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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem mehrteiligen Gehäuse, einer Antriebseinheit, die ein Drehmoment erzeugt und in einem Motorraum angeordnet ist, einer Getriebeeinheit, die in einem Getrieberaum angeordnet ist, einem Exzenter, der über die Getriebeeinheit antreibbar ist, einer translatorisch bewegbaren Ventilstange, die in einen Ventilstangenbewegungsraum ragt, einem Kopplungselement, über welches die Bewegung des Exzenters in eine translatorische Bewegung der Ventilstange umwandelbar ist, einem Ventilsitz zwischen einem Einlass und einem Auslass und einem Ventilschließkörper, der an der Ventilstange befestigt ist und auf den Ventilsitz absenkbar und vom Ventilsitz abhebbar ist.
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Derartige Ventilvorrichtungen werden insbesondere als Abgasrückführventile verwendet. Über die zumeist elektromotorische Antriebseinheit wird eine Getriebeeinheit in Drehung versetzt, die ein Kopplungselement aufweist, über welches die rotatorische Bewegung der Zahnräder in eine translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt wird. Mittels dieser Ventile wird ein Abgasstrom, der vom Abgaskrümmer zum Saugrohr zur Verminderung von Schadstoffemissionen zurückgeführt wird, über einen weiten Bereich geregelt. Die elektromotorisch angetriebenen Ventile mit dem zwischengeschalteten Getriebe weisen dabei eine hohe Regelgenauigkeit auf. Abgasrückführventile sind jedoch im Abgasbereich einer hohen thermischen Belastung und einer fortschreitenden Verschmutzung ausgesetzt.
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So ist aus der
EP 0 887 540 B1 ein Abgasrückführventil bekannt, bei dem ein Zahnradgetriebe über einen Elektromotor angetrieben wird. Das letzte Getriebezahnrad weist eine Führungsöffnung auf, in die ein Bolzen ragt, der fest mit der Ventilstange verbunden ist und sich senkrecht zu dieser erstreckt. Bei Drehung des Abtriebszahnrades verschiebt sich der Bolzen in der Führungsöffnung, wobei eine vom Gehäuse geführte translatorische Bewegung einer das Ventil betätigenden Stange folgt. Ein Eindringen von Blow-by-Gasen in den Getrieberaum wird dadurch verhindert, dass die Ventilstange in zwei axial übereinanderliegende Abschnitte geteilt ist, die über ein Befestigungsglied miteinander verbunden sind, wobei an der Außenseite des Befestigungsgliedes eine Membran angeordnet ist.
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Ein solcher Aufbau vermindert zwar das Eindringen von Blow-by-Gasen, jedoch ist der Aufbau sowohl bezüglich der Anzahl der Bauteile als auch bezüglich des Zusammenbaus sehr aufwendig. Des Weiteren besteht ein erhöhter Platzbedarf.
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Zusätzlich ist aus der
EP 1 091 112 B1 ein Abgasrückführventil mit einem Planetengetriebe bekannt. Das letzte Zahnrad des Getriebes ist auf einer Ausgangswelle gelagert, an deren entgegengesetzten Ende ein Exzenter angeordnet ist. Dieser Exzenter ist mit einer Achse verbunden, welche bei Betätigen des Antriebsmotors um die Drehachse eine Kreisbewegung vollzieht. Auf der Achse ist ein Kugellager angeordnet, welches in einer Kulisse eines Kopplungselementes läuft, das fest mit der Ventilstange verbunden ist. Der Getrieberaum wird durch eine topfförmige Abdeckung verschlossen, aus der die Drehachse herausragt, und welche über Schrauben an einem weiteren Gehäuseteil befestigt wird.
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Dieser Aufbau vermindert zwar das Eindringen von Blow-by-Gasen in das Getriebe, hat jedoch seine Öffnung zum Ventilstangenbewegungsraum exakt im Bereich der sich drehenden Achse, welche somit weiterhin als besonders empfindliches Bauteil durch das heiße Abgas belastet ist. Des Weiteren ist der axiale Bauraum eines derartigen Ventils durch das Planetengetriebe und den folgenden Exzenter relativ groß.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Ventilvorrichtung zu schaffen, mit der ein Eindringen von Verschmutzungen in ein Getriebe und insbesondere in die empfindlichen, sich drehenden Teile des Getriebes möglichst verhindert werden kann. Gleichzeitig sollen die thermische Belastung der empfindlichen Teile der Ventilvorrichtung reduziert werden und der benötigte Bauraum minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Abdeckung zwischen dem Exzenter und dem Kopplungselement angeordnet ist, die den Getrieberaum vom Ventilstangenbewegungsraum trennt. Somit befindet sich der Exzenter mit seiner Drehachse im abgekapselten Getrieberaum. Die Drehachse ist somit im Vergleich zu bekannten Ausführungen zusätzlich vor Verschmutzung durch eindringende Blow-by-Gase geschützt.
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Vorzugsweise ist in einer Aufnahme des Gehäuses eine Motorkappe angeordnet, die den Getrieberaum vom Motorraum trennt. Auf diese Weise wird ein Eintrag von Bürstenabbrand oder -abrieb vom Motorraum in den Getrieberaum weitestgehend verhindert.
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Besonders bevorzugt ist es, eine Achse am Exzenter zu befestigen, die auf einer Kreisbahn um die Drehachse des Exzenters bewegbar ist. Durch diese Ausführung wird eine besonders einfache Kopplung zur Ventilstange ermöglicht.
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Eine besondere Ausführung wird geschaffen, indem ein Abtriebszahnrad der Getriebeeinheit als Exzenter dient und die Achse am Abtriebszahnrad angeordnet ist. Entsprechend ist der Exzenter in das Abtriebszahnrad integriert, so dass auf einen Exzenter als zusätzliches Bauteil verzichtet werden kann, wodurch Bauteileanzahl und Montagezeiten verringert werden. Selbstverständlich können das Abtriebszahnrad und die Achse in dieser Ausführung einstückig hergestellt werden oder die Achse umspritzt werden.
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In einer weiterführenden Ausführung ist das Kopplungselement an der Ventilstange befestigt und weist eine Kulisse auf, in der eine Rolle oder ein Lager geführt ist, die oder das auf der Achse angeordnet ist. So wird die Drehbewegung des Zahnrades auf besonders einfache Weise in eine translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt. Reibungskräfte werden minimiert, so dass lediglich geringe Stellkräfte erforderlich sind.
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Bei einer derartigen Ausführung weist vorzugsweise die Abdeckung eine teilkreisbogenförmige Öffnung auf, durch welche die Achse hindurch ragt. Diese Öffnung bildet die einzige Verbindung zwischen Ventilstangenbewegungsraum und Getrieberaum und liegt nicht in unmittelbarer Nähe zu den drehbeweglich gelagerten Achsen. Bei relativ hoher Abschirmung durch die Abdeckung wird dennoch die Funktionsfähigkeit gewährleistet.
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Vorzugsweise ist die Abdeckung als Platte mit senkrecht zur Platte umgebogenen Außenkanten ausgeführt. Eine derartige Abdeckung kann ohne zusätzliche Befestigungsmittel im Gehäuse eingelegt werden. Das Befestigen erfolgt in einem derartigen Fall durch Formschluss.
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In einer weiterführenden Ausführung liegen die Außenkanten zumindest teilweise gegen sich in gleicher Richtung erstreckende Anlageflächen des Gehäuses an. Hierdurch wird die Dichtstrecke am Außenumfang der Abdeckung erhöht, so dass ein zusätzlicher Strömungswiderstand geschaffen wird, der einem Eindringen von Gasen in den Getrieberaum entgegenwirkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Gehäuse aus einem topfförmigen Motorgehäuseteil, einem Getriebegehäuseteil, in welchem der Getrieberaum ausgebildet ist und in dem die Drehachsen der Zahnräder befestigt sind und einem Ventilgehäuseteil, in dem der Einlass und der Auslass mit dem Ventilsitz ausgebildet sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine hohe Dichtigkeit gegenüber der außenliegenden Atmosphäre bei einfacher Montage.
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In einer weiterführenden Ausführung sind die Anlageflächen für die Außenkanten der Abdeckung am Getriebegehäuseteil ausgebildet, so dass keine Verschiebung der Anlageflächen im Gehäuse bezüglich der Außenkanten der Abdeckung entstehen kann.
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Eine besonders vorteilhafte Getriebeform ergibt sich bei Verwendung eines Stirnradgetriebes, bei dem die Getriebeeinheit aus einem Antriebsritzel besteht, welches mit dem größeren Zahnrad eines Doppelzahnrades kämmt, dessen kleineres Zahnrad mit dem Abtriebszahnrad kämmt, welches als Zahnradsegment ausgeführt ist. Ein derartiges Getriebe benötigt bei großer Übersetzung nur einen geringen Bauraum und ist einfach zu montieren.
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Vorzugsweise ist im Getriebegehäuseteil eine zur Drehachse des Abtriebszahnrades konzentrische Ausnehmung ausgeformt, in der eine Schraubenfeder angeordnet ist, deren erster Schenkel am Getriebegehäuseteil anliegt und deren zweiter Schenkel am Abtriebszahnrad anliegt, so dass bei Drehung des Zahnrades aus der geschlossenen Stellung des Ventils in der Feder Energie zum Rückdrehen des Zahnrades in die Ausgangsposition gespeichert wird. Eine derartige Anordnung bewirkt die Möglichkeit zur Erweiterung des Exzenterdrehwinkels. Daraus resultiert ein günstiger Kraftverlauf über den Drehwinkel, so dass in den Extremlagen hohe Kräfte zum Losbrechen des Ventils oder zur Überwindung von Druckdifferenzen aufgebracht werden können.
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Auch ist es vorteilhaft, dass im Getriebegehäuseteil ein Stanzgitter eingespritzt ist, welches Anschlusspins eines am Getriebegehäuseteil ausgebildeten Steckers, eines Sensors und der Antriebseinheit aufweist. So kann die elektrische Versorgung des Ventils sowie die Lagerückmeldung über die gesamte Lebensdauer sichergestellt werden, da ein Lösen von Kontakten aufgrund von Erschütterungen des Ventils ausgeschlossen ist.
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Eine zusätzliche Dichtheit bereits im Übergang zwischen dem Abgas führenden Bereich und dem Ventilstangenbewegungsraum wird dadurch erreicht, dass die Ventilstange über ein Führungselement im Gehäuse translatorisch geführt ist und auf der Ventilstange zwischen dem Führungselement und dem Kopplungselement ein Dichtelement angeordnet ist.
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Durch die Anordnung einer Kontur am Getriebegehäuseteil, welche als Führung des Kopplungselementes dient, wird ein Verdrehen des Kopplungselementes und damit der Ventilstange verhindert.
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Es wird somit eine Ventilvorrichtung geschaffen, welche gegen Verschmutzung insbesondere durch Blow-by-Gase und thermische Belastung weitestgehend unempfindlich ist und gleichzeitig bei hoher Stellgenauigkeit lediglich einen geringen Bauraumbedarf aufweist und somit kostengünstig herstellbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt in perspektivischer Darstellung die Ventilbaugruppe.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Getriebeeinheit und der Antriebseinheit der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung aus 1, wobei Teile der Getriebeeinheit als Explosionszeichnung dargestellt sind.
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Die in 1 dargestellte Ventilvorrichtung besteht aus einem mehrteiligen Gehäuse 2, welches sich aus einem topfförmigen Motorgehäuseteil 4, einem Getriebegehäuseteil 6 und einem Ventilgehäuseteil 8 zusammensetzt.
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Das Getriebegehäuseteil 6 weist an seiner ersten Seite einen ringförmigen Vorsprung 10 auf, an dessen Außenumfang unter Zwischenlage einer Dichtung 12 das Motorgehäuseteil 4 befestigt ist und dessen Innenumfang eine Aufnahme 14 bildet, in die ein als Antriebseinheit 16 dienender Elektromotor gesteckt ist. Der Elektromotor 16 ist an seinem zum Getriebegehäuseteil 6 weisenden Ende durch eine Motorkappe 18 weitestgehend verschlossen, so dass ein Motorraum 20 gegenüber dem Getriebegehäuseteil 6 abgetrennt wird. Lediglich eine Antriebswelle 22, auf der ein Antriebsritzel 24 einer Getriebeeinheit 26 drehfest angeordnet ist sowie zwei nicht dargestellte Motoranschlusskontakte ragen durch entsprechende Öffnungen der Motorkappe 18.
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Im Getriebegehäuseteil 6 ist die Getriebeeinheit 26 in einem Getrieberaum 28 angeordnet und gelagert. Sie besteht aus dem Antriebsritzel 24, welches mit einem größeren Zahnrad 30 eines Doppelzahnrades 32 kämmt, dessen kleineres Zahnrad 34 mit einem Abtriebszahnrad 36 kämmt, welches als Zahnradsegment ausgeführt ist, was insbesondere in 3 zu erkennen ist. Das Doppelzahnrad 32 ist ebenso wie das Abtriebszahnrad 36 jeweils auf einem als Drehachse 38, 40 dienenden Achsbolzen gelagert, der im Getriebegehäuseteil 6 befestigt ist.
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Zusätzlich ist im Getrieberaum 28 eine zur Drehachse des Abtriebszahnrades 36 konzentrisch angeordnete ringförmige Ausnehmung 42 ausgebildet, in der eine in Verdrehrichtung vorgespannte Schraubenfeder 44 angeordnet ist, deren erster, in den Figuren nicht sichtbarer Schenkel gegen das Getriebegehäuseteil 6 anliegt und deren zweiter Schenkel 46 am Abtriebszahnrad 36 anliegt. Diese wird bei Drehung des Abtriebszahnrades 36 aus seiner Ausgangsposition weiter verdreht, so dass diese Feder 44 als Rückstellfeder verwendet werden kann, welche die Getriebeeinheit 26 in bekannter Weise in ihre Ausgangsstellung zurückdreht, falls beispielsweise die Antriebseinheit 16 ausfallen sollte.
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Am Abtriebszahnrad 36 ist außerhalb der Drehachse 40 eine Achse 48 angeordnet, die sich parallel zur Drehachse 40 erstreckt und bei Drehung des Abtriebszahnrades 36 auf einem Kreisbogen um die Drehachse 40 bewegt wird. Diese Achse 48 kann sowohl bei der Herstellung des Abtriebszahnrades 36 umspritzt werden als auch einstückig mit diesem hergestellt oder anderweitig am Zahnrad 36 befestigt werden. Entsprechend wirkt das Abtriebszahnrad 36 gleichzeitig als Exzenter 37, so das auf ein zusätzliches Exzenterbauteil verzichtet werden kann.
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Die Achse 48 erstreckt sich durch eine ebenfalls teilkreisbogenförmige Öffnung 50 einer Abdeckung 52, welche erfindungsgemäß den Getrieberaum 28 von einem Ventilstangenbewegungsraum 54 trennt, in den die Achse 48 ragt.
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Die Abdeckung 52, deren Form in 3 dargestellt ist, ist im Wesentlichen als flache Platte 56 ausgebildet, von der aus sich in einem Winkel von 90° zur Platte Außenkanten 58 erstrecken. Diese Außenkanten 58 liegen gegen entsprechend ausgebildete Anlageflächen 60 des Getriebegehäuseteils 6 an, wodurch eine formschlüssige Befestigung im Getriebegehäuseteil 6 entsteht, ohne zusätzliche Befestigungsmittel verwenden zu müssen. Des Weiteren wird durch diese verlängerte Anlagefläche die Dichtheit des Getrieberaums 28 erhöht, welcher zu seiner ersten Seite durch die Motorkappe 18 und zur entgegengesetzten Seite durch die Abdeckung 52 von seiner Umgebung abgetrennt ist. Eine Verbindung besteht lediglich durch die Öffnungen 50, durch welche die Wellen 22 beziehungsweise Achsen 48 zum Antrieb aus beziehungsweise in den Getrieberaum 28 ragen.
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Im Ventilstangenbewegungsraum 54 ist auf der Achse 48 eine Rolle 62 angeordnet, die in einer Kulisse 64 eines Kopplungselementes 66 geführt ist, welches wiederum fest mit einer Ventilstange 68 der Ventilvorrichtung verbunden ist. Die Kulisse 64, welche in 2 ersichtlich ist, kann dabei eine gebogene Form aufweisen, um spezielle geforderte Kraft-Hub-Verläufe darzustellen.
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Die Ventilstange 68 ragt durch eine entsprechende Öffnung des Ventilgehäuseteils 8, in welchem ein Führungselement 70 angeordnet ist, über welches die Ventilstange 68 so gelagert ist, dass lediglich eine reine Hubbewegung möglich ist. Zwischen diesem Führungselement 70 und dem Ventilstangenbewegungsraum ist ein Dichtelement 72 im Ventilgehäuseteil 8 angeordnet, welches die Ventilstange 68 umgibt und einen entlang der Ventilstange 68 in den Ventilstangenbewegungsraum 54 eindringenden Blow-by Gasstrom deutlich reduziert. Am entgegengesetzten Ende des Führungselementes ist, wiederum die Ventilstange umgebend, ein Abschirmelement 74 angeordnet, welches Ablagerungen an der Ventilstange 68 löst und ebenfalls die Abdichtung an der Ventilstange 68 verbessert.
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Auf dem Ende der Ventilstange 68 ist in bekannter Weise ein Ventilschließkörper 76 befestigt, der in der dargestellten Position einen Einlass 78 des Ventils von einem Auslass 80 trennt. Hierzu liegt der Ventilschließkörper auf einem Ventilsitz 82 auf.
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Am entgegengesetzten axialen Ende der Ventilstange 68 ist jenseits des Kopplungselementes 66 ein Trägerelement 84 am Kopplungselement 66 befestigt, welches mit der Ventilstange 68 bewegt wird. Dieses Trägerelement 84 weist einen keramischen Isolationskörper 86 auf, der sich über den Querschnitt des Trägerelementes 84 erstreckt, so dass eine thermische Trennung zwischen der gegebenenfalls thermisch hochbelasteten Ventilstange und dem jenseits des Isolationskörpers 86 angeordneten Teil des Trägerelementes 84 entsteht. In diesem thermisch abgetrennten Bereich weist das Trägerelement 84 eine Öffnung auf, in der ein Permanentmagnet 88 befestigt ist. Dieser kommuniziert mit einem berührungslosen Sensor 90, der umspritzt im Getriebegehäuseteil 6, parallel zur Bewegungsrichtung des Trägerelementes 84 neben diesem angeordnet ist.
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Der Sensor 90 ist über ein Stanzgitter 92 mit einem Stecker 94 verbunden, dessen Anschlusspins 96 durch die Enden des Stanzgitters 92 gebildet werden. Weitere Leitungen des Stanzgitters 92 bilden Motoranschlüsse, die mit den Motorkontakten zusammengesteckt werden, so dass sowohl die Ansteuerung der Antriebseinheit 16 als auch die Lagerückmeldung der Ventilvorrichtung über den Stecker 94 erfolgen kann. Das Stanzgitter 92 wird bei der Herstellung in die Spritzgussform des Getriebegehäuseteils 6 eingelegt und umspritzt, so dass ein Lösen der elektrischen Kontakte zuverlässig verhindert wird.
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Soll nun die Verbindung vom Einlass 78 zum Auslass 80 zumindest teilweise geöffnet werden, wird eine Steuereinheit über die Anschlusspins 96 des Steckers 94 der Antriebseinheit 16 eine benötigte Spannung zur Verfügung stellen. Durch Drehen der Antriebseinheit 16 wird die Getriebeeinheit 26 in Drehung versetzt und damit das Abtriebszahnrad 36. Dadurch wird die Achse 48 auf einem Kreisbogen um die Drehachse 40 gedreht, so dass die Rolle 62 in der Kulisse 64 abläuft. Dies erzwingt eine translatorische Bewegung des Kopplungselementes 66 und damit der Ventilstange 68 und des Ventilschließkörpers 76, der vom Ventilsitz 82 abgehoben wird, so dass ein Gasstrom vom Einlass 78 zum Auslass 80 fließen kann. Bei dieser Bewegung wird ein Verdrehen der Ventilstange 68 durch eine Kontur 98 am Ventilgehäuseteil 8 verhindert, wie aus 2 hervorgeht.
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Die Stellung des Ventilschließkörpers 76 wird dabei über das sich am Sensor 90 durch die Bewegung des Permanentmagneten 88 mit dem Trägerelement 84 ändernde magnetische Feld in bekannter Weise über den Stecker 94 zurückgemeldet, so dass bei Erreichen der geforderten Stellung die Antriebseinheit 16 abgestellt wird.
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Im Bereich des Auslasses 80 sind Druckpulsationen vorhanden, die dazu führen, dass trotz des Dichtelementes 72 Blow-by Gase entlang der Ventilstange 68 in den Ventilstangenbewegungsraum 54 gelangen. Ein Eindringen dieser Gase in den Getrieberaum kann jedoch zu großen Teilen durch die zusätzliche Abdeckung 52 verhindert werden. Insbesondere befindet sich die Öffnung 50 der Abdeckung 52 nicht direkt gegenüber eines drehgelagerten Teils des Getriebes 26, so dass ein vorrangiges Eindringen des dennoch in den Getrieberaum 28 gelangenden Gases ebenfalls geringere Auswirkungen hat.
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Bei hoher Schmutzunempfindlichkeit benötigt diese Ventilvorrichtung nur einen geringen Bauraum. Die Montage ist einfach, wobei die Bauteileanzahl ebenfalls minimiert wurde, so dass deutliche Kostenvorteile bei verlängerter Lebensdauer erzielt werden.
