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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von elektromagnetischen
Betätigungseinheiten
zur Betätigung
von Einlass- und Auslassventilen in Brennkraftmaschinen.
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Wie
bekannt ist, werden momentan Antriebseinheiten getestet, bei denen
die Betätigung
der Einlass- und Auslassventile unter Verwendung von Betätigungseinheiten
vom elektromagnetischen Typ durchgeführt wird, die rein me-chanisch
wirkende Verteilungssysteme (Nockenwellen) ersetzen. Während es
herkömmliche Verteilungssysteme
erforderlich machen, ein Ventilhubprofil zu definieren, das einen
annehmbaren Kompromiss zwischen sämtlichen möglichen Betriebsbedingungen
des Motors darstellt, macht es die Verwendung von einem elektromagnetisch
gesteuerten Verteilungssystem möglich,
die Phasen in Abhängigkeit
vom Zündzeitpunkt
des Motors zu variieren, um ein optimales Betriebsverhalten in jedem
beliebigen Betriebszustand zu erreichen.
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Es
wurde daher eine Reihe von Steuersystemen entwickelt, die ermöglichen,
dass die Ventile mit Hilfe von elektro magnetischen Betätigungseinheiten
gemäß einer
gewünschten
zeitlichen Steuerung bewegt werden können.
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Diese
Steuersysteme besitzen jedoch einige Nachteile. Sie basieren auf
Steuersystemen in Form einer offenen Schleife und machen es erforderlich,
beim Öffnen
oder Schließen
eines jeden Ventils die Betätigungseinheiten
mit entsprechenden elektrischen Strömen und/oder Spannungen mit
einem Wert zu versorgen, der so groß ist, dass das Ventil unabhängig von
dem entgegenwirkenden Widerstand die gewünschte Position innerhalb eines
vorgegebenen Zeitintervalls erreicht.
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Auf
diese Weise ist das Ventil jedoch jedes Mal dann, wenn es mit festen
Elementen in der Position der maximalen Öffnung (unterer Kontakt) oder
in der geschlossenen Position (oberer Kontakt) in Kontakt tritt, einer
Stoßbelastung
ausgesetzt. Dies ist besonders kritisch, da die Ventile eine extrem
hohe Anzahl von Öffnungs-
und Schließzyklen
durchführen
und somit sehr rasch verschleißen.
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Darüber hinaus
sind Antriebseinheiten, die von diesen bekannten Steuersystemen
Gebrauch machen, unerwünscht
laut, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, was auf die
Stoßbelastungen
zurückzuführen ist,
die während
der Bewegungsphasen der Ventile auftreten.
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Ein
anderes Beispiel einer bekannten Betätigungseinheit ist in der DE-A-197
39 840 offenbart, die einen elektromagnetisch betätigten Servoantrieb
für ein
Einlass/Auslassventil in einer Brennkraftmaschine beschreibt. Ein
am Ventilschaft angeordneter Verschiebungssensor ermöglicht,
dass eine Steuerschaltung die exakte Position des Ventils überwacht
und den Betrag berechnet, um den das Ventil verschoben wird.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung von
elektromagnetischen Betätigungseinheiten
zur Verfügung
zu stellen, das frei von den vorstehend genannten Nachteilen ist
und es insbesondere möglich
macht, die Bewegung der Ventile während der Kontaktphasen entsprechend
der offenen und geschlossenen Position zu führen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Steuerung
von elektromagnetischen Betätigungseinheiten
für die
Betätigung
von Einlass- und Auslassventilen in Brennkraftmaschinen gemäß Patentanspruch
1.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in größeren Einzelheiten
in Verbindung mit einer die Erfindung nicht einschränkenden
Ausführungsform
derselben und anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:
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1 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines ersten Typs eines Einlass-
oder Auslassventils und der entsprechenden elektromagnetischen Betätigungseinheit;
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm, das das Steuerverfahren der vorliegenden
Erfindung betrifft;
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3 Beispiele
von Referenzbewegungsprofilen, die bei dem vorliegenden Verfahren
Verwendung finden;
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4 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines auf einer Rückkopplung basierenden dynamischen
Systems, das das vorliegende Verfahren verwirklicht;
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5 Diagramme,
die Distanz-Kraft-Strom-Charakteristika der elektromagnetischen
Betätigungseinheiten
betreffen; und
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6 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines zweiten Typs eines Einlass-
oder Auslassventils und der entsprechenden elektromagnetischen Betätigungseinheit.
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Gemäß 1 ist
eine elektromagnetische Betätigungseinheit 1,
die von einem Steuersystem der vorliegenden Erfindung gesteuert
wird, mit einem Einlass- oder Auslassventil 2 einer Brennkraftmaschine
gekoppelt und umfasst einen Schwingarm 3 aus ferromagnetischem
Material mit einem ersten Ende, das drehbar an einem festen Lager 4 gelagert
ist, so dass es um eine horizontale Drehachse A senkrecht zur Längsachse
B des Ventils 2 hin- und herschwingen kann, und einem zweiten
Ende, das über
ein Scharnier 5 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden
ist, ein Paar von Elektromagneten 6, die auf gegenüberliegenden
Seiten des Korpus des Schwingarmes 3 angeordnet sind, so
dass sie auf Befehl gleichzeitig oder abwechselnd durch Ausübung einer Nettokraft
F auf den Schwingarm 3 einwirken können, um zu bewirken, dass
sich dieser um die Drehachse A dreht, und ein elastisches Element 7,
das den Schwingarm 3 in einer Ruhelage halten kann, in der
er einen gleichen Abstand von den Polköpfen der beiden Elektromagneten 6 aufweist,
um das Ventil 2 in einer Zwischenposition zwischen der
geschlossenen Position (oberer Kontakt, ZSUP)
und der Position maximaler Öffnung
(unterer Kontakt, ZINF) zu halten, die das
Ventil 2 einnimmt, wenn der Schwingarm 3 in Kontakt
mit dem Polkopf des oberen Elektromagneten 6 und mit dem
Polkopf des unteren Elektromagneten 6 steht.
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Aus
Einfachheitsgründen
wird in der nachfolgenden Beschreibung auf eine einzige Ventilbetätigungseinheit
Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass das hier beschriebene
Verfahren für
die gleichzeitige Steuerung der Bewegung von sämtlichen Einlass- und Auslassventilen,
die in einer Antriebseinheit vorhanden sind, eingesetzt wird.
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Darüber hinaus
wird immer auf die Position des Ventils 2 in einer Richtung
parallel zur Längsachse
B relativ zu der Ruheposition Bezug genommen, von der angenommen
wird, dass es sich um die Ausgangsposition handelt.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst eine Steuereinheit 10 einen
Referenzerzeugungsblock 11, einen Kraftsteuerblock 12 und
einen Umwandlungsblock 13 und ist ferner über eine
Schnittstelle mit einer Führungs-
und Messschaltung 14 verbunden.
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Der
Referenzerzeugungsblock 11 empfängt als Eingangssignal ein
Sollpositionssignal ZT, das in bekannter
Weise von der Steuereinheit erzeugt wird, und eine Vielzahl von
Parametern, die die Motorbetriebszustände wiedergeben (beispielsweise
die Last L und die Zahl der Umdrehungen (UpM).
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Der
Referenzerzeugungsblock 11 gibt ferner als Ausgangssignal
ein Referenzpositionsprofil ZR und ein Referenzgeschwindigkeitsprofil
VR ab und führt diese Signale als Eingangssignal
zum Kraftsteuerblock 12, der ebenfalls eine Messung der
tatsächlichen
Position Z und einen Schätzwert
der tatsächlichen
Geschwindigkeit V des Ventils 2 empfängt. Der Messwert der Position
Z wird von der Führungs-
und Messschaltung 14 zugeführt, wie nachfolgend beschrieben,
und der Schätzwert
der tatsächlichen
Geschwindigkeit V kann beispielsweise erhalten werden, indem das
System mit einem Beschleunigungsmesser versehen wird, der die Beschleunigung
des Ventils 2 messen kann, und indem das von diesem Beschleunigungsmesser
zugeführte
Signal über
die Zeit integriert wird oder indem, als Alternative, aufeinanderfolgende
Messwerte der tatsächlichen Position
Z aufgezeichnet werden und die Ableitung der auf diese Weise erhaltenen
zeitlichen Reihe, ermittelt wird.
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Der
Kraftsteuerblock 12 berechnet als Ausgangssignal einen
Sollkraftwert Fo, der die mit Hilfe der Elektromagneten 7 auf
den Schwingarm 3 aufzubringende Nettokraft F wiedergibt,
und gibt dieses ab, um die Abweichungen der tatsächlichen Position Z und der
tatsächlichen
Geschwindigkeit V relativ zu den Profilen der Referenzposition ZR und der Referenzgeschwindigkeit VR zu minimieren.
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Der
Umwandlungsblock 13 empfängt als Eingangssignal den
Sollkraftwert Fo und gibt als Ausgangssignal
ein Paar von Sollstromwerten IOSUP und IOINF ab, die dem oberen Elektromagneten 6 und
dem unteren Elektromagneten 6 zugeführt werden sollen, um den Sollkraftwert
Fo zu erzeugen.
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Die
Führungs-
und Messschaltung 14 eines bekannten Typs empfängt als
Eingangssignal die Sollstromwerte IOSUP und
IOINF und bewirkt, dass der entsprechende
obere und untere Elektromagnet 6 mit entsprechenden Ströme ISUP und IINF versehen
werden.
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Sie
ist darüber
hinaus an einen Positionssensor 15 eines bekannten Typs
angeschlossen, der die Position des Ventils 2 oder in äquivalenter
Weise des Schwingarmes 3 detektieren kann. Der Positionssensor 15 liefert
ein Signal VZ, das die tatsächliche
Position Z des Ventils 2 wiedergibt, an die Führungs-
und Messschaltung 14, die wiederum das Messsignal der tatsächlichen
Position Z der Steuereinheit 10 und insbesondere dem Kraftsteuerblock 12 zuführt.
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Während des
Betriebes des Motors bestimmt die Steuereinheit 10 unter
Verwendung von bekannten Strategien die Momente zum Öffnen und
Schließen
des Ventils 2. Zur gleichen Zeit setzt sie das Sollpositionssignal
ZT auf einen Wert, der die Position wiedergibt,
die das Ventil 2 einnehmen sollte. Das Sollpositionssignal ZT ist insbesondere einem oberen Wert ZSUP, der dem oberen Kontakt entspricht, oder
einem unteren Wert ZINF, der dem unteren
Kontakt entspricht, zugeordnet, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Steuerein heit 10 einen
Schließ-
oder Öffnungsbefehl
dem Ventil 2 zugeführt
hat.
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Auf
der Basis der Werte des Sollpositionssignals ZT,
der Last L und der Umdrehungszahl UpM bestimmt der Referenzerzeugungsblock 11 das
Referenzpositionsprofil ZR und das Geschwindigkeitsreferenzprofil
VR, die die Position und die Geschwindigkeit
wiedergeben, die in Abhängigkeit
von der Zeit für
das Ventil 2 während
seiner Verschiebung zwischen den Positionen der maximalen Öffnung und
des Schließens
als Sollwerte wünschenswert
sind. Diese Profile können
beispielsweise aus dem Sollpositionssignal ZT mit
Hilfe eines nichtlinearen Zweizustandsfilters, der in bekannter
Weise vom Referenzerzeugungsblock 11 realisiert wird, berechnet
oder Tabellen entnommen werden, die im Kalibrierungsstadium erstellt
werden.
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3 zeigt
ein Beispiel, das sich auf ein Positionsprofil ZR und
ein Geschwindigkeitsprofil VR bezieht, die
zum Zeitpunkt To erzeugt wurden, zusammen
mit einem Befehl zum Schließen
des Ventils 2. Wie man erkennen kann, sind die Profile
so definiert, dass sich das Ventil 2 im Endabschnitt seines
Hubes verlangsamt, um einen abrupten Aufprall auf die festen Elemente
zu vermeiden.
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Der
Kraftsteuerblock 12 benutzt daher die Referenzpositionsprofile
ZR und Geschwindigkeitsreferenzprofile VR zusammen mit den Werten der tatsächlichen
Position Z und der tatsächlichen
Geschwindigkeit V, um den Sollkraftwert Fo der
Nettokraft F zu ermitteln, mit der der Schwingarm 3 beaufschlagt
werden muss, und zwar nach der folgenden Gleichung: Fo =
(N1ZR + N2VR) – (K1Z + K2V) (1)
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In
(1) sind N
1, N
2,
K
1 und K
2 Faktoren,
die durch Anwendung von bekannten Steuertechniken auf ein dynamisches
System
20 (in
4 gezeigt), das die Bewegung
des Ventils
2 wiedergibt und durch die folgende Matrixgleichung
beschrieben wird:
berechnet
werden können,
wobei Z und V die zeitlichen Ableitungen der tatsächlichen
Positionen Z und der tatsächlichen
Geschwindigkeit V sind, K eine elastische Konstante bedeutet, B
eine Viskositätskonstante
ist und M eine äquivalente
Gesamtmasse bedeutet. Insbesondere geben die Nettokraft F und die
tatsächliche
Position Z ein Eingangssignal und ein Ausgangssignal des dynamischen
Systems
20 wieder.
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Der
Kraftsteuerblock 12 führt
daher in bezug auf das dynamische System 20 die Funktion
einer Rückkopplungs-Steuereinheit oder
Regeleinheit, die in 4 mit 21 bezeichnet
ist, aus, welche die Nettokraft F als Steuervariable benutzt, um
vorzugeben, dass die gesteuerte Variable, d.h. die tatsächliche
Position Z, einen Verlauf besitzt, der so eng wie möglich an
einen vorgegebenen Verlauf, der vom Referenzpositionsprofil ZR vorgegeben wird, angenähert ist.
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Wie
vorstehend erläutert,
wird der vom Kraftsteuerblock 12 gemäß Gleichung (1) berechnete
Sollkraftwert Fo vom Umwandlungsblock 13 verwendet,
um die Sollstromwerte IOSUP und IOINF der entsprechenden Ströme ISUP und IINF zu bestimmen,
die dem unteren und oberen Elektromagneten 6 zugeführt werden
müssen.
Diese Stromwerte können
in bekannter Weise durch Inversion eines mathematischen Modells
oder auf Basis von Tabellen, die die Distanz-Kraft-Strom-Charakteristika
kennzeichnen, erhalten werden.
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Ein
Beispiel dieser Charakteristika ist im Diagramm der 5 in
bezug auf die beschriebene Ventil-Elektromagneteinheit dargestellt.
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Im
einzelnen ist die Position des Schwingarmes 3 relativ zu
den Elektromagneten 6 auf der Abszisse dargestellt. Der
Ausgangspunkt befindet sich am Ruhepunkt, in dem der Schwingarm 3 von
den Polköpfen
der beiden Elektromagneten 6 gleichweit entfernt ist, während die
Punkte ZSUP und ZINF den
oberen Kontakt und den unteren Kontakt kennzeichnen. Mit der Variation
der Ströme
ISUP Und IINF, die
vom oberen und unteren Elektromagneten 6 absorbiert werden,
sind die von diesen auf den Schwingarm 3 ausgeübten Kräfte durch eine
erste Familie von Kurven, die durch kontinuierliche Linien wiedergegeben
und mit FSUP gekennzeichnet sind, und eine
zweite Familie von Kurven, die durch gestrichelte Linien und mit
FINF gekennzeichnet sind, wiedergegeben.
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Es
sollte betont werden, dass beide Elektromagneten 6 während des
gleichen Schließ-
oder Öffnungshubes
des Ventils 2 versorgt werden können, damit die auf den Schwingarm 3 ausgeübte Nettokraft
F einen Wert besitzt, der dem Sollkraftwert Fo entspricht.
Beispielsweise wird während
eines Schließhubes,
in dem sich das Ventil 2 zwischen der Position der maximalen Öffnung und
der geschlossenen Position bewegt, der obere Elektromagnet 6 anfangs
versorgt. Wenn die tatsächliche
Geschwindigkeit V des Ventils 2 die Referenzgeschwindigkeit
VR übersteigt,
erzeugt der Kraftsteuerblock 12 einen solchen Sollkraftwert
Fo, dass eine Bremswirkung auf dieses Ventil 2 ausgeübt wird.
Diese Bremswirkung wird somit durch Deaktivierung des oberen Elektromagneten 6 und
Zuführung
des Stromes IINF zum unteren Elektromagneten 6 erhalten,
während
sich das Ventil 2 noch in Richtung auf den oberen Kontakt
ZSUP bewegt. Umgekehrt wird während eines Öffnungshubes,
in dem sich das Ventil 2 zwischen der geschlossenen Position
und der Position maximaler Öffnung
bewegt, der obere Elektromagnet 6 zum Bremsen des Ventils 2 verwendet,
während
es der untere Elektromagnet 6 möglich macht, eine Beschleunigung
zu bewirken.
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Die
Stadien der Beaufschlagung und Deaktivierung der Elektromagneten 6,
um das Ventil 2 in der vorstehend beschriebenen Weise zu
beschleunigen oder abzubremsen, können diverse Male während eines
jeden Öffnungs-
und Schließhubes
nacheinander wiederholt werden, um die Abweichungen der tatsächlichen Position
Z und der tatsächlichen
Geschwindigkeit V des Ventils 2 vom Referenzpositionsprofil
ZR und vom Referenzgeschwindigkeitsprofil
VR zu minimieren.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren besitzt die nachfolgenden Vorteile:
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Als
erstes macht es die Steuerung mit Rückkopplung (geschlossene Regelung)
möglich,
die Ventile gemäß vorgegebenen
Bewegungsprofilen zu betätigen.
Es ist insbesondere möglich,
einen gewünschten
Geschwindigkeitstrend aufzubringen und diesen an den Endhubbereichen
zu moderieren, so dass der Kontakt zwischen den Ventilen und den
festen Elementen auf sanfte Weise stattfindet. Dies macht es möglich, eine sogenannte „weiche
Berührung" zu erzielen und
Stoßbelastungen
zu vermeiden, die sonst die Lebensdauer der Ventile verringern und
die Verwendung von elektromagnetischen Betätigungssystemen für Fahrzeuge
der Massenproduktion problematisch machen würden.
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Darüber hinaus
macht es die Verwendung von moderierten Geschwindigkeitsprofilen
im wesentlichen möglich,
den von der Antriebseinheit erzeugten Lärm zu reduzieren und auf diese
Weise deren ruhigen Lauf insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten
zu verbessern.
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Weiter
Vorteile werden durch die Verwendung der Nettokraft F als Steuervariable
erreicht, wodurch es möglich
wird, eine genaue Steuerung auszuführen und gleichzeitig die von
den Elektromagneten absorbierten Ströme zu optimieren. Diese Ströme müssen nur
sicherstellen, dass die auf den Schwingarm aufgebrachte Nettokraft
F einen Wert besitzt, der dem Sollkraftwert Fo entspricht.
Bei den bekannten Verfahren müssen
jedoch die Elektromagneten Ströme
absorbie ren, die ausreichend groß sind, um die Verschiebung
des Ventils zwischen, dem oberen und unteren Kontakt unabhängig von
der tatsächlich
erforderten Kraft sicherzustellen. Es muss eine Sicherheitsgrenze
hierfür
vorgesehen werden, und es müssen
daher hohe Ströme
den Elektromagneten zugeführt
werden. Es versteht sich daher, dass es das vorgeschlagen Verfahren
in vorteilhafter Weise möglich
macht, den Stromverbrauch zu reduzieren und das Gesamtverhalten
der Antriebseinheit wesentlich zu verbessern. Infolge der geringeren
Stromabsorption besteht ein geringeres Risiko einer Beschädigung der Wicklungen
der Elektromagneten infolge einer Überhitzung.
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Das
vorgeschlagene Verfahren kann darüber hinaus auch für die Steuerung
von anderen Ventilbetätigungseinheiten
als denen in Verbindung mit 1 beschriebenen
verwendet werden. Wie beispielsweise in 6 gezeigt,
wirkt eine Betätigungseinheit 25 mit
einem Einlass- oder Auslassventil 26 zusammen und umfasst
einen Anker aus ferromagnetischem Material 27, der starr
mit einem Schaft 28 des Ventils 26 verbunden und
senkrecht zu dessen Längsachse
C angeordnet ist, ein Paar von Elektromagneten 29, die
zumindest teilweise den Schaft 28 des Ventils 26 umgeben
und auf gegenüberliegenden
Seiten relativ zum Anker 27 angeordnet sind, so dass sie
auf Befehl abwechselnd oder gleichzeitig durch Ausübung einer
Nettokraft F auf den Anker 27 einwirken können, damit
sich dieser translatorisch parallel zur Längsachse C bewegt, und ein
elastisches Element 30, das den Anker 27 in einer
Ruheposition halten kann, in der er in gleichen Abständen von den
Polköpfen
der beiden Elektromagneten 29 angeordnet ist, um das Ventil 26 in
einer Zwischenposition zwischen der geschlossenen Position (oberer
Kontakt) und der Position maximaler Öffnung (unterer Kontakt), die das
Ventil 26 einnimmt, wenn der Anker 27 in Kontakt
mit dem Polkopf des oberen Elektromagneten 6 und mit dem
Polkopf des unteren Elektromagneten 6 angeordnet ist, zu
halten.
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Es
versteht sich, dass Modifikationen und Variationen in bezug auf
die obige Beschreibung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang des vorhandenen
Patentanspruches 1 abzuweichen.