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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen verteilten Speicher zum Dämpfen von
Druckschwingungen in Ölkanälen eines
hydraulischen Ventilbetätigungssystems.
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Verbrennungsmotoren
umfassen typischerweise Einlass- und Auslassventile, die durch Nocken an
einer dem Motor zugeordneten Nockenwelle betätigt werden. Es sind nockenlose
Motoren mit elektrisch oder hydraulisch gesteuerten Ventilen vorgeschlagen
worden, um eine verbesserte Steuerung des Ventilbetriebes vorzusehen
und somit eine Ventilbewegung zu erzielen, die nicht von den Konturen einer
Nockenfläche
abhängt.
Beispielsweise kann es ein elektrisch oder hydraulisch gesteuerter
Motor ermöglichen,
dass Ventile sich während
eines Motortaktes mehrfach oder überhaupt
nicht öffnen,
wie etwa bei einem Zylinderabschaltungssystem. Elektrisch oder hydraulisch
gesteuerte Ventile können
die Einstellung der zeitlichen Abstimmung leichter gestalten und
eine vollständig
flexible Ventilbetätigungssteuerung
bereitstellen.
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In
einem hydraulisch gesteuerten Ventiltrieb können Schwankungen des Hydraulikdrucks
innerhalb der Ölversorgung,
der Ölrückführung und
den Steuerdurchgängen
das Verhalten des Ventiltriebes verändern. Wenn die Druckschwingungen
eine zu hohe Amplitude aufweisen und/oder keine beständige Phase
in Relation zu jedem Ventilereignis aufweisen, kann die Kontrolle über die
Ventilstellung verloren gehen. Dies kann zu einer fehlerhaften Ventiltriebdynamik,
Ventiltriebgeräusch
und potentieller Kollision oder Störung zwischen Ventil und Kolben oder
zu Motorausfall führen.
Es ist dementsprechend erwünscht,
derartige Druckschwingungen zu dämpfen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen verteilten Speicher zur Verwendung
in der Ölversorgung, der Ölrückführung und/oder
Steuerkanälen
eines Verteilers für
ein hydraulisches nockenloses Ventilbetätigungssystem bereit. Der verteilte
Speicher ist derart gestaltet, dass Druckschwingungen in dem Öl, die aus Ölströmungsschwingungen
während
der Betätigung
von Schiebeventilen resultieren, gedämpft werden.
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Im
Besonderen ist ein Verteiler vorgesehen, um Hochdrucköl in einem
nockenlosen Motor zu verteilen. Der Verteiler umfasst einen Körper, in
dem der Länge
nach ein erster, ein zweiter und ein dritter Kanal ausgebildet sind.
Schiebeventile an dem Körper dienen
dazu, abwechselnd Öl
in die Kanäle
mit Zylinderventilen (über
Kraftumsetzer) eines Motors, an welchem der Verteiler montiert ist,
zu übertragen,
um eine Bewegung der Zylinderventile zu bewirken. Ein verteilter
Speicher ist in einem der Kanäle
angeordnet und umfasst zumindest eine Federtasche, die mit einem
komprimierten Fluid gefüllt
ist. Der Speicher ist derart gestaltet, dass die Tasche Druckschwingungen
in dem Öl,
die aus Ölströmungsschwingungen während der
Betätigung
der Schiebeventile resultieren, dämpft.
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Der
verteilte Speicher ist vorzugsweise in einem Ölrückführkanal (dem ersten Kanal)
angeordnet, und ein zweiter verteilter Speicher ist vorzugsweise
in dem Steuerkanal (dem zweiten Kanal) angeordnet.
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Es
können
mehrere Federtaschen entlang der Länge jedes verteilten Speichers
beabstandet vorgesehen sein, oder es kann sich eine einzige Federtasche
im Wesentlichen über
die Länge
jedes verteilten Speichers erstrecken.
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Jeder
verteilte Speicher kann auch einen Halterungsabschnitt aufweisen,
der an einem Ende desselben ausgebildet ist und ein Kontur besitzt,
die zur Kontur des jeweiligen Kanals passt, um den verteilten Speicher
in dem jeweiligen Kanal zu befestigen.
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Jede
Tasche weist vorzugsweise einem Membran aus rostfreiem Stahl mit
einem darin eingefangenen komprimierbaren Fluid auf. Das komprimierbare
Fluid kann ein inertes Gas sein, wie beispielsweise Stickstoff oder
Luft.
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Die
Erfindung erwägt
auch einen nockenlosen Motor mit Einlass- und Auslassventilen, die
durch Öldruck
in Verteilern wie oben beschrieben gesteuert werden. Die Schiebeventile übertragen
selektiv das Hochdrucköl
oder das Niederdrucköl
mit dem Zylinderventil durch eine Fluidöffnung (beispielsweise über einem
Kraftumsetzer), um eine Bewegung des Zylinderventils zwischen offenen
und geschlossenen Stellungen zu bewirken. Um Druckschwingungen zu dämpfen und
ein gleichmäßiges Ventilschließen bereitzustellen,
ist ein verteilter Speicher in zumindest einem von der Ölversorgung,
der Ölrückführung und Steuerkanälen des
Verteilers angeordnet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen zeigt:
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1 eine Ansicht im vertikalen
Schnitt eines nockenlosen Motors gemäß der Erfindung;
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2 eine perspektivische Explosionsansicht
eines Verteilers, der verteilte Speicher gemäß der Erfindung umfasst;
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3 eine Schnittansicht eines
Verteilers und von Speichern gemäß der Erfindung;
und
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4 eine schematische Darstellung
eines verteilten Speichers in einer Versorgungsschiene gemäß der Erfindung.
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In 1 ist eine Ansicht im vertikalen
Schnitt eines nockenlosen Motors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Der nockenlose Motor 10 umfasst einen Zylinderkopf 12 mit
mehreren darin ausgebildeten Zylindern, die mit Auslass- und Einlasskanälen 16, 18 in
Verbindung stehen. Die Lage von einem derartigen Zylinder ist in 1 mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet,
obwohl der Zylinder nicht gezeigt ist. Die Auslass- und Einlasskanäle 16, 18 werden
wahlweise mit dem Zylinder 14 in Verbindung gebracht, indem
die Auslass- und Einlassventile (die hierin auch als Zylinderventile
bezeichnet werden) 20, 22 geöffnet und geschlossen werden.
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Die
Rückstellfedern 24, 26 spannen
die Auslass- und Einlassventile 20, 22 in Richtung
einer geschlossenen Stellung gegen die jeweiligen Ventilsitze 28, 30 vor.
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Typischerweise
werden die Auslass- und Einlassventile durch Nocken an einer Nockenwelle betätigt. Jedoch
wird bei dem nockenlosen Motor der vorliegenden Erfindung eine Bewegung
der Auslass- und Ein lassventile 20, 22 gegen die
Kraft der Rückstellfedern 24, 26 hydraulisch über Hochdrucköl in den
Verteilern 32, 34 bewirkt. Jeder Verteiler 32, 34 umfasst
einen Hochdruckkanal 36, 38 zum Transportieren
von Öl
mit hohem Druck, wie etwa 3000 psi (20 MPa). Die Verteiler 32, 34 umfassen
jeweils einen Niederdruckkanal 40, 42 zum Transportieren
von Öl bei
annähernd
50 psi (350 kPa). Die Verteiler 32, 34 umfassen
ferner einen Steuerdruckkanal 44, 46 zum Transportieren
von Öl
bei annähernd
350 psi (2,5 MPa) zur Verwendung beim Steuern von Schalt- oder Schiebeventilen 48, 50.
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Die
Schiebeventile 48, 50 dienen dazu, alternativ
die Hochdruckkanäle 36, 38 und
Niederdruckkanäle 40, 42 mit
den Fluidöffnungen 52, 54 zum
Betätigen
der Ventile 20, 22 in Verbindung zu bringen.
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Die
Schiebeventile 48, 50 bringen selektiv die Niederdruck- und Hochdruckkanäle 36, 38, 40, 42 mit
den Fluidöffnungen 52, 54 auf
eine Weise in Verbindung, um entweder die Kraft der jeweiligen Rückstellfedern 24, 26 zu überwinden
und somit die Ventile 20, 22 zu öffnen, oder
zuzulassen, dass die Rückstellfedern 24, 26 die
jeweiligen Ventile 20, 22 in die geschlossene
Stellung zurückführen. Der
Druck in den Steuerkanälen 44, 46 wird
von den Schiebeventilen 48, 50 zur Steuerung der
Betätigung
verwendet.
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Eine
Funktionsbeschreibung der Schiebeventile 48, 50 ist
ausführlich
in den folgenden Patenten angegeben, die Sturmann Industries gehören, wobei
deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen
ist: US-Patent-Nummern 5 829 396; 6 024 060; 6 308 690; 6 349 685;
6 354 185 und 6 360 728. Die vorliegende Erfindung kann die in den
oben genannten Patenten beschriebene Schie beventiltechnik in einem
zur Massenproduktion ausgestalteten Fahrzeugmotor benutzen.
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Kraftumsetzer 56, 58 übertragen
Kraft von dem Öldruck
in den Fluidöffnungen 52, 54 auf
die Schäfte 60, 62 der
Auslass- und Einlassventile 20, 22.
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Die
Kraftumsetzer 56, 58 umfassen jeweils eine bewegliche
Hülse 64, 66 und
einen beweglichen Stift 68, 70 in den jeweiligen
Hülsen 64, 66.
Wenn ausreichend Druck aufgebracht wird, bewegen sich die beweglichen
Hülsen 64, 66 mit
den jeweiligen beweglichen Stiften 68, 70, bis
die Hülsen 64, 66 an
einer Anschlagfläche
ihren Tiefstpunkt erreichen und die Stifte 68, 70 fortfahren,
sich zu bewegen. Sensoren 72, 74 lesen die abgeschrägten Flächen 76, 78 der
Stifte 68, 70, um die vertikale Stellung der Stifte zu
Steuerzwecken zu bestimmen.
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In
den 2 und 3 ist ein Verteiler 34 gezeigt,
der einen Körper 35 mit
einem Hochdruck-Versorgungskanal 38, einem Niederdruck-Rückführkanal 42 und
einem Steuerdruckkanal 46 aufweist, die in dem Körper 35 ausgebildet
sind. Der Körper 35 umfasst
auch mehrere Schiebeventil-Montagebohrungen 84, die in
diesem ausgebildet sind, um Schiebeventile aufzunehmen, wie etwa
das in 1 gezeigte Ventil 50.
Der Körper 35 umfasst
ferner Ventilstellgliedkanäle 85,
die die in 1 gezeigten
Kraftumsetzer 58 aufnehmen.
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Der
Verteiler 34 umfasst auch eine Dichtung 86 und
eine Endplatte 88, die an dem Körper 35 durch den
Eingriff der Schrauben 90 mit den Schraubenlöchern 92 befestigt
sind.
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Ein
alternatives hydraulisches Ventilbetätigungssystem, das mit der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in der US-Patentanmeldung
US 2003/0015155 gezeigt,
deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen
ist.
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Die
Erfindung ist besonders durch die verteilten Speicher 94, 96 gekennzeichnet,
die in dem Rückführkanal 42 bzw.
dem Steuerkanal 46 angeordnet sind. Die verteilten Speicher 94, 96 stellen
eine federnde Membran oder eine diskrete Reihe von Membranen bereit,
die ein komprimierbares Fluid enthalten. Diese Einrichtungen haben
die Wirkung, den gezeigten Kompressionsmodul von Öl in den
Kanälen
zu reduzieren, wodurch die Empfindlichkeit von Druckschwingungen
in den Kanälen
gegenüber
Strömungsschwingungen
während
des Ventilschaltens reduziert wird. Aufgrund der verteilten Natur
der Einrichtung, d.h. aufgrund der Tatsache, dass die federnde Membran
oder die diskrete Reihe von federnden Membranen sich entlang der
Länge der
Kanäle
erstrecken kann oder entlang der Länge der Kanäle beabstandet angeordnet sind,
ist darüber
hinaus die Druckempfindlichkeit gegenüber Strömungsschwingungen zwischen
einer Reihe von Stellgliedern oder Schiebeventilen entlang dieser
Hydraulikdurchgänge ebenfalls
reduziert. Infolgedessen sind die Strömungswirkungen von einem Stellglied
oder Schiebeventil auf ein benachbartes Ventilstellglied oder Schiebeventil
minimiert.
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Da
die Motorventile unterbrechend betätigt werden, wird Hydraulikfluid
von dem Versorgungskanal 38 zu dem Rückführkanal 42 durch ein
Dosierventil geleitet. Während
dieser Ereignisse ist der momentane Durchsatz der Hydraulikpumpe
des Systems abzüglich
des momentanen Durchsatzes der Ventilstellglieder kontinuierlich
veränderbar.
Infolgedessen ist ebenfalls die Masse von Fluid in jeden Kanal und
zwischen jedem Stellglied kontinuierlich veränderbar. Da das Hydraulikfluid
einen relativ hohen Kompressionsmodul aufweist, und die Volumina
der Hydraulikfluiddurchgänge 42, 46 im
Wesentlichen konstant sind, führt
die momentane Schwankung der Fluidmasse zu einer damit in Beziehung
stehenden Schwankung des momentanen Hydraulikfluiddrucks.
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Die
verteilten Speicher 94, 96 erhöhen das momentane Volumen der
Hydraulikdurchgänge 42, 46,
da die Masse von Fluid und der Druck zunehmen, was die Wirkung hat,
dass der Kompressionsmodul (d.h. die Druckempfindlichkeit) des Fluids
reduziert wird. Die Volumina der Hydraulikdurchgänge 42, 46 werden
verändert,
indem das Volumen des komprimierbaren Fluids, das in den Membranen
der Speicher 94, 96 enthalten ist, reduziert wird.
Die verteilten Speicher 94, 96 sind in 2 nur teilweise sichtbar, aber
die verdeckten Abschnitte sind Spiegelbilder der sichtbaren Abschnitte.
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Wie
es in den 2 und 3 gezeigt ist, weist der
verteilte Speicher 94 einen Körper 98 mit einer diskreten
Reihe von Federtaschen 100 auf, die in Intervallen beabstandet
angeordnet sind, um eine Kollision oder Störung mit Bauelementen der Schiebeventile/Stellglieder
zu vermeiden.
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In
der Schnittansicht von 3 ist
gezeigt, dass jede Tasche 100 durch erste und zweite Membranen 102, 104 gebildet
ist, die an ihrem Umfang 106, 108 aneinandergeschweißt sind,
um eine hermetisch abgedichtete Innenkammer 110 zur Aufnahme
eines komprimierbaren Fluids, wie etwa eines inerten Gases, wie
Stickstoff, Luft, Helium usw. zu bilden. Die dauerhaften Membranen 102, 104 bestehen
vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,2 mm (0,008
Zoll). Alternativ können
die Membranen 102, 104 aus anderen Metallen oder
Elastomeren bestehen.
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Die
Geometrie der Membranen 102, 104 ist optimal entworfen,
um einen gewünschten
gezeigten Volumenmodul des Fluids zu erzeugen, während eine absolute maximale
volumetrische Verzerrung bereitgestellt wird, die größer ist
als die normalen volumetrischen Schwankungen des Fluids. Mit anderen Worten
sind die Membranen 102, 104 derart entworfen,
dass sie stark federnd sind, aber vorzugsweise nicht unter Bedingungen
hohen Druckes aneinander anschlagen. Ebenso wird vorzugsweise die
technische Fließgrenze
der Membranen 102, 104 während ungünstiger Betriebsbedingungen
nicht überschritten.
Außerdem
ist die Federrate der Membranen 102, 104 in Verbindung
mit der Kompressibilität
des Fluids in der Kammer 110 derart gewählt, dass sie eine Gesamtfederverhalten
in einem gewünschten
Bereich ergeben. Es kann erwünscht
sein, die Geometrie der Membranen 102, 104 derart
zu entwerfen, dass die Lastverteilung durch die Membranen verändert wird, wenn
die maximale zu erwartende volumetrische Strömungsschwankung und/oder Druck überschritten
wird, so dass das Membranmaterial niemals nachgibt (d.h. die Membranen 102, 104 würden aneinander
anschlagen, bevor sie nachgeben).
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3 zeigt auch den verteilten
Speicher 96, der eine Tasche 112 umfasst, die
sich im Wesentlichen über
die Länge
des Speichers 96 erstreckt (wie es in 2 gezeigt ist). Die Membranen 114, 116 sind
wie gezeigt an ihrem Umfang 118, 120 aneinandergeschweißt, um die
Innenkammer 122 zu bilden, die das komprimierbare Fluid,
wie etwa ein inertes Gas, wie es oben beschrieben ist, enthält.
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Da
Bauteile der Schiebeventile/Stellglieder die Strömung in den Kanälen 42, 46 stören können, gibt
es eine erschwerte Übermittlung
der Druckwellen in den Kanälen
aufgrund dieser Störung,
so dass die diskrete(n) oder kontinuierliche(n) Speichertasche(n)
die Empfindlichkeit des Fluids zwischen Einschnürungen in den Kanälen gegenüber Strö mungs- und
Druckschwingungen reduziert/reduzieren, wodurch eine verbesserte
Steuerung der Zylinderventile 20, 22 ermöglicht wird.
Da die Druckwellen auf diese Weise gedämpft werden, kann die Bewegung
der Stifte 66, 68, wie in 1 gezeigt ist, und dadurch die Bewegung
der Ventile 20, 22 genau und gleichmäßig gesteuert
werden, was während
des Schließens
besonders wichtig ist, um Geräusche
und andere Betriebsprobleme, wie etwa eine fehlerhafte Ventiltriebdynamik,
eine Kollision oder Störung
von Ventil und Kolben, oder Motorausfall, zu verhindern.
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Es
kann in Betracht gezogen werden, dass das komprimierbare Fluid in
den Innenkammern 110, 122 im Voraus gefüllt oder
im Voraus unter Druck gesetzt werden kann. Dies kann erzielt werden,
indem die Membranen in einer mit Druckfluid gefüllten Kammer zusammengeschweißt werden,
so dass das Druckfluid in den Taschen eingefangen wird, wenn die
Membranen zusammengeschweißt
werden. Alternative Verfahren umfassen Crimpen, Rollformen und Extrudieren.
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2 veranschaulicht auch die
Halterungen 124, 126, die an den Enden der jeweiligen
verteilten Speicher 94, 96 vorgesehen sind. Die
Halterungen 124, 126 weisen jeweils eine Kontur
auf, die zu der Kontur des jeweiligen Kanals 42, 46 passt,
um den verteilten Speicher in dem jeweiligen Kanal zu befestigen.
Die verteilten Speicher 94, 96 sind in den Kanälen 42, 46 durch
eine Dichtung 86 und eine Endplatte 88 gefangen.
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Es
kann in Betracht gezogen werden, dass die verteilten Speicher in
einem, zwei oder allen drei Kanälen 38, 42, 46 vorgesehen
sein können.
Da der Versorgungskanal 38 den höchsten Druck aufweist, ist
er gegenüber
Druckschwingungen am wenigsten empfindlich, weshalb bei dieser besonderen
Ausführungsform
in diesem kein Speicher vorgesehen ist.
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4 zeigt schematisch einen
verteilten Speicher 130, der in dem Versorgungskanal 38 vorgesehen
ist. Das Hydraulikfluid 132 wird wie gezeigt in dem Versorgungskanal 38 von
einer Hydraulikpumpe mit einem Durchsatz oder einer Strömung Qin als
eine Funktion der Zeit (Qin = f(Zeit)) aufgenommen. Der Versorgungskanal 38 nimmt
das Hydraulikfluid von dem Eintrittskanal 134 auf, und
das Fluid wird durch die Austrittskanäle 136, 138 ausgetragen, wenn
die geeigneten Schiebeventile betätigt werden. Die Strömung durch
die Ventile ist durch Qv1 = f(Zeit) und Qv2 = f(Zeit) dargestellt.
Der verteilte Speicher 130 umfasst ein komprimierbares
Fluid 140, das einen Fluiddruck aufweist, der gegen die
Membranwände 142, 144 des
Speichers 130 wirkt. Der Druck des komprimierbaren Fluids
Pda ist eine Funktion des Volumens V des zugeführten Öls in dem Verteiler und des
Anfangsvolumens Vo und des Anfangsdruckes Po des komprimierbaren
Fluids 140. Dementsprechend hängt der Druck des komprimierbaren Fluids 140 auf
die Membranwände 142, 144 davon ab,
ob das komprimierbare Fluid im Voraus gefüllt wird. Die Federrate der
Membranwände
ist ebenfalls ein Faktor. Der resultierende Druck der Wände ist eine
Funktion des Elastizitätsmoduls
des Membranmaterials der Wände.
Das Volumen (V) des Versorgungskanalöls hängt deshalb von der in den
Kanal (Qin) eintretenden Fluidströmung und der aus dem Kanal
austretenden Strömung
Qv1, Qv2 ab. Der resultierende Öldruck
in der Versorgungsschiene (Ps) ist deshalb eine Funktion des Drucks
des komprimierbaren Fluids (Pda) und des Drucks aufgrund des Elastizitätsmoduls
des Membranmaterials (Pwall). Dementsprechend können die Eigenschaften des komprimierbaren
Fluids 140 und der Membranen 142, 144 Öldruckschwingungen
in dem Kanal 38 direkt dämpfen.
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Die
Erfindung stellt dementsprechend ein kostengünstiges in Bezug auf die Packung
effizientes Mittel zur Bereitstellung der Druck dämpfung bereit, die für eine akzeptable
Ventilsteuerung notwendig ist, indem Druckwellen isoliert und deren
Amplituden reduziert werden.
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Zusammengefasst
ist ein Verteiler zur Aufnahme von Drucköl bei einem nockenlosen Motor vorgesehen.
Ein Körper
des Verteilers weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten
Kanal auf, die der Länge
nach in dem Körper
ausgebildet sind. Schiebeventile an dem Körper dienen dazu, abwechselnd Öl in den
Kanälen
mit Zylinderventilen eines Motors, an dem der Verteiler montiert
ist, in Verbindung zu bringen, um eine Bewegung der Zylinderventile
zu bewirken. Ein verteilter Speicher ist in zumindest einem der
Kanäle
angeordnet und umfasst zumindest eine Federtasche, die mit einem
komprimierbaren Fluid gefüllt
ist. Der Speicher ist derart gestaltet, dass die Tasche Druckschwingungen
in dem Öl,
die aus Ölströmungsschwingungen
während
einer Betätigung
der Schiebeventile resultieren, dämpft.