeschwindigkeit VHV zur schnellen Öffnung des Ventils 180.
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Sollte der gemessene Kurbelwinkel WK nicht in den ersten Kurbelwinkelbereich WKB1 fallen, führt die erste Verzweigung V31 zu einer zweiten Verzweigung V32, in der geprüft wird, ob der gemessene Kurbelwinkel WK in einen zweiten Kurbelwinkelbereich WKB2 fällt. Der zweite Kurbelwinkelbereich WKB2 ist in der gezeigten Ventilerhebungskurve VEK ein zweiter Bereich von Kurbelwinkeln, bei dem sich der Ventilhub VH auf seinen maximalen Wert, im unteren Totpunkt UT einstellt. Daher wird die Feldspannung UF in einem fünften Schritt S25 auf eine Öffnungsspannung UFO eingestellt, die geringer ist als die maximale Feldspannung UFMAX. Die Öffnungsspannung UFO führt somit zu einem schwächeren physikalischen Feld FP und somit zu einer geringeren Viskosität V, als dies bei der maximalen Feldspannung UFMAX der Fall ist. Die resultierende Hubkraft FH ist im Fall der Öffnungsspannung UFO also schwächer, aber noch ausreichend zum Offenhalten des Ventils 180, das heißt zum Halten des Ventils im unteren Totpunkt UT. Das Halten des Ventils im unteren Totpunkt UT erfolgt dabei in einerm Zeitraum zwischen der zweiten Steuerzeit TS2 und einer dritten Steuerzeit TS3. Auch kann ein Anlegen der Öffnungsspannung UFO während der letzten Phase des Öffnens, das heißt vor Erreichen des unteren Totpunktes UT, vorteilhaft zu einem Abbremsen des Aktorstempels 160, das heißt zu einer Reduzierung der Hubgeschwindigkeit VHV führen, wodurch vorteilhaft Material geschont wird.
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Sollte der gemessene Kurbelwinkel WK auch nicht in den zweiten Kurbelwinkelbereich WKB2 fallen, führt die zweite Verzweigung V32 zu einer dritten Verzweigung V33, in der geprüft wird, ob der gemessene Kurbelwinkel WK in einen dritten Kurbelwinkelbereich WKB3 fällt.
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In dem dritten Kurbelwinkelbereich WKB3 erfolgt ein Reduzieren des Ventilhubs VH, das heißt ein Schließen des Ventils 180, in einem Zeitraum zwischen der dritten Steuerzeit TS3 und einer vierten Steuerzeit TS4. Hierzu kann in einem sechsten Schritt S26 insbesondere eine negative Entstromungsspannung UFE an den Feldgenerator angelegt werden, das heißt UFE < 0.
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Durch eine negative Entstromungsspannung UFE kann - in dem Fall, dass der Feldgenerator oder ein Feldgeneratormodul eine Spule aufweist und ausgebildet ist, als physikalisches Feld FP ein Magnetfeld FM zu erzeugen, eine schnelle Entstromung der Spule bewirkt werden. Für den Fall, dass der Feldgenerator oder ein Feldgeneratormodul einen Kondensator aufweist und ausgebildet ist, als physikalisches Feld FP ein elektrisches Feld FE zu erzeugen, kann die negative Entstromungsspannung UFE eine schnelle Entstromung des Kondensators bewirken.
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Sollte der gemessene Kurbelwinkel WK auch nicht in den dritten Kurbelwinkelbereich WKB3 fallen, führt die dritte Verzweigung V33 zu einem siebten Schritt S27, in dem keine Spannung an den Feldgenerator angelegt wird, das heißt UF = 0. In diesem Bereich von Werten des Kurbelwinkels WK bleibt das Ventil 180 geschlossen.
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Nach dem siebten Schritt S27 wird das Verfahren, genauso wie nach dem vierten Schritt S24, dem fünften Schritt S25 und dem sechsten Schritt S26, zu einer ersten Rückführung RF21 geführt, von wo das Verfahren mit dem ersten Schritt S21 von vorne beginnt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ventilaktor
- 102
- Mediumseingang
- 104
- Mediumsausgang
- 110
- Aktorzylinder
- 120
- Strömungsraum
- 140
- Aktormedium
- 142
- Magneto-rheologische Flüssigkeit
- 144
- Elektro-rheologische Flüssigkeit
- 160, 160', 160''
- Aktorstempel
- 162
- Strömungszugewandte Stirnseite
- 164
- Strömungsabgewandte Stirnseite
- 170
- Strömungsspalt
- 174
- Strömungsöffnung
- 176
- Strömungskanal
- 180
- Ventil
- 182
- Ventilstößel
- 190
- Rückstellfeder
- 192
- Durchtrittsöffnung
- 194
- Dichtung
- 200
- Feldgenerator
- 200.1, 200.2
- erstes, zweites Feldgeneratormodul
- 202
- Spannungsquelle, Aktorsteuerung
- 204
- Spule
- 206
- Kondensator
- 800
- Ventilaktorsystem
- 820
- Hydraulikpumpe
- 822
- Mediumszuleitung
- 824
- Mediumsrückleitung
- 830
- Steuereinheit
- 832
- Ventilerhebungskurvendatenbank
- 840
- Druckausgleichsbehälter
- 850
- Motorsteuerung, ECU
- 1000
- Brennkraftmaschine
- AH
- Hauptachse
- AO
- Öffnungsabfrage
- BH
- Hubbewegung
- DS
- Stempeldurchmesser
- DS1 - DS3
- erster bis dritter Stempeldurchmesser
- DZ
- Zylinderdurchmesser
- DZ1 - DZ3
- erster bis dritter Zylinderdurchmesser
- FE
- Elektrisches Feld
- FH
- Hubkraft
- FH1, FH2
- erste, zweite Hubkraft
- FM
- Magnetisches Feld
- FM1, FM2
- erstes, zweites magnetisches Feld
- FP
- Physikalisches Feld
- FP1, FP2
- erstes, zweites physikalisches Feld
- FR
- Rückstellkraft
- HS
- Sollhub
- HV
- Ventilhub
- PH
- Hubposition
- PH1, PH2
- erste, zweite Hubposition
- PO
- Öffnungsprofil
- PU
- Feldspannungsprofil
- RF1, RF11, RF21
- Rückführung
- S0
- Startpunkt
- S1 - S3
- erster bis dritter Schritt eines ersten Verfahrens
- S11 - S15
- erster bis fünfter Schritt eines zweiten Verfahrens
- S21 - S27
- erster bis siebter Schritt eines dritten Verfahrens
- SR
- Strömungsrichtung
- SVE
- Sollventilerhebung
- TS, TS1-4
- Steuerzeit, erste bis vierte Steuerzeit
- V
- Viskosität des Aktormediums
- V1, V2
- erste, zweite Viskosität
- VEK
- Ventilerhebungskurve
- VH
- Ventilhub
- VHV
- Hubgeschwindigkeit
- VS
- Strömungsgeschwindigkeit
- UF
- Feldspannung
- UF1, UF2
- erste, zweite Feldspannung
- UFE
- Entstromungsspannung
- UFMAX
- Maximale Feldspannung
- UFO
- Öffnungsspannung
- UHS
- Sollhubspannung
- WK
- Kurbelwinkel
- WKB; WKB1-WKB3
- Kurbelwinkelbereich, erster bis dritter Kurbelwinkelbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10045313 B4 [0003]
- DE 4027630 C1 [0004]
- DE 10231214 A1 [0005]
