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Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenstellvorrichtung mit einem Nockenwellensteller und einer Fluidströmungssteuerung. Die Fluidströmungssteuerung ist mit einer Druckquelle verbunden und gibt selektiv gemäß einer Nockenmoment-Aktuierung oder einer Fluiddruck-Aktuierung eine Fluidströmung zum kombinierten Befüllen und Entleeren von Vorlaufkammern und Nachlaufkammern an dem Nockenwellensteller vor, um einen Phasenwinkel des Nockenwellenstellers zu ändern.
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Eine gattungsgemäße Nockenwellenstellvorrichtung ist in der nicht veröffentlichten
DE 10 2016 118 962 A1 enthalten.
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Die bisher bekannten Nockenwellenstellvorrichtungen sind nicht optimal ausgebildet. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Nockenwellenstellvorrichtung aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Kennzeichenmerkmale des Hauptanspruchs.
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Die Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung weist einen Fluidakkumulator auf, der eine Menge an Steuerfluid während einer Lade-Zeitphase aufnimmt und speichert und das Steuerfluid während einer Entlade-Zeitphase zur Befüllung mindestens einer der Kammern des Nockenwellenstellers abgibt.
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Weiterhin ist eine Druckverstärkungsstruktur vorgesehen, durch die der Abgabedruck, mit dem das Steuerfluid während der Entlade-Zeitphase von dem Fluidakkumulator abgegeben wird, gegenüber dem Speisedruck erhöht wird, mit dem das Steuerfluid während der Lade-Phase von der Druckquelle bereitgestellt wird. Durch den erhöhten Abgabedruck wird erreicht, dass während einer Entlade-Zeitphase ein beschleunigtes Befüllen einer Kammer des Nockenwellenstellers stattfindet.
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Die Druckverstärkungsstruktur ist dazu ausgebildet, die Aufnahme von Steuerfluid in den Fluidakkumulator während der Lade-Zeitphase zu erhöhen, indem eine Fliehkraft, die aus der Rotation des Nockenwellenstellers resultiert, zur unterstützenden Förderung des Steuerfluids von der Zuführpassage in den Fluidakkumulator genutzt wird.
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Durch die Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Energie-Überschuss, der während einer Lade-Zeitphase vorliegt, genutzt werden, um eine erhöhte Energiemenge in dem Akkumulator einzuspeichern. Während einer Entlade-Zeitphase, in der die Druckquelle etwaig eine geringe oder unzureichende Zuführleistung hat, wird die eingespeicherte Energie freigegeben.
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Die Druckquelle kann eine Hydraulikpumpe bzw. Ölpumpe eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor sein. Es ist bekannt, dass derartige Druckquellen in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors eine geringe oder unzureichende Abgabeleistung haben, während eigentlich eine besonders zügige Änderung des Phasenwinkels anzustreben wäre. Dies ist beispielsweise direkt nach einem Kaltstart der Fall oder wenn sich bei einer geringen Drehzahl des Verbrennungsmotors abrupt die Drehmomentanforderung bzw. die Drehzahlanforderung ändert.
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Durch die Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine zureichende Dynamik der Phasenänderung in derartigen Betriebszuständen vermieden werden. Darüber hinaus kann auch in anderen Betriebszuständen eine beschleunigte Dynamik der Phasenänderung erreicht werden, insbesondere während einer Phasenänderung durch Fluiddruck-Aktuierung.
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Durch die Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung können die in der Regel von einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellten Kräfte und Energien, die einen Betrieb der Druckquelle und eine Drehung des Nockenwellenstellers begründen, besonders effizient ausgenutzt werden. In Zeitphasen, in denen eine hohe Energiemenge bzw. Leistung zur Verfügung steht, aber keine oder nur eine geringe Änderung des Phasenwinkels erwünscht ist, kann diese Energie zum Laden des Akkumulators genutzt werden. In anderen Zeitphasen, in denen eine besonders schnelle Änderung des Phasenwinkels erwünscht wird und/oder die von der Druckquelle bereitgestellte Zuführleistung (momentan) unzureichend ist, um eine Änderung des Phasenwinkels bei der gewünschten Dynamik zu erreichen, kann der Fluidakkumulator entladen werden, um die zuvor gespeicherte Energie wieder freizugeben.
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Es können insbesondere Abgabedrücke aus dem Fluidakkumulator erzeugt werden, die stets größer oder gleich dem Speisedruck sind, der von der Druckquelle bereitgestellt wird. Infolgedessen kann die Druckquelle geringer dimensioniert, gedrosselt oder abgeschaltet werden.
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Besonders bevorzugt ist die Nockenwellenstellvorrichtung dazu ausgebildet, die Druckquelle zu drosseln oder zu deaktivieren, wenn eine Lade-Zeitphase abgeschlossen ist und keine oder nur eine geringe Förderleistung benötigt wird, also insbesondere während einer Nockenmoment-Aktuierung oder einer Konstanthaltung des Phasenwinkels.
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Die Druckquelle ist bevorzugt eine Öldruckpumpe eines Verbrennungsmotors.
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In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1: Eine beispielhafte Darstellung eines Nockenwellenstellers;
- 2: Eine Schemadarstellung einer ersten Ausführungsform der Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 3 - 7: Zustandsdiagramme einer Nockenwellenstellvorrichtung in verschiedenen Betriebszuständen;
- 8: Eine Schemadarstellung einer zweiten Ausführungsform der Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 9 - 10: Zustandsdiagramme des Fluidakkumulators aus 8 in verschiedenen Betriebszuständen.
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Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenstellvorrichtung (1), die einen Nockenwellensteller (10) und eine Fluidströmungssteuerung (20) sowie einen Fluidakkumulator (30) umfasst.
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1 erläutert die Funktionsweise eines Nockenwellenstellers (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung. 1 zeigt den Nockenwellensteller (10) in einer Explosionsdarstellung. Er ist weiterhin in 2 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt.
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Der Nockenwellensteller (10) umfasst ein Gehäuse (13), das zumindest einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor umfasst, die koaxial zueinander gelagert sind und in einem bestimmten Winkelbereich zueinander um die gemeinsame Drehachse rotierbar sind. Die relative Drehlage zwischen dem ersten Rotor (14) und dem zweiten Rotor (15) wird als Phasenwinkel (W) bezeichnet. Der Nockenwellensteller (10) ist als Flügelkammer-Nockenwellensteller ausgebildet. An einem der Rotoren (14,15), hier dem Außenrotor (14), sind eine oder mehrere Aufnahmekammern (16) vorgesehen. An dem jeweils anderen Rotor, hier dem Innenrotor (15), sind korrespondierende Flügel (19) vorgesehen. Jeweils ein Flügel (19) greift im zusammengesetzten Zustand in eine Aufnahmekammer (16) ein und liegt bevorzugt umseitig dichtend an der Wandung der Aufnahmekammer (16) an, sodass die Aufnahmekammer (16) in eine Vorlaufkammer (11,V) und eine Nachlaufkammer (12,N) unterteilt wird. Bei einer Relativdrehung zwischen den Rotoren (14,15) verändert sich die Lage eines Flügels (19) innerhalb einer Aufnahmekammer (16), wobei gemäß der Änderung des Phasenwinkels das Volumen der Vorlaufkammer wächst und entsprechend das Volumen der Nachlaufkammer abnimmt oder umgekehrt. Dementsprechend ist die Volumenänderung der Kammern mit der Änderung des Phasenwinkels (W) gekoppelt, wenn die Kammern mit einem im Wesentlichen inkompressiblen Steuerfluid gefüllt sind.
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Der Phasenwinkel (W) des Nockenwellenstellers (10) ist somit durch ein kombiniertes Befüllen der einen Kammer (V,11/N,12) und entleeren der anderen Kammer (N,12/V11) gemäß der Volumenänderung der Kammern veränderbar.
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Nachfolgend wird der Begriff „Kammern des Nockenwellenstellers“ als Abkürzung zur Bezeichnung mindestens einer Vorlaufkammer und einer Nachlaufkammer bzw. zur Bezeichnung mindestens einer Paarung aus einer Vorlaufkammer und einer Nachlaufkammer verwendet.
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Der Nockenwellensteller (10) ist bevorzugt an einem Verbrennungsmotor angeordnet. Einer der Rotoren (14,15), hier der Innenrotor (15), ist bevorzugt mit einer Nockenwelle (3) des Verbrennungsmotors verbunden. Auf der Nockenwelle (3) sind Ventiltriebe insbesondere in Form von Nockenscheiben angeordnet, die bei einer Drehung der Nockenwelle (3) das Öffnen und/oder Schließen von Zylinderventilen des Verbrennungsmotors steuern.
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Der Nockenwellensteller (10) wird insgesamt durch ein Antriebsmittel (2) in eine Rotationsbewegung versetzt, das gemäß dem vorliegenden Beispiel an dem Außenrotor (14) angreift und beispielsweise durch einen Zahnriemen oder eine Kette gebildet ist. Die Drehbewegung des Nockenwellenstellers (10) ist bevorzugt zu einer Drehbewegung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors synchronisiert. Über das Antriebsmittel (2) wird also ein Antriebsmoment (M1) auf den einen Rotor (14) aufgebracht, das über die Kammern (V,N) des Nockenwellenstellers (10) auf den anderen Rotor (M2) und weiter auf die Nockenwelle (M2) übertragen wird. Die Momente (M1, M2) sind in 1, 2 und 8 als äußere Angriffsmomente in Pfeildarstellung illustriert.
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Durch eine Veränderung des Phasenwinkels (W) zwischen den Rotoren (14, 15) des Nockenwellenstellers (10) kann eine Ventilöffnungszeit und/oder Ventilschließzeit gegenüber einer Referenzzeit zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt ausgelöst werden, was durch eine entsprechende Verdrehung der Rotoren in Vorlaufrichtung oder Nachlaufrichtung bewirkt wird.
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Die Kammern (V, N) des Nockenwellenstellers (10) sind über Verbindungspassagen (17, 18) mit der Fluidströmungssteuerung (20) verbunden. Die Fluidströmungssteuerung (20) gibt für unterschiedliche Betriebsphasen vor, ob und durch welchen treibenden Effekt das kombinierte Befüllen und Entleeren der Kammern (V, N) stattfindet. Sie kann für verschiedene Aktuierungsarten ein unter einem Speisdruck (Pi) zugeführtes Steuerfluid von einer Druckquelle (P+) beziehen und zu mindestens einer zu befüllenden Kammer (V, N) leiten und/oder direkte Strömungen des Steuerfluids zwischen den Kammern (V, N) ermöglichen und/oder ein Abfließen von Steuerfluid von einer zu entleerenden Kammer (N, V) zu einer Drainage bzw. Drucksenke (P-) gestatten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Fluidströmungssteuerung (20) und etwaig der Nockenwellensteller (10) gemäß der Lehre der
DE 10 2016 118 962 A1 ausgebildet, wovon nachfolgend beispielhaft ausgegangen wird. Alternativ kann eine beliebige andere Ausbildung der Fluidströmungssteuerung (20) vorliegen.
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Die Fluidströmungssteuerung (20) unterstützt zumindest eine Nockenmoment-Aktuierung und eine Fluiddruck-Aktuierung. Beide Aktuierungsarten sind bevorzugt sowohl für eine Änderung des Phasenwinkels (W) in Vorlaufrichtung als auch für eine Änderung des Phasenwinkels (W) in Nachlaufrichtung nutzbar. Darüber hinaus unterstützt die Fluidströmungssteuerung (20) bevorzugt eine Konstanthaltung des Phasenwinkels (W).
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Die verschiedenen Aktuierungsarten in den verschiedenen Richtungen und die Konstanthaltung werden bevorzugt durch unterschiedliche Positionierungen eines Schaltkörpers (26) erreicht, wobei der Schaltkörper (26) in jeder der vorgegebenen Positionen eine bestimmte Fluidströmung gestattet und bevorzugt alle anderen Fluidströmungen von oder zu den Kammern (V, N) des Nockenwellenstellers (10) unterbindet. Dies wird nachfolgend anhand der 3 bis 7 erläutert.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Fluidströmungssteuerung (20), die einerseits über eine erste Verbindungspassage (17) mit einer oder mehreren Vorlaufkammern (V,11) und andererseits über eine zweite Verbindungspassage (18) mit einer oder mehreren Nachlaufkammern (N,12) verbunden ist. Die Fluidströmungssteuerung (20) ist weiterhin über eine Zuführpassage (21) mit einer Druckquelle (P+) und über mindestens eine Drainagepassage (22) mit einer Drucksenke (P-) verbunden.
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In der Darstellung gemäß 3 befindet sich der Schaltkörper (26) in einer ersten vorgegebenen Position, in der eine Änderung des Phasenwinkels (W) in Vorlaufrichtung durch Nockenmoment-Aktuierung unterstützt ist. Fluidströmungen, die das Befüllen einer Kammer (V, N) bewirken können, sind durch Pfeile mit durchgezogenem Körper illustriert, während Fluidströmungen, durch die eine Kammer (V, N) entleert wird, durch Pfeile mit gestricheltem Körper illustriert sind.
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Die Ausbildung und Funktion des Schaltkörpers (26) und der verschiedenen Passagen sind beispielsweise in der nicht veröffentlichten
DE 10 2016 118 962 A1 im Detail beschrieben, sodass vorliegend nur eine Funktionsbeschreibung wiedergegeben wird.
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An dem Schaltkörper (26) sind insgesamt drei Verbindungsbereiche vorgesehen, die durch Wandungen des Schaltkörpers (26) untereinander sowie gegenüber dem Außenraum abgetrennt sind. Die Verbindungsbereiche sind an dem Schaltkörper (26) fest angeordnet und werden durch eine Verschiebung des Schaltkörpers (26) gegenüber Öffnungen der verschiedenen Passagen bewegt. Wenn ein Verbindungsbereich mit zwei oder mehr Passagenöffnungen überlappt, wird zwischen diesen Passagenöffnungen eine Fluidströmung ermöglicht. Ansonsten werden Fluidströmungen von oder zu den Passagen durch die Wandungen des Schaltkörpers (26) blockiert, insbesondere indem ein oder mehrere Öffnungen von einer der Wandungen des Schaltkörpers (26) überdeckt werden.
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Bei der Nockenmoment-Aktuierung in Vorlaufrichtung gemäß 3 wird eine Fluidströmung ermöglicht, bei der Steuerfluid jeweils aus einer Nachlaufkammer (N) über die zweite Verbindungspassage (18) und einem Verbindungsbereich am Schaltkörper (26) zu einer Bypass-Passage (24) abläuft, sodass die Nachlaufkammer (N) geleert wird. Das Steuerfluid passiert ein Unidirektionalventil (25) in der Bypass-Passage, um über einen zweiten Verbindungsbereich an dem Schaltkörper (26) und die erste Verbindungspassage (17) in eine jeweils zugeordnete Vorlaufkammer (V) zu fließen. Mit anderen Worten fließt das Steuerfluid jeweils aus einer Nachlaufkammer über die Verbindungspassagen und Bypass-Kanäle der Fluidströmungssteuerung (20) in eine zugeordnete Vorlaufkammer (V). In dem dargestellten Beispiel von 3 kann außerdem von einer Druckquelle (P+) zusätzliches Steuerfluid über die Zuführpassage (21, 21a, 21b) zufließen und insbesondere in die ein oder mehreren Vorlaufkammern (V) strömen. Dieses zusätzliche Zufließen von Steuerfluid von der Druckquelle (P+) her kann insbesondere einen Leckage-Ausgleich bewirken. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann das zusätzliche Zufließen von Steuerfluid, das durch die Druckquelle (P+) gefördert wird, während einer Nockenmoment-Aktuierung ausgeschlossen sein, sodass jeweils ausschließlich Steuerfluid während einer Nockenmoment-Aktuierung von der mindestens einen Nachlaufkammer in die mindestens eine Vorlaufkammer fließen kann oder umgekehrt.
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Das Unidirektionalventil (25) in der Bypass-Passage (24) bewirkt in Kombination mit der Positionierung des Schaltkörpers (26), dass Steuerfluid in diesem Fall nur von der Nachlaufkammer in der Richtung zur Vorlaufkammer fließen kann, jedoch nicht in der Gegenrichtung.
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An der Nockenwelle (3) liegen während einer vollen Umdrehung der Nockenwelle (3) mindestens zwei alternierende Gegenmomente an, die insbesondere aus dem oben genannten Ventiltrieb resultieren, d.h. einerseits Momente die in Vorlaufrichtung wirken und andererseits Momente die in Nachlaufrichtung wirken. Bei der Nockenmoment-Aktuierung werdend diese Momente genutzt, um die Strömung des Steuerfluids von der einen Kammerart in die andere Kammerart auszulösen, wobei jedoch durch das Unidirektionalventil (25) und etwaig die Positionierung des Schaltkörpers (26) nur eine Strömung in der Vorlaufrichtung oder alternativ in der Nachlaufrichtung zugelassen wird.
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4 zeigt die Nockenwellenstellvorrichtung (1) im Zustand einer Nockenmoment-Aktuierung in Nachlaufrichtung. Analog zu den obigen Ausführungen wird hier durch die Positionierung des Schaltkörpers (26) eine Strömung des Steuerfluids jeweils von einer Vorlaufkammer (V) über einen ersten Verbindungsbereich am Schaltkörper (26) und die Bypass-Passage (24) sowie ein zweiten Verbindungsbereich am Schaltkörper (26) und die zweite Verbindungspassage (18) zu je einer Nachlaufkammer (N) ermöglicht. Auch hier ermöglicht das Unidirektionalventil (25) nur eine Fluidströmung zur Erzeugung einer Änderung des Phasenwinkels (W) in der Nachlaufrichtung, blockiert aber eine Strömung in der Gegenrichtung.
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5 zeigt die Nockenwellenstellvorrichtung (1) bei der Konstanthaltung eines Phasenwinkels (W). In dem hier gezeigten Beispiel sind die Öffnungen zu der ersten und zweiten Verbindungspassage (17, 18) jeweils durch Wandungen des Schaltkörpers (26) blockiert, sodass kein Steuerfluid in die Kammern (V, N) einfließen oder daraus ausfließen kann. Infolge der im Wesentlichen inkompressiblen Eigenschaften des Steuerfluids wird somit das Volumen der Kammern des Nockenwellenstellers (10) bei einem konstanten Wert gehalten, was entsprechend zu einer Konstanthaltung des Phasenwinkels (W) führt.
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In dem Beispiel von 5 kann während der Konstanthaltung des Phasenwinkels (W) noch Steuerfluid von der Druckquelle (P+) zugeführt werden, beispielsweise um einen Leckage-Ausgleich zu bewirken. Alternativ kann das Zufließen von Steuerfluid ausgeschlossen sein.
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6 zeigt die Nockenwellenstellvorrichtung (1) bei einer Fluiddruck-Aktuierung in Vorlaufrichtung. Hier wird durch die Position des Schaltkörpers (26) die Vorlaufkammer (V) über einen mittleren Verbindungsbereich mit der Zuführpassage (21, 21a, 21b) verbunden, sodass ein von der Druckquelle (P+) zugeführtes Steuerfluid in die Vorlaufkammer (V) gefördert wird. Die ein oder mehreren Nachlaufkammern (N) sind hingegen über einen anderen Verbindungsbereich mit einer Drainagepassage (22b) verbunden, die zu einer Drucksenke (P-) hin mündet. Die Drucksenke (P-) kann insbesondere ein Steuerfluid Reservoir sein, beispielsweise eine Ölwanne des Verbrennungsmotors.
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7 zeigt analog die Nockenwellenstellvorrichtung (1) bei einer Fluiddruck-Aktuierung in Nachlaufrichtung. Auch hier wird durch die Stellung des Schaltkörpers (26) eine Fluidströmung von der Druckquelle (P+) bzw. der Zuführpassage (21, 21a, 21b) her über einen Verbindungsbereich am Schaltkörper zu den ein oder mehreren Nachlaufkammern (N) ermöglicht. Gleichzeitig werden die ein oder mehreren Vorlaufkammern (V) über einen weiteren Verbindungsbereich am Schaltkörper (26) mit einer Drainagepassage (22a) verbunden, sodass das Steuerfluid aus den Vorlaufkammern zu der Drucksenke (P-) abfließen kann.
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Die Fluidströmungssteuerung (20) ist also dazu ausgebildet, während einer Fluiddruck-Aktuierung jeweils die ein oder mehreren Vorlaufkammern (V) (ausschließlich) mit der Zuführpassage (21) bzw. Druckquelle (P+) zu verbinden und gleichzeitig die ein oder mehreren Nachlaufkammern (N) (ausschließlich) mit einer Drainagepassage (22a, 22b) bzw. einer Drucksenke (P-) zu verbinden oder umgekehrt.
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Die Nockenwellenstellvorrichtung (1) gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Fluidakkumulator (30,30'), der dazu ausgebildet ist, eine Menge an Steuerfluid aufzunehmen und zu speichern, das von der Druckquelle (P+) bereitgestellt wird. Die Aufnahme des Steuerfluids erfolgt während einer Lade-Zeitphase (T1). Die Speicherung des Steuerfluids kann nach dem Ende einer Lade-Zeitphase (T1) bis zum Beginn einer Entlade-Zeitphase (T2) für eine beliebige Dauer erfolgen. Der Fluidakkumulator (30,30') ist dazu ausgebildet, während einer Entlade-Zeitphase (T2) zumindest einen Teil des gespeicherten Steuerfluids zur Befüllung mindestens einer der Kammern (V, N) des Nockenwellenstellers (10) abzugeben.
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Ferner weist die Nockenwellenstellvorrichtung (1) eine Druckverstärkungsstruktur (40) auf, durch die der Abgabedruck (Po), mit dem das Steuerfluid während der Entlade-Zeitphase (T2) von dem Fluidakkumulator (30) abgegeben wird, gegenüber dem Speisedruck (Pi) erhöht wird, mit dem das Steuerfluid während der Lade-Zeitphase (T1) von der Druckquelle (P+) bereitgestellt wird.
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Nachfolgend werden zwei beispielhafte Ausführungsvarianten eines Fluidakkumulators und einer Druckverstärkungsstruktur gemäß der vorliegenden Offenbarung erläutert, die jeweils für sich allein oder in Kombination verwendbar sind.
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2 bis 7 illustrieren die erste Ausführungsform. 3A und 6A erläutern eine Abwandlung der ersten Ausführungsform. 8 bis 10 illustrieren die zweite Ausführungsform.
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Nachfolgend wird die erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 erläutert.
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Die Druckverstärkungsstruktur (40) ist hier durch eine besondere Ausbildung des Fluidakkumulators (30) und ein Schaltvorrichtung (50) sowie deren Verbindung mit der Zuführpassage (21) gebildet.
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In dem Fluidakkumulator (30) sind eine erste Akkumulatorkammer (31) und mindestens eine zweite Akkumulatorkammer (32) vorgesehen. Die erste Akkumulatorkammer (31) ist über eine erste Druckfläche (A1) und die zweite Akkumulatorkammer (32) ist über eine zweite Druckfläche (A2) mit einem gemeinsamen Kompressionsmittel (33) verbunden. Das Kompressionsmittel (33) ist in dem Fluidakkumulator (30) ortsveränderlich und insbesondere verschieblich gelagert und durch ein Rückstellelement (39) abgestützt, das hier beispielhaft als mechanische Feder ausgebildet ist. Alternativ kann ein beliebiges anderes Rückstellelement vorliegen, welches bevorzugt eine elastische Rückstellkraft auf das Kompressionsmittel (33) auswirkt. Wenn die ein oder mehreren Akkumulatorkammern (31,32) mit Steuerfluid gefüllt werden, wird infolge des Drucks, mit dem das Steuerfluid in die ein oder mehreren Akkumulatorkammern (31,32) eingeführt wird, gemäß der jeweiligen Größe der Druckflächen (A1, A2) eine Kraft (FPi, FP1, FP2) erzeugt, welche das Kompressionsmittel (33) entgegen der Rückstellkraft (FR) des Rückstellelements (39) verschiebt. Hierbei wird das Rückstellelement (39) elastisch verformt und gespannt bzw. geladen. Somit wird durch das Befüllen der einen oder mehreren Akkumulatorkammern (31, 32) und das Verschieben des Kompressionsmittels (33) Spannenergie in dem Rückstellelement (39) aufgenommen.
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In 4 ist unten ein Kräftediagramm gezeigt, dass einen Zustand während oder am Ende einer Lade-Zeitphase (T1) illustriert. Hier wirken auf das Kompressionsmittel (33) in der Laderichtung (Rückstellelement wird bzw. ist gespannt) die Kräfte (FP1, FP2), die durch den (momentanen) Speisedruck (Pi) gemäß der Größe der Druckflächen (A1, A2) erzeugt werden. In der Entladerichtung, d.h. gegensinnig zu den vorgenannten Kräften (FP1, FP2), wirkt die Rückstellkraft (FR), die sich aus der Elastizität des Rückstellelements (39) und der von dem Rückstellelement aufgenommenen (VerformungsEnergie) ergibt. Im vorliegenden Fall ergibt sich die Rückstellkraft (FR) aus der Federkonstante der elastischen Feder und dem Verschiebeweg des Kompressionsmittels (33). Durch eine Vorspannung des Rückstellelements (39), die auch im entleerten Zustand des Fluidakkumulators (30) vorliegt, kann der Wert der Rückstellkraft (FR) etwaig erhöht sein. Bei einer anderen Ausführung des Rückstellelements (39) kann eine entsprechend andere Berechnungsweise gelten.
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Es ist eine Schaltvorrichtung (50) vorgesehen, die das Zu- oder Abfließen von Steuerfluid zwischen mindestens einer der Akkumulatorkammern (31, 32) und der Zuführpassage (21) sowie etwaig einer Drucksenke (P-) steuert oder zumindest schaltet. Die Schaltvorrichtung (50) kann eine beliebige Ausbildung haben. Bevorzugt ist die Schaltvorrichtung (50) durch ein Zweiwegeventil oder Mehrwegeventil gebildet. Die Schaltvorrichtung (50) kann gemäß der Darstellungen in 2 bis 7 separat vorliegen. Alternativ kann die Schaltvorrichtung (50) in die Fluidströmungssteuerung (20) integriert sein. Insbesondere kann der Schaltkörper (26) in Verbindung mit entsprechenden Passagen und Passagenöffnungen die Steuervorgänge bzw. Schaltvorgänge bewirken, die nachfolgend für eine separat angeordnete Schaltvorrichtung (50) beschrieben sind.
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Die Schaltvorrichtung (50) ist bevorzugt dazu ausgebildet, in einer Lade-Zeitphase (T1) mindestens zwei Akkumulatorkammern (31,32) des Fluidakkumulators (30) mit der Druckquelle (P+) zu verbinden. Mit anderen Worten ist die Schaltvorrichtung (50) dazu ausgebildet, mindestens eine Akkumulator-Passage (34, 35), über die Akkumulatorkammern (31, 32) mit der Zuführpassage (21, 21a, 21b) verbindbar sind, freizugeben oder zu blockieren, um in der Lade-Zeitphase (T1) einen Zustand herzustellen, in dem mindestens zwei der Akkumulatorkammern (31, 32) und insbesondere alle Akkumulatorkammern (31, 32) mit der Druckquelle (P+) verbunden sind. In dem Beispiel der 3-7 ist es hierfür ausreichend, die zweite Akkumulator-Kammer (32) mit der Druckquelle (P+) durch einen Schaltvorgang mit der Druckquelle (P+) zu verbinden. Die erste Akkumulator-Kammer (31) ist unabhängig von der Schaltvorrichtung (50) mit der Zuführpassage (21) bzw. Druckquelle (P+) verbunden.
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Durch die gleichzeitige Verbindung der mindestens zwei Akkumulatorkammern (31, 32) mit der Druckquelle (P+) bzw. der Zuführung von Steuerfluid bei dem (momentanen) Speisedruck (Pi) werden die Druckflächen (A1, A2) mit den aus dem Speisedruck (Pi) resultierenden Kräften (FP1, FP2) beaufschlagt, das Kompressionsmittel verlagert und die Akkumulatorkammern (31, 32) entsprechend mit Steuerfluid gefüllt. Das Steuerfluid wird während der Lade-Zeitphase (T1) von der Druckquelle (P+) zugeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird während einer Lade-Zeitphase Steuerfluid von der Druckquelle (P+) ausschließlich zu dem Fluidakkumulator (30) bzw. dessen Akkumulatorkammern (31, 32) gefördert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fluidakkumulator (30) zwei Akkumulatorkammern (31,32). Ferner werden bevorzugt alle an dem Fluidakkumulator vorgesehenen Akkumulatorkammern (31, 32) während einer Lade-Zeitphase (T1) mit der Druckquelle (P+) verbunden.
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Die Aufnahme von Steuerfluid in den verbundenen Akkumulatorkammern (31, 32) erfolgt solange, bis die Rückstellkraft (FR) der Druckkraft (Fp1 + FP2) entspricht, die gemäß der Summe der Druckflächen (A1+A2) auf das Kompressionsmittel (33) ausgewirkt wird.
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Die Schaltvorrichtung (50) ist dazu ausgebildet, in einer Entlade-Zeitphase (T2) nur eine Akkumulatorkammer (31) oder einen Teil der befüllten Akkumulatorkammern (wirksame Akkumulatorkammern) mit der mindestens einen zu befüllenden Kammer (V / N, 11 / 12) des Nockenwellenstellers (10) zu verbinden, während die mindestens eine andere Akkumulatorkammer (32) (unwirksame Akkumulatorkammer) mit einer Drucksenke (P-) verbunden ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Schaltvorrichtung (50) zumindest eine Akkumulator-Passage (34, 35), hier die zweite Akkumulator-Passage (35) der zweiten Akkumulatorkammer (32) von der Zuführpassage (21) trennt und mit einer Drucksenke (P-) verbindet. Die erste Akkumulatorkammer (31) ist in dem Beispiel der 3 bis 7 unabhängig von der Schaltvorrichtung (50) mit einer zu befüllenden Kammer (V/N) des Nockenwellenstellers (10) verbunden bzw. verbindbar. Die Verbindung erfolgt, indem die erste Akkumulator-Passage (34) mit einem zweiten Passagenabschnitt (21b) der Zuführpassage (21) verbunden ist, der das Steuerfluid über die Fluidströmungssteuerung (20) und insbesondere gemäß der Positionierung des Schaltkörpers (26) einer Kammer (V/N) zuführt.
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Durch die vorgenannten Verbindungen wird erreicht, dass aus dem Fluidakkumulator (30) zu der mindestens einen zu befüllenden Kammer (V / N, 11 / 12) des Nockenwellenstellers (10) ein Steuerfluid bei einem erhöhten Abgabedruck (Po) zugeführt wird. Hierbei wird nur das Steuerfluid aus der einen oder den mehreren wirksamen Akkumulatorkammern (31) zugeführt, die mit der mindestens einen zu befüllenden Kammer des Nockenwellenstellers (10) verbunden ist.
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Die Erhöhung des Abgabedrucks wird anhand einer Illustration der Kräfte erläutert, die zu Beginn oder während einer Entlade-Zeitphase (T2) auf das Kompressionsmittel (33) wirken. Die Illustration ist unten in 7 gezeigt.
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Der erhöhte Abgabedruck (Po) ergibt sich aus der Rückstellkraft (FR) des geladenen Rückstellelements (39), welche über die (reduzierte) Druckfläche (A1) der mindestens einen wirksamen Akkumulatorkammer (31) ein Austreiben des Steuerfluids bewirkt. Die Druckfläche (A1) der wirksamen Akkumulatorkammern (31) ist gegenüber der Summe der Druckflächen (A1+A2) der befüllten Akkumulatorkammern (31, 32) reduziert. Der maximale Abgabedruck (Po) kann entsprechend der nachfolgenden Formel berechnet sein.
- In Lade-Zeitphase: FR = Pi • (A2+A1)
- In Entlade-Zeitphase: FR = Po • A1
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Es ist gemäß der vorgenannten Formel vorteilhaft, die Druckfläche (A1) der mindestens einen wirksamen Akkumulatorkammer (31) geringer zu wählen als die Druckfläche (A2) der mindestens einen unwirksamen Akkumulatorkammer (32).
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In dem Beispiel der 3 bis 7 dient ausschließlich die erste Akkumulatorkammer (31) als wirksame Akkumulatorkammer, die während der Entlade-Zeitphase (T2) mit der jeweils zu befüllenden Kammer (V, N) des Nockenwellenstellers (10) zu verbinden ist. Die erste Druckfläche (A1) der ersten Akkumulatorkammer (31) ist deutlich kleiner als die zweite Druckfläche (A2) der zweiten Akkumulatorkammer (32), welche ausschließlich als unwirksame Akkumulatorkammer genutzt wird, die während der Entlade-Zeitphase (T2) mit einer Drucksenke (P-) verbunden ist.
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Das Verbinden der mindestens einen unwirksamen Akkumulatorkammer (32) mit einer Drucksenke (P-) kann durch beliebige Mittel erfolgen. Bevorzugt wird die Verbindung durch das Schaltvorrichtung (50) erzeugt.
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In den 3 bis 7 ist das Schaltvorrichtung (50) als Zweiwegeventil ausgebildet. Es weist einen Schaltkörper (51) auf, der einen Zuführbereich der zweiten Akkumulatorkammer (32) entweder über die (zweite) Akkumulator-Passage (35) mit der Zuführpassage (21, 21a) verbindet oder in der zweiten Schaltstellung über eine Drainage-Passage mit einer Drucksenke (P-) verbindet.
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Ein Zuführbereich der ersten Akkumulatorkammer (31) ist in dem Beispiel der 3 bis 7 permanent über eine erste Akkumulator-Passage (34) mit der Zuführpassage (21, 21b) verbunden.
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Alternativ kann der Zuführbereich der ersten Akkumulator-Passage (31) ebenfalls über das Schaltvorrichtung (50) selektiv mit der Zuführpassage (21b) und/oder der jeweils zu befüllenden Kammer (V/N) verbindbar sein. Außerhalb einer Lade-Zeitphase (T1) und einer Entlade-Zeitphase (T2), d.h. während einer Speicher-Zeitphase, kann der Zuführbereich der ersten Akkumulatorkammer (31) bzw. der ein oder mehreren wirksamen Akkumulatorkammern bevorzugt blockiert sein (nicht dargestellt). Das Schaltvorrichtung (50) kann entsprechend ein oder mehrere weitere Schaltstellungen und ein oder mehrere weitere Wegeverbindungen zwischen den genannten Passagen aufweisen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 das Laden des Fluidakkumulators (30) bzw. des Rückstellelements (39) im Detail erläutert.
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Eine Lade-Zeitphase (T1) kann zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs der Nockenwellenstellvorrichtung (1) vorgesehen werden und insbesondere durch eine Betätigung der Schaltvorrichtung (50) und/oder der Druckquelle (P+) gestartet oder beendet werden. Nach einer Lade-Zeitphase kann eine Speicher-Zeitphase (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Alternativ kann nach einer Lade-Zeitphase (T1) eine Entlade-Zeitphase (T2) vorgesehen sein.
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Besonders bevorzugt wird eine Lade-Zeitphase (T1) gestartet oder fortgesetzt, während eine Zuführleistung der Druckquelle (P+) größer ist, als für die momentan erwünschte Änderung des Phasenwinkels (W) notwendig ist. Dies kann insbesondere während einer Nockenmoment-Aktuierung oder während einer Konstanthaltung des Phasenwinkels (W) der Fall sein. Wie oben ausgeführt wurde, kann die Änderung des Phasenwinkels (W) während der Nockenmoment-Aktuierung vollkommen ohne Zufuhr von zusätzlichem Steuerfluid von der Druckquelle (P+) her erfolgen. Also kann eine etwaig während einer Nockenmoment-Aktuierung bereitgestellte Zuführleistung der Druckquelle (P+) genutzt werden, um den Fluidakkumulator (30) bzw. das Rückstellelement (39) zu laden. Dies ist auch dann möglich, wenn die Druckquelle (P+) zum Leckage-Ausgleich eine (sehr geringe) Menge an Steuerfluid zu den Kammern (V,N) des Nockenwellenstellers (10) zuführt.
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Eine Lade-Zeitphase (T1) kann alternativ oder zusätzlich gestartet oder fortgesetzt werden, wenn keine Änderung des Phasenwinkels (W) erforderlich ist und gemäß dem Beispiel von 5 entsprechend kein Steuerfluid oder nur eine (sehr geringe) Menge an Steuerfluid zum Leckage-Ausgleich von der Druckquelle (P+) zu den Kammern (V, N) des Nockenwellenstellers (10) gefördert wird.
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Weiterhin kann eine Lade-Zeitphase (T1) gestartet oder fortgesetzt werden, wenn eine Fluiddruck-Aktuierung vorliegt und die Änderung des Phasenwinkels (W) vollständig in der gewünschten Richtung erfolgt ist (Anschlagposition) und/oder mehr und insbesondere deutlich mehr Zuführleistung von der Druckquelle (P+) bereitgestellt wird, als für die gewünschte Dynamik erforderlich ist.
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Eine Lade-Zeitphase (T1) kann bevorzugt beendet oder unterbrochen werden, wenn der Fluidakkumulator (30, 30') bis zu einem gewünschten Grad oder vollständig gefüllt ist und/oder wenn eine Zuführleistung der Druckquelle (P+) unter einen Wert fällt, der für eine Änderung des Phasenwinkels (W) bei der gewünschten Dynamik erforderlich ist. Dies kann insbesondere bei einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit geringer Drehzahl und/oder mit geringer Drehmomentabgabe der Fall sein, wenn gleichzeitig eine Änderung des Phasenwinkels (W) durch Fluiddruck-Aktuierung angestrebt wird.
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Insbesondere Öldruckpumpen, die durch eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors direkt oder indirekt angetrieben werden, liefern bei geringen Drehzahlen bzw. bei einer geringen Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors nur eine geringe und/oder zögerlich ansteigende Zuführleistung. Wenn allerdings in solchen Betriebszuständen eine schnelle Änderung des Phasenwinkels (W) erforderlich ist, beispielsweise weil abrupt in Folge einer Drehmomentanfrage ein anderer Verbrennungsmodus eingestellt werden soll, kann bei bekannten Nockenwellenstellvorrichtungen die tatsächliche Dynamik der Änderung des Phasenwinkels (W) deutlich hinter einer erwünschten Dynamik zurückbleiben.
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Der (momentane) Speisedruck (Pi), mit dem ein Steuerfluid von der Druckquelle (P+) zugeführt wird, kann ebenfalls während des Betriebs eines Verbrennungsmotors bzw. der Nockenwellenstellvorrichtung (1) unterschiedlich hoch ausfallen. Wenn der Verbrennungsmotor eine hohe Drehzahl hat und/oder ein hohes Drehmoment abgibt, kann ein hoher Speisedruck (Pi) vorliegen. Dieser kann bereits deutlich höher sein, als der Speisedruck (Pi*) der bei geringer Drehzahl und/oder geringer Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors bzw. nach einem Start des Verbrennungsmotors vorliegt.
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Durch die Nockenwellenstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird der Abgabedruck (Po) aus dem Fluidakkumulator, der während der Entlade-Zeitphase bereitgestellt wird, nicht nur auf den vorgenannten hohen Speisedruck (Pi) bei hoher Drehzahl bzw. hoher Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors gehalten, sondern noch darüber hinaus erhöht. Also ist unter Verwendung des Fluidakkumulators (30, 30') bzw. der Druckverstärkungsstruktur (40) gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beschleunigte Dynamik bei der Änderung des Phasenwinkels (W) in jedem Betriebszustand möglich, bei dem eine Änderung des Phasenwinkels (W) durch Fluiddruck-Aktuierung erreicht werden soll.
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In 3, 4 und 5 wird jeweils während einer Lade-Zeitphase (T1) ein Steuerfluid durch die Druckquelle (P+) in der Zuführpassage (21, 21a, 21b) bereitgestellt. Beide Akkumulator-Kammern (31,32) sind über eigene Akkumulator-Passagen (34, 35) mit der Zuführpassage (21a,21b) verbunden, so dass das von der Druckquelle (P+) bereitgestellte Steuerfluid zu beiden bzw. allen Akkumulatorkammern (31, 32) fließen kann. Die Zuführpassage (21) ist in dem Beispiel in einen ersten Passagenteil (21a) und einen zweiten Passagenteil (21b) unterteilt. Der erste Passagenteil (21a) erstreckt sich von der Druckquelle (P+) zu einem Unidirektionalventil (23), das in der Zuführpassage (21) angeordnet ist. Der zweite Passagenteil (21b) erstreckt sich in der Flussrichtung stromabwärts von dem Unidirektionalventil (23) zu einer Öffnung der Zuführpassage (21) gegenüber dem Schaltkörper (26). Eine erste Akkumulator-Passage (34) verbindet die erste Akkumulatorkammer (31), welche die kleinere Druckfläche (A1) aufweist, mit dem zweiten Passagenteil (21b). Mit anderen Worten ist die zweite Akkumulator-Passage (34) an einer Stelle mit der Zuführpassage (21) verbunden, die sich stromabwärts zu einem Unidirektionalventil (23) befindet. Das Unidirektionalventil (23) hat die Aufgabe, ein Rückfließen von Steuerfluid von dem Schaltkörper (26) bzw. den Kammern (V, N) des Nockenwellenstellers (10) in Richtung der Druckquelle (P+) zu verhindern. Es wird in der Ausbildung gemäß 3 bis 5 zusätzlich dafür genutzt, ein Überfließen von Steuerfluid aus der ersten Akkumulatorkammer (31) bzw. einer der wirksamen Akkumulatorkammern (31) zu der zweiten bzw. unwirksamen Akkumulatorkammer (32) zu verhindern.
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Die zweite Akkumulatorkammer (32) ist über eine zweite Akkumulator-Passage (35) mit dem ersten Passagenteil (21a) der Zuführpassage (21) verbunden. Ein weiteres Unidirektionalventil (36) ist in der zweiten Akkumulator-Passage (35) vorgesehen und verhindert ein Rückfließen von Steuerfluid aus der zweiten bzw. unwirksamen Akkumulatorkammer (32) in Richtung zu der Druckquelle (P+). Das zweite Unidirektionalventil (36) kann alternativ in der Zuführpassage (21) in einem Bereich zwischen der Druckquelle (P+) und der Verbindung zu der zweiten Akkumulator-Passage (35) vorgesehen sein.
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Die Schaltvorrichtung (50) ist in 3, 4, und 5 in einer ersten Schaltposition gezeigt, in der eine fluidleitende Verbindung durch die zweite Akkumulator-Passage (35) zwischen der Zuführpassage (21) und der zweiten Akkumulatorkammer (32) freigegeben ist. Somit wird der von der Druckquelle (P+) bereitgestellte Speisedruck gleichförmig auf die Summe der Druckflächen (A1+A2) in den Akkumulatorkammern (31,32) übertragen.
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An oder in dem Fluidakkumulator (30, 30') kann eine Gegenkammer (37) vorgesehen sein, die sich an dem Kompressionsmittel (33) jeweils auf der anderen Seite bzw. gegenüberliegend zu den Akkumulatorkammern (31, 32) befindet. Die Gegenkammer (37) kann etwaig auch mit einem Steuerfluid befüllt bzw. befüllbar sein und über eine Gegenkammer-Drainage (38) mit einer Drucksenke (P-) bzw. einem Steuerfluidreservoir korrespondieren. In dem Beispiel der 3, 4 und 5 wird infolge einer Bewegung des Kompressionsmittels (33) das Steuerfluid aus der Gegenkammer (37) verdrängt und über die Gegenkammer-Drainage zu der Drucksenke (P-) abgeführt.
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Die Drucksenke (P-) mit der die Gegenkammer (37) verbunden ist, kann eine separate Drucksenke sein. Alternativ kann es sich um dieselbe Drucksenke handeln, der bei der Fluiddruck-Aktuierung das Steuerfluid zugeführt wird, welches aus der zu entleerenden Kammer (V/N) entnommen wird, also insbesondere die Ölwanne des Verbrennungsmotors.
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In dem Beispiel der 3 bis 7 kann Steuerfluid zwischen der Gegenkammer (37) und der Drucksenke (P-) nach Bedarf hin- und her gefördert werden. Es ist alternativ möglich, an der Gegenkammer-Drainage (38) ein Blockademittel vorzusehen, um eine Strömung des Steuerfluids durch die Gegenkammer-Drainage (38) nach Bedarf zu drosseln oder zu blockieren. Durch dieses Blockademittel kann somit die Bewegung des Kompressionsmittels (33) gehemmt oder verhindert werden, was zu einer entsprechenden Beschränkung oder Abschaltung der Druckerhöhung genutzt werden kann, die durch die Druckverstärkungsstruktur (40) bzw. den Fluidakkumulator (30) und die Schaltvorrichtung (50) bereitgestellt wird. Das Blockademittel kann ggf. in das Schaltvorrichtung (50) und/oder den Schaltkörper (26) der Fluidströmungssteuerung (20) integriert sein (nicht dargestellt).
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6 und 7 zeigen den Fluidakkumulator (30) und das die Schaltvorrichtung (50) während einer Entlade-Zeitphase (T2). Der Schaltkörper (51) ist hier in einer zweiten Position dargestellt. In diesem Zustand ist ein Zuflussbereich der zweiten bzw. unwirksamen Akkumulatorkammer (32) über die Schaltvorrichtung (50) mit einer Drucksenke (P-) verbunden, welche wiederum eine separate Drucksenke oder eine der oben erwähnten Drucksenken sein kann, insbesondere eine Ölwanne des Verbrennungsmotors.
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Da das Steuerfluid aus der zweiten bzw. unwirksamen Akkumulatorkammer (32) im Wesentlichen ungehindert bzw. bei einem Niederdruckniveau abfließen kann, das durch die Drucksenke (P-) festgelegt ist, insbesondere bei einem Atmosphärendruck, wirkt sich die von dem Rückstellelement (39) erzeugte Rückstellkraft (FR) nahezu ausschließlich in einer Erzeugung des Abgabedrucks (Po) aus. Die Höhe des Abgabedrucks (Po) kann anhand der Größe der Druckfläche (A1) der ersten bzw. wirksamen Akkumulatorkammer (31) und der im Rückstellelement (39) gespeicherten Energie bzw. der Rückstellkraft (FR) berechnet werden:
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In 7 ist im unteren Bereich ein entsprechendes Kräftediagramm für die Entlade-Zeitphase (T2) gezeigt.
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Solange der Abgabedruck (Po) aus der mindestens einen wirksamen Akkumulatorkammer (31) größer ist als der (momentane) Speisedruck (Pi*), der von der Druckquelle (P+) bereitgestellt wird, bleibt das Unidirektionalventil (23) in einer Blockadeposition, sodass im Wesentlichen ausschließlich das Steuerfluid aus der ersten bzw. wirksamen Akkumulatorkammer (31) bei dem erhöhten Abgabedruck (Po) der zu befüllenden Kammer (V / N) geführt wird. Wenn eine Gegenkammer (37) vorhanden ist, kann Steuerfluid über die Gegenkammer-Drainage (38) dieser Gegenkammer (37) zugeführt werden (siehe 6 / 7), insbesondere durch Ansaugung aus der Ölwanne bzw. Drucksenke (P-).
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Sobald der Abgabedruck (Po) aus der ersten bzw. wirksamen Akkumulatorkammer (31) geringer wird als der (momentane) Speisedruck (Pi*) der Druckquelle (P+), und/oder wenn der Fluidakkumulator (30) vollständig entleert ist, kann das Unidirektionalventil (23) in der Zuführpassage (21) öffnen, sodass nachfolgend weiteres Steuerfluid von der Druckquelle (P+) zu er zu befüllenden Kammer (V/N) des Nockenwellenstellers (10) gefördert wird.
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Wenn eine Entlade-Zeitphase (T2) zu Beginn einer Fluiddruck-Aktuierung gestartet wird, wird somit zunächst Steuerfluid bei dem erhöhten Abgabedruck (Po) von dem Fluidakkumulator (30) zu der mindestens einen zu befüllenden Kammer (V / N) geführt. In diesem Zeitabschnitt bildet der Abgabedruck (Po) den wirksamen Förderdruck für das Befüllen der Kammern (V / N). Infolge bzw. während einer Entspannung des Rückstellelements (39) kann dieser Abgabedruck (Po) abfallen, was zu einer entsprechenden Reduzierung des wirksamen Fülldrucks führen kann. Allerdings kann der wirksame Fülldruck allenfalls auf das Niveau des (momentanen) Speisedrucks (Pi*) fallen, der von der Druckquelle (P+) während der Entlade-Zeitphase (T2) bereitgestellt wird.
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Das Fassungsvermögen des Fluidakkumulators (30) und insbesondere der mindestens einen wirksamen Akkumulatorkammer (31) ist bevorzugt derart gewählt, dass eine gewünschte Dynamik bei der Änderung des Phasenwinkels (W) durch Fluiddruck-Aktuierung erreicht wird. Das Fassungsvermögen kann insbesondere mindestens dem Volumen entsprechen, das für eine vollständige Änderung des Phasenwinkels (W) von einer maximalen Nachlauf-Lage in eine maximale Vorlauf-Lage notwendig ist. Das Fassungsvermögen kann auch einem Mehrfachen dieses Volumens entsprechen. In einem solchen Fall ist sichergestellt, dass selbst nach einem Ausfall der Druckquelle (P+) der Nockenwellensteller (10) mindestens einmalig durch Fluiddruck-Aktuierung in eine gewünschte Endlage verstellbar ist. Diese Verstellung ist also auch möglich, wenn die Druckquelle (P+) inaktiv oder stark gedrosselt ist. Hierdurch können unkontrollierbare Systemzustände wirksam vermieden werden. Alternativ kann das Fassungsvermögen des mindestens einen Fluidakkumulators (30, 30') bzw. der mindestens einen wirksamen Akkumulatorkammer (31) geringer gewählt sein, sodass etwaig nur ein kurzzeitiger Beschleunigungsschub für die Änderung des Phasenwinkels (W) während einer Fluiddruck-Aktuierung erreichbar ist.
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3A und 6A illustrieren eine Abwandlung der Passagenführung sowie der Schaltvorrichtung (50). In dem hier gezeigten Beispiel ist die Schaltvorrichtung (50) durch ein Mehrwegeventil mit einem abgewandelten Schaltkörper (51') gebildet. Das Mehrwegeventil ist dazu ausgebildet, in einer Schaltposition jeweils mindestens zwei fluidleitende Verbindungen zwischen einerseits einem Zuführbereich der zweiten Akkumulatorkammer (32) und einem Zuführbereich der Gegenkammer (37) und andererseits der Zuführpassage (21) und einer Drucksenke (P-) herzustellen.
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3A illustriert einen Betrieb in der Lade-Zeitphase (T1). Hier ist die Schaltvorrichtung (50) in einem ersten Zustand. Der Schaltkörper (51') befindet sich in einer ersten vorgegebenen Position. In diesem Zustand bzw. in dieser Position wird durch die Schaltvorrichtung (50) die zweite Akkumulatorkammer (32) mit der Zuführpassage (21 verbunden, sodass ein von der Druckquelle (P+) zugeführtes Steuerfluid in die zweite Akkumulatorkammer (32) einfließen kann. Gleichzeitig ist die Gegenkammer (37) durch die Schaltvorrichtung (50) mit der Drucksenke (P-) verbunden, sodass dort enthaltenes Steuerfluid im Wesentlichen ungehindert abfließen kann. Ansonsten sind die Vorgänge in der Lade-Zeitphase (T1) analog zu den obigen Erläuterungen zu 3, 4 und 5. Die Akkumulatorkammern (31, 32) werden also gemäß dem (momentanen) Speisedruck (Pi) der Druckquelle (P+) gefüllt.
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6A illustriert eine Entlade-Zeitphase (T2). Hier ist durch die Schaltvorrichtung (50) die Druckquelle (P+) mit der Gegenkammer (37) des Fluidakkumulators (30) verbunden, während die zweite bzw. unwirksame Akkumulatorkammer (32) mit der Drucksenke (P-) verbunden ist.
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Infolge der Verbindung der Druckquelle (P+) mit der Gegenkammer (37) wird erreicht, dass der (momentane) Speisedruck (Pi*), der von der Druckquelle (P+) bereitgestellt wird, das Befüllen der Gegenkammer (37) unterstützt. Dementsprechend wird auf das Kompressionsmittel (33) eine Druckkraft (FPi*) in der Entladerichtung ausgewirkt, die gleichsinnig zu der Rückstellkraft (FR) des Rückstellelements (39) wirkt. Infolge dessen wird die Kraft (FPo) gegenüber dem vorerwähnten Beispiel nochmals erhöht, sodass auch der Abgabedruck (Po) noch weiter erhöht wird, als in den Beispielen der 6 und 7 und den zugehörigen Formeln angegeben ist.
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In den vorerwähnten Beispielen wurde die Erhöhung des Abgabedrucks (Po) im Wesentlichen über eine zeitliche Verteilung der Arbeit (physikalischer Arbeitsbegriff) erreicht, die während der Lade-Zeitphase von der Druckquelle (P+) verrichtet wird, in Kombination mit einer statischen Druckerhöhung über ein Flächenverhältnis.
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Alternativ oder zusätzlich können weitere physikalische Effekte genutzt werden, um den Abgabedruck (Po) in der Entlade-Zeitphase (T2) zu erhöhen.
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Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsvariante anhand der 8 bis 10 erläutert, welche die Gesamtdynamik des Nockenwellenstellers (10) und insbesondere dessen in der Gesamtdrehbewegung verfügbare kinetische Energie nutzt, um das Laden eines Fluidakkumulators (30') zu unterstützen. Der Fluidakkumulator (30') kann dabei die gleiche Ausbildung haben, wie der Fluidakkumulator gemäß 2 bis 7. Alternativ kann er die in 8 bis 10 dargestellt, vereinfachte Ausbildung haben.
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Der Fluidakkumulator (30') ist in den Beispielen der 8 bis 10 in den Nockenwellensteller (10) und insbesondere einen Außenrotor (14) integriert. Er kann bevorzugt zwei- oder mehrfach vorhanden sein. Die ein oder mehreren Akkumulator-Passagen (34') und ein oder mehreren Gegenkammer-Drainagen (38') können an dem Nockenwellensteller (10) zusätzlich zu den Verbindungspassagen (17, 18) vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist eine Schaltvorrichtung (50) zur Vorgabe des Zu- oder Abströmens von Steuerfluid zu bzw. von dem Fluidakkumulator (30') vorgesehen, die dieselben Fluidströmungen ermöglicht bzw. vorgibt, wie oben für die Schaltvorrichtung (50) erläutert worden ist. Besonders bevorzugt ist die Schaltvorrichtung dabei in die Fluidströmungssteuerung (20) integriert, insbesondere durch eine entsprechende Adaption des Schaltkörpers (26).
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In den Beispielen der 8 bis 10 ist die Druckverstärkungsstruktur (40) dazu ausgebildet, die Aufnahme von Steuerfluid in den Fluidakkumulator (30') während einer Lade-Zeitphase (T1) zu erhöhen, indem eine Fliehkraft (FL1), die aus der Rotation des Nockenwellenstellers (10) resultiert, zur unterstützenden Förderung des Steuerfluids von der Zuführpassage (21) in den Fluidakkumulator (30) gewandelt wird. Im vorliegenden Beispiel geschieht dies dadurch, dass die Fliehkraft (FL), die aus der Gesamt-Drehbewegung des Nockenwellenstellers (10) und der Masse des Kompressionsmittels (33) resultiert, eine Bewegung des Kompressionsmittels (33) in der Laderichtung begünstigt.
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Der Fluidakkumulator (30') ist an den Nockenwellensteller (10) derart angeordnet, dass das Kompressionsmittel (33) in Radialrichtung des Nockenwellenstellers (10) bewegbar ist, wobei insbesondere ein Rückstellelement (39') an der radialäußeren Seite des Kompressionsmittels (33) vorgesehen ist und das Kompressionsmittel (33) zum Zentrum des Nockenwellenstellers (10) drängt.
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Während der Lade-Zeitphase wird also das Kompressionsmittel (33) in einer Laderichtung gedrängt, sodass eine aus dem Speisedruck (Pi) der Druckquelle (P+) resultierende Kraft (FPi) auf das Kompressionsmittel (33) gleichsinnig mit der Fliehkraft (FL1) überlagert wird.
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Die Erhöhung des Abgabedrucks (Po) wird anhand der 9 und 10 erläutert. In 9 ist die Lade-Zeitphase (T1) illustriert, die insbesondere während eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors mit hoher Drehzahl vorliegt. Infolge der hohen Drehzahl wird auf das Kompressionsmittel (33) eine vergleichsweise hohe Fliehkraft (FL) in der Laderichtung ausgewirkt. Außerdem wird eine vergleichsweise hohe Förderleistung der Druckquelle (P+) vorliegen, also auch ein vergleichsweise hoher (momentaner) Speisedruck (Pi). Das Rückstellelement (39') wird solange durch eine Verschiebung des Kompressionsmittel (33) komprimiert bzw. geladen, bis die Rückstellkraft (FR) der Summe der Fliehkraft (FL1) und der durch den Speisedruck (Pi) bewirkten Kraft (FPi) entspricht (siehe Kräftedarstellung unten in 9).
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Die Entlade-Zeitphase (T2) gemäß 10 wird bevorzugt vorgesehen, wenn der Verbrennungsmotor bei einer geringen Drehzahl betrieben wird und dementsprechend ein vergleichsweise geringer (momentaner) Speisedruck (Pi*) der Druckquelle (P+) vorliegt. Dementsprechend wird die in der Laderichtung wirkende Fliehkraft (FL1) während einer Entlade-Zeitphase (T2) geringer sein als während der Lade-Zeitphase (T1).
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Analog zu den obigen Erläuterungen kann bevorzugt die Gegenkammer (37') während einer Entlade-Zeitphase (T2) mit der Zuführpassage (21) bzw. Druckquelle (P+) verbunden sein. Dies kann analog zu den Erläuterungen zu 6A erfolgen. Durch das Befüllen der Gegenkammer (37') bei dem Speisedruck (Pi*) wird auf das Kompressionsmittel (33) eine Kraft (FPi*) in der Entladerichtung ausgewirkt. Ferner wirkt die Rückstellkraft (FR) des Rückstellelements (39) in der Entladerichtung.
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Die Kraft (FPo), durch die der Abgabedruck (Po) gemäß der Druckfläche (A1) des Kompressionsmittels (33) erzeugt wird, ergibt sich aus der Kräftedarstellung im unteren Bereich von
10 bzw. gemäß der folgenden Formel:
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Der erhöhte Abgabedruck ergibt sich entsprechend gemäß der Formel:
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Wenn ein Fluidakkumulator mit mehreren Akkumulatorkammern (31, 32) gemäß den obigen Erläuterungen verwendet wird, ist durch eine selektive Verbindung nur einer oder weniger dieser Akkumulatorkammern während der Entlade-Zeitphase (T2) eine nochmals zusätzliche Erhöhung des Abgabedrucks (Po) analog zu den obigen Ausführungen erreichbar.
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Der Fluidakkumulator (30) kann das aufgenommene Steuerfluid für einen beliebigen Zeitraum speichern. Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Fluidströmungssteuerung (20) oder die Schaltvorrichtung (50) dazu ausgebildet, den Fluidakkumulator (30) teilweise oder vollständig zu entleeren. Insbesondere kann der Schaltkörper (26) zwischen den Positionen für eine Fluiddruck-Aktuierung in Vorlaufrichtung und in Nachlaufrichtung (vgl. 6 und 7) einfach oder mehrfach hin und her geschaltet werden, während die Druckquelle (P+) inaktiv oder gedrosselt ist und die zweite oder inaktive Akkumulatorkammer (32) mit einer Drucksenke (P-) verbunden ist. Das Entleeren des Fluidakkumulators (30) kann insbesondere zur Vorbereitung einer Wartung genutzt werden.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die gezeigten, beschriebenen oder beanspruchten Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert oder vertauscht werden.
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Eine Fliehkraft (FL1) kann direkt oder indirekt auf das Kompressionsmittel (33) wirken. Beispielsweise kann ein in Radialrichtung des Nockenwellenstellers (10) bewegbarer Fliehkraftkörper vorgesehen sein, der durch die Drehbewegung des Nockenwellenstellers (10) verschiebbar ist, um eine (zusätzliche) Fliehkraft durch mechanische Koppelung auf das Kompressionsmittel (33) zu übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenstellvorrichtung
- 2
- Antriebsmittel
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Steuerung / ECU / Elektronische Steuereinheit
- 10
- Nockenwellensteller
- 11
- Vorlaufkammer
- 12
- Nachlaufkammer
- 13
- Gehäuse
- 14
- Erster Rotor
- 15
- Zweiter Rotor
- 16
- Aufnahmekammer
- 17
- Erste Verbindungspassage
- 18
- Zweite Verbindungspassage
- 19
- Flügel
- 20
- Fluidströmungssteuerung
- 21
- Zuführpassage
- 21a
- Erster Passagenteil
- 21b
- Zweiter Passagenteil
- 22
- Drainagepassage
- 22a
- Erste Drainagepassage
- 22b
- Zweite Drainagepassage
- 22c
- Dritte Drainagepassage
- 23
- Unidirektionalventil in Zuführpassage
- 24
- Bypass-Passage
- 25
- Unidirektionalventil in Bypass-Passage
- 26
- Schaltkörper
- 27
- Aktuator
- 28
- Rückstellelement
- 30
- Fluidakkumulator
- 30'
- Fluidakkumulator
- 31
- Erste Akkumulatorkammer
- 31'
- Akkumulatorkammer
- 32
- Zweite Akkumulatorkammer
- 33
- Kompressionsmittel
- 33'
- Kompressionsmittel
- 34
- Erste Akkumulator-Passage
- 34'
- Akkumulator-Passage
- 35
- Zweite Akkumulator-Passage
- 36
- Unidirektionalventil in Akkumulator-Passage
- 37
- Gegenkammer
- 37'
- Gegenkammer
- 38
- Gegenkammer-Drainage
- 38'
- Gegenkammer-Drainage
- 39
- Rückstellelement, elastisch
- 40
- Druckverstärkungsstruktur
- 50
- Schaltvorrichtung
- 51
- Ventilkörper
- 52
- Rückstellelement
- 53
- Aktuator
- A1
- Druckfläche der ersten Akkmulatorkammer / wirksamen Akkumulatorkammer(n)
- A2
- Druckfläche der zweiten Akkumulatorkammer / unwirksamen Akkumulatorkammer(n)
- FL1
- Fliehkraft während Lade-Zeitphase
- FL2
- Fliehkraft während Entlade-Zeitphase
- FPi
- Durch Speisedruck erzeugte Kraft in Lade-Zeitphase
- FPi*
- Durch Speisedruck erzeugte Kraft in Entlade-Zeitphase bei Befüllung der Gegenkammer
- FP1
- Erste durch Speisedruck erzeugte Kraft
- FP2
- Zweite durch Speisedruck erzeugte Kraft
- FPo
- Kraft zur Erzeugung des Abgabedrucks
- FR
- Rückstellkraft
- M1
- Antriebsmoment
- M2
- Nockenmoment
- N
- Nachlaufkammer
- P+
- Druckquelle / Fluidpumpe
- P-
- Drucksenke / Fluidreservoir
- Pi
- Speisedruck in Lade-Zeitphase
- Pi*
- Speisedruck in Entlade-Zeitphase
- Po
- Abgabedruck
- T1
- Lade-Zeitphase
- T2
- Entlade-Zeitphase
- V
- Vorlaufkammer
- W
- Phasenwinkel
