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DE3135650A1 - "ventilsteuerung fuer hubkolben-brennkraftmaschinen mit mechanisch-hydraulischen bewegungsuebertragungsmitteln" - Google Patents

"ventilsteuerung fuer hubkolben-brennkraftmaschinen mit mechanisch-hydraulischen bewegungsuebertragungsmitteln"

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DE3135650A1
DE3135650A1 DE19813135650 DE3135650A DE3135650A1 DE 3135650 A1 DE3135650 A1 DE 3135650A1 DE 19813135650 DE19813135650 DE 19813135650 DE 3135650 A DE3135650 A DE 3135650A DE 3135650 A1 DE3135650 A1 DE 3135650A1
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DE
Germany
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valve
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slide
valve control
piston
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DE19813135650
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DE3135650C2 (de
Inventor
Rudolf 7141 Babitzka
Wilhelm Dr. 7141 Möglingen Polach
Walter 7141 Schwieberdingen Schlagmüller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to FR8214068A priority patent/FR2512492B1/fr
Priority to JP57155289A priority patent/JPS5853615A/ja
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic
    • F01L9/11—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column
    • F01L9/12—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column with a liquid chamber between a piston actuated by a cam and a piston acting on a valve stem
    • F01L9/14—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column with a liquid chamber between a piston actuated by a cam and a piston acting on a valve stem the volume of the chamber being variable, e.g. for varying the lift or the timing of a valve

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Ventilsteuerung für Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragungsmittein
Stand der Technik.
Die Erfindung geht aus iron einer Ventilsteuerung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei Ventilsteuerungen dieser Art ( DE-OS 29 26 327) ist es möglich, mittels einer mechanisch-hydraulischen Ventilsteuerung eine Veränder-"barkeit der Ventilsteuerzeiten zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu erreichen, Die hierzu eingesetzte Steuervorrichtung umfaßt einen Drehschieber, der von der Nockenwelle her angetrieben wird und in seiner Winkellage zur Nockenwelle in Grenzen verändert werden kann. Der Drehschieber bewirkt dabei mit hydraulischen Mitteln ein Verkürzen der vom Nocken der Nockenwelle mechanisch vorgegebenen Ventil-Offenzeit, wenn dies zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch Senken der Drosselverluste oder Verringern der Ventilüberschneidungen bei kleineren Drehzahlen oder auch zum besseren Starten der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist.
Nu« h I.·· i L i κ i :i t. dabei, daß lii'.-rmifc die Vorteile einer elektronischen Steuerung beispielsweise einer Kennfeldsteuerung nicht ohne großen Aufwand an Übertragungsmittel und Servostellern genutzt werden können. Die Genauigkeit, mit der die gewollte Stellung des Drehschiebers ausgeführt wird, hängt ab τοπ der Präzision der Übertragungsmittel. Die erforderlichen Fertigungstoleranten bewirken Übertragungsfehler, die praktisch nicht ausgeschlossen werden können. Eine unabhängige, variable Ansteuerung der Ventile einzelner Zylinder, gegebenenfalls Zylinderabschaltung, ist auf die angegebene Weise nicht möglich.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mit ihr innerhalb der mechanisch gegebenen Steuerzeiten extrem kurze, variable Ansprechzeiten für das Verkürzen der Ventiloffenzeit erzielt werden können. Der damit verbundene Aufwand bleibt gering. Sie ermöglicht auch eine unabhängige, variable Ansteuerung der Ventile einzelner Zylinder, gegebenenfalls eine Zylinderabschaltung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Ventilsteuerung möglich. Durch piezo-elektrische Steuerung sind besonders kurze Ansprechzeiten und durch den Einsatz nur eines Piezostellers für zwei Ventilsteuerungen eine weitere Vereinfachung möglich.
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Zeichnung
Zwei Ausführung s Td ei spiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer piezo-elektrisch beeinflußbaren Ventilsteuerung im Schnitt, Figur 2 eine graphische Darstellung der Ventilbewegungen, in der auf der Ordinate der Ventilweg und auf der Abszisse die Zeit in Grad Kurbelwinkel dargestellt sind, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem anderen piezo-elektrisch ge- _ steuerten Steller im Schnitt und Figur k eine schematische Darstellung eines elektronischen Steuergerätes, das auch die Steuerimpulse für die Ventilsteuerung abgibt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In einer Brennkraftmaschine 1 lagert eine Nockenwelle V. mit Nocken 3. Jeder Nocken 3 wird abgetastet durch einen Kolben k, der in einem St euer zylinder 5 gleitend geführt ist. Der Kolben k bildet einen Hohlraum 6 in dem er eine Schraubendruckfeder 7 aufnimmt. Etwa in der Mitte der Gesamtlänge des SteuerZylinders 5 besitzt dieser einen Anschlagring 8. Im vom Kolben k abgewendeten Teil des durch ■ " den Anschlagring 8 unterteilten Steuerzylinders 5 ist ein weiterer Kolben 9 geführt. In seinem dem Kolben h zugewendeten Kolbenboden besitzt dieser Kolben 9 eine Ausnehmung 10, in die das andere Ende der Schraubendruckfeder 7 eingreift. Der Kolben 9 ist mit einem Einlaßventil 11 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Er besitzt ebenfalls einen Hohlraum 12, in den eine Schraubendruckfeder 13 eingreift. Diese Schraubendruckfeder 13 findet ihr Widerlager am Boden lh des St euer zylinders
In der Zeichnung gemäß Figur 1 oberhalb des Anschlagringes 8 mündet im Steuerzylinder 5 eine Entlastungsleitung 15· Von ihr zweigt eine Zulaufleitung 16 ab, die über ein Rückschlagventil 17 zum Vorratsraum für ein hydraulisches Druckmittel 18 führt. Von der Entlastungsleitung 15 zweigt auch eine Rücklaufleitung 19 ab. Diese ist verschließbar mittels eines Ventilschiebers 20. Der in der Entlastungsleitung 15 geführte Ventilschieber 20 besitzt einen Bund 21, der mit einer Erveiterung 22 der Entlastungsleitung 15 zusammenwirkt. Durch den Bund 21 und die Erweiterung wird die Längsbeweglichkeit des Ventilschiebers 20 zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung für die Rücklaufleitung 19 begrenzt. Eine Schraubendruckfeder 23 in einer Ausdrehung 24 sucht den Ventilschieber 20 stets in Schließstellung zur Rücklaufleitung 19 zu halten. Der Ventilschieber 20 besitzt eine Klemmfahne 25, die durch das Innere der Schraubendruckfeder 23 hindurch bis vorbei an einem seitlich aus der Entlastungsleitung 15 vorspringenden Amboß 26 greift. Dem Amboß 26 ist ein Klemmstempel 27 gegenübergestellt, der am freien Ende einer Säule 28 befestigt ist, die aus übereinandergeschichteten piezo-elektrischen Scheiben besteht. Die Säule 28 ist mit ihrem dem Klemmstempel 27 abgewendeten Ende mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine 1 fest verbunden. Ein Anschluß 29 dient zum Anlegen der Versorgungsspannung für die piezo-elektrischen Scheiben der Säule 28.
Liegt keine Spannung an der Säule 28 an, so drückt der Klemmstempel 27 die Klemmfahne 25 des Ventilschiebers 20 gegen den Amboß 26 und klemmt so den Ventilschieber 20 in der in Figur 1 dargestellten Schließstellung für die Rücklaufleitung 19 fest. Der Hohlraum zwischen den beiden Kolben
h und 9j in der Entlastungsleitung 15 zwischen dem Steuerzylinder 5 und dem Ventilschieber 20 und die Zulaufleitung 16 bis zum Rückschlagventil 17 ist blasenfrei gefüllt mit dem hydraulischen Druckmittel 18. Die mechanische Bewegung des in Richtung eines Pfeiles 30 drehenden Nockens 3 wird über den Kolben h, das hydraulische Druckmittel 18 und den Kolben 9 direkt auf das Einlaßventil 11 übertragen. Dieses öffnet die Einlaßöffnung. Dabei kann der Ventilschieber 20 dem Druck des hydraulischen Druckmittels 18 nicht nachgeben, weil er zwischen dem Amboß 26 und dem Klemmstempel 27 festgeklemmt ist. Sobald an die Säule 28 die Steuer spannung abgelegt wird, zieht sie sich in ihrer Längsrichtung zusammen und gibt so den Ventilschieber 20 frei. Der Ventilschieber 20 öffnet die Rücklaufleitung 19 unter dem Druck des hydraulischen Druckmittels 18, das vom Kolben h durch die Rücklaufleitung 19 gefördert wird. Der Kolben 9 mit dem Einlaßventil 11 fällt in Schließstellung zurück. Die Darstellung gemäß Figur 2 zeigt Bewegungskurven für das Einlaßventil 11 für verschiedene Betriebszustände. Die Kurve 31 gibt den Bewegungsverlauf an, der allein vom Nocken 3 der Nockenwelle 2 bestimmt ist. Die Kurven 32 und 33 stellen den Bewegungsverlauf für verkürzte Ventiloffenzeiten dar. Sie können, wie bereits in der Einleitung ausgeführt, bei niedrigeren Drehzahlen Ventilüberschneidungen oder Drosselverluste verringern. Wenn der Ventilschieber 20 bereits zu Anfang der vom Nocken 3 auf den Kolben h übertragenen Bewegung freigegeben ist, wird das Einlaßventil 11 nicht geöffnet. Dies ist wichtig für die Zylinderabschaltung. Ein sparsamer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 kann auch erreicht werden, indem bei Teillast nur die Hälfte der vorhandenen Zylinder voll, die andere Hälfte nur teilweise gefüllt wird. Am besten kann das Zusammenspiel zwischen der variablen Ventilsteuerung und einer vorzugsweise ebenso variablen Kraftstoffeinspritzung und gegebenenfalls Abgas-
rückführung mittels eines elektronischen Steuergerätes 3^ optimiert werden. Dieses Steuergerät ist in Figur k schematisch mit seinen Schnittstellen gezeigt. Es wird an seinen Eingängen versorgt mit Signalen, die informieren über die Motordrehzahl, die Last, die Lage des oberen Totpunkts der Arbeitskolben, die Öl-, Wasser-, Lufttemperatur, die Kraftstoffsorte und den Luftdruck bzw. Ladedruck. Es verarbeitet diese Informationen zu Steuersignalen, die sie über Ausgänge 35 (Einspritzbeginn und Ende) 36 (Ventilsteuerung) und 37 (Abgasrückführung) zu den entsprechenden St euer stellen, leitet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist bei einer Ventilsteuerung gemäß Figur 1 anstelle des Ventilschiebers 20 mit allen ihn beeinflussenden Bauelementen ein piezohydraulischer Steuerblock 38 verwendet. Dieser piezohydraulische Steuerblock 38 besteht aus einem Schiebergehäuse 39 und einem Treibergehäuse ko. Das Schiebergehäuse 39 besitzt eine Bohrung kl für einen Ventilschieber k2, die beiderseits des /entilschiebers k2 durch Gewindebolzen k3 und kk abgeschlossen ist. Kanäle k5 und kb im Schiebergehäuse 39 nirul verbunden mit je einer Entlastungsleitung 15 zweier Ventilsteuerungen. Ein Kanal hf steht in Verbindung mit einer Rücklaufleitung 19· Eine Eindrehung ^8 im Ventilschieber k2 und die Mündungen der Kanäle k$ bis ^7 sind so angeordnet, daß in den beiden möglichen Endstellungen des Ventilschieber k2, die durch die Gewindebolzen k3 und kk mit ihrem Anschlagzapfen in Grenzen einstellbar sind, jeweils einer der Kanäle ^ 5 und k6 mit dem Kanal kj verbunden ist. In der in Figur 3 gezeigten Stellung des Ventilschiebers k2 besteht Verbindung zwischen den Kanälen k5 und kj. Der Kanal k6 ist
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geschlossen. Das heißt die Ventilsteuerung deren Entlastungsleitung 15 mit dem Kanal 1+5 verbunden ist wäre unwirksam, begänne jetzt ihr Hocken 3 ihren Kolben k zu treiben. Im Gegensatz dazu wäre die Ventilsteuerung wirksam, deren Entlastungsleitung 15 mi.t dem, Kanal 1+6 verbunden ist. Ihr hydraulisches Druckmittel 18 könnte nicht ausweichen und würde die von ihrem Nocken 3 bewirkte Bewegung ihres Kolbens k über ihren Kolben 9 auf ihr Einlaßventil 11 übertragen. Um die Stellung des Ventilschiebers 1+2 im Schiebergehäuse 39 zu steuern, sind Druckräume 1+9 und 50 beiderseits des Ventilschiebers 32 über Kanäle 51 und 52 im Schiebergehäuse 39 und Kanäle 53 und 5h im Treibergehäuse 1+0 mit Druckräumen 55 und 56 im Treibergehäuse 1+0 verbunden. Diei;e Druckräume 55 und 56 befinden sich beiderseits eines Kolbens 57, der in einem entsprechenden Zylinder 55/56 geführt ist. Der Kolben 57 besitzt eine Eindrehung 58. In deren Bereich mündet ein Kanal 59 der das Treibergehäuse kO an den Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine 1 anschließt. Hierzu dient eine Leitung 60. Die Druckräume 55 und 56 sind durch Drosselspalte 61 und 62 miteinander und mit dem Druckanschluß 59j 60 verbunden. Der Kolben 57 ist auf einem Zapfen 63 befestigt, der das Ende einer Säule 6h aus übereinander gestapelten piezo-elektrischen Scheiben bildet. Der das andere Ende dieser Säule 6k bildende Zapfen 65 ist fest verbunden mit dem Treibergehäuse 1+0. Ein elektrischer Anschluß 66 führt von der Säule 6h durch eine Dichtung 67 zum elektronischen Steuergerät 3I+· Ein Deckel 68 verschließt den Zylinder 55/56.
Liegt keine Spannung an der Säule 61+ an, wird der Ventilschieber 1+2 in der in Figur 3 gezeigten Stellung (Anschlag am linken Gewindebolzen 1+3) gehalten. Sobald eine
31
13 5
Spannung angelegt wird, dehnt sich die Säule Gh aus und treibt den Kolben 57 in der Darstellung gemäß Figur 3 nach links. Der Druck, im. Druckraum 5 5 und damit auch der Druck im Druckraum U° steigt, während der Druck im Druckraum 56 und damit im Druckraum 50 fällt. Zum Druckausgleich bewegt sich der Ventilschieber k2. nach rechts in Anschlagstellung am Gewindebolzen hk. Damit ist der Kanal U 5 geschlossen und der Kanal ^6 geöffnet.
Der hier gezeigte piezo—hydraulische Steuerblock ist also geeignet zur Steuerung zweier Ventilsteuerungen. Sollte einmal die elektrische Ansteuerung des Piezoelements ausfallnn, kann die Brennkraftmaschine mit halber Last betrieben werden (abwechselnd je ein Zylinder Vollast ein Zylinder Mullast).
4S
Leerseite

Claims (1)

  1. 27.8. 1981 Br/Le *. * · - i ··*··· ·
    ROBERT BOSCH GMBH5 7OOO Stuttgart 1
    Ansprüche
    1.j Ventilsteuerung für HubkoLben-Brennkraftmaschinen mit me chanisch-hydrauli sehen B ew-sgungs Übertragungsmitteln zwischen der Nockenwelle und dem Ventil, deren hydraulisches Druckmittel zum Ändern der Ventiloffenzeit über eine verschließbare EntlastungsleLtung gesteuert entspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entlastungsleitung (15) für das hydraulische Druckmittel (18) ein elektrisch gesteuertes Ventil (20, k2) angeordnet ist.
    2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Ventil ein in Öffnungsrichtung mit dem Druck des hydraulischen Druckmittels (18) belastetes Schieberventil (20) ist, und daß dem Ventilschieber (20) ein elektrischer Steller (28) mit einer Stellkomponente senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilschiebers (20) zugeordnet ist, der bis zum Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung eine Klemmkraft auf
    den Vent!!schieber (20) ausübt und dessen Bewegung verhindert .
    3- Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Steller (28) ein piezo-elektrischer Steller ist.
    k. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Steller (28) aus mehreren, zu einer Säule geschichteten piezo-elektrischen Scheiben besteht.
    5- Ventilsteuerung nach Anspruch ^t-, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Säule (28) mindestens annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilschiebers (20) angeordnet ist.
    6. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (20) eine Klemmfahne (25) hat.
    T. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß d>jr elektrische Steller (28) den Ventilschieber (20), vorzugsweise dessen Klemmfahne (25), gegen einen gehäusefesten Anschlag (26)
    Ί· J ·β »· *· «a a
    • ft·* · β «A·«·« ■ a
    drückt und so kraftschlüssig festhält.
    8. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 1J, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Steller (28) einen. Klemmstempel (27)3 das Ventilgehäuse (1) einen Amboß (26) hat.
    9· Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Ventil ein Schieberventil ist, dessen Ventilschieber (^2) mittels eines piezo-elektrischen Steuerblocks (38) in Offenstellung und Schließstellung zur Entlastungsleitung (15) steuerbar ist.
    10. Ventilsteuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (^2) mindestens annähernd senkrecht zur Entlastuagsleitung (15) angeordnet ist.
    11. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (^2) in die Entlastungsleitungen (15) zweier Ventilsteuerungen eingreift.
    _ k _ · J13.5650
    12. Ventilsteuerung nach einem, der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der. piezo-elektrische Steuerblock ein piezo-hydraulischer Steuerblock (-38) ist, der einen piezo-elektrisch wirkenden Tr'eiber (6k), einen mit diesem Treiber {6k) verbundenen, in einem mit Flüssigkeit gefüllten Raum (55/56) eingebrachten und diesen Raum (55/56) in zwei Druckräume (55, 56) trennenden Kolben (57) und einen Ventilschieber (U2) in einer Bohrung (k'l) umfaßt, wobei der Ventilschieber (lj-2) einen wesentlich, kleineren Querschnitt hat als der mit dem Treiber (6k) verbundene Kolben (57)» die Bohrung (1J-I) in zwei mit den dem Kolben (57) benachbarten Druckräumen (55, 56) verbundene Druckräume (U9, 50) teilt und in seinem mittleren Teil eine Eindrehung (k-8) besitzt, die in mindestens einer seiner möglichen Stellungen mindestens eine der Entlastungsleitungen (15; b-5 > U6) schließt und in mindestens einer anderen Stellung aus dem Bereich dieser Entlastungsleitung (15; ^5> ^6) entfernt ist, so daß der Ventilschieber (^2) diese Leitung (15; U5, k6) offen läßt.
    13· Ventilsteuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede durch den Vqntilsehieber (^2) schließbare oder freigebbare Leitung die Entlastungsleitung für das hydraulische Druckmittel (18) der mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragun-5smittel (h, 9> 18) zwischen
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    der Nockenwelle (2) und dem Ventil (11) ist.
    ~\h. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (U1) für den Ventilschieber (^2) beiderseits des Ventilschiebers (^2) durch einstellbare mechanische Anschläge (^3, kk) für den Ventilschieber (U2) verschlossen ist.
    15· Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 12 bis 11+, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (55, 56) beiderseits des Kolbens (57) durch Drosselspalte (61, 62) mit dem Druckanschluß (59, 6θ) für die Hydraulikflüssigkeit des piezo-hydraulischen Steuerblocks (38) und untereinander verbunden sind.
    16. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 12 bis 1S3 dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanschluß (59, 6θ) '""* ein Anschluß an den Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine (1) ist.
    17· Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Übersetzungsverhältnis Kolbenquerschnitt zu Ventilschieberquerschnitt größer ist als das Verhältnis Ventilschieberweg zu vom
    plezo-elektrisch wirkenden Treiber (6*0 abnehmbarer Weg.
    13. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 12 bis ITs dadurch gekennzeichnet, daß der Längenausdehnungskoeffizient des Kolbens (57) größer ist als der des ihn umgebenden Treibergehäuses (Uo).
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