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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine.
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Es sind bereits Brennkraftmaschinen mit einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle mit zumindest einem mehrspurigen Nocken, und einem Nockenwellenantrieb, der die Nockenwelle und die Kurbelwelle miteinander verbindet, bekannt, wobei der Nockenwellenantrieb ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle bereitstellt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem geringen Kraftstoffverbrauch bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Anspruch 5 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle mit zumindest einem mehrspurigen Nocken, und einem Nockenwellenantrieb, der die Nockenwelle und die Kurbelwelle miteinander verbindet.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Nockenwellenantrieb eine Umschalteinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle zu verändern. Es kann dadurch eine zusätzliche Betriebsart der Brennkraftmaschine mit zusätzlichen Arbeitstakten während einer Nockenwellenumdrehung zur Verfügung gestellt werden, in denen eine Zylinderteilabschaltung durchgeführt werden kann. Dadurch kann eine Kraftstoffeinsparung erreicht werden. Ferner kann die zusätzliche Betriebsart ohne eine Ausführung zusätzlicher Nockenspuren auf der Nockenwelle erreicht werden, wodurch ein Bauraumbedarf für die Nockenwelle verringert werden kann. Unter einem „mehrspurigen Nocken” soll in diesem Zusammenhang ein Nocken verstanden werden, der zumindest einen Nocken mit zumindest zwei Nockenspuren aufweist, die zur Betätigung eines einzelnen Gaswechselventils mit unterschiedlichen Ventilhüben und/oder unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten vorgesehen sind.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Nockenwellenantrieb ein Planetengetriebe aufweist, das für eine Einstellung von zumindest zwei Übersetzungsverhältnissen zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle vorgesehen ist. Dadurch kann eine einfache Konstruktion für das Verändern des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle bereitgestellt werden. Unter einem „Planetengetriebe” soll in diesem Zusammenhang ein Getriebe mit drei Getriebeelementen zur Einleitung und/oder Ausleitung von Drehmomenten verstanden werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst das Planetengetriebe ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenträger als Getriebeelemente und mehrere Planetenräder, die mit dem Sonnenrad kämmen und an dem Planetenträger drehbar gelagert sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Umschalteinheit dazu vorgesehen ist, mittels des Planetengetriebes in Verbindung mit dem Übertragungssystem zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle einen Wert von 2:1 und einen Wert von 4:1 für das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle einzustellen. Dadurch kann eine zusätzliche Betriebsart der Brennkraftmaschine erreicht werden, bei der eine Zeitdauer, in der der Zylinder abgeschaltet ist, gleich groß ist wie eine Zeitdauer, in der der Zylinder betrieben wird. Es kann damit eine gleichmäßige Belastung der Zylinder erreicht werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine mehrspurige Nocken eine Nockenspur aufweist, die dazu vorgesehen ist, im Zusammenwirken mit dem zweiten Übersetzungsverhältnis eine Zylinderteilabschaltung zu realisieren. Es kann dadurch eine Kraftstoffeinsparung erzielt werden. Unter einer „Zylinderteilabschaltung” soll in diesem Zusammenhang ein Betrieb der Brennkraftmaschine verstanden werden, bei dem zumindest ein Zylinder der Brennkraftmaschine in aufeinanderfolgenden Zyklen abwechselnd betrieben und abgeschaltet wird. Unter einem „Arbeitszyklus” soll in diesem Zusammenhang ein Zyklus des Zylinders aus mehreren Arbeitstakten verstanden werden, in dem ein vorgesehener Betriebsablauf in dem Zylinder abläuft, der sich periodisch wiederholt. Insbesondere kann der Arbeitszyklus als Normalzyklus, in dem eine Verbrennung erfolgt, oder als Zusatzzyklus, in dem eine Verbrennung mit anderen Betriebsparametern als im Normalzyklus erfolgt oder in dem der Zylinder beispielsweise abgeschaltet ist, ausgeführt sein. Der Arbeitszyklus kann beispielsweise zwei oder vier Arbeitstakte umfassen. Unter einem „Arbeitstakt” soll in diesem Zusammenhang ein Zeitraum verstanden werden, in dem eine vollständige Abwärts- oder Aufwärtsbewegung eines Kolbens in dem Zylinder erfolgt. Ein Arbeitstakt entspricht einer halben Umdrehung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Unter einem „Normalzyklus” soll in diesem Zusammenhang ein Zyklus des Zylinders verstanden werden, in dem in dem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder Brennluft, die zur Verbrennung mit direkt eingespritztem Kraftstoff vorgesehen ist, angesaugt, zu einem zündfähigen Gemisch verdichtet und gezündet wird und anschließend Verbrennungsprodukte ausgestoßen werden. Bevorzugt weisen der Normalzyklus und der Zusatzzyklus eine identische Länge von Arbeitstakten auf. Grundsätzlich sind jedoch auch unterschiedliche Längen von Arbeitstakten möglich.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle mit zumindest einem mehrspurigen Nocken, und einen Nockenwellenantrieb umfasst, der die Nockenwelle und die Kurbelwelle miteinander verbindet und der eine Umschalteinheit aufweist, wobei in zumindest einem Betriebszustand ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle mittels der Umschalteinheit verändert wird. Es kann dadurch eine zusätzliche Betriebsart der Brennkraftmaschine mit zusätzlichen Arbeitstakten während einer Nockenwellenumdrehung zur Verfügung gestellt werden, in denen eine Zylinderteilabschaltung durchgeführt werden kann. Dadurch kann eine Kraftstoffeinsparung erreicht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine 10 mit einer Kurbelwelle 11, einer Nockenwelle 12 und einem Nockenwellenantrieb 19, der die Nockenwelle 12 und die Kurbelwelle 11 miteinander verbindet. Der Nockenwellenantrieb 19 umfasst ein lediglich schematisch dargestelltes Übertragungssystem 32, das an die Kurbelwelle 11 angebunden ist und das eine Drehung der Kurbelwelle 11 überträgt. Das Übertragungssystem 32 kann beispielsweise als Stirnradtrieb, als Kettentrieb oder als Riementrieb ausgeführt sein. Die Nockenwelle 12 weist zwei mehrspurige Nocken 13, 16 auf, die zur Betätigung von Gaswechselventilen 28, 29 von Zylindern 30 der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen sind. Die Nockenwelle 12 umfasst weitere, nicht näher dargestellte Nocken zur Betätigung von Gaswechselventilen weiterer, nicht näher dargestellter Zylinder der Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist für eine Verbrennung mit einem Viertaktzyklus, in dem ein Arbeitszyklus, in dem eine Verbrennung erfolgt, vier Arbeitstakte umfasst, vorgesehen. In alternativen Ausgestaltungen kann die Brennkraftmaschine 10 für eine Verbrennung mit einem Zweitaktzyklus vorgesehen sein, in dem ein Arbeitszyklus, in dem eine Verbrennung stattfindet, zwei Arbeitstakte umfasst.
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Der Nocken 13 ist zur Betätigung eines Gaswechselventils 28 vorgesehen, das ein Einlassventil des Zylinders 30 ausbildet. Der Nocken 13 weist zwei Nockenspuren 14, 15 zur Betätigung des Gaswechselventils 28 auf, die einen unterschiedlichen Ventilhub aufweisen und/oder unterschiedliche Ventilöffnungszeiten bewirken. In einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 betätigt die erste Nockenspur 14 das Gaswechselventil 28, und in einer zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 betätigt die zweite Nockenspur 15 das Gaswechselventil 28. Für eine Verstellung zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart umfasst die Brennkraftmaschine 10 eine Verstelleinrichtung 31, die die Nockenwelle 12 in Axialrichtung verstellt. Dadurch wird der Nocken 13 axial relativ zu dem Gaswechselventil 28 verstellt. Alternativ kann die Verstelleinrichtung 31 den Nocken 13 in Axialrichtung auf der Nockenwelle 12 verschieben.
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Der Nocken 16 ist zur Betätigung eines Gaswechselventils 29 vorgesehen, das ein Auslassventil des Zylinders 30 ausbildet. Der Nocken 16 weist zwei Nockenspuren 17, 18 zur Betätigung des Gaswechselventils 29 auf, die einen unterschiedlichen Ventilhub aufweisen und unterschiedliche Ventilöffnungszeiten bewirken. In der ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 betätigt die erste Nockenspur 17 das Gaswechselventil 29, und in einer zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 betätigt die zweite Nockenspur 18 das Gaswechselventil 29. Bei der Verstellung zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart werden die beiden Nocken 13, 16 gleichzeitig von der Verstelleinrichtung 31 relativ zu den Gaswechselventilen 28, 29 verstellt.
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Der Nockenwellenantrieb 19 weist eine Umschalteinheit 20 auf, die dazu vorgesehen ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 zu verändern. Durch eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 können beispielsweise zusätzliche Arbeitstakte für einen Zusatzzyklus des Zylinders 30 während einer Nockenwellenumdrehung gewonnen werden. In diesem Zusatzzyklus kann beispielsweise eine Zylinderabschaltung zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durchgeführt werden.
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Ein mögliche Ausführungsform besteht aus einem Nockenwellenantrieb 19, der ein Planetengetriebe 21 aufweist, das für eine Einstellung von zumindest zwei Übersetzungsverhältnissen zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 vorgesehen ist. Das Planetengetriebe 21 umfasst drei Getriebeelemente 22, 23, 26, die zur Einleitung und/oder Ausleitung von Drehmomenten vorgesehen sind. Das erste Getriebeelement 22 ist als ein Hohlrad ausgeführt, das zweite Getriebeelement 23 ist als ein Planetenträger ausgeführt und das dritte Getriebeelement 26 ist als ein Sonnenrad ausgeführt. Zusätzlich umfasst das Planetengetriebe 21 mehrere Planetenräder 24, 25, die mit dem als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelement 26 kämmen und an dem als Planetenträger ausgeführten zweiten Getriebeelement 23 gehalten sind. Das als Hohlrad ausgeführte erste Getriebeelement 22 ist über das Übertragungssystem 32 an die Kurbelwelle 11 angebunden. Die mit dem als Hohlrad ausgeführten ersten Getriebeelement 22 kämmenden Planetenräder 24, 25 übertragen eine Drehung des von der Kurbelwelle 11 angetriebenen Hohlrads 22 auf das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23. Das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23 ist mit der Nockenwelle 12 verbunden. Über eine Wirkkette aus erstem Getriebeelement 22, den Planetenrädern 24, 25 und dem zweiten Getriebeelement 23 wird die Drehung der Kurbelwelle 11 auf die Nockenwelle 12 übertragen. Das als Hohlrad ausgeführte erste Getriebeelement 22 und die Planetenräder 24, 25 weisen miteinander kämmende Verzahnungen auf, die dahingehend ausgelegt sind, dass sie ein Umlaufübersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 21 bei Zweiwellenbetrieb ausbilden, bei dem ein erstes Übersetzungsverhältnis von 2:1 zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 erreicht wird.
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Die Umschalteinheit 20 ist dazu vorgesehen, mittels des Planetengetriebes 21 einen Wert von 2:1 und einen Wert von 4:1 für das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 einzustellen. Die Umschalteinheit 20 umfasst für die Einstellung der Werte von 2:1 und von 4:1 für das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 mittels des Planetengetriebes 21 einen Stellantrieb 27. Der Stellantrieb 27 ist mit dem als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelement 26 des Planetengetriebes 21 verbunden und dazu vorgesehen, das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 für eine Bereitstellung des zweiten Übersetzungsverhältnisses von 4:1 anzutreiben. Dadurch wird das Planetengetriebe 21 von einem Zweiwellenbetrieb auf einen Dreiwellenbetrieb umgeschaltet, bei dem das als Hohlrad ausgeführte erste Getriebeelement 22 und das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 angetrieben werden, wobei die Getriebeelemente 22, 26 durch ihre Drehzahl eine Drehzahl des angetriebenen, als Planetenträger ausgeführten zweiten Getriebeelements 23 festlegen. Der Stellantrieb 27 treibt das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 in Gegenrichtung zu einer Drehrichtung des als Planetenträger 23 ausgeführten zweiten Getriebeelements an. Das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 wird über den Stellantrieb 27 mit einer Drehzahl angetrieben, bei der sich das als Planetenträger 23 ausgeführte zweite Getriebeelement mit halber Drehzahl gegenüber einer Drehzahl in dem Umlaufübersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 21 dreht. Dadurch wird das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 von dem ersten Übersetzungsverhältnis von 2:1 auf das zweite Übersetzungsverhältnis von 4:1 umgeschaltet.
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In alternativen Ausgestaltungen der Umschalteinheit 20 kann die Umschalteinheit 20 dazu vorgesehen sein, eine Umschaltung des Planetengetriebes 21 zwischen der Standübersetzung, mit der das zweite Übersetzungsverhältnis von 4:1 erreicht wird, und der Umlaufübersetzung, mit der das erste Übersetzungsverhältnis von 2:1 zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 erreicht wird, zu bewirken, indem eine Verblockung von Getriebeelementen des Planetengetriebes 21 aufgelöst oder durchgeführt wird. Beispielsweise könnte die Nockenwelle 12 an das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 anstatt an das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23 angebunden sein und anstelle des Stellantriebs 27 eine Schalteinheit vorgesehen sein, die je nach Schaltstellung das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23 mit dem als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelement 26 verbindet oder von diesem trennt. In der ersten Schaltstellung ist das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23 mit dem als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelement 26 verbunden, sodass das als Hohlrad ausgeführte erste Getriebeelement 22, das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 und das als Planetenträger ausgeführte zweite Getriebeelement 23 gemeinsam miteinander rotieren und so die Drehzahl des als Hohlrad ausgeführten ersten Getriebeelements 22 auf das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 und damit auf die Nockenwelle 12 übertragen wird. In der zweiten Schaltstellung ist das als Planetenträger ausgeführte dritte Getriebeelement 23 von dem als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelement 26 getrennt, sodass eine Drehung des als Hohlrad ausgeführten ersten Getriebeelements 22 über die Planetenräder 24, 25 auf das als Sonnenrad ausgeführte dritte Getriebeelement 26 übertragen wird, wobei eine andere Übersetzung der Drehung durch Wahl von passenden Verzahnungen des als Hohlrad ausgeführten ersten Getriebeelements 22, der Planetenräder 24, 25 und des als Sonnenrad ausgeführten dritten Getriebeelements 26 erreicht wird.
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Die erste Nockenspur 14, 17 der Nocken 13, 16 ist dazu vorgesehen, bei dem ersten Übersetzungsverhältnis die Gaswechselventile 28, 29 zu betätigen. Die zweite Nockenspur 15, 18 der Nocken 13, 16 ist dazu vorgesehen, bei dem ersten Übersetzungsverhältnis und dem zweiten Übersetzungsverhältnis die Gaswechselventile 28, 29 zu betätigen. Die zweite Nockenspur 15, 18 der Nocken 13, 16 ist zudem dazu vorgesehen, im Zusammenwirken mit dem zweiten Übersetzungsverhältnis eine Zylinderteilabschaltung zu realisieren. Die Zylinderteilabschaltung wird in einer dritten Betriebsart, in der die zweite Nockenspur 15, 18 der Nocken 13, 16 die Gaswechselventile 28, 29 betätigt und die Umschalteinheit 20 den Nockenwellenantrieb 19 auf das zweite Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 von 4:1 umgeschaltet hat, durchgeführt. Beispielsweise kann nach Umschaltung auf das zweite Übersetzungsverhältnis sich an einen als Normalzyklus ausgeführten Arbeitszyklus aus vier Arbeitstakten, in denen eine normale Verbrennung in dem Zylinder 30 durchgeführt wird, ein Zusatzzyklus aus vier Arbeitstakten anschließen, in denen der Zylinder 30 durch Abschaltung einer Kraftstoffzufuhr nicht mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch befüllt wird oder eine Direkteinspritzung von Kraftstoff abgeschaltet wird. Normalzyklen und Zusatzzyklen des Zylinders 30 folgen in der dritten Betriebsart, in der die Zylinderteilabschaltung durchgeführt wird, periodisch aufeinander.
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Eine Wahl des ersten Übersetzungsverhältnisses von 2:1 und des zweiten Übersetzungsverhältnisses von 4:1 ist an die Brennkraftmaschine 10 angepasst, die als Vierzylindermaschine ausgeführt ist. Grundsätzlich sind andere Übersetzungsverhältnisse möglich, die an alternativ ausgeführte Brennkraftmaschinen angepasst sind. In einer möglichen alternativen Ausführung der Brennkraftmaschine als Sechszylindermaschine kann beispielsweise zwischen einem ersten Übersetzungsverhältnis von 2:1 und einem zweiten Übersetzungsverhältnis von 6:1 umgeschaltet werden. Bei dieser alternativen Ausführung folgen in der dritten Betriebsart bei dem zweiten Übersetzungsverhältnis auf einen Arbeitszyklus zwei Zusatzzyklen von jeweils ebenso vielen Arbeitstakten wie beim Arbeitszyklus, in denen zur Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs der Zylinder 30 abgeschaltet wird.
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In einem Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine 10 nur gering belastet wird, das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 verändert. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 12 wird verringert, um in diesem Betriebszustand eine Zylinderteilabschaltung zur Kraftstoffeinsparung durchführen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 11
- Kurbelwelle
- 12
- Nockenwelle
- 13
- Nocken
- 14
- Nockenspur
- 15
- Nockenspur
- 16
- Nocken
- 17
- Nockenspur
- 18
- Nockenspur
- 19
- Nockenwellenantrieb
- 20
- Umschalteinheit
- 21
- Planetengetriebe
- 22
- Getriebeelement
- 23
- Getriebeelement
- 24
- Planetenrad
- 25
- Planetenrad
- 26
- Getriebeelement
- 27
- Stellantrieb
- 28
- Gaswechselventil
- 29
- Gaswechselventil
- 30
- Zylinder
- 31
- Verstelleinrichtung
- 32
- Übertragungssystem
