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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere
zur Förderung
von Kraftstoff für
ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs
1 näher
definierten Art.
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Stand der Technik
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Allgemein
bekannt sind Hochdruckpumpen zur Förderung von Kraftstoff, welche
für Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme
Anwendung finden. Die Hochdruckpumpen dienen zur Bereitstellung
eines unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs innerhalb des Common-Rail,
welche mit Betriebsbrücken
bis zu 2 Kbar und mehr beaufschlagt sind. Daher sind an die Hochdruckpumpen
besondere Anforderungen gestellt, um auf effiziente Weise den Kraftstoff
auf die genannten Drücke
zu fördern.
Angetrieben werden die Hochdruckpumpen üblicherweise über eine
Kopplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, wobei die Hochdruckpumpe
nach dem Prinzip eines Nockentriebs ausgelegt sein kann. Diese umfassen
eine Nockenwelle mit einer Nockengeometrie, die ein Abgriffselement
in eine Hubbewegung in Richtung einer Hubachse versetzt, und somit ein
mit dem Abgriffselement verbundener Pumpenkolben in Hubbewegung
versetzt wird. Über
ein in einem Zylinderkopf eingebrachten Ventiltrieb kann der Pumpenkolben
mit diesem zusammenwirken, um den Kraftstoff zu fördern. Der
Pumpenkolben ist im Pumpenkörper
oder im Zylinderkopf hubbeweglich geführt, und steht wenigstens über einen
Rollenschuh mit dem Abgriffselement in Verbindung. Das Abgriffselement
ist meist als eine Rolle ausgeführt, welche über der
Nockengeometrie abwälzt.
Die Anordnung der Rolle in Wirkverbindung mit der Nockengeometrie
ist von Vorteil, da sich zwischen der Rolle und der Nockengeometrie
eine Linienberührung
bildet, welche eine hohe Tragfähigkeit
aufweist. Zudem finden nur Wälzbewegungen
statt, welche gegenüber Gleitbewegungen
verschleißminimiert
sind. Das Abgriffselement in Gestalt der Rolle wird zur Führung desselben
auf der Nockengeometrie mittels eines Druckfederelementes gegen
diese gedrückt,
womit zugleich der Rückhub
des Pumpenkolbens sichergestellt wird. Derartige Druckfederelemente
sind als Spiralfedern ausgeführt
und erstrecken sich zwischen einem Bund innerhalb des Zylinderkopfes
und dem so genannten Rollenschuh, in dem die Rolle aufgenommen ist.
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Bei
einer derartigen Anordnung einer Hochdruckpumpe zur Förderung
von Kraftstoff nach dem Prinzip des Nockentriebs ergibt sich jedoch
das Problem, dass bei Anwendung eines Druckfederelementes in Gestalt
einer Spiralfeder durch die Kompression des Druckfederelementes
eine Torsion auf den Verbund des Rollenschuhs, der Stößelführung, den Pumpenkolben
und damit auch auf das Abgriffselement, d. h. die Rolle ausgeübt wird.
Daher ergibt sich eine Verdrehneigung des Rollenschuhs sowie des Abgriffselementes,
so dass die Linienberührung
zwischen dem Abgriffselement und der Nockengeometrie nicht näher sichergestellt
ist. Hierfür
sind zwar Verdrehsicherungen zwischen der Stößeleinrichtung und dem Pumpenkörper in
Form von Linearführungen
bekannt, jedoch ist eine hinreichende Genauigkeit häufig nicht
erreichbar. Auch Linearführungen weisen
ein minimales Spiel auf, welches vergleichsweise groß ist, und
der Linienkontakt zwischen dem Abgriffselement und der Nockengeometrie
auch damit nicht gewährleistet
bleibt. Dieser Umstand führt zu
einem verfrühten
Verschleiß der
Hochdruckpumpe, was in Anbetracht der erforderlichen Betriebsdauer
und der Zuverlässigkeit
der Hochdruckpumpe nicht wünschenswert
ist.
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Ferner
ist es erforderlich, derartige Hubeinrichtungen aus wenigen Bauteilen
aufzubauen und eine einfache Konstruktion zu gewährleisten. Anordnungen von
torsionsminimierten Druckfederelementen, welche von der Bauart einer
einfachen Spiralfeder abweichen, sind häufig sehr aufwendig ausgestaltet
und bewirken dennoch nicht die torsionsfreie Kompression des Federbereiches.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe
zur Förderung
von Kraftstoff für
eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche zum Erhalt der Linienberührung zwischen dem
Abgriffselement und der Nockengeometrie eine verdrehfreie Führung der
Stößeleinrichtung
ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Hochdruckpumpe zur Förderung
von Kraftstoff für eine
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die wenigstens eine Kontaktfläche zwischen
dem Druckfederelement und der Stößeleinrichtung
und/oder die an diese angrenzende Oberfläche des Druckfederelementes
eine reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung
umfasst, um eine Torsionsentkopplung des Druckfederelements zu schaffen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
in einer Entkopplung der Torsionsbewegung des Druckfederelementes
von der Stößeleinrichtung.
Die bei der Kompression des Druckfederelementes einhergehende Verdrehung
derselben kann sich bei einer Kontaktfläche mit einer reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung
nicht weiter auf die Stößeleinrichtung übertragen,
so dass eine Verdrehung der Stößeleinrichtung,
und damit eine Verdrehung des Abgriffselementes auf der Nockengeometrie
nicht mehr durch die Torsion des Druckfederelementes hervorgerufen
werden kann. Das Druckfederelement ist zwischen dem Zylinderkopf
und der Stößelführung aufgenommen,
so dass sich ein Ende des Druckfederelementes gegen eine Aufnahmekontur
in der Stößelführung abstützt. Diese
Aufnahmestruktur innerhalb der Stößelführung bildet die Kontaktfläche, welche
die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung
umfasst. Diese kann jedoch auch seitens des Druckfederelementes
ausgebildet sein, so dass die Oberfläche des Druckfederelementes,
die gegen die Stößelführung angrenzt,
die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung
aufweist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung der Stößeleinrichtung umfasst ein
Andruckscheibenelement, gegen dass das Druckfederelement zur Anlage
gebracht ist, wobei wenigstens eine Planfläche des Andruckscheibenelementes
die Kontaktfläche
mit der reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung bildet. Das
Andruckscheibenelement ist ringförmig
ausgebildet und weist zwei sich gegenüberliegende Planflächen auf,
so dass eine Planfläche
an die Kontaktfläche
in der Stößelführung und
die andere Planfläche
an das Ende des Druckfederelementes angrenzt. Zur Minimierung der
Reibkraft und damit zur Entkopplung der Torsion zwischen dem Druckfederelement
und der Stößelführung kann entweder
die erste Planfläche,
die gegenüberliegende
Planfläche
oder beide Planflächen
des Andruckscheibenelementes mit einer reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung
versehen sein. Jedoch kann das Andruckscheibenelement auch mit dem Druckfederelement
einseitig verdrehfest verbunden sein, so dass eine definierte Gleitbewegung
der gegenüberliegenden
Planfläche
des Andruckscheibenelementes relativ zur Stößelführung stattfinden kann. Wird
das Druckfederelement komprimiert, so kann eine Torsion im Druckfederelement
hervorgerufen werden, die zwischen dem Andruckscheibenelement und
der Stößelführung ausgeglichen
wird.
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Es
ist von Vorteil, dass das Abgriffselement als Rollenelement ausgebildet
ist und die Stößeleinrichtung
ferner eine Stößelführung mit
einem in diese eingesetzten Rollenschuh umfasst, an welchem die Kontaktfläche mit
der reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung
selbst ausgebildet ist. Damit wird eine weitere Möglichkeit
aufgezeigt, dass die Kontaktfläche
mit der reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung sowohl am
Andruckscheibenelement als auch an der Stößelführung selbst ausgebildet sein
kann, wobei auch eine Kombination der jeweiligen Kontaktflächen mit
einer jeweiligen reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung möglich ist.
Hier kann insbesondere der Vorteil genutzt werden, verschiedene
Oberflächenbeschichtungen
zu wählen, welche
aufeinander abgleiten, so dass eine tribologisch optimierte Reibpaarung
gebildet wird.
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Es
ist ferner von Vorteil, dass endseitig am Druckfederelement ein
Federscheibenelement verdrehfest an diesem angeordnet ist, welches
plan an die Kontaktfläche
der Stößelführung angrenzt.
Das Federscheibenelement kann stoffschlüssig, formschlüssig oder
mittels Verbindungselementen am Druckfederelement angebracht sein,
so dass das Federscheibenelement ebenfalls als plane Ringkontur ausgebildet
ist, und eine ringförmige
Kontaktfläche bildet.
Vorteilhafterweise umfasst die an die Kontaktfläche der Stößelführung angrenzende Kontaktfläche des
Federscheibenelementes die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung.
Eine noch vorteilhaftere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl ein endseitig an das Druckfederelement angeordnetes
Federscheibenelement und ein Andruckscheibenelement, so dass das
Andruckscheibenelement zwischen dem Federscheibenelement und der
Stößelführung angeordnet
ist, und die Kontaktfläche
des Druckfederelementes an die Kontaktfläche des Federscheibenelementes
angrenzt. Gemäß der letztgenannten
Anordnung können
vier Kontaktflächen
mit einer jeweiligen reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung in einer Stapelanordnung aneinander
angrenzen, wobei sich das Andruckscheibenelement zwischen dem Federscheibenelement
und der Stößelführung befindet.
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Vorteilhafterweise
ist die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung mittels eines
PVD-Verfahrens,
eines CVD-Verfahrens, eines galvanischen Verfahrens oder eines chemischen
Verfahrens auf die wenigstens eine Kontaktfläche aufgebracht. Ferner besteht
die Möglichkeit,
dass die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung einen Gleitlack und/oder
einen auf die Kontaktfläche
aufgebrachten Trockenschmierstoff umfasst. Die reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung
kann auch eine Hartstoffbeschichtung sein, wie beispielsweise eine
Titan-Oxid-Beschichtung, eine Zirkon-Oxid-Beschichtung, eine Silizium-Oxid-Beschichtung,
eine Titankarbid-Beschichtung oder eine Titannitrit-Beschichtung. Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
innovative PVD-Hartstoff-Beschichtungen wie TiMgN-Beschichtungen
vorzusehen. Auch eine Kombination von reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtungen
und einer Randschichtbehandlung der jeweiligen Kontaktoberfläche ist
als vorteilhafte Möglichkeit
im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzusehen. Besonders vorteilhaft
sind Titankarbid-Beschichtungen,
welche sich durch eine sehr hohe Härte, gepaart mit einem niedrigen
Reibkoeffizient und höchster
Haftfestigkeit, auszeichnen. Titannitrit-Beschichtungen zeichnen sich
hingegen durch eine hohe Härte,
eine hohe Zähigkeit
und eine sehr geringe Neigung zu Aufschweißungen aus, so dass ein Fressen und eine Belagbildung
vermieden werden kann. Ferner sind gute Korrosions- und Oxidationseigenschaften
vorteilhaft.
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Die
Stößeleinrichtung,
welche das Druckfederelement umfasst, befindet sich innerhalb des Pumpenkörpers, welcher
mit Kraftstoff gefüllt
ist. Daher kann der Kraftstoff als Schmiermittel zur Wirkung kommen,
so dass die Oberflächenbeschichtung
mit der Schmierwirkung des Kraftstoffs zusammenwirkt. Daher sollte
die Oberflächenbeschichtung
eine entsprechende Beständigkeit
gegenüber
dem Kraftstoff, welcher insbesondere ein Dieselkraftstoff ist, aufweisen.
Als eine weitere Oberflächenbeschichtung
kann eine Titan-Aluminiumnitrit-Beschichtung
genannt werden, wobei ferner eine Chromnitrit-Beschichtung eine
mögliche
Hartstoff-Beschichtung darstellt. Diese Beschichtungen zeichnen
sich insbesondere durch eine sehr hohe chemische und thermische
Stabilität aus,
wobei gerade die Chromnitrit-Beschichtung eine geringe Adhäsionstendenz
aufweist, da die Anordnung des Druckfederelementes in Wirkverbindung mit
dem Andruckscheibenelement bzw. dem Federscheibenelement lokal hohe
Flächenpressungen
aufweisen kann, so dass eine geringe Adhäsionstendenz vorteilhaft ist.
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Es
kann auch eine reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung in Gestalt
einer Mono-Schicht zur Anwendung kommen, wobei auch binäre Schichten
(Ti(C,N)), Mehrlagenschichten (TiC/TiN) oder gradierte Schichten
(TiC/Ti(C,N)/TiN) eine mögliche Variante
darstellen. Damit ist die erfindungsgemäße reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung
nicht auf ein bestimmtes Schichtsystem begrenzt, sondern umfasst
mehrere verschiedene Schichtsysteme.
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Um
die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung der
reibkraftminimierten Oberflächenbeschichtung
auch für
andere beanspruchte Oberflächen
zu nutzen, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen
sein, das gesamte Druckfederelement sowie die gesamte Stößelführung und
auch das gesamte Andruckscheibenelement sowie das Federscheibenelement
vollständig
mit einer Oberflächenbeschichtung
zu versehen. Gerade die Stößelführung gleitet
innerhalb des Pumpenkörpers
oder des Zylinderkopfes in einer Führungsbohrung, so dass eine
ganzheitliche Beschichtung der Bauteile ebenfalls von Vorteil ist.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es
zeigt:
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1 eine
quergeschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe mit einer Stößeleinrichtung
sowie einem Druckfederelement, einer Stößelführung mit einem eingesetzten
Rollenschuh und einem zwischen dem Druckfederelement und der Stößelführung angeordneten
Andruckscheibenelement;
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2 eine
quergeschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Andruckscheibenelementes
mit einer ersten sowie einer zweiten Kontaktfläche; und
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3 eine
quergeschnittene Ansicht der Anordnung der Stößeleinrichtung mit jeweiligen
erfindungsgemäßen Kontaktflächen, wobei
das Druckfederelement, das Andruckscheibenelement sowie ein Federscheibenelement
jeweils in einer voneinander gelösten
Anordnung dargestellt ist.
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1 zeigt
eine quergeschnittene Seitenansicht einer Hochdruckpumpe 1,
wie sie bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen
für Dieselmotoren
zum Einsatz kommt. Die Hochdruckpumpe 1 dient zur Förderung
von Dieselkraftstoff, um diesen mit einem hohen Druck einem Common-Rail zur Verfügung zu
stellen. Die Hochdruckpumpe 1 umfasst ein Abgriffselement 2,
welches über
einer auf einer Nockenwelle 3 angeordneten Nockengeometrie 4 abwälzt. Die
Nockenwelle 3 wird motorseitig angetrieben, und umfasst
wenigstens eine Nockengeometrie 4, wobei diese eine oder
mehrere auf den Umfang gleichverteilt angeordnete Nocken umfasst.
Dadurch übt
das Abgriffselement 2 eine Hubbewegung in Richtung einer
Hubachse 5 aus, wobei die Hubbewegung des Abgriffselementes 2 auf
eine Stößeleinrichtung 6 übertragen
wird. Die Stößeleinrichtung 6 umfasst
ein Druckfederelement 7 sowie einen Pumpenkolben 12,
wobei das Abgriffselement 2 innerhalb einer Stößelführung 10 aufgenommen
ist, welche gemeinsam mit dem Rollenschuh 15 ebenfalls
Bestandteil der Stößeleinrichtung 6 ist.
Zwischen dem Druckfederelement 7 und der Stößelführung 10 ist
ein Andruckscheibenelement 9 angeordnet, welches quergeschnitten
dargestellt und in Gestalt einer Planscheibe ausgeführt ist.
Mittig aus dem Rollenschuh 10 erstreckt sich der Pumpenkolben 12,
welcher innerhalb eines Zylinderkopfes 13 geführt ist,
und mit einer Ventileinrichtung im Zylinderkopf 13 zur
Förderung
des Kraftstoffes zusammenwirkt. Die Hochdruckpumpe 1 umfasst
im Wesentlichen einen Pumpenkörper 14,
wobei der Zylinderkopf 13 auf den Pumpenkörper 14 dichtend
aufgesetzt ist. Daher bildet sowohl der Pumpenkörper 14 als auch der
Zylinderkopf 13 die Führungseinrichtung
der Hubbewegung der Stößeleinrichtung 6 in
Richtung der Hubachse 5, wobei eine Verdrehsicherung der
Stößeleinrichtung 6 zur
Vermeidung einer Verdrehung um die Hubachse 5 nicht näher dargestellt
ist.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
der Andruckscheibenelementes 9, welche sich – mit Blick auf 1 – zwischen
dem Druckfederelement und der Stößelführung befindet.
Das Andruckscheibenelement 9 umfasst eine erfindungsgemäße Kontaktfläche 8a sowie
eine gegenüberliegende
weitere Kontaktfläche 8b,
welche eine reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung aufweist.
Das Andruckscheibenelement 9 erstreckt sich ringförmig um
die Hubachse 5, so dass sich durch das Andruckscheibenelement 9 der
Pumpenkolben erstrecken kann. Die reibkraftminimierten Kontaktflächen 8a und 8b grenzen
jeweils an das Druckfederelement sowie an die Stößelführung an, so dass entweder
die erste Kontaktfläche 8a oder
die zweite Kontaktfläche 8b oder beide
Kontaktflächen
die erfindungsgemäße reibkraftminimierte
Oberflächenbeschichtung
aufweisen.
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3 zeigt
eine mögliche
Anordnung einer erfindungsgemäßen Stößeleinrichtung 6 mit
einem Andruckscheibenelement 9, welches zwischen der Stößelführung 10 sowie
einem Federscheibenelement 11 angeordnet ist, wobei in
der Stößelführung 10 der
Rollenschuh 15 zur Aufnahme des Abgriffselementes 2 eingesetzt
ist. Das Federscheibenelement 11 ist mit dem Druckfederelement 7 in
Verbindung gebracht, wobei die Verbindung entweder stoffschlüssig (Schweißen, Löten, Kleben)
oder formschlüssig
(Verpressen, Verkeilen oder Verstemmen) mit dem Druckfederelement
verbunden ist. Das Federscheibenelement 11 kann eine weitere
erfindungsgemäße Kontaktfläche 8d umfassen,
welche ebenfalls eine reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung aufweist.
Ferner befindet sich auf der Stößelführung 10 eine
Kontaktfläche 8c,
welche ebenfalls eine reibkraftminimierte Oberflächenbeschichtung aufweisen
kann. Gemäß 3 ist
ein Andruckscheibenelement 9 zwischen dem Federscheibenelement 11 und
der Stößelführung 10 eingebracht,
wobei das Andruckscheibenelement 9 auch entfallen kann,
so dass die Kontaktfläche 8d des
Federscheibenelementes 11 direkt auf der Kontaktfläche 8c der Stößelführung 10 angrenzt,
und auf dieser abgleiten kann.
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Die
Gleitbewegung umfasst dabei eine oszillierende Rotationsbewegung
in kleinen Winkelbereichen, da bei jedem Hub des Rollenschuhs 15 eine Torsion
des Druckfederelementes 7 gegenüber der Stößelführung 10 erfolgt.
Diese Verdrehung des Druckfederelementes 7 wird damit zwischen
den Kontaktflächen 8a, 8b, 8c sowie 8d ausgeglichen,
da die Kontaktflächen
reibkraftminimiert sind und eine Gleitbewegung zueinander zulassen,
wobei die Gleitbewegung minimale oder sogar in Verbindung mit der Schmierwirkung
des Kraftstoffes keine nennenswerte Reibkraft hervorruft. Damit
wird die Verdrehneigung des Druckfederelementes 7 nicht
auf die Stößelführung 10 übertragen,
so dass dieser die Drehbewegung ferner nicht auf das Abgriffselement 2 überträgt, und
die Linienberührung
zwischen dem Abgriffselement 2 und der Nockengeometrie 4 auf der
Nockenwelle 3 beibehalten wird.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebraucht macht.