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Mit einem gasförmigen Strömungsmittel betriebener Schubkolbenmotor
Die Erfindung betrifft einen mit einem gasförmigen Strömungsmittel betriebenen Schubkolbenmotor
mit einer Steuervorrichtung bestehend aus 2 normalerweise geschlossenen Steuerventilen
und einem von den Steuerventilen gesteuerten Hauptsteuerventil, das einen unter
dem Einfluß des Strömungsmittels verschiebbaren Steuerkolben und einen mit dem Steuerkolben
gekoppelten Steuerschieber SUr die Steuerung der Betätigungsrichtung des Motorkolbens
enthalt und bei dem die Steuerdruckkammern über Je eine in dem Steuerkolben vorgesehene
Bohrung und ein mit dem Steuerkolben gekoppeltes Hilfssteuerventil mit der Strömungsmitteldruckquelle
und über Je eines der Steuerventile mit einem Bereich niedrigeren Druckes verbunden
sind.
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Bei derartigen Schubkolbenmotoren ist es erforderlich, daß die Kolbenhubbewegung
in den beiden Umkehrlagen sehr schnell, aleo am besten schlagartig umgesteuert wird,
damit die Kolbenbewegung
insgesamt einen in Abhängigkeit von der
Zeit gleichmäßigen Verlauf hat. Die hierzu erforderlichen Steuervorrichtungen müssen
robust und betriebssicher und vor allem Unempfindlich von etwa im gasförmigen Strömungsmittel
nebelförmig enthaltenen gegen Viskositätsänderungen das/Schmiermitteln und gegen
Verschmutzung derselben sein.
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Es ist bekannt, Schubkolbenmotoren durch Steuerventile zu betätigen,
die seitlich am Arbeitszylinder angebracht und deren Zuleitungen in entsprechender
Weise mit den Zylinderkammern unterhalb und oberhalb des Arbeitskolbens verbunden
sind. Eine derartige Anordnung beschreibt z. B. die DT-PS 557 584. Das Ventil ist
in Form eines Vierwegeschieberventils ausgeführt, bei dem der Schieber in der einen
Endlage die linke Kolbenseite mit der Druclle und die rechte Kolbenseite mit dem
Auslaß in einen Niederdruckbereich, beispielsweise in die Atmosphäre, verbindet
und in der anderen Endlage die rechte Kolbenseite mit der Druckwelle und die linke
Kolbenseite mit dem Auslaß verbindet, so/daß der Arbeitskolben entsprechend in die
eine und in die andere Endlage läuft. Der als Kolben ausgebildete Schieber des Ventils
wird aber dadurch betätigt, daß eine Solbenfläche mittels eines H Hendsteuerventils
mit Druck beauS-schlagt und die andere t der Niederdruckatmosphäre verbunden wird.
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Die Umsteuerung dieser älteren bekannten Einrichtung erfolgt aber
so lang5am, daß der Arbeitskolben jeweils langere Zeit in den beiden endlagen verharrt.
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Nach den DT-AS 1 230 263, 1 249 594 und 1 262 680 ist es daher weiterhin
bekannt, die Umateuerung des Arbeitskolbens aus seiner einen in die andere endlage
von ihm selbst ausführen zu lassen. Dazu sind jeweils am Ende der beiden Zylinderkammern
St6ßdrentile vorgesehen, die überkreuzt mit den beiden Zylinderkammern verbunden
sind, die oberhalb und unterhalb des Steuerventilschiebers gebildet sind.
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In den beiden Endlagen des Arbeitskolbens steuert dieser dadurch den
Ventilstößel Jeweils 8o um, daß dieser ihn auf die Bewegung in seine andere Endlage
schickt. Um dabei zu erreichen, daß die Umschaltung des lIauptsteuerventils und
damit die Umkehr des Arbeitskolbens in seiner Jeweiligen Endlage schlagartig geschieht,
ist das Iiauptsteuerventil mit einem Hilfssteuerorgan versehen, das entweder aus
einem zweiseitigen Kugelventil oder aus einem Klappenventil besteht. Dieses Hilfssteuerorgan
spricht bei Umsteuerung sehr schnell an und bewirkt eine zusätzliche Beaufschlagung
der betreffenden Kolbenfläche des Hauptsteuerventilstößels, so daß dessen Bewegung
in die andere Stellung bei Umsteuerung erheblich beschleunigt wird.
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Dieses Arbeitsprinzip und die zu seiner technischen Anwendung erforderlichen
Mittel haben aber Nachteile. Sie müssen, wie ausgeführt, sehr leicht sein, um extrem
kurze Schaltzeiten zu ermöglichen. Das bedeutet aber auch, daß sie äußerst empfindlich
sind gegen eine Veränderung der von Schmiermittelruckständen Viskosität
vor allem aber gegen eine im Betrieb unvermeidliche Verschmutzung derselben. Das
liegt vor allem daran, daß diese Hilfssteuerorgane, also sowohl die Kugel wie auch
das Ventilkläppchen, die Ventilöffnung in ihrer Bewegungsrichtung öffnen und schließen
müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer derartigen Steuervorrichtung
eines Schubkolbenmotors das Hilft steuerorgan so zu gestalten, daß es gegen Verschmutzung
und Schmiermittelverdickung unempfindlich ist und das Arbeitsprinzip gegenüber diesen
bekannten Ausführungen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Steuerkolben
zwei Winkelbohrungen des
des Hauptsteuerventils im Bereich einer Einsohntirung desselben in einer ersten
bzw. zwelten radialen Auslaßöffnung enden, deren axialer Abstand im wesentlichen
gleich der Länge der Eindas schnürung ist und / auf dem Schieber im Bereich der
Einschnürung eine Steuermuffe als bewegliches Hilfsventilorgan
verschiebbar
gelagert ist> die so lang ist, daß sie in einer Endstellung deie Auslaßöffnung
des ersten Kanals schließt und die Auslaßöffnung des zweiten Kanals freigibt, während
sie in der anderen Endstellung die Auslaßöffnung des zweiten Kanals freigibt, und
die des ersten Kanals schließt.
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Dieser Erfindungsgedanke ist dadurch weitergeführt, daß der Hauptsteuerventilschieber
die gleiche axiale Länge hat wie diese Steuermuffe und an ihr selbst befertigt ist.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Steuerschieber mit
einer Ausnehmung versehen ist, in die ein Umfangsflansch der Steuermuffe eingreift.
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In weiteren Ausbau des Erfindungsgedankens besteht der Steuerkolben
des Hauptsteuerventils aus einem zylindrischon Kern und zwei ringförmigen Köpfen,
die auf den Kern aufgeschoben und durch in entsprechende Löcher eingreifende Querstifte
gesichert sind. Dabei sind die von der Steuermuffe gesteuerten Bohrungen in dem
Kern ausgebildet und ihre Auslaßöffnungen im Kantenbereich der einander zugewandten
Stirnflächen der Köpfe ausgebildet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin,
daß sie die Steuermuffe als Hilfssteuerorgan die Auslaßöffnungen nicht in ihrer
Bewegungsrichtung> sondern senkrecht dazu, also durch eine Schiebebewegung abdeckt.
Dadurch ist diese Abdeckung d. h. die Schließung und Öffnung der Auslaßöffnungen,
praktisch unabhängig vom oder Gewicht/der Masse des Hilfssteuerorgans. Vielmehr
hängt sie nur von dem Spiel der Steuermuffe auf der sie führenden Einschnürung des
Steuerschiebers des Hauptsteuerventils ab.
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Weiterhin ist es sorteilhaft, daß das Hilfssteuerorgan nicht erst
dann anspricht, wenn der Steuerschieber betätigt werden soll. Vielmehr schafft sie
vorbereitend schon nach Beendigung des letzten Arbeitsspiels die Druckverhältnisse
für die nächste Umsteuerung in einer solchen Weise, daß diese Umsteuerung ohne Verzögerung
mit großer Kraft eingeleitet wird, sobald der Hauptkolben bei Erreichen seiner Endlage
das Signal dazu gibt. Bei alledem ist das erfindungsgemäße Hilfssteuerorgan wirtschaftlich
zu fertigen und zusammenzubauen. Es ist auch leicht zugänglich, wenn es einmal ausgewechselt
werden.
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muß.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Schiebers ist die Gewähr
dafür gegeben, daß das Hauptsteuerventil sich in seinen beiden Arbeitsstellungen
selbständig hält, da
der der Schieber durch den Unterdruck in /
Spiegelplatte in diesen beiden Stellungen angesaugt wird und dadurch den Ventilschieber
solange festhält, bis dieser durch einen kräftigen Druck auf die betrieffende Kolbenfläche
schlagartig zum Überspringen in seine andere Stellung gebracht wird. Der Zweck der
schnalen Umsteuerung des Hauptkolbens aus seinen Endlagen wird dadurch in besonders
vorteilhafter Weise erfüllt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Gesamtanordnung des Schubkolbenmotors.
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Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Schieber des Hauptsteuerventils
mit dem Hilfssteuerorgan im Schnitt.
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Fig. 2a zeigt eine Einzelheit "A" der Fig. 2 Fig. 2 b zeigt einen
Abschnitt der Dichtungsringe der Fig. 1 und 2.
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Fig. 3 zeigt denSchieber nach Fig. 2 in Draufsicht.
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In dem Arbeitszylinder 1 ist der Arbeitskolben 2 mit der Kolbenstange
3 geführt. Der Kolben 2 teilt den Zylinderraum in eine untere Zylinderkammer 4 und
eine obere Zylinderkammer 5. Am Zylinder i befindet sich das Haupt-Steuerventil
6. Dieses besteht aus dem Ventilzylinder 7 und der Spiegelplatte 8. In die Spiegelplatte
8 sind drei Kanäle eingearbeitet. er obere Kanal 9 ist Uber eine
Leitung
10 mit dem unteren Zylinderraum 4 verbunden. Der mittlere Kanal 11 führt in einen
Bereich niederen Drucks, im vorliegenden Beispiel in die Atmosphäre. Der untere
Kanal 12 steht über Leitung 13 mit der oberen Zylinderkammer 5 in Verbindung.
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Steuerkolben In Ventilzylinder 7 gleitet der
14. Er ist mit Dichtungsringen 15 und 16 gegen die Zylinderwand abgedichtet. Der
Ventilschieber 14 hat einen oberen Kopf 17 und einen unteren Kopf 18. In Fig. r
ist er einstückig dargestellt. Vorzugsweise sind die beiden Köpfe gemäß Fig. 2 mittels
Stiften19 und 20 in einen Kern 21 eingesetzt.
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Zwischen den Köpfen 17 und 16 hat der Schieber einen verringerten
Durchmesser. Diese Einschnürung bildet zusammen mit den Zylinderwänden eine Druckkammer
22, die über eine in Fig. 1 gestrichelt angedeutete Druckleitung 29 mit der Druckquelle,
beispielsweise einer Druckluftquelle in Verbindung steht.
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Erfindungsgemäß ist der Ventilschieber mit zwei Winkelbohrungen versehen.
Die erste Winkelboiirung 24 verläuft von der unteren Schieberkopffläche in Längsrichtung
des Schiebers nach oben und sodann im rechten Winkel radial so aus dem Schieber
heraus, daß sie unterhalb des oberen Kopfes 17 endet. Die zweite Winkelbohrung 25
verläuft von
der oberen Schieberkopffläche in Längsrichtung des
Schiebers nach unten und dann im rechten Winkel radial so aus den Schieber heraus,
daß sie oberhalb des unteren Kopfes 18 endet.
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Über der Einschnürung des Steuerschiebers gleitet das Hilfssteuerorgan
in Gestalt der Steuermuffe 26. Sie ist in Fig. 1 in ihrer oberen Endlage, in Fig.
2 in einer Mittellage gezeichnet. Diese Steuermuffe 26 ist so lang, daß sie in ihrer
oberen Lage die radiale Öffnung der Winkelbohrung 25 freigibt, und die radiale Öffnung
der unteren Winkelbohrung 24 abdichtet. In ihrer unteren Lage gibt sie entsprechend
die radiale Öffnung der Winkelbohrung 24 frei und dichtet die radiale Öffnung der
Winkelbohrung 25 ab.
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und die Köpfe 17,18 Die Enden der Steuermuffe 26 / sind mit einer
nach innen gehenden @ Vase versehen (Fig. , damit die Sitzfläche gegenüber den Köpfen
17 und 16 verkleindert und der Sitz dadurch verbessert wird.
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Der die Kanäle 9 und 12 in der Spiegelplatte 8 abwechselnd mit dem
Auslaß 11 verbindende Steuerschieber 27 trägt eine Ausnehmung 28, in die ein Bund
29 der Steuermuffe 26 eingreift. Der Steuerschieber 27 folgt dadurch den Bewegungen
der Steuermuffe 26.
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Der obere Umsteuerdruckraum, der im oberen Teil des Ventil-
Zylinders
7 des Hauptsteuerventils 6 6 durch den oberen Schieberkopf 17 gebildet wird, ist
mit einer Leitung 30, mit einem oberen Umsteuerventil 32 verbunden. Dieses ist in
die obere Abschlußplatte des Arbeitszylinders 1 eingeschraubt, Es endet in einem
Betätigungsstift 33, der in den oberen Zylinderraum 5 hineinragt.
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Das Umsteuerventil 32 ist oben mit einer Kappe 38 abgeschlossen. In
seinem inneren trägt es eine Dichtungshaube 39.
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Der Betätigungsstift 33 vermag diese Dichtungshabe 39 anzu -heben,
aber erst, wenn er den Druck einer weder 40 uberwunden hat. Eiue zweite Feder 41
drückt die Dichtungshaube 39 auf ihren Sitz. Durch Kanäle 42 ist der Raum innerhalb
der Dichtungshaube 39 mit dem Zylinderraum 5 verbunden.
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Steht der Innenraum des Umsteuerventils 32 über die Leitung 30 unter
Druck und bewegt der Arbeitskolben 2 sich nach oben, so daß also der obere Zylinderraum
5 und damit das über die Känale 42 mit diesem verbundene Innere der Dichtungshaube
39 drucklos sind, so wird die Dichtungshaube 39 fest auf ihren Sitz gepreßt. Berührt
der Arbeitskolben 2 in seiner oberen Endlage den Stift 33, so drückt dieser zunächst
die Feder 40 zusammen. Sodann hebt er die Dichtungshaube 39, Sobald dabei die erste
Undichtigkeit an der Sitzfläche der Dichtungshaube 59 entsteht, gleicht sich der
Druck innerhalb und außerhalb der Dichtungshaube 39 aus und die gespannte Feder
40 wirft sie schlagartig nach oben. Damit wird schlagartig über
Leitung
30 der über dem Steuerkolben befindliche Raum drucklos und der Steuerkolben, der
von der anderen Seite he@ unter Drucksteht, schnell in seine obere Lage.
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Das Umsteuerventil 32 bewirkt also einen Schnappeffekt in der Ttitigkeft
dos Steuerkolbens 14.
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Der untere Steuerdruckraum, der im unteren Teil des Steuerventilzylinders
7 des Hauptsteuerventils 6 durch den unteren Schieberkopf 16 gebilde' wird, ist
mit einer Leitung 35 mit einem unteren Steuerventil 36 verbunden, das mit dem Betätigungsstift
37 im Inneren des unteren Zylinders 4 endet und genauso arbeitet wie das Ventil
32.
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Wird der Betätigungsstift 37 vom ISolben 2 betätigt, so verbindet
das Ventil den unteren Zylinderraum 4 mit der Leitung 35.
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Wirkungsweise Befindet sich der Schubkolbenmotor in der in Fig. 1
gezeichneten Stellung und wird die Druckquelle 23 eingeschaltet, so ist der untere
Zylinderraum 4 über Leitung 10, Kanal 9 der Spiegelplatte 8 und Steuerschieber 27
mit dem Auslaß 11 verbunden. Leitung 13 verbindet dagegen den oberen Zylinderraum
5 über den Druckraum 22 des Hauptsteuerventils mit der Druckquelle 23. Die Steuermuffe
26, die sich in ihrer oberen Stellung befindet, schließt den unteren Steuerdruckraum
unterhalb
des Schieberkopfes 18 ab. Durch das Ventil 36 ist die Leitung 35 auch an ihrem anderen
Ende verschlossen, so daß in ihr der vorhandene Restdruck gefangen ißt.
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Der obere Steuerdruckraum und der Leitungszug 30, 31 dagegen werden
über die von der Steuerntffe 26 freigegebene WInkelbohrung 25 aus der Druckkammer
22 unter Druck gesetzt. Dieser Druck wirkt sich aber nicht aus. Einerseits nämlich
würde der in der Leitung 35 vorhandene Druck einer Bewegung des Schiebers nach unten
einen steigenden Widerstand entgegensetzen, andererseits ist der oben an der unteren
Ringfläche des oberen Schieberkopfes 17 anliegende Steuerschieber 27 an seiner Unterseite
mit dem Druck der Druckkammer 22 beaufschlagt, während seine Innenseite über Auslaß
11 mit Niederdruck verbunden ist. Die Querschnitts sind 50 bemessen, daß der Steuerschieber
sich ohne größeren Kraftaufwand nicht aus seiner Endstellung bewegt.
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Hat der Kolben 2 seine tiefste Lage erreicht, so betätigt er über
Stift 37 das Ventil 36 und verhindet dadurch den unteren Steuerdruckraum unterhalb
des unteren Schieberkopses 18 mit dem unter Niederdruck stehenden Zylinderraum 4.
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Der in dem Leitungszug 30, 31 und dem oberen Steuerdruckraum über
dem oberen Schieberkopf 17 aus der Winkelbohrung 25 vorbereitend anstehende Druck
bewirkt, daß der Schieber
schlagartig nach unten geworfen wird.
Der untere Steuerdruckraum bleibt dabei drucklos, da bei der Abwärtsbeschleuneigung
die Steuermuffe 26 weiterhin nach oben gedrUckt bleibt und dadurch die Verbindung
des unteren Steuerdruckraumes zur Druckkammer über die Winkelbohrung 24 verschlossen
hält.
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Der Steuerschieber 27 verbindet nunmehr den unteren Zylinderraum 4
über die Druckkammer 22 mit der Druckquelle 23 und den oberen Zylinderraum 5 mit
dem Auslaß 11. Der Arbeitskolben 2 kehrt schlagartig seine Bewegungsrichtung um
und geht nach oben.
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Als erstes wird durch das noch geöffnete Umsteuerventil 36 der Druck
in der Leitung 35 und der unteren Steuerdruckkammer wieder aufgebaut. Sodann schließt
das Ventil 36 wieder.
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Die heftige Abwärtsbewegung des Steuerkolbens des Hauptsteuerventils
6 wird durch das Auftreffexi auf die untere Abschlußwand des Zylinders 7 abgefangen.
Die in der Steuermuffe 26 noch wirksame kinetische Energie treibt die Steuer muffe
noch ein Stück weiter, bis sie die Winkelbohrung 25 abschließt und die Winkelbohrung
24 öffnet. Nach eingeleiteter Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens wird die durch
das Ventil 36 abgeschlossene Leitung 35 vorbereitend wieder unter Druck gesetzt.
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Nunmehr steht aber auch der obere Steuerdruckraum über dem oberen
Schieberkopf 17 noch unter dem vorherigen Druck, der durch das geschlossene Ventil
32 in dem Leitungszug 30, 31 gefangen bleibt. Der Steuerkolben steht also von oben,
von lunten und in der Einschnürung unter vollem Druck.
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Dieser Druckausgleich wird noch gefördert. dadurch daß die Dichtungsringe
15 und 16 so ausgeführt sind; daß" sie nicht über ihre ganze Ringfläche schließen."Vielme"hr
ist hier nach Fig. 2 b ein gewisser Spielraum, also eine gewisse Undichtigkeit gelassen,
um Leckverluste auszugleichen.
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Obwohl also der Steuerkolben- 14 allseitig unter Druck steht, bleibt
er in seiner Stellung stehen, da nunmehr der Steuerschieber 27 am unteren Schieberkopf
anliegt und der Druck der Druckkammer 22 von oben wirksam wird, während sein Inneres
über den Auslaß 11 unter Niederdruck steht.
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Auch, wenn der Schubkolbenmotor längere Zeit außer Betrieb war und
völlig drucklos geworden ist und der Schieber des Steuerventils in irgendeiner Lage
stehengeblieben ist,wird er spätestens nach einem Spiel des Arbeitskolbens wieder
in seine Endlagen zurückkehren.
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Wenn der Kolben 2 seine obere Endlage erreicht hat, entlastet er über
Ventil 32 den oberen Steuerdruckraum oberhalb des Schieberkopfes 17 und das Spiel
beginnt von neuem.