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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Proportional-Wegeventile, die als Zentralventil insbesondere zu der Steuerung sogenannter Nockenwellenversteller eingesetzt werden können. Nockenwellenversteller dienen der Regelung des Betriebs eines Verbrennungsmotors, indem der Ladungswechsel gezielt beeinflusst wird: Eine Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle ändert deren Position in Relation zur Phasenlage der Kurbelwelle; somit lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile zu einem früheren bzw. späteren Zeitpunkt des durchlaufenen Kreisprozesses verschieben. Zentralventile verfügen über mehrere Schaltpositionen, mittels derer der Verlauf eines Druckmittpfades zwischen einem Zu- und Ablauf eingestellt werden kann – der Druckmittelstrom übt auf den Nockenwellenversteller eine Kraft aus, die von der Schaltposition abhängig ist und eine Verstellung in eine bestimmte Lage bewirkt. Die Güte der Regelung ist von der zuverlässigen Einstellung der relativen Phasenlage abhängig, woraus sich hohe Anforderungen an die Präzision des Steuerventils ergeben.
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Die
DE 10 2010 049 551 A1 zeigt ein Steuerventil für einen Nockenwellenversteller. Das Steuerventil umfasst ein Ventilgehäuse, das Öffnungen für einen Zulauf, einen Ablauf- und zwei Versorgungsanschlüsse aufweist; innerhalb des Ventilgehäuses ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben gelagert, der aus einem ringförmigen Grundkörper besteht. An einer seiner Stirnseiten weist der Steuerkolben eine Betätigungsfläche auf, die für eine Steuerkomponente vorgesehen ist. Der Steuerkolben ist aus einem Kunststoff gefertigt. Infolge der Verwendung beispielsweise eines duroplastischen Werkstoffs kann eine beträchtliche Gewichtsverminderung erreicht werden – die Verwendung eines Kunststoffs zeigt jedoch auch nachteilige Wirkungen, etwa in Bezug auf das Verschleißverhalten oder bezüglich der Einhaltung gestellter Anforderungen an die Fertigungstoleranzen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Steuerventil bereitzustellen, dessen Steuerkolben hinsichtlich seines Gewichts optimiert wird bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebsbedingungen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängige Ansprüche, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach umfasst die Erfindung ein Steuerventil für einen Nockenwellenversteller mit einem Ventilgehäuse, das Öffnungen für einen Zulauf-, einen Ablauf- und zwei Versorgungsanschlüsse aufweist, und mit einem axialbeweglich in einer Aufnahme des Ventilgehäuses geführten Steuerkolben, der zwei Steuerkanten aufweist sowie eine Betätigungsfläche zu der Kontaktierung mit einer Stößelstange einer Stelleinheit. Ein aus Kunststoff bestehender Grundkörper des Steuerkolbens trägt an seinem der Stelleinheit zugewandten Ende ein Ausgleichselement, das an seiner Stirnfläche die Betätigungsfläche bildet, wobei die axiale Position der Betätigungsfläche des Ausgleichselements in Bezug auf die Position des Grundkörpers (an einem Sollmaß) ausgerichtet werden kann.
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Nach Erkenntnis der Erfindung wird durch Einführung eines Ausgleichselementes ein bestehendes Spannungsverhältnis aufgelöst – auf besonders kostengünstige Weise: Die Erfindung hebt den Widerspruch auf, der bislang zwischen dem Wunsch nach einem besonders leichten Bauteil einerseits und den Anforderungen an Verschleißverhalten und Fertigungstoleranz andererseits bestanden hat. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Kunststoffwerkstoffs, womit ein besonders leichter Steuerkolben realisiert wird. An der besonders beanspruchten Betätigungsfläche findet das Ausgleichselement seinen Einsatz – das aufgrund von Fertigungstoleranzen bestehende Spiel zwischen der Betätigungsfläche des Steuerkolbens und der Stößelstange der Stelleinheit kann somit ausgeglichen werden bzw. die Gesamtlänge des Steuerkolbens an ein Sollmaß angepasst werden. Der Impuls infolge des Auftreffens der Stößelstange auf der Betätigungsfläche kann vermindert werden – mit positiven Folgen auf die Betriebsbedingungen und auf das Verschleißverhalten. Ein zusätzlicher Vorteil zeigt sich in der nun verwirklichten Möglichkeit, die axiale Länge des Steuerkolbens an einem geforderten Sollmaß ausrichten zu können – auch jenseits des Ausgleichs fertigungsbedingter Abweichungen. So ist etwa die Verwendung eines einheitlichen Grundkörpers, an dem idealerweise die Steuerkanten gebildet sind, für Steuerventile denkbar, die durch unterschiedliche axiale Maße gekennzeichnet sind. Auf diese Weise können die Fertigungskosten nochmals vermindert werden.
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Der Grundkörper des Steuerkolbens trägt das Ausgleichselement, indem dieses auf den Grundkörper geschoben wird. Ebenso denkbar ist jedoch auch das Tragen des Ausgleichselementes dergestalt, dass dieses von einer axialen Bohrung des Grundkörpers aufgenommen wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Ausgleichselement aus einem metallischen Werkstoff. Auf kostengünstige Art und Weise entsteht somit ein leichter Steuerkolben, dessen Betätigungsfläche sich durch eine besonders verschleißgünstige Oberfläche auszeichnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Ausgleichselement in Form einer Kappe gestaltet, die auf den Kolbenkopf aufgeschoben wird. Die Gestaltung in der vorgeschlagenen Form bietet den Vorteil, dass eine Fläche der Kappe über den gesamten Umfang mit dem Außenumfang des Steuerkolbens in Kontakt gebracht werden kann. Auf diese Art und Weise kann ein besonders sicherer Sitz und somit sichere Festlegung der axialen Position gewährleistet werden. Bei Verwendung eines metallischen Werkstoffs lässt sich die Kappe kostengünstig mittels eines spanlosen Arbeitsverfahrens herstellen, beispielswiese durch Tiefziehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die axiale Position der Kappe in Bezug auf die Position des Grundkörpers mithilfe einer Übermaßpassung festgelegt, wodurch Kappe und Grundkörper einen Pressverband bilden. Die axiale Länge des aus der Kombination Grundkörper und Kappe bestehenden Steuerkolbens kann somit an einem Sollmaß ausgerichtet werden. Das Bilden eines Pressverbandes ermöglicht auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine dauerhafte Verbindung.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Grundkörper des Steuerkolbens im Bereich seines Kolbenkopfes Fügerippen auf. Die Fügerippen ermöglichen ein leichtes Herstellen des Pressverbandes. Das Aufschieben der Kappe auf den Grundkörper kann weiter vereinfacht werden, indem eine Einführungsfase am Kolbenkopf oder an der Kappe oder an beiden gestaltet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Fügerippen sich axial erstreckend entlang des Umfangs des Kolbenkopfes angeordnet, wodurch Bereiche größeren Durchmessers gebildet werden, die Bereiche kleineren Durchmessers einschließen, wobei die Bereiche größeren Durchmessers in Bezug auf den Innendurchmesser der Kappe eine Übermaßpassung aufweisen und die Bereiche kleineren Durchmessers eine Spielpassung. In den Bereichen zwischen den – idealerweise mindestens drei – Fügerippen werden Bereiche mit radialem Spiel verwirklicht, wodurch ein Zwischenraum entsteht. In den Zwischenraum kann infolge des Fügens Material verdrängt werden, was die Herstellung des Pressverbandes erleichtert.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform betrifft ein Ausgleichselement in Form einer Kappe, deren axiale Position in Bezug auf die Position des Steuerkolbens mithilfe einer Klebverbindung festgelegt wird. Klebverbindungen bieten den Vorteil einer gleichmäßigen Spannungsverteilung an der Verbindungsstelle zwischen Grundköper und Kappe und gewährleisten deren dauerhafte Verbindung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließen das Ausgleichselement und der Grundkörper einen axialen Zwischenraum ein, mittels dessen ein Spiel zu der Ausrichtung der axialen Position des Ausgleichselements in Bezug auf die Position des Grundkörpers verwirklicht wird. Der axiale Zwischenraum ermöglicht eine Ausrichtung des Ausgleichselementes innerhalb eines vergrößterten Längenintervalls.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht der Grundkörper des Steuerkolbens aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Werkstoff. Die Verwendung eines duroplastischen Werkstoffs, beispielsweise Phenoplaste, verwirklicht einen beanspruchbaren Grundkörper, der den thermischen und mechanischen Anforderungen gerecht wird. Duroplaste gehören ebenso wie Thermoplaste zu den Polymerwerkstoffen, wobei erstere nach dem Aushärten im Gegensatz zu den thermoplastischen Werkstoffen nicht mehr verformt werden können. Der Steuerkolben kann aus einem Duroplast mit 85% Glasfaseranteil bestehen. Grundsätzlich ermöglicht die vorgeschlagene Kombination aus Grundkörper und Ausgleichselement jedoch eine Verminderung der Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften des Grundkörpers – diese Erkenntnis vergegenwärtigt erneut die positive Wirkung der vorgeschlagenen Ausführungsform auf die Herstellungskosten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht das Ausgleichselement aus einem metallischen Werkstoff, wobei die Werkstoffe des Ausgleichselementes und des Grundköpers so gewählt sind, dass ein abweichender Wärmeausdehnungskoeffizient die Festlegung des Ausgleichselements nicht auflöst. Der Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass infolge eines Temperaturanstiegs die Gewährleistung der festgelegten relativen Position des Ausgleichselementes gefährdet ist: Die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann dazu führen, dass Spannungen an der Verbindungsfläche zwischen Grundkörper und Ausgleichselement auftreten, denen die Verbindung nicht (positionsgetreu) standhält. Eine Auswahl der verwendeten Werkstoffe anhand ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten trägt also dazu bei, die axiale Ausrichtung zu gewährleisten.
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Das Steuerventil ist bevorzugt als Zentralventil zu der Steuerung eines Nockenwellenverstellers gestaltet – es ist also in einem Hohlraum der Nockenwelle angeordnet und dreht sich mit dieser. Nockenwellenversteller in der Bauweise eines Flügelzellenverstellers beinhalten als wesentliche Elemente einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist drehfest mit einem Antriebsrad verbunden und wird über einen Zugmitteltrieb von der Kurbelwelle angetrieben. Der Rotor bildet das Abtriebselement.
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Der Rotor ist konzentrisch zum Stator angeordnet und wird von diesem umgeben. Im Stator ist in Umfangsrichtung eine Einbuchtung angeordnet, die – ohne die Beweglichkeit zwischen Rotor und Stator in Umfangsrichtung einzuschränken – zu einem druckdichten Hohlraum verschlossen wird: seitlich durch einen Deckel bzw. durch eine seitliche Wandung und am Innendurchmesser durch die äußere Umfangswand des Rotors. In den Hohlraum greift ein Flügel ein, der fest mit dem Rotor verbunden ist und den Hohlraum in zwei druckdicht verschließbare Kammern A und B teilt. Durch gezielte Verbindung der Druckkammern A und B entweder mit dem Zuaufanschluss P oder dem Ablaufanschluss T lässt sich ein Druckunterschied erzeugen, wodurch eine Kraft auf den Flügel wirkt. Der Flügel wird also gemeinsam mit dem Rotor in Umfangsrichtung verschoben. Aus der Verschiebung des Rotors resultiert eine Änderung der Phasenlage der Nockenwelle im Verhältnis zu der Phasenlage der Kurbelwelle: Dreht sich die Nockenwelle im Uhrzeigersinn und eilt die Druckkammer B der Druckkammer A voraus, bewirkt eine Verstellung des Flügels in Richtung Druckkammer B eine Verstellung der Öffnungs- bzw. Schließzeiten zu einem früheren Zeitpunkt.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Funktionsgleiche Elemente der erläuterten Ausführungsformen werden mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt einen Ventilkolben in einem Steuerventil nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Ventilkolbens im Längsschnitt;
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3 zeigt eine Einzelheit aus der Schnittdarstellung des Ventilkolbens aus 2;
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4 zeigt eine Einzelheit aus einem Querschnitt des Ventilkolbens aus 2;
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Steuerventils.
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In 1 ist ein Steuerventil 1 nach dem gattungsgemäßen Stand der Technik beispielhaft gezeigt. Das Steuerventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2 und einem hohlzylindrischen Steuerkolben 3, der axialbeweglich in einem entsprechenden Hohlraum 4 des Ventilgehäuses 2 geführt ist. Das Ventilgehäuse 2 kann wiederum von einem Hohlraum einer Nockenwelle aufgenommen werden und der Steuerung eines Nockenwellenverstellers dienen (nicht gezeigt). Das Ventilgehäuse 2 weist an seinem Außenumfang drei axial zueinander beabstandete Ringnuten 5 auf, an denen Durchtrittsöffnungen 5 angeordnet sind. Der Steuerkolben 3 ist ein beidseitig offener Hohlzylinder, an dessen Außenumfang zwei Abschnitte mit erweitertem Durchmesser 7, 8 angeordnet sind, die einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser 9 einschließen. Die Abschnitte mit erweitertem Durchmesser bilden die Steuerkanten 7, 8 – der Abschnitt mit verringertem Durchmesser bildet hingegen gemeinsam mit dem Innenumfang des Ventilgehäuses 2 einen umlaufenden Ringkanal 10. An seiner Stirnseite weist der Steuerkolben als Folge der Spritzgussherstellung einen Anspritzpunkt 11 auf.
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Zu der Steuerung eines Nockenwellenverstellers kann das Steuerventil 1 unterschiedliche Schaltpositionen einnehmen, die durch den tatsächlichen Verlauf möglicher Druckmittelpfade gekennzeichnet sind. Die Verwirklichung einer Schaltposition erfolgt mithilfe einer (nicht gezeigten) Stellvorrichtung, bei der es sich in der Regel um einen elektromagnetisch betätigten Aktuator handelt. Eine mit einem Anker des Elektromagneten verbundene Stößelstange wird mit einer Betätigungsfläche 12 an der Stirnseite des Steuerkolbens 3 in Kontakt gebracht – die auf den Anker wirkende Kraft wird somit über die Stößelstange auf den Steuerkolben 3 übertragen und bewirkt somit dessen axiales Verschieben entgegen der Kraft einer (nicht gezeigten) Feder. Mögliche Druckmittelpfade verlaufen über den Zulaufanschluss P, der mittels einer Pumpe mit Druckmittel gespeist wird. Über den umlaufenden Ringkanal, dem Druckmittelverteilraum 10, gelangt Druckmittel entweder zu dem Versorgungsanschluss A oder dem Versorgungsanschluss B – und von dort zu der Arbeitskammer A bzw. B eines Nockenwellenverstellers. Der tatsächliche Verlauf des Druckmittelpfades ist somit von der Schaltposition des Steuerventils 1 abhängig, also von der relativen Lage des Steuerkolbens 3: Über die Steuerkanten 7, 8 können die Durchtrittsöffnungen 6 gesperrt oder freigegeben werden – neben einer vollständigen Sperrung beider Versorgungsanschlüsse A und B durch Überdeckung der Durchtrittsöffnungen 6 mittels der Steuerkanten 7, 8 können somit die Versorgunganschlüsse und daran anschließend die Arbeitskammern des Nockenwellenverstellers entweder mit dem Zulaufanschluss P oder dem Ablaufanschluss T verbunden werden.
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In 2 ist eine Ausführungsform des Steuerkolbens 3 im Längsschnitt gezeigt. Der Steuerkolben 3 geht aus der Kombination eines Grundkörpers 13 mit einem Ausgleichselement 14 hervor. Der aus Kunststoff hergestellt Grundkörper 13 besteht im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Rohrabschnitt und weist am Kolbenboden 15 eine bodenseitige Öffnung 16 auf. An seinem dem Boden abgewandten Ende befindet sich der Kolbenkopf 17 – auch hier sind Druckmittelöffnungen 18 vorgesehen, die über den Kolbenhohlraum 19 mit der bodenseitigen Öffnung 16 in Verbindung stehen. Am Außenumfang des Grundkörpers 13 sind zudem eine erste und eine zweite Steuerkante 7, 8 in Form zweier Bereiche mit erweitertem Durchmesser gebildet. Die Bereiche erweiterten Durchmessers schließen einen Bereich verminderten Durchmessers ein, der – gemeinsam mit dem Innenumfang des Ventilgehäuses, einen umlaufenden Ringkanal 10 bildet. Ein Ausgleichselement 14 ist am Kolbenkopf 17 auf den Grundkörper 13 geschoben. Das Ausgleichselement ist hier in der Form einer Kappe 14 gezeigt, deren Umfangswand den Kolbenkopf 17 vollständig umschließt. Die Kappe 14 ist tiefgezogen aus einem metallischen Werkstoff gefertigt und weist stirnseitig eine Betätigungsfläche 12 auf. Die Charakteristik der Formgestaltung ist in der Einzelheit 20 gezeigt.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt des in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiels. Dargestellt ist ein Abschnitt des Kolbenkopfes 17, auf den das Ausgleichselement 14 aufgeschoben ist. An der Stirnseite des Kolbenkopfes 17 und am Rand der Kappe 14 sind jeweils Einführfasen 21, 22 vorgesehen, die das Aufschieben der Kappe 14 erleichtern. Die Stirnseite des Kolbenkopfes 17 und der Boden der Kappe 14 schließen einen Zwischenraum ein, wodurch ein axialer Spalt 23 entsteht. Der axiale Spalt 23 verwirklicht ein Spiel in axialer Richtung, so dass die Länge des aus Grundkörper 13 und Kappe 14 bestehenden Steuerventils 1 an einem Sollmaß ausgerichtet werden kann. Darüber hinaus ist auch ein radialer Spalt 24 zwischen Außenumfang des Grundkörpers 13 bzw. Kolbenkopfes 17 und Innenumfang der Kappe 14 dargestellt. Dieses radiale Spiel ermöglicht die Aufnahme von Material, das infolge des Aufpressens der Kappe 14 auf den Kolbenkopf 17 verdrängt wird. Das verdrängte Material hat seinen Ursprung in Fügerippen 25, die das Herstellen eines Pressverbandes erleichtern und in 4 veranschaulicht werden.
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In 4 ist eine Einzelheit des in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiels im Querschnitt. Deutlich erkennbar ist zum einen der radiale Spalt 24 zu der der Aufnahme verdrängten Materials. Der radiale Spalt 24 befindet sich in einem Bereich des Grundkörpers 13 bzw. Kolbenkopfes 17 mit vermindertem Durchmesser und wird von Bereichen vergrößerten Durchmessers eingeschlossen – die Bereiche vergrößerten Durchmessers bilden Fügerippen 25. Erforderlich für die Herstellung eines Pressverbandes ist also eine Übermaßpassung im Bereich der Fügerippen 25 in Bezug auf den Innendurchmessers der Kappe 14.
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Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Steuerventils 1. Am Grundkörper 13 sind vier über den Umfang verteilte Fügerippen 25 gebildet, die sich in axialer Richtung entlang des Kolbenkopfes 17 erstrecken. Aus Fertigungsgründen können die Fügerippen 25 über den gesamten Bereich des Kolbenkopfes verlaufen. Auf dem Kolbenkopf 17 sitzt eine Kappe 14, die als Ausgleichselement dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Steuerkolben
- 4
- Hohlraum
- 5
- Ringnut
- 6
- Durchtrittsöffnung
- 7
- erste Steuerkante
- 8
- zweite Steuerkante
- 9
- Abschnitt verringerten Durchmessers
- 10
- umlaufender Ringkanal, Druckmittelverteilraum
- 11
- Anspritzpunkt
- 12
- Betätigungsfläche
- 13
- Grundkörper
- 14
- Kappe, Ausgleichselement
- 15
- Kolbenboden
- 16
- bodenseitige Öffnung
- 17
- Kolbenkopf
- 18
- Druckmittelöffnung
- 19
- Kolbenhohlraum
- 20
- Einzelheit
- 21
- Einführfase an dem Kolbenkopf
- 22
- Einführfase an der Kappe
- 23
- axialer Spalt, Zwischenraum
- 24
- radialer Spalt
- 25
- Fügerippe
- A
- Versorgungsanschluss A
- B
- Versorgungsanschluss B
- P
- Zulaufanschluss
- T
- Ablaufanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010049551 A1 [0002]
