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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Nockenwellen und einem Phasensteller, wobei der Phasensteller ein Antriebsrad, einen ersten Aktuator, der mit einer ersten der Nockenwellen drehfest verbunden ist, und einen zweiten Aktuator, der mit einer zweiten der Nockenwellen drehfest verbunden ist, umfasst, wobei durch eine Verstellung des ersten und/oder des zweiten Aktuators ein Phasenwinkel bezüglich des Antriebsrads eingestellt werden kann.
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Der Ventiltrieb für eine Kolben-Brennkraftmaschine umfasst jeweils mindestens ein, regelmäßig zwei Einlass- und Auslassventile für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine. Diese Einlass- und Auslassventile werden über Nockenwellen gesteuert, wobei bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Ventilen pro Zylinder regelmäßig zwei Nockenwellen zum Einsatz kommen. Vielfach ist die Anordnung dieser Nockenwellen derart, dass eine davon sämtliche Einlassventile und die andere sämtliche Auslassventile steuert.
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Es ist bekannt, zur Verbesserung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine die. Ventilsteuerzeiten der einzelnen Einlass- und/oder Auslassventile dadurch zu verändern, dass die Phasenwinkel der diese steuernden Nockenwellen verstellt werden. Hierzu wird die jeweilige Nockenwelle mittels eines Phasenstellers gegenüber einem Antriebsrad, über das diese rotierend angetrieben wird, um einen definierten Winkel, den Phasenwinkel, verdreht, wodurch die Ventilsteuerzeiten der damit angesteuerten Ventile in Richtung „früh” oder „spät” verstellt werden können.
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Bekannt sind weiterhin Brennkraftmaschinen, bei denen die Nockenwellen jeweils sowohl Einlass- als auch Auslassventile steuern. Diese werden vielfach als „gemischte Nockenwellen” bezeichnet. Prinzipiell führt eine Phasenverstellung einer solchen (einfachen) gemischten Nockenwellen zu einer Änderung der Ventilsteuerzeiten von sowohl den gesteuerten Einlass- als auch Auslassventilen und zwar in derselben Richtung und mit demselben Phasenwinkel. Dies ist in vielen Fallen jedoch nicht gewünscht. Vielmehr sollten die Ventilsteuerzeiten der Einlass- und Auslassventile unabhängig steuerbar sein. Dies wird für gemischte Nockenwellen dadurch erreicht, dass diese in Form von doppelten Nockenwellen, sogenannten Cam-in-Cam-Nockenwellen, ausgebildet sind. Diese bestehen aus einer Außenwelle und einer innerhalb der Außenwelle gelagerten Innenwelle, wobei sowohl die Innen- als auch die Außenwelle mit Nocken für die Steuerung der Einlass- und Auslassventile versehen sind. Die Nocken der Innenwelle ragen dabei durch Öffnungen in der Außenwelle. Mittels eines Phasenstellers, der die Innen- und die Außenwelle unabhängig voneinander verdrehen kann, besteht dann die Möglichkeit, die Steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile unabhängig voneinander zu verstellen.
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Ein solcher Phasensteller ist beispielsweise aus der
US 7,841,311 B2 bekannt. Dieser umfasst ein Antriebsrad, das über beliebige Antriebsmittel (Zahnrad, Zahnriemen, Steuerkette) rotierend von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Rotation des Antriebsrads wird über zwei Flügelräder auf eine doppelte Nockenwelle übertragen, wobei eines der Flügelräder auf die Innenwelle und das andere Flügelrad auf. die Außenwelle der Nockenwelle wirkt. Die Flügelräder sind in Grenzen innerhalb eines ebenfalls von dem Antriebsrad rotierend angetriebenen Gehäuses verdrehbar, wodurch eine Phasenverstellung der mit den Flügelrädern verbundenen Innenwelle und Außenwelle gegenüber dem Antriebsrad erreicht werden kann. Die Verstellung der beiden Flügelräder innerhalb des Gehäuses erfolgt hydraulisch und unabhängig voneinander, d. h. die Phasenstellung der einen Welle hat keinen Einfluss auf die Verstellbarkeit der anderen Welle. Mit dem aus der
US 7,841,311 B2 bekannten Phasensteller ist es somit möglich, die Phasenverstellung von Innen- und Außenwelle einer doppelten Nockenwelle vollkommen unabhängig voneinander zu steuern. Nachteilig an diesem Phasensteller ist der hohe konstruktive Aufwand sowie der hohe steuerungstechnische Aufwand für die unabhängige Phasenverstellung der beiden Wellen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten gattungsgemäßen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine anzugeben. Insbesondere sollte sich dieser durch einen konstruktiv einfach ausgebildeten Phasenstellers auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Ventiltrieb gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, der mindestens zwei Nockenwellen und einen Phasensteller aufweist, wobei der Phasensteller ein Antriebsrad, einen ersten Aktuator, der mit einer ersten der Nockenwellen drehfest verbunden ist, und einen zweiten Aktuator, der mit einer zweiten der Nockenwellen drehfest verbunden ist, aufweist, wobei durch eine Verstellung des ersten und/oder des zweiten Aktuators ein Phasenwinkel bezüglich des Antriebsrads eingestellt werden kann, dadurch weiterzubilden, dass die Verstellung des zweiten Aktuators in Abhängigkeit von der Verstellung des ersten Aktuators erfolgt. Mit anderen Worten, der erste und der zweite Aktuator sind miteinander direkt oder indirekt über ein Koppelelement gekoppelt oder verbunden, insbesondere mechanisch oder elektrisch.
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Anders als bei dem Phasensteller gemäß der
US 7,841,311 B2 ist somit gerade nicht vorgesehen, die beiden von den Aktuatoren angesteuerten Nockenwelle vollkommen unabhängig voneinander zu verstellen bzw. verstellen zu können, sondern vielmehr eine Verstellung einer der Nockenwelle von einer definierten Stellung der anderen Nockenwelle abhängig zu machen. Diesem Ansatz liegt der Gedanke zugrunde, dass es für einen Betrieb einer mit einem solchen Ventiltrieb versehenen Brennkraftmaschine regelmäßig nicht erforderlich ist, die Ventile vollständig unabhängig voneinander steuern zu können und dass durch einen Verzicht auf diese Möglichkeit der unabhängigen Steuerung nicht nur der konstruktive Aufwand für den Phasensteller reduziert werden kann, sondern zudem auch der Regelungsaufwand deutlich geringer ausfällt, wodurch der Rechenaufwand für das für diesen Zweck vorgesehene Steuerungsgerät gering gehalten werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Phasensteller hydraulisch betätigt ist. Ein Verdrehen der einzelnen Nockenwelle kann dann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine oder zwei Druckkammern, die (jeweils) von einer Seite von einem verschwenkbaren, mit der jeweiligen Nockenwelle verbundenen Stellelement begrenzt werden, mit der Hydraulikflüssigkeit befüllt oder entleert werden. Bei zwei, von dem Stellelement getrennten Druckkammern, kann durch ein abwechselndes Befüllen/Entleeren der Druckkammern ein rein hydraulisches Verdrehen der jeweiligen Nockenwelle in beide Richtung realisiert werden. Kommt nur eine Druckkammer zum Einsatz, kann vorgesehen sein, dass ein Befüllen dieser Druckkammer zu einem Verschwenken des Stellelements gegen eine Federkraft erfolgt, die dann – beim Entleeren der Druckkammer – für eine sichere Rückstellung sorgt.
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Selbstverständlich besteht alternativ die Möglichkeit, den Phasensteller bei weitgehend gleicher Konstruktion pneumatisch und nicht hydraulisch zu bestätigen. Der wesentliche Vorteil der hydraulischen Betätigung liegt jedoch in der Inkompressibilität der Hydraulikflüssigkeit, wodurch auf relativ einfache Weise die erforderliche Genauigkeit für die Verstellung erreicht werden kann.
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Neben einer hydraulischen oder pneumatischen Betätigung des Phasenstellers besteht selbstverständlich alternativ auch die Möglichkeit, diesen mechanisch und/oder elektrisch zu betätigen. Zudem besteht weiterhin die Möglichkeit, die beiden Aktuatoren auf unterschiedliche Art zu betätigen, beispielsweise einen der Aktuatoren hydraulisch und den anderen mechanisch oder elektrisch.
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Eine konstruktiv einfache und bevorzugte Möglichkeit zur Realisierung einer Abhängigkeit der Verstellung des zweiten Aktuators von einer Verstellung des ersten Aktuators kann bei einem hydraulischen (oder pneumatischen) Phasensteller dadurch erreicht werden, dass dieser zumindest ein Ventil umfasst, das in Abhängigkeit von einer Stellung des ersten Aktuators geschlossen oder geöffnet ist und dadurch die entsprechende Versteilung des zweiten Aktuators bewirkt. Das Ventil kann dabei insbesondere als einfache Öffnung ausgeführt sein, die in Abhängigkeit von der Stellung eines beweglichen (insbesondere verschwenkbaren) Stellelements des ersten Aktuators mit einer mit Hydraulikflüssigkeit (oder Druckluft) gefüllten Druckkammer verbunden oder von dieser getrennt ist.
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Zur weiteren Vereinfachung der Konstruktion des Phasenstellers und des Regelungsaufwands kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verstellung des zweiten Aktuators lediglich digital, d. h. zwischen zwei Verstellpositionen, erfolgt.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einem kleinen und/oder großen Phasenwinkel des (in einem definierten Phasenwinkelbereich verstellbaren) ersten Aktuators ein kleiner Phasenwinkel des zweiten Aktuators eingestellt wird und/oder bei einem mittleren Phasenwinkel des ersten Aktuators ein großer Phasenwinkel des zweiten Aktuators eingestellt wird. Dabei ist die Phasenwinkelrichtung vorzugsweise so, dass ein kleiner Phasenwinkel frühen Steuerzeiten und ein großer Phasenwinkel späten Steuerzeiten der mit der entsprechenden Nockenwelle gesteuerten Ventile der Brennkraftmaschine entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventiltriebs ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Nockenwelle in Form einer Außenwelle und einer innerhalb der Außenwelle angeordneten Innenwelle ausgebildet ist. Die beiden Nockenwelle bilden demnach eine doppelte Nockenwelle aus, wobei der Phasensteller eine zwar voneinander abhängige, jedoch nicht zwangsweise gleichgerichtete und gleichgroße Verstellung der Innen- und Außenwelle der doppelte Nockenwelle bewirkt. Der Phasensteller des erfindungsgemäßen Ventiltriebs ist somit auch vorteilhaft für sogenannte gemischte (doppelte) Nockenwelle geeignet, bei denen die Innenwelle die eine Art der Ventile (Einlass- oder Auslassventile) und die Außenwelle die andere Art der Ventile steuert. Vorzugsweise ist demnach vorgesehen, dass der ersten Nockenwelle zumindest ein Einlassventil und der zweite Nockenwelle zumindest ein Auslassventil zugeordnet ist.
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Eine bevorzugte konkrete Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile eines solchen erfindungsgemäßen Ventiltriebs mit einer gemischten (doppelten) Nockenwelle kann vorsehen, dass der erste Aktuator einen Gesamtverstellbereich für den Phasenwinkel von 0° bis ca. 50° aufweist, wobei eine Stellung des ersten Aktuators in einem kleinen Phasenwinkel, insbesondere in einem Bereich zwischen 0° und 10°, zu einer Stellung des zweiten Aktuators mit einem großen Phasenwinkel führt. Demnach werden vorzugsweise „frühe” Steuerzeiten für die Einlassventile mit „späten” Steuerzeiten für die Auslassventile der Brennkraftmaschine kombiniert. Dieser Steuerzeiten können insbesondere bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (nahe) bei Volllast und niedrigen Drehzahlen vorgesehen sein, um eine maximale Expansionsarbeit in den Zylindern auszunutzen. Dadurch kann der spezifische Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gering gehalten werden.
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Bei einer Stellung des ersten Aktuators in einem mittleren Phasenwinkel, insbesondere in einem Bereich zwischen ca. 10° und ca. 25°, kann dann vorzugsweise vorgesehen zu sein, dass der zweite Aktuators hin zu einem kleinen Phasenwinkel verstellt wird. Dies kann insbesondere bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (nahe) bei Volllast und bei hohen Drehzahlen vorgesehen sein. Die „frühen” Steuerzeiten für die von der zweiten Nockenwelle gesteuerten Auslassventile gewährleisten dann einen ausreichenden Ladungswechsel in den Brennräumen der Brennkraftmaschine.
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Bei einer Stellung des ersten Aktuators in einem großen Phasenwinkel, insbesondere in einem Bereich von ca. 25° bis ca. 50° kann dann weiterhin vorgesehen zu sein, dass der zweite Aktuators (wieder) hin zu einem großen Phasenwinkel verstellt wird. Dies kann insbesondere bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in Teillast vorgesehen sein, um einen sogenannten „Miller-Cycle” für eine bessere Ausnutzung der Expansionsarbeit zu erreichen.
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Als eine Möglichkeit zur konstruktiv einfachen Lagerung der Wellen einer doppelten Nockenwelle kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Innenwelle, die vorzugsweise für eine Steuerung der Einlassventile der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, mit dem ersten Aktuator verbunden ist, während die für die Steuerung der Auslassventile vorgesehene Außenwelle mit dem zweiten Aktuator verbunden ist.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventiltriebs ist vorgesehen, den Phasensteller des erfindungsgemäßen Ventiltriebs mit zwei doppelten Nockenwellen zu kombinieren, d. h. sowohl die erste als auch. die zweite Nockenwelle sind in Form einer Außenwelle und einer innerhalb der Außenwelle angeordneten Innenwelle ausgebildet, wobei der erste Aktuator mit der Innen- oder Außenwelle der einen Nockenwelle und der zweite Aktuator mit der Innen- oder Außenwelle der zweiten. Nockenwelle verbunden ist. Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn die beiden Nockenwellen nicht „gemischt” ausgelegt sind, d. h. jeweils nur entweder lediglich Einlass- oder Auslassventilen steuern. Die Abhängigkeit der Verstellung des zweiten Aktuators von dem ersten Aktuators ist dann vorzugsweise derart, dass bei großen Phasenwinkel des ersten Aktuators, der vorzugsweise mit derjenigen Nockenwelle verbunden ist, denen die Einlassventile zugeordnet sind (d. h. bei „späten” Steuerzeiten für die Einlassventile)., ein kleiner Phasenwinkel des zweiten Aktuators realisiert wird (d. h. „frühe” Steuerzeiten für die Auslassventile).
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Selbstverständlich besteht zudem die Möglichkeit, die zwei Aktuatoren des erfindungsgemäßen Ventiltriebs mit zwei Nockenwellen, die nicht doppelt und/oder nicht gemischt sind, auszubilden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1: in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs.
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Die 1 zeigt in einer schematisch Darstellung die wesentlichen Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs, Dieser umfasst eine Nockenwelle 10, die in Form einer doppelten, gemischten Nockenwelle ausgebildet ist. Hierzu umfasst die Nockenwelle eine Außenwelle 12 mit mehreren, über die Länge verteilt angeordneten Nocken 14, die zur Steuerung von Auslassventilen einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Innerhalb der Außenwelle 12 ist eine Innenwelle 16 drehbar gelagert. Auch auf der Außenseite der Innenwelle 16 sind mehrere, über deren Länge verteilte Nocken 18 angeordnet, die einer Steuerung von Einlassventilen der Brennkraftmaschine dienen.
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Mit ihrem einen Ende ist die Nockenwelle
10 mit einem Phasensteller
20 verbunden. Der Phasensteller umfasst zwei Aktuatoren, von denen ein erster mit der Innenwelle
16 und ein zweiter mit der Außenwelle
12 der Nockenwelle
10 drehfest verbunden ist. Die Aktuatoren weisen Rotoren
22 mit Verstellflügeln (im vorliegenden Fall jeweils insgesamt vier) auf, die mit Wänden eines Gehäuses
24 des Phasenstellers Druckkammern ausbilden. Die Größe der Druckkammern ist durch eine Verdrehung des jeweiligen Rotors
22 veränderlich. Diese Verdrehung wird realisiert, indem alle oder einzelne, den jeweiligen Rotoren
22 zugeordnete Druckkammern mit einer Hydraulikflüssigkeit (unter einem definierten Druck) befüllt werden. Hinsichtlich der konstruktiven Details, insbesondere der Rotoren
22 und der mit dem Gehäuse
24 ausgebildeten. Druckkammern, kann der Phasensteller entsprechend dem aus der
US 7,841,311 B2 bekannten Phasensteller ausgebildet sein.
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Durch ein Verdrehen der beiden Rotoren 22 wird ein Phasenwinkel bezüglich eines mit dem Gehäuse verbundenen Antriebsrads 26 eingestellt, das von einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierend angetrieben wird. Dieser Phasenwinkel wird durch die drehfeste Verbindung der Rotoren 22 mit der jeweiligen Innen- 16 bzw. Außenwelle 12 auf die entsprechenden Nocken übertragen, wodurch die Steuerzeiten der durch die Nocken gesteuerten Einlass- und Auslassventile verändert wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das die Verstellung des zweiten Aktuators in Abhängigkeit von der Stellung des ersten Aktuators erfolgt. Dazu sind Ventilöffnungen und Überströmleitungen 28 (schematisch dargestellt durch einen Pfeil) vorgesehen. Je nach Stellung des Rotors 22 des ersten Aktuators werden einzelne der Ventilöffnungen freigegeben und dadurch einzelne der von dem ersten Rotor 22 und dem Gehäuse 24 ausgebildete Druckkammern mit einzelnen der Überströmleitungen verbunden. Dadurch kann Hydraulikflüssigkeit, die in den Druckkammern des ersten Aktuators vorhanden ist, in die freigegebenen Druckkammern des zweiten Aktuators strömen und diesen entsprechend verstellen.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Aktuator einen Verstellbereich von 0° bis ca. 50° aufweist. Dabei steigt der Phasenwinkel in Rotationsrichtung des ersten Aktuators an, so dass eine größer werdender Phasenwinkel mit einer Verstellung der Steuerzeiten der damit gesteuerten Ventile nach „spät” einhergeht. Sofern der Rotor des ersten Aktuators in einem Bereich zwischen 0° und 10° steht, was als „frühe” Steuerzeiten der von den Nocken der Innenwelle gesteuerten Einlassventile angesehen werden kann, werden über entsprechend freigegebene Überströmleitungen 28 diejenigen Druckkammern des zweiten Aktuators befüllt, die den Rotor des zweiten Aktuators (bis zu einem definierten Anschlag) in Richtung der allgemeinen Drehrichtung und folglich hin zu einem als groß definierten Phasenwinkel verdrehen. Die Steuerzeiten der von den Nocken 14 der Außenwelle 12 gesteuerten Auslassventile werden demnach nach „spät” verändert. Diese Phasenwinkel der beiden Aktuatoren sind bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (nahe) bei Volllast und niedrigen Drehzahlen vorgesehen, um eine maximale Expansionsarbeit in den Zylindern auszunutzen. Dadurch kann der spezifische Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gering gehalten werden.
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Bei einer Stellung des Rotors des ersten Aktuators in einem Bereich zwischen ca. 10° und ca. 25° ist vorgesehen, dass der Rotor 22 des zweiten Aktuators durch ein entsprechendes Befüllen der Druckkammern des zweiten Aktuators (bis zu einem definierten Anschlag) entgegen der allgemeinen Drehrichtung verstellt wird. Es ergeben sich somit „frühe” Steuerzeiten für die Auslassventile. Dies ist bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (nahe) bei Volllast und bei hohen Drehzahlen vorgesehen sein. Die „frühen” Steuerzeiten der Auslassventile gewährleisten dann einen ausreichenden Ladungswechsel in den Brennräumen der Brennkraftmaschine.
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Bei einer Stellung des Rotors 22 des ersten Aktuators in einem Bereich von ca. 25° bis ca. 50° ist vorgesehen, dass der Rotor 22 des zweiten Aktuators (wieder) hin zu einem großen Phasenwinkel verstellt wird. Dies ist bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit Teillast vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nockenwelle
- 12
- Außenwelle
- 14
- Nocken
- 16
- Innenwelle
- 18
- Nocken
- 20
- Phasensteller
- 22
- Rotor
- 24
- Gehäuse
- 26
- Antriebsrad
- 28
- Überströmleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7841311 B2 [0005, 0005, 0009]
- US 784131162 [0026]
