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Die Erfindung betrifft eine Nockenwellensteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Phasenverstelleinrichtung, bei der zur Stabilisierung der Nockenwellensteuerungsvorrichtung der Strom eines verwendeten Strömungsmittels in der Ableitung durch ein Steuerventil und / oder ein Rückschlagventil unterbrochen werden kann.
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Das Verhalten einer Brennkraftmaschine kann durch die Verwendung von zwei Nockenwellen verbessert werden, wobei eine Nockenwelle die Einlassventile der verschiedenen Zylinder der Brennkraftmaschine und die andere die Auslassventile betätigt. Das Verhalten einer Brennkraftmaschine mit zwei Nockenwellen kann in Bezug auf Parameter wie Kraftstoffverbrauch, Emissionen oder Drehmoment gesteuert werden, indem die Lagebeziehung einer der Nockenwellen, besonders der Nockenwelle, die die Einlassventile betätigt, relativ zur anderen Nockenwelle und zur Kurbelwelle verändert wird, um auf diese Weise das Timing der Brennkraftmaschine in Bezug auf die Betätigung der Einlassventile relativ zu ihren Auslassventilen oder in Bezug auf die Betätigung ihrer Ventile relativ zur Position der Kurbelwelle zu verändern. Das Timing kann durch eine variable Nockenwellen-zeitabstimmung gestaltet werden. Eine Nockenwelle kann für ein verzögertes Schließen der Einlassventile „spätverstellt“, also zeitlich nach hinten verlegt werden. Ähnlich kann die Nockenwelle für ein vorzeitiges Schließen der Einlassventile „frühverstellt“, also vorverlegt werden. Sind zwei obenliegende Nockenwellen vorhanden, wird herkömmlicherweise die Nockenwelle verstellt, die die Einlassventile der Brennkraftmaschine betätigt. Die zeitliche Verstellung der Nockenwelle nach vorn oder nach hinten wird auch als variable Nockenwellen-Zeitabstimmung (variable camshaft timing, VCT) bezeichnet.
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Eine Art der Ausführung einer VCT-Vorrichtung ist die Steuerung über ein unter Druck stehendendes Strömungsmedium, in der Regel Öl. In einer solchen VCT-Vorrichtung ist eine Anordnung von Segmenten vorhanden, die jeweils durch einen Flügel in zwei Kammern unterteilt sind. Durch Druckbeaufschlagung der von den Flügeln unterteilten Kammern lässt sich die Größe der Kammern und damit die Position eines in der VCT-Vorrichtung angeordneten Rotors, der mit der Nockenwelle verbunden ist, relativ zu einem feststehenden Gehäuse der VCT-Vorrichtung verändern und damit die Steuerzeiten für die Einlassventile einstellen. Ventiltriebkräfte können dabei oszillierende Drehmomente verursachen, die zu unerwünschten Bewegungen zwischen dem Gehäuse und dem Rotor bzw. den Flügeln führen können. Ventileinrichtungen in der VCT-Vorrichtung weisen weiterhin häufig eine interne Leckage auf, das zu einem Ölverlust führt, der wiederrum zu ungewollten Bewegung zwischen dem Gehäuse und dem Rotor bzw. den Flügeln führen kann. Drosseln, die in einer Ablaufleitung oder Zuleitung der VCT-Vorrichtung angeordnet sind, können den Öldruck in den Kammern zwar verstärken und die Oszillation herabsetzen, haben jedoch auch die Wirkung, zu unerwünschten niedrigen Verstellgeschwindigkeiten der VCT-Vorrichtung zu führen.
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Aus der
DE 10 2008 001 801 A1 ist eine variable Nockenwellensteuervorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zusammengefassten Merkmalen bekannt.
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Es besteht damit die Aufgabe, die Position der VCT-Vorrichtung so stabil zu halten, dass keine ungewollten Bewegungen der VCT-Vorrichtung auftreten, ohne jedoch die Verstellgeschwindigkeit der VCT-Vorrichtung dabei ungünstig zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine variable Nockenwellensteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine zum Einstellen einer Phase zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle unter Verwendung eines Öldrucks von einer Öldruckquelle, umfassend:
- ein Gehäuse mit einem Außenumfang zum Aufnehmen einer Antriebskraft,
- einen koaxial in dem Gehäuse angeordneten Rotor in Verbindung mit der ersten Welle,
- mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes Segment, das durch einen Flügel in eine Frühverstellungskammer und eine Spätverstellungskammer unterteilt ist,
- wobei der Flügel eine Drehung ausführen kann, um die relative Winkelposition des Rotors zum Gehäuse zu verschieben,
- wobei die Frühverstellungskammer und die Spätverstellungskammer zum Drehen des Flügels zwischen mindestens einer Zuleitung und einer Ableitung entgegengesetzt schaltbar sind, wobei der Flügel durch Öldruckbeaufschlagung, die über die Zuleitung entweder mittels eines Frühverstellungszuleitungskanals an die Frühverstellungs-kammer oder mittels eines Spätverstellungszuleitungskanals an die Spätverstellungskammer bewirkt wird, beweglich ist, während die jeweils andere Kammer entweder mittels eines Frühverstellungsableitungskanals oder mittels eines Spätverstellungsableitungskanals über eine Ableitung mit einer Sammeleinrichtung für das Öl in Strömungsverbindung steht,
- wobei die Öldruckbeaufschlagung der Frühverstellungskammer oder der Spätverstellungskammer durch ein Steuerventil gesteuert wird, wobei die Zuleitung stromaufwärts des Steuerventils ein erstes Rückschlagventil aufweist,
- wobei in der Ableitung stromabwärts des Steuerventils ein zweites Rückschlagventil angeordnet ist, und wobei
- das Steuerventil oder das zweite Rückschlagventil ausgebildet sind, eine Ventilposition einzunehmen, in der der Ölstrom in der Ableitung unterbrochen wird,
- dadurch gekennzeichnet, dass
- das Steuerventil mindestens fünf Schaltstellungen aufweist, wobei in einer ersten Schaltstellung die Zuleitung mit dem Frühverstellungszuleitungskanal und die Ableitung mit dem Frühverstellungsableitungskanal verbunden sind, in einer zweiten Schaltstellung die Zuleitung in eine fluide Verbindung mit sowohl dem Frühverstellungszuleitungskanal als auch dem Spätverstellungszuleitungskanal geschaltet sind, in einer dritten Schaltstellung keine Verbindung zwischen der Zuleitung und der Ableitung zu den Frühverstellungszuleitungskanal und dem Spätverstellungszuleitungskanals besteht, in einer vierten Schaltstellung die Zuleitung in eine fluide Verbindung mit sowohl dem Frühverstellungszuleitungskanal als auch dem Spätverstellungszuleitungskanal geschaltet sind, und in einer fünften Schaltstellung die Zuleitung mit dem Spätverstellungszuleitungskanal und die Ableitung mit dem Spätverstellungsableitungskanal verbunden ist, wobei das zweite Rückschlagventil als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, das zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung geschaltet werden kann.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch ein in der Zuleitung des Öls angeordnetes Rückschlagventil, das zur Vermeidung von Rückfluss zur Öldruckquelle vorgesehen sind, der Druck in den Kammern einer Nockenwellensteuervorrichtung erhöht werden kann, die zur Steuerung mit Öl druckbeaufschlagt werden. Dadurch wird eine unerwünschte Oszillation der ersten Welle reduziert, was sich positiv auf die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwellensteuervorrichtung auswirkt. Es hat sich nun überraschend herausgestellt, dass der Druck in den Kammern, aus denen Öl abgeleitet wird, vorteilhaft erhöht werden kann, wenn in der Ableitung des Öls ein Rückschlagventil und / oder ein Steuerventil zum Unterbrechen des Ölstroms in der Ableitung angeordnet ist. Der erhöhte Druck in den Kammern wirkt sich positiv auf das Steuerverhalten der ersten Welle aus. Weiterhin kann mittels der Anleitung eine unerwünschte Durchmischung des Öls mit Luft in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden werden.
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Mit Druck beaufschlagen bedeutet in Bezug auf das Öl, dass es durch die Öldruckquelle unter Druck gesetzt wird, und in Bezug auf die Kammern, dass der Druck des Öls auf die Kammern übertragen wird.
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Die Brennkraftmaschine ist insbesondere die eines Kraftfahrzeugs.
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Es ist bevorzugt, wenn die erste Welle eine Nockenwelle ist. Es ist besonders bevorzugt, wenn die erste Welle die Nockenwelle ist, die die Einlassventile betätigt. Durch den erhöhten Druck in der Kammer, aus der Öl abgeleitet wird, wird damit vorteilhaft eine unerwünschte Oszillation der Nockenwelle reduziert.
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Vorteilhafterweise sind mindestens drei Segmente in dem Gehäuse angeordnet. Eine Vielzahl von Segmenten, z. B. mindestens drei, bewirken eine effektivere Kraftwirkung auf den Rotor und damit auf die Nockenwelle.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die zweite Welle eine Kurbelwelle ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer variablen Nockenwellensteuervorrichtung gemäß der Erfindung.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren einer Oszillation einer Nockenwelle unter Verwendung einer erfindungsgemäßen variablen Nockenwellensteuervorrichtung, wobei zum Verschieben der Winkelposition des Rotors relativ zum Gehäuse die Frühverstellungskammer oder die Spätverstellungskammer mittels einer Öldruckquelle mit Druck beaufschlagt und das Volumen der Frühverstellungskammer bzw. der Spätverstellungskammer durch Bewegen des Flügels des Segments vergrößert wird, gleichzeitig das Volumen der Spätverstellungskammer bzw. der Frühverstellungskammer durch Bewegen des Flügels verringert und Öl über die Ableitung aus der Spätverstellungskammer bzw. der Frühverstellungskammer abgeleitet wird, und wobei der Ölfluss über die Ableitung mittels des Steuerventils oder des zweiten Rückschlagventils gesteuert wird.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen variablen Nockenwellensteuervorrichtung.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine herkömmliche variable Nockenwellensteuervorrichtung .
- 2 eine variable Nockenwellensteuervor-richtung.
- 3 eine variable Nockenwellensteuervor-richtung mit elektronischem Rückschlagventil.
- 4 eine erfindungsgemäße variable Nockenwellensteuervorrichtung mit 4/5-Wegeventil.
- 5 eine variable Nockenwellensteuervor-richtung mit 4/3-Wegeventil.
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In einer herkömmlichen variablen Nockenwellensteuerung 1 gemäß der Darstellung von 1 sind in einem Gehäuse 2 drei Segmente 3 angeordnet, die durch jeweils einen Flügel 4 in eine Frühverstellungskammer 5 und eine Spätverstellungskammer 6 unterteilt sind. Es können auch weniger oder mehr Segmente 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet sein. Weiterhin ist in dem Gehäuse 2 ein Rotor 7 in Verbindung mit einer Nockenwelle (nicht gezeigt) koaxial angeordnet. Bevorzugt ist der Rotor 7 mit der Nockenwelle in Verbindung, die die Einlassventile einer Brennkraftmaschine betätigt. Der Flügel 4 kann eine Drehbewegung ausführen, um die relative Winkelposition des Rotors 7 zum Gehäuse 2 zu verschieben.
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Als Öldruckquelle ist eine Ölpumpe 8 vorgesehen, um das als Strömungsmedium verwendete Öl mit Druck zu beaufschlagen. Das Öl wird dazu von der Ölpumpe 8 über eine Zuleitung 9 in eine der beiden Kammern 5 oder 6 gepumpt. Die Zuleitung 9 führt durch ein Steuerventil 10, welches die Zuleitung 9 entweder über einen Frühverstellungszuleitungskanal 9a mit der Kammer 5 oder durch einen Spätverstellungszuleitungskanal 9b mit der Kammer 6 in Strömungsverbindung schalten kann. In der Zuleitung 9 ist ein erstes Rückschlagventil 11 angeordnet.
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Der Öldruck in den Kammern 5 und 6 wird dabei durch das Steuerventil 10 aktiv gesteuert. Das Steuerventil 10 erhält Steuerbefehle entsprechend einer gewünschten Früh- oder Spätverstellung einer Nockenwelle von einer Steuereinrichtung 16. Das Steuerventil 10 ist in der Darstellung von 1 wie auch in den weiteren Darstellungen durch eine Feder 10a in eine erste Richtung und einen Aktor 10b in zweite Richtung vorgespannt. Es kann jedoch auch eine andere Art der Steuerung für das Steuerventil 10 verwendet werden. Von den Kammern der Segmente 3 führt eine Ableitung 12 zu einer Sammeleinrichtung 13, die auch als Ölwanne oder Ölsumpf 13 bezeichnet wird. Die Ableitung 12 führt durch das Steuerventil 10, das mit den Kammern 5 und 6 der Segmente durch einen Frühverstellungs-ableitungskanal 12a und Spätverstellungsableitungskanal 12b in Strömungsverbindung steht. In der Ableitung 12 ist in der Darstellung von 1 eine Drossel 14 angeordnet.
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Das Steuerventil 10 ist in 1 als 4/3-Wegeventil mit drei Schaltstellungen dargestellt, wobei in der ersten Schaltstellung die Zuleitung 9 mit dem Frühverstellungszuleitungskanal 9a und die Ableitung 12 mit dem Frühverstellungsableitungskanal 12a verbunden werden können (in 1 - 3 die obere Schaltstellung), in einer zweiten Schaltstellung keine Verbindung zwischen Zuleitung 9 und Ableitung 12 zu den Früh- und Spätverstellungskanälen besteht (in 1 - 3 die mittlere Schaltstellung) und in einer dritten Schaltstellung die Zuleitung 9 mit dem Spätverstellungszuleitungskanal 9b und die Ableitung 12 mit dem Spätverstellungsableitungskanal 12b verbunden werden können (in 1 - 3 die untere Schaltstellung).
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In einer Ausführungsform einer variablen Nockenwellensteuervorrichtung 1 gemäß der Darstellung von 2 ist in der Ableitung 12 zwischen dem Steuerventil 10 und dem Ölsumpf 13 ein zweites Rückschlagventil 15 angeordnet. Durch die Wirkung des Rückschlagventils 15 kommt es zu einer Steigerung des Öldrucks in der Kammer, aus der das Öl abgeleitet wird.
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Die Bewegung des Flügels 4 wird durch Druckbeaufschlagung, d. h. durch Anlegen eines Öldrucks bewirkt, wobei die Frühverstellungskammer 5 und die Spätverstellungskammer 6 zwischen einer Zuleitung 9 und einer Ableitung 12 entgegengesetzt schaltbar sind, wobei der Flügel 4 durch Öldruck von der Ölpumpe 8, der über die Zuleitung 9 entweder an die Frühverstellungskammer 5 oder an die Spätverstellungskammer 6 angelegt ist, beweglich ist, während aus der jeweils anderen Kammer über die Ableitung 12 Öl zum Ölsumpf 13 geleitet wird. Das Steuerventil 10 ist in dieser Ausführungsform durch dieselben möglichen Schaltstellungen gekennzeichnet wie in 1.
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In einer Ausführungsform einer variablen Nockenwellen-steuervorrichtung 1 gemäß der Darstellung von 3 ist das Rückschlag-ventil 15 ein elektronisches Rückschlagventil. Das Rückschlageventil 15 ist hier als 2/2-Wegeventil ausgeführt, das zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung geschaltet wird. Das Rückschlagventil 15 ist mit der Steuereinrichtung 16 verbunden, von der entsprechend den Anforderungen Steuerbefehle erteilt werden, um das Rückschlagventil 15 in die offene oder geschlossene Stellung zu schalten. Das Steuerventil 10 ist in dieser Ausführungsform durch dieselben möglichen Schaltstellungen gekennzeichnet wie in 1.
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In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen variablen Nockenwellensteuervorrichtung 1 gemäß der Darstellung von 4 weist das Steuerventil 10 ein 4/5-Wegeventil mit fünf Schaltstellungen auf. Dabei kann in der ersten Schaltstellung die Zuleitung 9 mit dem Frühverstellungszuleitungskanal 9a und die Ableitung 12 mit dem Frühverstellungsableitungskanal 12a verbunden werden (oberste Schaltstellung). In der zweiten Schaltstellung kann die Zuleitung 9 in eine fluide Verbindung mit sowohl dem Frühverstellungszuleitungskanal 9a als auch dem Spätverstellungszuleitungskanal 9b geschaltet werden (zweite Schaltstellung von oben). In der dritten Schaltstellung besteht keine Verbindung zwischen Zuleitung 9 und Ableitung 12 zu den Früh- und Spätverstellungskanälen (mittlere Schaltstellung). Die vierte Schaltstellung ist mit der zweiten Schaltstellung identisch (zweite Schaltstellung von unten). In der fünften Schaltstellung können die Zuleitung 9 mit dem Spätverstellungszuleitungskanal 9b und die Ableitung 12 mit dem Spätverstellungsableitungskanal 12b verbunden werden (unterste Schaltstellung). In 4 ist kein zweites Rückschlagventil 15 gezeigt, ist aber vorhanden. Alternativ kann in dieser Ausführungsform auch kein Rückschlagventil in der Ableitung 12 angeordnet sein.
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Ein einer weiteren Ausführungsform einer variablen Nockenwellensteuervorrichtung 1 gemäß der Darstellung von 5 weist das Steuerventil 10 ein 4/3-Wegeventil mit drei Schaltstellungen auf. Im Unterschied zum Steuerventil 10 in den 1 - 3 weist das Steuerventil 10 in 5 eine mittlere Schaltstellung auf, in der die Zuleitung 9 in eine fluide Verbindung mit sowohl dem Frühverstellungszuleitungskanal 9a als auch dem Spätverstellungszuleitungskanal 9b geschaltet werden.
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In einem Verfahren zur Früh- oder Spätverstellung einer Nockenwelle mit einer variablen Nockenwellensteuerung 1 gemäß 2 wird die Frühverstellungskammer 5 oder die Spätverstellungskammer 6 mittels von der Ölpumpe 8 zugeführten Öls mit Druck beaufschlagt. Soll die Phase der Nockenwelle auf früh verstellt werden, wird in der Nockenwellensteuervorrichtung gemäß den 1 und 2 das Steuerventil 10 so eingestellt, dass Öl unter Druck durch den Frühverstellungszuleitungskanal 9a in die Frühverstellungskammer 5 geleitet wird. Durch die dadurch bewirkte Drehbewegung des Flügels 4 vergrößert sich das Volumen der Frühverstellungskammer 5 des Segments 3. Gleichzeitig verringert sich das Volumen der Spätverstellungskammer 6 durch Bewegung des Flügels 4. Aus der Spätverstellungskammer 6 wird Öl über den Frühverstellungsableitungskanal 12a über die Ableitung 12 in Richtung des Ölsumpfes 13 abgeleitet. Der Fluss des abgeleiteten Öls wird mittels des in der Ableitung 12 angeordneten zweiten Rückschlagventils 15 geregelt, so dass ein verglichen mit herkömmlichen Nockenwellensteuerungen hoher Druck in der Spätverstellungskammer 6 besteht. Bei dem Vorgang erfolgt eine durch die Druckbeaufschlagung der Frühverstellungskammer 5 bewirkte Drehung des Rotors 7 und der mit dem Rotor verbundenen Nockenwelle, so dass die Phase der Nockenwelle nach früh verstellt wird. Soll die Phase der Nockenwelle auf spät verstellt werden, wird analog zur beschriebenen Frühverstellung die Spätverstellungskammer 6 mit Druck beaufschlagt.
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Auf ähnliche Weise wie mit der Ausführungsform gemäß 2 wird die Spätverstellungskammer 6 mit einer Ausführungsform der variablen Nockenwellensteuerungsvorrichtung 1 gemäß 3 mit Druck beaufschlagt. Dabei wird das Rückschlagventil 15 in die gesperrte Stellung geschaltet. Ist kein Stabilisieren der variablen Nockenwellensteuerungsvorrichtung 1 mehr notwendig, wird das Rückschlagventil 15 wieder in die offene Stellung geschaltet.
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Zum Stabilisieren der variablen Nockenwellensteuerungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsformen gemäß der 4 und 5 wird in dem Verfahren die Zuleitung 9 in eine fluide Verbindung mit sowohl dem Frühverstellungszuleitungskanal 9a als auch dem Spätverstellungszuleitungskanal 9b geschaltet. In den 4 und 5 ist genau diese Schaltstellung des Steuerventils 10 eingestellt (jeweils die zweite Schaltstellung). In dieser Schaltstellung wird der Druck sowohl in den Früh- als auch den Spätverstellungskammern konstant gehalten, da in beide Kammern Öl geleitet wird. Dadurch wird die Nockenwellensteuerungsvorrichtung 1 in einer konstanten Stellung gehalten. Mit anderen Worten wird die Nockenwellensteuerungsvorrichtung 1 bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, in der keine Früh- oder Spätverstellung notwendig ist, stabil in einer Mittellage gehalten, so dass kein Oszillieren der Nockenwelle auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- variable Nockenwellensteuerungsvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Segment
- 4
- Flügel
- 5
- Frühverstellungskammer
- 6
- Spätverstellungskammer
- 7
- Rotor
- 8
- Ölpumpe
- 9
- Zuleitung
- 9a
- Frühverstellungszuleitungskanal
- 9b
- Spätverstellungszuleitungskanal
- 10
- Steuerventil
- 10a
- Feder
- 10b
- Aktor
- 11
- erstes Rückschlagventil
- 12
- Ableitung
- 12a
- Frühverstellungsableitungskanal
- 12b
- Spätverstellungsableitungskanal
- 13
- Sammeleinrichtung
- 14
- Drossel
- 15
- zweites Rückschlagventil
- 16
- Steuereinrichtung
