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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme zur variablen Nockenwellensteuerung.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen nockendrehmomentbetätigten Phasensteller
mit einem einzigen Rückführventil.
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Die
US-PS 5 002 023 beschreibt ein VCT-System auf dem Gebiet der Erfindung,
bei dem die Systemhydraulik ein Paar von entgegengesetzt wirkenden
Hydraulikzylindern mit geeigneten hydraulischen Durchflußelementen
zur wahlweisen übertragung
von Hydraulikmittel von einem der Zylinder zum anderen oder umgekehrt
aufweist, um auf diese Weise die Umfangsposition einer Nockenwelle
relativ zu einer Kurbelwelle vorzubewegen oder zu verzögern. Bei
dem Steuersystem findet ein Steuerventil Verwendung, in dem die
Abgabe von Hydraulikmittel von dem einen oder dem anderen der entgegengesetzt wirkenden
Zylinder ermöglicht
wird, indem ein Schieber innerhalb des Ventils von seiner zentrierten
Position oder Nullposition aus in der einen oder der anderen Richtung
bewegt wird. Die Bewegung des Schieber tritt in Abhängigkeit
von einem Anstieg oder Abfall des hydraulischen Steuerdrucks PC an einem Ende des Schiebers und der Beziehung
zwischen der auf dieses Ende einwirkenden hydrau lischen Kraft und einer
entgegengesetzt gerichteten mechanischen Kraft, die auf das andere
Ende einwirkt und aus einer hierauf einwirkenden Druckfeder resultiert,
auf.
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Die
US-PS 5 107 804 beschreibt eine andere Art eines VCT-Systems auf dem Gebiet
der Erfindung, bei dem die Systemhydraulik einen Flügel mit Ausbauchungen
innerhalb eines umschlossenen Gehäuses aufweist, der die entgegengesetzt
wirkenden Zylinder der vorstehend erwähnten US-PS 5 002 023 ersetzt.
Der Flügel
kann sich relativ zum Gehäuse hin-
und herbewegen, wobei geeignete hydraulische Durchflußelemente
Hydraulikmittel innerhalb des Gehäuses von einer Seite einer
Ausbauchung zur anderen oder umgekehrt übertragen, um auf diese Weise den
Flügel
relativ zum Gehäuse
in der einen oder der anderen Richtung hin- und herzubewegen, wodurch die
Position der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle vorbewegt oder
verzögert
wird. Das Steuersystem dieses VCT-Systems ist mit dem der US-PS 5 002 023
identisch, wobei die gleiche Art von Schieberventil Verwendung findet,
das auf die gleiche Art von hierauf einwirkenden Kräften anspricht.
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In
der US-PS 5 657 725, auf der der Oberbegriff von Patentanspruch
1 basiert, ist ein VCT-Phasensteller beschrieben, bei dem ein Ölfluß von einer Voreilkammer
zu einer Verzögerungskammer über eine
Rückführleitung
einschließlich
eines Rückschlagventils
ermöglicht
wird, wenn sich das Schieberventil in einer Verzögerungsposition befindet, um eine
hohe Verzögerungstendenz
des Motors zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird ein
Phasensteller zur variablen Nockensteuerung für eine Brennkraftmaschine,
die mindestens
eine Nockenwelle aufweist, vorgesehen, der umfaßt: ein
Gehäuse
mit einem Außenumfang
zur Aufnahme einer Antriebskraft;
einen Rotor (1)
zur Verbindung mit einer Nockenwelle, die koaxial im Gehäuse angeordnet
ist, wobei das Gehäuse
und der Rotor mindestens einen Flügel bilden, der eine Vielzahl
von Kammern voneinander trennt, mindestens eine Kammer eine Voreilkammer und
eine andere Kammer eine Verzögerungskammer ist
und sich der Flügel
drehen kann, um die relative Winkellage des Gehäuses und des Rotors zu verschieben;
ein
Schieberventil mit einem Schieber mit einer Vielzahl von Stegen,
der gleitend in einer Bohrung im Rotor gelagert ist und von einer
Voreilposition durch eine Halteposition in eine Verzögerungsposition
gleiten kann, und mit einem Voreilauslaßkanal, einem Verzögerungsauslaßkanal und
einem Rückführkanal, um
ein Betriebsmittel zur Voreilkammer und Verzögerungskammer zu führen, wobei
der Voreilauslaßkanal
und der Verzögerungsauslaßkanal mit
dem Rückführkanal
verbunden sind; und
ein Rückführrückschlagventil
im Rückführkanal,
das so orientiert ist, daß das
Betriebsmittel nur von der Voreilkammer durch den Voreilauslaßkanal in
den Rückführkanal
strömt,
wenn sich der Schieber in der Verzögerungsposition befindet;
dadurch
gekennzeichnet, daß das
Rückrückschlagventil
so angeordnet ist, daß das
Betriebsmittel von der Verzögerungskammer
durch den Verzögerungskammerauslaßkanal in
den Rückführkanal
nur dann strömen
kann, wenn sich der Schieber in der Voreilposition befindet.
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Ein
Phasensteller für
eine variable Nockensteuerung einer Brennkraftmaschine, die mindestens eine
Nockenwelle aufweist, umfaßt
ein Gehäuse,
einen Rotor, ein Schieberventil und ein Rückführrückschlagventil. Das Gehäuse und
der Rotor bilden mindestens einen Flügel, der eine Voreilkammer
und eine Verzögerungskammer
voneinander trennt. Das Schieberventil umfaßt einen Schieber mit einer
Vielzahl von Stegen, der innerhalb einer Bohrung im Rotor gelagert
ist. Der Schieber kann von einer Voreilposition durch eine Halteposition
in eine Verzögerungsposition
gleiten. Der Phasensteller besitzt ferner einen Voreilauslaßkanal,
einen Verzögerungsauslaßkanal und
einen Rückführkanal,
um Betriebsmittel den Kammern zuzuführen. Das Rückführrückschlagventil befindet sich
im Rückführkanal
und ermöglicht, daß Strömungsmittel
nur dann von der Voreilkammer in den Rückführkanal strömen kann, wenn sich der Schieber
in der Verzögerungsposition
befindet, und von der Verzögerungskammer
in den Rückführkanal strömen kann,
wenn sich der Schieber in der Voreilposition befindet.
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Es
folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen. Hiervon zeigen:
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1 eine
auseinandergezogene Seitenansicht der Nockenwelle in einer Ausführungsform
der vorlie genden Erfindung;
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2 eine
auseinandergezogene Seitenansicht des Rotors in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers der vorliegenden
Erfindung in der Nullposition;
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4a eine
schematischen Darstellung des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
der vorliegenden Erfindung in der Verzögerungsposition, wobei die
Nockenwelle das Ventil öffnet;
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4b ein
Diagramm der Nockentorsionsenergie;
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4c die
Position der Nockenausbauchung;
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5a eine
schematische Darstellung des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers der vorliegenden
Erfindung in der Verzögerungsposition, wobei
die Nockenwelle das Ventil schließt;
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5b ein
Diagramm der Nockentorsionsenergie;
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5c die
Position der Nockenausbauchung;
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6a eine
schematische Darstellung des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers der vorliegenden
Erfindung in der Voreilposition, wobei die Nockenwelle das Ventil
schließt;
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6b ein
Diagramm der Nockentorsionsenergie;
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6c die
Position der Nockenausbauchung;
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7a eine
schematische Darstellung des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers der vorliegenden
Erfindung in der Voreilposition, wobei die Nockenwelle das Ventil öffnet;
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7b ein
Diagramm der Nockentorsionsenergie;
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7c die
Position der Nockenausbauchung;
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8 eine
schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
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9 eine
andere schematische Darstellung einer zweiten anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
Brennkraftmaschine besitzt eine Kurbelwelle, die über die
Pleuelstangen der Kolben angetrieben wird, und eine oder mehrere
Nockenwellen, die die Einlaß-
und Auslaßventile
an den Zylindern betätigen.
Das Steuerzahnrad auf der Nockenwelle ist über einen Steuerantrieb, wie
beispielsweise einen Riemen, eine Kette oder Zahnräder, mit
der Kurbelwelle verbunden. Obwohl in den Figuren nur eine Nockenwelle
dargestellt ist, versteht es sich, daß es sich hierbei um die einzige
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einer einzigen Nockenwelle handeln
kann, entweder vom Typ mit obenliegender Nockenwelle oder vom Typ
mit der Nockenwelle im Block, oder um eine Nockenwelle von zwei
Nockenwellen (der Nockenwelle zur Betätigung der Einlaßventile
oder Nockenwelle zur Betätigung
der Auslaßventile)
einer Brennkraftmaschine mit zwei Nockenwellen oder um eine Nockenwelle
von vier Nockenwellen in einem V-Motor mit obenliegenden Nockenwellen,
der zwei Nockenwellen für
jede Zylinderreihe aufweist.
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In
einem System zur variablen Nockensteuerung (VCT) ist das Steuerzahnrad
auf der Nockenwelle durch eine Kupplung zur variablen Winkeleinstellung
ersetzt, die als „Phasensteller" bekannt ist und
einen Rotor, der mit der Nockenwelle verbunden ist, und ein Gehäuse aufweist,
das mit dem Steuerzahnrad verbunden ist (oder dieses bildet), wodurch die
Nockenwelle unabhängig
vom Steuerzahnrad innerhalb von Winkelgrenzen rotieren kann, um
das Timing zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu verändern. Der
hier verwendete Begriff „Phasensteller" umfaßt das Gehäuse und
den Rotor sowie sämtliche
Teile zur Steuerung der relativen Winkellage des Gehäuses und
Rotors, damit das Timing der Nockenwelle gegenüber dem der Kurbelwelle versetzt
werden kann. Bei Motoren mit mehreren Nockenwellen versteht es sich,
daß ein
Phasensteller auf jeder Nockenwelle vorhanden ist, wie dies bekannt
ist.
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Wie
man 1 entnehmen kann, ist ein Rotor 1 mit
Hilfe eines Montageflansches 8, an dem er (und die Rotorvorderplatte 4) über Schrauben 14 befestigt
ist, fest an der Nockenwelle 9 angebracht. Der Rotor 1 hat
ein Paar von diame tral gegenüberliegenden
radial nach außen
vorstehenden Flügeln 16,
die in Ausnehmungen 17 im Gehäusekörper 2 greifen. Die
Innenplatte 5, der Gehäusekörper 2 und
die Außenplatte 3 sind
mit Schrauben 13 um den Montageflansch 8, den
Rotor 1 und die Rotorvorderplatte 4 befestigt,
so daß die
die Flügel 16 haltenden
Ausnehmungen 17, die von der Außenplatte 3 und der
Innenplatte 5 umschlossen sind, strömungsmitteldichte Kammern bilden.
Das Timingzahnrad 11 ist mit der Innenplatte 5 über Schrauben 12 verbunden.
Zusammen werden die Innenplatte 5, der Gehäusekörper 2, die
Außenplatte 3 und
das Timingzahnrad 11 hier als „Gehäuse" bezeichnet. Die Flügel 16 des Rotors 1 sind
in die radial nach außen
vorstehenden Ausnehmungen 17 des Gehäusekörpers 2 eingepaßt, wobei die
Umfangserstreckung einer jeden Ausnehmung 17 etwas größer ist
als die Umfangserstreckung des Flügels 16, der in einer
derartigen Ausnehmung angeordnet ist, um eine begrenzte Schwingbewegung des
Gehäuses
relativ zum Rotor 1 zu ermöglichen. Die Flügel 16 sind
mit Flügelspitzen 6 in
Aufnahmeschlitzen 19 versehen, die durch lineare Expansionsvorrichtungen 7 nach
außen
vorgespannt sind. Die Flügelspitzen 6 verhindern,
daß Motoröl zwischen der
Innenseite der Ausnehmungen 17 und den Flügel 16 leckt,
so daß jede
Ausnehmung in gegenüberliegende
Kammern 17a und 17b unterteilt ist, wie in den 3 – 8 gezeigt.
Jede der Kammern 17a und 17b des Gehäuses 2 ist
in der Lage, hydraulischen Druck aufrechtzuerhalten. Durch die Beaufschlagung der
Kammern 17a mit Druck wird daher der Rotor im Uhrzeigersinn
relativ zum Rotor 1 bewegt. Durch Beaufschlagung der Kammern 17b mit
Druck wird der Rotor gegen den Uhrzeigersinn relativ zum Rotor 1 bewegt,
wie in den Figuren gezeigt.
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2 zeigt
eine Seitenansicht des Rotors 1, der das Schieberventil 109 aufnimmt.
Das Schieberventil 109 besitzt einen Schieber 104 und
ein zylindrisches Element 115. Ein Haltering 204 ist
an einem Ende des Schiebers 104 angebracht. Ein Stopfen 202 ist
bündig
mit der Oberfläche
des zylindrischen Elementes 115 verpreßt. Die Feder 116 stößt gegen den
Stopfen 202. Ein Einlaßrückschlagventil 300 und ein
Rückführrückschlagventil 202 im
Rotor 1 besitzen jeweils einen Haltering 210 und 206.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
in der Nullposition. Das den Phasensteller betätigende Hydraulikmittel 122,
bei dem es sich beispielsweise um Motorschmieröl handelt, strömt in die
Kammern 17a („A" bedeutet „Voreilen") und 17b („R" bedeutet „Verzögerung") und wird in den
Phasensteller über
eine gemeinsamen Einlaßleitung 110 eingeführt. Innerhalb
der Einlaßleitung 110 befindet
sich ein Einlaßrückschlagventil 300,
das nur dazu dient, dem Phasensteller Ergänzungsöl zuzuführen. Die Einlaßleitung 110 führt zu drei
Leitungen, nämlich
einer Voreilauslaßöffnung 106,
einer Rückführleitung 304 und einer
Verzögerungsauslaßöffnung 107.
Die Rückführleitung 304 enthält ein Rückführrückschlagventil 302,
das sowohl zum Beschleunigen als auch zum Verzögern des Phasenstellers dient.
Die Position des Schieberventils 109 gibt vor, welche Kammer 17a oder 17b eine
Auslaßkammer
ist und welche Kammer über
das Rückrückschlagventil 302 gefüllt wird. Der
Schieber 104 gleitet vor und zurück und besitzt Stege 104a, 104b und 104c,
die eng an das zylindrische Element 115 angepaßt sind.
Die Schieber stege 104a, 104b und 104c sind
vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Um einen Phasenwinkel aufrechtzuerhalten,
ist der Schieber 104 in der Nullstellung angeordnet, wie
in 3 gezeigt. Während
sich der Phasensteller in der Nullposition befindet, überlappen sich
die Schieberstege 104b und 104c und blockieren
die Einlaßleitungen 111 und 113,
so daß verhindert
wird, daß Hydraulikmittel
außer
der geringsten Menge an Ergänzungsöl in die
Kammern 17a, 17b oder aus diesen herausströmen kann.
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Da
es sich bei dem Phasensteller um einen nockendrehmomentbetätigten Phasensteller
(DTA) handelt, ist immer eine gewisse Leckage vorhanden. Ergänzungshydraulikmittel
oder Öl
wird der gemeinsamen Einlaßleitung 110 zugeführt. Die
gemeinsame Einlaßleitung 11 enthält ein Einlaßrückschlagventil 300.
Dieses Einlaßrückschlagventil
ist nur dann offen, wenn weder ein Widerstandsdrehoment noch ein Antriebsdrehmoment
vorhanden ist, d.h. während der
Nullposition. Durch die Anordnung des Rückschlagventils in der gemeinsamen
Einlaßleitung
wird, wie in den 3 – 8 gezeigt,
das Problem beseitigt, daß in
den Kammern befindliches Öl
leckt, wenn der Motor außer
Betrieb ist.
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4a zeigt
eine schematische Ansicht des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
in der Verzögerungsposition,
speziell wenn die Phasenverschiebung eine Öffnung des Ventils ermöglicht.
Der Schieber 104 wird nach innen (in den Figuren nach rechts)
bewegt, um den Phasensteller durch die Kraftbetätigungseinheit 103,
die von der elektronischen Steuereinheit (ECU) 102 gesteuert
wird, in die Verzögerungsposition
zu verschieben. Durch die Verschiebung des Schiebers 104 wird
die Feder 116 komprimiert. Wenn der Schieber nach rechts
verschoben wird, komprimiert die Nockenwellenausbauchung 222 die
Ventilfeder 224, wie in den 4b und 4c gezeigt,
und es wird ein Widerstandsdrehmoment mit einem positiven Wert erzeugt.
Dieses Widerstandsdrehmoment bewirkt, daß der an der Nockenwelle 9 befestigte
Rotor 1 gegenüber
dem kettengetriebenen Kettenradgehäuse (nicht gezeigt) verzögert wird.
Wenn die Nockenausbauchung 222 die Ventilfeder 224 komprimiert,
enthält
die Voreilkammer 17a hohen Druck, wodurch das Hydraulikmittel 122 aus
der Voreilkammer 17a in die Einlaßleitung 111 herausgedrückt wird.
Von der Einlaßleitung 111 gelangt
das Hydraulikmittel 122 nach außen durch die Voreilauslaßöffnung 106 in
die Rückführleitung 304,
die das Rückführrückschlagventil 302 enthält. Von
hier aus dringt das Hydraulikmittel in die Einlaßleitung 113 ein,
die zur Verzögerungskammer 17b führt, wodurch
der Flügel 16 in
der in der Figur angedeuteten Richtung bewegt wird.
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5a ist
eine schematische Ansicht des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
in der Verzögerungsposition,
speziell in der Position, in der die Phasenverschiebung ein Schließen des
Ventils ermöglicht.
Wie in 5c gezeigt, bewegt sich die Nockenausbauchung 222 an
ihrer Mitte vorbei und versucht die Ventilfeder 224, die
Nockenwelle 9 und den Rotor 1 anzutreiben. Diese
Antriebskraft versucht, wie in 5b gezeigt,
das Hydraulikmittel 122 aus der Verzögerungskammer 17b heraus
zurück
in die Kammer 17a zu drücken.
Das Rückführrückschlagventil 302 ist
jedoch geschlossen, so daß das Hydraulikmittel 122 zur
Verzögerungskammer 17b zurückströmen muß. Wenn
daher der Schieber 104 einwärts be wegt wird, kann das Hydraulikmittel 122 nur
von der Voreilkammer 17a zur Verzögerungskammer 17b und
nicht in umgekehrter Richtung strömen. Eine Strömung von
der Verzögerungskammer 17b zur
Voreilkammer 17a wird durch das Rückführrückschlagventil 302 verhindert.
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6a ist
eine schematische Ansicht des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
in der Voreilposition, speziell in der Position, in der die Phasenverschiebung
ein Schließen
des Ventils ermöglicht.
Der Schieber 104 wird nach außen (in den Figuren nach links)
bewegt, um den Phasensteller über die
Kraftbetätigungseinheit 109 in
die Voreilposition zu verschieben. Wie in 6c gezeigt,
hat sich die Nockenausbauchung 222 an ihrer Mitte vorbei
bewegt und drückt
die Ventilfeder 224 gegen die Nockenausbauchung 222,
um zu versuchen, die Nockenwelle anzutreiben oder zu beschleunigen. 6b zeigt
das Antriebsdrehmoment als negatives Drehmoment. Dieses Antriebsdrehmoment
bewirkt, daß der
an der Nockenwelle befestigte Rotor seine Geschwindigkeit erhöht, so daß er sich
schneller dreht als das kettengetriebene Kettenradgehäuse. Wenn
die Ventilfeder 224 Druck auf die Nockenausbauchung 224 ausübt, enthält die Verzögerungskammer 17b einen
hohen Druck, wodurch das Hydraulikmittel 122 aus der Verzögerungskammer 17b heraus und
in die Einlaßleitung 113 gedrückt wird.
Von der Einlaßleitung 113 strömt das Hydraulikmittel
aus der Verzögerungsauslaßöffnung 107 heraus
in die Rückführleitung 304,
die das Rückführrückschlagventil 302 enthält. Von
hier dringt das Hydraulikmittel in die Einlaßleitung 111 ein,
die zur Voreilkammer 17a führt, und bewegt den Flügel 16 in
der in der Figur angedeuteten Richtung. Somit wird das in der Ver zögerungskammer 17b befindliche
Hydraulikmittel 122 zur Voreilkammer 17a bewegt,
wenn ein Antriebsdrehmoment, d.h. ein negatives Drehmoment, vorhanden
ist.
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7a ist
eine schematische Ansicht des nockendrehmomentbetätigten Phasenstellers
in der Voreilposition, speziell in der Position, in der der Nocken
mit einer neuen Umdrehung beginnt, um das Ventil zu öffnen, wie
in 7c gezeigt. Wenn die Nockenausbauchung die neue
Umdrehung beginnt, will sie sich verzögern oder verlangsamen. Diese
Widerstandskraft, die einen positiven Wert besitzt, versucht, wie
in 7b gezeigt, das Hydraulikmittel 122 aus
der Voreilkammer 17a heraus in die Verzögerungskammer 17b zu
drücken.
Das Rückführrückschlagventil 302 ist
jedoch geschlossen, so daß das Hydraulikmittel
zurück
in die Voreilkammer 17a strömen muß. Durch die Rückführung des
Hydraulikmittels wird verhindert, daß der Rotor die Bewegung verliert,
die er erreicht hat, als ein Drehmoment vorhanden war. Wenn daher
der Schieber 104 nach außen bewegt wird, kann das Hydraulikmittel
nur von der Verzögerungskammer 17b in
die Voreilkammer 17a und nicht in umgekehrter Richtung
strömen.
Eine Strömung
von der Voreilkammer 17a zur Verzögerungskammer 17b wird
durch das Rückführrückschlagventil 302 verhindert.
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8 zeigt
eine andere Ausführungsform, bei
der ein Auslaß des
Einlaßrückschlagventils 402 zwischen
dem Rückführrückschlagventil 400 und
der Rückführleitung 304 angeordnet
ist. Diese Ausführungsform
kann Verwendung finden, wenn der Versorgungsdruck üblicherweise
niedrig ist. Durch Anordnung des Einlaßrückschlagventils 402,
wie in 8 angedeutet, findet ein Druckabfall über dem Rückführventil
in einer Größe statt,
die der Größe des Reißdrucks
des Rückführventils
entspricht.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform, bei
der zwei Einlaßrückschlagventile 502 und 504 über eine
Leitung 508 miteinander verbunden und zwischen der Voreilkammer 17a und
der Verzögerungskammer 17b sowie
dem Schieber 104 angeordnet sind. Durch die Anordnung der
Einlaßrückschlagventile 502, 504 in
der in der Figur gezeigten Art und Weise sind die Voreilkammer 17a und
Verzögerungskammer 17b immer
voll, wenn sich das Schieberventil in der Nullposition befindet.
Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn ein Schieberventil mit
großer Überlappung
und engem Spiel vorhanden ist. Wenn die beiden Einlaßrückschlagventile
nicht vorhanden wären,
wäre eine
zusätzliche
Bewegung oder ein Zittersignal erforderlich, um die Einlaßleitungen 111, 113 zur
Voreilkammer 17a und Verzögerungskammer 17b zu öffnen.
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Es
versteht sich, daß die
hier beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung lediglich beispielhaft für die Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien
sind. Die Bezugnahme auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen
soll in keiner Weise den Umfang der Patentansprüche beschränken, in denen diejenigen Merkmale
aufgeführt
sind, die als wesentlich für
die Erfindung angesehen werden.