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Die Erfindung betrifft ein pneumatisch betriebenes Stellglied mit einem
Stellgliedgehäuse, einem im Gehäuse längs einer Achse hin- und herlaufenden
Hauptkolben, mit einem Paar von Hilfskolben, die am Hauptkolben befestigt sind und mit ihm
bewegbar sind, wobei der Hauptkolben ein Paar einander gegenüberliegend
zugewandten primären Arbeitsflächen enthält, mit einer unter Überdruck gehaltenen Hochdruck-
Luftquelle, mit einer Zwischendruck-Luftquelle, mit einem Niederdruck-Luftauslaß, mit
einem Paar von Luftregelventielen, die längs der Achse in bezug sowohl auf das
Gehäuse als auch auf den Hauptkolben zwischen geöffneten und geschlossenen
Stellungen hin- und herlaufen können, mit einem Mittel zum selektiven Öffnen eines der
Luftregelventile zum Liefern von Überdruckluft aus der Luftquelle nach einer der
primären Arbeitsflächen, wodurch der Hauptkolben und das Paar von Hilfskolben sich
in Bewegung setzen, wobei jeder Hilfskolben in Zusammenarbeit mit einer Oberfläche
des entsprechenden Luftregelventils eine volumenvariable Ringkammer bildet, mit einem
Mittel zum Ansprechen auf die Bewegung eines der Hilfskolben zum Befördern des
einen Luftregelventils in seine geschlossene Stellung, wobei das auf Bewegung
ansprechende Mittel die volumenvariable Ringkammer enthält, der Druck in der
volumenvariablen Ringkammer zusammen mit dem einen Luftregelventil zunächst
atmosphärischen Druckwert hat und in einer Teilzeit ansteigt, in der sich der
Hauptkolben bewegt, und auf atmosphärischen Druck zurückfällt, wenn das
Luftregelventil in seine geschlossene Stellung unabhängig von der Stellung des
Hauptkolbens zurückkehrt, mit einem nach der einleitenden Kolbenbewegung
betreibbaren und auf fortgesetzte Kolbenbewegung ansprechenden Mittel zum
Komprimieren eines eingefangenen Luftvolumens, wobei die Kolbenbewegung
verlangsamt wird, und mit einem Mittel zum Zurückführen eines Teils der
eingefangenen Luft, die komprimiert wurde (siehe Art. 54.3 EPC-Dokument EP-A-0
328 193).
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Zweistellungen-
Linearbewegungs-Betätigungsglied und insbesondere auf ein Schnellbetrieb-
Betätigungsglied, das mit pneumatischer Energie auf einen Kolben einwirkt, um schnelle
Umschlagzeiten zwischen den zwei Stellungen zu bewirken. Die Erfindung nutzt ein
Regelventilpaar, um Hochdruckluft nach dem Kolben durchzulassen, und
Dauermagneten aus, um die Regelventile in ihren geschlossenen Stellungen festzuhalten,
bis eine Spule zum Neutralisieren der Dauermagnet-Sperrkraft und zum Öffnen eines
der Ventile erregt wird. Gespeicherte pneumatische Gase beschleunigen den Kolben zum
schnellen Umschalten von einer Stellung in die andere Stellung. Bewegung des Kolbens
von einer Stellung in die andere verursacht das Einfangen von etwas Luft gegenüber der
Fläche des Arbeitskolbens neben der Fläche, auf die der beschleunigende Luftdruck
ausgeübt wird, wodurch eine entgegengesetzte Kraft auf den Kolben zum Verlangsamen
des Kolbens ausgelöst wird, sobald er in der Nähe des Endes seines Weges kommt.
Eingefangene Luft mit einem Druck über dem Quellendruck kehrt durch einstellbare
Reed-Ventile nach der Quelle zurück, um einen Teil der kinetischen Energie des
Kolbens zurückzugewinnen. Eine zusätzliche Dämpfüng der Kolbenbewegung und die
Rückgewinnung eines Teils der kinetischen Energie des Kolbens werden mit einem
Hilfskolben erreicht, der mit dem Haupt- oder Arbeitskolben mitbewegt und Luft
komprimiert, um das erneute Schließen des Regelventils zu fördern.
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Dieses Betätigungsglied findet seine Anwendung insbesondere beim
Öffnen und Schließen des Gasaustausches, d.h. der Einlaß- oder Auslaßventile eines
sonst herkömmlichen Verbrennungsmotors. Durch ihre Schnellbetriebseigenschaft
können die Ventile zwischen ganz geöffneten und ganz geschlossenen Stellungen fast
unmittelbar hin und her bewegt werden, im Gegensatz zum allmählichen Bewegen, wie
es die Eigenschaft nockenbetätigter Ventile ist.
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Der Betätigungsgliedmechanismus kann zallreiche andere Anwendungen
finden, wie z.B. in Verdichter-Ventilsystemen und in Ventilsystemen in anderen
hydraulischen oder pneumatischen Vorrichtungen, oder als Schnellbetriebs-Regelventil
für Strömungsstellglieder oder mechanische Betätigungsglieder, in denen Schnellbetrieb
erforderlich ist, um Produkte in einer Fabrikationsprogrammumgebung zu verschieben.
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Verbrennungsmotorventile sind fast universal vom Durchflußtyp, die unter
Federdruck in eine ventilgeschlossene Stellung eingeführt und gegen diesen Federdruck
von einem Nocken auf einer rotierenden Nockenwelle geöffnet werden, wobei die
Nockenwelle mit der Kurbelwelle des Motors synchronisiert ist, um das Öffnen und
Schließen zu festen bevorzugten Zeitpunkten im Motorzyklus zu erzielen. Diese feste
Zeitgabe ist ein Kompromiß zwischen der am besten geeigneten Zeitsteuerung für hohe
Motorgeschwindigkeit und der am besten geeigneten Zeitsteuerung zum Verlangsamen
der Geschwindigkeiten oder für Motorleerlaufgeschwindigkeit.
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Im Stand der Technik wurden zahlreiche Vorteile erkannt, die durch den
Ersatz derartiger nockenbetätigter Ventileinrichtungen gegen anderen Typen von
Ventilöffnungsmechanismen erreichbar sind, die für ihr Öffnen und Schließen sowohl
abhängig von Motorgeschwindigkeit als auch von der Motorkurbelwellenwinkelposition
oder anderen Motorparametern regelbar sind.
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Beispielsweise ist in EP-A0 352 861 (Stand der Technik entsprechend
Art. 54.3 EPC) ein Computersteuersystem beschrieben, das eine Anzahl von
Motorbetriebs-Sensoreingangssignalen empfängt und selbst eine Anzahl von
Motorbetriebsparametern einschließlich der Zündzeitsteuerung und der Zeit in jedem
Zyklus des Öffnens und Schließens der Einlaß- und Auslaßventile u.a. steuert. In der
amerikanischen Patentschrift US-4 009 695 sind hydraulisch betriebene Ventile selbst
wieder mit Regelung durch Tauchspulenregler beschrieben, die wieder durch einen
Armaturenbrett-Computer gesteuert werden, der eine Anzahl von
Motorbetriebsparametern überwacht. Diese Patentschrift erwähnt viele Vorteile, die
durch derartige unabhängige Ventilregelung erreichbar sind, aber ist durch ihren
verhältnismäßig langsamen Betrieb hydraulischer Art nicht imstande, diese Vorteile zu
verwirklichen. Die patentierte Vorrichtung versucht die Ventile auf Echtzeitbasis zu
steuern, so daß das Gesamtsystem ein System mit Rückkopplung ist und dem begleiteten
Schwingverhalten unterworfen ist.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 281 192 wird ein
Stellglied beschrieben, das Dauermagnetsperrung in den geöffneten und geschlossenen
Stellungen aufweist. Elektromagnetische Rückstoßkraft läßt sich anwenden, um das
Ventil aus der einen Stellung in die andere zu bringen. Verschiedene Dämpfungs- und
Energierückgewinnungspläne sind ebenfalls aufgenommen.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 328 195 (Stand der
Technik nach Art. 54.3 EPC) wird eine etwas ähnliche Ventilbetriebseinrichtung
beschrieben, die einen Auslösemechanismus statt eines Rückstoßplans ausnutzt, wie in
der zuvor angegebenen gleichzeitig eingereichten Anmeldung. Die beschriebene
Vorrichtung in dieser Anmeldung ist ein kombiniertes pneumatisch und elektrisch
betriebenes Ventil mit Hochdruckluftversorgung und mit einem Regelventilsystem zum
Anwenden der Luft sowohl zum Dämpfen wie auch als eine Bewegungskrrat. Die
magnetische Bewegungskraft wird von der Magnetsperrung gegenüber dem
freigegebenen geliefert, und zieht einen Anker der Vorrichtung an, solange das
Magnetfeld der ersten Sperrung in seinem reduzierten Zustand steht. Da der Anker die
gegenüberliegende Sperrung schließt, vergrößert sich die magnetische Anniehung und
übersteigt die der ersten Sperrung ungeachtet, ob sie im reduzierten Zustand steht oder
nicht. Diese gleichzeitig eingereichte Anmeldung gibt auch eine Beschreibung
verschiedener Betriebsarten einschließlich des verzögerten Einlaßventilschließens und
einer Betriebsart mit einem Sechstakzyklus.
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Gleichzeitig eingereichte Anmeldungen EP-A-0 347 977 und EP-A-0 347
978 (Stand der Technik nach Art. 54.3 EPC) befassen sich u.a. mit der Verwendung
von Luftdruck auf oder unter Quellendruck zum Mithelfen beim Schließen und zum
Festhalten der geschlossenen Stellung der Regelventile zusammen mit einer Reed-
Ventilvorrichtung zum Wiedereinfangen eines Teils der
Kolbenbewegungsdämpfüngsluft, wenn diese Luft zu einem Druck über dem
Quellendruck komprimiert wird, sowie auf weitere Verbesserungen in der
Betriebsfreundlichkeit der bereits erwähnten Vorrichtungen.
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Weitere damit zusammenhängende Anmeldungen sind EP-A-0 328 194
(Stand der Technik nach Art. 54.3 EPC), wobei Energie aus einer Ventilbewegung zum
Treiben der folgenden gespeichert wird, und ein Anteil der Bewegungskraft für die
Vorrichtung aus der magnetischen Anziehung durch eine Verriegelung gegenüber der
einen abgeleitet wird, die wie in der oben erwähnten EP-A-0 328 195 und EP-A-0 328
192 (Stand der Technik nach Art. 54.3 EPC) laufend neutralisiert wird, worin eine
Feder (oder ein pneumatisches Äquivalent) sowohl als Dämpfüngseinrichtung wie auch
als Energiespeichereinrichtung arbeitet, die zum Liefern eines Teils der
Beschleunigungskraft bereitsteht, um den folgenden Umschlag von einer Stellung in die
andere zu fördern.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 377 250 der
Anmelderin ist ein pneumatisch betriebenes Stellglied beschrieben, das ein Paar von
Luftregelventilen mit Dauermagnetsperrung dieser Regelventile in der geschlossenen
Stellung aufweist. Die Magnetsperrkraft (und daher die Abmessung/Kosten) der
Sperrmagnete wird durch Ausgleich des Luftdrucks am Regelventil reduziert, das dazu
durch die magnetische Anziehung überwonnen werden mußte. Dämpfüngsanforderungen
für den Haupt-Reziprokkolben werden gelindert, da es ein Wiedergewinnen und ein
Verwenden der kinetischen Energie des Hauptkolbens zum erneuten Schließen des
Regelventils gibt. Die Hauptkolbenwelle weist an jedem Ende mit 0-Ringen
abgeschlossene "Stoßkissen" zum Einführen des Luftregelventils in den geschlossenen
Zustand auf, wenn es sonst nicht in den geschlossenen Zustand eintreten wurde.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 377 246 der
Anmelderin enthält der Reziprokkolben eines pneumatisch betriebenen Stellglieds
mehrere Luftdurchgangslöcher, die sich in seiner Reziprokrichtung zum Ausgleichen des
Luftdrucks an den entgegengesetzten Enden des Kolbens erstrecken. Der Kolben weist
auch einen Unterschnitt auf, der zum geeigneten Zeitpunkt Hochdruckluft nach der
Rückseite des Luftregelventils durchläßt, wobei Luft benutzt wird, die aus dem
Hauptkolben des Ventils zum Mithelfen beim Schließen des Regelventils entweicht. Das
Ergebnis ist ein höherer Luftdruck zum Schließen des Regelventils als der Luftdruck,
die zum Öffnen des Regelventils verwendet wird.
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In der gleichzeitigen Patentanmeldung EP-A-0 377 244 der Anmelderin
wird eine Ventilbetätigungseinrichtung mit einem Paar von Hilfskolben beschrieben, die
das erneute Schließen von Luftregelventilen fördern, während gleichzeitig die
Hauptkolbenbewegung nahe beim Ende des Weges der Einrichtung gedämpft wird. Ein
Überschuß an Dämpfüngsluft entweicht durch eine Hilfskammer, anschließend durch
einen schmalen Radialschlitz nach einem Kollektorkrümmer und wird anschließend nach
der Außenseite des Stellglieds und in den Einlaß einer Luftpumpe rückgeführt, um
erneut komprimiert und in Umlauf gebracht zu werden. Ein derartiger radialer
Niederdruckluftauslaßweg ist für viele dieser gleichzeitig eingereichten Anmeldungen
üblich.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 377 252 der
Anmelderin ist ein Stellglied beschrieben, das den Luftbedarf an der
Hochdruckluftquelle reduziert, indem es möglichst viel Luft wiedergewinnt, die beim
Dämpfen komprimiert wurde. Der Hauptkolben stellt einen Anteil der Magnetschaltung
dar, der die Luftregelventile geschlossen hält. Wenn ein Regelventil geöffnet wird,
bewegen sich sowohl das Regelventil als auch der Hauptkolben, die Reluktanz der
Magnetschaltung steigt dramatisch an und die Magnetkraft auf das Regelventil wird
entsprechend reduziert.
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In der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 377 251 der
Anmelderin stellt der Stellglieddeckel einen vereinfachten Luftrückkehrweg für
Niederdruckluft dar, und eine Auswahl neuer Luftentweichwege ermöglicht die
Verwendung von Luftakkumulatoren mit viel höherem Druck nahe beim Arbeitskolben.
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Alle vorgenannten Dokumente mit dem gleichen Datum weisen einen
Haupt- oder Arbeitskolben auf, der das Motorventil antreibt und selbst durch
komprimierte Luft angetrieben wird. Der Leistungs- oder Arbeitskolben, der das
Motorventil zwischen geöffneten und geschlossenen Stellungen bewegt, ist von den
Sperrbauteilen und bestimmten Regelventilsystemstrukturen getrennt, so daß die zu
verschiebende Masse stofflich reduziert ist, und Schnellbetrieb möglich wird. Sperr- und
Auslösekräfte werden ebenfalls reduziert. Diese Ventilsystembauteile, die vom
Hauptkolben getrennt wurden, brauchen nicht die ganze Länge des Kolbenhubes
zurückzulegen, um zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades zu führen. Komprimierte
Luft gelangt an den Arbeitskolben über ein Regelventilpaar, wobei diese komprimierte
Luft den Kolben von der einen Stellung in die andere befördern und ebenfalls typisch
den Kolben in einer vorgegebenen Stellung festhalten, bis wiederum ein Regelventil
betätigt wird. Die Regelventile werden von Dauermagneten geschlossen gehalten und
durch einen elektrischen Impuls in einer Spule nahe bei den Dauermagneten geöffnet. In
allen Fällen werden "Fenster" verwendet, die tiefgezogene oder untergeschnittene
Gebiete in der Größenordnung von 0,1 Zoll in der Tiefe entlang eines etwas
vergrößerten Anteils der Welle des Hauptbkolbens sind, um Luft vom einen Gebiet oder
von der einen Kammer in eine andere oder nach einem Niederdruckluftauslaß
durchzulassen. In diesen Fällen können auch ein Schlitz, der im Kolbenzylinder zur
Lieferung eines Zwischenverriegelungsluftdrucks wie in EP-A-0 328 193 zentral
angeordnet ist, und eine Reed-Ventileinrichtung zum Rückleiten der durch
Kolbendämpfung komprimierten Luft nach der Hochdruckluftquelle wie in EP-A-0 347
978 verwendet werden.
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In diesen Fällen könnte als Alternative die Reed-Ventileinrichtung der
Erfindung ausgenutzt werden. Für ein besseres Verständnis beziehen sich diese Fälle auf
das Entweichen oder Abblasen in die Atmosphäre, und da derartiges Entweichen in die
Umgebungsluft erfolgen kann, ist in die Beschreibung das Entweichen nach einem im
wesentlichen atmosphärischen Druckauslaß die Möglichkeit aufgenommen, daß die Luft
nach einer Pumpe neu umläuft und in einem geschlossenen System erneut auf Druck
gebracht wird, um das Eintreten von Staub und Feucht zu vermeiden, was sonst mit
einem Frischlufteinlaß der Fall sein würde.
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Die ganzen Beschreibungen aller oben erwähnten gleichzeitig
eingereichten Anmeldungen werden spezifisch als Bestandteil zur Bezugnahme in diese
Beschreibung aufgenommen.
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Ein pneumatisch betriebenes Stellglied der eingangs erwähnten Art ist in
der gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-0 328 193 der Anmelderin beschrieben.
Erfindungsgemäß enthält das Gehäuse des Stellglieds einen Arbeitszylinder mit einem
Paar entgegengesetzt profilierter Stirnflächen, wobei die primären Arbeitsflächen des
Hauptkolbens im wesentlichen genau so profiliert sind wie die entgegengesetzten
Stirnflächen des Arbeitszylinders, um damit zusammenzuarbeiten.
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In der vorliegenden Patentanmeldung weist ein Betätigungsglied Einweg-
Druckausgleichsventile gleich den Ausgleichsventilen in der oben erwähnten EP-A-0
347 978 auf, jedoch in einer besseren Ausführung dieser letzten, um eingefangene Luft
nach der Hochdruckquelle zurückzuleiten. Das Betätigungsglied enthält ebenfalls Fenster
oder Lüftungsventilunterschnitte in der Hauptkolbenwelle, die im Vergleich zu den
Fenstern in anderen der erwähnten Patentanmeldungen mit gleichem Einreichungsdatum
eine kleinere Abmessung haben, wodurch ein höheres Kompressionsverhältnis erreicht
wird. Das Stellglied dieser Anmeldung vergrößert den Bereich, der unter Überdruck
gehalten wird, wenn das Luftregelventil sich schließt, wodurch die erforderliche
Magnetkraft weiter reduziert wird.
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Unter den verschiedenen Aufgaben der Erfindung sei auf das Anbringen
einer bistabilen fluidbetriebenen Betätigungsvorrichtung, gekennzeichnet durch schnelle
Umschaltzeiten und einen verbesserten Wirkungsgrad, auf das Anbringen einer
Reziprokkolben-Betätigungsvorrichtung mit hohem Kompressionsverhältnis, auf das
Anbringen einer pneumatisch betriebenen Betätigungseinrichtung mit weiteren
Schnellbetriebs-Regelventilen, auf das Anbringen einer pneumatisch betriebenen
Betätigungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorigen Aufgabe, in der die
Regelventilneuschließstruktur keinen vorangehenden Überdruck aus der
Hochdruckluftquelle erfordert, auf das Anbringen einer elektronisch gesteuerten
pneumatisch betriebenen ventilbetätigten Vorrichtung mit Hilfskolben, die sowohl das
Dämpfen als auch das Neuschließen von Regelventilen fördern, auf das Anbringen einer
Regelbetätigungsvorrichtung mit luftbetriebenen Regelventilen und Luftkammern, die in
der Zeit des Öffnens der Regelventile Luft festhalten und komprimieren, wobei die
komprimierte Luft zum Fördern des Neuschließvorgangs der Luftregelventile dient, und
auf das Anbringen einer Ventilbetätigungsvorrichtung mit einer einstellbaren
Hochdruckluft-Neueinfangeigenschaft hingewiesen. Sowohl diese Aufgabe als auch
andere und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung sind zum Teil offensichtlich und
werden zum Teil nachstehend beschrieben.
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Allgemein enthält ein pneumatisch betriebenes Stellglied ein
Stellgliedgehäuse und einen im Gehause längs einer Achse hin- und herlaufenden
Kolben. Der Kolben weist ein Paar einander entgegengesetzt zugewandter primärer
Arbeitsflächen auf. Eine unter Überdruck gehaltene Hochdruckluftquelle, eine
Zwischendruck-Luftdruckquelle und ein Niederdruck-Luftauslaß sind als Kammern im
Gehäuse mit geeigneten externen Verbindungen ausgebildet. Ein Paar von
Luftregelventilen sind längs der Achse sowohl in bezug auf das Gehäuse als auch auf
den Kolben zwischen geöffneten und geschlossenen Stellungen reziprok. Eine Spule
wird zum selektiven Öffnen eines der Luftregelventile erregt, wodurch Überdruckluft
aus der Luftquelle nach einer der Primärarbeitsflächen geführt wird, um den Kolben in
Bewegung zu setzen. Eine Dämpfüngseinrichtung ist anschließend an die einleitende
Kolbenbewegung betriebbar und spricht auf fortgesetzte Kolbenbewegung an, um eine
eingefangene Luftmenge zu komprimieren, wobei die Kolbenbewegung verlangsamt und
ein Teil der eingefangenen Luft, der auf einen Druck größer als der Druck der
Hochdruckquelle komprimiert wurde, nach der Hochdruckquelle zurückgeführt wird.
Die Menge der eingefangenen Luft, die nach der Hochdruckquelle zurückgeführt wird,
wird selektiv durch eines oder mehrere Einweg-Reed-Ventile mit einstellbarem Schlitz
gesteuert.
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Auch allgemein und in einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein
bistabiler elektropneumatischer Wandler ein Gehäuse mit einem Hauptkolben, der längs
einer Achse hin- und herlaufen kann. Der Hauptkolben enthält ein Paar einander
entgegengesetzt zugewandter primärer Arbeitsflächen und ein Paar von
Luftregelventilen, die längs der Achse sowohl in bezug auf das Gehäuse als auch auf
den Hauptkolben zwischen geöffneten und geschlossenen Stellungen hin- und herlaufen
können. Eine Spule ist zum selektiven Öffnen eines der Luftregelventile zum Liefern
von Überdruckluft aus der Konstantdruck-Luftquelle nach einer der primären
Arbeitsflächen des Kolbens erregbar, um den Hauptkolben in Bewegung zu setzen. Ein
Paar von Hilfskolben sind am Hauptkolben befestigt und mit ihm bewegbar, wobei jeder
Hilfskolben in Zusammenarbeit mit einer Oberfläche des entsprechenden
Luftregelventils eine volumenvariable Ringkammer bildet, die auf die Bewegung des
entsprechenden Hilfskolbens anspricht, um das eine Luftregelventil in seine
geschlossene Stellung zu bringen. Würde die Luftdruck aus der volumenvariablen
Ringkammer das Luftregelventil nicht erneut schließen können, beteiligt sich darin ein
federndes Stoßkissen auf dem Hilfskolben, das das Luftregelventil in seine geschlossene
Position treibt. Der Druck in der volumenvariablen Ringkammer in Zusammenarbeit mit
dem geöffneten Luftregelventil liegt zunächst typisch auf atmosphärischem Druck und
erhöht sich in einer Teilzeit, in der der Hauptkolben sich bewegt, wonach der Druck auf
atmosphärischen Druck zurückfällt, wenn das Regelventil sich unabhängig von der
Stellung des Kolbens erneut schließt.
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In Fig. 1 ist eine Ansicht im Schnitt durch den pneumatisch betriebenen
Stellglied nach der Erfindung mit dem Leistungskolben dargestellt, der in der ganz
linken Stellung gesperrt ist, was normal ist, wenn das entsprechende Motorventil
geschlossen ist,
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Fig. 1a zeigt in der Vergrößerung einen Teil des Luftregelventils nach
Fig. 1,
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Fig. 2...7 sind Querschnitte gleich der Fig. 1, aber sie veranschaulichen
Bewegungen und Wirkung von Bauteilen, wenn der Kolben sich nach rechts in seine
extreme rechte Stellung oder in seine Stellung bei geöffnetem Ventil bewegt, und
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Fig. 6a zeigt in der Vergrößerung einen Teil des Gehäuses nach Fig. 1
mit einem schematischen Reed-Ventil.
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Entsprechende Bezugsziffern bezeichnen entsprechende Teile in allen
Ansichten der Zeichnung.
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Die Ausführungsbeispiele veranschaulichen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Form, wobei derartige Ausführungsbeispiele
nicht als Einschränkungen des Rahmens der Beschreibung oder des Rahmens der
Erfindung auf irgendeine Weise anzusehen sind.
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Das Stellglied ist sequentiell in Fig. 1...7 zum Veranschaulichen
verschiedener Bauteilstellen und Wirkungen beim Verschieben eines Durchflußventils
oder eines anderen Bauteils (nicht dargestellt) von einer geschlossenen in eine offene
Stellung dargestellt. Die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung ist aus der
Symmetrie der Bauteile klar ersichtlich. Im allgemeinen wird ein pneumatisch
betriebenes Stellglied mit einem Stellgliedgehäuse 19 und einem Kolben 13 dargestellt,
der im Gehäuse längs der Achse der Welle oder Spindel 11 hin- und herlaufen kann.
Der Kolben 13 enthält ein Paar einander entgegengesetzt zugewandter primärer
Arbeitsflächen 38 und 40, eine Überdruck-Luftquelle 39, ein Paar von Luftregelventilen
15 und 17, die längs der Achse in bezug sowohl auf das Gehäuse 19 als auch auf den
Kolben 13 zwischen geöffneten und geschlossenen Stellungen hin- und herlaufen
können. Eine magnetische Neutralisierungsspule 24 oder 26 kann zum Neutralisieren
des Sperreffekts eines Dauermagneten 25 oder 27 zum selektiven Öffnen eines der
Luftregelventile 15 oder 17 zum Liefern von Überdruckluft aus der Luftquelle an eine
der primären Arbeitsflächen zum Verschieben des Kolbens erregt werden.
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Das Betätigungsglied enthält eine Welle oder Spindel 11, die einen Teil
eines Durchflußventils eines Verbrennungsmotors sein oder damit in Verbindung stehen
kann. Das Betätigungsglied enthält ebenfalls einen Reziprokkolben 13 und ein Paar hin-
und herlaufender oder gleitender Regelventilelemente 15 und 17, die in das Gehäuse 19
aufgenommen sind. Die Regelventilelemente 15 und 17 sind in einer geschlossenen
Stellung durch eine Kombination anziehender Kräfte der Magnete 25 und 27 gesperrt
und können aus ihren jeweiligen gesperrten Stellungen durch Erregen der Spulen 24 und
26 freigemacht werden. Die Regelventilelemente oder Pendelventile 15 und 17 arbeiten
sowohl mit dem Kolben 13 als auch mit dem Gehäuse 19 zusammen, um im Betrieb die
verschiedenen Durchlaßfunktionen zu erhalten. Das Gehäuse 19 enthält ein
Hochdruckeinlaßtor 39 gleich den Einlaßtoren vieler der oben erwähnten gleichzeitig
eingereichten Anmeldungen. Der Niederdruck kann ungefähr der atmosphärische Druck
sein, während der Hochdruck in der Größenordnung von 90 bis 100 psi Ka1ibrierdruck
beträgt. Eine Zwischen- oder Sperrluftdruckquelle kann, wie in früheren Anmeldungen,
Luft beispielsweise mit einem Druck von etw 9 bis 10 psi an den Ringschlitz 43 liefern.
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In Fig. 1 ist ein Anfangszustand mit dem Kolben 13 in der äußerst linken
Position und mit dem gesperrten geschlossenen Zustand des Luftregelventils 15
dargestellt. In diesem Zustand wird die Ringauflager-Stirnfläche 77 in einen Ringschlitz
im Gehäuse 19 eingeführt und an einem O-Ring 47 abgedichtet. Dies bildet eine
Abdichtung für den Druck im Hohlraum 39 und verhindert das Ausüben einer
Bewegungskraft auf den Hauptkolben 13. In dieser Stellung wird der Hauptkolben 13
durch den Druck auf die Arbeitsfläche 40 nach links (gesperrt) gebracht. In Fig. 1 ist
das Stellglied mit dem Leistungskolben 13 in der Sperrung in der äußerst linken
Stellung dargestellt, die er einnehmen würde, wenn das entsprechende Motorventil
geschlossen ist. Die Unterkolben-Ringkammer 91 steht mit dem Niederdruck-
Auslaßkammer 63 in Verbindung und führt atmosphärischen Druck, wenn der
Hauptkolben sich gemäß der Darstellung in der Ruhelage befindet. Der Unterkolben 29
oder 31 gleitet in die Innenbohrung des Luftregelventils 15. Der Dauermagnet 25 hält
das Luftregelventil 15 in einem geschlossenen Zustand.
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Beim Vergleich von Fig. 1 mit 1a sei bemerkt, daß das Tor 23 immer
geöffnet ist und einen Luftweg zwischen den Kammern 91 und 35 bildet, wodurch also
die beiden Kammern gleichzeitig einen Druckanstieg erfahren, wenn das
Unterkolbensegment 29 sich nach rechts bewegt, und der hohe Regelventilschließdruck
gleichermaßen auf alle rückwärtigen Oberflächen ausgeübt wird, wodurch ein
positiveres und schnelleres erneutes Schließen des Ventils gewährleistet ist. Das erneute
Regelventilschließen wird ohne Zusatz von Quellenluft ausgeführt, jedoch wenn die
magnetischen Eigenschaften der Verriegelanordnung reduziert werden, kann zusätzliche
Quellenluft zum Fördern des erneuten Schließens zugeführt werden. Derartige
zusätzliche oder zuvor unter Überdruck gesetzte Luft kann durch geringes Aufweiten
des Fensters 59 erhalten werden, so daß der Nocken 77 den Schlitz 45 freigibt, bevor
der Rand 49 die Verbindung zwischen dem Fenster 59 und der Kammer 91 abschließt.
Die Größe eines derartigen zuvor ausgeführten Überdrucks läßt sich durch
Quellenluftdruck, durch Bewegungsgeschwindigkeit des Luftregelventils sowie durch
Fensterabmessung und Fensterstelle steuern.
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In Fig. 2 wurde die Spule 24 erregt, wodurch die Haltekraft des
Dauermagnets 25 auf den Anker 45 neutralisiert wird und das Luftregel- oder
Pendelventil 15 nach links gegangen ist, beispielsweise um 0,035 Zoll, während der
Kolben 13 sich noch nicht nach rechts bewegt hat, während in Fig. 3 dargestellt ist, daß
die Öffnung des Luftventils 15 etwa 0,045 Zoll und die Bewegung des Kolbens 13 etwa
0,140 Zoll nach rechts beträgt. In Fig. 2 wurde die Luft mit hohem Druck nach dem
Hohlraum 39 und nach der Fläche 38 des Kolbens 13 befördert, wodurch der Kolben
nach rechts gebracht wird. Diese Lieferung von Luft mit hohem Druck über den
Hohlraum 39 zur Kolbenfläche 38 wird in Fig. 3 durch den Rand des Fensters 59 des
Kolbens 13 abgeschnitten, der den Ringauflager 41 des Gehäuses 19 passiert. Der
Kolben 13 wird weiter beschleunigt, jedoch durch die Expansionsenergie der
Hochdruck-Luft im Hohlraum 81. In Fig. 2 wird die Spule 24 erregt und das Feld des
Dauermagneten 25 verringert, bis das Luftregelventil 15 zum Bewegen frei ist. Das
Luftventil 15 wird durch den hohen Druck in der Kammer 39 beschleunigt, der auf die
Regelventilflächen 21 und 22 einwirkt. Das atmosphärische Tor 63 ist nicht länger mit
der Unterkolbenkammer 91 verbunden, da der Ring 33 die Kammer 35 vom
Niederdruck-Auslaßtor 63 isoliert hat. Die Unterkolbenkammer 91 arbeitet als komplexe
Luftfeder, die komprimiert wird, und dieser ansteigende Druck wird auf die Fläche 49
des Luftregelventiis 15 sowie innerhalb der Kammer 35 ausgeübt. Die Bewegung des
Unterkolbens 29 und des Luftventils 15 nacheinander hin sorgt dafür, daß ein sich nicht
linear änderndes Volumen bildet, wodurch die komplexe Luftfeder gebildet wird. Das
Luftventil 15 in Fig. 2 hat etwas mehr als eine Hälfte seines Gesamtweges zurückgelegt.
Da der Nocken 77 als Anteil des Hauptgehäuses 19 aus dem Körper 41 herausgleitet,
wird der Hauptkolben 13 durch den hohen Druck aus der Kammer 39 durch das Fenster
29 beschleunigt. Das Fenster 59 und die weiteren zu beschreibenden Fenster bestehen
aufeinanderfolgend aus einer Reihe untiefer am Umfang verlaufender Unterschnitte in
einem sonst zylindrischen Anteil des Hauptkolbens.
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Wenn die (geeignete) Spule 26 erregt wird und das Magnetfeld des
Magneten 27 wird ausreichend neutralisiert, so daß der hohe Luftdruck auf die Fläche
75 das Luftventil 17 öffnet, gewährleisten die Fenster in Fig. 1, wie z.B. 79, daß das
Ventil 17 direkt in seine geschlossene Stellung zurückkehrt. Wenn der Hauptkolben sich
an der äußerst linken Seite in Fig. 1 befindet, fluchtet der Rand 83 des Fensters 79 mit
den Rändern 85 und 87. Wenn das Ventil 17 durch die rechte Sperreinrichtung durch
Neutralisierung des Flusses aus dem Magneten 27 freigegeben wird, wobei die
pneumatische Kraft auf die Fläche 89 des Ventils das Luftventil nach rechts bringt,
passiert die Luft mit hohem Druck aus dem Hohlraum 39 durch die Öffnung zwischen
den Oberflächen 85 und 87 und durch das Fenster 29 in den Hohlraum 95, wodurch
zum größten Teil die pneumatische Kraft, die das Öffnen des Luftventils bewirkt,
entfernt wird. Geringe Änderungen in den Abmessungen ermöglichen ebenfalls den
Durchgang dieser Luft mit hohem Druck durch die Öffnung 23 und nach dem Hohlraum
99, wobei weiterhin nach Bedarf der auf das Ventil ausgeübte Druck neutralisiert wird.
Nachdem dem Fluß des Magneten 27 nichts mehr gegenübergestellt wird, überwindet
die magnetische Anziehungskraft auf den Anker 101 die pneumatische Restkraft auf das
Luftventil, die es geschlossen hält. Also ergibt ein zufälliges Erregen der Verriegelung
am gegenüberliegenden Ende des Stellglieds, an dem sich momentan der Kolben
befindet, daß das Regelventil schnell zurückkehrt und das Ventil schließt, ohne das
dabei nachteilige Effekte auftreten, wie z.B. das Verriegeln in einem offenen Zustand.
Eine derartige Technik macht das Anregen beider Verriegelungen zusammen durch eine
gemeinsame Quelle möglich, wodurch die erforderliche Anzahl elektronischer
Antreiberschaltungen halbiert wird.
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In Fig. 3 hat das Luftventil 15 den Weg nach seiner ganz offenen Stellung
zurückgelegt. Die Luft in der Unterkolbenkammer 91 wird weiter komprimiert, und ein
geringer Energiebetrag wird vom Unterkolben 29 durch den aufgebauten Druck in der
Unterkolbenkammer 91 aus dem Hauptkolben 13 abgezogen. Das Fenster 59 hat den
Hauptkolben 13 vom Quellendruck abgeschnitten. Der Hauptkolben 13 hat jetzt etwa
30% seines Gesamtweges zurückgelegt, und der Hochdruck im Hauptkolbenzylinder 81
expandiert.
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In Fig. 4 bleibt das Luftventil 15 ganz offen und die atmosphärische Luft
in der Unterkolbenkammer 91 wird auf einen höheren Wert komprimiert. Der
Unterkolben 29 extrahiert weitere Energie aus dem Hauptkolben 13. Der hohe Druck im
Hauptzylinder 81 expandiert weiter. Die Luft an der rechten Seite des Hauptzylinders
81 wird jetzt komprimiert und das Dämpfen des Hauptkolbens 13 fängt an.
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In Fig. 5 überschreitet der Druck in der Unterkolbenkammer 91 gerade
den Quellendruck in der Kammer 39 und fängt damit an, das Luftventil 15 zurück in
seine geschlossene Position nach Fig. 1 zu beschleunigen. Es wird vom Unterkolben 29
sogar mehr Energie aus dem Hauptkolben 13 abgenommen. Der Druck auf die
Arbeitsflache 40 an der rechten Seite des Hauptkolbens 13 steigt weiter an und dämpft
das Stellglied.
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In Fig. 6 hat der Druck in der Unterkammer 35 und in der
Unterkolbenkammer 91 den Quellendruck in der Kammer 39 überstiegen und das
Luftventil 15 ist auf dem Rückweg nach seiner Position in Fig. 1. Der Nocken 77 hat
den Quellendruck auf die Fläche 22 des Luftventils 15 abgeschaltet. Der Druck auf die
linke Seite 38 des Haup&olbens 13 liegt beim Verriegel- oder Zwischendruck der
Quelle 43, der Druck auf die rechte Seite 40 des Hauptkolbens 13 steigt weiter an und
dämpft das Stellglied. Der Rand 33 hat das Öffnen der Kammer 35 zum Entlüften der
Unterkolbenkammer 91 nach dem atmosphärischen oder Niederdruck-Auslaß 63
freigegeben.
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Wenn der Druck an der rechten Seite 40 des Hauptkolbens auf den
Quellendruck in der Kammer 39 kommt, gehen eines oder mehrere Reed-Ventile zum
Lüften dieses Überdrucks zurück in die Quelle auf. Ein Reed-Ventil, das mit weiteren
Einzelheiten in Fig. 6a dargestellt ist, dient als Mittel zum selektiven Steuern der
Menge der eingefangenen Luft, die nach der Hochdruckquelle zurückgeführt wird. Wie
in Fig. 6a dargestellt, ist das Reed-Ventil ein Einwegventil, das zwischen geschlossenen
und geöffneten Stellungen verschiebbar ist und eine Vorrichtung in Form einer
einstellbaren Stellschraube 57 zum Abwandeln des Abstands zwischen den
geschlossenen und geöffneten Stellungen enthält. Das Reed 65 ist etwas federnd
ausgeführt und ruht normalerweise auf der Oberfläche 67, umd das Torloch 69
abzudichten, wird aber von der Oberfläche 67 mit einem ausreichend hohen Druck in
der Kolbenkammer weggedrückt, um Luft mit zu hohem Druck in die Quellenkammer
39 einzulassen. Die Stellschraube 57 ermöglicht eine Einstellung zum Durchlassen
größerer oder kleinerer Luftmengen durch das Reed-Ventil, wobei eine Steuerung der
endgültigen Dämpfüng des Kolbens gegeben ist. Die Stellschraube steuert die Trennung
zwischen der beweglichen Platte 73 und dem statischen Block 71. Die ausgewahlte
Stellung der beweglichen Platte steuert das mögliche Öffnen des Reed 65 und dieses
regelt wieder die Luftmenge mit Überdruck, die aus der Kolbenkammer entweicht, und
daher den vom Kolben ausgeübten Därnpfungsgrad. Also enthält das Einwegventil ein
Reed, das in der geschlossenen Stellung in einer Öffnung im Gehäuse zusammenarbeitet
und diese Öffnung bedeckt, und ebenfalls einen einstellbaren Anschlag zum Begrenzen
des Abstands, mit dem das Reed sich von der Öffnung im Gehäuse entfernt.
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In Fig. 7 ist das Luftventil 15 in seine geschlossene und gesperrte Stellung
nach Fig. 1 zurückgekehrt. Der Druck in der Ring-Unterkammer 91 ist in die
Atmosphäre durch das Tor 63 entwichen. Der Hauptkolben 13 in Fig. 7 hat seinen Weg
zurückgelegt und der Dämpfüngsdruck des Kolbens an der rechten Seite 40 des
Hauptkolbens ist durch das Fenster 61 in die Unterkolbenkammer 95 zum Tor 80
entwichen. Ein Umschlag des Stellglieds ist jetzt vollendet und im wesentlichen kann
beim Rückumschlag dasselbe Verfahren nach obiger Beschreibung durchgeführt werden.
Sollte unrichtiger Luftdruck, ein unrichtiges Magnetfeld oder ein anderes Problem
ergeben, daß das Luftregelventll sich nicht schließt, stößt das federnde O-Ring-
Stoßkissen 51 an die Oberfläche 49 und bewirkt die Rückkehr des Luftregelventils in
die geschlossene Stellung. Dieses Stoßkissen ist ebenfalls wirksam zum Gewährleisten
des Schließens des Regelventils beim einleitenden Prüfen oder Kalibrieren des
Stellglieds.
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Ein Vergleich der Fig. 1 und 7, in denen die zwei stabilen Zustände des
pneumatisch betriebenen Stellglieds veranschaulicht sind, zeigt, daß der Arbeitszylinder,
in dem der Hauptkolben hin- und herläuft, ein Paar entgegengesetzt profilierter
Stirnflächen 53 und 55 aufweist, und daß der Hauptkolben 13 ein Paar einander
entgegengesetzt zugewandter primärer Arbeitsflächen 38 und 40 enthält, die im
wesentlichen genauso profiliert sind wie die entgegengesetzten Stirnflächen des
Arbeitszylinders, um damit zusammenzuarbeiten. Die profilierten Stirnflächen enthalten
je eine Zentralöffnung, eine ebene Außenringfläche und eine kegelstumpfförmige
Zwischenfläche 86 zum Verbinden der ebenen Flächen und der Zentralöffnung.
Derartige engste Zusammenarbeit dieser Flächen ergibt ein minimales Volumen, das
sehr klein ist, wodurch ein hohes Kompressionsverhältnis für die Kolbenbewegung
gefördert wird. Das konische Segment 86 verbessert mit minimaler Masse die
Festigkeit, aber wichtiger ist, daß dieses konische Segment 86 möglich macht, daß die
axiale Länge der Fenster 59 und 61 kurz ist, und dadurch ein geringes Volumen hat,
wodurch wiederum das Kompressionsverhältnis der Vorrichtung verbessert wird.
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Es ist aus der Symmetrie des Stellgliedes klar, daß das Verhalten der
Luftregelventile 15 und 17 bei Verwendung von Hauptkolbenenergie für zusätzliche
Kraft zum erneuten Schließen des Ventils, wie bei vielen anderen Eigenschaften, nahe
bei jedem der entgegengesetzten Extremwerte des Kolbenweges im wesentlichen
dasselbe ist.
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Nur wenig wurde gesagt über die Verbrennungsmotorumgebung, in dem
diese Erfindung große Anwendung findet. Diese Umgebung kann in hohem Ausmaß
dieselbe sein wie in der Beschreibung der vorgenannten gleichzeitig eingereichten
Anmeldungen und in der erwähnten Literatur, auf die für Einzelheiten der Merkmale
verwiesen wird, wie z.B. elektronische Steuerungen und Luftdruckquellen. In dieser
bevorzugten Umgebung wird die Masse des arbeitenden Kolbens und seines
zugeordneten gekoppelten Motorventils im Vergleich zu den Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik weitgehend reduziert. Wenn das Motorventil und der Kolben sich um
etwa 0,45 Zoll zwischen ganz geöffneten und ganz geschlossenen Stellungen bewegen,
bewegen sich die Regelventile nur um etwa 0,125 Zoll, und erfordern dazu weniger
Energie. Die Luftdurchgänge nach der Erfindung sind allgemein große ringförmige
Öffnungen mit geringen oder keinen Drosselverlusten.