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Kolbenbrennkraftmaschinen,
die mit frei ansteuerbaren Gaswechselventilen betrieben werden, können selbst
bei ottomotorischen Arbeitsverfahren ohne Drosselklappe betrieben
werden. Die Laststeuerung wird bei solchen Motoren durch unterschiedliche Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
der Gaswechselventile realisiert. Hierbei ergibt sich jedoch das
Problem, daß bei
hohen Drehzahlen die über
die Betätigungsmittel
minimal erreichbaren Flugzeiten zu lang sind für einen Betrieb mit kleinen
Lasten, also bei kleinen Motormomenten.
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Zur
Lösung
dieses Problems hat man versucht, allen Gaseinlaßventilen der Brennkraftmaschine
oder jeweils den einzelnen Gaseinlaßventilen eine entsprechend
ansteuerbare Drosselklappe zuzuordnen. Die hierdurch bedingte Erhöhung der
Bau- und Steuerelemente führte
zu einer nicht vertretbaren Kostenerhöhung.
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Ferner
wurde versucht, den Betrieb mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten
mit einer verringerten Zufuhr von Kraftstoff zu bewirken wobei entweder
ein Magerbetrieb mit R > 1
realisiert wird oder aber durch die zusätzliche Zufuhr von Restgas, so
daß bei
der gleichen Zylinderfüllung
ein kleinerer Anteil an Frischgemisch zur Verfügung steht. Auch eine derartige
Betriebsweise ist nur innerhalb gewisser Grenzen möglich.
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Bei
einer Bestätigung
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, und damit die Öffnungswerte über ein
Durchschwingen des Ankers in Richtung auf die Öffnungsstellung ohne ein Fangen
durch den Öffnermagneten zu
vermindern, wie dies in
DE
37 08 373 C1 und
US 4
841 923 A beschrieben ist. Da der Anker über einen wesentlichen
Teil des Hubweges nur den Kraftwirkungen der Rückstellfedern überlassen
bleibt, ergibt sich jedoch das Problem, daß sehr kurze Ventilöffnungszeiten
nicht zu realisieren sind, da die Öffnungszeit im wesentlichen
durch die Eigenfrequenz des durch Anker und Ventilkörper sowie
durch die beiden Rückstellfedern
gebildeten Feder-Masse-Systeme vorgegeben ist. Diese vorgegebene
systembedingte geringstmögliche
Ventilöffnungszeit
begrenzt nach unten hin aber den fahrbaren Lastbereich.
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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.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
das bei einer Laststeuerung über
die Gaswechselventile die vorstehend geschilderten Nachteile vermeidet
und damit dieses Steuerverfahren auch für kleine Lasten verfügbar macht,
sowie Vorrichtungen zu Durchführungen
von besonderen Ausgestaltungen des Verfahrens zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren zur lastabhängigen
Steuerung der Gaswechselventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine,
die jeweils zur Betätigung
mit einem elektromagnetischen Aktuator in Verbindung stehen, mit
denen im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. 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 unterschritten werden kann. Der durch die Verminderung des Öffnungshubes
gegenüber
der Normalbetriebsweise 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 erhöhter
Unterdruck einstellt, der zu einer besseren Gemischaufbereitung
führt.
Die gewünschte
Hubverminderung erfolgt dann durch eine entsprechende Ansteuerung
der die Gaswechselventile betätigenden
Aktuatoren.
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Dadurch,
daß kurz
nach dem Abschalten des Haltestroms am Schließmagneten zur Einleitung der Öffnungsbewegung
dieser zur Einleitung einer vorzeitigen Schließbewegung wieder mit Schließstrom beaufschlagt
wird, 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 stromlos gehalten.
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Das "Abbremsen" des Ankers kann
bei Betrieb mit Hubreduzierung dadurch bewirkt werden, daß nach Ablauf
einer vorgebbaren Zeit der Schließstrom wieder eingeschaltet
wird. Diese Zeit kann fest vorgegeben sein oder aber über die
Steuereinrichtung entsprechend den gegebenen Lastanforderungen variiert
werden.
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Bei
Betrieb mit Hubreduzierung wird der Schließstrom nach Erkennung des Bewegungsbeginns
und/oder bei Erkennung einer bestimmten Ankerposition eingeschaltet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß während des
Ansaugtaktes des betreffenden Zylinders das Gaseinlaßventil
wenigstens zweimal in kurzen Zeitabständen mit geringem Hube geöffnet wird,
so daß in
der Summe eine größere Luft-
bzw. Frischgasmenge in den Zylinder gelangt, der Öffnungsquerschnitt
aber jeweils gering gehalten wird.
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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.
Betätigt
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 Querschnitts erhalten.
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In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
daß der
Anker bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in Richtung auf die Öffnungsstellung
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 bereits deutlich abgenommen hat. Durch die Einwirkung
eines zusätzlichen Brems-Magnetfeldes,
das durch einen zusätzlichen 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.
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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 Magnetkraft 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
Anziehen des Ankers immer gewährleistet
ist.
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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, beispielweise durch eine Reduzierung
der Vorspannung der den Schließmagneten
zugeordneten Rückstellfeder
und/oder eine Erhöhung
der Vorspannung der dem Öffnermagneten
zugeordneten Rückstellfeder.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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.
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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.
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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 zusätzlichen Öffner-Magneten und bei
reduziertem Hub die Bestromung des Öffnermagneten unterbrochen wird.
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen
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1 Wegkurven
eines elektromagnetisch betätigten
Ventils,
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2 einen
elektromagnetischen Aktuator mit Einrichtung zur Aufbringung eins "Bremsfeldes",
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3 den
Bewegungsverlauf eines Gaseinlaßventils
mit taktweiser Betätigung
während
der Ansaugphase,
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4 den
Bewegungsablauf der Gaseinlaßventile
an einem Zylinder mit zwei Gaseinlaßventilen,
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5 Kraftwegdiagramme
unterschiedlich ausgelegter Rückstellfedern
im Verhältnis
zur Magnetkraft,
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6 einen
elektro-magnetischen Aktuator mit zusätzlichem Öffnermagneten zur Erzeugung
eines fest vorgegebenen reduzierten Öffnungshubes,
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7 eine
Abwandlung der Ausführungsform
gem. 6,
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8 eine
andere Ausführungsform
in der Anordnung eines zusätzlichen Öffnermagneten
an einem elektro-magnetischen Aktuator.
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In 1 zeigt
die Kurve a) die Bewegung eines Gaseinlaßventiles während des Ansaugtaktes aus
der vollständig
geschlossenen Stellung I, wobei zum Zeitpunkt T1 die
Bewegung des Gaswechselventils einsetzt, zum Zeitpunkt T2 das Gaswechselventil vollständig geöffnet ist
und nach Ablauf einer vorgegebenen Haltezeit tH zum
Zeitpunkt T3 über das Betätigungsmittel das Gaswechselventil
wieder aus der Öffnungsstellung
in die geschlossene Stellung zurückbewegt
wird und hierbei zum Zeitpunkt T4 den Gaseinlaß wieder
vollständig
verschließt.
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Der Öffnungszeitraum
tH kann nun lastabhängig angesteuert werden, wobei
jedoch bei Gaswechselventilen, die über elektromagnetische Aktuatoren
betätigt
werden, diese Haltezeit tH wegen der sogenannten "Klebzeit" des Ankers am Öffnermagneten
nicht unterschritten werden kann.
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Ähnliche
Bewegungsabläufe
ergeben sich auch bei Gaswechselventilen, die beispielsweise über hydraulische
Aktuatoren betätigt
werden. Auch hier ergeben sich infolge der Trägheit des Druckmittels bei
der Umsteuerung entsprechende Zeitverzögerungen, die nicht vermindert
werden können.
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Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, besteht nun bei der Verwendung
elektromagnetischer Aktuatoren die Möglichkeit, durch eine entsprechende
Ansteuerung des Öffnermagneten
zu bewirken, daß der
Anker in der Öffnungsstellung nicht
am Öffnermagneten
zur Anlage kommt, sondern vorher wieder unter der Einwirkung der
Rückstellfeder
zurückschwingt.
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 Ventilöffnungszeit 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.
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Wie
der Bewegungsverlauf des Gaswechselventils entsprechend der Kurve
c) zeigt, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Teillast
für das
Gaseinlaßventil
des betreffenden Zylinders der Öffnungshub
vermindert, so daß dementsprechend ein
geringerer Strömungsquerschnitt
vom Ventil freigegeben 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.
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In 2 ist
ein elektromagnetischer Aktuator 1 schematisch dargestellt,
der einen mit einem Gaswechselventil 2 verbundenen Anker 3 sowie
einen dem Anker 3 zugeordneten Schließmagneten 4 und einen Öffnermagneten 5 aufweist.
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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 Ausführungsbeispiel
sind die beiden Federn 6 und 7 gleich ausgelegt,
so daß die
Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den beiden
Polflächen 8 befindet,
wie dies in 2 dargestellt ist.
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In
Schließstellung
liegt der Anker 3 an der Polfläche des Schließmagneten 4 an,
dies entspricht der Position I in der Bewegungskurve in 1a.
In Öffnungsstellung
liegt der Anker 3 an der Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 an.
Dies entspricht der Pos. II in 1a.
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Zur
Betätigung
des Gaswechselventils 2, d.h. zur Einleitung der Bewegung
aus der geschlossenen Position I in die geöffnete Position II, wird der Haltestrom
am Schließmagneten 4 abgeschaltet. Hierdurch
fällt die
Haltekraft des Schließmagneten 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
Rückstellfeder 7 abgebremst.
Um nun den Anker 4 in der Öffnungsposition zu fangen und zu
halten, wird der Öffnermagnet 5 mit
Strom beaufschlagt. Zum Schließen
des Gaswechselventils erfolgt dann der Schaltungs- und Bewegungsablauf
in umgekehrter Richtung.
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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 1a beschriebene
Problem, daß bei
hohen Drehzahlen die geringstmögliche Öffnungszeit
für einen Betrieb
mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten zu lang ist.
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Wie
anhand von 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.
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Um
mit einem derartigen elektromagnetischen Aktuator die gewünschte,
in 1c dargestellte Hubreduzierung zu bewirken, 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 Rückstellfeder 6 entgegen,
so daß der Anker 3 "abgebremst" wird und nicht mehr
voll über die
Ruhestellung hinaus durchschwingen 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 elektromagnetischen Aktuatoren mit Mitteln zur Erkennung der
Ankerbewegung oder zur Erkennung einer vorgegebenen Ankerposition
den Schließstrom
in Abhängigkeit
von der Erkennung der Ankerbewegung einzuschalten und so das Gaswechselventil 2 nach
kurzer Zeit, insbesondere aber nach nur geringem Hub wieder zu schließen.
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Um
nun die Rückführung des
Ankers 3 schon nach kurzer Hubbewegung an den Schließmagneten 4 sicher
zu bewerkstelligen, ist bei der in 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 beaufschlagt, wenn durch Abschalten des Haltestroms am Schließmagneten 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.
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Die
Polschuhe 11 können
auch unmittelbar mit dem Körper
des Schließmagneten 4 verbunden sein,
so daß die
Aktivierung der Bremskraft auch über
eine entsprechend abgestimmte Bestromung der Spule des Schließmagneten 4 erfolgen
kann.
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Da
mit frei ansteuerbaren Aktuatoren, insbesondere mit elektromagnetischen
Aktuatoren der vorbeschriebenen Art kurze Schaltzeiten und gegenüber dem
Normalhub des Gaswechselventils stark verminderte Ventilhübe möglich sind,
bietet sich für
die Laststeuerung im Teillastbereich auch die Möglichkeit an, das Gaseinlaßventil
während
der Ansaugzeit tA nicht nur einmal mit einem
reduzierten Hub zu betätigen,
wie dies in 1c dargestellt ist, sondern
in dem Ansaugzeitraum tA mit noch stärker reduziertem Hub
aber mehrfach zu betätigen,
wie dies in 3 dargestellt ist.
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In 4 ist
anhand des Bewegungsablaufes der Ventile zwischen der vollständig geschlossenen Stellung
und der vollständig
geöffneten
Stellung ein weiterer Anwendungsfall 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 Teillastbereich mit vollem Hub betätigten Gaseinlaßventils.
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Da
sich vor dem während
der Teillaststeuerung geschlossen gehaltenen anderen Gaswechselventil
während
dieser Geschlossenphase 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 Zylinder beeinträchtigt
werden. Dieser Bewegungshub des zweiten, an sich deaktivierten Gaseinlaßventils
ist in der Kurve 13 wiedergegeben.
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Das
anhand von 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.
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In 5 ist
im Diagramm der Verlauf der Magnetkraft FM beispielswiese
des Schließmagneten 4 in
bezug auf den Abstand zu seiner Polfläche 8 wiedergegeben.
Die zugehörigen
Rückstellfedern 6 und 7 sind üblicherweise
linear ausgelegt, wie dies durch den dargestellten Verlauf der Federkraft
FF wiedergeben ist. Der Schnittpunkt x0 zeigt in diesem Diagramm die Mittellage
des Ankers 3 bei stromlosen Haltemagneten 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 Öffnermagneten 5 entspricht.
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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.
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Die
Magnetkraft FM ist der Federkraft FF entgegengerichtet und zeigt eine quadratische
Abnahme bei Erhöhung
des Abstandes 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
FF größer ist
als die Magnetkraft FM.
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Verwendet
man nun für
die Rückstellfedern 6 und 7 Federn
mit progressiven Kennlinien, so ergeben sich für einen elektromagnetischen
Aktuator in der anhand von 2 dargestellten
Bauweise die in 5b dargestellten Kraftverläufe. Der
Verlauf der Magnetkraft entspricht der Darstellung in 5a.
Bei entsprechender Auslegung der Rückstellfedern 6 und 7 mit
progressiven Kennlinien ergeben sich die in 5b dargestellten
Kraftverläufe
mit dem Kurventeil FF6 für die Rückstellfeder 6 und
FF7 für
die Rückstellfeder 7 bei
identischer Federauslegung. Es ist ersichtlich, daß die Magnetkraft
FM bei jedem Abstand des Ankers 3 von
der Polfläche 8 des
Schließmagneten 4 höher ist
als die Federkraft, so daß bei
einem Betrieb mit Hubminderung beim Einschalten des Schließstromes
der Anker abgebremst und wieder angezogen werden kann. Auch ein
Anziehen des Ankers aus der Ruhelage x0 ist
problemlos möglich.
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Da
der Verlauf der Magnetkraft für
den Öffnermagneten 5 zu
dem Verlauf der Federkennlinie FF7 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.
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Wird
nur eine der beiden Rückstellfedern, beispielsweise
die Rückstellfeder 6 progressiv
ausgelegt, so ergibt sich der in 5c dargestellte
Verlauf der Federkraft. Auch hier ergibt sich, daß die Magnetkraft
FM bei jedem Abstand höher ist als die Federkraft
FF6. 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
ersichtlich, 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.
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6 zeigt
eine Abwandlung des in 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 abgekoppelt
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 vorstehend beschrieben, jeweils zwischen der Polfläche des Schließmagneten 4 und
des Öffnermagneten 5 sich mit
vollem Hub hin- und
herbewegen kann. Soll nun das betreffende Gaswechselventil im Teillastbetrieb deaktiviert
werden, d.h. in Schließstellung
gehalten werden, wie dies in 6 dargestellt
ist, dann kann jeweils im normalen Arbeitstakt durch eine entsprechende
Bestromung des Zusatzmagneten 12.1 bei gleichzeitigem kurzfristigen
Stromlossetzen des Haltemagneten 4, das Gaswechselventil 2 um
den durch den Abstand a vorgegebenen 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.
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In 7 ist
eine Abwandlung der Ausführungsform
gem. 6 dargestellt. Die Ausführungsform gem. 7 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
gem. 6 im wesentlichen 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.
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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 gegeneinandergerichtet sind und den
Schaft 18 des Gaswechselventils 2 und die Führungsstange 15 des
Ankers 3 aneinanderdrücken.
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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 Gaswechselventils 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 Schließstellung zu halten, so daß bei einer
Bestromung des Zusatzmagneten 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.
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Um
nun eine zusätzliche
Stromzuführung zum
Zusatzmagneten 12.1 zu vermeiden, ist dieser über eine
entsprechende Schaltungsanordnung an die Zuleitungen 21 und 22 zum Öffnermagneten 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 Öffnermagnet 5 stromlos
bleibt.
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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 Zusatzmagneten 12.1 angeordnet. Die Anordnung ist nun
so getroffen, daß der
Zusatzmagnet 12.1 bestromt wird, wenn die Schaltelemente
S2 und S3 geschlossen sind, während
die Schaltelemente S1 und S4 geöffnet
sind. Die Diode D1 in der Zuleitung 21 zum Öffnermagneten 5 sperrt
hierbei.
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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 Zusatzmagneten 12.1 sperrt
in diesem Fall den Stromfluß.
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Zusätzlich kann
in der Zuleitung 22.1 zum Zusatzmagneten 12.1 noch
ein Sicherheitsschalter S5 vorgesehen werden, um zu verhindern,
daß beim Schalten
des Öffnermagneten 5 die
Induktionsspannung zu einer Betätigung
des Zusatzmagneten 12.1 führt.
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In 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.
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Abweichend
von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind bei dieser Ausführungsform die
Rückstellfedern 6 und 7 nicht
mehr im Bewegungsraum des Ankers 3 zwischen Schließmagnet 4 und Öffnermagnet 5 angeordnet,
sondern jeweils auf der den Polflächen der betreffenden Magneten
abgewandten Seiten.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wirkt die Rückstellfeder 7 auf
einen mit dem Ventilschaft 18 verbundenen Halteteller 19 in
Schließrichtung.
Der Ventilschaft 18 und der Führungsschaft 15 des
Ankers 3 sind hierbei geteilt.
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Der
in Öffnungsrichtung
wirkende Zusatzmagnet 12.1 ist bei diesen Ausführungsbeispiel
dem Öffnermagneten 5 zugeordnet,
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 geführt sein kann
und über
eine Haltefeder 14.1 in Ruhestellung gehalten wird. Der
Abstand des Ankers 13.1 zur Polfläche 20 des Zusatzmagneten 12.1 bestimmt
wieder das Maß des
reduzierten Öffnungshubes.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird bei ununterbrochener Bestromung des Schließmagneten 4 das Gaswechselventil über die
Feder 7 in Schließstellung
gehalten. Wird nun der Zusatzmagnet 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.
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Um
nun die Zahl der Zuleitungen zu den einzelnen Magnetspulen nicht
erhöhen
zu müssen,
sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Zuleitungen
des Öffnermagneten 5 und
des Zusatzmagneten 12.1 miteinander verknüpft 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 Öffnermagneten 5 sind
die beiden Zuleitungen 21.1 und 22.1 des Zusatzmagneten 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 Bestrodung bei Vollhubbetrieb
der Öffnermagnet 5 bestromt
wird, während
durch eine entsprechende Schaltstellung des Schaltelementes S7 der Zusatzmagnet
stromlos bleibt.
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Wird
durch die Motorsteuerung das betreffende Gaswechselventil stillgesetzt,
so daß,
wie vorstehend beschrieben, das stillgesetzte Gaswechselventil nur
mit einem extrem reduzierten und nur zeitlich sehr kurzen Öffnungshub
arbeiten soll, dann wird entsprechend das Schaltelement 56 geöffnet 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.
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In 7 und 8 sind
die Schaltelemente nur schematisch dargestellt. In der Praxis werden hier
elektronische Schalter eingesetzt, beispielsweise Transistoren.
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Wendet
man die anhand der 6, 7 und 8 beschriebene
Verfahrensweise für
Gaseinlaßventile
einer Kolbenbrennkraftmaschine 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 Zusatzöffner-Magnetfeld
kurzzeitig zu öffnen,
so daß eine
geringe Abgasmenge stoßartig
mit hoher Geschwindigkeit in den Gaseinlaßkanal austritt und hier zu
einer Wirbelbildung und damit zu einer besseren Gemischaufbereitung
beim nachfolgenden Ansaughub führt.