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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellensteller. Sie betrifft ferner einen Schaltkörper zur Steuerung von Fluidströmen an bzw. in dem Nockenwellensteller. Der Nockenwellensteller wird bevorzugt zur Veränderung von Ventilhubzeiten an einem Verbrennungsmotor verwendet, insbesondere an einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs (Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen).
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In der Praxis sind verschiedene Arten von Nockenwellenstellern bekannt. Die vorliegende Offenbarung betrifft fluidgesteuerte Nockenwellensteller zur Veränderung eines Phasenwinkels einer Nockenwelle gegenüber einem Antriebselement. Der Nockenwellensteller umfasst zumindest eine Vorlaufkammer (advance chamber) und eine Nachlaufkammer (retard chamber), die mit einem Steuerfluid befüllbar sind. Der Phasenwinkel wird durch ein kombiniertes Befüllen der einen Kammer und Entleeren der anderen Kammer verändert, wobei der Grad der Änderung des Phasenwinkels von der Volumenänderung der Kammern abhängt. Durch die Volumenänderung der Kammern wird ein Stellelement zwischen den Kammern verschoben, insbesondere ein Flügel oder eine Schaufel eines Rotors, wobei die Lage des Stellelements den Phasenwinkel definiert.
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Es sind zwei unterschiedliche Aktuierungs-Arten für das kombinierte Befüllen und Entleeren der Kammern bekannt, nämlich einerseits eine Fluiddruck-Aktuierung und andererseits eine Nockenmoment-Aktuierung.
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Bei der Fluiddruck-Aktuierung wird entweder die Vorlaufkammer oder die Nachlaufkammer mit einer Fluid-Druckquelle verbunden, während die jeweils andere Kammer mit einer Fluid-Drucksenke verbunden wird. Durch den von der Fluid-Druckquelle aufgebrachten Druck wird zusätzliches Steuerfluid zur Volumenvergrößerung in die angeschlossene Kammer eingeführt. Es entsteht eine Druckdifferenz gegenüber der anderen Kammer, die mit der Fluid-Drucksenke verbunden ist. Durch diese Druckdifferenz wird das Steuerfluid aus der anderen Kammer in Richtung der Fluid-Drucksenke entleert.
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Bei der Nockenmoment-Aktuierung wird eine Verbindungspassage zwischen der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer bereitgestellt, wobei in der Verbindungspassage ein Unidirektionalventil vorgesehen ist, so dass eine Fluidströmung nur entweder von der Vorlaufkammer in die Nachlaufkammer oder von der Nachlaufkammer in die Vorlaufkammer ermöglicht wird.
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Es ist weiterhin bekannt, dass die Fluiddruck-Aktuierung zumindest bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge tendenziell in einem höheren Drehzahlbereich Vorteile bietet, während die Nockenmoment-Aktuierung in einem niedrigen Drehzahlbereich vorteilhaft ist. In einem hohen Drehzahlbereich kann eine durch den Verbrennungsmotor angetriebene Pumpe, beispielsweise eine Öldruckpumpe, als Fluid-Druckquelle verwendet werden, deren Förderkapazität jedoch durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschränkt ist. Bei einer geringen Drehzahl des Verbrennungsmotors steht für die Fluid-Druckquelle verhältnismäßig wenig Leistung zu Verfügung, sodass nur ein geringer Fluiddruck bereitgestellt wird und ein Befüllen der jeweils verbundenen Kammer eher träge erfolgt. Bei hohen Drehzahlen steht hingegen ein hoher Fluiddruck zur Verfügung, sodass ein schnelles Befüllen der verbunden Kammer ermöglich ist.
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Bei der Nockenmoment-Aktuierung werden auf die Nockenwelle wirkende Momente genutzt, die aus dem Nockentrieb resultieren. Eine Nocke weist mit Bezug auf die Drehrichtung der Nockenwelle zumindest eine steigende Flanke und eine fallende Flanke auf. Wenn die steigende Flanke im Kontakt mit einem anzutreibenden Element steht, bspw. mit einem federbelasteten Ventil des Verbrennungsmotors, dann wird ein resultierendes Moment in Bremsrichtung auf die Nockenwelle ausgewirkt, also ein Moment, das der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengerichtet ist. Ist hingegen die fallende Flanke in Kontakt mit dem anzutreibenden Element, wird ein resultierendes Moment in Beschleunigungsrichtung auf die Nockenwelle ausgewirkt, also ein Moment, das gleichsinnig zur Drehrichtung der Nockenwelle orientiert ist. Auf eine Nockenwelle wirken also ständig alternierende (abwechselnd auftretende) Bremsmomente und Beschleunigungsmomente. Diese werden im Weiteren als „Nockenmomente“ bezeichnet.
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Die Nockenmomente werden über das Stellelement (Flügel oder Schaufel eines Rotors) zwischen Nockenwelle und Antriebselement abgestützt. Da das Stellelement zwischen der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer angeordnet ist, bewirken die Nockenmomente entsprechend alternierende Druckdifferenzen zwischen der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer. Wenn eine Verbindungspassage zwischen der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer vorhanden ist, können die Druckdifferenzen einen Fluidstrom hervorrufen, bzw. ein Befüllen der einen Kammer und eine Entleerung der anderen Kammer. Durch das Unidirektionalventil wird erreicht, dass die Druckdifferenzen nur einen Fluidstrom in einer Richtung bewirken können.
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Die Ausprägung der Nockenmomente ist unter anderem von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig. Bei niedrigen Drehzahlen liegt eine günstigere Ausprägung der Nockenmomente vor, sodass ein schnelles Befüllen der einen Kammer und ein Entleeren der anderen Kammer erfolgt. Ferner weisen Unidirektionalventile ein Schaltverhalten auf, dass einer Trägheit unterliegt. Ab einer gewissen Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw. ab einer gewissen Wechselfrequenz der Nockenmomente (zwischen Bremsrichtung und Beschleunigungsrichtung) kann die Trägheit eines Unidirektionalventils so groß werden, dass nicht mehr in ausreichendem Maße sichergestellt ist, dass ein Fluidfluss einerseits nur in der vorgesehenen Richtung auftritt und andererseits der Fluidfluss in einem ausreichenden Maß stattfindet. Dementsprechend nimmt die Effektivität der Nockenmoment-Aktuierung ab einer Grenz-Drehzahl mit steigender Drehzahl ab.
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In der Praxis sind verschiedene Ansätze gemacht worden, eine Fluiddruck-Aktuierung und eine Nockenmoment-Aktuierung an einem Nockenwellensteller zu kombinieren, um bei niedrigen und hohen Drehzahlen jeweils die Vorteile der Aktuierungs-Arten zu nutzen.
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Aus der
US 6,453,859 B1 ist ein Nockenwellensteller bekannt, bei dem über ein separates Schaltelement zwischen einer Nockenmoment-Aktuierung (Cam torque actuation) und einer Fluiddruck-Aktuierung (fluid pressure actuation / oil pressure actuation) umgeschaltet werden kann. Das Schaltelement wird in der US 6,453,859 B1 durch Fliehkraft in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und damit indirekt betätigt. Aufgrund der Trägheit des Schaltelements einerseits und der Volatilität der Drehzahl andererseits besteht ein relativ breites Drehzahlband, in dem kein sauberes Umschalten zwischen der Nockenmoment-Aktuierung und der Fluiddruck-Aktuierung stattfindet. Es ist also keine exakte Wahl der Umschaltpunkte zwischen den Aktuierungs-Arten möglich.
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US 8,800,515 B1 und
US 8,820,280 B2 offenbaren Nockenwellensteller, bei denen eine Nockenmoment-Aktuierung und eine Fluiddruck-Aktuierung über den gesamten Drehzahlbereich parallel genutzt werden, wobei jeweils mindestens eine Gruppe einer Vorlaufkammer und einer Nachlaufkammer für genau eine der Aktuierungs-Arten vorgesehen ist. Ein Umschalten zwischen den Aktuierungs-Arten ist hier nicht möglich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Fluidströmungsteuerung für einen Nockenwellensteller und einen zugehörigen Schaltkörper aufzuzeigen, mit denen ein direkt gesteuerter Wechsel zwischen einer Fluiddruck-Aktuierung und einer Nockenmoment-Aktuierung möglich ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der eigenständigen Ansprüche.
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Der Schaltkörper gemäß der vorliegenden Offenbarung, der die Fluidströme zum Befüllen und Entleeren der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer eines Nockenwellenstellers vorgibt, weist zumindest vier (verschiedene) vordefinierte Schaltpositionen auf. Die Schaltpositionen werden durch Anordnen des Schaltkörpers entlang einer vorgesehenen Bewegungsrichtung eingenommen.
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In einer ersten und einer zweiten vordefinierten Schaltposition wird eine Fluidströmung gemäß der Nockenmoment-Aktuierung ermöglicht. In einer dritten und einer vierten vordefinierten Schaltposition wird eine Fluidströmung gemäß der Fluiddruck-Aktuierung ermöglicht.
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Darüber hinaus kann der Schaltkörper bevorzugt eine fünfte vordefinierte Schaltposition aufweisen, in der eine Fluidströmung zu und von den Kammern blockiert ist, sodass ein momentaner Phasenwinkel des Nockenstellers gehalten wird.
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Der Schaltkörper ist in einer Aufnahmekammer einsetzbar und gesteuert beweglich, sodass er durch eine äußere Steuervorgabe in jede der vorgenannten Schaltpositionen gebracht werden kann, beispielsweise durch elektronische Ansteuerung eines geeigneten Stellaktators.
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Durch den Schaltkörper gemäß der vorliegenden Offenbarung bzw. eine Fluidströmungssteuerung für einen Nockenwellensteller, die einen solchen Schaltkörper umfasst, kann jederzeit und ohne direkte Abhängigkeit von der Drehzahl vorgegeben werden, welche der Aktuierungs-Arten zu einer Veränderung des Phasenwinkels zwischen der Nockenwelle und dem Antriebselement genutzt werden soll. Auf ein fehleranfälliges und zusätzliche Kosten begründendes separates Schaltelement kann verzichtet werden. Der Schaltkörper kann bevorzugt in jeder der vordefinierten Schaltpositionen genau eine Aktuierungs-Art zur Änderung des Phasenwinkels vorgeben.
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Der Schaltkörper kann eine beliebige Formgebung und beliebig ausgebildete Leitstrukturen zur Vorgabe der Fluidströme aufweisen. Er ist bevorzugt als axialbewegliche oder rotatorisch bewegliche Schaltspule ausgeführt. Eine solche Schaltspule kann vorteilhafterweise im Zentrum eines Nockenwellenstellers, d.h. koaxial zur Nockenwelle und dem Antriebselement angeordnet werden. Bei dieser Anordnung sind besonders kurze Fluidpassagen zwischen den Kammern und den Anschlüssen zu einer Fluid-Druckquelle sowie einer Fluid-Drucksenke möglich, sodass ein schnelles Phasenstellverhalten erreicht wird. Alternativ kann der Schaltkörper an einer anderen Stelle und insbesondere getrennt von den Rotoren des Nockenwellenstellers angeordnet sein.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen wird aus Gründen der leichteren Darstellbarkeit stets ein in einer Axialrichtung verschieblicher Schaltkörper erläutert. Dieser weist eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf und ist in einer Aufnahmekammer angeordnet, die eine korrespondierende zylindrische Grundform aufweist. Die Leitstrukturen sind durch in die Mantelfläche eingebrachte Ausnehmungen zu Schaffung von Verbindungsbereichen und dazwischen angeordnete Wandungen gebildet. Der Schaltkörper kann bevorzugt in Bezug auf die Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein, d.h. als eine Schaltspule mit regelmäßiger Umfangskontur. Der Schaltkörper kann insbesondere in der Aufnahmekammer einseitig elastisch vorgespannt sein, beispielsweise durch eine Druckfeder. Ein Stellaktuator kann den Schaltkörper unter Überwindung der Vorspannkraft entlang der Längsachse verschieben.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Schaltkörpers umfasst Wandungen, die gemäß einer Positionierung des Schaltkörpers Passagenöffnungen zu der Vorlaufkammer und der Nachlaufkammer des Nockenwellenstellers sowie Passagenöffnungen zu der Fluid-Druckquelle und der Fluid-Drucksenke blockieren oder freigeben und dichtend an der Aufnahmekammer anliegen. Darüber hinaus umfasst der Schaltkörper zwischen diesen Wandungen angeordnete Verbindungsbereiche, die gemäß der Positionierung des Schaltkörpers jeweils die Passagenöffnungen zu den Kammern fluidleitend untereinander oder mit jeweils einer der Passagenöffnungen zu der Fluid-Druckquelle oder der Fluid-Drucksenke verbinden. Die Wandungen und Verbindungsbereiche sind dazu ausgebildet, dass der Schaltkörper in den für die Fluiddruck-Aktuierung vordefinierten Schaltpositionen entweder die Vorlaufkammer mit der Fluid-Druckquelle verbindet und die Nachlaufkammer mit der Fluid-Drucksenke verbindet, oder umgekehrt. Soweit nichts anderes angegeben ist, bedeutet die Formulierung, dass eine Verbindungspassage mit einer ersten und einer zweiten Öffnung überlappt, dass die Verbindungspassage ausschließlich mit diesen Öffnungen überlappt und ausschließlich eine fluidleitende Verbindung zwischen genau diesen Öffnungen herstellt.
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Der Schaltkörper kann gemäß einer besonders bevorzugten Version, einen oder mehrere integrierte Bypass-Kanäle zwischen den Verbindungsbereichen und ein oder mehrere integrierte Unidirektionalventile aufweisen, sodass der Schaltkörper in den für die Nockenmoment-Aktuierung vordefinierten Schaltpositionen die Vorlaufkammer mit der Nachlaufkammer verbindet, wobei jeweils eine Fluidströmung nur in der Richtung von der Vorlaufkammer zur Nachlaufkammer ermöglicht ist oder umgekehrt. Diese Version hat eigenständige erfinderische Bedeutung. Der Schaltkörper kann in bestehenden Fluidströmungssteuerungen mit Fluiddruck-Aktuierung nachgerüstet werden, um diese auch mit Nockenmoment-Aktuierung betreiben zu können.
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In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung sowie den beigefügten Figuren sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 bis 4: eine Fluidströmungssteuerung und einen Schaltkörper gemäß einer ersten Version der vorliegenden Offenbarung in vier vordefinierten Schaltpositionen;
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5 bis 8: eine Fluidströmungssteuerung und einen Schaltkörper gemäß einer zweiten Version der vorliegenden Offenbarung in vier vordefinierten Schaltpositionen;
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9: eine dritte Version der Fluidströmungssteuerung und des Schaltkörpers;
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10: eine vierte Version der Fluidströmungssteuerung und des Schaltkörpers;
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11: eine fünfte Version der Fluidströmungssteuerung und des beweglichen Schaltkörpers mit in den Schaltkörper integrierten Bypass-Kanälen und integrierten Unidirektionalventilen;
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12: ein Diagramm zur Erläuterung von Nockenmomenten während einer Umdrehung der Nockenwelle;
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13: eine Explosionsdarstellung eines Nockenwellenstellers im Schrägbild;
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14: eine Seitenansicht auf den Nockenwellensteller aus 13 mit einer Fluidströmungssteuerung und
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15 bis 17: eine Fluidströmungssteuerung und einen beweglichen Schaltkörper, die ausschließlich zur Durchführung einer Fluiddruck-Aktuierung ausgebildet sind.
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Um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, wird nachfolgend zunächst unter Bezugnahme auf die 13 bis 17 ein Nockenwellensteller (10, 50) erläutert, der eine Fluidströmungssteuerung (51) aufweist, die ausschließlich zur Nutzung der Fluiddruck-Aktuierung ausgebildet ist. Die dort Offenbarten Funktionen und Strukturen können auch Bestandteil von Fluidströmungssteuerungen (15, 15‘, 15‘‘, 15‘‘, 15*) gemäß der vorliegenden Offenbarung und damit ausgestatteten Nockenwellenstellern (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung sein. Soweit die nachfolgende Beschreibung sich auf einige oder alle Versionen der Fluidströmungssteuerung bezieht, wird zur vereinfachten Bezugnahme die Ziffer (15) verwendet. Ferner wird auf eine Unterscheidung der Aufnahmekammern (19), Steuerkörper (16), Leitstrukturen (30a–30d, 31a–31c) aus Gründen der besseren Lesbarkeit verzichtet. Die verschiedenen Passagenöffnungen (OV, ON, OP, OP‘, OB, OB‘, OD, OD‘), die nachfolgend im Detail erläutert werden, sind teilweise als „Öffnungen“ abgekürzt.
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Der in 13 dargestellte Nockenwellensteller (10, 50) umfasst einen ersten Rotor (13) und einen zweiten Rotor (14). Der erste Rotor (13) ist mit einem Antriebselement (11) verbunden, beispielsweise einer Kette oder einem anderen schlupffreien Kraftübertragungsmittel. Über das Antriebselement (11) wird ein Antriebsmoment (MA) auf den ersten Rotor (13) übertragen. In dem ersten Rotor (13) ist zumindest eine Steuerkammer (18) angeordnet, die mit einem Steuerfluid gefüllt werden kann.
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Der zweite Rotor (14) ist mit der Nockenwelle (12) verbunden. An der Nockenwelle (12) sind ein oder mehrere Nockentriebe angeordnet. Bei einem Eingriff eines Nockenantriebs werden resultierende Momente als Nockenmomente (MN) auf die Nockenwelle (12) aufgebracht, die wechselweise gleichsinnig und gegensinnig zu der Drehrichtung der Nockenwelle (12) orientiert sind.
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Der zweite Rotor (14) ist in den ersten Rotor (13) einsetzbar, wobei ein an dem zweiten Rotor (14) angebrachtes Stellelement (17) in die Steuerkammer (18) eingreift und diese in eine Vorlaufkammer (V) und eine Nachlaufkammer (N) teilt. Das Stellelement dient dazu, eine Druckdifferenz zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) in ein Drehmoment an der Nockenwelle umzuwandeln und umgekehrt. Es ist vorliegend als Flügel oder Schaufel ausgebildet.
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Der zweite Rotor (14) ist im eingesetzten Zustand relativ zu dem ersten Rotor (13) um einen Phasenwinkel (A) drehbar. Bei einer Relativdrehung zwischen den Rotoren (13, 14) verändern sich die Volumina der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) in korrespondierender Weise. Das Stellelement (17) ist in der Steuerkammer (18) fluiddicht aufgenommen, sodass eine Kopplung zwischen den Drehmomenten an den Rotoren (13, 14) und den korrespondierenden Drücken in der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) vorliegt.
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14 zeigt die Rotoren (13, 14) aus 13 in einer Seitenansicht und in zusammengesetzter Anordnung. Eine Fluidströmungssteuerung (15, 51) ist über Verbindungsleitungen mit der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) verbunden. In dem gezeigten Beispiel sind zwei Steuerkammern (18) an den Rotoren (13, 14) und dementsprechend zwei Gruppen mit jeweils korrespondierenden Vorlauf- und Nachlaufkammern (V, N) vorgesehen. Alternativ können nur eine Steuerkammer (18) oder andere Mehrfach-Anordnungen von mehreren Steuerkammern (18) vorgesehen sein.
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Die Fluidströmungssteuerung (51) ist ferner über Leitungen bzw. Fluidpassagen mit einer Fluid-Druckquelle (P+) und einer Fluid-Drucksenke (P–) verbunden.
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15 bis 17 erläutern die Funktionsweise einer Fluidströmungssteuerung (51), die über genau drei vordefinierten Schaltpositionen (KF, KF’, KB) verfügt. Weiter unten werden Fluidströmungssteuerungen (15) gemäß der vorliegenden Offenbarung erläutert, die zusätzliche vordefinierte Schaltpositionen (KN, KN‘) für eine Nockenmoment-Aktuierung umfassen.
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Die Fluidströmungssteuerung (51) in 15 umfasst eine Aufnahmekammer (19) und einen in der Aufnahmekammer (19) axialbeweglich gelagerten Schaltkörper (16). Der Schaltkörper (16) ist rotationssymmetrisch und weist auf seiner radialen Außenoberfläche Leitstrukturen (30a–30d, 31a–31c) auf, die zur Vorgabe der jeweils gewünschten Fluidströme (F) dienen. Es handelt sich einerseits um Wandungen (30a–30d) und andererseits um dazwischen liegende Verbindungsbereiche (31a–31c).
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Die Aufnahmekammer (19) umfasst eine Passagenöffnung (OV) zur Vorlaufkammer (V), eine Passagenöffnung (ON) zur Nachlaufkammer (N), eine Passagenöffnung (OP) zu der Fluid-Druckwelle (P+) sowie eine vordere und eine hintere Passagenöffnung (OD, OD‘) zu einer Drucksenke (P–). Die Passagenöffnung (OP) zur Fluid-Druckwelle (P+) ist im vorliegenden Beispiel als zentrale Zuführöffnung (OC) ausgebildet.
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In der in 15 dargestellten vordefinierten Schaltposition (KF) ist der Schaltkörper (16) derart angeordnet, dass der mittlere Verbindungsbereich (31b) einerseits mit der Passagenöffnung (OV) zur Vorlaufkammer (V) und andererseits mit der zentralen Zuführöffnung (OC) überlappt. Somit wird eine (ausschließliche) fluidleitende Verbindung von Fluid-Druckquelle (P+) zu der Vorlaufkammer (V) geschaffen. Der zweite Verbindungsabschnitt (31c) überlappt einerseits mit der Passagenöffnung (ON) zur Nachlaufkammer (N) und andererseits mit der Passagenöffnung (OD‘) zur Fluid-Drucksenke (P–), so dass eine (ausschließliche) fluidleitende Verbindung zwischen der Nachlaufkammer (N) und der Fluid-Drucksenke (P–) geschaffen ist. Die Wandungen (30a–30d) schließen die Verbindungsbereiche (31a–31c) jeweils fluiddicht gegenüber der Aufnahmekammer (19) ab.
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Durch die Fluid-Druckquelle (P+) bzw. deren Überdruck wird die Vorlaufkammer (V) mit dem Steuerfluid gefüllt, während die Nachlaufkammer (N) in Richtung zu der Fluid-Drucksenke (P–) entleert wird. Hierdurch vergrößert sich das Volumen der Vorlaufkammer (V) und verringert sich das Volumen der Nachlaufkammer (N), so dass das Stellelement (17) und damit der zweite Rotor (14) relativ zu dem ersten Rotor (13) verdreht wird. Hierdurch wird der Phasenwinkel (A) verändert.
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Wenn sich der Schaltkörper (16) gemäß der Darstellung in 16 in der vordefinierten Schaltposition (KF‘) befindet, überlappt der erste Verbindungsbereich (31a) mit den (Passagen-)Öffnungen (OV, OD) zu der Vorlaufkammer (V) und der Fluid-Drucksenke (P–). Der zweite Verbindungsbereich (31b) überlappt mit den Öffnungen (ON, OP) zu der Nachlaufkammer (N) und der Fluid-Druckquelle (P+). Somit wird durch die Fluid-Druckquelle (P+) die Nachlaufkammer (N) gefüllt, während die Vorlaufkammer (V) entleert wird und es wird eine entgegengesetzte Verdrehung des zweiten Rotors (14) gegenüber dem ersten Rotor (13) herbeigeführt.
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In 17 ist eine Blockadestellung (KB) des Schaltkörpers (16) gezeigt. In dieser Stellung überdeckt die zweite Wandung (30b) die Öffnung (OV) zur Vorlaufkammer (V) und die dritte Wandung (30c) überdeckt die Öffnung (ON) zur Nachlaufkammer (N), so dass die Volumina beider Kammern (VN) fixiert sind. In der Blockadestellung (KB) sind die Rotoren (13, 14) im Wesentlichen drehfest miteinander gekoppelt.
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Nachfolgend werden verschiedene Versionen einer Fluidströmungssteuerung (15, 15‘, 15‘‘, 15‘‘‘, 15*) gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 erläutert. Diese Fluidströmungssteuerungen können mit einem Nockenwellensteller (50) gemäß der obigen Beschreibung kombiniert sein. Besonders bevorzugt sind die Fluidströmungssteuerungen (15–15*) gemäß der vorliegenden Offenbarung allerdings in einen Nockenwellensteller (10) integriert.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der zweite Rotor (14), der mit der Nockenwelle (12) verbunden ist, integrierte Passagen zu der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) und bevorzugt weiterhin (zumindest teilweise) integrierte Passagen zu der Fluid-Druckquelle (P+) und/oder der Fluid-Drucksenke (P–) umfasst. Die Passagen können beispielsweise durch Bohrungen gebildet sein.
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Die Aufnahmekammer (19) kann bevorzugt konzentrisch in dem zweiten Rotor (14) angeordnet sein und die Öffnungen (OV, ON, OP, OC, OD, OD‘) mit Anbindung an die jeweiligen Passagen umfassen. Ein Schaltkörper (16) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bevorzugt als rotationssymmetrische Schaltspule ausgebildet und konzentrisch in den Rotor (14) eingesetzt, insbesondere in eine Aufnahmekammer (19), die durch eine konzentrische Bohrung im Rotor (14) gebildet ist, so dass der Schaltkörper (16) entlang der Längsachse der Nockenwelle (12) in den jeweiligen vordefinierten Schaltpositionen (KN, KN‘, KF, KF‘, KB) positionierbar ist. Der Nockenwellensteller (10) ist während des Motorbetriebs insgesamt in einer Drehbewegung um die Längsachse der Nockenwelle. Durch die rotationssymmetrische Ausbildung und die konzentrische Anordnung des Schaltkörpers (16) kann ein Steueraktuator in besonders einfacher Weise als Stempel-Aktuator ausgebildet sein, der lediglich eine Schubkraft in der Axialrichtung aufbringt. Die Nockenwelle (12) und der Schaltkörper (16) können sich unabhängig voneinander um die gemeinsame Längsachse drehen, während der Stempel des Stempel-Aktuators stillstehen kann.
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Von eigenständiger erfinderischer Bedeutung ist ein weiter unten mit Bezugnahme auf 11 erläuterter Schaltkörper (16), der mindestens einen integrierten Bypass-Kanal und mindestens ein integriertes Unidirektionalventil aufweist. Ein solcher Art ausgebildeter Schaltkörper (16) kann an bestehenden Systemen, die ausschließlich über eine Fluiddruck-Aktuierung verfügen, nachgerüstet werden, um diese Systeme zusätzlich per Nockenmoment-Aktuierung zu betreiben. Dieser Schaltkörper (16) kann in einer Fluidströmungssteuerung (51) mit einer Aufnahmekammer (19) gemäß 15 bis 17 angeordnet werden, ohne dass es einer Änderung der Passagenöffnungen bedarf.
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Die Leitstrukturen (30a–30d, 31a–31c) des genannten Schaltkörpers (16) können so dimensioniert werden, dass zwei weitere vordefinierte Schaltpositionen (KN, KN‘) für die Nockenmoment-Aktuierung erzeugt werden. Je nach Ausbildung des bestehenden Systems kann der nachgerüstete Schaltkörper (16) mit den vier oder fünf vordefinierten Schaltpositionen etwaig über den selben Stell-Aktuator / Stempel-Aktuator positioniert werden, wie der in 15 bis 17 gezeigte Schaltkörper mit den lediglich zwei oder drei vordefinierten Schaltpositionen (KF, KF‘, KB). Alternativ kann ein anderer Stell-Aktuator nachgerüstet werden, der die Positionierung des Schaltkörpers (16) in den fünf vordefinierten Schaltpositionen gestattet.
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Durch die Nachrüstung eines bestehenden Nockenwellenstellers bzw. eines bestehenden Kraftfahrzeugmotors mit dem Schaltkörper (16) gemäß 11 können besonders bei niedrigen Drehzahlen deutlich schnellere Veränderungen der Ventilöffnungszeiten erreicht werden. Dies wirkt sich besonders positiv bei instationären Betriebszuständen des Verbrennungsmotors aus, weil beispielsweise durch eine sehr zügig einsetzende interne Abgasrückführung Stickoxidspitzen im Abgas reduziert oder vermieden werden können. Folglich ist durch die Nachrüstung dieses Schaltkörpers eine nachträgliche Reduzierung von unerwünschten Emissionen im Abgas möglich, beispielsweise um gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte einzuhalten.
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Nachfolgend werden die verschiedenen Versionen der Fluidströmungssteuerung und des Schaltkörpers im Einzelnen erläutert.
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1 bis 4 zeigen eine erste bevorzugte Version einer Fluidströmungssteuerung (15) bzw. einen mit dieser Steuerung ausgestatteten Nockenwellensteller (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung. In jeder der 1 bis 4 ist eine der vordefinierten Schaltpositionen (KN, KF, KF‘, KN‘) zur Betätigung des Nockenwellenstellers (10) durch Nockenmoment-Aktuierung (NA-I, NA-II) oder durch Fluiddruck-Aktuierung (NF-I, NF-II) dargestellt. Darüber hinaus weist die Fluidströmungssteuerung (15) bevorzugt eine fünfte vordefinierte Schaltposition (KB) zum Blockieren der Öffnungen (OV, ON) zur Vorlaufkammer (V) und zur Nachlaufkammer (N) auf. Diese zusätzliche Schalposition kann bei jeder der Fluidströmungssteuerungen (15) gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen sein, wobei sie im Wesentlich identisch zu dem in 17 gezeigten Schaltzustand ist, so dass auf eine separate Darstellung und Beschreibung für diesen Schaltposition (KB) verzichtet wird. Die zu 17 gemachte Erläuterung gilt analog für die Fluidströmungssteuerungen (15) gemäß den 1 bis 11.
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In 1 befindet sich der Schaltkörper (16) in einer ersten vordefinierten Schaltposition (KN), die zum gleichzeitigen Befüllen der Vorlaufkammer (V) und Entleeren der Nachlaufkammer (N) durch Nockenmoment-Aktuierung (NA-I) vorgesehen ist. In dem Beispiel von 1 ist diese Position (K = KN) eine äußerste linke Position des Schaltkörpers (16) in der Aufnahmekammer (19). Alle anderen vordefinierten Schaltpositionen (KF, KB, KF‘, KN‘) sehen eine jeweils weiter nach rechts verschobenen Position (K) vor.
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Die Aufnahmekammer (19) umfasst bei der ersten Version (analog zu dem Beispiel von 15, 16 und 17) Passagenöffnungen (OV, ON) zu der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) sowie Passagenöffnungen (OC, OD, OD‘) zu der Fluid-Druckquelle (P+) und der Fluid-Drucksenke (P–). Die Fluiddruckquelle (P+) ist im vorliegenden Beispiel als Öldruckpumpe des Verbrennungsmotors ausgebildet. Alternativ kann eine andere Fluid-Druckquelle (P+) vorgesehen sein, beispielsweise eine separate Öldruckpumpe. Die Fluid-Drucksenke (P–) ist durch einen Ölsumpf gebildet, der beispielsweise unter Atmosphärendruck steht oder jedenfalls unter einem deutlich geringeren Druckniveau als der Ausgang der Fluid-Druckquelle (P+). Alternativ kann eine beliebige andere Art einer Fluid-Drucksenke (P–) und/oder eine andere Arte einer Fluid-Druckquelle (P+) vorgesehen sein.
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Die Aufnahmekammer (19) der Fluidströmungssteuerung (15) umfasst außerdem zwei Öffnungen (OB, OB‘) zu Bypass-Kanälen. Im vorliegenden Fall sind dies ein erster Bypass-Kanal (22a) und ein zweiter Bypass-Kanal (22b). Diese Bypass-Kanäle (22a, 22b) weisen einen gemeinsamen Kanalteil (22c) auf, der mit der zentralen Zuführöffnung (OC) verbunden ist. In diesem gemeinsamen Kanalteil (22c) ist ein Unidirektionalventil (20) angeordnet, dass als gemeinsames Unidirektionalventil dient, mit dem entweder eine Fluidströmung (F) mit einer Strömungsrichtung (F: N –> V) zum Befüllen der Vorlaufkammer (V) in der Schaltposition gemäß 1 oder eine Fluidströmung (F) mit einer Strömungsrichtung (F: V –> N) zum Befüllen der Nachlaufkammer in der Schaltposition gemäß 4 festlegbar sind. Alternativ könnten die Bypass-Kanäle (22a, 22b) getrennt vorliegen und jeweils separate Unidirektionalventile aufweisen. Die Zusammenfassung mit einem gemeinsamen Kanalteil (22c) hat jedoch verschiedene Vorteile, die weiter unten erläutert werden.
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Wie oben ausgeführt wurde, werden bei der Nockenmoment-Aktuierung (NA-I, NA-II) alternierende Nockenmomente (MN) und die korrespondierenden Druckdifferenzen zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) genutzt, um eine Fluidströmung zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) herbeizuführen und so den Phasenwinkel (A) des Nockenwellenstellers (10) zu verändern.
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In 12 ist beispielhaft der Verlauf eines Nockenmoments (MN) auf die Nockenwelle (12) während einer vollständigen Umdrehung (U) der Nockenwelle (12) dargestellt. Es wird beispielhaft von nur einem einzelnen Nockentrieb ausgegangen, aus dem das Nockenmoment (MN) resultiert, wobei dieser Nockentrieb eine Nockenscheibe mit genau einer steigenden Flanke und genau einer fallenden Flanke aufweist. In dem Winkelbereich von 0° bis 180° ist die steigende Flanke der Nocke im Eingriff, beispielsweise um ein federbelastetes Ventil des Verbrennungsmotors in eine Öffnungsstellung zu bewegen. Aus dem Kontakt zwischen der steigenden Flanke und dem angetriebenen Element des Ventils resultiert ein Moment, das gegen die Drehrichtung der Nockenwelle (12) wirkt. In der Darstellung von 12 ist dies ein Moment in Richtung der positiven Hochachse (MN). Sobald die Ventilbewegung am Plateau der steigenden Flanke ein Maximum erreicht hat, und das Ventil ggfs. in dieser Stellung gehalten wird, resultiert nur noch ein geringes Moment in Bremsrichtung auf die Nockenwelle (12), das beispielsweise aus ein oder mehreren Reibkontakten stammen kann. Sobald die fallende Flanke der Nockenscheibe in Eingriff kommt, bewirkt die Federbelastung des Ventils ein beschleunigendes Moment auf die Nockenwelle (12), also ein Moment das gleichsinnig zur Drehrichtung der Nockenwelle (12) orientiert ist. Dieses Moment ist in 12 in negativer Richtung der Hochachse (MN) dargestellt. Wenn die Ventilbewegung zu einem niedrigsten Punkt gelangt ist, fällt der Betrag des Nockenmoments wieder auf den Betrag der Reibung ab. Anschließend beginnt eine weitere Umdrehung bei denselben Gesetzmäßigkeiten.
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Aus der Darstellung in 14 ist ersichtlich, dass der erste Rotor (13) und der zweite Rotor (14) des Nockenwellenstellers (10) im Wesentlichen ausschließlich über das in der Steuerkammer (18) enthaltene Steuerfluid und dessen Wechselwirkung mit dem Steuerelement (17), übertragen wird. Das Steuerfluid ist bevorzugt ein inkompressibles Fluid, beispielsweise das Motoröl des Verbrennungsmotors. Ein in Bremsrichtung wirkendes Nockenmoment (MN) (gemäß der in 14 dargestellten Richtung) wird in der Vorlaufkammer (V) einen Überdruck und in der Nachlaufkammer (N) einen Unterdruck erzeugen. Ein in Beschleunigungsrichtung wirkendes Nockenmoment (MN) (entgegen der in 14 dargestellten Richtung) wird dementsprechend umgekehrt einen Unterdruck in der Vorlaufkammer (V) und ein Überdruck in der Nachlaufkammer (N) erzeugen.
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In der Schaltposition (K = KN) gemäß 1 ist der Schaltkörper (16) derart angeordnet, dass eine dritte Verbindungspassage (31c) einerseits mit der Öffnung (N) zur Nachlaufkammer (N) und andererseits mit der zweiten Öffnung (OB‘) zu dem Bypass-Kanal (22b) überlappt. Der mittlere Verbindungsbereich (31b) überlappt gleichzeitig einerseits mit der Öffnung (OV) zu der Vorlaufkammer (V) und andererseits mit der zentralen Zuführöffnung (OC), die wiederum über das Unidirektionalventil (20) fluidleitend mit dem Bypass-Kanal (22b) verbunden ist. Die erste Öffnung (OB) zu dem Bypass-Kanal (22a) ist durch die zweite Wandung (30b) verschlossen.
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In der in 1 dargestellten Schaltposition (K = KN) verbindet der Schaltkörper (16) also die Vorlaufkammer (V) über den zweiten Bypass-Kanal (22b) und das Unidirektionalventil (20) sowie den gemeinsamen Kanalteil (22c) mit der Vorlaufkammer (V). Eine Fluidströmung (F) ist wegen des Unidirektionalventils (20) nur von der Nachlaufkammer (N) zu der Vorlaufkammer (V) ermöglicht. Eine Fluidströmung in der Gegenrichtung wird hingegen durch das Unidirektionalventil (20) unterbunden. Dementsprechend kann das Steuerfluid den in Beschleunigungsrichtung wirkenden Nockenmomenten (MN) gemäß der dargestellten Fluidströmung (F) von der Nachlaufkammer (N) über das Unidirektionalventil (20) zur Vorlaufkammer (V) folgen, während eine Reaktion auf die bremsenden Nockenmomente (MN) durch das Unidirektionalventil (20) verhindert wird.
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Die Dichtungen zwischen den Rotoren (13, 14) und insbesondere die Dichtungen zur Begrenzung der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) sowie die Dichtstellen zwischen dem Schaltkörper (16) und der Aufnahmekammer (19) können einer Leckage unterliegen insbesondere bei fortgeschrittener Lebensdauer eines Nockenwellenstellers (10). Weiterhin kann es ggf. bei der Bewegung des Schaltkörpers (16) zwischen den einzelnen vordefinierten Schaltpositionen (KN, KF, KF‘, KN‘, KB) zu Verlustaustritten von Steuerfluid aus den jeweils vorgesehenen Kammern oder Passagen kommen. Um solche Verlustaustritte bzw. Leckagen zu kompensieren, wird die zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) gebildete Fluidverbindung während einer Nockenmoment-Aktuierung bevorzugt zusätzlich (an beliebiger Stelle) mit der Fluid-Druckquelle (P+) verbunden.
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Der während der Nockenmoment-Aktuierung von der Fluid-Druckquelle (P+) bereit gestellte Druck dient nicht oder nur in einem sehr geringen Maß der Aktuierung des Nockenstellers, da er grundsätzlich auf beide Kammern (V, N) gleichzeitig wirkt und keinen Differenzdruck über dem Stellelement (17) erzeugt. Allerdings wird durch den Druck der Fluid-Druckquelle (P+) ein ständiger Überdruck in den verbundenen Passagen und Kammern (V, N) gegenüber der Außenatmosphäre erzeugt, sodass etwaig auftretende Leckagen durch eine entsprechende Nachführung von Steuerfluid kompensiert werden.
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Zwischen der Fluid-Druckquelle (P+) und dem Zuführpunkt zur dem gemeinsamen Kanalteil (22c) ist bevorzugt ein weiteres Unidirektionalventil (32) angeordnet, das nur ein Nachführen von Steuerfluid in Richtung der Kammern (V, N) gestattet, während ein Rückfließen in Richtung der Fluid-Druckquelle (P+) verhindert wird.
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In dem Beispiel von 1 bis 4 ist vorteilhafterweise durch die Verbindung des Zuführkanals von der Fluid-Druckquelle (P+) zu dem gemeinsamen Kanalteil (22c) und der zentralen Zuführöffnung (OC) erreicht, dass das Unidirektionalventil (32) sowohl bei Nockenmoment-Aktuierung als auch bei der Fluiddruck-Aktuierung (FA-I, FA-II) genutzt werden kann, wie nachfolgend mit Bezugnahme auf 2 und 3 erläutert wird.
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In 2 ist der Schaltkörper (16) in einer dritten vordefinierten Schaltposition (K = KF) angeordnet, in welcher die Vorlaufkammer (V) durch Fluiddruck-Aktuierung (FA-I) gefüllt und die Nachlaufkammer (N) durch Drainage zu der Fluid-Drucksenke (P–) entleert werden. Diese Position (K = KF) ist im vorliegenden Beispiel eine zwischen der mittleren Blockadeposition (KB, nicht dargestellt) und der linken äußeren Schaltposition (KN) gemäß 1 liegende Zwischenposition.
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In der dritten vordefinierten Schaltposition (K = KF) gemäß 2 überlappt der zweite Verbindungsbereich (31b) mit der Öffnung (OV) zu der Vorlaufkammer (V) und der zentralen Zuführöffnung (OC), welche gleichzeitig die Öffnung (OP) zu der Fluid-Druckquelle (P+) darstellt. Dementsprechend ist eine erste Fluidströmung (F) ermöglicht, durch die das Steuerfluid von der Fluid-Druckquelle (P+) über das Unidirektionalventil (32) hin zu der Vorlaufkammer (V) gefördert wird und diese befüllt. Bei Fluiddruck-Aktuierung ist das Unidirektionalventil (32) geöffnet, um die Fluidströmung von der Fluid-Druckquelle (P+) zu der jeweils verbundenen Kammer (V, N) zu gestatten und ein Rückfließen zu verhindern.
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In der dritten vordefinierten Schaltposition (K = KF) gemäß 2 überlappt gleichzeitig der dritte Verbindungsbereich (31c) mit der Öffnung (ON) zu der Nachlaufpassage (N) und der zweiten Öffnung (OB‘) zu dem zweiten Bypass-Kanal (22b). Dieser ist weiterhin über den ersten Bypass-Kanal (22a) mit der ersten Öffnung (OB) zu den Bypass-Kanälen verbunden. Der erste Verbindungsbereich (31a) überlappt gleichzeitig mit dieser Öffnung (OB) und weiterhin mit einer ersten Öffnung (OD) zu der Fluid-Drucksenke (P–). Dementsprechend ist die Nachlaufkammer (N) über den zweiten und den ersten Bypass-Kanal (22b, 22a) mit der Fluid-Drucksenke (P–) verbunden, sodass die Nachlaufkammer (N) entleert wird.
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3 und 4 zeigen die vierte und die zweite vordefinierte Schaltposition (KF‘, KN‘), die jeweils zu den 2 und 1 spiegelbildlich verlaufende Fluidströmungen (F) erzeugen bzw. zulassen. In 3 ist eine vierte vordefinierte Schaltposition (KF‘) zum Befüllen der Nachlaufkammer (N) und Entleeren der Vorlaufkammer (V) per Fluiddruck-Aktuierung (FA-II) dargestellt. Hier überlappt der mittlere Verbindungsbereich (31b) des Schaltkörpers (16) einerseits von der zentralen Zuführöffnung (OC) und andererseits mit der Öffnung (ON) zu der Nachlaufkammer (N), sodass eine Verbindung zwischen der Fluid-Druckquelle (P+) und der Nachlaufkammer (N) hergestellt ist. Der erste Verbindungsbereich (31a) überlappt gleichzeitig mit der Öffnung (OV) zu der Vorlaufkammer (V) und der ersten Öffnung (OB) zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b). Der dritte Verbindungsbereich (31c) überlappt gleichzeitig mit der zweiten Öffnung (OB‘) zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b) und mit der zweiten Öffnung (OD‘) zu der Fluid-Drucksenke (P–).
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In 4 ist der Schaltkörper (16) maximal nach rechts in die zweite vordefinierte Schaltposition (KN‘) für die Nockenmoment-Aktuierung (NA-II) verschoben. Hier überlappt der erste Verbindungsbereich (31a) mit der Öffnung (OV) zu der Vorlaufkammer (V) und mit der ersten Öffnung (OB) zu dem ersten Bypass-Kanal (22a). Der zweite Verbindungsbereich (31b) überlappt gleichzeitig mit der zentralen Zuführöffnung (OC) und der Öffnung (ON) zu der Nachlaufkammer (N), sodass eine Verbindung zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) über den ersten Bypass-Kanal (22a) hergestellt ist. Das Unidirektionalventil (20) in dem gemeinsamen Kanalteil (22c) erlaubt in dieser Stellung ausschließlich eine Fluidströmung (F) von der Vorlaufkammer (V) zu der Nachlaufkammer (N) und unterbindet eine Fluidströmung in der Gegenrichtung. Auch hier kann durch die Fluid-Druckquelle (P+) und deren Anschluss zwischen dem Unidirektionalventil (20) und der zentralen Zuführöffnung (OC) eine Leckage kompensiert werden.
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5 bis 8 erläutern eine zweite Version der Fluidströmungssteuerung (15‘) bzw. einen damit ausgestatteten Nockenwellensteller (10). Die in den 5 bis 8 dargestellten vordefinierten Schaltpositionen (KN, KF, KF’, KN’) sind analog zu den in 1 bis 4 dargestellten Positionen und Aktuierungs-Arten gewählt, sodass hinsichtlich der zu erreichenden Effekte zum Befüllen oder Entleeren der Kammern (V, N) auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Die zweite Version der Fluidströmungssteuerung (15‘) weist gegenüber der zuvor beschriebenen ersten Version eine abgewandelte Aufnahmekammer (19) und einen abgewandelten Schaltkörper (16) auf, die jedoch aus Gründen der vereinfachen Darstellung mit demselben Bezugszeichen versehen sind.
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Bei dem Schaltkörper (16) gemäß 5 bis 8 sind die zweite Wandung (30b) und die dritte Wandung (30c) breiter gewählt, sodass sie in manchen vordefinierten Schaltpositionen jeweils zwei nebeneinanderliegende Öffnungen überdecken können. In 5 überdeckt die zweite Wandung (30b) gleichzeitig eine erste Öffnung (OD) zu der Fluid-Drucksenke (P–) und eine erste Öffnung (OB) zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b). Diese Öffnungen (OD, OB) sind im Vergleich zu 1 bis 4 näher beieinander angeordnet. Das gleiche gilt spiegelverkehrt für die zweite Wandung (30c), welche die zweiten Öffnungen (OD’, OB’) zu der Fluid-Drucksenke (P–) und den Bypass-Kanälen (22a, 22b) überdecken kann, was in 8 dargestellt ist.
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Die in 5 dargestellte Funktionalität zur Nockenmoment-Aktuierung entspricht vollständig der in 1 erläuterten Funktionalität, sodass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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6 und 7 unterscheiden sich hinsichtlich der Funktionalität von 2 und 3 dadurch, dass mit der Fluidströmungssteuerung (15‘) gemäß der zweiten Version eine Direktableitung von der zu entleerenden Kammer (N, V) hin zur Fluid-Drucksenke (P–) über die jeweiligen Öffnungen (OD, OD’) erfolgen kann, ohne dass eine Fluidströmung durch die Bypass-Kanäle (22a, 22b) erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem in der Schaltposition (K = KF) zur Fluiddruck-Aktuierung (FA-I) gemäß 6 der dritte Verbindungsbereich (31c) einerseits mit der Öffnung (ON) zu der Nachlaufkammer (N) und andererseits mit der zweiten Öffnung (OD’) zu der Fluid-Drucksenke (P–) überlappt. Außerdem überlappt der Verbindungsbereich (31c) noch mit der zweiten Öffnung (OB’) zu dem Bypass-Kanälen (22a, 22b). Allerdings sind die Bypass-Kanäle (22a, 22b) am anderen Ende fluiddicht verschlossen, da einerseits die erste Öffnung (OB) zu dem Bypass-Kanälen (22a, 22b) durch die zweite Wandung (30b) blockiert ist und andererseits über das Unidirektionalventil (20) ein Zu- oder Abfließen von Steuerfluid blockiert ist. An der zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b) weisenden Seite des Unidirektionalventils (20) liegt aufgrund der fluidleitenden Verbindung über den Verbindungsbereich (31c) und die zweiten Öffnungen (OB’, OD’) zu dem Bypass-Kanälen und der Fluid-Drucksenke (P–) ein niedriges Druckniveau an. An der anderen Seite des Unidirektionalventils (20), die zu der zentralen Zuführöffnung (OC) und der Fluid-Druckquelle (P+) weist, liegt hingegen das von der Fluid-Druckquelle (P+) erzeugte und höhere Druckniveau an. Somit ist das Unidirektionalventil (20) mit einer Druckdifferenz belastet, die in Schließrichtung des Ventils wirkt. Folglich ist keine (wesentliche) Fluidströmung in oder aus den Bypass-Kanälen (22a, 22b) über die zweite Öffnung (OB’) möglich und es findet im Wesentlichen ausschließlich eine Fluidströmung von der Nachlaufkammer (N) zu der Fluid-Drucksenke (P–) statt.
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Die in 7 gezeigte Schaltposition (KF’) zur Fluiddruck-Aktuierung (FA-II) ist hinsichtlich der Nutzung der beteiligten Verbindungsbereiche (31a–31c) und Wandungen (30a–30d) am Schaltkörper (16) und den Öffnungen bzw. Kanälen an der Aufnahmekammer (19) spiegelbildlich zur vorbeschriebenen 6, sodass auf die dortige Beschreibung analog verwiesen wird. Die Nachlaufkammer (N) ist über den mittleren Verbindungsbereich (31b) mit der Fluid-Druckquelle (P+) verbunden, sodass die Nachlaufkammer (N) befüllt wird. Die Vorlaufkammer (V) ist über den ersten Verbindungsbereich (31a) mit der ersten Öffnung (OD) zu der Fluid-Drucksenke (P–) verbunden, sodass sie entleert wird. Weiterhin überlappt der erste Verbindungsbereich (31a) mit der ersten Öffnung (OB) zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b). Eine Fluidströmung in oder aus dieser Öffnung (OB) ist jedoch im Wesentlichen verhindert, weil erneut die anderen Enden der Bypass-Kanäle (22a, 22b) verschlossen sind.
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9 zeigt eine dritte Version der Fluidströmungssteuerung (15‘‘), die wiederum über eine abgewandelte Aufnahmekammer (19) und einen abgewandelten Schaltkörper (16) verfügt. Die Anordnung der Öffnungen (OV, ON) zu der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) sowie der ersten und zweiten Öffnungen (OB, OB’, OD, OD’) zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b) und der Fluid-Drucksenke (P–) ist identisch zu der in 1 bis 4 beschriebenen Version. Eine Abwandlung ergibt sich in Bezug auf die Anbindung der Fluid-Druckquelle (P+).
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In den bisherigen Beispielen war jeweils eine radiale Fluidzufuhr (33) vorgesehen, bei der die zentrale Zuführöffnung (OC) in der Wandung der Aufnahmekammer (19) mit der Fluid-Druckquelle (P+) verbunden war, sodass eine Zuführung von Steuerfluid in das Leitungssystem stets in radialer Richtung stattfand. Es kann jedoch (bspw. aus Packaging-Gründen) sinnvoll oder erforderlich sein, die Fluid-Druckquelle (P+) über eine in Axialrichtung des Schaltkörpers (16) verlaufende Passage anzubinden. Eine solche axiale Fluidzufuhr (34) ist in 9 in einer ersten Ausführungsvariante gezeigt. Der Schaltkörper (16) weist hier eine in Axialrichtung verlaufende Sacklochbohrung (oder entsprechende innen liegende Passage) auf, die in dem Beispiel von 9 auf der Seite der Federabstützung des Schaltkörpers (16) mündet. Dort besteht eine fluidleitende Verbindung zu einer axialen Zuführungspassage, die gemäß dem dargestellten Beispiel ebenfalls in den Hohlraum mündet, in der sich die Federabstützung befindet. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass innerhalb der Federabstützung ein zusätzlicher fluiddicht abgegrenzter Passagenteil vorliegt (nicht dargestellt), der die Zuführungsleitung direkt mit der Sacklochbohrung in dem Schaltkörper (16) verbindet, d.h. ohne dass das Steuerfluid in Richtung der Federabstützung fließen kann. Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann die axiale Fluidzufuhr (34) auf der anderen Seite angeordnet sein, d.h. an dem von der Federabstützung entfernten Ende.
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In oder vor der axialen Zuführungspassage ist ein Unidirektionalventil (32) angeordnet, welches eine Fluidströmung von der Fluid-Druckquelle (P+) zu der axialen Zuführungspassage bzw. der Sacklochbohrung in dem Schaltkörper (16) gestattet, ein Rückfließen in der Gegenrichtung aber verhindert. In dem Beispiel von 9 ist zwischen der Fluid-Druckquelle (P+) und dem Unidirektionalventil (32) weiterhin eine Zuflussverbindung zu den Bypass-Kanälen (22a, 22b) gebildet. Vorliegend weisen die Bypass-Kanäle (22a, 22b) einen gemeinsamen Kanalteil (22c) auf, in dem ein Unidirektionalventil (20) angeordnet ist und der über die axiale Zufuhrleitung in die Sacklochbohrung in dem Schaltkörper (16) mündet. Die Sacklochbohrung ist über eine zentrale Zuführöffnung (OC‘) mit dem zweiten Verbindungsbereich (31d) an dem Schaltkörper (16) verbunden.
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Ein Vergleich der 1 bis 4 mit der 9 lässt erkennen, dass der gemeinsame Kanalteil (22c), das Unidrektionalventil (20), der Zuflusspunkt der Fluid-Druckquelle (P+), das Unidirektionalventil (32) und die jeweilige Zuführung des Steuerfluids über eine zentrale Zuführöffnung (OC, OC‘) zu dem zweiten Verbindungsbereich (31b) in beiden Versionen zu der gleichen Funktonalität führen. In der Version von 9 ist lediglich die zentrale Zuführöffnung (OC‘) in den Schaltkörper (16) integriert, während bei den anderen Versionen die zentrale Zuführöffnung (OC) in die Wandung der Aufnahmekammer (19) integriert war. Hinsichtlich der Funktionalität wird somit vollumfänglich auf die obige Beschreibung zu 1 bis 4 verwiesen.
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10 zeigt eine vierte Version, die in Abwandlung zu der dritten Version von 9 erläutert wird. Bei der Fluidströmungssteuerung (15‘‘‘) gemäß 10 liegen sowohl in dem Aufnahmekörper (19) als auch in dem Schaltkörper (16) je eine zentrale Zuführöffnung (OC, OC‘) vor. Die zentrale Zuführöffnung (OC) in dem Aufnahmekörper (19) wird in Analogie zu den Beispielen aus 1 und 4 genutzt, um über den jeweiligen Bypass-Kanal (22b/22a) eine Verbindung zwischen der Vorlaufkammer (V) und der Nachlaufkammer (N) bereitzustellen. In dem Beispiel von 10 ist diese zentrale Zuführöffnung (OC) allerdings breiter ausgebildet, sodass sie in den vordefinierten Schaltpositionen zur Nockenmoment-Aktuierung (KN, KN‘) jeweils hälftig von einer Wandung (30b, 30c) des Schaltkörpers (16) überdeckt wird. Das Unidirektionalventil (20), das vor der zentralen Zuführöffnung (OC) der Aufnahmekammer (19) angeordnet ist, definiert analog zu den vorbeschriebenen Versionen, ob eine Fluidströmung (F) von der Vorlaufkammer (V) zur Nachlaufkammer (N) oder von der Nachlaufkammer (N) zu der Vorlaufkammer (V) gemäß der Schaltposition (KN, KN‘) des Schaltkörpers (16) zugelassen ist. Über die andere zentrale Zuführöffnung (OC‘), die in den Schaltkörper (16) am zweiten Verbindungsbereich (31b) angeordnet ist, wird über die axiale Fluidzufuhr (34) bei der in 10 dargestellten Nockenmoment-Aktuierung (NA-I) eine Leckage-Kompensation analog zu den obigen Ausführungen gewährleistet. Wenn der Schaltkörper (16) hingegen in eine vordefinierte Schaltposition (KF, KF‘, nicht dargestellt) für eine Fluiddruck-Aktuierung verlagert wird, wird analog zu der Beschreibung von 9 über die axiale Fluidzufuhr (34) und die integrierte zentrale Zuführöffnung (OC‘) im Schaltkörper (16) ein Befüllen entweder der Vorlaufkammer (V) oder der Nachlaufkammer (N) ermöglicht, während die jeweils andere Kammer über den ersten Verbindungsbereich (31a) oder den dritten Verbindungsbereich (31c) mit der Fluid-Drucksenke (P–) verbunden ist.
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11 zeigt eine fünfte Version der Fluidströmungssteuerung (15‘) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Diese umfasst bereits oben zum Teil beschriebenen und besonders ausgebildeten Schaltkörper (16) zum Nachrüsten in einer Aufnahmekammer (19), die dem Beispiel aus 15 bis 17 entspricht. Die Aufnahmekammer (19) in dem Beispiel von 11 weist lediglich eine oder mehrere Passagenöffnungen (OP, OC) zu der Fluid-Druckquelle (P+) sowie Passagenöffnungen (OV, ON, OD, OD‘) zu der Vorlaufkammer (V), der Nachlaufkammer (N) und der Fluid-Drucksenke (P–) auf.
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In Abwandlung zu den 15 bis 17 weist der Schaltkörper (16) gemäß 11 mindestens einen integrierten Bypass-Kanal zwischen den Verbindungsbereichen (30a, 30b, 30c) und mindestens ein integriertes Unidirketionalventil auf, so dass der Schaltkörper (16) in einer ersten vordefinierten Schaltposition (KN) für die Nockenmoment-Aktuierung die Vorlaufkammer (V) mit der Nachlaufkammer (N) verbindet, wobei durch das Unidirektionalventil eine Fluidströmung (F) nur von der Nachlaufkammer (N) zu der Vorlaufkammer (V) ermöglicht ist. Diese Konstellation ist in 11 dargestellt. Weiterhin verbindet der Schaltkörper (16) in einer zweiten vordefinierten Schaltposition (KN‘) für die Nockenmoment-Aktuierung (nicht dargestellt) die Vorlaufkammer (V) mit der Nachlaufkammer (N), wobei eine Fluidströmung (F) nur von der Vorlaufkammer (V) zu der Nachlaufkammer (N) ermöglicht ist.
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Die Anzahl und Anordnung der Bypass-Kanäle und Unidirektionalventile in dem Schaltkörper (16) kann dabei beliebig gewählt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausbildung des Schaltkörpers (16) gemäß 11 gezeigt. Sie ist schnell und kostengünstig herstellbar. Hier ist ein erster Bypass-Kanal (24a) zwischen dem zweiten Verbindungsbereich (31b) und dem ersten Verbindungsbereich (31a) vorgesehen, in dem ein erstes Unidirektionalventil (21a) angeordnet ist. Weiterhin ist zwischen dem zweiten Verbindungsbereich (31b) und dem dritten Verbindungsbereich (31c) ein zweiter Bypass-Kanal (24b) vorgesehen, in dem ein zweites Unidirektionalventil (21b) angeordnet ist. Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass der Schaltkörper (16) in der ersten vordefinierten Schaltposition (KN) für die Nockenmoment-Aktuierung die Vorlaufkammer (V) über das zweite Unidirektionalventil (21b) und den zweiten Bypass-Kanal (24b) mit der Nachlaufkammer (N) verbindet und in der zweiten vordefinierten Schaltposition (KN‘, nicht dargestellt) für die Nockenmoment-Aktuierung über das erste Unidirektionalventil (21a) und den ersten Bypass-Kanal (24a).
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den einzelnen Versionen gezeigten, beschriebenen oder beanspruchten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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An Stelle der in 11 dargestellten separaten Bypass-Kanäle (24a, 24b) und Unidirektionalventile (21a, 21b) kann analog zu der in 1 bis 4 erläuterten Funktionalität zwei Bypass-Kanäle vorgesehen sein, die einerseits in den ersten Verbindungsbereich (31a) und andererseits in den dritten Verbindungsbereich (31c) münden, wobei diese Bypass-Kanäle einen gemeinsamen Kanalteil aufweisen, der über eine integrierte zentrale Zuführöffnung (OC‘) in den zweiten Verbindungsbereich (31b) mündet. In diesem gemeinsamen Kanalteil kann weiterhin ein gemeinsames Unidirektionalventil angeordnet sein.
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Die Anordnung von Steuerkammer (
18) und Stellelement (
17) an den Rotoren (
13,
14) kann vertauscht sein. Die Fluidpassagen von einer Fluidströmungssteuerung (
15) zu einer Vorlaufkammer (V) oder einer Nachlaufkammer (N) können nur in dem einen Rotor (
13), nur in dem anderen Rotor (
14) oder in beiden Rotoren (
13,
14) angeordnet sein. BEZUGSZEICHENLISTE
| 10 | Nockenwellensteller | Cam shaft angle shifter / Variable cam shaft timing device |
| 11 | Antriebselement | Driving element |
| 12 | Nockenwelle | Cam shaft |
| 13 | Erster Rotor | First rotor |
| 14 | Zweiter Rotor | Second rotor |
| 15, | Fluidströmungssteuerung | Fluid flow control in |
| 15‘, | in Versionen 1 bis 5 | versions 1 to 5 |
| 15‘‘, | gemäß vorliegender | according to present |
| 15‘‘‘, | Offenbarung | disclosure |
| 15* | | |
| 16 | beweglicher Schaltkörper / Schaltspule | Movable switching body / switching spool |
| 17 | Stellelement für Phasenwinkeleinstellung / Flügel | Control element for phaseangle adaption / Blade |
| 18 | Steuerkammer | Control chamber |
| 19 | Aufnahmekammer | Reception chamber |
| 20 | Gemeinsames Unidirektionalventil | common unidirectional valve |
| 21a | Erstes Unidirektionalventil | First unidirectional valve |
| 21b | Zweites Unidirektionalventil | Second unidirectional valve |
| 22a | Erster Bypass-Kanal | First Bypass-channel |
| 22b | Zweiter Bypass-Kanal | Second Bypass-channel |
| 22c | Gemeinsamer Kanalteil | Common channel section |
| 24a | Erster integrierter Bypass-Kanal | First integrated bypass-channel |
| 24b | Zweiter integrierter Bypass-Kanal | Second integrated bypass-channel |
| 30a | Erste Wandung | First wall |
| 30b | Zweite Wandung | Second wall |
| 30c | Dritte Wandung | Third wall |
| 30d | Vierte Wandung | Forth wall |
| 31a | Erster Verbindungsbereich | First connector section |
| 31b | Zweiter Verbindungsbereich | Second connector section |
| 31c | Dritter Verbindungsbereich | Third connector section |
| 32 | Unidirektionalventil für Basis-Fluidversorgung | Unidirectional valve for basic fluid supply |
| 33 | Radiale Fluidzufuhr | Radial fluid delivery |
| 34 | Axiale Fluidzufuhr | Axial fluid delivery |
| 50 | Nockenwellensteller nach Stand der Technik | Cam shaft angle shifter / Variable cam shaft timing device according to prior art |
| 51 | Fluidströmungssteuerung nach Stand der Technik | Fluid flow control according to prior art |
| A | Phasenwinkel | phase angle |
| U | Umdrehungswinkel | rotation angle |
| F | Fluidströmung / Fluid Strömungsrichtung | flow / Direction of flow |
| Fin | Eintritts-Strömung | Ingress flow |
| Fout | Austritts-Strömung | Egress flow |
| OV | Passagenöffnung zur Vorlaufkammer | Passage opening to advance chamber |
| ON | Passagenöffnung zur Nachlaufkammer | Passage opening to retard chamber |
| OP, | Passagenöffnung zu | Passage opening to |
| OP’ | Druckquelle | pressure source |
| OD, | Passagenöffnung zu | Passage opening to |
| OD’ | Drucksenke | pressure sink |
| OB, | Passagenöffnung zu Bypass | Passage opening to |
| OB’ | | bypass |
| OC | Zentrale Zuführöffnung | Central supply opening |
| OC’ | Zuführöffnung in Schaltkörper | Supply opening in switching body |
| K | Positionierung des Schaltkörpers | Positioning of switching body |
| KN | Erste vordefinierte Schaltposition – Nockenmoment-Aktuierung I | First pre-defined switching position – cam torque actuation I |
| KN’ | Zweite vordefinierte Schaltposition – Nockenmoment-Aktuierung I | Second pre-defined switching position – cam torque actuation II |
| KF | Dritte vordefinierte Schaltposition – Fluiddruck-Aktuierung I | Third pre-defined switching position – Fluid pressure actuation I |
| KF’ | Vierte vordefinierte Schaltposition – Fluiddruck-Aktuierung II | Forth pre-defined switching position – Fluid pressure actuation II |
| KB | Fünfte vordefinierte Schaltposition – Blockade der Fluidströmung | Fifth pre-defined switching position – blocking of fluid flow |
| MA | Antriebsmoment | Driving torque |
| MN | Nockenmoment | Cam torque |
| NA-I | Nockenmoment-Aktuierung I | Cam torque actuation I |
| NA-II | Nockenmoment-Aktuierung II | Cam torque actuation II |
| FA-I | Fluiddruck-Aktuierung I | Fluid pressure actuation I |
| FA-II | Fluiddruck-Aktuierung II | Fluid pressure actuation II |
| N | Nachlaufkammer | Retard chamber |
| V | Vorlaufkammer | Advance chamber |
| P+ | Fluid-Druckquelle / Pumpe | Fluid pressure source / pump |
| P– | Fluid-Drucksenke / Drainage | Fluid pressure sink / drainage |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6453859 B1 [0011]
- US 8800515 B1 [0012]
- US 8820280 B2 [0012]
