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Die
Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil mit einem durch eine
Rückstellfeder
in eine erste Endstellung vorgespannten Anker, in der ein Stößel eine
erste Ventil-Schaltstellung
einnimmt, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Elektromagnetventile
dieser Art sind bekannt und dienen zum Schalten verschiedener Medien
zum Beispiel in hydraulischen Anlagen oder als Einlaß- und Auslaßventile
zur Nockenwellensteuerung von Verbrennungsmotoren.
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Zur
Dämpfung
von Anschlaggeräuschen
des Ankers, der beim Schalten des Ventils durch die Rückstellfeder
bzw. einen Erregerstrom zwischen einer ersten und einer zweiten
Endstellung hin- und herbewegt wird, sind verschiedene Maßnahmen
bekannt. In der
DE
43 44 440 A1 wird zum Beispiel ein Elektromagnetventil
beschrieben, das zwischen einem sich jeweils innerhalb und außerhalb
des Magnetankers befindenden Druckmittelraum eine permanente Druckmittelverbindung
aufweist, durch die über
einen Fluidsstrom eine hydraulische Dämpfung der Ankerbewegung erreicht
wird.
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Aus
der WO 98/38656 A1 ist ein Verfahren zur Bewegungserkennung, insbesondere
zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindig keit an einem elektromagnetischen
Aktuator bekannt, der einen mit einer steuerbaren Stromversorgung
versehenen Elektromagneten und einen Anker aufweist, welcher bei Annäherung an
eine Polfläche
des Elektromagneten durch eine Reduzierung der Stromzufuhr einer Schwächung des
Magnetfeldes ausgesetzt wird.
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Aus
der
DE 198 05 455
A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator mit magnetischer
Auftreffdämpfung
bekannt, wozu an einem Joch eines Elektromagneten außer einer
Arbeitsspule eine Bremsspule angeordnet ist, die durch einen geeigneten
Strom einen Anker in Richtung auf eine Polfläche des Elektromagneten abzubremsen
vermag.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektromagnetventil der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Anschlaggeräusche des
Ankers auf einfache Weise weiter verringert werden können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe für
ein Elektromagnetventil der angegebenen Art mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, daß keine
Anschlaggeräusche
mehr auftreten und auch die mechanischen Belastungen des Ventils
wesentlich geringer sind.
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Ein
besonderer Vorteil dieser Lösung
besteht darin, daß an
dem Ventil selbst keine konstruktiven Änderungen vorgenommen werden
müssen.
Dies hat zur Folge, daß die
Lösung
besonders kostengünstig
zu realisieren ist und auch bei bereits vorhandenen Ventilen nachträglich noch
realisiert werden kann, in dem diese mit der genannten Ansteuerschaltung
ergänzt
werden oder eine vorhandene Ansteuerschaltung entsprechend erweitert
wird.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Lösung
besteht darin, daß eine
individuelle Anpassung und Optimierung der Dämpfung der Ankerbewegung an
ein bestimmtes Ventil und seine Betriebsparameter wie Druck, Temperatur,
Schaltgeschwindigkeit usw. einfach und mit hoher Genauigkeit möglich ist,
indem der Zeitpunkt der Aktivierung sowie die Höhe und Dauer des ersten Erregerstroms
durch entsprechende Schaltungsauslegung der ersten Einrichtung voreingestellt
werden.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Weiterhin
wird der Dämpfungsstrom
vorzugsweise mit einer voreinstellbaren Zeitverzögerung aktiviert, nachdem der
Stößel die
erste Ventil-Schaltstellung eingenommen hat.
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, daß der
aktive Hub des Stößels und
damit die Schaltzeiten des Ventils nicht durch die Dämpfung der
Ankerbewegung beeinträchtigt
werden, da diese Dämpfung
aufgrund der Zeitverzögerung
erst dann eintritt, wenn der Stößel seine
Hubbewegung abgeschlossen hat.
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Das
Ventil ist vorzugsweise ein durch PWM-Ströme gesteuertes Ventil, bei
dem die Ansteuerschaltung eine zweite Einrichtung aufweist, mit der
durch Aktivierung das Elektromagnetventil mit mindestens einem Erregerstrom
beaufschlagt wird, mit dem der Anker in eine zweite Endstellung
bewegt wird, in der der Stößel eine
zweite Ventil-Schaltstellung einnimmt.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
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1A und 1B eine
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch ein in 1B angedeutetes
Ventil;
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3 einen
typischen Verlauf der von der zweiten Einrichtung erzeugten Ströme;
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4 einen
typischen Verlauf der von der ersten und zweiten Einrichtung erzeugten
Ströme;
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5A bis 5C Diagramme
der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers
bei einem bekannten, drucklos betriebenen Ventil;
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6A bis 6C Diagramme
der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers
bei einem erfindungsgemäßen, drucklos
betriebenen Ventil;
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7A bis 7C Diagramme
der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers
bei einem bekannten, mit einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten
Ventil;
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8A bis 8C Diagramme
der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers
bei einem erfindungsgemäßen, mit
einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten Ventil.
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Die
in den 1A und 1B gezeigte
Ansteuerschaltung dient zum Erzeugen und Regeln der Schaltströme für ein Elektromagnetventil
durch Pulsbreitenmodulation (PWM-Schaltung). Zu diesem Zweck sind
für eine
erste, eine zweite und eine dritte Stromphase (siehe 3 und 4)
jeweils ein erster, ein zweiter sowie ein dritter Schaltungszweig
I1, f1; I2, f2; I3, f3 vorgesehen. Diese Schaltungszweige umfassen
jeweils einen Differenzverstärker
I1, I2, I3 mit jeweils einem nachgeschalteten Stromphasenglied (Zeitgeber)
f1, f2, f3.
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Die
nichtinvertierenden Eingänge
der Differenzverstärker
sind jeweils über
einen Eingangswiderstand sowie über
den Schaltungspunkt C mit einem Spannungsabgriff entsprechend einem
in einem Batteriekreis fließenden
Strom (1B) verbunden. Zwischen den
rückgekoppelten
invertierenden Eingängen
und Masse liegt zur Einstellung eines maximalen Erreger- bzw. Dämpfungsstroms
I1max, I2max bzw. I3max jeweils ein Trimmwiderstand Tr1, Tr2 bzw.
Tr3.
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Die
Ausgänge
der Stromphasenglieder f1, f2, f3 liegen jeweils an einem logischen
NAND-Gatter N1, N2, N3 an. Weiterhin sind zwei Zeitphasenglieder (Zeitgeber)
t1, t2 vorgesehen, wobei der Triggereingang des ersten Zeitphasengliedes
t1 mit einem Impulseingang verbunden ist. Ein nichtinvertierender Ausgang
des ersten Zeitphasengliedes t1 liegt an dem ersten NAND-Gatter N1 an, während ein
invertierender Ausgang mit dem Triggereingang des zweiten Zeitphasengliedes
t2 verbunden ist.
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Ein
nichtinvertierender Ausgang des zweiten Zeitphasengliedes t2 liegt
an dem zweiten NAND-Gatter N2 an, während ein invertierender Ausgang über ein
erstes UND-Gatter U1 mit dem invertierenden Ausgang des ersten Zeitphasengliedes
t1 logisch verknüpft
ist und der sich ergebende logische Wert an einen Eingang des dritten
NAND-Gatters N3 geführt
wird. Schließlich
ist auch der Impulseingang mit jeweils einem weiteren Anschluß der logischen NAND-Gatter
verbunden.
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Die
Ausgänge
der drei logischen NAND-Gatter sind über ein viertes NAND-Gatter
N4 logisch miteinander verknüpft,
dessen Ausgang A an der Basis des ersten Transistors T1 (1B)
anliegt.
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Schließlich ist
in 1A ein drittes Zeitphasenglied (Zeitgeber) t3
zur Erregerstrom-Abschaltsteuerung gezeigt, dessen Eingang mit dem
Ausgang des ersten logischen UND-Gatters
U1 verbindbar ist, und dessen Ausgang über ein zweites logisches UND-Gatters
U2 mit dem Impulseingang verknüpft
und einer Schaltung A zur Erzeugung eines geeigneten logischen Ansteuerpegels
für einen
zweiten Transistor T2 zu geführt
wird. Der Ausgang dieser Schaltungseinheit A ist mit dem Basisanschluß des zweiten
Transistors T2 (1B) ver bunden.
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1B zeigt
die Schaltung der Magnetspulen V des Elektromagnetventils, die in
Reihe mit dem ersten Transistor T1 zwischen den Anschlüssen Vbatt
einer Batterie liegen. Der zweite Transistor T2 ist mit den Magnetspulen
V zu einem Sekundärkreis verschaltet.
Die Schaltungspunkte A, B, C sind jeweils mit den gleich benannten
Punkten A, B, C in 1A verbunden.
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Ein
zur Ansteuerung durch die Schaltung gemäß den 1A und 1B geeignetes
Elektromagnetventil ist in 2 gezeigt.
Es handelt sich dabei um ein regelbares Einlaßventil für die Nockenwellenverstellung
eines Verbrennungsmotors mit einem Einlaßkanal P und einem Auslaßkanal A,
einem hohlgebohrten Anker 2, einem mehrteiligen, hülsenförmigen Stößel 4,
einer als Magnetkern wirkenden Hülse 3,
einem Hülsenboden 1 und
einem Ventilsitz 5. Eine Rückstellfeder 6 stützt sich
koaxial zum Ventilsitz 5 an einer gehäusefesten, im Druckmittelstrom
liegenden Einstellvorrichtung 7 des Ventils in Nähe des Auslaßkanals
A ab. Das andere Ende der Rückstellfeder 6 ist
im hülsenförmigen Endabschnitt
des Stößels 4 fixiert.
Ein weiterer Hülsenabschnitt
des mehrteiligen Stößels 4 ist
auf der von der Rückstellfeder 6 abgewandten
Stirnfläche
des Endabschnitts eingefügt
und über
Bohrungen in den vorbeschriebenen Stößelabschnitten in Richtung
des Ankers 2 hydraulisch druckausgeglichen. Der Stößel öffnet und schließt durch
Ausführen
eines "aktiven Hubes" das Ventil. Der
Anker kann durch entsprechende mehrteilige Verbindung mit dem Stößel einen
zu sätzlichen "freien Hub" ausführen, nachdem
der Stößel seine Endstellung
erreicht hat. Dieser freie Hub des Ankers ist erforderlich, um den
Anschlag des Ankers an dem Hülsenboden
zumindest zu dämpfen,
ohne dadurch den aktiven Hub und die Schaltgeschwindigkeit des Ventils
zu beeinträchtigen.
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Ein
bekannter Erregerstromverlauf, mit dem bisher bekannte Ventile angesteuert
werden, ist in 3 gezeigt. Dabei sind zwei Zeitphasen
vorgesehen, deren Dauer (t1, t2) durch das erste bzw. zweite Zeitphasenglied
t1, t2 bestimmt wird. Die erste Zeitphase (Phase 1) wird durch eine
positive Flanke eines über
den Impulseingang zugeführten
Eingangsimpulses, der das erste Zeitphasenglied t1 triggert, eingeleitet.
Zunächst
werden die Magnetspulen V über
den ersten Transistor T1 mit einer Versorgungsbatterie (zum Beispiel
eine Fahrzeugbatterie) verbunden, so daß der Erregerstrom durch die
Magnetspulen ansteigt. Erreicht dieser Strom den maximalen Wert
I1max, so wird über
den ersten Differenzverstärker
I1 (Spannungsabgriff an Punkt C) das nachgeschaltete Stromphasenglied
f1 getriggert und dadurch über
die logischen Gatter N1, N4 die Basis des ersten Transistors T1
so angesteuert, daß dieser sperrt
und die Magnetspulen V von der Batterie getrennt sind.
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Im
Anschluß daran
fließt
auf Grund der Gegeninduktion in den Magnetspulen V in dem durch den
zweiten Transistor T2 gebildeten Sekundärkreis (1B) ein
langsam abfallender Strom, bis die durch das erste Stromphasenglied
f1 vorgegebene Zeitdauer ("Nachlaufzeit") abgelaufen und
ein dadurch bestimmter minimaler Erregerstrom I1min erreicht ist.
(Alternativ dazu wäre
es auch möglich,
anstelle der Zeitdauer von f1 einen minimalen Strom I1min vorzugeben).
Anschließend
nimmt das erste Stromphasenglied f1 wieder seinen vorherigen Zustand
ein, so daß über die
genannten Logikgatter der erste Transistors T1 so angesteuert wird,
daß die
Magnetspulen V wieder mit dem Batteriekreis verbunden sind. Dieser
Ablauf wiederholt sich so lange, bis die durch das erste Zeitphasenglied
t1 vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist und dieses das zweite Zeitphasenglied
t2 triggert.
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Während der
zweiten Zeitphase wiederholen sich diese Abläufe mittels des zweiten Schaltungszweiges
I2, f2 (Phase 2) in gleicher Weise, jedoch mit anderen Parametern.
Während
in der ersten Zeitphase der mittlere Erregerstrom zum Beispiel etwa
10 A beträgt
und die Zeitdauer des ersten Stromphasengliedes f1 so eingestellt
ist, daß sich
eine Differenz zwischen maximalem und minimalem Erregerstrom von
etwa 2 A ergibt, beträgt
der mittlere Erregerstrom in der zweiten Zeitphase etwa 4,7 A, und
die Zeitdauer des zweiten Stromphasengliedes f2 ist so eingestellt,
daß sich
eine Differenz zwischen maximalem und minimalem Strom von etwa 1
A ergibt.
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Ein
erfindungsgemäßer Stromverlauf
ist in 4 gezeigt. Die erste und zweite Zeitphase ist
im wesentlichen unverändert
und soll nicht noch einmal beschrieben werden. Nach Beendigung der
zweiten Zeitphase wird durch das zweite Zeitphasenglied t2 das erste
logische Gatter U1 durchgeschaltet und dadurch das dritte Zeitphasenglied
t3 getriggert, sofern dies über
den in 1A dargestellten Schalter EIN/AUS
eingeschaltet ist. Dadurch wird wiederum über das zweite logische Gatter
U2 und die Logikpegelschaltung A der zweite Transistor T2 angesteuert, so
daß der
Strom durch die Magnetspulen sehr schnell auf Null abfällt. Das
dritte Zeitphasenglied t3 ist zum Beispiel so eingestellt, daß die dritte
Zeitphase etwa 0,35 ms dauert.
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Im
Anschluß daran
sind die Magnetspulen V mittels des dritten Schaltungszweiges I3,
f3 (Phase 3 in 1A) wieder mit dem Batteriekreis
verbunden, bis ein durch die Spulen fließender Dämpfungsstrom einen Spannungsabfall
erzeugt, der über
den dritten Differenzverstärker
I3 das dritte Stromphasenglied f3 triggert. Dieser maximale Wert
I3max des Dämpfungsstroms
beträgt
zum Beispiel etwa 2,5 A. Das dritte Stromphasenglied steuert wiederum über die logischen
Gatter den ersten Transistor T1 an, so daß die Magnetspulen V vom Batteriekreis
getrennt werden und der Dämpfungsstrom
durch den Sekundärkreis
(zweiter Transistor T2) fließt.
Da sich jedoch in dieser dritten Zeitphase der Anker aufgrund der
Beaufschlagung durch die Rückstellfeder
bewegt, steigt dieser Strom in den Spulen zunächst an.
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Nach
etwa 0,5 ms nimmt das dritte Stromphasenglied f3 wieder seinen vorherigen
Zustand ein und die Magnetspulen V werden über den ersten Transistor T1
wieder mit dem Batteriekreis verbunden. Da der Dämpfungsstrom zuvor bereits
angestiegen war, wird der maximale Dämpfungsstrom I3max in sehr
kurzer Zeit wieder erreicht, so daß das dritte Stromphasenglied
f3 wieder getriggert wird und sich der Ablauf wiederholt, bis der
am Impulseingang (1A) anliegende Eingangsimpuls
abfällt
und mit einer nächsten
ansteigenden Flanke des Eingangsimpulses ein neuer Zyklus begonnen
wird.
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Die
Länge dieses
Eingangsimpulses erstreckt sich somit über einen vollständigen Ventil-Schaltvorgang
und setzt sich zusammen aus der ersten und zweiten Zeitphase, die
die Öffnungszeit und
die Haltezeit des Ventils darstellen und in ihrer Summe durch eine
Nockenwellensteuerung bestimmt werden, der dritten Zeitphase (Pausenintervall
t3), sowie der Dauer des Dämpfungsstroms,
welcher der Ankerbewegung in die Endlage entgegenwirkt, während der
das Ventil bereits wieder geschlossen ist.
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Die
mittlere Höhe
sowie die Dauer des Dämpfungsstroms
sind für
das geschaltete Ventil im wesentlichen konstant und werden individuell
ermittelt. Diese Größen hängen von
verschiedenen konstruktiven Faktoren, wie zum Beispiel dem Ventil- und Ankerhub, der
Schaltgeschwindigkeit usw. ab. Im dargestellten Fall beträgt die Dauer
des Pausenintervalls t3 sowie des Dämpfungsstroms I3 zusammen etwa
2 ms. Mit dieser Dimensionierung wird ein Anschlag des Ankers 2 an
den Hülsenboden 1 in
wirksamer Weise verhindert, ohne daß der Schließ- und Öffnungsvorgang
des Ventils verlangsamt wird, da zum Zeitpunkt des Erzeugens des
Dämpfungsstroms der
Stößel 4 bereits
seine Endstellung erreicht hat.
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Dies
wird auch anhand eines Vergleichs zwischen den in den 5 bis 8 dargestellten
Meßergebnissen
deutlich. In den 5A bis 8A stellt der
Wertebereich oberhalb der Nulllinie bis zu der durch eine gestrichelte
Linie angedeuteten Position des Hülsenbodens den freien Hub des
Ankers dar, während
der Wertebereich unterhalb der Nulllinie den aktiven Hub des Stößels bezeichnet.
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Die 5 und 6 zeigen
die Verhältnisse
bei einem drucklos betriebenen Ventil. 5A zeigt
die Ankerposition hber der Zeit während des Öffnens und Schließens des
Ventils. Die 5B und 5C zeigen
die entsprechenden Verläufe
der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers, und zwar jeweils
mit einer bekannten Ventilansteuerschaltung.
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Die 6A bis 6C zeigen
die Meßergebnisse
bei dem gleichen Ventil mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Aus 6A wird
deutlich, daß der
Anker im Gegensatz zu 5A den Hülsen boden nicht erreicht,
und daß ferner
die Schließzeit
des Ventils dadurch nicht beeinträchtigt wird. Im Hinblick auf
die Ankergeschwindigkeit und die Ankerbeschleunigung (5B, 6B bzw. 5C, 6C)
ist festzustellen, daß diese
durch die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung
jeweils verringert sind, so daß auf
Grund der geringeren mechanischen Beanspruchungen auch die Lebensdauer
des Ventils verlängert
wird.
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Die 7 und 8 zeigen
die Meßwerte
bei einem mit einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten Ventil.
Während
der An ker mit einer bekannten Ansteuerschaltung mit einer erheblichen
Kraft gegen den Hülsenboden
schlägt
(7A), bleibt bei einem mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
unter Druck betriebenen Ventil (8A) ein
deutlicher Abstand zwischen beiden bestehen.
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Ferner
ist zu erkennen, daß auch
in diesem Betriebsfall der aktive Hub des Stößels und die Schließzeit des
Ventils nicht beeinträchtigt
wird und die Ankergeschwindigkeit (7B und 8B)
sowie die Ankerbeschleunigung (7C und 8C) jeweils
geringer sind, als bei einer bekannten Ansteuerung.
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- I1,
I2, I3
- Differenzverstärker
- f1,
f2, f3
- Stromphasenglieder
- Tr1,
Tr2, Tr3
- Trimmwiderstände
- t1,
t2, t3
- Zeitphasenglieder
- A
- Logikpegelschaltung
- N1,
N2, N3, N4
- NAND-Gatter
- U1,
U2
- UND-Gatter
- T1,
T2
- Transistoren
- V
- Magnetspule
- 1
- Hülsenboden
(Endstellung)
- 2
- Anker
- 3
- Hülse
- 4
- Stößel
- 5
- Ventilsitz
- 6
- Rückstellfeder
- 7
- Einstellvorrichtung