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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, aufweisend ein Steuerventil mit von einem Steuergerät gesteuerter elektromagnetischer Betätigung, aufweisend einen zumindest eine Spule und einen Anker umfassenden Elektromagneten, der mit einem eine Mediumszumessung bestimmenden Ventil zusammenwirkt, wobei eine Öffnungsbewegung des Ventils von dem Elektromagneten und eine Schließbewegung von einer Steuerventilfeder eingestellt wird. Weiter betrifft die Erfindung ein entsprechend ausgebildetes System.
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Stand der Technik
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Ein derartiges System ist aus der
DE 199 05 721 A1 bekannt. Dieses System umfasst ein Gaseinspritzventil für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine. Das Gaseinspritzventil besteht im Wesentlichen aus einem Elektromagneten und einem von dem Elektromagneten betätigten Ventil zur Gaszumessung. Dabei wirkt der Elektromagnet über einen Stempel mit einem Dichtelement, das seinerseits mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, zusammen. Der Stempel umfasst ein scheibenförmiges Endteil, das sich auf dem Dichtelement im Bereich des Ventilsitzes abstützt. Weiterhin stützt sich auf dem scheibenförmigen Endteil eine Schließfeder des Gaseinspritzventils ab. Das scheibenförmige Endteil soll Verformungen des vorzugsweise losen Dichtelements verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, aufweisend ein Steuerventil mit von einem Steuergerät gesteuerter elektromagnetischer Betätigung anzugeben, bei dem der Schließvorgang verbessert ist. Weiterhin soll ein entsprechendes System bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer Magnetkraftsteuerungseinrichtung die Schließbewegung verlangsamt wird. Entsprechend ist das System dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine die Schließbewegung verlangsamende Magnetkraftsteuerungseinrichtung aufweist. Dieser Ausgestaltung beziehungsweise diesem Verfahren liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass ein Abschalten beziehungsweise Schließen des Steuerventils und damit des davon betätigten Ventils erfolgt, indem der Strom beziehungsweise die Spannung, der beziehungsweise die den Elektromagneten betätigt, abgeschaltet wird. Dadurch nimmt die Kraft des Elektromagneten zeitlich ab. Bei diesem Vorgang wird schließlich die Summe aus Federkraft und Gaskraft größer als die Magnetkraft und das Ventil schließt. Für bestimmte Anwendungen sind die freizugebenden Öffnungsquerschnitte relativ groß (typisch sind einige hundert mm2) und der statische Durchfluss erreicht 1.000 kg/h und mehr. Deshalb muss das Ventil relativ groß dimensioniert werden (der Durchmesser von Ventilsitz und Ventilteller beträgt typisch einige cm, bis zu circa 15 bis 20 cm). Diese Dimensionen erzeugen große druckbeaufschlagte Flächen, die gegen den herrschenden Differenzdruck (Mediumdruck zuführseitig gegen den Druck im Saugrohr) von typisch 2 bis 6 bar geöffnet werden muss. Der Hub beträgt typisch 100 bis 300 µm und der Restluftspalt typisch 50 µm, so dass der Elektromagnet in der Lage sein muss, hohe Kräfte zu erzeugen (einige 100 N bis circa 1.000 N). Am Ende der Haltephase ist also in dem Elektromagneten eine beträchtliche elektromagnetische Energie gespeichert, die abgebaut werden muss, bevor das Ventil schließt. Um eine Verzögerung zwischen dem Ende der Bestromung und dem Beginn des mechanischen Schließens des Ventiltellers möglichst kurz zu halten, ist eine Steuerventilfeder vorgesehen, die den Ventilteller mitsamt den bewegten Komponenten des Steuerventils nach dem Ende der Bestromung in den Ventilsitz drückt. Um die Verzögerung zwischen dem Ende der Bestromung und letztendlich dem Auftreffen des bewegten Ventiltellers in dem Ventilsitz gering zu halten, ist die Steuerventilfeder so ausgestaltet, dass diese den Ventilteller gegen die Kraft der noch vorhandenen elektromagnetischen Energie in dem Elektromagneten unverzüglich in den Ventilsitz drückt. Dadurch trifft der Ventilteller bei herkömmlichen Systemen mit großer Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auf und es kommt zu einem sogenannten Ventilsitzprellen, bei dem der Ventilteller mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftrifft und aufgrund der hohen Bewegungsenergie wieder aus dem Ventilsitz heraus bewegt wird. Danach drückt die Steuerventilfeder den Ventilteller wieder in den Ventilsitz. Dieser Vorgang kann sich einige Male wiederholen. Durch diesen Prellvorgang wird einerseits die Mediumszumessung ungenau und darüber hinaus kann ein Verschleiß an dem so ausgebildeten Ventil auftreten. Dadurch, dass nunmehr die Schließbewegung des Ventiltellers vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz verlangsamt wird, sind die zuvor dargestellten Nachteile ausgeschaltet und umgekehrt eine genaue Mediumszumessung möglich, während ein möglicher Verschleiß des Ventils beziehungsweise des gesamten Steuerventils minimiert ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird die Schließbewegung unmittelbar vor einem Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz des Ventils verlangsamt. Dadurch wird die Schließzeit gegenüber einem herkömmlichen System nicht oder nur unwesentlich verlängert. Dabei kann ergänzend vorgesehen sein, dass die Schließbewegung vor der Verlangsamung schneller ausgeführt wird, so dass im Ergebnis ein zeitneutraler Schließvorgang gegenüber einem herkömmlichen System dargestellt ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Schließbewegung durch Anlegen eines Spannungsprofils und/oder Stromprofils an die Spule des Elektromagneten verlangsamt. Dieses Anlegen des Spannungsprofils und/oder Stromprofils wird mittels der Magnetkraftsteuerungseinrichtung eingestellt. Dabei können in der Magnetkraftsteuerungseinrichtung unterschiedliche Profile gespeichert sein, die bei unterschiedlichen Systemen oder unterschiedlichen Betriebszuständen eines Systems zum Einsatz kommen können. In jedem Fall sind die Profile des zusätzlichen Strom- und Spannungspulses (Slowdown Pulse) so gewählt, dass die Schließbewegung der beweglichen Ventilgruppe des Ventils reproduzierbar verlangsamt wird. Insgesamt wirkt die erneut aufgebrachte Magnetkraft auf die Ankergruppe, insbesondere auf den Ventilteller in Richtung zu der Spule, was zu einer Verlangsamung der Bewegung der beweglichen Ventilgruppe unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz führt. Über den Wirkmechanismus Geschwindigkeitsreduktion – Impulsreduktion – Belastungsreduktion – Verschleißreduktion an den Aufschlagflächen des Ventilsitzes und des Ventiltellers, die die zusammenwirkend die Dichtfläche definieren, kann eine Verbesserung der Leckage-Eigenschaften und der Haltbarkeit des Gesamtsystems über dessen Lebensdauer beziehungsweise dessen Lastwechselzahl erzielt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren so abgestimmt, dass die Schließgeschwindigkeit des Ventiltellers unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz zumindest halbiert ist. Dies ist ein anzustrebender Wert, der sicherstellt, dass die eingangs gestellten Vorgaben an die Verbesserung des Schließvorgangs und die Erhöhung der Dauerhaltbarkeit erfüllt sind.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schließgeschwindigkeit bis zum Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz zunehmend reduziert wird. Dies kann durch ein entsprechendes Spannungs- und/oder Stromprofil mit geringem Aufwand eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, einen noch genaueren Schließvorgang bei minimiertem Verschleiß darzustellen. Auch ist dadurch die Schließzeit insgesamt weiter verkürzbar.
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In weiterer Ausgestaltung wird vor dem Einleiten einer Verlangsamung der Schließbewegung eine Magnetkraftlöschungsspannung an die Spule angelegt. Diese Magnetkraftlöschungsspannung baut die am Ende der Haltephase in dem Elektromagneten gespeicherte elektromagnetische Energie gezielt ab, wodurch das Ventil ohne oder ohne nennenswerte Verzögerung schließt. Diese Verzögerung zwischen dem Ende der Bestromung und dem Beginn des mechanischen Schließens kann bei herkömmlichen Systemen einige Millisekunden betragen. Durch das Anlegen einer Magnetkraftlöschungsspannung an die Spule wird folglich der Schließvorgang zumindest so weit verkürzt, dass die anschließende Verlangsamung der Schließbewegung zeitlich ausgeglichen wird. Insgesamt wird dadurch bei deutlich verbessertem Verschleißverhalten eine erhöhte Dosiergenauigkeit des Mediums erreicht. Ergänzend kann auch nach dem vollständigen Schließen des Ventils nochmals eine Magnetkraftlöschungsspannung an die Spule angelegt werden. Das erneute Anlegen einer Magnetkraftlöschungsspannung an die Spule führt zu einer De-Energetisierung des Elektromagneten (Magnetkraftabbau) und damit zu reproduzierbaren Anfangsbedingungen für den nächsten Öffnungsvorgang.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Magnetkraftsteuerungseinrichtung in das Steuergerät integriert. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform, die besonders platzsparend baut. In Weiterbildung des Systems kann die Magnetsteuerungseinrichtung aber auch eine separate Einheit sein, die in eine elektrische und magnetische Schnittstelle des Steuergeräts, in eine elektrische und magnetische Schnittstelle des Steuerventils, in eine Verbindungsleitung zwischen dem Steuergerät und dem Steuerventil oder in das Steuerventil selbst integriert sein kann. Dadurch ist es möglich, mit vorhandenen und weiter zu verwendenden Steuergeräten dennoch die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu nutzen.
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Wenn auch das Steuerventil ein beliebiges Steuerventil, das ein beliebiges Medium steuert, sein kann, ist die bevorzugte Anwendung bei einem Gasventil, insbesondere einem Gaseinspritzventil für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine gegeben. Bei einer solchen gasbetriebenen Brennkraftmaschine kann durch den Einsatz des erfindungsgemäß ausgestalteten Systems mit dem die Schließbewegung des Gaseinspritzventils unmittelbar vor dem Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz verlangsamenden Magnetkraftsteuerungseinrichtung eine Verbesserung des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einer Verringerung des Gasverbrauchs und einer Reduzierung der Abgasemission bei erhöhter Dauerhaltbarkeit des Systems erreicht werden.
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Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das entsprechend ausgestaltete System mehrere Vorteile auf.
- – Es wird eine erhebliche Reduktion der Aufschlaggeschwindigkeit und damit des Aufschlagimpulses sowie der an den Dichtkanten zu dissipierenden kinetischen Energie erreicht,
- – eine Belastungsreduktion der Aufschlagflächen, die gleichzeitig Dichtflächen sind, von Ventilteller und Ventilsitz als Voraussetzung für eine Verschleißminderung ist sichergestellt,
- – eine Reduktion von Geschwindigkeit, Impuls und Belastung sowohl bei geringen Differenzdrücken (Leerlauf) als auch bei mittleren und hohen Differenzdrücken (Teillastbetrieb / Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine) ist ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Steuerventils mit einer Darstellung von Einbaumöglichkeiten einer erfindungsmäßen Magnetkraftsteuerungseinrichtung,
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2a ein Diagramm mit einem schematisch dargestellten Gesamtbestromungsverlauf eines Steuerventils einschließlich eines eine Schließbewegung verlangsamenden Strompulses,
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2b ein Diagramm mit einer Darstellung von möglichen Strompulsen zur Verlangsamung einer Schließbewegung,
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2c ein Diagramm mit einem schematisch dargestellten Gesamt-Hubverlauf eines Ventiltellers eines Ventils einschließlich der Verlangsamung einer Schließbewegung unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz,
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2d ein Diagramm mit einem schematisch dargestellten Geschwindigkeitsverlauf eines Ventiltellers eines Ventils.
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1 zeigt ein als Gaseinspritzventil ausgebildetes Steuerventil 1 zum Steuern des Durchsatzes eines gasförmigen Mediums. Das Steuerventil 1 wird insbesondere bei einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine verwendet, wobei die Brennkraftmaschine beispielsweise ein Großmotor sein kann, der im stationären Betrieb oder instationären Betrieb eingesetzt wird. Das Steuerventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in dem ein Elektromagnet 3 angeordnet ist. Der Elektromagnet 3 weist zumindest eine Spule 4 auf, die bei einer Bestromung einen Anker 5 axial in dem Ventilgehäuse 2 bewegt. An dem Anker 5 ist mittels einer Ankerbolzenschraube 6 unter Einfügung eines Einstellrings 20 ein Ventilteller 7 eines Ventils 8 befestigt, wobei der Ventilteller 7 bei einer nicht bestromten Spule 4 – wie dargestellt – auf einem Ventilsitz 9 des Ventils 8 aufsitzt. Wird die Spule 4 bestromt, wird der Ventilteller 7 von dem Ventilsitz 9 abgehoben und gibt eine Strömungsverbindung 10 durch das Ventil 8 frei. In diesem Betriebszustand strömt Gas von einem Vorratsbehälter durch das Steuerventil 1 direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine oder aber über einen Ansaugtrakt oder ein Saugrohr des Ansaugtraktes bei einem geöffneten Einlassventil der Brennkraftmaschine indirekt in einen Brennraum. Die Zuführung des Gases zu dem Steuerventil 1 kann durch eine in dem Ventilgehäuse 2 angeordnete und strichliniert dargestellte Bohrung in axialer Richtung oder eine ebenfalls strichliniert dargestellte Bohrung in radialer Richtung erfolgen.
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Eine Schließbewegung des Steuerventils 1 wird durch Abschaltung der Stromzufuhr beziehungsweise Spannungszufuhr zu der Spule 4 eingeleitet. Dadurch wird das auf den Anker 5 einwirkende Magnetfeld abgebaut und der Ventilteller 7 kann von zumindest einer Steuerventilfeder 11 auf den Ventilsitz 9 gedrückt werden. Ein bei einem Großmotor eingesetztes Steuerventil 1 ist aufgrund der freizugebenden Öffnungsquerschnitte relativ groß ausgebildet, wobei der Ventilteller 7 einen Durchmesser von bis zu 20 cm und einen Hub von bis zu 300 µm aufweisen kann, um den nötigen Strömungsquerschnitt bei geöffnetem Ventil 8 freizugeben. Entsprechend muss der Elektromagnet 3 leistungsstark dimensioniert sein, um den Ventilteller 7 gegen die Kraft der zumindest einen Steuerventilfeder 11 und gegen die in dem Steuerventil 1 herrschenden Gasdruckkräfte zur Freigabe der Strömungsverbindung 10 zu bewegen. Dementsprechend ist am Ende der Öffnungsphase in dem Elektromagneten 3 eine elektromagnetische Energie gespeichert, die abgebaut werden muss, bevor das Ventil 8 schließt. Die Verzögerung zwischen dem Ende der Bestromung und dem Beginn des mechanischen Schließens beziehungsweise dem Auftreffen des bewegten Ventiltellers 7 in dem Ventilsitz 9 kann daher einige Millisekunden betragen. Um diese Verzögerung zu verringern, ist vorgesehen, eine Magnetkraftlöschungsspannung 12 (2) an die Spule 4 anzulegen, die die Magnetkräfte des Elektromagneten 3 schneller abbaut. Weiterhin wird erfindungsgemäß mittels einer grundsätzlich beliebig verbaubaren Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 die Schließbewegung des Ventiltellers 7 unmittelbar vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 9 verlangsamt.
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Das Steuerventil 1 weist einen Anschlussstecker 13 auf, der elektrisch mit der Spule 4 verbunden ist und wobei an den Anschlussstecker 13 eine Steuerleitung 14 anschließbar ist, die wiederum mit einem Steuergerät 15 verbindbar ist. Mittels des Steuergeräts 15 wird die Bestromung der Spule 4 des Elektromagneten 3 des Steuerventils gesteuert. Weiterhin ist die Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 vorhanden, die in das Steuerventil 1, in den Anschlussstecker 13, in die Steuerleitung 14 oder das Steuergerät 15 eingebaut oder integriert sein kann. Mittels der Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 wird, wie nachfolgend genauer erläutert wird, die Schließbewegung des Ventiltellers 7 des Ventils 8 vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 9 verlangsamt.
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In dem Diagramm gemäß 2a ist der Gesamtbestromungsverlauf I der Spule 4 des Elektromagneten 3 über der Zeit t dargestellt. In einer Phase I. erfolgt eine konventionelle Bestromung der Spule 4 mit der die Öffnung des Ventils 8, bei der der Ventilteller 7 aus dem Ventilsitz 9 wegbewegt wird, eingestellt wird. Dabei weist die Phase I. typischerweise eine Haltephase Ia. auf, die aber auch weggelassen werden kann. In einer zweiten Phase II. wird eine Magnetkraftlöschungsspannung 12 an die Spule 4 angelegt. Die Magnetkraftlöschungsspannung 12 bewirkt, dass eine noch vorhandene Magnetisierung in dem Elektromagneten 3 abgebaut wird und eine unmittelbare Einleitung der Schließbewegung des Ventiltellers 7 nach Abschaltung der Bestromung eingeleitet wird. Vor dem Auftreffen des Ventiltellers 7 auf den Ventilsitz 9 wird während einer Phase III. die Schließbewegung des Ventiltellers 7 verlangsamt, indem mittels der Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 ein Spannungsprofil und/oder Stromprofil 17 (Slowdown Pulse) an die Spule 4 angelegt wird. Dadurch wird die Schließbewegung des Ventiltellers 7 unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz 9 – wie in den 2c und 2d dargestellt ist – verlangsamt. Anschließend an die Phase III. kann eine Phase IV. anschließen, die nochmals eine Magnetkraftlöschungsspannung 12 an die Spule 4 abgibt. Dadurch wird eine eventuell noch vorhandene Restmagnetisierung in der Spule 4 abgebaut und eine De-Energetisierung des Elektromagneten 3 durchgeführt.
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In dem Strom-Zeit-Diagramm (I, t) gemäß 2b sind mögliche Spannungsprofile und/oder Stromprofile 17 dargestellt, die mit der Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 zur Verlangsamung der Schließbewegung des Ventiltellers 7 einstellbar sind. Sowohl die Spannungsprofile und/oder Stromprofile 17 als auch die Magnetkraftlöschungsspannung 12 können beliebig variiert und eingestellt werden.
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In 2c ist in Diagrammform der Hubverlauf H des Ventiltellers 7 über der Zeit t dargestellt. Hierbei ist insbesondere wiedergegeben, dass nach einer Öffnungsphase des Ventiltellers 7 kurz vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 9 die Schließbewegung verlangsamt wird. Während bei einer herkömmlichen Schließbewegung der Hub des Ventiltellers 7 bis zum Auftreffen auf dem Ventilsitz 9 konstant abnimmt und nach dem Auftreffen auf den Ventilsitz 9 durch einen Rückstoßimpuls deutlich wieder abhebt (Prellvorgang) (Endphase des Hubverlaufs und Prellvorgang sind strichliniert dargestellt und mit 19` bezeichnet), wird die Endgeschwindigkeit beziehungsweise Aufschlaggeschwindigkeit 18 (2d) des Ventiltellers 7 von der Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 verringert, so dass der Endhub 19 des Ventiltellers 7 die in dem Diagramm 2c (ausgezogene Linie) dargestellte geringere Steigung aufweist. Ebenfalls ist dadurch kein oder nur ein deutlich verringerter Prellvorgang gegeben.
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2d zeigt den zu dem Hubverlauf gemäß 2c synchronen Geschwindigkeitsverlauf v des Ventiltellers 7 über der Zeit t. Hierbei ist – wie schon ausgeführt – strichliniert die Endgeschwindigkeit beziehungsweise die Aufschlaggeschwindigkeit 18` angegeben, die bei herkömmlichen Steuerventilen 1 auftreten, während die ausgezogene verringerte Aufschlaggeschwindigkeit 18 durch die erfindungsmäße Magnetkraftsteuerungseinrichtung 16 einstellbar ist. Erkennbar ist, dass die Aufschlaggeschwindigkeit 18 um mehr als die Hälfte geringer ist, als die herkömmliche Aufschlaggeschwindigkeit 18`.
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Die näherungsweise Halbierung der Aufschlaggeschwindigkeit 18 entspricht einer näherungsweisen Halbierung des Aufschlagimpulses und damit in etwa einer Viertelung der an den Dichtkanten zu dissipierenden kinetischen Energie der beweglichen Bauteile des Steuerventils 1. Dieser gewünschte Effekt ist bei einem dp = 0 bar, das heißt es besteht kein Differenzdruck dp vor dem Ventilsitz 9 und dem Saugrohrdruck nach dem Ventilsitz 9, gegeben. Der gleiche gewünschte Effekt ist zumindest näherungsweise bei einem dp = 1 bar, das heißt es besteht ein Differenzdruck dp vor dem Ventilsitz 9 und dem Saugrohrdruck nach dem Ventilsitz 9, feststellbar. Dieser Zustand ist bei Teillast oder Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine gegeben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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