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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine variable Spannvorrichtung für eine Antriebskette oder einen Riemen in einem Verbrennungsmotor oder einer anderen Industriemaschine und kann auch für eine Ausgleichswelle oder ein Ölpumpen-Antriebssystem verwendet werden.
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HINTERGRUND UND KURZDARSTELLUNG
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Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
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Ein Verbrennungsmotor verwendet normalerweise eine(mehrere) Nockenwelle(n), um die Ventile des Motors zu öffnen und zu schließen, um die Zufuhr an Ansaugluft zum Zylinder für die Verbrennung darin sowie die Entfernung von Abgasen nach der Verbrennung daraus zu kontrollieren. Ein Nockenwellen-Antriebselement, wie ein Zahnriemen oder eine Steuerkette, wird häufig verwendet, um die Drehung der Kurbelwelle und der Nockenwelle(n) des Motors zu synchronisieren, sodass sich die Einlass- und Auslassventile bei jedem Ansaug- und Auslasstakt zum richtigen Zeitpunkt öffnen und schließen.
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In einem Motor mit einem Zahnriemen oder einer Kette wird häufig eine Spannvorrichtung verwendet. Diese Spannvorrichtung übt im Allgemeinen Kraft auf den Zahnriemen oder die Kette aus, um die Spannung des Riemens oder der Kette und damit die Synchronisation der Rotation von Kurbelwelle und Nockenwelle(n) des Motors aufrecht zu erhalten. Die Spannvorrichtung stellt sicher, dass, unabhängig von der Bewegung des Riemens oder der Kette, die Verbindung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle(n) des Motors aufrecht erhalten bleibt, und die Beanspruchung der zusammenhängenden Komponenten begrenzt wird.
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Aktuelle Spannvorrichtungen haben eine Feder, um das Nockenantriebssystem mit genug Last vorzuspannen, um das Nocken-Timing zum Beginn (niedrige Motordrehzahlen) und bei hohen Motordrehzahlen zu steuern. Aber im mittleren Bereich der Motordrehzahlen ist eine wesentlich geringere Federkraft erforderlich. Dementsprechend liefert die vorliegende Offenbarung den Öldruck gegen die Feder, so dass bei mittleren Motordrehzahlen (im Allgemeinen bei 1000–3000 Umdrehungen pro Minute) eine wesentlich geringere Nockenantriebsspannung erreicht wird. Durch die Reduzierung der Spannung an dem Antriebselement bei mittleren Geschwindigkeiten kann eine Verringerung der Reibung erreicht werden. Solche Reibungsminderung kann die Kraftstoffeffizienz verbessern. Zusätzlich erhöht die resultierende geringere durchschnittliche Spannung am Nockenantrieb auch die Zuverlässigkeit der Komponente.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Riemen- bzw. Kettenantriebssystems eines Verbrennungsmotors mit einer Spannvorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
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2 ist eine schematische Darstellung der variablen Spannvorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschreiben.
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Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine” und „der/die/das” gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „beinhalten” und „haben” sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
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Wenn ein Element oder eine Schicht als „an/auf”, „in Eingriff mit”, „verbunden mit” oder „gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf”, „direkt im Eingriff mit”, „direkt verbunden mit” oder „direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen” und „direkt zwischen”, „angrenzend” und „direkt angrenzend” usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder” alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
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Obwohl die Ausdrücke erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste”, „zweite” und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein weiter unten diskutiertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
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Raumbezogene Begriffe, wie „innere”, „äußere”, „unterhalb”, „unter”, „untere”, „über”, „obere” und dergleichen, können hierin zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, sind Elemente, die als „unterhalb” von oder „unter” anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb” anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb” sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb enthalten. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert werden (um 90° gedreht oder zu anderen Orientierungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können dementsprechend interpretiert werden.
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1 veranschaulicht einen Verbrennungsmotor 10 mit einen Zylinderblock 12 mit mehreren darin angeordneten Zylindern (nicht gezeigt) und einen Zylinderkopf 16, der auf dem Zylinderblock 12 montiert ist.
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Bekanntermaßen nimmt der Zylinderkopf 16 vor der Verbrennung ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff auf, das dann in den Zylindern für die Verbrennung verwendet wird. Zu jedem Zylinder gehört ein Kolben, der sich darin hin- und her bewegt. Durch einen Ansaugkrümmer wird zu jeder der Brennkammern ein Luftstrom geleitet, in welchem Kraftstoff mit Luft gemischt wird. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann innerhalb der Brennkammer verbrannt. Obwohl zur Veranschaulichung in 1 ein Reihenmotor gezeigt ist, kann die vorliegende Offenbarung auch auf einen Motor mit einer anderen Anordnung oder beliebigen Anzahl von Zylindern angewendet werden.
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Bekanntermaßen enthält der Motor 10 auch mehrere Einlassventile, die operativ mit dem Zylinderkopf 16 verbunden und so konfiguriert sind, dass jeder Zylinder eine Luftzufuhr für die Verbrennung des Kraftstoffs besitzt. Eine Einlassnockenwelle 28 ist so konfiguriert, dass sie während des Betriebs des Motors 10 das Öffnen und Schließen der entsprechenden Einlassventile steuert. Weiterhin bekannt ist, dass der Motor 10 zusätzlich mehrere Auslassventile enthält, die operativ mit dem Zylinderkopf 16 verbunden und so konfiguriert sind, dass Nachverbrennungsgase von jedem Zylinder kontrolliert abgeleitet werden. Eine Auslassnockenwelle 32 ist so konfiguriert, dass sie das Öffnen und Schließen der entsprechenden Auslassventile während des Betriebs des Motors 10 reguliert.
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Der Motor 10 beinhaltet auch eine Kurbelwelle 34, die so konfiguriert ist, dass sie innerhalb des Zylinderblocks 12 rotiert. Die Kurbelwelle 34 wird von den Kolben mit Hilfe von Pleuelstangen gedreht als Ergebnis einer richtig dosierten Menge an Kraftstoff und Luft, die gezielt über ein oder mehrere Einlassventil(e) in die Brennkammern geleitet und in den Brennkammern verbrannt wird. Nachdem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrannt wurde, dient die Hin- und Her-Bewegung eines speziellen Kolbens dazu, die Nachverbrennungsgase vom entsprechenden Zylinder über ein oder mehrere Auslassventil(e) abzuleiten. Der Zylinderkopf 16 ist auch dafür konfiguriert, dass die Nachverbrennungsgase aus den Brennkammern wie durch einen Abgaskrümmer abgeleitet werden.
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Die Einlass- und Auslassnockenwellen 28, 32 können jeweils entsprechende Ritzel oder Riemenscheiben 28-1, 32-1 enthalten, während die Kurbelwelle 34 ein Ritzel oder eine Riemenscheibe 34-1 enthalten kann. Der Motor 10 enthält auch ein Nockenwellen-Antriebselement 38 für einen geschlossenen Kreislauf, wie etwa einen Zahnriemen (nicht abgebildet) oder eine Kette (wie in 1 gezeigt). Das Nockenwellen-Antriebselement 38 verbindet operativ die entsprechenden Ritzel/Riemenscheiben 28-1, 32-1 und 34-1, um damit die Rotation der Kurbelwelle 34 und der Nockenwellen 28, 32 zu synchronisieren. Die synchronisierte Drehung der Kurbelwelle 34 und der Nockenwellen 28, 32 über das Nockenwellen-Antriebselement 38 stellt sicher, dass die Einlass- und Auslassventile zum richtigen Zeitpunkt während des Ansaug- und Auslasstakts jedes Zylinders geöffnet und geschlossen werden und können zusätzlich ein sicheres Laufspiel zwischen den Ventilen und den Kolben aufrechterhalten.
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Der Motor 10 beinhaltet zusätzlich ein Spannsystem für das Nockenwellen-Antriebselement 40. Das Spannsystem des Nockenwellenantriebs 40 beinhaltet eine Fluidpumpe 42, die für die Zufuhr eines unter Druck stehenden Fluids 43, beispielsweise Motorschmieröl, konfiguriert ist. Die Fluidpumpe 42 kann mechanisch durch den Motor 10, beispielsweise von der Kurbelwelle 34, oder über einen Elektromotor (nicht abgebildet) angetrieben werden. Die Fluidpumpe 42 kann so konfiguriert sein, dass sie Öl für die Schmierung verschiedener Lager (nicht abgebildet) des Motors 10, beispielsweise das Lager der Kurbelwelle 34, der Einlass- und der Auslassnockenwellen 28, 32 und für andere Motor-Teilsysteme zuführt. Das Spannsystem des Nockenwellenantriebs 40 enthält auch eine Spannvorrichtung 44, die so konfiguriert ist, dass eine Kraft F auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 einwirkt.
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Die Fluidpumpe 42 führt der Spannvorrichtung 44 über eine Fluidleitung 45, die weiter unten im Detail erörtert ist, unter Druck stehendes Fluid 43 zu. Die Spannvorrichtung 44 wird durch das unter Druck stehende Fluid 43 von der Fluidpumpe 42 betätigt, um dadurch die Kraft F auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 zu übertragen. Wie gezeigt, kann ein schwenkbarer Spannarm 46 zwischen der Spannvorrichtung 44 und dem Nockenwellen-Antriebselement 38 angeordnet werden. Der Spannarm kann die Form einer Platte oder Riemenscheibe oder einer anderen bekannten Spannvorrichtung sein. Der Spannarm 46 ist so konfiguriert, dass er die Kraft F von der Spannvorrichtung 44 über einen verlängerten Abstand des Nockenwellen-Antriebselements 38 überträgt und so die auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 während des Betriebs des Motors 10 ausgeübte Spannungskraft vermindert. Ein feststehender Arm 48 kann ebenfalls verwendet werden, um die gegenüberliegende Seite des Nockenwellen-Antriebselements 38 zu führen, wie in 1 dargestellt ist.
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Die von der Spannvorrichtung 44 auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 ausgeübte Kraft F ist dazu gedacht, eine festgelegte Spannung des Nockenwellen-Antriebselements 38 zu erhalten und dadurch die Rotation der Kurbelwelle 34 und der Nockenwellen 28, 32 zu synchronisieren. Die Spannvorrichtung 44 übt kontinuierlich die Kraft F aus, um sicherzustellen, dass die Bewegung des Nockenwellen-Antriebselements 38 auch bei unterschiedlichen Motorgeschwindigkeiten kontrolliert wird.
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Mit Bezug auf 2 enthält die Spannvorrichtung 44 ein Gehäuse 50 mit einer Bohrung 52. Ein Kolben 54 ist in der Bohrung 52 angeordnet. Eine Feder 56 greift in den Kolben 54 ein zum Vorspannen des Kolbens 54 in eine nach außen gerichtete Richtung hin zum Spannarm 46. Das Gehäuse 50 enthält eine erste Ölkammer 58 auf einer innenliegenden Seite des Kolbens 54 und eine zweite Ölkammer 60 auf einer äußeren Seite eines Kolbenflansches 62. Ein erster Ölkanal 64 ist mit der ersten Ölkammer 58 und ein zweiter Ölkanal 66 mit der zweiten Ölkammer 60 verbunden. Der erste und zweite Ölkanal 64, 66 werden selektiv mit unter Druck stehendem Fluid von einem Regelventil 68 versorgt.
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Wie in 1 gezeigt, enthält das Nockenwellen-Spannsystem 40 eine Steuerung 70, die so konfiguriert ist, das Steuerventil 68 zum selektiven Zuführen von unter Druck stehendem Fluid entweder zu der ersten Ölkammer 58 oder der zweiten Ölkammer 60 zu steuern. Das zur ersten Ölkammer 58 geführte unter Druck stehende Fluid erhöht tendenziell die Kraft auf die Spannvorrichtung zusätzlich zur Federkraft durch die Feder 56. Das zur zweiten Ölkammer 60 geführte unter Druck stehende Fluid wirkt tendenziell der von der Feder 56 ausgeübten Kraft entgegen und verringert somit die angewendete Kraft F auf den Spannarm 46. Die Steuerung 70 kann eine spezielle Steuerung für den Motor 10 sein, eine Steuerung für einen Antriebsstrang des Fahrzeugs, der sowohl den Motor 10 als auch ein Getriebe umfasst, oder ein Hauptprozessor für ein gesamtes Kraftfahrzeug. Die Steuerung 70 enthält einen Speicher, von dem mindestens ein Teil greifbar und nichtflüchtig ist. Der Speicher der Steuereinheit 70 kann mit anderer geeigneter Computer-Hardware ausgerüstet und für dieselbe konfiguriert sein, wie etwa mit einem Hochgeschwindigkeitstakt, erforderlichen Analog-zu-Digital (A/D) und/oder Digital-zu-Analog (D/A) Schaltkreisen, allen erforderlichen Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -geräten (I/O), sowie geeigneten Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltkreisen. Alle Algorithmen, die für die Steuereinheit 70 erforderlich oder zugänglich sind, können im Speicher gespeichert und automatisch ausgeführt werden, um die benötigte Funktionalität zu liefern.
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Insbesondere die Steuereinheit 70 ist zur selektiven Steuerung des Regelventils 68 programmiert, um unter Druck stehendes Fluid entweder zum ersten oder zweiten Ölkanal 64, 66 und damit zur ersten Ölkammer 58 oder der zweiten Ölkammer 60 zu liefern. Dementsprechend kann die Zufuhr von unter Druck stehendem Fluid zur ersten Ölkammer 58 zusätzliche Spannkraft auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 ausüben, während die Zufuhr von unter Druck stehendem Fluid zur zweiten Ölkammer 60 hingegen die Federkraft reduzieren kann, die am Nockenwellen-Antriebselement 38 von der Spannvorrichtung 44 ausgeübt wird.
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Das Spannsystem des Nockenwellenantriebs 40 kann auch einen Sensor 72 enthalten, der in operativer Verbindung mit der Steuereinheit 70 steht und so konfiguriert ist, dass er die Drehzahl des Motors 10 erfasst. Speziell der Sensor 72 kann als Sensor für die Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle 34 konfiguriert werden. Die Steuereinheit 70 kann so konfiguriert sein, dass sie das unter Druck stehende Fluid 43 entweder zur ersten oder zur zweiten Ölkammer 58, 60 der Spannvorrichtung 44 zuführt, in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors 10, die vom Sensor 72 ermittelt wird. Somit kann die angewendete Kraft F der Spannvorrichtung 44 je nach der Motordrehzahl variiert werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Spannvorrichtung bei der Inbetriebnahme (niedrigen Motordrehzahl) und bei hohen Motordrehzahlen mit unter Druck stehendem Fluid versorgt werden, um zusätzliche Spannkraft des Spannarms zu erreichen, sodass eine ausreichende Menge Spannkraft auf das Nockenwellen-Antriebselement 38 ausgeübt wird. Im mittleren Drehzahlbereich von 1000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute ist eine geringere Spannkraft für die Steuerung des Nockenwellen-Antriebselements erforderlich. Dementsprechend kann die Steuereinheit 70 das Regelventil 68 zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid zur zweiten Ölkammer 60 steuern, so dass das unter Druck stehende Fluid eine Kraft entgegen der Federkraft von Feder 56 ausübt, so dass die Spannung am Nockenwellen-Antriebselement 38 und die daraus resultierende Reibung abträglich dem Wirkungsgrad des Motors 10 bei mittleren Motordrehzahlen reduziert werden kann. Insbesondere das Prüfen des aktuellen Systems hat gezeigt, dass eine kleine Verringerung der Reibung im Nockenwellen-Antriebselement bei einem kleinen 4-Zylinder-Motor zu einer leicht erhöhten Kraftstoffeinsparung führt. Zusätzlich erhöht die resultierende geringere durchschnittliche Spannung am Nockenantrieb auch die Zuverlässigkeit der Komponente.
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Das Fluid-Regelventil 68 kann ein Mehrwegeventil sein, dass wahlweise zur Zuführung des unter Druck stehenden Fluids zur ersten oder zweiten Ölkammer 58, 60 oder alternativ zu keiner Ölkammer betrieben werden kann, sodass nur die Federkraft auf die Spannvorrichtung ausgeübt wird. Das Fluid-Regelventil 68 kann die Form eines Einzelventils oder einer Kombination von Ventilen annehmen.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Solche Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
