DE19610468A1 - Verfahren zur lastabhängigen Steuerung der Gaswechselventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Kolbenbrennkraftmaschinen, die mit frei ansteuerbaren Gas­ wechselventilen betrieben werden, können selbst bei ottomo­ torischen Arbeitsverfahren ohne Drosselklappe betrieben werden. Die Laststeuerung wird bei solchen Motoren durch unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gas­ wechselventile realisiert. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, daß bei hohen Drehzahlen die über die Betätigungs­ mittel minimal erreichbaren Flugzeiten zu lang sind für einen Betrieb mit kleinen Lasten, also bei kleinen Motor­ momenten.

Zur Lösung dieses Problems hat man versucht, allen Gaseinlaß­ ventilen der Brennkraftmaschine oder jeweils den einzelnen Gaseinlaßventilen eine entsprechend ansteuerbare Drossel­ klappe zuzuordnen. Die hierdurch bedingte Erhöhung der Bau- und Steuerelemente führte zu einer nicht vertretbaren Kostenerhöhung.

Ferner wurde versucht, den Betrieb mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten mit einer verringerten Zufuhr von Kraftstoff zu bewirken, wobei entweder ein Magerbetrieb mit λ < 1 realisiert wird oder aber durch die zusätz­ liche Zufuhr von Restgas, so daß bei der gleichen Zylinder­ füllung ein kleinerer Anteil an Frischgemisch zur Verfügung steht. Auch eine derartige Betriebsweise ist nur innerhalb gewisser Grenzen möglich.

Bei einer Betätigung der Gaswechselventile mit Hilfe jeweils eines elektromagnetischen Aktuators, durch den das Ventil über einen Schließmagneten in Schließstellung und über einen Öffnermagneten in Öffnungsstellung jeweils gehalten wird, wobei die Bewegung des Ankers aus der einen Stellung in die andere Stellung jeweils durch Abschalten des Stromes an dem jeweils haltenden Magneten eingeleitet wird und der Bewegungsbeginn durch jeweils die Kraft einer auf den Anker wirkenden Rückstellfeder eingeleitet wird, hat man versucht, die Öffnungszeiten über ein Durchschwingen des Ankers in Richtung auf die Öffnungsstellung ohne ein Fangen durch den Öffnermagneten zu bewirken, wie dies in DE-A 37 08 373 beschrieben ist. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, daß sehr kleine Ventilöffnungszeiten nicht zu realisieren sind, da die Öffnungszeit durch die Eigenfre­ quenz des durch Anker und Ventilkörper sowie durch die beiden Rückstellfedern gebildeten Feder-Masse-Systems vor­ gegeben ist. Diese vorgegebene geringstmögliche Ventilöff­ nungszeit begrenzt nach unten hin aber den fahrbaren Last­ bereich.

Ein weiteres Problem besteht bei Brennkraftmaschinen, die nach dem ottomotorischen Arbeitsverfahren arbeiten, in einer im Vergleich zu gedrosselten Motoren schlechteren Gemischaufbereitung, die durch den fehlenden Unterdruck im Saugrohr wegen der schlechteren Kraftstoffverdampfung bedingt ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß bei einer Laststeuerung über die Gas­ wechselventile die vorstehend geschilderten Nachteile ver­ meidet und damit dieses Steuerverfahren auch für kleinere Lasten verfügbar macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur lastabhängigen Steuerung der Gaswechselventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine dadurch gelöst, daß bei Teillast jeweils zumindest für das Gaseinlaßventil eines Zylinders der Öffnungshub vermindert wird, so daß ein geringerer Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Der durch die Ver­ minderung des Öffnungshubes gegenüber der Normalbetriebs­ weise entsprechend verringerte Strömungsquerschnitt am Ventileintritt hat die Folge, daß auch eine geringere Luft- oder Frischgasmenge angesaugt wird. Andererseits hat der geringere Strömungsquerschnitt im Einlaßbereich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des eintretenden Gases zur Folge, so daß sich hieraus eine bessere Verwirbelung und ein er­ höhter Unterdruck einstellt, der zu einer besseren Gemisch­ aufbereitung führt. Die gewünschte Hubverminderung erfolgt dann durch eine entsprechende Ansteuerung der die Gaswech­ selventile betätigenden Aktuatoren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß während des Ansaugtaktes des betreffenden Zylinders das Gaseinlaßventil wenigstens zweimal in kurzen Zeitabständen mit geringem Hub geöffnet wird, so daß in der Summe eine größere Luft- bzw. Frischgasmenge in den Zylinder gelangt, der Öffnungsquerschnitt aber jeweils gering gehalten wird.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Gaseinlaßventilen je Zylinder während des Teillastbetriebes nur ein Gaseinlaßventil voll betätigt wird und das andere Gaseinlaßventil während des Ansaugtaktes nur kurzzeitig mit geringem Hub geöffnet wird. Normalerweise besteht bei einer betriebspunktabhängigen Port-Deaktivierung, also der zeitweisen Stillegung eines Einlaßventils das Problem, daß sich vor dem stillgelegten Gaseinlaßventil bei jedem Einspritzvorgang eine kleine Menge Kraftstoff ablagert. Somit sammelt sich im Laufe der Zeit eine so große Menge Kraftstoff an, daß bei Wiederinbetriebnahme des Ventils eine zu hohe Kraftstoffmenge in den Zylinder eintritt und dadurch eine Überfettung des Gemisches und in der Folge eine stark erhöhte Kohlenwasserstoffemission erfolgt. Betä­ tigt man nun entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren das "stillgelegte" Gaseinlaßventil aber nur mit einem kleinen Hub und nur für eine kurze Zeit, dann wird der vorgelagerte Kraftstoff in jedem Zyklus in den Zylinder gesaugt und kann sich nicht vor dem Ventil ablagern. Die Vorteile der Stillegung, also beispielsweise eine erhöhte Gemischbewegung im Brennraum, bleibt aufgrund der nur sehr geringen Öffnungsdauer und des kleinen freigegebenen Quer­ schnitts erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere ver­ wirklichen bei Gaswechselventilen, die jeweils zur Betäti­ gung mit einem elektromagnetischen Aktuator in Verbindung stehen, der mit einem, über gegeneinander gerichtete Stell­ federn abgestützten Anker versehen ist, der durch einen elektrischen Schließmagneten in Schließstellung und durch einen elektrischen Öffnermagneten in Öffnungsstellung je­ weils gehalten wird, wobei die Bewegung des Ankers aus der einen Stellung in die andere Stellung jeweils durch Abschalten des Stromes am jeweils haltenden Magneten einge­ leitet wird.

Eine Verkürzung der Ventilöffnungszeit ist bei derartigen elektromagnetischen Aktuatoren in Normalbetriebsweise nur begrenzt möglich, da aufgrund der Eigenfrequenz des Feder- Masse-Systems sowie der durch die endliche Abbauzeit des Magnetfeldes am jeweils haltenden Magneten verursachte Klebzeit des Ankers bedingte Öffnungszeit nicht unterschrit­ ten werden kann. Um nun auch bei der Verwendung derartiger elektromagnetischer Aktuatoren bei Teillast den Öffnungshub zu vermindern, ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß kurz nach dem Abschalten des Haltestrom am Schließmagneten zur Einleitung der Öffnungsbewegung dieser zur Einleitung einer vorzeitigen Schließbewegung wieder mit Schließstrom beaufschlagt wird. Hierdurch wird der Anker unmittelbar nach Beginn der Öffnungsbewegung "abgebremst", so daß die Energie der Rückstellfeder nicht ausreicht, diesen bis zur Polfläche des Öffnermagneten durchzuschwingen. Der Anker kehrt je nach dem Zeitpunkt, zu dem der Schließmagnet wieder mit Schließstrom beaufschlagt wird, zumindest kurz nach Erreichen der durch die beiden Rückstellfedern vorgegebenen Ruheposition des Ankers oder sogar früher in seiner Bewegung wieder um. Zweckmäßigerweise wird bei Betrieb mit Hubreduzierung der Öffnermagnet strom­ los gehalten.

Das "Abbremsen" des Ankers kann bei Betrieb mit Hubreduzie­ rung dadurch bewirkt werden, daß nach Ablauf einer vorgeb­ baren Zeit der Schließstrom wieder eingeschaltet wird. Diese Zeit kann fest vorgegeben sein oder aber über die Steuereinrichtung entsprechend den gegebenen Lastanforde­ rungen variiert werden.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist vorgesehen, daß bei Betrieb mit Hubreduzierung der Schließstrom nach Erkennung des Bewegungsbeginns und/oder bei Erkennung einer bestimmten Ankerposition einge­ schaltet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß der Anker bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in Richtung auf die Öffnungsstel­ lung bei Betrieb mit Hubreduzierung nach dem Abschalten des Haltestroms durch ein zusätzliches Brems-Magnetfeld abgebremst wird. Da mit dem Einschalten des Schließstroms der Wiederaufbau des Magnetfeldes am Schließmagneten eine gewisse Zeit erfordert, setzt die Bremswirkung durch den Schließmagneten nämlich erst ein, wenn der Anker bereits mit seiner Bewegung begonnen hat, also unter der Einwirkung der Rückstellfeder eine entsprechende kinetische Energie aufgebaut hat. Noch ehe das Magnetfeld voll aufgebaut ist, hat sich der Anker außerdem bereits eine gewisse Strecke vom Schließmagneten entfernt, so daß die Kraftwirkung be­ reits deutlich abgenommen hat. Durch die Einwirkung eines zusätzlichen Brems-Magnetfeldes, das durch einen zusätzli­ chen Polschuh aufgebracht werden kann, der sich auf dem Weg zwischen den beiden Polflächen des Schließmagneten und der Ruhelage befindet, kann eine Kraft sehr effektiv auf den Anker aufgebracht werden, auch wenn dieser sich bereits etwas von der Polfläche des Schließmagneten entfernt hat. Dabei kann der magnetische Fluß durch diesen Polschuh über die Spule des Schließmagneten oder aber auch durch eine separate Spule erzeugt werden, die dann unabhängig von der Spule des Schließmagneten angesteuert werden kann, noch bevor der Strom durch den Schließmagneten abgeschaltet wird. Auch hier kann das Einschalten des Stromes an der Zusatzspule automatisch nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Abschalten des Haltestroms erfolgen oder aber auch nach Erkennung des Bewegungsbeginns des Ankers oder bei Erkennung einer bestimmten Ankerposition.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anker zumindest bei seiner Bewegung in die Schließstellung über die Rückstellfedern mit einer progressiv ansteigenden Rückstellkraft beaufschlagt wird. Durch die Verwendung einer Rückstellfeder mit progressiver Kennlinie, deren Kennlinienverlauf in etwa dem Verlauf der Magnetkraft in Abhängigkeit vom Abstand des Ankers zur Polfläche entspricht, jedoch im Vergleich zur Magnet­ kraft kleiner ist, ergibt sich der Vorteil, daß unabhängig vom Abstand des Ankers zur Polfläche des betreffenden Magneten die Magnetkraft bei jedem Abstand des Ankers zur Polfläche größer ist als die Federkraft, so daß ein Anzie­ hen des Ankers immer gewährleistet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß für einen Betrieb mit Hubreduzierung die Ruhelage des Ankers zwischen Schließmagnet und Öffnermagnet in Richtung auf den Schließmagneten verschoben wird. Dies kann beispielsweise durch eine Veränderung der Vorspannung bewirkt werden, beispielsweise durch eine Reduzierung der Vorspannung der den Schließmagneten zugeordneten Rückstell­ feder und/oder eine Erhöhung der Vorspannung der dem Öff­ nermagneten zugeordneten Rückstellfeder.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird vorgeschlagen, daß ein reduzierter Öffnungshub durch ein in Öffnungsrichtung wirkendes zusätzliches Öffner-Magnetfeld und einen Zusatzanker bewirkt wird, der mit dem Gaswechselventil in Verbindung steht und dessen Hubweg einem vorgegebenen reduzierten Öffnungshub entspricht und der unabhängig vom Anker geführt wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der verminderte Öffnungshub durch ein eigenes Magnetspulen-Anker-System erzeugt wird, durch das lediglich die Kraft der Schließfeder zu überwinden ist. Das System kann entsprechend "schnell" ausgelegt werden, wobei der Energieverbrauch aufgrund des begrenzten kleinen Hubes sehr gering ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der das zusätzliche Öffnermagnetfeld erzeugende Magnet zusammen mit dem Öffnermagneten bestromt wird. Hierdurch wird eine Erhöhung der Zahl der Stromzuleitungen für den elektromagnetischen Aktuator vermieden, da der zusätzliche Öffnermagnet und der Öffnermagnet über die gleiche Zuleitung bestromt werden können. Da bei einem Betrieb mit reduziertem Hub nur kurze Impulse auf das System einwirken, ergibt sich kein nachteiliger Einfluß auf das Gesamtsystem.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei ferner vorgesehen, daß der Öffnermagnet und der das zusätzliche Öffner-Magnetfeld erzeugende Magnet über eine gemeinsame Zuleitung mit der Steuereinrichtung in Verbindung stehen und daß über eine Schaltanordnung jeweils bei Vollhub des Gaswechselventils die Bestromung des zusätz­ lichen Öffner-Magneten und bei reduziertem Hub die Bestro­ mung des Öffnermagneten unterbrochen wird.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Wegkurven eines elektromagnetisch betätigten Ventils,

Fig. 2 einen elektromagnetischen Aktuator mit Einrichtung zur Aufbringung eines "Brems­ feldes",

Fig. 3 den Bewegungsverlauf eines Gaseinlaßventils mit taktweiser Betätigung während der Ansaugphase,

Fig. 4 den Bewegungsablauf der Gaseinlaßventile an einem Zylinder mit zwei Gaseinlaßven­ tilen,

Fig. 5 Kraftwegdiagramme unterschiedlich ausgeleg­ ter Rückstellfedern im Verhältnis zur Magnetkraft,

Fig. 6 einen elektro-magnetischen Aktuator mit zusätzlichem Öffnermagneten zur Erzeugung eines fest vorgegebenen reduzierten Öffnungshubes,

Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 6,

Fig. 8 eine andere Ausführungsform in der Anord­ nung eines zusätzlichen Öffnermagneten an einem elektro-magnetischen Aktuator.

In Fig. 1 zeigt die Kurve a) die Bewegung eines Gaseinlaß­ ventiles während des Ansaugtaktes aus der vollständig ge­ schlossenen Stellung I, wobei zum Zeitpunkt T₁ die Bewegung des Gaswechselventils einsetzt, zum Zeitpunkt T₂ das Gas­ wechselventil vollständig geöffnet ist und nach Ablauf einer vorgegebenen Haltezeit T_H zum Zeitpunkt T₃ über das Betätigungsmittel das Gaswechselventil wieder aus der Öff­ nungsstellung in die geschlossene Stellung zurückbewegt wird und hierbei zum Zeitpunkt T₄ den Gaseinlaß wieder vollständig verschließt.

Der Öffnungszeitraum T_H kann nun lastabhängig angesteuert werden, wobei jedoch bei Gaswechselventilen, die über elek­ tromagnetische Aktuatoren betätigt werden, diese Haltezeit T_H wegen der sogenannten "Klebzeit" des Ankers am Öffner­ magneten nicht unterschritten werden kann.

Ähnliche Bewegungsabläufe ergeben sich auch bei Gaswechsel­ ventilen, die beispielsweise über hydraulische Aktuatoren betätigt werden. Auch hier ergeben sich infolge der Träg­ heit des Druckmittels bei der Umsteuerung entsprechende Zeitverzögerungen, die nicht vermindert werden können.

Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, besteht nun bei der Verwendung elektromagnetischer Aktuatoren die Möglichkeit, durch eine entsprechende Ansteuerung des Öff­ nermagneten zu bewirken, daß der Anker in der Öffnungs­ stellung nicht am Öffnermagneten zur Anlage kommt, sondern vorher wieder unter der Einwirkung der Rückstellfeder zu­ rückschwingt. Wie aus der Kurve b) ersichtlich, erreicht bei dieser Betriebsweise das Ventil seine Schließstellung bereits zum Zeitpunkt T₅, ohne vorher am Öffnermagneten zur Anlage zu kommen, so daß hier eine Verkürzung der Ven­ tilöffnungszeit möglich ist. Eine nennenswerte Reduzierung des Öffnungshubes ist insbesondere bei hohen Drehzahlen und geringer Lastanforderung aufgrund der Eigenfrequenz des aus Anker und Ventil einerseits und den Rückstellfedern andererseits gebildeten Feder-Masse-Systems nicht möglich.

Wie der Bewegungsverlauf des Gaswechselventils entsprechend der Kurve c) zeigt, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren bei Teillast für das Gaseinlaßventil des betreffenden Zylinders der Öffnungshub vermindert, so daß dementspre­ chend ein geringerer Strömungsquerschnitt vom Ventil freige­ geben wird. Wie der Vergleich mit den Kurven a) und b) zeigt, erfolgt hierbei keine nennenswerte Reduzierung der Öffnungszeit, so daß selbst bei hohen Drehzahlen und den gegebenen Beschleunigungskräften trotzdem eine lastabhängige Steuerung im Teillastbereich über die Gaswechselventile möglich ist.

In Fig. 2 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 schema­ tisch dargestellt, der einen mit einem Gaswechselventil 2 verbundenen Anker 3 sowie einen dem Anker 3 zugeordneten Schließmagneten 4 und einen Öffnermagneten 5 aufweist.

Der Anker 3 wird über Rückstellfedern 6 und 7 bei stromlos gesetztem Magneten in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 4 und 5 gehalten, wobei der jeweilige Abstand zu den Polflächen 8 der Magneten 4, 5 von der Auslegung der Federn 6 und 7 abhängt. Bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel sind die beiden Federn 6 und 7 gleich ausge­ legt, so daß die Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den beiden Polflächen 8 befindet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

In Schließstellung liegt der Anker 3 an der Polfläche des Schließmagneten 4 an, dies entspricht der Position I in der Bewegungskurve in Fig. 1a. In Öffnungsstellung liegt der Anker 3 an der Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 an. Dies entspricht der Pos. II in Fig. 1a.

Zur Betätigung des Gaswechselventils 2, d. h. zur Einleitung der Bewegung aus der geschlossenen Position I in die geöff­ nete Position 11, wird der Haltestrom am Schließmagneten 4 abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Schließ­ magneten 4 unter die Federkraft der Rückstellfeder 6 ab und der Anker 3 beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers 3 durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers durch die Federkraft der dem Öffnermagneten 5 zugeordneten Rückstell­ feder 7 abgebremst. Um nun den Anker 4 in der Öffnungsposi­ tion zu fangen und zu halten, wird der Öffnermagnet 5 mit Strom beaufschlagt. Zum Schließen des Gaswechselventils erfolgt dann der Schaltungs- und Bewegungsablauf in umge­ kehrter Richtung.

Aufgrund der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems sowie der durch die endliche Abbauzeit des jeweiligen Magnetfeldes verursachte Klebzeit des Ankers 3 am Schließmagneten 4 bzw. am Öffnermagneten 5 ergibt sich das eingangs bereits anhand von Fig. Ia beschriebene Problem, daß bei hohen Drehzahlen die geringstmögliche Öffnungszeit für einen Betrieb mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten zu lang ist.

Wie anhand von Fig. 1b gezeigt, läßt sich dieses Problem auch nicht dadurch beheben, daß lediglich der Schließmagnet stromlos gesetzt wird und der Öffnermagnet stromlos bleibt, so daß der Anker 3 unter der Wirkung der Rückstellkraft der Feder 6 frei durchschwingen kann.

Um mit einem derartigen elektromagnetischen Aktuator die gewünschte, in Fig. 1c dargestellte Hubreduzierung zu be­ wirken, wird nun innerhalb einer vorgegebenen kurzen Zeit nach dem Abschalten des Haltestroms am Schließmagneten 4 ggf. nach Erkennung des Beginns der Bewegung des Ankers 3 der Schließmagnet 4 wieder mit Schließstrom beaufschlagt. Das sich aufbauende Magnetfeld wirkt der Kraft der Rückstell­ feder 6 entgegen, so daß der Anker 3 "abgebremst" wird und nicht mehr voll über die Ruhestellung hinaus durch­ schwingen kann. Je nach Größe und/oder Einschaltzeitpunkt des aufzuschaltenden Schließstroms kehrt der Anker entweder kurz nach Erreichen der Ruhelage oder sogar schon vorher um und kommt wieder an der Polfläche 8 des Schließmagneten 4 zur Anlage. Das Einschalten des Schließstroms kann dabei automatisch nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit erfolgen. In gleicher Weise ist es auch möglich, bei elektromagneti­ schen Aktuatoren mit Mitteln zur Erkennung der Ankerbewegung oder zur Erkennung einer vorgegebenen Ankerposition den Schließstrom in Abhängigkeit von der Erkennung der Anker­ bewegung einzuschalten und so das Gaswechselventil 2 nach kurzer Zeit, insbesondere aber nach nur geringem Hub wieder zu schließen.

Um nun die Rückführung des Ankers 3 schon nach kurzer Hub­ bewegung an den Schließmagneten 4 sicher zu bewerkstelligen, ist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ein Zusatzmagnet 9 vorgesehen, der im wesentlichen aus einer Magnetspule 10 und Polschuhen 11 besteht. Die Polschuhe 11 sind hierbei in Bewegungsrichtung des Ankers 3 mit Ab­ stand zur Polfläche 8 des Schließmagneten 4 angeordnet. Wird nun die Spule 10 des Zusatzmagneten 9 mit Strom be­ aufschlagt, wenn durch Abschalten des Haltestroms am Schließ­ magneten 4 der Anker 3 sich in Bewegung setzt, dann wirkt über die Polschuhe 11 auf den Anker 3 ein Magnetfeld, das die Kraftwirkung der Feder 6 mindert, so daß der Anker 3 in seiner Bewegung abgebremst wird. Da nun gleichzeitig oder kurz nach dem Zuschalten des Zusatzmagneten 9 auch der Schließmagnet 4 wieder mit Schließstrom beaufschlagt wird, kann der Anker 3 bereits nach kurzem Hub wieder am Schließmagneten 4 zur Anlage gebracht werden.

Die Polschuhe 11 können auch unmittelbar mit dem Körper des Schließmagneten 4 verbunden sein, so daß die Aktivie­ rung der Bremskraft auch über eine entsprechend abgestimmte Bestromung der Spule des Schließmagneten 4 erfolgen kann.

Da mit frei ansteuerbaren Aktuatoren, insbesondere mit elektromagnetischen Aktuatoren der vorbeschriebenen Art kurze Schaltzeiten und gegenüber dem Normalhub des Gaswech­ selventils stark verminderte Ventilhübe möglich sind, bietet sich für die Laststeuerung im Teillastbereich auch die Möglichkeit an, das Gaseinlaßventil während der Ansaug­ zeit T_A nicht nur einmal mit einem reduzierten Hub zu betä­ tigen, wie dies in Fig. 1c dargestellt ist, sondern in dem Ansaugzeitraum T_A mit noch stärker reduziertem Hub aber mehrfach zu betätigen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist anhand des Bewegungsablaufes der Ventile zwischen der vollständig geschlossenen Stellung und der vollständig geöffneten Stellung ein weiterer Anwendungs­ fall dargestellt und zwar für die Gaseinlaßventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Gaseinlaßventilen je Zylinder. Bei derartigen Kolbenbrennkraftmaschinen erfolgt im Teillastbereich eine sogenannte Port-Deaktivierung, bei der eines der Gaseinlaßventile in der Ansaugphase nicht betätigt wird, so daß die gesamte Luft- und/oder Frischgas­ menge nur über ein Gaseinlaßventil angesaugt wird. Die Kurve 12 zeigt hierbei den Bewegungsablauf des im Teillast­ bereich mit vollem Hub betätigten Gaseinlaßventils.

Da sich vor dem während der Teillaststeuerung geschlossen gehaltenen anderen Gaswechselventil während dieser Geschlos­ senphase entsprechende Kraftstoffmengen ansammeln, die dann beim Übergang in den Normalbetrieb beim ersten Öffnen in den Zylinder gelangen und hierbei das Gemisch überfetten, wird nun dieses an sich deaktivierte zweite Ventil während des Ansaugtaktes nur ganz kurz und nur mit ganz geringem Hub geöffnet, so daß der vorgelagerte Kraftstoff eingelassen wird, ohne daß hierdurch die Strömungsverhältnisse im Zylin­ der beeinträchtigt werden. Dieser Bewegungshub des zweiten, an sich deaktivierten Gaseinlaßventils ist in der Kurve 13 wiedergegeben.

Das anhand von Fig. 2 beschriebene Verfahren des "Abbremsens" des Ankers 3 zur Verbesserung des "Wiedereinfangens" nach dem Einschalten des Schließstromes läßt sich außer durch die Einwirkung eines zusätzlichen Magnetfeldes auch durch eine konstruktive Auslegung der Rückstellfedern 6 und/oder 7 bewirken.

In Fig. 5 ist im Diagramm der Verlauf der Magnetkraft F_M beispielsweise des Schließmagneten 4 in bezug auf den Ab­ stand zu seiner Polfläche 8 wiedergegeben. Die zugehörigen Rückstellfedern 6 und 7 sind üblicherweise linear ausgelegt, wie dies durch den dargestellten Verlauf der Federkraft F_F wiedergeben ist. Der Schnittpunkt x₀ zeigt in diesem Diagramm die Mittellage des Ankers 3 bei stromlosen Halte­ magneten an, während der Punkt x₁ der Endlage des Ankers an der Polfläche 8 des Schließmagneten 4 und der Punkt x₂ der Endlage des Ankers an der Polfläche 8 des Öffner­ magneten 5 entspricht.

Die in der jeweiligen Endlage erforderlich Federkraft sei F₀. Durch die Überlagerung der Kraft der Rückstellfeder 6 und der Rückstellfeder 7 ergibt sich ein Kraftgleichgewicht in der Ruhelage x₀ bei linearem Verlauf der Kraft bis zu den jeweiligen Endlagen.

Die Magnetkraft FM ist der Federkraft FF entgegengerichtet und zeigt eine quadratische Abnahme bei Erhöhung des Ab­ standes zwischen Anker und zugehöriger Polfläche. Hieraus ist ersichtlich, daß der Anker aus seiner Ruhelage x₀ nicht angezogen werden kann, da es einen Zwischenbereich 14 gibt, in dem die Federkraft F_F größer ist als die Magnetkraft F_M.

Verwendet man nun für die Rückstellfedern 6 und 7 Federn mit progressiven Kennlinien, so ergeben sich für einen elektromagnetischen Aktuator in der anhand von Fig. 2 darge­ stellten Bauweise die in Fig. 5b dargestellten Kraftverläufe. Der Verlauf der Magnetkraft entspricht der Darstellung in Fig. 5a. Bei entsprechender Auslegung der Rückstellfedern 6 und 7 mit progressiven Kennlinien ergeben sich die in Fig. 5b dargestellten Kraftverläufe mit dem Kurventeil F_F6 für die Rückstellfeder 6 und F_F7 für die Rückstellfeder 7 bei identischer Federauslegung. Es ist ersichtlich, daß die Magnetkraft F_M bei jedem Abstand des Ankers 3 von der Polfläche 8 des Schließmagneten 4 höher ist als die Feder­ kraft, so daß bei einem Betrieb mit Hubminderung beim Ein­ schalten des Schließstromes der Anker abgebremst und wieder angezogen werden kann. Auch ein Anziehen des Ankers aus der Ruhelage x₀ ist problemlos möglich.

Da der Verlauf der Magnetkraft für den Öffnermagneten 5 zu dem Verlauf der Federkennlinie F_F7 der Rückstellfeder 7 entsprechend ist, ist bei stromlos gesetztem Aktuator auch für den Normalbetrieb ein Start je nach der Vorgabe durch das Steuerprogramm aus der Ruhelage heraus sowohl in die Schließstellung als auch in die Offenstellung möglich.

Wird nur eine der beiden Rückstellfedern, beispielsweise die Rückstellfeder 6 progressiv ausgelegt, so ergibt sich der in Fig. 5c dargestellte Verlauf der Federkraft. Auch hier ergibt sich, daß die Magnetkraft F_M bei jedem Abstand höher ist als die Federkraft F_F6. Es stellt sich im übrigen eine neue Ruhelage x′₀ ein, bei der ohne das Vorhandensein einer Magnetkraft eine Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Federn herrscht. Aus dieser Darstellung ist ersicht­ lich, daß auch über die Auslegung der Federn die Ruhelage x₀ in bezug auf die Polflächen 8 der beiden Magneten 4 und 5 beeinflußt werden kann, was im übrigen auch bei linearen Federn durch Veränderung der Vorspannung an einer der beiden Rückstellfedern ebenfalls möglich ist.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten elektromagnetischen Aktuators in Schließstellung. Bei dieser Abwandlung ist auf den Schließmagneten 4 ein zusätzlicher Öffnermagnet 12.1 aufgesetzt, der auf einen Zusatzanker 13.1 in Öffnungsrichtung einwirkt. Der Zusatzanker 13.1 ist von dem mit dem Anker 3 verbundenen Führungsschaft 15 abge­ koppelt und mit einem eigenen Führungsschaft 16 versehen. Der Zusatzanker 13.1 wird hierbei durch die Haltefeder 14.1 im Abstand zur Polfläche 17 des Zusatzmagneten 12.1 gehalten, so daß im Normalbetrieb der Anker 3, wie vorste­ hend beschrieben, jeweils zwischen der Polfläche des Schließ­ magneten 4 und des Öffnermagneten 5 sich mit vollem Hub hin- und herbewegen kann. Soll nun das betreffende Gaswechselven­ til im Teillastbetrieb deaktiviert werden, d. h. in Schließ­ stellung gehalten werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, dann kann jeweils im normalen Arbeitstakt durch eine entsprechende Bestromung des Zusatzmagneten 12.1 bei gleich­ zeitigem kurzfristigen Stromlossetzen des Haltemagneten 4, das Gaswechselventil 2 um den durch den Abstand a vorge­ gebenen definierten Kurzhub a geöffnet und durch anschließende Bestromung des Schließmagneten 4 wieder geschlossen werden. Über den in Öffnungsrichtung wirkenden Zusatzmagneten 12.1 wird hierbei die Klebkraft des Schließmagneten überwunden, so daß das Stromlossetzen und das Bestromen des Halte­ magneten sich zeitlich mit dem Bestromen und Stromlossetzen des Zusatzmagneten 12.1 überschneiden kann.

In Fig. 7 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 6 dargestellt. Die Ausführungsform gem. Fig. 7 unter­ scheidet sich von der Ausführungsform gem. Fig. 6 im wesent­ lichen durch eine andere Anordnung der Federn 6 und 7, die auf der dem Gaswechselventil zugekehrten Stirnseite des Öffnermagneten 5 in Form einer geschachtelten Federpatrone angeordnet sind. Die Feder 6 ist hierbei wiederum mit der Führungsstange 15 des Ankers 3 über ein Glockenelement 15.1 verbunden, das seinerseits sich auf dem mit einem Stützteller 19 versehenen Schaft 18 des Gaswechselventils als getrenntes Bauteil abstützt, so daß die Feder 6 auf das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung einwirkt.

Die in Schließrichtung auf das Gaswechselventil einwirkende Feder 7 stützt sich hierbei auf dem Zylinderkopf ab und wirkt über den Stützteller 19 auf das Gaswechselventil in Schließrichtung, so daß beide Federn 6 und 7 gegenein­ andergerichtet sind und den Schaft 18 des Gaswechselventils 2 und die Führungsstange 15 des Ankers 3 aneinanderdrücken.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Führungsschaft 15 des Ankers 3 hohl ausgebildet und der Führungsschaft 16 bis das Ende des Schaftes 18 des Gas­ wechselventils 2 hindurchgeführt. Diese Anordnung weist eine geringe Bauhöhe auf und erlaubt es, bei einem Betrieb mit reduziertem Hub über den Anker 3 und den bestromten Schließmagneten 4 das Gaswechselventil 2 in Schließ­ stellung zu halten, so daß bei einer Bestromung des Zusatz­ magneten 12.1 über dessen Anker 13.1 unmittelbar auf das Gaswechselventil 2 eingewirkt werden kann und dieses um den vorgegebenen reduzierten Hub a geöffnet werden kann.

Um nun eine zusätzliche Stromzuführung zum Zusatzmagneten 12.1 zu vermeiden, ist dieser über eine entsprechende Schaltungsanordnung an die Zuleitungen 21 und 22 zum Öffner­ magneten 5 angeschlossen, die so ausgelegt ist, daß bei Vollastbetrieb, also einer Betätigung des Gaswechselventils mit vollem Hub, der Zusatzmagnet 12.1 stromlos bleibt, andererseits bei einem Betrieb mit reduziertem Hub nur der Zusatzmagnet 12.1 bestromt wir, während der Öffnermag­ net 5 stromlos bleibt.

Diese Schaltungsanordnung ist schematisch dargestellt. Sie weist im wesentlichen vier Schaltelemente S1, S2, S3 und S4 auf, die in der dargestellten Weise angeordnet sind. Diese Schaltelemente S1 bis S4 sind nun so miteinander verknüpft, daß wahlweise die Zuleitungen 21 und 22 zum Öffnermagneten 5 oder die Zuleitungen 21.1 und 22.1 zum Zusatzmagneten 12.1 mit strombeaufschlagt werden können. Zusätzlich zu den Schaltelementen S1 bis S4 sind in den Zuleitungen 21.1 und 22.1 zum Zusatzmagneten 12.1 noch die Dioden D1 zum Öffnermagneten 5 und D2 zum Zusatzmagne­ ten 12.1 angeordnet. Die Anordnung ist nun so getroffen, daß der Zusatzmagnet 12.1 bestromt wird, wenn die Schalt­ elemente S2 und S3 geschlossen sind, während die Schaltele­ mente S1 und S4 geöffnet sind. Die Diode D1 in der Zulei­ tung 21 zum Öffnermagneten 5 sperrt hierbei.

Werden umgekehrt die Schaltelemente S1 und S4 geschlossen und die Schaltelemente S2 und S3 geöffnet, dann bleibt der Zusatzmagnet 12.1 stromlos, während der Öffnermagnet 5 entsprechend der Ansteuerung durch die Motorsteuerung bestromt wird. Die Diode D2 in der Zuleitung 22.1 zum Zu­ satzmagneten 12.1 sperrt in diesem Fall den Stromfluß.

Zusätzlich kann in der Zuleitung 22.1 zum Zusatzmagneten 12.1 noch ein Sicherheitsschalter 55 vorgesehen werden, um zu verhindern, daß beim Schalten des Öffnermagneten 5 die Induktionsspannung zu einer Betätigung des Zusatz­ magneten 12.1 führt.

In Fig. 8 ist eine weitere, abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei der der Anker 3 mit seiner Führungsstange 15 zwischen der Polfläche des Schließmagneten 4 und des Öffnermagneten 5 hin- und herbewegbar geführt ist. In dieser Stellung ist das System wiederum in Schließstellung des Gaswechselsystems dargestellt.

Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind bei dieser Ausführungsform die Rückstellfedern 6 und 7 nicht mehr im Bewegungsraum des Ankers 3 zwischen Schließ­ magnet 4 und Öffnermagnet 5 angeordnet, sondern jeweils auf der den Polflächen der betreffenden Magneten abge­ wandten Seiten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Rückstellfeder 7 auf einen mit dem Ventilschaft 18 verbundenen Halteteller 19 in Schließrichtung. Der Ventilschaft 18 und der Führungs­ schaft 15 des Ankers 3 sind hierbei geteilt.

Der in Öffnungsrichtung wirkende Zusatzmagnet 12.1 ist bei diesen Ausführungsbeispiel dem Öffnermagneten 5 zuge­ ordnet, wobei auf der der Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 abgekehrten Seite der zusätzliche Anker 13.1 angeordnet ist, der beispielsweise im Joch des Öffnermagneten 5 ge­ führt sein kann und über eine Haltefeder 14.1 in Ruhestel­ lung gehalten wird. Der Abstand des Ankers 13.1 zur Pol­ fläche 20 des Zusatzmagneten 12.1 bestimmt wieder das Maß des reduzierten Öffnungshubes.

Bei dieser Ausführungsform wird bei ununterbrochener Bestro­ mung des Schließmagneten 4 das Gaswechselventil über die Feder 7 in Schließstellung gehalten. Wird nun der Zusatz­ magnet 12.1 bestromt, dann wird über den Anker 13.1 das Gaswechselventil um das vorgegebene Maß a für die Dauer der Bestromung geöffnet. Sobald der Zusatzmagnet 12.1 stromlos gesetzt wird, wird das Gaswechselventil wieder über die Feder 7 geschlossen.

Um nun die Zahl der Zuleitungen zu den einzelnen Magnet­ spulen nicht erhöhen zu müssen, sind bei dem hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel die Zuleitungen des Öffner­ magneten 5 und des Zusatzmagneten 12.1 miteinander ver­ knüpft und durch ein Schaltelement S6 sichergestellt, daß bei einem Betrieb mit vollem Hub der Zusatzmagnet 12.1 nicht bestromt wird und umgekehrt, bei einem Betrieb mit reduziertem Ventilhub, nur der Zusatzmagnet 12.1 bestromt wird. An die beiden Zuleitungen 21 und 22 des Öffnermagne­ ten 5 sind die beiden Zuleitungen 21.1 und 22.1 des Zusatz­ magneten 12.1 angeschlossen. Hierbei ist in der Zuleitung 21 zum Öffnermagneten 5 hinter dem Anschlußpunkt 23 der Zuleitung 21.1 des Zusatzmagneten 12.1 ein Schaltelement S7 vorgesehen. Die Schaltelemente sind hierbei so ausgelegt, daß je nach der durch die Motorsteuerung vorgegebenen Bestro­ mung bei Vollhubbetrieb der Öffnermagnet 5 bestromt wird, während durch eine entsprechende Schaltstellung des Schalt­ elementes S7 der Zusatzmagnet stromlos bleibt.

Wird durch die Motorsteuerung das betreffende Gaswechsel­ ventil stillgesetzt, so daß, wie vorstehend beschrieben, das stillgesetzte Gaswechselventil nur mit einem extrem reduzierten und nur zeitlich sehr kurzen Öffnungshub arbei­ ten soll, dann wird entsprechend das Schaltelement S6 geöff­ net und das Schaltelement S7 geschlossen, so daß anstelle des Öffnermagneten 5 nur der Zusatzmagnet 12.1 entsprechend der durch die Motorsteuerung vorgegebenen Öffnungsfrequenz und Öffnungszeit bestromt wird.

In Fig. 7 und 8 sind die Schaltelemente nur schematisch dargestellt. In der Praxis werden hier elektronische Schalter eingesetzt, beispielsweise Transistoren.

Wendet man die anhand der Fig. 6, 7 und 8 beschriebene Verfahrensweise für Gaseinlaßventile einer Kolbenbrennkraft­ maschine an, dann ergeben sich weitere Vorteile im Betrieb. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Aktuatoren der Gaseinlaßventile ist es möglich, diese jeweils während des Ausstoßhubes des zugehörigen Zylinders über das Zusatz­ öffner-Magnetfeld kurzzeitig zu öffnen, so daß eine geringe Abgasmenge stoßartig mit hoher Geschwindigkeit in den Gasein­ laßkanal austritt und hier zu einer Wirbelbildung und damit zu einer besseren Gemischaufbereitung beim nachfolgenden Ansaughub führt.

Claims (13)

1. Verfahren zur lastabhängigen Steuerung der Gaswechsel­ ventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Teillast jeweils zumindest für das Gasein­ laßventil eines Zylinders der Öffnungshub vermindert wird, so daß ein geringerer Strömungsquerschnitt freigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ansaugtaktes des betreffendes Zylinders das Gaseinlaßventil wenigstens zweimal in kurzen Zeitabständen mit geringem Hub geöffnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Gaseinlaßventilen je Zylinder während des Teillastbetriebs nur ein Gaseinlaßventil voll betätigt wird und das andere Gaseinlaßventil während des Ansaugtaktes nur kurzzeitig und mit geringem Hub geöffnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gaswechselventilen, die jeweils zur Betätigung mit einem elektromagnetischen Aktuator in Verbindung stehen, der mit einem über gegeneinander gerich­ tete Rückstellfedern abgestützten Anker versehen ist, der durch einen elektrischen Schließmagneten in Schließstellung und durch einen elektrischen Öffnermagneten in Öffnungs­ stellung jeweils gehalten wird, wobei die Bewegung des Ankers aus der einen Stellung in die andere Stellung jeweils durch Abschalten des Stroms am jeweils haltenden Magneten eingeleitet wird, ein reduzierter Öffnungshub dadurch be­ wirkt wird, daß kurz nach dem Abschalten des Haltestroms am Schließmagneten zur Einleitung der Öffnungsbewegung dieser zur Einleitung einer vorzeitigen Schließbewegung wieder mit Schließstrom beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit Hubreduzierung der Öffnermagnet stromlos bleibt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit Hubreduzierung der Schließstrom nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit wieder eingeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit Hubreduzierung der Schließstrom nach Erkennung des Bewegungsbeginns des Ankers und/oder bei Erkennung einer bestimmten Ankerposition einge­ schaltet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in Richtung auf die Öffnungsstellung bei Betrieb mit Hubreduzierung nach dem Abschalten des Halte­ stroms durch ein zusätzliches Brems-Magnetfeld abgebremst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zumindest bei seiner Bewegung in die Schließstellung über die Rückstellfedern mit einer progressiv ansteigenden Rückstellkraft beaufschlagt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Betrieb mit Hubreduzierung die Ruhelage des Ankers zwischen Schließmagnet und Öff­ nungsmagnet in Richtung auf den Schließmagneten verschoben wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein reduzierter Öffnungshub durch ein in Öffnungsrichtung wirkendes zusätzliches Öffner-Magnet­ feld und einen Zusatzanker bewirkt wird, der mit dem Gas­ wechselventil in Verbindung steht und dessen Hubweg einem vorgegebenen reduzierten Öffnungshub a entspricht und der unabhängig vom Anker geführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der das zusätzliche Öffner-Magnetfeld erzeugende Magnet zusammen mit dem Öffnermagneten bestromt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnermagnet und der das zusätzli­ che Öffner-Magnetfeld erzeugende Magnet über eine gemeinsame Zuleitung mit der Steuereinrichtung in Verbindung stehen und daß über eine Schaltanordnung jeweils bei Vollhub des Gaswechselventils die Bestromung des zusätzlichen Öffnermag­ neten und bei reduziertem Hub die Bestromung des Öffnermagne­ ten unterbrochen wird.