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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Öffnungsquerschnitts in einem
Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser
Art (
DE 198 26 047
A1 ) weist der Ventilsteller als Aktor oder Aktuator einen
doppeltwirkenden, hydraulischen Arbeitszylinder auf, in dem ein
Stellkolben axial verschieblich geführt ist, der mit dem Ventilglied des
im Verbrennungszylinder integrierten Gaswechselventils fest verbunden
ist. Der Stellkolben begrenzt im Arbeitszylinder mit seinen beiden
voneinander abgekehrten Stirnseiten eine untere und obere Druckkammer.
Während
die untere Druckkammer, über
welche eine Kolbenverschiebung in Richtung Ventilschließen bewirkt
wird, ständig
mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt ist, wird die einen
Zu- und Rücklauf
aufweisende obere Druckkammer, über welche
eine Kolbenverschiebung in Richtung Ventilöffnen bewirkt wird, mit Hilfe
von Steuerventilen, vorzugsweise 2/2-Wegemagnetventilen, gezielt über den
Zulauf mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt oder über den
Rücklauf
wieder auf annähernd
Umgebungsdruck entlastet. Das unter Druck stehende Fluid wird von
einer geregelten Druckversorgung geliefert. Von den Steuerventilen
verbindet ein erstes Steuerventil die obere Druckkammer mit der
Druckversorgung und ein zweites Steuerventil die obere Druckkammer
mit einer in einem Fluidreservoir mündenden Entlastungsleitung.
Im Schließzustand
des Gaswechselventils ist die obere Druckkammer durch das geschlossene
erste Steuerventil von der Druckversorgung getrennt und durch das
geöffnete
zweite Steuerventil mit der Entlastungsleitung verbunden, so dass
der Stellkolben durch den in der unteren Druckkammer herrschenden
Fluiddruck in seine obere Endlage, die sog. Schließlage, überführt ist.
Zum Öffnen
des Gaswechselventils werden die Steuerventile umgeschaltet, wodurch
die obere Druckkammer von der Entlastungsleitung abgesperrt und
an die Druckversorgung angeschlossen wird. Das Gaswechselventil öffnet, da
die Wirkfläche
des Stellkolbens in der oberen Druckkammer größer ist als die Wirkfläche des
Stellkolbens in der unteren Druckkammer, wobei die Größe des Öffnungshubs von
der Ausbildung des an das erste Steuerventil angelegten elektrischen
Steuersignals und die Öffnungsgeschwindigkeit
von dem von der Druckversorgung eingesteuerten Fluiddruck abhängt. Zum Schließen des
Gaswechselventils schalten die Steuerventile wieder um. Dadurch
liegt die gegenüber
der Druckversorgung abgesperrte obere Druckkammer an der Entlastungsleitung,
und der in der unteren Druckkammer herrschende Fluiddruck führt den Stellkolben
in dessen Schließlage
zurück,
so dass von dem Stellkolben das Gaswechselventil geschlossen wird.
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Bei einer solchen Vorrichtung besteht
die Forderung nach einem schnellen Schließen des Gaswechselventils und
gleichzeitig nach einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ventilglieds
auf dem Ventilsitz, die aus Geräusch-
und Verschleißgründen bestimmte
Grenzwerte nicht überschreiten
darf.
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Es ist hierzu bereits vorgeschlagen
worden (
DE 102 01 167.2 ),
eine Ventilbremse einzusetzen, die mit. dem Ventilglied des Gaswechselventils
oder mit dem Ventilsteller gekoppelt ist. Die Ventilbremse, die
während
eines Restschließhubs
des Ventilschließglieds
wirksam ist, weist ein hydraulisches Dämpfungsglied mit einem über einen Öffnungsquerschnitt
einer Drosselöffnung
abströmenden,
fluiden Verdrängungsvolumen
auf. In einer in den Ventilsteller integrierten Form des Dämpfungsglieds
ist der Rücklauf
der oberen Druckkammer auf zwei im Gehäuse des Arbeitszylinders axial
beabstandet angeordnete Ablauföffnungen
aufgeteilt, von denen der oberen Ablauföffnung die Drosselöffnung zugeordnet ist
und die untere Ablauföffnung
so in den Verschiebeweg des Stellkolbens gelegt ist, dass sie von
diesem vor Erreichen seiner Schließlage verschließbar ist.
Der Öffnungsquerschnitt
der Drosselöffnung
wird mit einer druckgesteuerten Drossel eingestellt. Deren Steuerdruck
wird mittels eines elektrisch gesteuerten, hydraulischen Druckventils
und eines dieses ansteuernden, elektronischen Steuergeräts in Abhängigkeit
von der Viskosität
des Verdrängungsvolumens
eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass das vom Ventilsteller schnell
in Schließrichtung
des Gaswechselventils bewegte Ventilschließglied kurz vor Erreichen der
Schließstellung
des Gaswechselventils stark abgebremst wird, wobei die Bremswirkung
unabhängig
von der Temperatur und der damit einhergehenden Viskosität des über die
Drosselöffnung verdrängten Fluidvolumens
ist. Da der Öffnungsquerschnitt
der Drosselöffnung
mit zunehmender Temperatur und damit sinkender Viskosität durch
die Steuerung verkleinert wird, verkleinert sich die Strömungsgeschwindigkeit.
des verdrängten
Fluidvolumens durch die Drosselöffnung
hindurch, so dass die Größe der Abbremsung
des Stellkolbens durch das Dämpfungsglied
unabhängig
von der momentanen Viskosität
des Fluidvolumens annähernd
konstant bleibt. Zur Einstellung der Drosselöffnung ist dem das hydraulische
Druckregelventil steuernden, elektronischen Steuergerät das Ausgangssignal
eines die Temperatur des fluiden Verdrängungsvolumens messenden Temperatursensors
zugeführt.
Im Steuergerät
ist eine den funktionellen Zusammenhang zwischen Öffnungsquerschnitt
der Drosselstelle und hydraulischem Steuerdruck am Drosselglied
angebende erste Kennlinie, eine den funktionellen Zusammenhang zwischen
Viskosität
und hydraulischem Steuerdruck angebende zweite Kennlinie sowie eine die
funktionelle Abhängigkeit
der Viskosität
von der Temperatur angebende dritte Kennlinie abgespeichert. Aus
diesen drei Kennlinien wird in Abhängigkeit von dem Messsignal
des Temperatursensors das Steuersignal für das hydraulische Druckregelventil abgeleitet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung
mindestens eines Öffnungsquerschnitts
in einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Auftreffgeschwindigkeit
des Ventilglieds auf den Ventilsitz beim Schließen des Gaswechselventils mit
der Drehzahl der Brennkraftmaschine variiert wird und bei niedrigen
Drehzahlen deutlich geringer als bei hohen Drehzahlen gemacht werden kann.
Dadurch kann im unteren Drehzahlbereich, in dem die Brennkraftmaschine
ein relativ geringes Laufgeräusch
verursacht, auch das durch das Auftreffen des Ventilglieds auf der
Zylinderkopfwand erzeugte Ventilgeräusch reduziert werden, so dass
das Ventilgeräusch
nicht aus dem allgemeinen Laufgeräusch der Brennkraftmaschine
hervortritt. Dies ist insbesondere für Dieselmotoren von Vorteil,
bei denen im Leerlauf oder Niedriglastbereich die als sog. Nageln
bekannten Ventilgeräusche
den Eindruck einer geringen, wenig komfortablen Laufkultur des Motors
vermitteln. Im höheren
Drehzahlbereich, in dem die Brennkraftmaschine ohnehin lauter ist,
können dann
höhere
Auftreffgeschwindigkeiten des Ventilglieds zugelassen werden, um
das erforderliche, sehr schnelle Schließen der Gaswechselventile bei hohen
Drehzahlen nicht durch zu starke Bremswirkung der Ventilbremse zu
verzögern.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Vorrichtung möglich.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 und 2 jeweils ein Schaltbild
einer Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines in einem Verbrennungszylinder
einer Brennkraftmaschine integrierte Gaswechselventils gemäß einem
ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen
Längsschnitt
eines druckgesteuerten Drosselventils in der Vorrichtung gemäß 2.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die in 1 im
Schaltbild dargestellte Vorrichtung dient zur Steuerung von Gaswechselventilen 10 in
mindestens einem Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine oder
eines Verbrennungsmotors in Fahrzeugen. In dem Schaltbild der 1 sind zwei Gaswechselventile 10 dargestellt,
die von der Vorrichtung gesteuert werden, doch kann die Anzahl der
Gaswechselventile 10 für
einen oder mehrere Verbrennungszylinder erhöht werden.
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Jedes der in 1 nur schematisch angedeuteten Gaswechselventile 10 weist
eine im Zylinderkopf des Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine
angeordnete Ventilöffnung 13,
die von einem Ventilsitz 14 umschlossen ist, einen Ventilschaft 11 und
ein am Ventilschaftende ausgebildetes Ventilglied 12 auf,
das mit dem Ventilsitz 14 zum Öffnen und Schließen der
Ventilöffnung 13 zusammenwirkt.
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Zur Betätigung der Gaswechselventile 10 ist jedem
Gaswechselventil 10 ein hydraulisch betriebener Ventilsteller 20 zugeordnet,
der als Aktuator oder Aktor einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder 48 mit einem
Zylindergehäuse 15 und
einem darin verschieblich aufgenommenen Stellkolben 16 darstellt. Der
fest mit dem Ventilschaft 11 verbundene Stellkolben 16 hält in einer
in 1 dargestellten Verschiebe-Endlage,
im folgenden Schließlage
bezeichnet, das Gaswechselventil 10 geschlossen und öffnet in einer
unteren Endlage das Gaswechselventil 10 maximal. Der Stellkolben 16 begrenzt
hierzu im Zylindergehäuse 15 mit
in Hubrichtung voneinander abgekehrten, unterschiedlich großen Wirkflächen zwei
volumenvariable Druckkammern 17, 18, wobei die Wirkfläche, die
die in 1 untere oder
erste Druckkammer 18 begrenzt kleiner ist als die Wirkfläche, die die
in 1 obere oder zweite
Druckkammer 17 begrenzt. Die untere Druckkammer 18 weist
eine Fluidanschluss 19 und die obere Druckkammer 17 einen Zulauf 21 zum
Zuströmen
und einen aus den Ablauföffnungen 221, 222 bestehenden
Rücklauf
zum Abströmen
von Fluid auf. Der Zulauf 21 ist im Zylindergehäuse 15 oberhalb
der Schließlage
des Stellkolbens 16 angeordnet.
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Jedem Ventilsteller 20 für ein Gaswechselventil 10 ist
ein erstes Steuerventil 23 und ein zweites Steuerventil 24 zugehörig, die
beide als 2/2-Wegemagnetventile mit Federrückstellung ausgebildet sind.
Alle Ventilsteller 20 werden von einer Druckversorgungseinrichtung 25 mit
unter Hochdruck stehendem Fluid gespeist. Die Druckversorgungseinrichtung 25 umfasst
eine vorzugsweise regelbare Hochdruckpumpe 26, die Fluid,
vorzugsweise Hydrauliköl, aus
einem Fluidreservoir 27 fördert, ein Rückschlagventil 28 und
einen Druckspeicher 29 zur Pulsationsdämpfung und Energiespeicherung.
Am Ausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 ist
das unter Hochdruck stehende Fluid abnehmbar. Da die Hochdruckpumpe 26 im allgemeinen
einen Vordruck benötigt,
ist der Hochdruckpumpe 26 eine Vorförderpumpe 32 vorgeordnet,
die Fluid aus dem Fluidreservoir 27 ansaugt und dem Einlass
der Hochdruckpumpe 26 zuführt.
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In jedem Ventilsteller 20 ist
die untere Druckkammer 18 im Zylindergehäuse 15 über ihren
Fluidanschluss 19 mit dem Ausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 verbunden,
so dass die untere Druckkammer 18 permanent mit Hochdruck
beaufschlagt ist. Der Zulauf 21 der oberen Druckkammer 17 ist über das
erste Steuerventil 23 mit dem Ausgang 251 der
Druckversorgungseinrichtung 25 verbunden. Der Rücklauf der
oberen Druckkammer 17, bestehend aus den Ablauföffnungen 221 und 222,
ist über
das zweite Steuerventil 24 an eine Rückführleitung 30 angeschlossen,
die im Fluidreservoir 27 mündet. Je nach Stellung der
beiden Steuerventile 23, 24 ist die obere Druckkammer 17 mit
Druck beaufschlagt oder druckentlastet.
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Bei Gaswechselventilen für Brennkraftmaschinen
besteht insbesondere dann, wenn sie als Einlassventile verwendet
werden, die Forderung nach einem schnellen Schließen und
zugleich nach einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ventilglieds
auf dem Ventilsitz, die aus Geräusch-
und Verschleißgründen bestimmte
Grenzwerte nicht überschreiten
darf. Um diese Grenzwerte einzuhalten ist jedem Gaswechselventil 10 eine
Ventilbremse 31 zugeordnet, die ausschließlich während eines
Restschließhubs
des Ventilglieds 12 wirksam ist. Die Ventilbremse 31 weist
ein hydraulisches Dämpfungsglied,
das ein fluides Verdrängungsvolumen über eine
Drosselöffnung 33 ausschiebt,
und eine Steuereinheit 34 zur Einstellung der Dämpfungsgrads
des Dämpfungsglieds
durch Verändern
des Drosselquerschnitts der Drosselöffnung 33 in Abhängigkeit
von wählbaren
Parametern auf. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Drosselöffnung 33 Teil
eines elektromagnetisch betätigten
Drosselventils 35, und die Steuereinheit 34 umfasst
ein elektronisches Steuergerät 36,
das ein elektrisches Steuersignal in Abhängigkeit von den Parametern:
Drehzahl der Brennkraftmaschine und Temperatur und Druck des in
der Steuervorrichtung fließenden
Fluids generiert. Damit kann die Bremswirkung der Ventilbremse 31 in
Abhängigkeit
von den genannten Parametern gesteuert werden, so dass es beispielsweise
möglich
ist, die Bremswirkung bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
zu verstärken,
um eine stärkere
Reduzierung des Auftreffgeräusches des
Ventilglieds 12 auf dem Ventilsitz 14 zu erreichen.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die Ventilbremse 31 in
den Ventilsteller 20 integriert. Hierzu ist der Rücklauf in
der oberen Druckkammer 17 auf die beiden im Zylindergehäuse 15 axial
beabstandeten Ablauföffnungen 221 und 222 aufgeteilt und
dem Stellkolben 16 zusätzlich
die Funktion des Dämpfungskolbens
zugewiesen. Die obere Ablauföffnung 221 liegt
ebenso wie der Zulauf 21 oberhalb der Schließlage des
Stellkolbens 16, während
die untere Ablauföffnung 222 so
angeordnet ist, dass sie von dem Stellkolben 16 mit Abstand
vor Erreichen seiner Schließlage
verschlossen wird. Der vom Stellkolben 16 von seiner die
untere Ablauföffnung 222 verschließenden Stellung
bis in seine Schließlage zurückgelegte
Hub bestimmt den vorstehend erwähnten
Restschließhub
des Ventilglieds 12. Die obere Ablauföffnung 221 ist über die
Drosselöffnung 33 im Drosselventil 35 mit
der unteren Ablauföffnung 222 und
damit mit dem Einlass des zweiten Steuerventils 24 verbunden.
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Die Funktionsweise der Steuervorrichtung
ist wie folgt:
Wie in 1 dargestellt
ist, ist das erste Steuerventil 23 geschlossen und das
zweite Steuerventil 24 geöffnet. Der in der unteren Druckkammer 18 anstehende Hochdruck
sorgt dafür,
dass der Stellkolben 16 sich in der oberen Endlage, in
seiner Schließlage,
befindet und dadurch das Ventilglied 12 auf dem Ventilsitz 14 gasdicht
aufsitzt. Das Gaswechselventil 10 ist geschlossen. Werden
die Steuerventile 23, 24 umgeschaltet, so wird
die obere Druckkammer 17 von der Rückführleitung 30 abgesperrt
und der Hochdruck am Ausgang 251 der Druckversorgungseinrichtung 25 über den
Zulauf 21 an die oberen Druckkammer 17 gelegt.
Infolge der die obere Druckkammer 17 begrenzenden, größeren Wirkfläche des
Stellkolbens 16 bewegt sich der Stellkolben 16 in 1 nach unten, und das Gaswechselventil 10 wird
geöffnet.
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Für
den anschließenden
Schließvorgang
des Gaswechselventils 10 werden die Steuerventile 23, 24 wieder
in die in 1 dargestellte
Stellung umgeschaltet, so dass die fluidgefüllte obere Druckkammer 17 von
der Druckversorgungseinrichtung 25 abgesperrt und an die
Rückführleitung 30 angeschlossen
und damit druckentlastet wird. Der sich unter dem Druck in der unteren
Druckkammer 18 nach oben bewegende Stellkolben 16 schiebt
das Fluidvolumen aus der oberen Druckkammer 17 zunächst im wesentlichen über die
untere Ablauföffnung 222 aus. Sobald
der Stellkolben 16 die untere Ablauföffnung 222 verschließt, kann
das Fluid nur noch über
die obere Ablauföffnung 221 und
die Drosselöffnung 33 abfließen, wodurch
sich die Ausströmgeschwindigkeit
des Fluids aus der oberen, jetzt die Volumenverdrängungskammer
des Dämpfungsglieds
bildenden Druckkammer 17 reduziert und der Stellkolben 16 sich
nur noch mit reduzierter Geschwindigkeit in seine Schließlage bewegt.
Dadurch wird die Geschwindigkeit mit der das Ventilglied 12 sich
auf den Ventilsitz 14 zubewegt, kurz vor Erreichen des
Ventilsitzes 14 ebenfalls reduziert, und das Ventilglied 12 setzt beim
Schließen
des Gaswechselventils 10 mit deutlich verringerter Endgeschwindigkeit
auf den Ventilsitz 14 auf. Wie bereits erwähnt worden
ist, wird die Größe der Abbremsung
des Ventilglieds 12 durch den Querschnitt der Drosselöffnung 33 bestimmt,
der von dem Steuergerät 36 der
Steuereinheit 34 in Abhängigkeit
von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine und der Temperatur T und
des Drucks p des Fluids eingestellt wird, um die Bremswirkung der
Ventilbremse 31 an den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine
anzupassen.
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Die Steuervorrichtung gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist insoweit modifiziert, als das elektromagnetisch gesteuerte Drosselventil 35 durch
ein druckgesteuertes Drosselventil 37 ersetzt ist und die
Steuereinheit 34 neben dem elektronischen Steuergerät 36 noch
ein vom elektronischen Steuergerät 36 elektrisch
gesteuertes hydraulisches Druckventil 38 aufweist, das
das vom Steuergerät 36 kommende
Steuersignal zur Einstellung des Öffnungsquerschnitts der Drosselöffnung 33 im
Drosselventil 37 in einen entsprechenden hydraulischen Steuerdruck
am hydraulischen Steuereingang des Drosselventils 37 umsetzt.
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Das an sich bekannte, druckgesteuerte Drosselventil 37 ist
in
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3 im
Längsschnitt
schematisch dargestellt. Es weist einen zylinderförmigen Drosselkörper 40 auf,
der die Drosselöffnung 33 in
Form einer diametralen Durchgangsbohrung 41 enthält. Die
Durchgangsbohrung 41 kreuzt eine sacklochartige Längsbohrung 42 im
Drosselkörper 40,
in dem ein den Drosselquerschnitt der Drosselöffnung 33 beeinflussender,
axial verschieblicher Steuerschieber 43 angeordnet ist.
Der Steuerschieber 43 trägt eine mit der Drosselöffnung 33 zusammenwirkende,
umlaufende Steuerkante 44 und begrenzt mit seiner einen
Stirnseite eine Steuerdruckkammer 45. Zwischen dem Grund
der Längsbohrung 42 und
dem Steuerschieber 44 stützt sich eine als Druckfeder
ausgebildete Rückstellfeder 46 ab,
die den Steuerschieber 44 bei druckloser Steuerdruckkammer 45 in
seine Grundstellung überführt, in
welcher der Steuerschieber 43 die Drosselöffnung 33 verschließt. Mit
zunehmendem Steuerdruck in der Steuerdruckkammer 45 wird
der Steuerschieber 43 gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder 46 verschoben
und dadurch ein zunehmender Öffnungsquerschnitt
der Drosselöffnung 33 freigegeben.
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Die Steuerdruckkammer 45 ist
einerseits an dem Druckventil 38 und andererseits an einer
Druckquelle 47 angeschlossen, die hier von der Vorförderpumpe 32 gebildet
ist, deren Pumpenauslass über ein
Rückschlagventil 39 mit
der Steuerdruckkammer 45 verbunden ist. Das Druckventil 38 ist
als Druckreduzierventil ausgebildet und reduziert den Druck in der
Steuerdruckkammer 45 entsprechend dem vom Steuergerät 36 angelegten
elektrischen Steuersignal. Mit Druckreduzierung in der Steuerdruckkammer 45 wird
die unter dem Druck der Druckquelle 47 voll geöffnete Drosselöffnung 33 in
ihrem Querschnitt zunehmend reduziert.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
So muss das Dämpfungsglied
der Ventilbremse nicht im Ventilsteller selbst integriert sein und
auch der Dämpfungskolben
nicht von dem Stellkolben gebildet sein. Der Dämpfungskolben kann vielmehr
auch unmittelbar mit dem Ventilglied verbunden sein. In diesem Fall
ist ein gesonderter, den Dämpfungskolben
aufnehmender Dämpfungszylinder
mit einem eigenen Zufluss zur Zuführung eines Fluidvolumens vorzusehen,
der bei Wirksamwerden der Ventilbremse von dem Dämpfungskolben abgesperrt wird.
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Wie bereits eingangs erwähnt worden
ist, kann mit Zahl der von der Steuervorrichtung gesteuerten Gaswechselventile
beliebig sein. Für
jedes weitere Gaswechselventil werden dessen Ventilsteller 20 und
dessen Steuerventile 23, 24 durch Anschließen an die
entsprechenden Hydraulikleitungen segmentartig hinzugefügt, wie
dies in 1 und 2 für den Ventilsteller 20 mit
Steuerventilen 23 und 24 für das zweite Gaswechselventil 10 dargestellt
ist.