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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor der
Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
ihrer europäischen
Patentanmeldung EP-A-0 803 642 hat die Anmelderin einen Motor offenbart
mit:
- – wenigstens
einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil für jeden
Zylinder, wobei jedes Ventil mit entsprechenden Federmitteln versehen
ist, die das Ventil unter Vorspannung in Schließstellung halten, zur Steuerung
der Verbindung zwischen entsprechenden Einlass- und Auslasskanälen und
einer Verbrennungskammer;
- – mit
einer Nockenwelle zur Betätigung
der Einlass- und Auslassventile der Motorzylinder durch entsprechende
Stößel, wobei
jedes Einlassventil und jedes Auslassventil durch einen Nocken der genannten
Nockenwelle angetrieben wird;
- – wobei
wenigstens einer der genannten Stößel gegen die Wirkung der genannten
vorspannenden Federmittel das entsprechende Einlass- oder Auslassventil
durch die Zwischenschaltung von Hydraulikmitteln, die eine Kammer
mit Druckfluid einschließen,
antreibt;
- – wobei
die genannte Kammer mit Druckfluid so angepasst ist, dass sie durch
ein Magnetventil mit einem Ausgangskanal verbunden wird, um das Ventil
von dem jeweiligen Stößel zu entkoppeln und,
so das schnelle Schließen
des Ventils herbeizuführen
unter der Wirkung der betreffenden Vorspannungsfedermittel;
- – wobei
die Hydraulikmittel weiterhin einen Kolben umfassen, der dem Schaft
des Ventils zugeordnet ist und gleitbar in einem Führungszylinder angeordnet
ist, wobei der Kolben auf eine Kammer veränderlichen Volumens gerichtet
ist, die durch den genannten Kolben in dem Führungszylinder gebildet wird,
wobei die Kammer veränderlichen
Volumens durch eine Verbindungsöffnung,
welche an einem Ende des genannten Führungszylinders gebildet wird,
in Verbindung mit der Kammer mit Druckfluid steht, wobei der genannte
Kolben eine Endnase aufweist, die so angepasst ist, dass sie in
die genannte Verbindungsöffnung
während
des abschließenden
Teils der Bewegung des Kolbens eingeführt wird, wenn das Ventil geschlossen wird,
um den Verbindungsdurchlass zwischen der Kammer veränderlichen
Volumens und der genannten Kammer mit Druckfluid zu reduzieren, um
so die Bewegung des Ventils in der Nähe seiner Schließstellung
abzubremsen.
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Das
oben beschriebene System erbringt eine veränderbare Steuerung der Öffnung der
Einlass- und oder Auslassventile ohne die mechanischen Teile zu
verändern,
die die Ventilverschiebung steuern. Tatsächlich kann, während in
einem herkömmlichen
Ventilbetriebssystem die Bewegung jedes Einlass- oder Auslassventils
nur entsprechend der Geometrie der mechanischen Teile, die das Ventil antreiben
(Nocken, Stößel und
Kipphebel soweit vorhanden) erfolgt, in dem oben beschriebenen bekannten
System, das Magnetventil, welches die einem vorgegebenen Ventil
zugeordnete Druckkammer steuert zu jeder gewünschten Zeit geöffnet werden (typischerweise
wird sie durch elektronische Steuermittel gesteuert in Abhängigkeit
eines oder mehrerer Betriebsparameter des Motors) um so die oben
erwähnte
Kammer mit Druckfluid zu leeren (welches üblicherweise das Schmieröl des Motors
ist) und so das schnelle Schließen
des Einlass- oder Auslassventils unter der Wirkung der jeweiligen
vorspannenden Federmittel zu veranlassen selbst während eines Zustands,
indem der entsprechende Nocken das Ventil offen halten würde.
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Wie
oben schon angedeutet, sieht die bekannte Lösung einen dem Ventil zugeordneten
Kolben vor, der gleitbar in einem Führungszylinder gelagert ist.
Der Kolben ist auf eine Kammer veränderlichen Volumens gerichtet,
die dadurch in dem Führungszylinder
gebildet wird und die mit der Kammer mit Druckfluid durch eine Verbindungsöffnung,
welche an einem Ende des Führungszylinders
gebildet ist, in Verbindung steht. Um die Bewegung des Ventils in
der Nähe
seiner Schließstellung
abzubremsen, um Beschädigung
in Folge eines Aufschlagens mit übergroßer Geschwindigkeit
des Ventils auf seinen Sitz zu vermeiden, wenn die Druckkammer geleert wird,
um das Ventil vom entsprechenden Stößel zu entkoppeln, hat der
oben erwähnte
Kolben eine Endnase, die so angepasst ist, dass sie in die genannte Verbindungsöffnung während des
abschließenden Teils
der Bewegung des Kolbens eingeführt
wird, wenn das Ventil geschlossen wird, um den Verbindungsdurchlass
zwischen der Kammer veränderlichen
Volumens und der genannten Kammer mit Druckfluid zu reduzieren und
so die Bewegung des Ventils in der Nähe seiner Schließstellung
abzubremsen.
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Vom
Anmelder durchgeführte
Studien und Tests haben jedoch gezeigt, dass der auf diese Weise
erhaltene Bremseffekt übermäßig werden
kann, wenn das Druckfluid (typischerweise das Schmieröl des Motors)
in Folge eines niedrigen Werts seiner Temperatur hohe Viskosität aufweist.
So kann die Viskosität
des Öls
z.B. bei niedriger Umgebungstemperatur z.B. im Bereich von –10°C, und wenn
der Motor in Folge eines Kaltstarts noch nicht die normale Betriebstemperatur
erreicht hat, so groß sein,
dass die Ventilschließzeit übermäßig lang
wird. Zum Beispiel kann ein Schmieröl, welches bei normalen Betriebsbedingungen
eine kinematische Viskosität
im Bereich von 15 Centistokes hat eine Viskosität von 4000 Centistokes bei
einer Temperatur von –20°C aufweisen.
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Ein
Motor des im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigten Typs ist aus
der EP-A-0 317 371
bekannt. Dieser Motor ist jedoch nicht von einer Bauart mit einem
elektronisch gesteuerten Hydrauliksystem für variable Ventilbetätigung.
Darüber
hinaus ist die Anordnung des Ventilelements in diesem Motor für das Ausschließen des
oben erwähnten
hydraulischen Abbremsens der Art, dass es schwierig ist dieses Element
anzupassen für
einen Motor, der ursprünglich
ohne eine solche Anordnung konstruiert war.
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Um
die Nachteile des übermäßigen Abbremsens
bei niederen Temperaturen zu überwinden, schafft
die Erfindung einen Motor, wie er in Anspruch 1 definiert ist. Das
oben erwähnte
Ventilelement kann als Funktion der Temperatur der Druckflüssigkeit oder
als Funktion der Umgebungstemperatur gesteuert werden, um überlange
Schließzeiten
des Ventils in Folge der Zunahme der Viskosität des Öls in dem Betätigungssystem
zu vermeiden.
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Die
Rotation des Ventilelements kann durch Motormittel gesteuert werden,
die ihrerseits von den oben erwähnten
dem Ventilbetätigungssystem
zugeordneten elektronischen Steuerungsmitteln gesteuert werden und
zwar als Funktion der Betriebsbedingungen des Motors.
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In
Folge der vorstehend erwähnten
Merkmale können
die Ventile bei jeder Betriebsbedingung des Motors mit einer Geschwindigkeit
betrieben werden, die einerseits ein schnelles Schließens des
Ventils ergibt, andererseits Beschädigungen in Folge eines zu
harten Aufschlags des Ventils auf seinen Sitz, wenn es geschlossen
wird, vermeidet. Dieses Ergebnis wird, wie klar ersichtlich, mit
vergleichsweise einfachen und kostensparenden Mitteln erhalten.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die lediglich
als nicht-einschränkendes
Ausführungsbeispiel
gegeben wird, wobei:
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1 ein
Querschnitt des Kopfes eines Verbrennungsmotors entsprechend der
Ausführungsform,
die aus der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0 803 642 desselben Anmelders bekannt ist, und
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2 und 3 Querschnitte
im vergrößerten Maßstab von
Einzelheiten der 1 sind, die entsprechend der
vorliegenden Erfindung gestaltet sind.
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Mit
Bezug auf 1 handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor,
der in der älteren
europäischen Patentanmeldung
EP-A-0 803 642 desselben Anmelders beschrieben ist, um einen Mehrzylindermotor, wie
einen Motor mit fünf
Zylindern in Reihe, der einen Zylinderkopf 1 umfasst. Der
Zylinderkopf 1 umfasst für jeden Zylinder einen Hohlraum 2,
der in die Oberfläche 3 des
Kopfes eingeformt ist und die Verbrennungskammer definiert in die
zwei Einlasskanäle 4, 5 und
zwei Auslasskanäle 6 münden. Die
Verbindung der zwei Einlasskanäle 4, 5 mit
der Verbrennungskammer 2 wird von zwei Einlassventilen 7,
nämlich herkömmlichen
Tellerventilen, von denen jedes einen im Körper des Zylinderkopfes 1 gleitbar
gelagerten Schaft 8 aufweist, gesteuert. Jedes Ventil 7 wird durch
Federn 9, die zwischen einer inneren Oberfläche des
Kopfes 1 und einer Endkappe 10 des Ventils eingesetzt
sind, in seine Schließposition
gedrückt. Das Öffnen der
Einlassventile 7 wird in der nachfolgend beschriebenen
Weise durch eine um eine Achse 12 drehbare in Lagern des
Zylinderkopfs 1 gelagerte Nockenwelle 11 gesteuert,
die eine Mehrzahl von Nocken 14 für die Betätigung der Ventile umfasst.
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Jeder
ein Einlassventil 7 steuernde Nocken 14 arbeitet
mit einer Scheibe 15 eines Stößels 16 zusammen,
der gleitbar entlang einer Achse 17 gelagert ist, die im
Wesentlichen in 90°,
bezogen auf die Ventilachse 7, ausgerichtet ist und in
einer Buchse 18, die von einem Körper 19 einer vormontierten
Einheit 20 getragen wird, die ihrerseits alle elektrischen und
hydraulischen Einrichtungen zusammenfasst, die der Betätigung der
Einlassventile zugeordnet sind, wie es im Einzelnen nachfolgend
beschrieben wird. Der Stößel 16 kann
eine Kraft auf den Schaft 8 des Ventils 7 ausüben, so
dass das Ventil 7 gegen die Wirkung der Federmittel 9 mittels
Druckfluid (üblicherweise Öl, welches
aus dem Schmierkreislauf des Motors kommt) und in der Kammer C vorhanden
ist und über
einen in einem zylindrischen Körper
gleitbar gelagerten Kolben 21 geöffnet wird, wobei der zylindrische
Körper
von einer Buchse 22 gebildet wird, die ebenfalls in dem
Körper 19 der
Untereinheit 20 angeordnet ist. Ebenfalls kann bei der
bekannten Lösung nach 1 die
jedem Einlassventil 7 zugeordnete Kammer C mit Druckfluid
mittels eines Magnetventils 24 in Verbindung mit dem Auslasskanal 23 gebracht werden.
Das Magnetventil 24, welches jeder bekannten Bauart sein
kann, die der hier dargestellten Funktion angepasst ist, wird von
elektronischen Steuermitteln gesteuert, die schematisch mit 25 bezeichnet sind
und zwar als Funktion von Signalen S, die Betriebsparameter des
Motors wiedergeben, so wie die Stellung des Gaspedals und die Drehzahl
des Motors. Wenn das Magnetventil 24 geöffnet wird, kommt die Kammer
C in Verbindung mit dem Kanal 23, so dass in der Kammer
C vorhandenes Druckfluid durch diesen Kanal strömt und der Stößel 16 von
dem entsprechenden Einlassventil 7 entkoppelt wird, welches
somit unter der Wirkung der Rückstellfedern 9 schnell
in seine Schließposition
zurückgeht.
Durch Drosseln der Verbindung zwischen der Kammer C und dem Auslasskanal 23 ist
es somit möglich,
den zeitlichen Ablauf und die Bewegung für das Öffnen jedes Einlassventils
nach Wunsch zu verändern.
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Die
Auslasskanäle 23 der
verschiedenen Magnetventile 24 öffnen sich alle in einen selben Längskanal 26,
der mit zwei Drucksammlern 27 kommuniziert, von denen nur
einer in 1 gezeigt ist. Alle Stößel 16 mit
zugehörigen
Buchsen 18, die Kolben 21 mit zugehörigen Buchsen 22,
die Magnetventile 24 und die zugehörigen Kanäle 23, 26 sind
angeordnet und werden gebildet in demselben Körper 19 der vormontierten
Untereinheit 20, mit dem Vorteil von Schnelligkeit und
Leichtigkeit der Montage des Motors. Das jedem Zylinder zugeordnete
Auslassventil 27 wird in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
in herkömmlicher
Weise durch eine Nockenwelle 28 mittels entsprechender
Stößel 29 gesteuert.
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Die 2 und 3 zeigen
in einem vergrößerten Maßstab den
Körper 19 der
vormontierten Untereinheit 20, die entsprechend der vorliegenden
Erfindung in zwei unterschiedlichen Ebenen abgewandelt ist. Die 2 und 3 beziehen
sich auf einen Fall, in dem jeder Nocken 14 gleichzeitig
ein Paar von Einlassventilen steuert. Während also im Fall der 1 die
Achse 17 des Stößels koplanar
mit der Achse des Ventils 7 liegt, liegt deshalb im Fall
der 2 und 3 die Achse 17 in einer
Zwischenebene zwischen den Achsen der zwei Ventile.
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In 2 ist
der Einfachheit halber nur der Körper 19 mit
dem Sitz 30 für
die Buchse 18, dem Sitz 31 für das Magnetventil 24 und
dem Sitz 32 für den
Sammler 27 dargestellt, wobei die Bauteile, die in diesen
Sitzen eingesetzt sind, nicht gezeigt werden, um die Zeichnung einfacher
zu machen. 2 zeigt auch den Sitz 33,
der die Buchse 22 aufnimmt. Jedoch sind in diesem Fall
auch die Teile gezeigt, die im Sitz 33 angeordnet sind,
nachdem sie für
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung von Bedeutung sind. Ein erster Konstruktionsunterschied
des Motors nach der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf den Stand
der Technik nach 1 liegt darin, dass alle vorerwähnten Sitze
als zylindrische Bohrungen mit Gewindeabschnitten ausgebildet sind,
zur Aufnahme von einschraubbaren Teilen, die darin gehalten werden.
Insbesondere weist der Sitz 30 einen Gewindeabschnitt 30a zum
Einschrauben der Buchse 18 (siehe 3) auf,
während
der Sitz 33 einen Gewindeabschnitt 33a für das Einschrauben
der Buchse 22 aufweist. Die Schraubverbindung ist bezogen
auf die einfache Anschlusskupplung, die für die Buchsen 18 und 22 in
der bekannten Vorrichtung vorgesehen ist, sicherer.
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2 zeigt
die Ausbildung des Kolbens 21 im Einzelnen. Der Kolben 21 hat
in an sich bekannter Weise einen rohrförmigen Körper, der gleitbar in der Buchse 22 gelagert
ist und eine Kammer veränderlichen
Volumens 34 in dieser Buchse bildet, die mit der Kammer
C mit Druckfluid über
eine in der Buchse 22 gebildete zentrale Endöffnung 35 in
Verbindung steht. Das gegenüberliegende
Ende des Kolbens 21 ist auf einem Endabschnitt 36 eines
Stößels 37 angepasst,
der dem Schaft 8 des Ventils 7 (1)
zugeordnet ist. Während
des Normalbetriebs, in dem der Nocken 14 das Öffnen des
Ventils 7 durchführt,
veranlasst er eine Verschiebung des Stößels 16, dadurch einen Übergang
von Druckfluid von der Kammer C in die Kammer 34 und das
daraus sich ergebende Öffnen
des Ventils 7 entgegen der Wirkung der Feder 9.
Die Kammer C steht mit einer Ringkammer 70 über Radialbohrungen 71 in
Verbindung, die in der Buchse 18 gebildet werden. Die Ringkammer 70 kommuniziert
mit den den beiden Ventilen 7 zugeordneten Zylindern. Nach
dem Stand der Technik wird das schnelle Schließen des Ventils durch das Entleeren
der Kammer C von Drucköl
durch Öffnen des
Magnetventils 24 erhalten. In diesem Fall geht das Ventil 7 unter
der Wirkung der Federn 9 schnell in seine Schließstellung
zurück.
Um ein zu starkes Aufschlagen des Ventils 7 gegen seinen
Sitz zu vermeiden, wird das Ventil 7 in der Nähe des Erreichens seiner
Schließstellung
verlangsamt. Dieses Ergebnis wird auch nach dem Stand der Technik
mit hydraulischen Abbremsmitteln erreicht, die von einer zentralen
Endnase 38 am Kolben 21 gebildet werden und die
so angepasst ist, dass sie in die Öffnung 35 der Buchse 22,
während
des Endabschnitts der Schließbewegung
des Ventils einführbar
ist. Während
der Schließbewegung
bewegt sich der Kolben 21 aufwärts (mit Bezug auf 2)
und die Kammer veränderlichen
Volumens 34 verringert ihr Volumen, so dass Drucköl in die
Kammer C gedrückt
wird. Wenn die Endnase 38 des Kolbens 21 in die Öffnung 35 hineinkommt,
geht das Drucköl
von der Kammer 34 zur Kammer C durch das geringe Spiel
(in den Zeichnungen nicht dargestellt) zwischen der Endnase 38 und der
Wand der Öffnung 35 zurück. Der Ölstrom ist
dadurch wesentlich verlangsamt, so dass die Ventilbewegung ebenfalls
verlangsamt ist. Wiederum nach dem Stand der Technik ist dem Zylinder 21 ein
Einwegventil zugeordnet, welches einen Kugelverschluss 39 umfasst,
der in dem rohrförmigen
Körper des
Kolbens 21 durch eine Feder 40 in eine die zentrale
Endbohrung 41 des Kolbens 21 versperrende Position
gedrückt
wird, wobei die Endbohrung 41 vom inneren Hohlraum des
Kolbens 21 ausgeht und an dem der Kammer C zugewendeten
Ende mündet. Die
innere Kammer des Kolbens 21 steht auch mit seitlichen
Kanälen 42 in
Verbindung, die an der ringförmigen
Endoberfläche
des Kolbens 21 münden,
die die Nase 38 umgibt und zur Kammer 34 hinliegt.
Wie bereits aufgezeigt ist die vorstehend beschriebene Anordnung
ebenfalls bekannt. Die Funktion des Verschlusses 39 ist
die Folgende. Während
des Schließweges
des Ventils 7 wird der Verschluss 39 durch die Feder 40 in
seiner Schließstellung
gehalten und die Vorrichtung arbeitet wie schon vorstehend beschrieben.
Wenn die Kammer C vom Drucköl
durch Öffnen des
Magnetventils 20 entleert wird, kehrt das Ventil 7 schnell
in seine Schließposition
unter der Wirkung der Feder 9 zurück und wird unmittelbar, bevor
es vollständig
geschlossen wird, durch das Eingreifen der Nase 38 in die Öff nung 35 abgebremst,
um so ein starkes Aufschlagen des Ventils auf seinen Sitz zu vermeiden.
Wenn stattdessen das Ventil geöffnet wird,
anlässlich
der schnellen Übertragung
des vom Nocken 14 durch den Stößel 16 auf den Kolben 21 ausgeübten Druckes,
wird der Verschluss 39 gegen die Kraft der Feder 40 entsprechend
der durch das von der Kammer C kommende Druckfluid aufgebrachten
Kraft in seine Öffnungsposition
bewegt. Das Öffnen
des Verschlusses 39 ergibt eine Übertragung des Druckes durch
die Bohrung 41 und die seitlichen Bohrungen 42 direkt
auf die Endringfläche
des Kolbens 21, die zur Kammer 34 hingerichtet
ist, so dass eine hohe Kraft auf den Kolben 21 ausgeübt werden kann,
selbst wenn die Nase 38 sich noch in der Öffnung 35 befindet.
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Wie
bereits am Anfang der vorliegenden Beschreibung aufgezeigt, besteht
bei der vorstehend beschriebenen bekannten Lösung das Problem, dass die
Schließzeit
des Ventils 7 zu lang werden kann in Folge des Eingreifens
der oben beschriebenen hydraulischen Bremsmittel (Öffnung 35 und Nase 38),
wenn das Schmieröl
eine sehr hohe Viskosität
aufweist, wie es im Fall eines Kaltstarts des Motors bei sehr niedriger
Umgebungstemperatur der Fall ist.
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Um
diese Unzulänglichkeit
zu überwinden, sieht
die Erfindung Mittel vor, die geeignet sind die oben erwähnten hydraulischen
Bremsmittel auszuschließen.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
umfassen diese Mittel zum Ausschließen der Bremsmittel ein rotierendes
Ventilelement 43, das drehbar in einem zylindrischen Raum 44 des
Körpers 19 gelagert
ist. Das rotierende Ventilelement 43 hat in seiner äußeren Oberfläche eine
Längsnut,
die einen axialen Kanal 46 bildet, der so angepasst ist,
dass er in Verbindung mit zwei Kanälen 48 bzw. 49 kommt, die
im Körper 19 ausgebildet
sind, und von denen einer mit der Kammer veränderlichen Volumens 34 (über den
Kanal 51) und der andere mit der Druckkammer C durch die
Ringkammer 70 und die Radialbohrungen 71 in Verbindung
steht. Die zwei Kanäle 48, 49 öffnen sich
in zwei beabstandeten Bereichen, die in Längsrichtung des zylindrischen
Hohlraums 44 hintereinander liegen. Deshalb wird der Bremseffekt in
Folge des Eintretens der Nase 38 in die Öffnung 35 wäh rend der
Endphase des Schließens
des Ventils ausgeschlossen, wenn das rotierende Ventilelement 43 sich
in einer ersten Betriebsstellung befindet, in der, wie in den 2, 3 gezeigt,
der Durchlass 46 mit den Kammern 34 und C kommuniziert,
da das in der Kammer 34 befindliche Öl direkt durch den Kanal 51,
den Kanal 48, den Durchlass 46, den Kanal 49,
die Kammer 70 und die Bohrungen 71 in die Kammer
C strömen
kann.
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Wenn
das Ventilelement 43 ausgehend von dieser Betriebsstellung
weitergedreht wird, wird die vorstehend erwähnte zusätzliche Verbindung unterbrochen.
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Das
Ventilelement 43 kann durch Motormittel jeden bekannten
Typs (nicht gezeigt) gedreht werden, die von elektronischen Steuermitteln 25 betätigt werden.
Die Ventilelemente können
als Funktion der Betriebsbedingungen des Motors, wie z.B. abhängig von
der Temperatur des Schmieröls
und/oder der Umgebungstemperatur gesteuert werden, so dass das hydraulische
Abbremsen ausgeschlossen wird, wenn das Öl eine so hohe Viskosität aufweist,
dass die Ventilschließzeit
zu lang würde.
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Naturgemäß bleibt
das Prinzip der Erfindung dasselbe wenn Einzelheiten der Konstruktion
und der Ausführungsbeispiele
in einem weiten Bereich variiert werden bezüglich dessen was beschrieben
und lediglich durch ein Ausführungsbeispiel
gezeigt wurde.
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Es
ist offensichtlich, dass z.B. der Aufbau der Mittel, die das hydraulische
Abbremsen ausschließen,
unterschiedlich zu dem beschriebenen sein kann. Auch die Motormittel
dieser Vorrichtung, die hier nicht dargestellt wurden, können in
jeder bekannten Art ausgeführt
sein, z.B. durch die Anwendung eines rotierenden elektrischen Stellgliedes.