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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse mit einer inneren Mantelfläche, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben, wobei an dem Ventilgehäuse zwei Arbeitsanschlüsse A, B, ein erster Versorgungsanschluss P und ein zweiter Versorgungsanschluss T ausgebildet sind, wobei über den ersten Versorgungsanschluss P dem Steuerventil Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt und über den anderen Versorgungsanschluss T Druckmittel aus dem Steuerventil in einen Tank abgeführt werden kann.
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In Brennkraftmaschinen werden zur Betätigung der Gaswechselventile Nockenwellen eingesetzt. Nockenwellen sind in der Brennkraftmaschine derart angebracht, dass auf ihnen angebrachte Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebeln, anliegen. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgern ab, die wiederum die Gaswechselventile betätigen. Durch die Lage und die Form der Nocken sind somit sowohl die Öffnungsdauer als auch die Öffnungsamplitude aber auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile festgelegt.
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Moderne Motorkonzepte gehen dahin, den Ventiltrieb variabel auszulegen. Einerseits sollen Ventilhub und Ventilöffnungsdauer variabel gestaltbar sein, bis hin zur kompletten Abschaltung einzelner Zylinder. Dafür sind Konzepte wie schaltbare Nockenfolger oder elektrohydraulische oder elektrische Ventilbetätigungen vorgesehen. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Einfluss auf die Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile nehmen zu können. Dabei ist es insbesondere wünschenswert auf die Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Einlass- bzw. Auslassventile getrennt Einfluss nehmen zu können, um beispielsweise gezielt eine definierte Ventilüberschneidung einzustellen. Durch die Einstellung der Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Gaswechselventile in Abhängigkeit vom aktuellen Kennfeldbereich des Motors, beispielsweise von der aktuellen Drehzahl bzw. der aktuellen Last, können der spezifische Treibstoffverbrauch gesenkt, das Abgasverhalten positiv beeinflusst, der Motorwirkungsgrad, das Maximaldrehmoment und die Maximalleistung erhöht werden.
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Die beschriebene Variabilität der Gaswechselventilsteuerzeiten wird durch eine relative Änderung der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle erreicht. Dabei steht die Nockenwelle meist über einen Ketten-, Riemen-, Zahnradtrieb oder gleichwirkende Antriebskonzepte in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle. Zwischen dem von der Kurbelwelle angetriebenen Ketten-, Riemen- oder Zahnradtrieb und der Nockenwelle ist eine Vorrichtung zur Änderung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine, im folgenden auch Nockenwellenversteller genannt, angebracht, die das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle überträgt. Dabei ist diese Vorrichtung derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Phasenlage zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle sicher gehalten und, wenn gewünscht, die Nockenwelle in einem gewissen Winkelbereich gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden kann.
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In Brennkraftmaschinen mit je einer Nockenwelle für die Einlass- und die Auslassventile können diese mit je einem Nockenwellenversteller ausgerüstet werden. Dadurch können die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlass- und Auslassgaswechselventile zeitlich relativ zueinander verschoben und die Ventilüberschneidungen gezielt eingestellt werden.
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Der Sitz moderner Nockenwellenversteller befindet sich meist am antriebsseitigen Ende der Nockenwelle. Der Nockenwellenversteller kann aber auch auf einer Zwischenwelle, einem nicht rotierenden Bauteil oder der Kurbelwelle angeordnet sein. Er besteht aus einem von den Kurbelwellen angetriebenen, eine feste Phasenbeziehung zu dieser haltenden Antriebsrad, einem in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle stehenden Abtriebsteil und einem das Drehmoment vom Antriebsrad auf das Abtriebsteil übertragenden Verstellmechanismus. Das Antriebsrad kann im Fall eines nicht an der Kurbelwelle angeordneten Nockenwellenverstellers als Ketten-, Riemen- oder Zahnrad ausgeführt sein und wird mittels eines Ketten-, eines Riemen- oder eines Zahnradtriebs von der Kurbelwelle angetrieben. Der Verstellmechanismus kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden.
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Zwei bevorzugte Ausführungsformen hydraulisch verstellbarer Nockenwellenverstellern stellen die so genannten Axialkolbenversteller und Rotationskolbenversteller dar.
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Bei den Axialkolbenverstellern steht das Antriebsrad mit einem Kolben und dieser mit dem Abtriebsteil jeweils über Schrägverzahnungen in Verbindung. Der Kolben trennt einen durch das Abtriebsteil und das Antriebsrad gebildeten Hohlraum in zwei axial zueinander angeordnete Druckkammern. Wird die eine Druckkammer mit Druckmittel beaufschlagt, während die andere Druckkammer mit einem Tank verbunden wird, so verschiebt sich der Kolben in axialer Richtung. Die axiale Verschiebung des Kolbens wird durch die Schrägverzahnungen in eine relative Verdrehung des Antriebsrades zum Abtriebsteil und damit der Nockenwelle zur kurbelwelle übersetzt.
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Eine zweite Ausführungsform hydraulischer Nockenwellenversteller sind die so genannten Rotationskolbenverstelter. In diesen ist das Antriebsrad drehfest mit einem Stator verbunden. Der Stator und ein Rotor bzw. Abtriebselement sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Rotor kraft-, form- oder stoffschlüssig, beispielsweise mittels eines Presssitzes, einer Schraub- oder Schweißverbindung mit einer Nockenwelle, einer Verlängerung der Nockenwelle oder einer Zwischenwelle verbunden ist. Im Stator sind mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete Hohlräume ausgebildet, die sich ausgehend vom Rotor radial nach außen erstrecken. Die Hohlräume sind in axialer Richtung durch Seitendeckel druckdicht begrenzt. In jeden dieser Hohlräume erstreckt sich ein mit dem Rotor verbundener Flügel, der jeden Hohlraum in zwei Druckkammern teilt. Durch gezieltes Verbinden der einzelnen Druckkammern mit einer Druckmittelpumpe bzw. mit einem Tank kann die Phase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle eingestellt bzw. gehalten werden.
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Zur Steuerung des Nockenwellenverstellers erfassen Sensoren die Kenndaten des Motors wie beispielsweise den Lastzustand und die Drehzahl. Diese Daten werden einer elektronischen Kontrolleinheit zugeführt, die nach Vergleich der Daten mit einem Kenndatenfeld der Brennkraftmaschine den Zu- und den Abfluss von Druckmittel zu den verschiedenen Druckkammern steuert.
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Um die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu verstellen wird in hydraulischen Nockenwellenverstellern eine der zwei gegeneinander wirkenden Druckkammern eines Hohlraums mit einer Druckmittelpumpe und die andere mit dem Tank verbunden. Der Zulauf von Druckmittel zur einen Kammer in Verbindung mit dem Ablauf von Druckmittel von der anderen Kammer verschiebt den die Druckkammern trennenden Kolben in axiale Richtung, wodurch in Axialkolbenverstellern über die Schrägverzahnungen die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verdreht wird. In Rotationskolbenverstellern wird durch die Druckbeaufschlagung der einen Kammer und die Druckentlastung der anderen Kammer eine Verschiebung des Flügels und damit direkt eine Verdrehung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirkt. Um die Phasenlage zu halten werden beide Druckkammern entweder mit der Druckmittelpumpe verbunden oder sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Tank getrennt.
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Die Steuerung der Druckmittelströme zu bzw. von den Druckkammern erfolgt mittels Steuerventilen, meist mittels eines 4/3-Wegeproportionalventils. Dieses weist ein Ventilgehäuse auf, welches mit je einem Anschluss für die Druckkammern (Arbeitsanschluss) und zumindest zwei Versorgungsanschlüsse versehen ist. Zumindest einer der Versorgungsanschlüsse dient als Zulaufanschluss, über den dem Steuerventil Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt wird. Des Weiteren dient ein weiterer Versorgungsanschluss als Ablaufanschluss, über den das die Druckkammern verlassendes Druckmittel geführt wird. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ablaufanschluss mit einem Tank kommuniziert.
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Innerhalb des im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben angeordnet. Der Steuerkolben kann mittels eines elektromagnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Stellgliedes, entgegen der Federkraft eines Federelements axial in jede Position zwischen zwei definierte Endstellungen gebracht werden. Der Steuerkolben ist weiterhin mit Steuerkanten versehen, wodurch die Arbeitsanschlüsse mit den Versorgungsanschlüssen und somit die einzelnen Druckkammern oder Gruppen von Druckkammern wahlweise mit der Druckmittelpumpe oder dem Tank verbunden werden können. Ebenso kann eine Stellung des Steuerkolbens vorgesehen sein, in der die Druckmittelkammern sowohl von der Druckmittelpumpe als auch vom Druckmitteltank getrennt sind.
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Ein derartiges Steuerventil ist aus der
US 6,363,896 B1 bekannt. Dieses besteht aus einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben. An dem Ventilgehäuse sind zwei Arbeitsanschlüsse, ein Zulaufanschluss und ein Ablaufanschluss ausgebildet. Die zwei Arbeitsanschlüsse und der Zulaufanschluss sind als axial zueinander beabstandete Öffnungen in der zylindrischen Mantelfläche des Ventilgehäuses ausgebildet. Dabei liegt der Zulaufanschluss in axialer Richtung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen. Des Weiteren ist ein axialer Ablaufanschluss vorgesehen, über welchen Druckmittel aus dem Steuerventil abgeführt werden kann.
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Innerhalb des Ventilgehäuses ist ein Steuerkolben vorgesehen, der mittels einer elektromagnetischen Stelleinheit in axialer Richtung relativ zum Ventilgehäuse verschoben werden kann. An der Außenmantelfläche des Steuerkolbens ist eine Ringnut ausgebildet, über welche abhängig von der Position des Steuerkolbens zum Ventilgehäuse selektiv entweder der erste oder der zweite Arbeitsanschluss mit dem Zulaufanschluss verbunden werden kann. Der Ablaufanschluss kann abhängig von der relativen Stellung des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses entweder direkt mit dem einen Arbeitsanschluss oder mittels eines innerhalb des Steuerkolbens ausgebildeten Druckmittelkanals mit dem anderen Arbeitsanschluss verbunden werden. Weiterhin ist eine Versorgungsleitung vorgesehen, über die der Zulaufanschluss mit einer Druckmittelpumpe kommuniziert, die dem Steuerventil kontinuierlich Druckmittel zuführt.
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In derartigen Ölsteuerventilen (OCV) von hydraulisch verstellbaren Nockensteuerungssystemen (H-VCT) werden häufig umspritzte Hülsen verwendet. Ihre Funktionen sind die Führung des Ölstroms und die Abdichtung. In der Regel sind sie zwischen einem Stahlgehäuse und einer Stahlhülse angeordnet, die als Führung für einen axial beweglichen Steuerkolben dient. Um die Dichtungseigenschaften bei großen Toleranzen des Spalts zwischen OCV-Gehäuse und umspritzter Hülse zu verbessern, sind häufig geometrische Dichtlippen Teil der Umspritzung.
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Die Umspritzung der Hülsen wird häufig aus einem thermoplastischem Polymer (PA66-GF25) hergestellt. Bei der Anwendung im Verbrennungsmotor treten aufgrund von Temperaturänderungen und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Stahlgehäuse / Stahlhülse / Kunststoffumspritzung) große mechanische Spannungen in der thermoplastischen Umspritzung auf. Diese mechanischen Spannungen in der thermoplastischen Umspritzung in Verbindung mit hohen Temperaturen führen zu einer dauerhaften plastischen Verformung der Umspritzung.
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Das technische Problem, das sich aus diesem Verhalten ergibt, ist die plastische Verformung der Dichtlippen in der thermoplastischen Umspritzung während der Temperaturzyklen, was zu einem Verlust der Öldichtungsfähigkeit führt. Dies führt zu einer verminderten H-VCT-Leistung durch Schwingungen der Ventilsteuerzeiten, hohen Ölverbrauch und geringe Schaltgeschwindigkeiten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu reduzieren oder vollständig zu beseitigen und ein verbessertes Steuerventil bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerventil für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse mit einer inneren Mantelfläche, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben, wobei an dem Ventilgehäuse zwei Arbeitsanschlüsse A, B, ein erster Versorgungsanschluss P und ein zweiter Versorgungsanschluss T ausgebildet sind, wobei über den ersten Versorgungsanschluss P dem Steuerventil Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt und über den anderen Versorgungsanschluss T Druckmittel aus dem Steuerventil in einen Tank abgeführt werden kann, wobei der Steuerkolben gegenüber dem Ventilgehäuse an einer in dem Ventilgehäuse eingesetzten hohlzylindrischen Hülse geführt ist, wobei die Hülse zumindest abschnittsweise derart von einem duroplastischen Kunststoff umspritzt ist, dass der duroplastische Kunststoff an der inneren Mantelfläche des Ventilgehäuses anliegt.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das thermoplastische Material der Umspritzung der Hülse durch ein wärmehärtendes Polymer (Duroplast) zu ersetzen. Bei diesen Materialien sind die Polymerketten über starke chemische Bindungen miteinander vernetzt, wodurch diese Materialien keine dauerhafte plastische Verformung aufweisen können. Daher kann bei der Verwendung dieser Werkstoffe der Verlust der Dichtungsfähigkeit durch plastische Verformung der Umspritzung und seiner Dichtlippen ausgeschlossen werden. Bei entsprechender geometrischer Dimensionierung der Dichtlippen ist ein Ausgleich unterschiedlicher Spaltgrößen zwischen dem Ventilgehäuse und umspritzter Hülse aufgrund reversibler elastischer Verformungen möglich. Dies ermöglicht eine Ölabdichtung über einen weiten Temperatur- und/oder Geometrietoleranzbereich. Die Großserienfertigung im Spritzgussverfahren ist mit duroplastischen Polymeren weiterhin möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hülse aus einem metallischen Material geformt ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Ventilgehäuse aus einem metallischen Material geformt ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der duroplastische Kunststoff hydraulisch dichtend an der inneren Mantelfläche des Ventilgehäuses anliegt. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der duroplastische Kunststoff eine Mehrzahl von Dichtlippen aufweist, die an der inneren Mantelfläche des Ventilgehäuses anliegen. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Dichtlippen elastisch verformbar sind.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Hülse eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist, wobei die erste Öffnung mit dem ersten Arbeitsanschluss A und die zweite Öffnung mit dem zweiten Arbeitsanschluss B verbunden ist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Hülse und der duroplastische Kunststoff in einem Kunststoffspritzverfahren zu einem Bauteil geformt wurde.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die äußere Mantelfläche der Hülse im Wesentlichen vollständig von dem duroplastischen Kunststoff überdeckt ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Steuerventil in einer perspektivischen Axialschnittansicht,
- 2 drei verschiedene Betriebszustände des Steuerventils in jeweils einer Detailansicht einer Axialschnittdarstellung.
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Die 1 zeigt ein Steuerventil 20 für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuse 22 mit einer inneren Mantelfläche 21, und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben 30.
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An dem Ventilgehäuse 22 sind zwei Arbeitsanschlüsse A, B, ein erster Versorgungsanschluss P und ein zweiter Versorgungsanschluss T ausgebildet, wobei über den ersten Versorgungsanschluss P dem Steuerventil 20 Druckmittel von einer Druckmittelpumpe zugeführt und über den anderen Versorgungsanschluss T Druckmittel aus dem Steuerventil 20 in einen Tank abgeführt werden kann.
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Der Steuerkolben 30 ist gegenüber dem Ventilgehäuse 22 an einer in dem Ventilgehäuse 22 eingesetzten hohlzylindrischen Hülse 23 geführt, wobei die Hülse 23 derart von einem duroplastischen Kunststoff 24 umspritzt ist, dass der duroplastische Kunststoff 24 an der inneren Mantelfläche 21 des Ventilgehäuses 22 anliegt.
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Die Hülse 23 und das Ventilgehäuse 22 sind aus einem metallischen Material geformt. Der duroplastische Kunststoff 24 liegt hydraulisch dichtend an der inneren Mantelfläche 21 des Ventilgehäuses 22 an. Die Hülse 23 weist eine erste Öffnung 26 und eine zweite Öffnung 27 auf, wobei die erste Öffnung 26 mit dem ersten Arbeitsanschluss A und die zweite Öffnung 27 mit dem zweiten Arbeitsanschluss B verbunden ist. Die äußere Mantelfläche der Hülse 23 ist dabei im Wesentlichen vollständig von dem duroplastischen Kunststoff 24 überdeckt. Die Hülse 23 und der duroplastische Kunststoff 24 wurden in einem Kunststoffspritzverfahren zu einem Bauteil geformt, was axial in das Ventilgehäuse 22 einsetzbar ist.
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Die 2 zeigt, dass der duroplastische Kunststoff 24 eine Mehrzahl von Dichtlippen 25 aufweist, die an der inneren Mantelfläche 21 des Ventilgehäuses 22 anliegen. Die Dichtlippen 25 sind elastisch verformbar.
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Man erkennt anhand der unterschiedlichen Betriebszustände, die in der 3 dargestellt sind, wie die elastische Verformung der Dichtlippen 25 die thermisch bedingten Größenschwankungen zwischen den gezeigten Bauteilen ausgleichen können und so die Dichtwirkung zwischen dem duroplastischen Kunststoff 24 und dem Ventilgehäuse 22 beibehalten wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Steuerventil
- 21
- Mantelfläche
- 22
- Ventilgehäuse
- 23
- Hülse
- 24
- duroplastischer Kunststoff
- 25
- Dichtlippen
- 26
- Öffnung
- 27
- Öffnung
- 30
- Steuerkolben
- A, B
- Arbeitsanschlüsse
- P
- Versorgungsanschluss
- T
- Versorgungsanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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