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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer die Nockenwelle drehend antreibenden Kurbelwelle dieser Brennkraftmaschine, wobei der Nockenwellenversteller ein Flügelrad mit mindestens einem Flügel aufweist, welches in einem Gehäuse des Nockenwellenverstellers schwenkbar zu diesem angeordnet ist, wobei das Gehäuse mindestens eine Ausnehmungen aufweist, in die ein Flügel des Flügelrades derart eingreift, dass zu jedem Flügel des Flügelrades zwischen dem Gehäuse und dem jeweiligen Flügel ein erster, mit einem Arbeitsfluid beaufschlagbarer Druckraum und ein zweiter, mit dem Arbeitsfluid beaufschlagbarer Druckraum derart ausgebildet ist, dass das Flügelrad relativ zum Gehäuse in eine erste Richtung verschwenkt, wenn ein Druck des Arbeitsfluides in dem oder den ersten Druckräumen größer als ein Druck des Arbeitsfluides in dem oder den zweiten Druckräumen ist, und das Flügelrad relativ zum Gehäuse in eine bzgl. der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung verschwenkt, wenn ein Druck des Arbeitsfluides in dem bzw. den ersten Druckräumen kleiner als ein Druck des Arbeitsfluides in dem bzw. den zweiten Druckräumen ist, wobei mindestens ein Arbeitsfluid-Zuführkanal radial innerhalb der Druckräume angeordnet ist und in diese mündet, wobei mindestens eine Arbeitsfluid-Pumpe vorgesehen ist, welche Arbeitsfluid in den mindestens einen Arbeitsfluid-Zuführkanal mit einem vorbestimmten Druck pumpt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Nockenwellenverstellers, insbesondere eines Nockenwellenverstellers welcher gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer die Nockenwelle drehend antreibenden Kurbelwelle dieser Brennkraftmaschine, wobei ein Flügelrad relativ zu einem Gehäuse dadurch verschwenkt wird, dass in mindestens einem ersten Druckraum ein anderer Arbeitsfluid-Druck herrscht als in mindestens einem zweiten Druckraum, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
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Aus der
DE 10 2007 035 671 A1 ist ein Schwenkmotorphasenversteller bekannt, bei dem Momentschwankungen insbesondere infolge der Ventilkräfte an der Nockenwelle genutzt werden, um die Nockenwelle besonders schnell zu verstellen. Hierfür ist eine Rückschlagfedereinrichtung in Form einer ringförmigen Blattfeder vorgesehen, die sowohl für die eine Drehrichtung als auch die entgegengesetzte Drehrichtung in einer Ebene angeordnet ist. Systemdruckkanäle sind innerhalb einer Nockenwelle angeordnet. Eine Verstellung erfolgt durch wahlweise Druckbeaufschlagung verschiedener Druckräume.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller und ein Verfahren zum Betreiben von diesem hinsichtlich der Ansteuerung der Verstellung und des Bauraumbedarfs zu verbessern
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Nockenwellenversteller der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Nockenwellenversteller der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Arbeitsfluid-Zuführkanal derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dieser eine permanente, fluidleitende Verbindung zwischen den Druckräumen und der Arbeitsfluid-Pumpe herstellt, wobei bezüglich der Druckräume radial außen liegend mindestens eine erste Arbeitsfluid-Steuernut, welche mit mindestens einem ersten Druckraum fluidleitend verbunden ist, und mindestens eine zweite Arbeitsfluid-Steuernut, welche mit mindestens einem zweiten Druckraum fluidleitend verbunden ist, angeordnet ist und wobei die Arbeitsfluid-Steuernuten fluidleitend mit mindestens einem Steuerventil verbunden sind. Das Steuerventil ist dabei derart ausgebildet, dass dieses wahlweise alle Arbeitsfluid-Steuernuten sperrt, so dass in den Druckräumen ein identischer Arbeitsfluid-Druck herrscht, die ersten Arbeitsfluid-Steuernuten sperrt und die zweiten Arbeitsfluid-Steuernuten öffnet, so dass Arbeitsfluid aus dem oder den zweiten Druckräumen abströmt und ein Arbeitsfluid-Druck in dem oder den zweiten Druckräumen kleiner ist als in dem oder den ersten Druckräumen, oder die zweiten Arbeitsfluid-Steuernuten sperrt und die ersten Arbeitsfluid-Steuernuten öffnet, so dass Arbeitsfluid aus dem oder den ersten Druckräumen abströmt und ein Arbeitsfluid-Druck in dem oder den ersten Druckräumen kleiner ist als in dem oder den zweiten Druckräumen.
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Dies hat den Vorteil, dass der Steuermechanismus aus dem Nockenwellenversteller ausgelagert ist, so dass der Nockenwellenversteller einen entsprechend geringen Bauraumbedarf insbesondere in axialer Richtung aufweist. Zusätzlich kann das Steuerventil mechanisch sehr einfach ausgebildet sein, so dass sich ein einfacheres, kostengünstigeres und gleichzeitig funktionssicheres System ergibt. Da in den Druckräumen das Arbeitsfluid ständig unter Druck steht und eine Verstellung mittels eines sehr schnell erfolgenden Druckabfalls erfolgt, können Verstellbewegungen des Flügelrades relativ zum Gehäuse deutlich schneller und verzögerungsfreier dargestellte werden, als wenn sich der Druck in den Druckräumen nach einer Ansteuerung von Ventilen erst aufbauen muss.
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Besonders hohe Steuerdrücke werden dadurch erzielt, dass das Arbeitsfluid Öl, insbesondere Hydrauliköl, ist.
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Eine mechanisch besonders einfache und gleichzeitig funktionssichere Anordnung wird erreicht, indem der Arbeitsfluid-Zuführkanal in einem Lager der Nockenwelle ausgebildet ist.
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Eine genaue Einstellung der Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle wird erzielt, indem das Flügelrad drehfest mit der Nockenwelle und das Gehäuse drehfest mit einem Antriebsrad verbunden ist, welches über ein Antriebsmittel, insbesondere eine Kette oder einen Riemen, mit der Kurbelwelle verbunden ist.
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Eine besonders einfache Anordnung und Herstellbarkeit der Arbeitsfluid-Steuernuten erzielt man dadurch, dass mindestens eine der Arbeitsfluid-Steuernuten an einem Außenumfang der Flügel des Flügelrades angeordnet ist.
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Eine besonders funktionssichere und einfache Abführung des Arbeitsfluides aus den Druckkammern erzielt man dadurch, dass mindestens eine der Arbeitsfluid-Steuernuten an einem Innenumfang des Gehäuses ausgebildet ist.
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Eine zusätzliche Abdichtung der Arbeitsfluid-Steuernuten gegeneinander auch bei hohen Arbeitsfluid-Drücken erzielt man dadurch, dass zwischen einem Außenumfang der Flügel des Flügelrades und einem Innenumfang des Gehäuses mindestens ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Dichtring angeordnet ist, welche jeweils mindestens eine erste Arbeitsfluid-Steuernut von mindestens einer zweiten Arbeitsfluid-Steuernut dichtend abtrennt.
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Eine zusätzliche Abdichtung der Arbeitsfluid-Steuernuten gegen ein axiales Ende des Flügelrades auch bei hohen Arbeitsfluid-Drücken erzielt man dadurch, dass zwischen einem Außenumfang der Flügel des Flügelrades und einem Innenumfang des Gehäuses mindestens ein sich in Umfangsrichtung erstreckender zweiter Dichtring angeordnet ist, welche jeweils eine Arbeitsfluid-Steuernut von einem axialen Ende des Flügelrades abtrennt.
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Um eine Relativbewegung des Flügelrades zum Gehäuse in vorbestimmter Weise zu begrenzen, ist in dem Gehäuse mindestens ein Anschlag für das Flügelrad ausgebildet.
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Weiterhin ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Arbeitsfluid den Druckräumen permanent unter Druck zugeführt wird und ein unterschiedlicher Arbeitsfluid-Druck in den Druckräumen dadurch erzeugt wird, dass in mindestens einem der ersten Druckräume ein Abströmen von Arbeitsfluid gesperrt und aus mindestens einem der zweiten Druckräume das Abströmen von Arbeitsfluid zugelassen wird oder in mindestens einem der zweiten Druckräume ein Abströmen von Arbeitsfluid gesperrt und aus mindestens einem der ersten Druckräume das Abströmen von Arbeitsfluid zugelassen wird.
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Dies hat den Vorteil, dass in den Druckräumen das Arbeitsfluid ständig unter Druck steht und eine Verstellung mittels eines sehr schnell erfolgenden Druckabfalls erfolgt, so dass Verstellbewegungen des Flügelrades relativ zum Gehäuse deutlich schneller und verzögerungsfreier erfolgen, als wenn sich der Druck in den Druckräumen nach einer Ansteuerung von Ventilen erst aufbauen muss.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in schematischer, perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
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2 eine Detailansicht einer Arbeitsfluid-Zuführung des Nockenwellenverstellers gemäß 1 und
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3 den Nockenwellenversteller gemäß 1 in einer schematischen Querschnittansicht.
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Die in 1 bis 3 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers für eine Brennkraftmaschine umfasst ein Gehäuse 10 in dem ein Flügelrad 12 mit Flügeln 14 verschwenkbar relativ zum Gehäuse 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse sind Ausnehmungen ausgebildet, in die die Flügel 14 eingreifen, wobei die Flügel 14 mit deren radialen Enden an eine Innenwandung 20 des Gehäuses 10 anschlagen. Weiterhin schlagen den Ausnehmungen des Gehäuses 10 benachbarte Wandabschnitt 22 in eine Aussenwandung des Flügelrades an. Auf diese Weise ist bei jedem Flügel 14 ein erster Druckraum 16 und ein zweiter Druckraum 18 ausgebildet. Diese Druckräume 16, 18 werden mit einem Arbeitsfluid unter Druck beaufschlagt. In bekannter Weise erfolgt eine Verschwenkung des Flügelrades 12 relativ zum Gehäuse 10 dadurch, dass in den ersten Druckräumen 16 ein anderer Arbeitsfluid-Druck herrscht als in den zweiten Druckräumen 18. Je nachdem ob der Arbeitsfluid-Druck in den ersten Druckräumen 16 oder in den zweiten Druckräumen 18 größer ist, wird das Flügelrad in die eine oder andere Richtung verschwenkt.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist das Flügelrad 12 drehfest mit einer Nockenwelle 24 und das Gehäuse 10 drehfest mit einem Antriebsrad 26 mechanisch verbunden. Das Antriebsrad 26 ist über ein nicht dargestelltes Antriebsmittel, wie beispielsweise einen Riemen oder eine Kette, mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, so dass die Kurbelwelle über das Antriebsmittel und das Antriebsrad 26 die Nockenwelle 24 drehend antreibt. Durch die Anordnung des Nockenwellenverstellers innerhalb des Kraftübertragungsweges von der Kurbelwelle zur Nockenwelle 24 ist es mit dem Nockenwellenversteller möglich die Nockenwelle 24 relativ zur Kurbelwelle zu verschwenken. Mit anderen Worten wird eine Phasenlage der Nockenwelle 24 relativ zur Kurbelwelle verstellt.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist ein Arbeitsfluid-Zuführkanal 28 im Bereich eine Lagers der Nockenwelle 24 ausgebildet. Über diesen Arbeitsfluid-Zuführkanal 28 wird Arbeitsfluid an die Druckräume 16, 18 zugeführt. Wie aus 2 ersichtlich, fördert eine Arbeitsfluid-Pumpe 30 das Arbeitsfluid unter entsprechendem Druck in den Arbeitsfluid-Zuführkanal 28. Von diesem zweigen radial entsprechende Kanäle 32 ab, die eine Verlängerung des Arbeitsfluid-Zuführkanals 28 ausbilden und das Arbeitsfluid radial von innen in die ersten und zweiten Druckräume 16, 18 leiten. Diese Kanäle sind als Bohrungen ausgebildet. Die Zentralbohrung bzw. der Kanal 32 teilt sich in zwei Teilbohrungen bzw. zwei Kanäle 32a und 32b. Hierbei ist der Knotenpunkt 32c möglichst nah an der Drehachse der Nockenwelle angeordnet. Auf diese Weise wird eine stabile Trennung der Kanäle 32a und 32b geschaffen. Wenn es zu einem Druckabfall auf der einen Seite kommt, findet keine oder erst sehr späte Beeinflussung der anderen Seite statt. Der Kanal 32d wird auf seiner einen Seite von der Kopfauflage einer Schraube 51, auf seiner anderen Seite von dem Endstück 52 der Nockenwelle abgeschlossen. Der Arbeitsfluid-Zuführkanal 28 ist bezüglich der ersten und zweiten Druckräume 16, 18 radial innen liegend angeordnet, so dass eine Fliehkraft aufgrund der sich drehenden Nockenwelle ein Einströmen des Arbeitsfluides in die ersten und zweiten Druckräume 16, 18 zusätzlich unterstützt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Arbeitsfluid-Zuführkanal 28 die ersten und zweiten Druckräume 16, 18 permanent bzw. dauerhaft mit der Arbeitsfluid-Pumpe 30 verbindet, sodass zunächst mangels einer Abströmmöglichkeit aus den ersten und zweiten Druckräume 16, 18 das Arbeitsfluid in den ersten und zweiten Druckräume 16, 18 unter identischem Druck vorhanden ist. Mit anderen Worten ist in dem Arbeitsfluid-Zuführkanal 28 und auch in dessen radialen Verlängerungskanälen 32 keine Ventileinrichtung zum Beeinflussen des Druckes und der Strömung des Arbeitsfluides von der Arbeitsfluid-Pumpe 30 zu den ersten und zweiten Druckräume 16, 18 vorhanden.
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Zum Beeinflussen des Druckes in den ersten und zweiten Druckräume 16, 18 sind erfindungsgemäß, wie aus 1 ersichtlich, mindestens eine erste Arbeitsfluid-Steuernut 34, welche mit mindestens einem ersten Druckraum 16 fluidleitend verbunden ist, und mindestens eine zweite Arbeitsfluid-Steuernut 36, welche mit mindestens einem zweiten Druckraum 18 fluidleitend verbunden ist, an einer radialen Außenseite der Flügel 14 angeordnet. Diese ersten und zweiten Arbeitsfluid-Steuernuten 34, 36 erstrecken sich bezüglich des Flügelrades 12 in Umfangsrichtung. Weiterhin ist ein erster Dichtungsring 38 an der radialen Außenseite der Flügel 14 vorgesehen, welcher sich ebenfalls bezüglich des Flügelrades 12 in Umfangsrichtung erstreckt und eine erste Arbeitsfluid-Steuernut 34 von einer zweiten Arbeitsfluid-Steuernut 36 dichtend trennt. Zusätzlich sind zwei zweite Dichtungsringe 40 an der radialen Außenseite der Flügel 14 vorgesehen, welcher sich ebenfalls bezüglich des Flügelrades 12 in Umfangsrichtung erstreckt und die Arbeitsfluid-Steuernuten 34, 36 in axialer Richtung gegen axiale Enden des Flügelrades 12 abdichten.
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Die ersten und zweiten Arbeitsfluid-Steuernuten 34, 36 sind jeweils getrennt voneinander über Steuerkanäle 42 und 44 mit einem Steuerventil 46 fluidleitend verbunden. Dieses ist beispielsweise als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet. Das Steuerventil 46 ist derart ausgebildet, dass dieses wahlweise nur das bzw. die ersten Arbeitsfluid-Steuernuten 34 oder nur das bzw. die zweiten Arbeitsfluid-Steuernuten 34 oder keine der Arbeitsfluid-Steuernuten 34, 36 über einen Rücklaufkanal 48 mit einem Arbeitsfluid-Vorratstank 50 fluidleitend verbindet. Mit anderen Worten sind drei verschiedenen Zustände vorgesehen:
- (1) Das Steuerventil 46 verschließt beide Steuerkanäle 42 und 44. In diesem Fall kann aus keinem der Druckräume 16, 18 Arbeitsfluid in den Arbeitsfluid-Vorratstank 50 abströmen. In den ersten und zweiten Druckräumen 16, 18 herrscht im Wesentlichen der identische Arbeitsfluid-Druck. Das Flügelrad 12 bewegt sich nicht relativ zum Gehäuse 10.
- (2) Das Steuerventil 46 verschließt den ersten Steuerkanal 42 und verbindet den zweiten Steuerkanal 44 fluidleitend über den Rücklaufkanal 48 mit dem Arbeitsfluid-Vorratstank 50. In diesem Fall kann das Arbeitsfluid nicht aus den ersten Druckräumen 16 jedoch aus den zweiten Druckräumen 18 zum Arbeitsfluid-Vorratstank 50 hin abströmen. Dies führt zu einem entsprechenden Druckabfall in den zweiten Druckräumen 18, so das der Arbeitsfluid-Druck in den zweiten Druckräumen 18 kleiner ist als in den ersten Druckräumen. Das Flügelrad 12 wird durch diesen Druckunterschied in den ersten und zweiten Druckräumen 16, 18 relativ zum Gehäuse in eine erste Richtung verschwenkt, bis die Flügel 14 an entsprechenden Begrenzungen der Ausnehmungen in dem Gehäuse 10 anschlagen.
- (3) Das Steuerventil 46 verschließt den zweiten Steuerkanal 44 und verbindet den ersten Steuerkanal 42 fluidleitend über den Rücklaufkanal 48 mit dem Arbeitsfluid-Vorratstank 50. In diesem Fall kann das Arbeitsfluid nicht aus den zweiten Druckräumen 18 jedoch aus den ersten Druckräumen 16 zum Arbeitsfluid-Vorratstank 50 hin abströmen. Dies führt zu einem entsprechenden Druckabfall in den ersten Druckräumen 16, so das der Arbeitsfluid-Druck in den zweiten Druckräumen 18 größer ist als in den ersten Druckräumen. Das Flügelrad 12 wird durch diesen Druckunterschied in den ersten und zweiten Druckräumen 16, 18 relativ zum Gehäuse in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, verschwenkt, bis die Flügel 14 an entsprechenden Begrenzungen der Ausnehmungen in dem Gehäuse 10 anschlagen.
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Der Arbeitsfluid-Vorratstank 50 ist mit der Arbeitsfluid-Pumpe 30 fluidleitend verbunden, so dass die Arbeitsfluid-Pumpe 30 das in den Arbeitsfluid-Zuführkanal zu fördernde Arbeitsfluid aus dem Arbeitsfluid-Vorratstank 50 entnimmt. Das Arbeitsfluid ist beispielsweise Öl oder Hydrauliköl und der Nockenwellenversteller ist dementsprechend ein hydraulisch angetriebener Nockenwellenversteller.
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1 zeigt des Weiteren, dass der Arbeitsfluidzuführkanal 28 ein Rückschlagventil 53 aufweisen kann, das bewirkt, dass bei Druckspritzen aus der Ventiltriebsdynamik ein Rückfluss des Arbeitsfluids in Richtung Arbeitsfluidpumpe 30 verhindert wird. Das Rückschlagventil 53 zeigt die Wirkung, dass trotz kurzzeitigem Druckeinbruch – sollte es zu einem solchen kommen – die insbesondere hydraulische Einspannung im Nockenwellenversteller erhalten bleibt. Alternativ zu dem Rückschlagventil 53 oder zusätzlich sind in den Kanälen 32a und 32b Rückschlagventile 54 und 55 angeordnet. Ihre Wirkung ist entsprechend dem Rückschlagventil 53; in Kombination verbessern sie die Funktion.
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Aufgrund der Umkehrung des Funktionsweisprinzips des Nockenwellenversteller, nämlich der Verstellung nicht mehr mittels Druckbeaufschlagung der ersten oder zweiten Druckräume 16 oder 18 sondern durch Druckabfall in den ersten oder zweiten Druckräumen 16 oder 18, erfolgt eine besonders verzögerungsfreie Verstellung mit hoher Verstellgeschwindigkeit. Dies wird noch dadurch unterstützt, dass das Arbeitsfluid in Richtung einer Fliehkraft zu- bzw. abströmt. Weiterhin ist es möglich, das Steuerventil 46 aus dem Nockenwellenversteller auszulagern, so dass in axialer Richtung des Nockenwellenverstellers bzw. der Nockenwelle 24 gesehen weniger Bauraum für den Nockenwellenversteller benötigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 12
- Flügelrad
- 14
- Flügel
- 16
- erster Druckraum
- 18
- zweiter Druckraum
- 20
- Innenwandung des Gehäuses 10
- 22
- Wandabschnitt des Gehäuses 10 neben Ausnehmungen
- 24
- Nockenwelle
- 26
- Antriebsrad
- 28
- Arbeitsfluid-Zuführkanal
- 30
- Arbeitsfluid-Pumpe
- 32
- Kanäle (32a, 32b, 32d)
- 32c
- Knotenpunkt
- 34
- erste Arbeitsfluid-Steuernut
- 36
- zweite Arbeitsfluid-Steuernut
- 38
- erster Dichtungsring
- 40
- zweiter Dichtungsring
- 42
- Steuerkanal
- 44
- Steuerkanal
- 46
- Steuerventil (3/3-Wege-Ventil)
- 48
- Rücklaufkanal
- 50
- Arbeitsfluid-Vorratstank
- 51
- Schraube
- 52
- Endstück der Nockenwelle
- 53
- Rückschlagventil
- 54
- Rückschlagventil
- 55
- Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007035671 A1 [0002]
