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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil, insbesondere zum Schalten eines Stellkolbens in einem Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, sowie ein Pleuel mit einem solchen Umschaltventil.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuelstangenlänge bekannt, welche mit Hilfe von hydraulischen Umschaltventilen eine Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels betätigen.
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Ein gattungsgemäßes Hydraulikventil sowie ein gattungsgemäßes Pleuel sind beispielsweise aus der
DE 10 2013 107 127 A1 bekannt. In dem bekannten Pleuel ist ein Hydraulikventil vorgesehen, welches einen hydraulischen Versorgungsanschluss aufweist. An diesem Versorgungsanschluss liegt ein hydraulischer Druck an. Dieser hydraulische Druck verschiebt einen Hydraulikkolben des Hydraulikventils gegen die Kraft einer vorgespannten Feder. Der Hydraulikkolben verbleibt in einem niedrigen Druckbereich des Versorgungsanschlusses infolge der Vorspannung der Feder unverändert in einer stabilen Niederdrucklage.
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In dieser stabilen Niederdrucklage ist der Versorgungsanschluss hydraulisch mit einer ersten Verdrängerkammer des Pleuels verbunden. Damit entleert sich die erste Verdrängerkammer stoßweise immer dann zum Versorgungsanschluss hin, wenn deren Verdrängerkammerdruck bedingt durch Gas- oder Massenkräfte am Pleuel bzw. Exzenter größer ist als der Druck am Versorgungsanschluss.
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Der Hydraulikkolben weist eine Kolbenfläche auf. Liegt an dieser Kolbenfläche ein vom Versorgungsanschluss kommender Druck an, der in einem hohen Druckbereich liegt, so kommt der Hydraulikkolben zum Anliegen an einem Anschlag. In dieser stabilen Hochdrucklage ist der Versorgungsanschluss mit einer zweiten Verdrängerkammer verbunden. Damit entleert sich die zweite Verdrängerkammer stoßweise immer dann zum Versorgungsanschluss hin, wenn deren Verdrängerkammerdruck bedingt durch Gas- oder Massenkräfte am Pleuel. bzw. am Exzenter größer ist als der Druck am Versorgungsanschluss.
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Beim Verstellen wird also nicht die Verdrängerkammer über den relativ schwachen Druck des Versorgungsanschlusses befüllt. Stattdessen werden die Verdrängerkammern über die hohen Kräfte am Pleuel gegen den relativ niedrigen Druck am Versorgungsanschluss entleert. Über in den Verdrängerkammern angeordneten Kolben wird ein Exzenterhebel betrieben, der wiederum über den Exzenter eine effektive Pleuellänge verstellt und so die variable Verdichtung der Brennkraftmaschine steuert.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Hydraulikventil zum Steuern eines Hydraulikfluids zu schaffen, welches insbesondere eine geringe Leckage aufweist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Pleuel mit einem solchen Hydraulikventil zu schaffen, welches eine geringe Leckage aufweist.
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Die vorgenannten Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es wird ein Hydraulikventil, insbesondere zum Schalten eines Stellkolbens in einem Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, vorgeschlagen, welches ein Ventilgehäuse umfasst, das einen ersten Arbeitsanschluss und einen zweiten Arbeitsanschluss sowie einen Versorgungsanschluss aufweist, der mit einem hydraulischen Druck eines Hydraulikfluids beaufschlagbar ist. Ein in dem Ventilgehäuse angeordneter beweglicher Stufenkolben ist gegen die Kraft einer vorgespannten Feder verschiebbar, wobei der Stufenkolben in einem ersten, niedrigen Druckbereich infolge der Vorspannung der Feder in einer stabilen Niederdrucklage verbleibt, in welcher der Versorgungsanschluss mit dem ersten Arbeitsanschluss verbindbar ist. In einem zweiten, hohen Druckbereich befindet sich der Stufenkolben in einer stabilen Hockdrucklage, in welcher der zweite Arbeitsanschluss mit dem Versorgungsanschluss verbindbar ist. Weiter ist ein instabiler Umschlagbereich zwischen den beiden Druckbereichen vorgesehen, bei dem die Verschiebung des Stufenkolbens von der stabilen Niederdrucklage zur stabilen Hockdrucklage bei einem höheren Druck erfolgt als die Verschiebung von der stabilen Hochdrucklage zur stabilen Niederdrucklage. Dem ersten Arbeitsanschluss ist ein erstes Rückschlagventil und dem zweiten Arbeitsanschluss ein zweites Rückschlagventil zugeordnet, welche Rückschlagventile je nach Stellung des Stufenkolbens eine Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses oder des zweiten Arbeitsanschlusses mit dem Versorgungsanschluss freigeben oder sperren, wobei die Rückschlagventile in das Ventilgehäuse integriert vorgesehen sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hydraulikventil, welches vorzugsweise als Umschaltventil zum Schalten eines Stellkolbens in einem Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung dient, sind integriert in das Hydraulikventil zwei Rückschlagventile vorgesehen, so dass üblicherweise in einem Pleuel für variable Verdichtung vorhandene Rückschlagventile für das Hydraulikfluid, entfallen können. Es ist lediglich eine Hydraulikleitung von einer Lagerschale des Pleuels zu dem Versorgungsanschluss des Hydraulikventils erforderlich, um das Hydraulikfluid für die Umschaltvorgänge zuzuführen. So lässt sich ein besonders kompakter Aufbau des Pleuels realisieren.
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Alternativ lässt sich das Hydraulikventil jedoch auch in einem Pleuel mit vorhandenen Rückschlagventilen betreiben. Dabei werden die Rückschlagventile des Hydraulikventils und des Pleuels lediglich in Serie betrieben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hydraulikventil ist vorgesehen, dass die Rückschlagventile Stößel aufweisen, welche aus Metall gefertigt sind und gegen einen metallenen Ventilsitz abdichten. Die Stützkammern des Pleuels werden bei dem Hydraulikventil nicht durch den Kolben des Hydraulikventils gedichtet, sondern durch die Stößel der Rückschlagventile gegen die Ventilsitze. Der Kolben ist bei dem Hydraulikventil lediglich zur Betätigung der Stößel der Rückschlagventile vorgesehen. Ventildichtungen können daher entfallen
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Dadurch ist ein sehr zuverlässiges Dichtverhalten des Hydraulikventils erreichbar, so dass keine oder nur eine geringe Leckage des Hydraulikfluids aus den Stützkammern des Pleuels über die Arbeitsanschlüsse des Hydraulikventils erfolgt.
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Dadurch, dass das Hydraulikventil nur gegen den relativ geringen Versorgungsdruck abdichten muss, können die Komponenten des Hydraulikventils mit mehr Spiel gefertigt werden, so dass bei der Fertigung größere Toleranzen zulässig sind, was die Fertigung vorteilhaft vereinfacht. Auf diese Weise ist das Hydraulikventil toleranzunempfindlicher als vergleichbare bistabile Schaltventile.
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Das größere zulässige Spiel zwischen Stufenkolben und Ventilgehäuse ermöglicht auch, dass das Hydraulikventil in das Pleuel eingepresst werden kann. Das Risiko, dass dabei möglicherweise auftretende Verformungen des Ventilgehäuses zu einer Verklemmung des Stufenkolbens führen, ist durch die Toleranzunempfindlichkeit verringert. Ventildichtungen können so außerdem entfallen.
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Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Hydraulikventil Kostenvorteile in der Fertigung gegenüber herkömmlichen Schaltventilen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Niedrigdrucklage das erste Rückschlagventil so angeordnet sein, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss zu dem ersten Arbeitsanschluss freigegeben ist und das zweite Rückschlagventil so angeordnet sein, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss zu dem zweiten Arbeitsanschluss gesperrt ist. Weiter kann in der Hochdrucklage das erste Rückschlagventil so angeordnet sein, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss zu dem ersten Arbeitsanschluss gesperrt ist und das zweite Rückschlagventil so angeordnet sein, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss zu dem zweiten Arbeitsanschluss freigegeben ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass jeweils in der Niedrigdrucklage nur der erste Arbeitsanschluss mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird und in der Hochdrucklage nur der zweite Arbeitsanschluss mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird. Die beiden Arbeitsanschlüsse sind so durch die Rückschlagventile gegeneinander verriegelt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben wenigstens bereichsweise hohlzylinderförmig ausgebildet sein, wobei ein erster hohlzylinderförmiger Fortsatz sich von einer Trennwand in eine Richtung erstreckt und ein zweiter hohlzylinderförmiger Fortsatz sich von der Trennwand in eine bezüglich einer Ventillängsachse entgegengesetzte Richtung erstreckt. Der erste Fortsatz weist dabei einen kleineren Radius als der zweite Fortsatz auf. Eine erste Kolbenfläche ist dabei durch einen Querschnitt des ersten Fortsatzes gebildet. Eine zweite Kolbenfläche ist wenigstens bereichsweise von der Trennwand gebildet und umgibt den ersten Fortsatz ringscheibenförmig. Dabei ist die Feder in dem zweiten Fortsatz aufgenommen. Der Stufenkolben wird so durch zwei Hohlzylinder gebildet, welche mit ihren Stirnseiten an einer gemeinsamen Trennwand zusammenstoßen und mit dieser Trennwand verbunden sind. Dabei bildet die Trennwand die Böden der Hohlzylinder, welche so teilweise einstückig ausgebildet sind. Die erste Kolbenfläche des ersten Fortsatzes wird auf Grund der Anordnung im Hydraulikventil durch die Stirnseite des ersten Fortsatzes gebildet. Die zweite Kolbenfläche wird durch den Teil der Trennwand gebildet, der außerhalb der Bodenfläche des ersten Fortsatzes ringscheibenförmig um den ersten Fortsatz ausgebildet ist. Ergänzt wird die zweite Kolbenfläche durch die Fläche, welche durch eine den zweiten Fortsatz auf dem Außenumfang umlaufende Dichtkante gebildet wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Kolbenflächen quer zu der Ventillängsachse orientiert angeordnet sein, von denen die radial innere erste Kolbenfläche einen ersten Druckraum begrenzt, und die radial äußere Kolbenfläche einen zweiten Druckraum begrenzt, wobei die beiden Druckräume durch einen Dichtspalt voneinander getrennt sind. Die Anordnung der Kolbenflächen quer zur Längsachse des Hydraulikventils ermöglicht einen möglichst kompakten Aufbau des Hydraulikventils und eine günstige Betätigung der Rückschlagventile. Die beiden Druckräume, welche durch die beiden Kolbenflächen gebildet werden, sind durch den Dichtspalt, der sich durch die Führung des ersten Fortsatzes des Stufenkolbens ergibt, voneinander getrennt und so günstig getrennt mit Hydraulikfluid beaufschlagbar.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stufenkolben auf einer radialen Außenseite des zweiten Fortsatzes eine Dichtkante aufweisen, über welche die zweite Kolbenfläche über den Versorgungsanschluss für eine Beaufschlagung mit dem Hydraulikfluid freigebbar ist. Die Dichtkante des zweiten Fortsatzes stellt so günstig eine Steuerkante für den Stufenkolben dar, welcher im Bereich des Eintritts des Hydraulikfluids über den Versorgungsanschluss liegt. Dadurch kann der zweite Druckraum gegen den Versorgungsanschluss über den Stufenkolben gesperrt werden und über ein geringfügiges Verschieben des Stufenkolbens in Ventillängsrichtung gezielt steuerbar mit Hydraulikfluid beaufschlagt werden. Bei Überschreiten der Öffnung des Versorgungsanschlusses mit der Dichtkante können so beide Kolbenflächen plötzlich wirksam werden, so dass der Stufenkolben sehr schnell in die Hochdrucklage des Hydraulikventils durchschalten kann. Tankabflüsse sind dabei geschlossen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Dichtspalt zwischen einer Bohrungsinnenwand eines ersten Gehäuses des ersten Rückschlagventils und einer Führungsmantelfläche des ersten Fortsatzes des Stufenkolbens gebildet sein. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der erste Druckraum zuverlässig von dem zweiten Druckraum getrennt ist und getrennt mit Hydraulikfluid beaufschlagbar ist. Dabei tritt bei üblichem Spiel der beiden Bauteile über den Dichtspalt nur eine geringfügige Leckage des Hydraulikfluids auf, welche bei der vorgesehenen Funktionsweise des Hydraulikventils zulässig ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Niedrigdrucklage der erste Druckraum über den Versorgungsanschluss mit dem Hydraulikfluid beaufschlagbar sein, während der zweite Druckraum zum Tankabfluss offen ist. Die aktiv wirksame Kolbenfläche ist dabei nur die erste Kolbenfläche des Stufenkolbens. Hydraulikfluid kann über den ersten Arbeitsanschluss in beide Richtungen fließen. Der zweite Druckraum ist gegen den Versorgungsanschluss gesperrt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem instabilen Umschlagbereich über die Dichtkante des Stufenkolbens die Verbindung zwischen dem zweiten Druckraum und dem Versorgungsanschluss geöffnet sein, wodurch beide Kolbenflächen mit dem Hydraulikfluid beaufschlagt sind, wobei der Tankabfluss durch den Stufenkolben gesperrt ist. Bei Überschreiten der Öffnung des Versorgungsanschlusses mit der Dichtkante können so beide Kolbenflächen plötzlich wirksam werden, so dass der Stufenkolben sehr schnell in die Hochdrucklage des Hydraulikventils durchschalten kann. Tankabflüsse sind dabei geschlossen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Rückschlagventile jeweils einen über eine Druckfeder gegen einen Ventilsitz vorgespannten Stößel aufweisen, wobei die Druckfedern zwischen einem auf dem Stößel angeordneten Federteller auf einer Seite sowie einer Stößelführung und/oder dem Gehäuse auf der gegenüberliegenden Seite eingespannt sind. Dadurch ist das Rückschlagventil im Ausgangszustand geschlossen, indem der Stößel am Ventilsitz anliegt. Der Stößel wird dabei in den Ventilsitz durch die Druckfeder gepresst, welche sich bei beiden Federn am Federteller, welcher den Stößel auf einer Seite abschließt, und auf der gegenüberliegenden Seite beispielweise beim ersten Rückschlagventil an der Stößelführung und beim zweiten Rückschlagventil am Gehäuse des Rückschlagventils abstützt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Druckfedern die Stößel umfassend angeordnet sein. Dadurch ist ein symmetrischer Kraftangriff durch die Druckfedern auf den Stößel erreichbar, so dass das Risiko, dass ein Stößel im Betrieb bei einer Bewegung in Ventillängsrichtung verkantet, verringert wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Rückschlagventile auf der Ventillängsachse einander gegenüberliegend angeordnet sein. Ein solche Anordnung ist besonders günstig, weil dadurch ein dazwischen liegender Stufenkolben auf einfache Weise beide Rückschlagventile betätigen kann, dadurch, dass der Stufenkolben durch Vorspannung über eine Feder und Beaufschlagung mit Hydraulikfluid in Ventillängsrichtung in beide Richtungen bewegt werden kann und dabei die Rückschlagventile effektiv betätigen kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste Rückschlagventil sich in das Innere des ersten Fortsatzes erstrecken und die Trennwand eine Anlagefläche für den Federteller des Stößels aufweisen. Damit lässt sich eine besonders kompakte Aufbauweise des Hydraulikventils erreichen. Außerdem sind mit dieser Anordnung auch kurze Schaltwege und damit günstige Schaltzeiten des Hydraulikventils realisierbar. Die Anlagefläche für den Federteller begünstigt eine besonders zuverlässige Betätigung des Rückschlagventils.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Trennwand des Stufenkolbens auf ihrer Rückseite eine Anlagefläche für die Feder bilden, wobei sich der Stößel des zweiten Rückschlagventils in das Innere der Feder erstrecken und die Trennwand eine Anlagefläche für den Federteller des Stößels aufweisen. Damit lässt sich die besonders kompakte Aufbauweise des Hydraulikventils weiter verbessern. Außerdem sind mit dieser Anordnung auch kurze Schaltwege und damit günstige Schaltzeiten des Hydraulikventils realisierbar. Die Anlagefläche für den Federteller begünstigt eine besonders zuverlässige Betätigung des Rückschlagventils.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Stößel von dem Stufenkolben in axialer Richtung betätigbar sein, so dass an den Stößeln angeordnete, den Federtellern gegenüberliegende, Stößelköpfe jeweils von ihren Ventilsitzen abhebbar sind. Damit lässt sich die besonders kompakte Aufbauweise des Hydraulikventils weiter verbessern. Auch sind mit dieser Anordnung kurze Schaltwege und damit günstige Schaltzeiten des Hydraulikventils realisierbar. Die Betätigung der Rückschlagventile ist auch von der Kraftführung her sehr günstig, da alle Bewegungen von beteiligten Komponenten in einer Längsrichtung ausgeführt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Stößelköpfe der Rückschlagventile konusförmig ausgebildet sein, wobei die Stößelköpfe über die vorgespannte Druckfeder zur Abdichtung in den runden Ventilsitz anlegbar sind. Eine solche Ausbildung und Anordnung der beteiligten Dichtungskomponenten ist sehr günstig für die Dichtwirkung. Besonders bei einer Ausführung in metallischen Werkstoffen ist so eine zuverlässige und dauerhafte Dichtwirkung gewährleistet.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Niedrigdrucklage der erste Arbeitsanschluss über Kanäle im ersten Gehäuse und das erste Rückschlagventil mit dem Versorgungsanschluss verbindbar sein. Eine Zuführung des Hydraulikfluids zu dem ersten Arbeitsanschluss und damit zu einer Stützkammer des Pleuels, bzw. von dem Arbeitsanschluss zu einer Lagerschale des Pleuels ist in dieser Anordnung besonders kompakt und vorteilhaft darstellbar.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Hochdrucklage der zweite Arbeitsanschluss über das zweite Rückschlagventil und über Kanäle im zweiten Gehäuse mit dem Versorgungsanschluss verbindbar sein. Eine Zuführung des Hydraulikfluids zu dem zweiten Arbeitsanschluss und damit zu einer Stützkammer des Pleuels, bzw. von dem Arbeitsanschluss zu einer Lagerschale des Pleuels ist in dieser Anordnung besonders kompakt und vorteilhaft darstellbar.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Rückschlagventile jeweils als vormontierbare Baugruppe in das Ventilgehäuse eingepresst sein. Dadurch lässt sich die Fertigung des gesamten Hydraulikventils besonders kostengünstig darstellen. Weiter ist durch das Einpressen eine hohe Zuverlässigkeit des Hydraulikventils zu gewährleisten.
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Es wird ferner ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgeschlagen, mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden Exzenter aufweist, mit zwei Kolben, welche jeweils in einer Hydraulikkammer verschiebbar geführt sind und in welchen an dem Exzenterhebel angreifende Exzenterstangen der Exzenter-Verstelleinrichtung gelagert sind, wobei ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung mittels eines Hydraulikventils verstellbar ist. Ein solches Pleuel lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikventil besonders kompakt ausführen. Weiter ist eine kostengünstige Fertigung des Pleuels bei hoher Zuverlässigkeit der Schaltfunktionen gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 ein erfindungsgemäßes Hydraulikventil in isometrischer Darstellung und teilweise geschnitten;
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2 eine Seitenansicht des Hydraulikventils aus 1 mit verschiedenen Schnittebenen;
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3 bis 8 verschiedene Schnitte des Hydraulikventils in der stabilen Niederdrucklage;
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3 einen ersten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie A-A in 2;
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4 einen zweiten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie B-B in 2;
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5 einen dritten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie C-C in 2;
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6 einen vierten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie D-D in 2;
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7 einen fünften Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie E-E in 2;
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8 einen sechsten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Niederdrucklage entlang der Linie F-F in 2;
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9 einen Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 während eines Schaltvorganges in einem Übergangszustand;
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10 bis 15 verschiedene Schnitte des Hydraulikventils in der Hochdrucklage;
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10 einen ersten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie A-A in 2;
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11 einen zweiten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie B-B in 2;
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12 einen dritten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie C-C in 2;
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13 einen vierten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie D-D in 2;
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14 einen fünften Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie E-E in 2;
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15 einen sechsten Längsschnitt durch das Hydraulikventil aus 1 in der Hochdrucklage entlang der Linie F-F in 2;
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16 eine Seitenansicht des Hydraulikventils aus 1; und
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17 einen Querschnitt durch ein Pleuel mit einem Hydraulikventil nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hydraulikventil 1 in perspektiver Darstellung und teilweise geschnitten, das beispielsweise zum Schalten eines Stellkolbens in einem in 17 dargestellten Pleuel 100 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgesehen ist.
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Das Hydraulikventil 1 umfasst ein Ventilgehäuse 2 und weist einen ersten Arbeitsanschluss 3, einen zweiten Arbeitsanschluss 4 sowie einen Versorgungsanschluss P auf, der mit einem hydraulischen Druck eines Hydraulikfluids beaufschlagbar ist. Durch den hydraulischen Druck des Hydraulikfluids ist ein in dem Ventilgehäuse 2 angeordneter beweglicher Stufenkolben 5 gegen die Kraft einer vorgespannten Feder 6 verschiebbar, wobei der Stufenkolben 5 in einem niedrigen Druckbereich infolge der Vorspannung der Feder 6 in einer stabilen Niederdrucklage verbleibt, in welcher der Versorgungsanschluss P mit dem ersten Arbeitsanschluss 3 verbindbar ist, und der Stufenkolben 5 in einem hohen Druckbereich sich in einer stabilen Hockdrucklage befindet, in welcher der zweite Arbeitsanschluss 4 mit dem Versorgungsanschluss P verbindbar ist. Es ist ein instabiler Umschlagbereich zwischen den beiden Druckbereichen vorgesehen, bei dem die Verschiebung des Stufenkolbens 5 von der stabilen Niederdrucklage zur stabilen Hockdrucklage bei einem höheren Druck erfolgt als die Verschiebung von der stabilen Hochdrucklage zur stabilen Niederdrucklage. Hierdurch können die Arbeitsanschlüsse 3 und 4 möglichst lange mit dem Versorgungsanschluss P verbunden sein.
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Dem ersten Arbeitsanschluss 3 ist erfindungsgemäß ein erstes Rückschlagventil 7 und dem zweiten Arbeitsanschluss 4 ein zweites Rückschlagventil 8 zugeordnet, wobei die Rückschlagventile 7, 8 je nach Stellung des Stufenkolbens 5 eine Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses 3 oder des zweiten Arbeitsanschlusses 4 mit dem Versorgungsanschluss P freigeben oder sperren. Die Rückschlagventile 7, 8 sind dabei auf der Ventillängsachse L einander gegenüberliegend angeordnet.
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Die Rückschlagventile 7, 8 sind in das Ventilgehäuse 2 integriert vorgesehen. Hierzu sind diese vorzugsweise jeweils als vormontierbare Baugruppe in das Ventilgehäuse 2 eingepresst.
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Der Stufenkolben 5 ist bereichsweise hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei ein erster hohlzylinderförmiger Fortsatz 46 sich von einer Trennwand 50 in eine Richtung erstreckt und ein zweiter hohlzylinderförmiger Fortsatz 48 sich von der Trennwand 50 in eine bezüglich einer Ventillängsachse L entgegengesetzte Richtung erstreckt. Der erste Fortsatz 46 weist einen kleineren Radius als der zweite Fortsatz 48 auf. Eine erste Kolbenfläche 26 ist durch einen Querschnitt 30 des ersten Fortsatzes 46 gebildet. Eine zweite Kolbenfläche 27 ist bereichsweise von der Trennwand 50 gebildet und umgibt den ersten Fortsatz 46 ringscheibenförmig. Die Feder 6 ist in dem zweiten Fortsatz 48 aufgenommen. Die Kolbenflächen 26, 27 sind quer zu der Ventillängsachse L orientiert angeordnet. Die radial innere erste Kolbenfläche 26 begrenzt einen ersten Druckraum 36, und die radial äußere Kolbenfläche 27 begrenzt einen zweiten Druckraum 37, wobei die beiden Druckräume 36, 37 durch einen Dichtspalt 38 voneinander getrennt sind. Der Dichtspalt 38 ist zwischen einer Bohrungsinnenwand 39 eines ersten Gehäuses 9 des ersten Rückschlagventils 7 und einer Führungsmantelfläche 40 des ersten Fortsatzes 46 des Stufenkolbens 5 gebildet. Der Stufenkolben 5 weist auf einer radialen Außenseite des zweiten Fortsatzes 48 eine Dichtkante 33 auf, über welche die zweite Kolbenfläche 27 über den Versorgungsanschluss P für eine Beaufschlagung mit dem Hydraulikfluid freigebbar ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weisen die beiden Rückschlagventile 7, 8 jeweils ein Gehäuse 9, 10 auf, welches in das Ventilgehäuse 2 beispielsweise eingepresst vorgesehen ist. Weiter weisen die beiden Rückschlagventile 7, 8 jeweils einen, mittels einer Druckfeder 14, 15 gegen einen Ventilsitz vorgespannten Stößel 12, 13 auf. Die Führung des Stößels 12 des ersten Rückschlagventils 7 ist dabei mittels einer Stößelführung 11 vorgesehen, welche in das Gehäuse 9 des ersten Rückschlagventils 7 eingepresst ist. Die Führung des anderen Stößels 13 des zweiten Rückschlagventils 8 erfolgt mit einer als Stößelführung 43 ausgebildeten Bohrung direkt in dem Gehäuse 10 des zweiten Rückschlagventils 8.
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Die Druckfeder 14, 15, welche sich an dem Gehäuse 10 bzw. der Stößelführung 11 abstützt, wird jeweils mittels eines Federtellers 16, 17 vorgespannt, welcher auf dem Stößel 12, 13 beispielsweise durch eine Bördelung gesichert ist. Die Druckfedern 14, 15 sind die Stößel 12, 13 umfassend angeordnet.
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Das erste Rückschlagventil 7 erstreckt sich in das Innere des ersten Fortsatzes 46. Die Trennwand 50 weist eine Anlagefläche 54 für den Federteller 16 des Stößels 12 auf. Die Trennwand 50 des Stufenkolbens 5 bildet auf ihrer Rückseite eine Anlagefläche 56 für die Feder 6, wobei sich der Stößel 13 des zweiten Rückschlagventils 8 in das Innere der Feder 6 erstreckt. Die Trennwand 50 weist dabei eine Anlagefläche 58 für den Federteller 17 des Stößels 13 auf.
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Die Stößel 12, 13 sind von dem Stufenkolben 5 in axialer Richtung betätigbar, so dass an den Stößeln 12, 13 angeordnete, den Federtellern 16, 17 gegenüberliegende, Stößelköpfe 19, 44 jeweils von ihren Ventilsitzen 41, 42 abhebbar sind. Die Stößelköpfe 19, 44 der Rückschlagventile 7, 8 sind konusförmig ausgebildet und sind über die vorgespannte Druckfeder 14, 15 zur Abdichtung in den runden Ventilsitz 41, 42 anlegbar.
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Die Funktion des Hydraulikventils 1 mit den Rückschlagventilen 7, 8 wird nachfolgend erläutert.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Hydraulikventils 1 mit verschiedenen Schnittebenen. Den weiteren 3 bis 15 sind diese Schnitte des Hydraulikventils 1 in verschiedenen Schaltstellungen zu entnehmen.
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3 bis 8 zeigen Schnitte des Hydraulikventils 1 in der stabilen Niederdrucklage, in welcher der erste Arbeitsanschluss 3 mit dem Versorgungsanschluss P verbunden ist. Wie ersichtlich ist, wird der Stufenkolben 5 durch die Federkraft der Feder 6 in der in der Zeichnung rechten Position gehalten, so dass der Stufenkolben 5 den Stößel 12 des ersten Rückschlagventils 7 gegen die Kraft der Druckfeder 14 betätigt und der Stößelkopf 19 von seinem Ventilsitz 41 an der Stößelführung 11 abhebt. Dadurch wird der erste Arbeitsanschluss 3 über in 5 ersichtliche Kanäle 20, 21 im Gehäuse 9 und der Stößelführung 11, das Rückschlagventil 7 sowie über in 4 gezeigte Kanäle 22, 23 im Gehäuse 9 und der Stößelführung 11 mit dem Versorgungsanschluss P verbunden, welcher, wie aus 4 und insbesondere aus 16 ersichtlich ist, aus einer umlaufenden Nut 24 sowie mehreren Querbohrungen im Ventilgehäuse 2 besteht.
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In der Niedrigdrucklage S1 ist dabei das erste Rückschlagventil 7 so angeordnet, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss P zu dem ersten Arbeitsanschluss 3 freigegeben ist. Das zweite Rückschlagventil 8 ist dabei so angeordnet, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss P zu dem zweiten Arbeitsanschluss 4 gesperrt ist. In der Niedrigdrucklage S1 ist so der erste Druckraum 36 über den Versorgungsanschluss P mit dem Hydraulikfluid beaufschlagbar, während der zweite Druckraum 37 zum Tankabfluss T offen ist.
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In dieser Niederdrucklage S1 kann die sogenannte Gaskraft-Seite (GKS) Hydraulikfluid über den zweiten Arbeitsanschluss 4 und einen Kanal 25 aus einer Lagerschale des Pleuels 100 nachsaugen. Die Verbindung des zweiten Arbeitsanschluss 4 zum Versorgungsanschluss P ist durch das geschlossene Rückschlagventil 8 jedoch gesperrt.
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Die sogenannte Massenkraft-Seite (MKS) ist über den ersten Arbeitsanschluss 3 wie oben beschrieben mit dem Versorgungsanschluss P verbunden und Hydraulikfluid kann gedrosselt nachgesaugt werden, aber auch in die Lagerschale zurückfließen.
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Eine große zweite Kolbenfläche 27 des Stufenkolbens 5 ist ferner über die Kanäle 28, 29 des Gehäuses 9 gegen einen Tank T entlastet und lässt Leckagefluid abfließen, wie ferner aus 3 ersichtlich ist. Die aktiv wirkende Fläche erste Kolbenfläche 26 ist der in 4 gezeigte kleine Durchmesser 30 des Stufenkolbens 5.
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Aus den 7 und 8 sind des Weiteren eingepresste Spannstifte 31, 32 zu entnehmen, welche mittels Formschluss die Positionierung der Rückschlagventile 7, 8 sichern.
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9 zeigt das Hydraulikventil 1 während eines Schaltvorganges in einem Übergangszustand. Es ist ersichtlich, dass, sobald eine Dichtkante 33 des Stufenkolbens 5 in den Bereich der Querbohrung des Versorgungsanschlusses P gelangt, die große zweite Kolbenfläche 27 zusätzlich zu der ersten Kolbenfläche 26 mit dem kleinen Durchmesser 30 wirksam ist. Die Tankentlastung-Kanäle 28, 29 sind durch den Stufenkolben 5 verschlossen. Hierdurch schnellt der Stufenkolben 5 in die zweite Schaltposition, der Hochdrucklage S2, die in den 10 bis 15 dargestellt ist.
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In der Hochdrucklage S2 ist das erste Rückschlagventil 7 so angeordnet, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss P zu dem ersten Arbeitsanschluss 3 gesperrt ist. Das zweite Rückschlagventil 8 ist dabei so angeordnet, dass eine Verbindung von dem Versorgungsanschluss P zu dem zweiten Arbeitsanschluss 4 freigegeben ist.
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Es ist erkennbar, dass in dieser Hochdrucklage S2 der zweite Arbeitsanschluss 4 über das durch den Stufenkolben 5 geöffnete Rückschlagventil 8 über die Kanäle 25 und 34 im Gehäuse 10 mit dem Versorgungsanschluss P verbunden ist. Der Hydraulikfluss wird dabei über eine definierte Drossel bzw. Blende 35 begrenzt, so dass das Hydraulikfluid gedrosselt aus der GKS-Kammer zurück zum Versorgungsanschluss P fließt. Dagegen kann über das geschlossene erste Rückschlagventil 7 Hydraulikfluid in Richtung des ersten Arbeitsanschlusses 3 gedrosselt nachgesaugt werden, jedoch nicht abfließen. In dieser Stellung sind beide Durchmesser bzw. Kolbenflächen 27, 30 wirksam.
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Bisher im Pleuel angeordnete Rückschlagventile können durch das erfindungsgemäße Hydraulikventil 1 entfallen und es ist lediglich eine Versorgungsanschluss P-Bohrung aus der Lagerschale für das Hydraulikventil 1 notwendig, wobei die Verstellgeschwindigkeit des Pleuels 100 durch die Drosselquerschnitte begrenzt ist.
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Ebenso kann eine Leckage aus den Kammern ausgeschlossen werden, da die Rückschlagventile 7, 8 eine metallische Abdichtung ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Hydraulikventil 1 ermöglicht ferner ein größeres Spiel zwischen dem Stufenkolben 5 und dem Ventilgehäuse 2 vorzusehen, so dass das Hydraulikventil 1 in das Pleuel eingepresst werden kann und Verformungen des Ventilgehäuses 2 nicht zu einem Kolbenklemmen führen. Ventildichtungen können daher entfallen.
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Das Hydraulikventil 1 und damit auch das Pleuel können damit kostengünstiger ausgestaltet werden.
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16 zeigt eine Seitenansicht des Hydraulikventils 1, bei dem insbesondere die Nut 24 des Versorgungsanschlusses P, welcher über Bohrungen ins Innere des Hydraulikventils 1 geführt ist, dargestellt sind.
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In 17 ist ein Querschnitt durch ein Pleuel 100 mit einem Hydraulikventil 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Pleuel 100 weist das Hydraulikventil 1 mit Kanälen zur Versorgung des Hydraulikventils 1 mit Hydraulikfluid auf und ist dabei insbesondere zum Schalten eines Stellkolbens 131, 132 in dem Pleuel 100 für eine variable Verdichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Pleuel 100 weist eine Exzenter-Verstelleinrichtung 101 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge auf, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung 101 einen mit dem Exzenterhebel 125, welcher aufweist, zusammenwirkenden Exzenter 103 umfasst. Weiter umfasst die Exzenter-Verstelleinrichtung 101 zwei Kolben 131, 132, welche jeweils in einer Hydraulikkammer 104, 106 verschiebbar geführt sind und in welchen an zwei entgegengesetzten Armen 127, 128 des Exzenterhebels 125 angreifende Exzenterstangen 129, 130 der Exzenter-Verstelleinrichtung 101 gelagert sind. Dabei ist ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 101 mittels eines Hydraulikventils 1 verstellbar. Das Hydraulikventil 1 ist über die Arbeitsanschlüsse 3, 4 mit den Hydraulikkammern 104, 106 verbunden, welche die GKS-Kammer, bzw. die MKS-Kammer darstellen, in denen zwei Kolben 131, 132 zur Verstellung des Exzenters 103 betrieben werden. Über den Versorgungsanschluss P ist das Hydraulikventil 1 mit der Lagerschale 110 des Pleuels 100 verbunden, welche ihrerseits über eine Förderpumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird. Der Tankabfluss aus dem Hydraulikventil 1 zur Verbindung mit dem Tank T ist in der in 17 dargestellten Abbildung nicht eingezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107127 A1 [0003]