Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung
von Gaswechselventilen in Verbrennungszylindern einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 198 26 047 A1)
ist jeder Ventilsteller, dessen Stellkolben einstückig mit
dem Ventilstößel des zugeordneten Gaswechselventils verbunden
ist, mit seinem ersten Arbeitsraum ständig mit einer
Hochdruckquelle verbunden und mit seinem zweiten Arbeitsraum
einerseits an einem eine Zuführleitung zu der Hochdruckquelle
wechselweise schließenden oder freigebenden ersten
elektrischen Steuerventil und andererseits an einem eine
Entlastungsleitung wechselweise freigebenden oder
schließenden zweiten Steuerventil angeschlossen. Die
elektrischen Steuerventile sind als 2/2-Wegemagnetventile mit
Federrückstellung ausgebildet. Bei stromlosen Steuerventilen
steht der erste Arbeitsraum nach wie vor unter Hochdruck,
während der zweite Arbeitsraum von der Hochdruckquelle
getrennt und mit der Entlastungsleitung verbunden ist. Das
Gaswechselventil ist geschlossen. Zum Öffnen des
Gaswechselventils werden beide Steuerventile bestromt. Durch
die umschaltenden Steuerventile wird der zweite Arbeitsraum
des Ventilstellers einerseits durch das zweite Steuerventil
gegenüber der Entlastungsleitung gesperrt und andererseits
durch das erste Steuerventil mit der Zuführleitung zur
Hochdruckquelle verbunden. Das Gaswechselventil öffnet, wobei
die Größe des Öffnungshubs von der Ausbildung des an das
erste elektrische Steuerventil angelegten elektrischen
Steuersignals und die Öffnungsgeschwindigkeit von dem von der
Hochdruckquelle eingesteuerten Druck abhängt. Um das
Gaswechselventil in einer bestimmten Offenstellung zu halten,
wird das erste Steuerventil anschließend stromlos geschaltet,
so daß es die Zuführleitung zum zweiten Arbeitsraum des
Ventilstellers absperrt. Auf diese Weise lassen sich mittels
eines elektrischen Steuergeräts zur Steuersignalerzeugung
sämtliche Ventilöffnungspositionen des Gaswechselventils
einstellen. Zur Steuerung eines Gaswechselventils sind
jeweils zwei elektrische Steuerventile nötig, die den
zugeordneten Ventilsteller entsprechend mit Hydraulikdruck
beaufschlagen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 hat den
Vorteil, daß durch die Nutzung eines sich aus einem ersten
und einem zweiten elektrischen Steuerventil zusammensetzenden
Steuerventilpaars zur wechselnden Ansteuerung von insgesamt
zwei Ventilstellern zwei elektrische Steuerventile pro
Ventilstellerpaar eingespart werden. Da die vornehmlich als
2/2-Wegemagnetventile ausgebildeten elektrischen
Steuerventile extrem kleine Schaltzeiten realisieren müssen,
in der Praxis ca. 0,3 ms bei einem Öffnungsquerschnitt von
3 mm2, sind solche Steuerventile sehr teuer, so daß die
Verringerung der Zahl der Steuerventile in der
Steuervorrichtung eine deutliche Kosteneinsparung mit sich
bringt. Durch die geringere Zahl von elektrischen
Steuerventilen reduziert sich auch die Zahl der Endstufen und
der Aufwand an elektrischer Verkabelung für die Ansteuerung
der Steuerventile, was zu einer weiteren Kostenersparnis
führt.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Umschaltung der Steuerventile mittels zweier als 3/2-
Wegeventile ausgebildeter Umschaltventile vorgenommen, von
deren jeweils drei gesteuerten Ventilanschlüsse der erste mit
dem ersten bzw. zweiten elektrischen Steuerventil verbunden
ist und die wechselweise auf den ersten Ventilanschluß
aufschaltbaren beiden weiteren Ventilanschlüsse an den
zweiten Arbeitsräumen der beiden Ventilsteller angeschlossen
sind. Einfache Umschaltventile, die elektrisch oder
hydraulisch angesteuert werden können, sind als Massenartikel
sehr preiswert, insbesondere dann, wenn keine schnellen
Schaltzeiten gefordert werden. Da beispielsweise bei einem
Vierzylinder-Viertaktmotor der gemeinsame Schließzustand
zweier Gaswechselventile in Verbrennungszylindern mit einem
360°-Kurbelwinkelversatz ihrer Zündzeitpunkte sich über eine
Kurbelwinkelbereich von ca. 60° erstreckt, steht eine
ausreichend große Zeitspanne für die Umsteuerung der
Umschaltventile zur Verfügung. Durch den Einsatz der
preiswerten Umschaltventile wird zwar die Ventilzahl
insgesamt wieder erhöht, doch bleibt dabei ein wesentliches
Kosteneinsparpotential zurück. Die Umschaltventile sind,
insbesondere wenn sie hydraulisch angesteuert sind, im
Vergleich zu den 2/2-Wegemagnetventilen recht bauklein, so
daß sich auch der für die Ventilsteuervorrichtung
erforderliche Bauraumbedarf gegenüber der bekannten
Ventilsteuerung reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung steht
am Steuereingang der hydraulisch gesteuerten Umschaltventile
permanent ein hydraulischer Druck an, der zur Umsteuerung der
Umschaltventile in ihre Arbeitsstellung mittels eines
Hubkolbens vergrößert wird. Der Hubkolben ist hierzu von
einem mit gegenüber der Drehzahl der Kurbelwelle halbierter
Drehzahl umlaufenden Nocken zur Hubbewegung in einer mit dem
jeweiligen Steuereingang in Verbindung stehenden Druckkammer
antreibbar. Durch diese konstruktive Maßnahme wird in
einfacher Weise die Umschaltung der Umschaltventile mit der
Kurbelwellendrehung synchronisiert.
Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung
von vier in verschiedenen
Verbrennungszylindern einer Vierzylinder-
Brennkraftmaschine angeordneten
Gaswechselventilen,
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Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines
Gaswechselventils in einem
Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine,
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Fig. 3 ein Diagramm des Ventilhubs verschiedener
Ventile in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in
Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die in Fig. 1 im Schaltbild dargestellte Vorrichtung zur
Steuerung von Gaswechselventilen in Verbrennungszylindern
einer Brennkraftmaschine dient zur Steuerung von insgesamt
vier Gaswechselventilen 10 (Fig. 2), von denen jeweils eins
in einem Verbrennungszylinder einer Vierzylinder-Viertakt-
Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei den Gaswechselventilen
10 kann es sich dabei um die Einlaßventile oder um die
Auslaßventile der Verbrennungszylinder handeln. Die hier
nicht dargestellten Verbrennungszylinder sind symbolisch mit
I, II, III und IV bezeichnet, die in Fig. 1 den
Ventilstellern 11 für die Gaswechselventile 10 des jeweiligen
Verbrennungszylinders zugeordnet sind.
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Die Vorrichtung weist insgesamt vier hydraulische
Ventilsteller 11 auf, von denen jeweils einer einem
Gaswechselventil 10 in den Verbrennungszylindern I-IV
zugeordnet ist. Jeder Ventilsteller 11 weist einen
Arbeitszylinder 12 auf, in dem ein Stellkolben 13 axial
verschieblich geführt ist. Der Stellkolben 13 unterteilt den
Arbeitszylinder 12 in zwei von ihm begrenzte, hydraulische
Arbeitsräume 121 und 122 und ist mit dem Ventilstößel 14 des
Gaswechselventils 10 fest verbunden. In Fig. 2 ist in
vergrößerter Darstellung ein Ventilsteller 11 in Verbindung
mit einem Gaswechselventil 10 schematisiert dargestellt. Der
Ventilstößel 14 trägt an seinem vom Stellkolben 13
abgekehrten Ende eine tellerförmige Ventildichtfläche 15, die
zur Steuerung eines Öffnungsquerschnitts mit einer am Gehäuse
16 des Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine
ausgebildeten Ventilsitzfläche 17 zusammenwirkt. Der
Arbeitszylinder 12 weist insgesamt drei Hydraulikanschlüsse
auf, von denen zwei Hydraulikanschlüsse 122a und 122b im
zweiten Arbeitsraum 122 und ein Hydraulikanschluß 121a im
ersten Arbeitsraum 121 münden.
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Die Vorrichtung weist weiter eine Druckversorgungseinrichtung
22 auf, die aus einem Fluidreservoir 18, einer Vorförderpumpe
29, einer Hochdruckpumpe 19, einem Rückschlagventil 20 und
einem Speicher 21 zur Pulsationsdämpfung und
Energiespeicherung besteht. Der zwischen dem Rückschlagventil
20 und dem Speicher 21 abgegriffene Ausgang 221 der
Druckversorgungseinrichtung 22 ist über eine Leitung 23 mit
allen Hydraulikanschlüssen 121a der vier Ventilsteller 11
verbunden, so daß die ersten Arbeitsräume 121 der
Ventilsteller 11 ständig mit dem am Ausgang 221 der
Druckversorgungseinrichtung 22 anstehenden Hydraulikdruck
beaufschlagt sind.
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Die zweiten Arbeitsräume 122 der Arbeitszylinder 12 sind
einerseits über erste elektrische Steuerventile 24 und 26 an
den Ausgang 221 der Druckversorgungseinrichtung 22 und
andererseits über zweite elektrische Steuerventile 25 und 27
an eine Entlastungsleitung 28 anschließbar, die ihrerseits im
Fluidreservoir 18 mündet. Alle Steuerventile 24-27 sind als
2/2-Wegemagnetventile mit Federrückstellung ausgebildet.
Jeweils ein erstes Steuerventil 24 bzw. 26 und ein zweites
Steuerventil 25 bzw. 27 bilden ein Steuerventilpaar, mit dem
jeweils zwei Ventilsteller 11 wechselweise angesteuert
werden. Die beiden von den Steuerventilpaaren 24, 25 bzw. 26,
27 angesteuerten Ventilsteller 11 sind jeweils
Gaswechselventilen 10 in solchen Verbrennungszylindern
zugeordnet, deren Zündzeitpunkte um 360° Kurbelwinkel
gegeneinander versetzt sind. So steuert das Steuerventilpaar
24, 25 die beiden Ventilsteller 11 der Gaswechselventile 10
in dem ersten und dritten Verbrennungszylinder I und III und
das Steuerventilpaar 26, 27 die Ventilsteller 11 für die
Gaswechselventile 10 in dem zweiten und vierten
Verbrennungszylinder II und IV, wobei die Steuerung der
jeweils beiden Ventilsteller 11 wechselweise erfolgt und die
Umschaltung des Steuerventilpaars 24, 25 bzw. 26, 27 von dem
einen Ventilsteller 11 auf den anderen Ventilsteller 11
während des Schließzustandes der beiden von den
Ventilstellern 11 betätigten Gaswechselventile 10
durchgeführt wird. Die Umschaltung der beiden Steuerventile
24 und 25 bzw. 26 und 27 eines jeden Steuerventilpaars
erfolgt synchron.
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Zur Umschaltung der beiden Steuerventilpaare 24, 25 bzw. 26,
27 von dem einen Ventilsteller 11 auf den anderen
Ventilsteller 11 erfolgt durch Umschaltventile 30-33, die
im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als hydraulisch gesteuerte
3/2-Wegeventile mit Federrückstellung ausgebildet sind. Jedes
Umschaltventil 30-33 weist zwei Schaltstellungen und drei
gesteuerte Ventilanschlüsse 34-36 auf, von denen der erste
Ventilanschluß 34 mit den jeweils zugeordneten Steuerventilen
24 und 25 bzw. 26 und 27 verbunden ist und die beiden auf den
ersten Ventilanschluß 34 aufschaltbaren weiteren
Ventilanschlüsse 35 und 36 an den zweiten Arbeitsräumen 122
der Ventilsteller 11 angeschlossen sind. So ist bei dem
Umschaltventil 30 der erste Ventilanschluß 34 mit dem ersten
Steuerventil 24, der zweite Ventilanschluß 25 mit dem zweiten
Arbeitsraum 122 des Ventilstellers 11 für den ersten
Verbrennungszylinder I und der zweite Ventilanschluß 36 mit
dem zweiten Arbeitsraum 122 des Ventilstellers 11 für den
dritten Verbrennungszylinder III verbunden. Der erste
Ventilanschluß 34 des Umschaltventils 31 ist mit dem zweiten
Steuerventil 25, der zweite Ventilanschluß 35 mit dem zweiten
Arbeitsraum 122 des Ventilstellers 11 für den ersten
Verbrennungszylinder I und der dritte Ventilanschluß 36 mit
dem Arbeitsraum 122 des Ventilstellers 11 für den dritten
Verbrennungszylinder III verbunden. Entsprechendes gilt für
die Umschaltventile 32, 33 in Verbindung mit dem
Steuerventilpaar 26, 27 und den Ventilstellern 11 für den
zweiten und vierten Verbrennungszylinder II und IV.
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Die Steuerung der Umschaltventile 30-33 erfolgt hydraulisch
gegen die Federkraft einer Rückstellfeder, wozu die
Steuereingänge der Umschaltventile 30 und 31 über ein
Rückschlagventil 37 und die Steuereingänge der
Umschaltventile 32 und 33 über ein Rückschlagventil 38 mit
dem Auslaß der Vorförderpumpe 29 verbunden sind. Die
Umschaltventile 30-33 sind dabei so ausgelegt, daß sie
durch den am Auslaß der Vorförderpumpe 29 anstehenden
Hydraulikdruck nicht aus ihrer in Fig. 1 dargestellten
Ruhestellung herausbewegbar sind. Zum Schalten der
Umschaltventile 30-33 wird mittels eines Hubkolbens 40 und
41 der Hydraulikdruck an den Steuereingängen der
Umschaltventile 30-34 vergrößert. Jeder Hubkolben 40 bzw.
41 begrenzt eine mit dem Auslaß der Vorförderpumpe 29 in
Verbindung stehende, fluidgefüllte Druckkammer 42 bzw. 43 und
wird durch einen Nocken 44 bzw. 45 zur Hubbewegung
angetrieben. Die Druckkammer 42 ist mit den Steuereingängen
der Umschaltventile 30 und 31 und die Druckkammer 43 mit den
Steuereingängen der Umschaltventile 32, 33 verbunden. Die
beiden Nocken 44, 45 laufen mit halber Drehzahl der
Kurbelwelle um, wobei bei jeder Nockenumdrehung der an den
Steuereingängen anliegende Hydraulikdruck von dem Druckniveau
am Auslaß der Vorförderpumpe 29 auf einen zum Umschalten der
Umschaltventile 30-33 erforderlichen Maximaldruck anwächst
und wieder auf das ursprüngliche Druckniveau reduziert wird.
Durch Verschieben der Kolben 41 und 42 in Fig. 1 nach oben
wird der Druck erhöht und die zugeordneten Umschaltventile
30-33 schalten um. Die Rückstellung der Kolben 41, 42 erfolgt
durch die Rückstellkraft der Rückstellfedern der
Umschaltventile und durch den permanent anliegenden Druck der
Vorförderpumpe 29. Die Vorförderpumpe 29 sorgt ebenfalls für
den Ausgleich von Leckageverlusten.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung wird anhand
der Fig. 3 im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die
Fig. 3 jeweils den Ventilhub in Abhängigkeit von dem
Kurbelwinkel für die verschiedenen Ventile. Diagramm a, b, f
und g zeigt jeweils den Ventilhub der hier Einlaßventile
bildenden Gaswechselventile 10 in dem ersten, dritten,
zweiten und vierten Verbrennungszylinder I, III, II und IV,
Diagramm c den Ventilhub der Umschaltventile 30, 31, Diagramm
h den Ventilhub der Umschaltventile 32 und 33, Diagramm d den
Ventilhub des Steuerventils 24, Diagramm e den Ventilhub des
Steuerventils 25, Diagramm i den Ventilhub des Steuerventils
26 und Diagramm k den Ventilhub des Steuerventils 27.
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Grundsätzlich wird jedes Gaswechselventil 10 von dem
zugeordneten Ventilsteller 11 in der Weise gesteuert, daß zum
Schließen des Gaswechselventils 10 der zweiten Arbeitsraum
122 des Ventilstellers 11 über das zweite elektrische
Steuerventil 25 bzw. 27 an die Entlastungsleitung 28
angeschlossen und über das erste elektrische Steuerventil 24
bzw. 26 von dem Ausgang 221 der Druckversorgungseinrichtung
22 abgesperrt wird. Durch den im ersten Arbeitsraum 121 des
Ventilstellers 11 herrschenden Systemdruck wird der
Stellkolben 13 in Fig. 2 nach oben verschoben, bis die
Ventildichtfläche 15 des Gaswechselventils 10 auf der
Ventilsitzfläche 17 am Gehäuse 16 des Verbrennungszylinders
der Brennkraftmaschine aufliegt. Der Stellkolben 13 nimmt die
in Fig. 1 dargestellte Lage innerhalb des Arbeitszylinders 12
des Ventilstellers 11 ein. Alle Steuerventile 24-27 sind
stromlos und nehmen ihre Grund- oder Ruhestellung ein. Zum
Öffnen des Gaswechselventils 10 wird das zweite elektrische
Steuerventil 25 bzw. 27 in seine Sperrstellung überführt, in
welcher der zweite Arbeitsraum 122 gegenüber der
Entlastungsleitung 28 abgesperrt ist, und wird das erste
elektrische Steuerventil 24 bzw. 26 in seine Arbeitsstellung
überführt, so daß der zweite Arbeitsraum 122 mit dem Ausgang
221 der Druckversorgungseinrichtung 22 verbunden ist und der
Systemdruck nunmehr auch im zweiten Arbeitsraum 122 des
Ventilstellers 11 ansteht. Da die Kolbenfläche des
Stellkolbens 13, die den ersten Arbeitsraum 121 begrenzt,
kleiner ist als die Fläche des Stellkolbens 13, die den
zweiten Arbeitsraum 122 begrenzt, entsteht eine
Verschiebekraft, die den Stellkolben 13 in Fig. 1 nach rechts
bzw. in Fig. 2 nach unten bewegt, wodurch das
Gaswechselventil 10 geöffnet wird. Die Größe des Öffnungshubs
des Gaswechselventils 10 ist von der Öffnungsdauer und
Öffnungsgeschwindigkeit des ersten Steuerventils 24 bzw. 26
abhängig.
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Ist der gewünschte Hub des Gaswechselventils 10 erreicht, so
wird die Bestromung des ersten Steuerventils 24 bzw. 26
aufgehoben, und das erste Steuerventil 24 bzw. 26 fällt in
seine Sperrstellung zurück. Der Druck im zweiten Arbeitsraum
122 wird gehalten, so daß das Gaswechselventil 10 den
eingenommenen Öffnungshub unverändert beibehält. Zum
Schließen des Gaswechselventils 10 wird dann das zweite
Steuerventil 25 bzw. 27 stromlos geschaltet. Diagramm d zeigt
die Ansteuerung des ersten Steuerventils 24, Diagramm e die
Ansteuerung des zweiten Steuerventils 25. Diagramm i zeigt
die Ansteuerung des ersten Steuerventils 26 und Diagramm k
die Ansteuerung des zweiten Steuerventils 27. Die ersten
Steuerventile 24 und 26 sind stromlos gesperrt während die
zweiten Steuerventile 25, 27 stromlos offen sind.
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Zur Steuerung des dem Gaswechselventil 10 im
Verbrennungszylinder I zugeordneten Ventilstellers 11
befinden sich die Umschaltventile 30, 31 in der in Fig. 1
dargestellten Ruhe- oder Grundstellung A, wie dies Diagramm c
in Fig. 3 zeigt. Der Ventilhub des Gaswechselventils 10 im
Zylinder I in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel zeigt Diagramm a.
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Zum Ansteuern des Ventilstellers 11 zum Betätigen des dem
dritten Verbrennungszylinder III zugeordneten
Gaswechselventils 10 werden die beiden Umschaltventile 30, 31
in ihrer Arbeitsstellung B umgesteuert. Hierdurch wird der
zweite Arbeitsraum 122 des Ventilstellers 11 zur Betätigung
des Gaswechselventils 10 im dritten Verbrennungszylinder III
an die beiden Steuerventile 24, 25 angeschlossen. Der
Ventilsteuervorgang für das Gaswechselventil 10 im
Verbrennungszylinder III läuft dann in gleicher Weise ab wie
vorstehend zu Verbrennungszylinder I beschrieben worden ist.
Diagramm b zeigt den Hub des Gaswechselventils 10 im
Verbrennungszylinder III in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel,
während sich die Umschaltventile 30, 31 in der Stellung B
befinden (Diagramm c). Wie aus den Diagrammen a, b und c zu
erkennen ist, sind die Schließzeitpunkte der
Gaswechselventile 10 in den Verbrennungszylindern I und III,
die etwa den Zündzeitpunkten in den Verbrennungszylindern I
und III entspricht, um 360° Kurbelwinkel versetzt. Bei einem
maximalen Öffnungswinkel der Gaswechselventile 10 von ca.
240° steht für die Umschaltung der beiden Umschaltventile 30,
31 in dem Kurbelwinkelbereich, in dem beide Gaswechselventile
10 im Zylinder I und III geschlossen sind, genügend Zeit zur
Verfügung. Dieser Umschaltbereich ist in Diagramm c mit S
bezeichnet und überdeckt etwa 60° Kurbelwinkel.
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In dem unteren Teil der Fig. 3 mit den Diagrammen f-k sind
die entsprechenden Verhältnisse zur Steuerung der
Gaswechselventile 10 in den Verbrennungszylindern II und IV
dargestellt. Die Diagramme entsprechen den beschriebenen
Diagrammen a-e und sind lediglich um einen Kurbelwinkel von
180° verschoben. Insoweit gelten die vorstehenden
Ausführungen auch für die Steuerventile 26 und 27 in
Verbindung mit dem Umschaltventilen 32, 33.
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Wie aus den Diagrammen c und h in Fig. 3 hervorgeht, stehen
die Umschaltventile 30, 31 bzw. 32, 33 jeweils über einen
Kurbelwinkelbereich von ca. 300° in Stellung A und in
Stellung B. Die entsprechende Umschaltung wird durch die
Nocken 44, 45 bewirkt, die mit halber Kurbelwellendrehzahl
rotieren.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. So können beispielsweise die
Umschaltventile nicht hydraulisch sondern elektrisch betätigt
werden, wobei das stromlose Umschaltventil Stellung A und das
bestromte Umschaltventil Stellung B einnimmt oder umgekehrt.
Es ist auch möglich, bei den beschriebenen hydraulisch
gesteuerten Umschaltventilen 30-33 anstelle der
Federrückstellung einen zweiten hydraulischen Steuereingang,
der dem ersten entgegenwirkt, vorzusehen.