ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch
betätigtes Ventil, das als Kraftstoffeinlaßventil oder
Abgasauslaßventil von Brennkraftmaschinen dient, und
insbesondere ein Fehlerfeststellverfahren für ein derartiges
elektromagnetisch betätigtes Ventil.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Das herkömmliche Einlaß-/Auslaßventil einer
Brennkraftmaschine wird im allgemeinen von einer
kurbelwellengedrehten Nockenwelle gesteuert. Um den
Betriebsbedingungen entsprechende optimale
Ventiloperationszeiten zum Verbessern der Leistungsfähigkeit der
Brennkraftmaschine zu schaffen, sind verschiedene variable
Mechanismen für das Steuergestängesystem mit einem zweistufigen
Verschiebesystem (Ein/Aus-Steuersystem) und ein kontinuierliches
variables System zur praktischen Anwendung entwickelt worden.
Einige dieser variablen Mechanismen versetzen die Drehphase der
Nockenwelle, und andere enthalten eine Vielzahl von
Nockenprofilen auf der Nockenwelle.
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Mit den zuvor beschriebenen von der Nockenwelle
angetriebenen Ein-/Auslaßventilen können die
Ventiloffenzeitdauer und die Ventilbetriebszeit nicht unabhängig
und willkürlich eingestellt werden. Im Bemühen, der Forderung
nach besserem Leistungsverhalten von Brennkraftmaschinen
nachzukommen, sind in den letzten Jahren Forschungsanstrengungen
energisch vorangetrieben worden, ein elektromagnetisch
betätigtes Ventilsteuersystem zu entwickeln, bei dem diese
Parameter auf einen idealen Wert gemäß den Arbeitsbedingungen
eingestellt werden können.
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Beispielsweise beschreibt die JP-A-61-250309 (entspricht USP
4 823 825) ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einem
Aufbau, bei dem ein auf einer neutralen Position durch die
Rückstellkraft eines Federpaares gehaltener Ventilkörper aus der
neutralen Position zur vollgeöffneten oder vollgeschlossenen
Stellung bewegt wird durch elektromagnetische Kräfte auf einen
mit dem Ventilkörper verbundenen Tauchanker. Dasselbe Patent
offenbart ein Fehlerfeststellverfahren speziell für diese
Ventilart. Das Fehlerfeststellverfahren umfaßt die
Verfahrensschritte des Überwachens der Stromflußänderung in
einer Spule, wenn der Strom an das elektromagnetisch betätigte
Ventil geliefert wird, und entscheidet, daß das Ventil normal
arbeitet, wenn der Strom während einer vorbestimmten Periode
abfällt; und entscheidet, daß die Ventiloperation fehlerhaft
ist, wenn der Strom während einer derartigen Periode nicht
absinkt.
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Der Grund für das Absinken des Stromes ist nachstehend
beschrieben. Der magnetisch Fluß, daß heißt, die
Schaltungsinduktivität, verhält sich umgekehrt proportional zum
Quadrat des Abstands zwischen dem Tauchanker und dem Kern des
Elektromagneten, und steigt theoretisch plötzlich unmittelbar
an, bevor der Tauchanker den Kern berührt. Mit einem Anstieg des
elektromagnetischen Flusses steigt auch die elektromotorische
Gegenkraft e gemäß der Formel an:
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e = -dψ/dt = -N (dφ/dt) = -L (di/dt)
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ψ = Nφ
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wobei ψ die Anzahl von Fluß-Verkettungen ist, φ der magnetische
Fluß, N die Anzahl von Umdrehungen, L die Induktivität, i der
Strom und t die Zeit ist. Die Quellspannung, die solchermaßen im
wesentlichen durch die elektromotorische Gegenkraft versetzt und
nicht wesentlich zum Stromliefern verwendet wird, führt zu einem
verringerten Strom.
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Dieses Phänomen tritt jedoch nicht immer auf. Abhängig vom
Hardware-Aufbau einschließlich dem Material und der Geometrie,
können die magnetischen Flüsse zu einer früheren Zeit in die
Sättigung gehen. Selbst wenn in einem solchen Fall der
Tauchanker normalerweise zum Kern angezogen wird, kann der Strom
nicht absinken. Auch in der endgültigen Lagesteueroperation zum
Absenken des Stromes unmittelbar bevor der Tauchanker den Kern
berührt, kann der Strom nicht absinken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Hinsicht auf diese Situation ist es eine Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren des Feststellens eines Fehlers in einem
elektromagnetisch betätigten Ein-/Auslaßventil festzustellen mit
einer Genauigkeit, die gegenüber dem Stand der Technik
verbessert ist.
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Unter Bezug auf die frühere Anmeldung DE 195 30 394 A1 in
Deutschland hat der Anmelder freiwillig den Umfang der
vorliegenden Anmeldung beschränkt und getrennte Ansprüche für
Deutschland vorgelegt.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist nach einem ersten Aspekt
der Erfindung Verfahren zur Ermittlung eines Fehlers bei einem
elektromagnetisch betätigten Einlaß- oder Auslaßventil
vorgesehen, wobei ein Ventilkörper elastisch in einer neutralen
Position gehalten ist durch die Rückstellkraft eines elastischen
Gliedes und wobei die elektromagnetische Kraft, erzeugt durch
Anliefern eines Stromes an Spulen, die an zwei Seiten eines mit
dem Ventilkörper integrierten Tauchankers angeordnet sind, auf
den Tauchanker wirkt, um dadurch das Ventil zu steuern, mit den
Verfahrensschritten:
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(a) Verschieben der Position des Tauchankers von einer
ersten Spule, die den Tauchanker anzieht und hält, zu einer
zweiten Spule;
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(b) Feststellen einer Änderung des in der ersten Spule
fließenden Stromes, die mit der Änderung der Induktivität in der
ersten Spule beim der Ausführen des Verfahrensschrittes (a)
einhergeht; und
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(c) Feststellen eines Fehlers auf der Grundlage einer
Änderung des in Verfahrensschritt (b) festgestellten Stromes.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren
vorgesehen, bei dem der Verfahrensschritt (c) den
Verfahrensschritt des Feststellens eines Fehlers umfaßt,
basierend auf der Zeitverzögerung von einem Zeitpunkt, zu dem
der angewiesene Strom an eine Spulenansteuerschaltung angelegt
und geändert wird, um den Stromfluß in der ersten Spule um einen
vorbestimmten Betrag zu verringern zu einem Zeitpunkt, zu dem
der aktuelle Stromfluß in der Spule einen vorbestimmten Wert
gemäß der Änderung im angewiesenen Stromwert erreicht.
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Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren
nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt (c) den
Verfahrensschritt des Feststellens eines Fehlers umfaßt,
basierend auf der Differenz zwischen dem an eine
Spulenansteuerschaltung angelegten angewiesenen Strom, um den
Stromfluß in der ersten Spule und den aktuellen Stromfluß in der
ersten Spule um einen vorbestimmten Wert zu verringern.
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Nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren
zur Ermittlung eines Fehlers bei einem elektromagnetisch
betätigten Einlaß- oder Auslaßventil vorgesehen, wobei ein
Ventilkörper elastisch in einer neutralen Position gehalten ist
durch die Rückstellkraft eines elastischen Gliedes und wobei die
elektromagnetische Kraft, erzeugt durch Anliefern eines Stromes
an Spulen, die an zwei Seiten eines mit dem Ventilkörper
integrierten Tauchankers angeordnet sind, auf den Tauchanker
wirkt, um dadurch das Ventil zu steuern, mit den
Verfahrensschritten:
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(a) Verschieben der Position des Tauchankers von einer
ersten Spule, die den Tauchanker anzieht und hält, zu einer
zweiten Spule;
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(b) Feststellen der Zeit, in der der Stromfluß in der
zweiten Spule im Prozeß des Verfahrensschrittes (a) ansteigt;
und
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(c) Feststellen eines Fehlers auf der Grundlage der im
Verfahrensschritt (b) festgestellten Anstiegszeit.
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Wenn die Ventiloperation fehlerhaft ist, mißlingt es, den
Tauchanker zur Nachbarschaft der Spulen anzuziehen und der sich
ergebende erhöhte Luftspalt reduziert die Spuleninduktivität,
wodurch es zu einer verbesserten Fähigkeit des Stromflusses in
den Spulen kommt, um dem angewiesenen Strom zu folgen. Im zuvor
genannten Verfahren zur Ermittlung eines Fehlers bei einem
elektromagnetisch betätigten Einlaß-/Auslaßventil nach dem
ersten, zweiten und dritten Aspekt der Erfindung wird die
Fähigkeit des aktuellen Spulenstromes, dem angewiesenen Strom zu
folgen, wenn übertragen aus dem angezogenen und gehaltenen
Zustand zum freigegebenen Zustand, das heißt, die
Ansprechverzögerung und der Ansprechstromwert bestimmt, wodurch
ein Fehler im Ventilbetrieb festgestellt wird. Die Spule zum
Anziehen und Halten wird mit einem vorbestimmten Strom zum
Halten beliefert, und der zum Freigeben des Anziehens
umgeschaltet Stromwert ist ebenfalls vorbestimmt. Dies
erleichtert den Vergleich zwischen dem aktuellen Stromwert und
dem angewiesenen Stromwert, wodurch es möglich wird, eine
hochgenaue Fehlerfeststellung ohne irgendeine
Fehlerfeststelleinheit auszuführen.
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Wenn es dem Tauchanker mißlingt, eine neue Position der
neuen Anziehungsspule aufgrund des Verlustes des Synchronismus
oder dergleichen zu erreichen, wenn die Tauchankeranziehung
umgeschaltet wird von einer Spule auf die andere, verursacht die
geringe Induktivität der Anziehungsspule und von daher eine hohe
Fähigkeit des Spulenstroms, dem angewiesenen Strom zu folgen,
eine scharfen Anstieg des Spulenstroms. Im Verfahren zur
Ermittlung eines Fehlers für das elektromagnetisch betätigte
Einlaß-/Auslaßventil nach dem vierten Aspekt der zuvor
beschriebenen Erfindung kann die An- oder Abwesenheit eines
Fehlers im Ventilbetrieb, wie der Verlust des Synchronismus,
festgestellt werden durch Feststellen der Anstiegszeit, und
folglich ist die Notwendigkeit für eine unabhängige
Fehlerfeststelleinheit beseitigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachstehenden Beschreibung anhand der
beiliegenden Zeichnung deutlich.
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Fig. 1 ist eine Längsquerschnittsansicht eines
elektromagnetisch betätigten Ein-/Auslaßventils nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Treiberschaltung eines
elektromagnetisch betätigten Ventils nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
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Fig. 3A und 3B sind Diagramme, die eine
Verarbeitungsschaltung für einen aktuellen Spulenstrom
(Monitorstrom) Im darstellen;
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Tauchankerposition und der elektromagnetischen Kraft (Anziehung)
zeigt, die von einem oberen Elektromagneten auf den Tauchanker
ausgeübt wird, mit dem oberem Spulenstrom als ein Parameter
(durchgehende Linie) und der Beziehung zwischen der
Tauchankerposition und der Erregerkraft, die von einem Paar
Federn auf den Tauchanker ausgeübt wird (gestrichelte Linie);
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Fig. 5A, 5B und 5C zeigen Beispiele von Zeittafeln eines
Ventilhubs, eines oberen angewiesenen Spulenstroms
beziehungsweise eines unteren angewiesenen Spulenstroms;
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Fig. 6A, 6B und 6C zeigen ein weiteres Beispiel von
Zeittafeln eines Ventilhubs, eines oberen angewiesenen
Spulenstroms beziehungsweise eines unteren angewiesenen
Spulenstroms;
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Fig. 7A und 7C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes (durchgehende Linie) zur Freigabe der Spule
und eines aktuellen Stromes Im (gestrichelte Linie) zeigen, der
fließt, wenn der angewiesene Strom Ic geändert wird von einem
Haltestromwert Ih auf 0 zur Freigabe des Anziehens und Haltens
vom Tauchanker, und Fig. 7B und 7D sind Zeittafeln, die den
Ventilhub für den jeweiligen Fall zeigen, wobei die Fig. 7A
und 7B den normalen Betrieb darstellen und Fig. 7C und 7D den
Betrieb zur Zeit des Synchronisationsverlustes darstellen;
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Fig. 8A und 8C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes Ic (durchgehende Linie) zur Freigabe der
Spule und eines aktuellen Stromes Im (gestrichelte Linie)
zeigen, der fließt, wenn der angewiesene Strom Ic zeitweilig
geändert wird von einem Haltestromwert Ih zu einem negativen
Stromwert Ir und dann erhöht wird auf 0 zur Freigabe des
Anziehens und Haltens vom Tauchanker, und Fig. 8B und 8D sind
Zeittafeln, die den Ventilhub für den jeweiligen Fall zeigen,
wobei die Fig. 8A und 8B den normalen Betrieb darstellen und
die Fig. 8C und 8D den Betrieb zur Zeit des
Synchronisationsverlustes darstellen;
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Fig. 9A und 9C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes Ic (durchgehende Linie) zum Anziehen der
Spule und einen aktuellen Strom Im (gestrichelte Linie) zeigen,
der fließt, wenn der angewiesene Strom Ic von 0 geändert wird,
und Fig. 9B und 9D sind Zeittafeln, die den Ventilhub für
jeweilige Fälle zeigen, wobei die Fig. 9A und 9B den normalen
Betrieb darstellen und die Fig. 9C und 9D den Betrieb zur
Zeit des Synchronisationsverlustes darstellen;
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Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensschritte
zur elektromagnetisch betätigten Ventilsteuerroutine zeigt; und
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Fig. 11A, 11B und 11C sind Zeittafeln, die einen unteren
angewiesenen Spulenstrom zeigen, einen Ventilhub beziehungsweise
einen oberen angewiesenen Spulenstrom zur Erläuterung eines
Störungsbeseitigungsprozesses.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Längsquerschnitt, der ein elektromagnetisch
betätigtes Einlaß-/Auslaßventil nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt. Ein Ventilkörper 10, der in Fig. 1 gezeigt
ist, enthält einen Ventilkopf 12 und einen Ventilschaft 14. Die
Ventilsitzfläche 13 des Ventilkopfes 12 sitzt in einem oder
verläßt einen Ventilsitz 33, der an einer Einlaß-/Ausöffnung 32
einer Brennkraftmaschine gebildet ist, um die Einlaß-/Ausöffnung
32 zu steuern. Der Ventilschaft 14 vom Ventilkörper 12 wird
gleitend in axialer Richtung durch eine Ventilführung 31
gehalten. Ein Tauchanker 16 ist auf dem Ventilschaft 14
befestigt.
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Der Tauchanker 16 besteht aus einem kreisförmigen platten
Glied, das aus einem weichmagnetischem Material besteht. Ein
oberer Kern 22 ist über dem Tauchanker 16 in einer vorbestimmten
Abstandsbeziehung zum Tauchanker 16 angeordnet, und ein unterer
Kern 23 ist unter dem Tauchanker 16 in einer vorbestimmten
Abstandsbeziehung zum Tauchanker 16 angeordnet. Der obere Kern
22 und der untere Kern 23 bestehen aus einem weichmagnetischen
Material und werden in vorbestimmten relativen Positionen durch
einen Kasten 20 aus nicht magnetischem Material gehalten. Eine
obere Spule 24 ist vom oberen Kern 22 gehalten, und eine untere
Spule 25 ist von dem unteren Kern 23 gehalten.
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Der Ventilschaft 14 wird in der Richtung durch eine obere
Feder 26 und eine untere Feder 27 gehalten. Die obere Feder 26
und die untere Feder 27 sind in ihrer Kraft zueinander in der
Weise ausgewogen, daß die Position (neutrale Stellung) des
Tauchankers 16 zwischen dem oberen Kern 22 und dem unteren Kern
23 liegt, wenn weder die obere Spule 24 noch die untere Spule 25
mit Strom versorgt wird. Solange der Tauchanker 16 in seiner
Neutralstellung ist, nimmt der Ventilkörper 10 eine Stellung
zwischen einem vollgeöffnet versetzten Ende und einem
ganzgeschlossen versetzten Ende ein.
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Mit diesem Aufbau wird ein Magnetkreis um die obere Spule 24
durch den oberen Kern 22 und den Tauchanker 16 gebildet, und der
Luftspalt, der zwischen dem oberen Kern 22 und dem Tauchanker 16
gebildet ist. Wenn folglich ein Strom in der oberen Spule 24
fließt, kreisen Magnetflüsse im Magnetkreis, und eine
elektromagnetische Kraft wird in einer solchen Richtung erzeugt,
daß sie den Luftspalte verringert, daß heißt in einer solchen
Richtung, daß ein Versatz des Tauchankers 16 nach oben erfolgt.
Andererseits wird ein magnetischer Kreis gebildet um die untere
Spule 25 durch den unteren Kern 23 und den Tauchanker 16 und dem
zwischen dem unteren Kern 23 und dem Tauchanker 16 gebildeten
Luftspalt. Wenn ein Strom in der unteren Spule 25 fließt, wird
folglich eine elektromagnetische Kraft gleichermaßen in einer
Richtung versetzt, um den Tauchanker 16 nach unten zu versetzen.
Der Tauchanker 16 kann somit vertikal hin- und herbewegt werden,
das heißt, der Ventilkörper 10 kann abwechselnd in Offenstellung
und Schließstellung durch Anliefern eines Stromes abwechselnd in
die obere Spule 24 und die untere Spule 16 gesteuert werden.
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Fig. 2 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel des
Schaltungsaufbaus zum Ansteuern des in Fig. 1 gezeigten
elektromagnetisch gesteuerten Ventils zeigt. Wie in Fig. 1
gezeigt, haben die Komponenten, die zur oberen Spule 24 gehören,
und die Komponenten, die zur unteren Spule 25 gehören, denselben
Schaltungsaufbau. Eine Beschreibung wird folglich nur über die
Komponenten gegeben, die zur oberen Spule 24 gehören.
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Ein erster Anschluß 24a der oberen Spule 24 ist mit dem
Emitteranschluß einer Vorschalteinrichtung 40 verbunden, die aus
einem NPN-Transistor besteht, und dem Kollektoranschluß einer
Rückwärtsschalteinrichtung 41, die aus einem NPN-Transistor
besteht. Ein zweiter Anschluß 24b der oberen Spule 24 ist
andererseits mit dem Kollektoranschluß der
Vorwärtsschalteinrichtung 42 verbunden, die sich aus einem NPN-
Transistor zusammensetzt, und dem Emitteranschluß einer
Umkehrschalteinrichtung 43, die gleichermaßen aus einer NPN-
Transistor besteht.
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Der Kollektoranschluß der Vorwärtsschalteinrichtung 40 und
der Kollektoranschluß der Rückwärtsschalteinrichtung 43 sind
beide mit dem positiven Anschluß der Stromversorgung 50
verbunden. Der Emitteranschluß der Rückwärtsschalteinrichtung 41
und der Emitteranschluß der Vorwärtsschalteinrichtung 42 sind
beide mit dem negativen Anschluß der Stromversorgung 50
verbunden. Des weiteren sind die Basisanschlüsse der
Vorwärtsschalteinrichtungen 40 und 42 beide mit dem
Vorwärtsausgangsanschluß 47f der Schalteinrichtungs-
Ansteuerschaltung 47 verbunden. In gleicher Weise sind die
Basisanschlüsse der Umkehrschalteinrichtungen 41 und 43 beide
mit dem Umkehrausgangsanschluß 47r der Schalteinrichtungs-
Ansteuerschaltung 47 verbunden.
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Der aktuelle Strom Im, der in der oberen Spule 24 fließt,
wird von einer Spulenstrom-Feststellschaltung 45 festgestellt,
und das Ausgangssignal der Spulenstrom-Feststellschaltung 45
wird an den negativen Anschluß einer Subtrahierschaltung 48
geliefert. Der positive Anschluß der Subtrahierschaltung 48 wird
mit einem angewiesenen Spulenstromwert Ic beliefert, ausgegeben
von einer elektronischen Maschinensteuereinheit (Maschinen-ECU)
60. Das Ausgangssignal Ic-Im der Subtrahierschaltung 48 wird der
Verschiebeeinrichtungs-Ansteuerschaltung 47 zugeführt.
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Die Verschiebeeinrichtungs-Ansteuerschaltung 47 enthält in
sich eine Dreieckswellen-Oszillatorschaltung zum Erzeugen einer
Dreieckswelle einer vorbestimmten Periode und eine
Vergleicherschaltung zum Vergleichen der Dreieckswelle mit dem
Eingangssignal Ic-Im. Die Verschiebeeinrichtungs-
Ansteuerschaltung 47 erzeugt somit ein PWM-Impulssignal, das
durch einen relativen Einschaltfaktor gemäß der Größe des
eingegebenen Signals Ic-Im geregelt ist. Solange das Signal Ic-
Im positiv im Wert ist, gibt die Verschiebeeinrichtungs-
Ansteuerschaltung 47 einen PWM-Impuls mit einer relativen
Einschaltdauer gemäß der Stärke desselben in den
Vorwärtsausgangsanschluß 47f ab. Wenn das Signal Ic-Im negativ
im Wert ist, wird im Gegensatz dazu ein PWM-Impulssignal mit
einer relativen Einschaltdauer gemäß der Stärke desselben vom
Rückwärtsausgangsanschluß 47r ausgegeben.
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Wenn das Eingangssignal Ic-Im positiv ist, werden folglich
die beiden Vorwärtsschalteinrichtungen 40 und 42 mit einer
relativen Einschaltdauer gemäß dem Signal Ic-Im leitend
geschaltet. Wenn das Eingangssignal Ic-Im negativ im Wert ist,
werden andererseits die beiden Rückwärtsschalteinrichtungen 41
und 43 leitend geschaltet mit einer relativen Einschaltdauer
gemäß dem Strom Ic-Im. Im Prozeß schalten die -
Vorwärtsschalteinrichtungen 40, 42 niemals zur selben Zeit um
wie die Rückwärtsschalteinrichtungen 41, 43. Das Signal Ic-Im
wird somit gesteuert, um im Wert Null zu werden durch die
Verschiebeeinrichtungs-Ansteuerschaltung 47. Der aktuelle Strom
Im, der in der oberen Spule 24 fließt, kann somit in genauer
Übereinstimmung mit dem angewiesenen Stromwert Ic gehalten
werden, wodurch es möglich wird, eine Stabilität gegenüber
Variationen der Quellspannung und der Schaltungseigenschaften zu
gewinnen.
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Das Ausgangssignal der Spulenstrom-Feststellschaltung 45
wird des weiteren an die Maschinen-ECU 60 geliefert, die den
zur Feststellung eines Fehlers des elektromagnetisch betätigten
Ventils, wie später zu beschreiben ist. Das Ausgangssignal Im
von der Spulenstrom-Feststellschaltung 45 ist ein analoges
Signal mit einem Spannungswert gemäß dem aktuellen Strom, der in
den Spulen fließt. Wie in Fig. 3A gezeigt, wird folglich dieses
Signal an einen A/D-Wandler 64 geliefert, der eine eingebaute
CPU (Zentraleinheit) 62 in der ECU 60 hat. Nichtsdestoweniger
ist die A/D-Wandlung ein Prozeß, der im allgemeinen eine
beträchtliche Zeit erfordert und in unerwünschter Weise die
Kosten erhöht. Dieser Trend wird begünstigt mit dem Anstieg der
Anzahl von Stellgliedern, das heißt, den involvierten
elektromagnetisch betätigten Ventilen, was zu einem erhöhten
Bedarf des Verbesserns der Verarbeitungsleistung der CPU führt
und von daher die Kosten weiter erhöht. In Hinsicht darauf wird
in dem Fall, bei dem nur der Bedarf zu entscheiden ist, ob der
Spulenstrom Im größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist,
dieselbe Wirkung durch Hinzufügen einer
Fehlerentscheidungsschaltung 66 mit einem Vergleicher 68
erzielt, der das Spannungssignal Im, das den Spulenstrom
darstellt, mit einem vorbestimmten Schwellwertspannungswert VR
vergleicht, wie in Fig. 3B gezeigt, und durch Anlegen eines
digitalen Ausgangssignals desselben an die CPU 62.
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In Fig. 4 stellen eine Vielzahl von Kurven, die durch
durchgehende Linien dargestellt sind, die Beziehung dar zwischen
der Stellung des Tauchankers 16 (mit der Position, die an den
oberen Kern 22 grenzt, auf Null gesetzt) und der
elektromagnetischen Kraft (Anziehungskraft), die auf den
Tauchanker 16 durch den Elektromagneten ausgeübt wird, der zur
oberen Spule 22 gehört, mit dem Wert des Stromes, der in der
oberen Spule 24 fließt, als ein Parameter. Wie durch diese
Kurven aufgezeigt, erhöht sich die elektromagnetische Kraft
(Anziehungskraft), die auf den Tauchanker ausgeübt wird, schnell
mit der Annäherung des Ventilkörpers 10 an das Ende der vollen
Schließstellung. Die gestrichelte gerade Linie, die in Fig. 4
gezeigt ist, stellt gleichermaßen die Beziehung zwischen der
Stellung des Tauchankers 16 und der Rückstellkraft (auf der
Seite des unteren Kerns 23) dar, die auf die obere Feder 26 und
die untere Feder 27 auf dem Ventilkörper 10 ausgeübt wird. Wie
aus dieser geraden Linie ersichtlich, erhöht sich die
Rückstellkraft linear, selbst wenn der Ventilkörper 10 sich dem
versetzten Ende zur Vollschließung nähert. Dies ist auch der
Fall mit der magnetischen Kraft, die von dem Elektromagneten auf
dem unteren Kern 23 ausgeübt wird, wie in Fig. 4 gezeigt, woraus
ersichtlich ist, daß die Vollschließstellung einfach ersetzt ist
durch die Volloffenstellung. Je näher die Volloffenstellung oder
die Vollschließstellung ist, um so kleiner ist der erforderliche
Strom zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft, die größer
ist als die Erregerkraft, verglichen mit der Kraft, die zur
Neutralposition erforderlich ist. Erläuterungen folgen
nachstehend zu einem Verfahren des Ansteuerns eines
elektromagnetisch betätigten Ventils, wobei die oben genannten
Eigenschaften der elektromagnetischen Kraft und der
Rückstellkraft in Betracht gezogen sind.
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Fig. 5A, 5B und 5C sind Zeittafeln, die den Ventilhub
zeigen, den angewiesenen oberen Spulenstrom beziehungsweise den
angewiesenen unteren Spulenstrom. Im vollständig geschlossenen
Zustand, wie er in Fig. 5B gezeigt ist, wird die obere Spule mit
einem Minimalstrom beliefert (wird nachstehend als "der
Haltestrom" bezeichnet), der für die obere Spule 22 erforderlich
ist, um den Tauchanker 16 anzuziehen und zu halten. Wenn das
Ventil zu öffnen ist, wird zunächst der Haltestrom gestoppt.
Dann bewegt sich der Ventilkörper 10 hin zur Volloffenstellung
durch einfache harmonische Schwingung (freie Schwingung) eines
Feder-Massen-Systems. Der Reibungsverlust zwischen dem
Ventilschaft 14 und der Ventilführung 31 und der
Innenreibungsverlust der Federn dämpfen jedoch die Amplitude der
Bewegung des Ventilkörpers 10, verglichen mit dem Idealfall. Der
Strom wird folglich an die untere Spule geliefert mit einer
vorbestimmten Zeitvorgabe. Dieser Strom kann eingeteilt werden
in drei Kategorien, die einen Anziehungsstrom, einen
Übergangsstrom und einen Haltestrom beinhalten.
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Zuerst wird speziell der Anziehungsstrom zur Bewegung des
Tauchankers 16 angeliefert. Dann wird unter Berücksichtigung der
zuvor beschriebenen Eigenschaft von Fig. 4 der Übergangsstrom
mit einer vorgegebenen zeitlichen Änderungsrate abgesenkt zum
Anziehen des Tauchankers 16 mit einer abgeschwächten
elektromagnetischen Kraft (Anziehungskraft). Nach Anziehen des
Tauchankers wird ein minimaler Strom geliefert, der erforderlich
ist zum Anziehen und Halten des Ventilkörpers 10, das heißt der
Haltestrom. Gleichermaßen wird im Prozeß des Schließens vom
Ventil vom vollgeöffneten Zustand zunächst der Haltestrom
gestoppt, der an die untere Spule 25 geliefert wird, und die
obere Spule 24 wird mit dem Anziehungsstrom beliefert, wobei der
Übergangsstrom und der Haltestrom in dieser Reihenfolge
erfolgen. Auf diese Weise wird das elektromagnetisch betätigte
Einlaß-/Auslaßventil nach diesem Ausführungsbeispiel so
konfiguriert, daß die Bewegung des Ventilkörpers gesteuert wird
durch Verringern des Stromwertes, unmittelbar bevor der
Ventilkörper die Vollöffnungsposition oder die
Vollschließposition erreicht.
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Für die freie Schwingung, die mit einem hinreichenden
Ansprechvermögen nach Freilassen der Tauchankeranziehung zu
bewirken ist, ist es wichtig, das Restmagnetfeld im Kern zu
beseitigen. Zu diesem Zwecke wird zur Zeit der Freigabe der
Anziehung und des Haltens vom Tauchanker ein angewiesener
negativer Stromwert, wie er in den Fig. 6B und 6C gezeigt
ist, in effektiver Weise geliefert, aber die angewiesene
Stromwert ist nicht der in den Fig. 5B und 5C gezeigte,
wodurch der Spulenstrom in einer Richtung geliefert wird, die
dem Spulenstrom für das Anziehen und Halten des Tauchankers
erforderlich ist.
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Beim Liefern eines Stromes i in die Spulen wird nun eine
elektromotorische Gegenkraft e, die nachstehend beschrieben ist,
während der Übergangsperiode erzeugt, wie schon beschrieben.
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e = -dψ/dt
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ψ = Nφ
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wobei ψ die Anzahl von Flußverkettungen ist, N die Anzahl von
Windungen und φ der magnetische Fluß. Diese elektromotorische
Gegenkraft wird in der Richtung angelegt, daß ein Strom abfällt,
der zur Erhöhung neigt, und erhöht einen Strom, der zum Abfall
neigt. Die elektromotorische Gegenkraft beruhigt folglich den
aktuellen Strom, der dem angewiesenen Strom folgt.
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Die Induktivität L, die sich mit der Größe zwischen dem
Tauchanker und den Kernen ändert, erhöht sich mit dem Absinken
des Luftspalts. Mit anderen Worten, solange das
elektromagnetisch betätigte Ventil normal arbeitet, fließt
weniger Strom, und somit folgt der aktuelle Strom dem
angewiesenen Strom langsamer in einer Zone mit einem kleineren
Luftspalt. Wenn der Synchronismus verloren ist, fließt
andererseits in einer Zone mit etwas größerem Luftspalt ein
Strom, so daß der aktuelle Strom dem angewiesenen Strom
schneller folgt. Gemäß dieser Erfindung, die auf dieser Kenntnis
basiert, wird die Fähigkeit des aktuellen Stromes, dem
angewiesenen Strom zu folgen, überwacht durch die Entscheidung
der Normalität oder der Anormalität der Arbeitsweise des
elektromagnetisch betätigten Ventils.
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Fig. 7A und 7C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes Ic (durchgehende Linie) und eines aktuellen
Stromes (gestrichelte Linie) zeigen, der fließt, wenn der
angewiesene Strom Ic auf der Anziehungs- und Haltespule
(Freigabespule) sich ändert vom Haltestromwert Ih zu Null, wie in
Fig. 5B oder in Fig. 5C gezeigt, um das Anziehen und Halten des
Tauchankers freizugeben, und die Fig. 7B und 7D sind
Zeittafeln, die den Ventilhub in dem Prozeß zeigen. In diesem
Figuren stellen 7A und 7B den normalen Betrieb dar, und Fig.
7C und 7D stellen den Betrieb zu einer Zeit des Verlustes vom
Synchronismus dar. Im Falle, bei dem Ic auf Null verringert ist
zum Zeitpunkt t&sub0;, fällt der aktuelle Strom Im allmählich ab unter
die normalen Zustände und beginnt bald anzusteigen durch die
elektromotorische Gegenkraft und erreicht ein lokales Maximum I&sub1;
zum Zeitpunkt t&sub1;, gefolgt vom Anfang zum Abfall, bis der
angewiesene Stromwert Null erreicht zum Zeitpunkt t&sub2;.
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Zur Zeit des Verlustes vom Synchronismus steigt der aktuelle
Strom jedoch niemals an, sondern folgt dem angewiesenen Strom
und erreicht zum Zeitpunkt t2a Null früher als der Zeitpunkt t&sub2;.
Die für den aktuellen Strom Im erforderliche Zeit t&sub2;-t&sub0; erreicht
Null gemäß der Änderung des angewiesenen Stromes Ic aus dem
Haltestromwert Ih zu Null, gemessen und verglichen mit einem
vorbestimmten Schwellwert. Wenn die Messung nicht höher als der
Schwellwert ist, kann eine Anormalität oder ein Fehler beurteilt
werden. Auch der aktuelle Strom Im, der einen vergleichsweise
großen Wert I&sub1; unter normalen Bedingungen annimmt, wie zuvor
beschrieben, nimmt einen beträchtlich kleineren Wert I1a zur Zeit
des Verlustes vom Synchronismus an. In Hinsicht darauf kann ein
Fehler entschieden werden durch Messen des aktuellen Stromwertes
I&sub1; in der Nachbarschaft des Zeitpunktes t&sub1;, verglichen mit einem
vorbestimmten Schwellwert und Entscheiden, daß es kein höherer
als der Schwellwert ist.
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Fig. 8A und 8C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes Ic zeigen (durchgehende Linie) und eines
aktuellen Stromes (gestrichelte Linie), der fließt, wenn der
angewiesene Strom Ic auf der Freigabespule zeitweilig geändert
wird in einen negativen Stromwert Ir aus dem Haltestromwert Ih
und dann erhöht wird auf Null, wie in Fig. 6B oder in Fig. 6C
gezeigt, um gleichermaßen zur Freigabe der Anziehung und des
Haltens vom Tauchanker, und Fig. 8B und 8D sind Zeittafeln,
die den Ventilhub im Prozeß zeigen. Die Fig. 8A und 8B
stellen den normalen Betrieb dar, und die Fig. 8C und 8D
stellen den Betrieb zur Zeit des Verlustes vom Synchronismus
dar. Der Zeitpunkt t&sub1; ist auf t1a vorgeschoben, wenn der Strom
zur Zeit eines Fehlers zuerst 0 erreicht. Auch wenn die Zeit t&sub4;
des aktuellen Stromes letztlich 0 erreicht, ist sie nach
vorgeschoben. Zum Erfassen der Fähigkeit vom aktuellen Strom,
dem angewiesenen Strom in Hinsicht auf die Zeitverzögerung zu
folgen, wird t&sub1;-t&sub0; oder t&sub4;-t&sub0; gemessen und mit einem
vorbestimmten Schwellwert verglichen. Wenn diese Werte nicht
größer sind als der Schwellwert, wird einen Fehler entschieden.
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Die Differenz I&sub2;-Ir zwischen dem Befehlsstromwert Ir und
dem aktuellen Stromwert I&sub2; zum Zeitpunkt t&sub2; ist geringer bei der
Zeit eines Fehlers als unter normalen Bedingungen, wie mit
I2a-Ir in Fig. 5C gezeigt. Auch ein Strom I&sub3;, der durch die
elektromotorische Gegenkraft erzeugt wird, ist zu der Zeit eines
Fehlers verringert, verglichen mit dem zugehörigen Strom unter
normalen Bedingungen, wie unter I3a in Fig. 8C gezeigt. Wenn die
Fähigkeit des aktuellen Stromes, dem angewiesenen Strom zu
folgen, festzustellen ist als eine Differenz zwischen dem
angewiesenen Stromwert und dem aktuellen Stromwert, wird der
Wert I&sub2;-Ir oder 13 gemessen und mit einem vorbestimmten
Schwellwert verglichen, so daß, wenn das Ergebnis des
Vergleiches nicht größer als der Schwellwert ist, ein Fehler
festgestellt wird.
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Fig. 9A und 8C sind Zeittafeln, die Wellenformen eines
angewiesenen Stromes Ic (durchgehende Linie) in einer zweiten
Spule (Anziehungsspule) und einen aktuellen Strom (punktierte
Linie) Im zeigen, der fließt, wenn der angewiesene Strom Ic sich
von Null ändert, um das Anziehen des Tauchankers durch die
zweite Spule zu bewirken, und Fig. 9B und 9D sind Zeittafeln,
die den Ventilhub im Prozeß zeigen. Die Fig. 9A und 9B
stellen den normalen Betrieb dar, und die Fig. 9C und 9D
stellen den Betrieb zur Zeit des Verlustes vom Synchronismus
dar. Unter normalen Bedingungen beeinflußt die
Schaltungsinduktivität den aktuellen Strom Im, langsam mit einer
Neigung von θ anzusteigen. Ist einmal der Synchronismus verloren,
verringert jedoch der Fehler des Tauchankers, um die
Nachbarschaft der Anziehungsspule zu erreichen, die
Schaltungsinduktivität, so daß der aktuelle Strom Im scharf
ansteigt (Neigungswinkel θa > θ). In Hinsicht darauf wird die
Neigung θ gemessen und mit einem vorbestimmten Schwellwert
verglichen, und wenn die Differenz nicht geringer als der
Schwellwert ist, kann ein Fehler entschieden werden. Anstelle
der Neigung θ kann die Zeit t&sub1;-t&sub0;, die erforderlich ist, um
einen vorbestimmten Stromwert IX zu erreichen, gemessen und
verglichen werden mit einem vorbestimmten Schwellwert, so daß,
wenn die Differenz nicht größer als der Schwellwert ist, ein
Fehler entschieden werden kann.
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Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte einer
Routine zum Steuern des elektromagnetisch betätigten Ventils
durch die Maschinen-ECU 60 zur Feststellung eines Fehlers zeigt.
Diese Routine ist konfiguriert, um für jeden vorbestimmten
Kurbelwinkel ausgeführt zu werden. Zuerst entscheidet Schritt
110, ob der gegenwärtige Kurbelwinkel die Zeit zum Starten der
Ventiloperation aufzeigt, und wenn die Zeit zum Betätigen des
Ventils gekommen ist, schreitet der Prozeß fort zu Schritt 120,
während, wenn die Zeit nicht zum Öffnen oder Schließen des
Ventils ist, die Routine beendet wird. Schritt 120 steuert den
Strom wie in den Fig. 5A, 5B, 5C oder 6A, 6B, 6C gezeigt, um
das Halten des Tauchankers durch eine Spule zu beenden und das
Anziehen durch die andere Spule zu starten.
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Dann mißt Schritt 130 die Zeit oder den Stromwert, der einen
Parameter zur Fehlerfeststellung bereitstellt, wie zuvor
beschrieben anhand der Fig. 7A bis 7D, 8A bis 8D oder 9A bis
9D. Dann vergleicht Schritt 140 den Parameter mit einem
vorbestimmten Schwellwert, wodurch die An- oder Abwesenheit
eines Betriebsfehlers des elektromagnetisch betätigten Ventils
zu entscheiden ist. Bei der Entscheidung, daß es keinen Fehler
gibt, wird diese Routine beendet, während, wenn die Anwesenheit
eines Fehlers entschieden ist, der Prozeß fortschreitet zu
Schritt 150, in dem ein vorbestimmter Fehlerbeseitigungsprozeß
ausgeführt wird und die Routine beendet wird.
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Der Fehlerbeseitigungsprozeß wird beispielsweise durch
Ändern des angewiesenen Stromwertes ausgeführt, wenn der
Anziehungsstrom an die Spule geliefert wird, anders als beim
festgestellten Verlust des Synchronismus, wie in den Fig. 11A
bis 11C nach Feststellung eines Fehlers durch das Verfahren der
Fig. 9A bis 9D gezeigt, Insbesondere der Anziehungsstrom
(Spitzenstrom) um ΔA erhöht, oder der Anziehungsstrom beginnt um
ΔT früher anzusteigen. Dann stellt der Tauchanker, das heißt,
der Ventilkörper den normalen Betrieb wieder her. Der
Anziehungsstrom kann zur selben Zeit erhöht werden, zu der das
Anlegen des Anziehungsstromes vorausgeht.
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Aus der vorstehenden Beschreibung läßt es sich verstehen,
daß gemäß der Erfindung die Fähigkeit des aktuellen
Spulenstromes, dem angewiesenen Strom im Prozeß des Übergangs
vom angezogenen und gehaltenen Zustand zum nicht angezogenen
Zustand zu folgen, oder die Fähigkeit des aktuellen
Spulenstromes, dem angewiesenen Strom beim Starten der Anziehung
zu folgen, bestimmt werden kann, daß eine fehlerhafte
Ventiloperation mit großer Genauigkeit festgestellt werden kann,
ohne irgendein unabhängiges Fehlerfeststellmittel.
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Die Erfindung kann realisiert werden in anderen speziellen
Formen, ohne vom Geist oder in wesentlichen Merkmalen
abzuweichen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist folglich in
jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkend
anzusehen, wobei der Umfang der Erfindung durch die anliegenden
Patentansprüche besser festgelegt ist als durch die vorsehende
Beschreibung, und alle Änderungen, die mit der Bedeutung und dem
Bereich der Äquivalenz der Patentansprüche einhergehen, sind
daher eingeschlossen.
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Ein Verfahren zur Feststellung eines Fehlers eines
elektromagnetisch betätigten Einlaß-/Auslaßventils ist
offenbart. Ein Ventilkörper wird in einer neutralen Position
gehalten durch die Rückstellkraft eines elastischen Gliedes, und
die elektromagnetische Kraft, die durch Anliefern eines Stromes
erzeugt wird für die Spulen, eingerichtet auf beiden Seiten
eines Tauchankers, wird an den Tauchanker angelegt, wodurch das
Ventil arbeitet. Ein Fehler wird festgestellt auf der Grundlage
einer Änderung des Stromes, der in eine Spule fließt, Anziehen
und Halten des Tauchankers mit der Induktivitätsänderung
derselben Spule, wenn der Tauchanker von der Position derselben
Spule auf die Position der anderen Spule umgeschaltet wird.
Dieses Verfahren verbessert die Fehlerfeststellgenauigkeit für
das elektromagnetisch betätigte Einlaß-/Auslaßventil gegenüber
dem Stand der Technik.