DE4116196A1 - Nockenwelle-verstellvorrichtung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents
Nockenwelle-verstellvorrichtung fuer verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für
Nockenwellen von Verbrennungsmotoren, insbesondere 4-Takt-
Verbrennungsmotoren, der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Art.
Bei einer aus der EP-A-01 63 046 bekannten Verstellvor
richtung sind zwei auf einem Durchmesser eines mit der
Nockenwelle verbundenen Teils angeordnete hydraulische
Stellmotoren vorgesehen, mit je einem Stellkolben, der
über eine Rolle auf eine Rampe wirkt, die auf einem das
mit der Nockenwelle verbundene Teil radial umgreifenden
Antriebszahnrad angeordnet sind. Beide Stellmotoren werden
separat mit Druck beaufschlagt und die Druckeinwirkung
wird durch separate Ventile geregelt. Die Stellmotore
werden dabei durch eine Ventilanordnung so angesteuert,
daß der nach außen bewegte Kolben des einen Stellmotors
mit Druck beaufschlagt wird und der Arbeitsraum des
anderen, gegenüberliegenden Stellmotors entlastet ist, so
daß der Kolben dieses Stellmotors der Rampe folgend aus
weichen kann. Bei ungleichem Druck in den Stellmotoren
verschiebt sich der Stellkolben und die Rolle wirkt sowohl
auf die Rampe des Antriebsrades als auch auf die Welle.
Diese Winkelverstellung kann in beiden Richtungen erfol
gen. Die in einem Verbrennungsmotor vorhandene Öldruck
quelle kann zwar hierbei zur Verstellung der Nockenwelle
als Druckquelle eingesetzt werden, sie arbeitet aber nur
mit relativ niedrigem Druck und dadurch auch träge. Zudem
ist der zusätzliche Druckmittelbedarf erheblich, wodurch
der Einsatz einer größeren Öldruckquelle erforderlich ist.
Eine getrennte Hochdruckpumpe andererseits erfordert auch
wiederum einen höheren Aufwand und Energieverbrauch.
Darüberhinaus ist die bekannte Vorrichtung auch deswegen
aufwendig, weil zur Ansteuerung der beiden Stellmotore
zwei getrennte Magnetventile oder ein Dreistellungs-Ventil
zum Einsatz gebracht werden müssen. Weiterhin ist die sich
durch die vorgeschlagene Konstruktion ergebende starre
Kopplung zwischen Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad
in verschiedenen Anwendungsfällen nachteilig.
Desweiteren sind Lösungen für das Verstellen der Nocken
welle eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen schräg
verzahnte Zwischenelemente die Verbindung zwischen Nocken
welle und Nockenwellenantriebsrad herstellen. Vorschläge
dieser Art sind jedoch sehr kostenintensiv, da die Nocken
welle an ihrem in den Nockenwellenversteller hineinragen
den Endabschnitt ein geradverzahntes Ritzel benötigt, das
Nockenwellenantriebsrad an seiner Innenseite eine Schräg
verzahnung tragen und das beide Teile verbindende Zwi
schenelement außen eine Schräg- und innen eine Geradver
zahnung aufweisen. Der geforderte Winkelversatz zwischen
Nockenwelle und ihrem Antriebsrad wird durch eine axiale
Verschiebung des Zwischenelements erreicht. Für eine si
chere Funktionsweise der Verstellvorrichtung müssen die
Einzelteile mit hoher Präzision hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
anzugeben, welche bei minimalen Druckmittelbedarf und ge
ringem Aufwand eine zügige relative Verdrehung der Nocken
welle in Bezug auf das Nockenwellenantriebsrad über einen
weiten Drehzahlbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch das
bewußte Zulassen einer definierten Drehvibration der
Einlaß-Nockenwelle (je nach Hauptdrehrichtung des Motors)
nach vorwärts, d. h. in Richtung "früh" oder nach rück
wärts, d. h. in Richtung "spät" die bisher bekannte starre
Kupplung zwischen Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad
durch eine begrenzt nachgiebige Kopplung ersetzt werden
kann, um auf diese Weise eine Antriebsquelle für die
Nockenwellenverstellung zu erschließen. Bei herkömmlichen
Motoren ist an sich eine ganz geringe Vibration zwischen
Kurbelwelle und Nockenwelle vorhanden, die vor allem auf
die bekannte Drehmomentenschwankung des Nockenwellen-
Ventilbetriebes zurückzuführen ist. Diese Tatsache ist auf
vorteilhafte Weise für eine Drehwinkelverstellung zwischen
Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad nutzbar und be
wirkt, zumindest im Teillastbereich, einen positiven Ein
fluß auf die Gemischaufbereitung.
Bevorzugt besteht die Nockenwellen-Verstellvorrichtung aus
einem zylindrischen Gehäuse, an dessen Außenseite das
Nockenwellenantriebsrad befestigt ist. An der einen Stirn
seite des Gehäuses ist ein Magnetventil mittig und ver
drehsicher angeordnet, an der anderen Gehäusestirnseite
ist ein Endabschnitt der Nockenwelle ebenfalls mittig ein
geführt. Das Nockenwellenende ist innerhalb des Gehäuses
an zwei Stellen drehbar gelagert. Bezüglich des Nockenwel
lenendes ist das Gehäuse durch eine am Gehäuse verschraub
te Scheibe axial abgefangen. In dem Bereich zwischen den
beiden Lagerstellen innerhalb des Gehäuses trägt die
Nockenwelle erfindungsgemäß, axial versetzt, ein Nocken
paar und eine Einzelnocke. Bei einer bevorzugten Form der
Erfindung befindet sich die Einzelnocke neben der am wei
testen innenliegende Lagerstelle der Nockenwelle. Die drei
Nocken haben grundsätzlich ähnliche Formen und weisen be
vorzugt jeweils einen von der Nockenwelle ausgehenden ge
radlinigen und einen bogenförmig konvexen Bereich auf, die
sich am Nockenende treffen.
Die einzelnen Nocken des Nockenpaares sind im wesentlichen
gleich groß, jedoch im Verhältnis zu dem Einzelnocken in
Höhe und Breite kleiner, und diametral gegenüberliegend
auf der Nockenwelle angeordnet. Im Gehäuse der Nocken
wellen-Verstellvorrichtung sind, an der Gehäuseinnenwan
dung befestigt, weiterhin drei hydraulische Stellmotore
vorgesehen, die mit den vorgenannten drei Nocken in Wirk
eingriff stehen. Die Stellmotore sind grundsätzlich
gleichartig aufgebaut und weisen jeweils einen Kolben, ei
ne Druckfeder und einen Kolbenraum auf, der mit Motorenöl
als Hydraulikmedium gefüllt ist. Die dem Nockenpaar zuge
ordneten zwei hydraulischen Stellmotore liegen sich, ent
sprechend der einzelnen Nocken, ebenfalls diametral ge
genüber.
Der mit dem Einzelnocken in Wirkeingriff stehende dritte
Stellmotor ist zwischen den beiden vorgenannten Stellmoto
ren um 90° und entsprechend auch axial versetzt an der Ge
häuseinnenwand befestigt. Im Grundzustand werden die Kol
ben der Stellmotore durch die entsprechenden Federn auf
die jeweiligen Nocken gedrückt. Dabei befinden sich die
Kolben der sich diametral gegenüberliegenden Stellmotore
mit den Nocken des Nockenpaares am höchsten Punkt der Noc
ken in Wirkungseingriff, wo gerader und bogenförmig konve
xer Nockenabschnitt zusammenstoßen. Der Kolben des der
Einzelnocke zugeordneten dritten hydraulischen Stellmotors
befindet sich am Fußpunkt des bogenförmig konvexen Ab
schnitts der Nocke mit dieser in Wirkeingriff.
Die Nockenwelle kann sich zwischen zwei Anschlägen relativ
zum Gehäuse der Verstellvorrichtung um einen Betrag von
ca. ±30° drehen. Die Begrenzung der Drehbewegung der
Nockenwelle in Richtung "spät" ist durch einen Hebel er
reichbar, der an axial gleicher Stelle wie die Einzelnocke
an der Nockenwelle, jedoch etwa diametral gegenüber dem
zur Einzelnocke gehörigen Stellmotor, befestigt ist. Die
ser Hebel drückt bei Stellung "spät" der Nockenwelle auf
eine im Gehäuse angeordnete Feder, die eine erforderliche
Nockenwellenbewegung in Richtung "früh" unterstützt.
Erfindungsgemäß ist der Kolbenraum der einzelnen Stellmo
tore über ein Rückschlagventil, das ein Abströmen des Hy
draulikmediums aus dem Kolbenraum verhindert, mit der Pum
pe des Schmieröl-Kreislaufes des Verbrennungsmotors direkt
durch eine Hydraulikleitung verbunden. Gleichzeitig ist
bei dem ersten und zweiten Stellmotor, die mit den Nocken
des Nockenpaares in Wirkungseingriff stehen, eine weitere
Hydraulikleitung vorhanden, die, parallel zum vorgenannten
Rückschlagventil angeordnet, über eine Blende zur Pumpe
des Schmieröl-Kreislaufs führt und durch das Magnetventil
der Nockenwellen-Verstellvorrichtung schaltbar ausgeführt
ist. Dabei ist die Hydraulikleitung im stromlosen Zustand
des Magnetventils geöffnet. Das bedeutet, daß in diesem
Schaltzustand des Magnetventils Hydraulikmedium aus dem
entsprechenden Stellmotor abströmen könnte. Ebenso wie die
Kolbenräume der mit dem Nockenpaar zusammenwirkenden
Stellmotore besitzt auch der Kolbenraum des dritten Stell
motors, der mit der Einzelnocke in Wirkungsverbindung
steht, eine Abströmleitung, die parallel zum Rückschlagventil
der Versorgungsleitung von der Pumpe geschaltet
ist. Diese Leitung ist jedoch nicht durch das Magnetventil
der Nockenwellenverstellvorrichtung schaltbar, sondern ent
hält die Parallelschaltung eines Rückschlagventils und
einer Strömungsdrossel. In Abhängigkeit von der Dimensio
nierung der beiden Elemente ist ein definiertes Abströmen
des Hydraulikmediums aus dem Kolbenraum zurück zur
Schmiermittelpumpe möglich. Die Abströmmöglichkeit ver
leiht dem Kolben des der Einzelnocke zugeordneten dritten
Stellmotors federnde bzw. bewegungsdämpfende Eigenschaften
bei Druckbelastung des Kolbens von außen.
Das ermöglicht, daß bei Betrieb des Verbrennungsmotors
jedesmal, wenn an der Nockenwelle eine zusätzliche
Drehmomentenschwankung in Richtung "früh" erfolgt,
ausgehend von der Anschlagstellung der Nockenwelle eine
bestimmte Verdrehung der Nockenwelle in Richtung "früh"
bewirkt wird und dadurch die Einzelnocke den Kolben des
mit ihr in Wirkungseingriff stehenden dritten Stellmotors
in den Kolbenraum schiebt.
Bei einer Drehmomentenschwankung an der Nockenwelle in
Richtung "spät" wird sich die Einzelnocke entsprechend der
erfindungsgemäßen Konstruktion zurück in Richtung des
Anschlages bewegen. Der Kolben des der Einzelnocke zuge
ordneten dritten Stellmotors wird durch die Federkraft der
Feder des Stellmotors und durch den von der Schmiermittel
pumpe erzeugten hydraulischen Druck dieser Bewegung fol
gend aus dem Stellmotor herausgedrückt. Die Nachgiebigkeit
des Kolbens des mit der Einzelnocke in Wirkungseingriff
stehenden dritten Stellmotors in Richtung "früh" ist
entsprechend der zu erwartenden Drehmomentenschwankung an
der Nockenwelle in Abhängigkeit von der Motorendrehzahl
und dem gewünschten Vibrationsausschlag geeignet fest
zulegen. Bei höheren Motordrehzahlen und insbesondere bei
Vollast ist die Einlaßventil-Nockenwelle relativ weit in
Richtung "spät" zu halten. Das erfordert entsprechend kleine
Auslenkungsbewegungen für den Kolben des mit der Ein
zelnocke in Wirkungseingriff stehenden Stellmotors. Für
eine sinnvolle Funktion der gesamten Anordnung muß deshalb
in diesem Betriebszustand die Gegenkraft des Kolbens
größer werden. Dies wird durch entsprechende Auslegung der
Strömungsdrossel in der vom Stellmotor abgehenden Abström
leitung möglich.
Bei der erfindungsgemäßen Nockenwellen-Verstellvorrichtung
löst damit der mit der Einzelnocke in Wirkungseingriff
stehende dritte Stellmotor die Aufgabe, die gewünschte,
begrenzt nachgiebige, Kopplung zwischen Nockenwelle und
Nockenwellenantriebsrad herzustellen und die Nockenwellen
verdrehung gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad unter
Nutzung der zulässigen Drehvibration und vorhandenen Dreh
momentenschwankungen einzuleiten. Die Eigenschaften des
gedämpften und federnden Kolbens des Stellmotors können
dazu auf vorteilhafte Weise genutzt werden.
Der erste und der zweite Stellmotor, die mit den Nocken
des Nockenpaares in Wirkungseingriff stehen, haben die
Aufgabe, einen sich einstellenden Verdrehzustand bis zum
Zeitpunkt der nächsten notwendigen Änderung zu fixieren.
Die relative Nockenwellenverstellung geht dabei so vor
sich, daß die Kolben der dem Nockenpaar zugeordneten
beiden Stellmotore bei Nockenwellenvibration in Richtung
"früh" den einzelnen Nocken folgend aus dem Stellmotor
heraustreten und der erste und zweite Stellmotor dabei
Motorenöl durch ihre Verbindungsleitung zur Schmiermit
telpumpe über das entsprechende Rückschlagventil
nachsaugen bzw. von der Schmiermittelpumpe nachgefördert
bekommen.
Bei einer Momentenschwankung an der Nockenwelle in Rich
tung "spät" wird die Nockenwelle gehindert, einen dies
bezüglichen Winkelweg in Richtung "spät" auszuführen, da
die Rückströmleitungen der beiden Stellmotoren über das
Magnetventil gesperrt sind.
Der relative Winkelweg der Nockenwellenverstellung in
Richtung "früh" verläuft innerhalb des Freiraums für die
Bewegung der Nockenwelle zwischen den beiden vorhandenen
Anschlägen im Gehäuse der erfindungsgemäßen Nockenwellen-
Verstellvorrichtung treppenförmig in Abhängigkeit von der
Zeit. Die Schnelligkeit, mit der die Treppenkurve durch
laufen wird, kann erfindungsgemäß auf vorteilhafte Weise
durch die Wahl der Bemessung der einzelnen Nocken, die me
chanischen Eigenschaften der Elemente der Stellmotore so
wie von der Dimensionierung der Rückströmleitung des der
Einzelnocke zugeordneten Stellmotors beeinflußt werden. In
gewissem Umfang hängt sie auch von der Zähigkeit des
Schmiermittels ab.
Um die erreichte Nockenwellenverdrehung aufgabengemäß va
riieren zu können, ist es erfindungsgemäß auf einfache
Weise nur erforderlich, daß das im Gehäuse der Nocken
wellen-Verstellvorrichtung angeordnete Magnetventil ge
schaltet wird. Dadurch werden die Abströmleitungen des er
sten und zweiten Stellmotors durchgeschaltet und bei der
ersten Nockenwellen-Drehmomentenschwankung in Richtung
"spät" wird die Nockenwelle um einen gewissen Betrag zu
rückgestellt. Bei dieser sogenannten Grobverstellung kann
das Magnetventil zu einem beliebigen Zeitpunkt schalten,
um einen gewissen Verstellbereich zu erreichen. Der dritte
Stellmotor unterstützt diesen Vorgang durch Federwirkung
und Druck der Schmiermittelpumpe. Die Schnelligkeit dieser
Rückwärtsbewegung kann durch die Wahl der Blenden in den
Abströmleitungen und den Strömungswiderstand des Magnet
ventils variiert werden.
Zum Zwecke einer feineren Positionierung oder eines exak
ten Haltens der Nockenwelle auf einer bestimmten Winkelpo
sition ist es erforderlich, das Magnetventil zu einem ganz
bestimmten Zeitpunkt anzusteuern. Durch rechtzeitiges Öff
nen und Schließen des Ventils kann auch eine zu große Ver
stellung wieder rückgängig gemacht werden. Dazu muß jedoch
zu jedem Zeitpunkt die genaue Winkellage der Nockenwelle
bzw. der genaue Zeitpunkt der Drehmomentenschwankung in
Richtung "spät" bekannt sein. Die Feinpositionierung setzt
demzufolge den Einsatz eines schnellen Magnetventils und
einer exakt arbeitenden Ansteuerelektronik voraus.
Die vorab beschriebene Konstruktion und die daraus
resultierenden vorteilhaften Eigenschaften der variablen
Nockenwellen- Verstellvorrichtung beziehen sich auf die
Hauptdrehrichtung des Verbrennungsmotors nach rechts.
Bei einer Hauptdrehrichtung des Verbrennungsmotors nach
links, oder bei rechtsdrehendem Verbrennungsmotor spiegel
bildlich umgeklappter Anordnung, kann die federnde Wirkung
und die Dämpfungseigenschaft des Kolbens des dritten
Stellmotors ebenfalls auf vorteilhafte Weise genutzt wer
den. Hierzu ist lediglich die Nachgiebigkeit des Kolbens
des dritten Stellmotors in Richtung "spät" den Betriebsbe
dingungen besonders anzupassen. Insbesonder bei höheren
Drehzahlen und bei Vollast muß die Einlaßventil-Nocken
welle relativ weit in Richtung "spät" gehalten werden. Di
es erfordert eine große Auslenkungsposition des Kolbens
des dritten Stellmotors bei gleichzeitig zu erwartender
hoher Momentenschwankung.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die
Nockenform der Einzelnocke zusammen mit den Eigenschaften
der einzelnen Elemente des dritten Stellmotors so abzu
stimmen, daß die Verstellkraft des dritten Stellmotors genügend
groß ist, das mittlere Widerstandsdrehmoment der
Nockenwelle und die Widerstände der Kolben des ersten und
zweiten Stellmotors sicher zu überwinden. Für eine sinn
volle Funktion der Gesamtanordnung muß, insbesondere bei
einer großen Auslenkungsposition des Kolbens des dritten
Stellmotors, dessen Gegenkraft entschieden vergrößert wer
den. Dies ist erfindungsgemäß auf einfache Weise (neben
einer möglichen Erhöhung der Federkonstante der entspre
chenden Feder im dritten Stellmotor) erreichbar, indem in
nerhalb der Gleitstrecke des Kolbens des dritten Stellmo
tors in der Gehäusewandung der Nockenwellen-Verstellvor
richtung eine Ringnut quer zur Gleitstrecke eingearbeitet
ist und an diese Nut die Abströmleitung des dritten Stell
motors mit parallelliegender Strömungsdrossel und Rückschlagventil
angeschlossen ist. Es ist weiterhin erfin
dungswesentlich, daß der Kolben des dritten Stellmotors
an seinem dem Einzelnocken abgewandten Ende einen keilför
migen oder konturierten Schlitz besitzt, dessen Spitze in
Richtung der Einzelnocke weist. Je nach Auslenkungsweite
des Kolbens überfährt der Schlitz die vorgenannte Nut und
schaltet damit in die Abströmleitung eine zusätzliche, von
der Auslenkung des Kolbens abhängige Strömungsdrossel. Im
Falle einer zu starken Drosselung kann der Kolben auch mit
mehr als einem Schlitz ausgestattet werden. Je weiter die
Schlitze die Nut überfahren, um so stärker wird die Dros
selwirkung. Wenn der Kolben die Nut vollkommen passiert
hat, ist für den weiteren Weg des Kolben nur noch seine
eigene Leckage als Dämpfungsdrossel wirksam.
Der erste und der zweite Stellmotor übernehmen bei Haupt
drehrichtung des Verbrennungsmotors nach links die Begren
zung der Nockenwellenverstellung in Richtung "früh". Die
relative Nockenwellenverstellung in Richtung "spät" er
folgt durch Nockenwellenvibration in diese Richtung, wobei
die Kolben des ersten und zweiten Stellmotors den Nocken
folgen und dabei Strömungsmittel über die Rückschlagventile
nachsaugen bzw. über die Strömungsmittel-Pumpe nachge
fördert bekommen. Der relative Nockenwellenwinkelweg ist
als Funktion von der Zeit treppenförmig. Erst bei Ansteu
ern des Magnetventils wird die Begrenzungswirkung des er
sten und zweiten Stellmotors für eine Nockenwellendrehung
in Richtung "früh" aufgehoben. Es ist ein Druckausgleich
in den Kolbenräumen des ersten und zweiten Stellmotors
über die Abströmleitungen möglich und die Nockenwelle wird
bei der folgenden Momentenschwankung in Richtung "früh"
entsprechend grob nachgestellt. Eine Feineinstellung ist
nur über eine Winkellagenerfassung der Nockenwelle und ei
ne exakte Ansteuerelektronik für ein schnelles Magnetven
til möglich.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch
eine Auslaßventil-Nockensteuerung auf einfache Weise mög
lich, indem die Bewegungsabläufe umgekehrt werden und die
zusätzlichen Nocken der Nockenwelle, die innerhalb des
Gehäuses der Nockenwellen-Verstellvorrichtung plaziert
sind, eine umgekehrte Steigung aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu
sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der
Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Nockenwellen-Verstellvorrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße
Nockenwellen-Verstellvorrichtung längs der Linie A...A
gemäß Fig. 1 für die Hauptdrehrichtung des Verbren
nungsmotors nach rechts bei einer Nockenwellenverstellung
in Richtung "spät",
Fig. 3 einen Querschnitt wie Fig. 2, jedoch für die
Hauptdrehrichtung des Verbrennungsmotors nach links bei
einer Nockenwellenverstellung in Richtung "früh",
Fig. 4 eine Diagrammdarstellung der Nockenwellen
verstellung in Richtung "früh" (Grobeinstellung) in
Abhängigkeit vom Nockenwinkel bei Hauptdrehrichtung des
Verbrennungsmotors nach rechts,
Fig. 5 eine Diagrammdarstellung der Nockenwellen
verstellung in Richtung "spät" (Feineinstellung) in
Abhängigkeit vom Nockenwinkel bei Hauptdrehrichtung des
Verbrennungsmotors nach links.
Die Darstellung des Schnittes der Nockenwellen-Verstell
vorrichtung in Fig. 1 zeigt zum einen die räumliche Zu
ordnung des einen Endes der Nockenwelle 1 und des Magnet
ventils 15 innerhalb des Gehäuses 2 der Nockenwellen-
Verstellvorrichtung und zum anderen die Lage der drei hy
draulischen Stellmotore 22, 23 und 24 in Bezug auf die
drei zusätzlichen Nocken, die axial versetzt zwischen den
beiden Lagerstellen 2.1 und 2.2 der Nockenwelle 1 inner
halb des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die hydraulische
Versorgung der Stellmotore 22, 23 und 24 mit der erfor
derlichen Schmiermittelmenge erfolgt durch eine zentrale
Bohrung 1.5 in der Nockenwelle 1 über eine Ringnut 2.8 an
der Gehäuseinnenwand und die Hydraulikleitungen 2.6, 2.7
und 2.17, die jeweils mit den Rückschlagventilen 11, 12
und 18 versehen sind. Die für die gewünschte variable
Nockenwellenverstellung erforderliche Schaltfähigkeit der
hydraulischen Leitungen 2.11 und 2.12 erfolgt über das
Magnetventil 15 mittels der im Gehäuse 2 der Verstellein
richtung vorgesehenen Nuten 2.9 und 2.10. Die Restölmenge
2.22, die sich im Nockenraum des Gehäuses 2 ansammelt,
stammt aus möglichen Leckagen und kann über die Leitungen
2.21 und 2.16 auf einfache Weise in den Innenraum des
Verbrennungsmotors abgeleitet werden.
In der Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen
Verstellvorrichtung nach Fig. 2 ist die Zuordnung der
zusätzlich an dem im Innern des Gehäuses 2 untergebrachten
Abschnitt der Nockenwelle 1 angeordneten Nocken 1.1, 1.2
und 1.3 bezüglich der drei hydraulischen Stellmotore 22,
23 und 24 näher ersichtlich. Die eine gleiche Form besit
zenden Nocken 1.1 und 1.2 sind diametral gegenüberliegend
an der Nockenwelle angeordnet. Sie stehen in Wirklungsein
griff mit den Kolben 4 und 5 der Stellmotore 22 und 23.
Axial gegenüber dem Nockenpaar 1.1, 1.2 in Richtung zum
Magnetventil 15 versetzt und um 90° gedreht angeordnet ist
der Nocken 1.3, der mit dem Kolben 6 des dritten hy
draulischen Stellmotors 24 in Wirkungseingriff steht. Die
Drehvibrationen in vorteilhafter Weise ausnutzend, ermög
licht vor allen das Zusammenwirken von Stellmotor 24 mit
dem Nocken 1.3 die begrenzt nachgiebige Kopplung zwischen
Nockenwelle 1 und dem Nockenwellenantriebsrad mit seinem
Zahnkranz 2.3.
Die Nocken 1.1, 1.2 und 1.3 haben ähnliche Querschnitts
formen die durch einen geradlinigen und einen bogenförmig
konvexen Abschnitt, welche im Nockenendpunkt zusammensto
ßen, bestimmt werden. Der Nocken 1.3 und der Stellmotor 24
besitzen größere äußere Abmessungen als die Nocken 1.1 und
1.2 bzw. die Stellmotore 22 und 23, da sie stärkeren me
chanischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Abströmleitung
2.18 des Stellmotors 24 enthält als Parallelschaltung eine
Strömungsdrossel 19.2 und ein Rückschlagventil 19.1 und
ist grundsätzlich nicht schaltbar. Zum Zwecke des stabile
ren Haltens einer bestimmten Hockenwellenverdrehung ist es
von Vorteil, die Leitung 2.18 mittels eines zusätzlichen
Magnetventils 21 schaltfähig zu gestalten.
In Höhe des Nockens 1.3 ist an der Nockenwelle 1 ein
zusätzlicher Hebel 1.4, senkrecht zum Nocken 1.3, querab
stehend angebracht, der seinerseits bei einer Nocken
wellenstellung in Richtung "spät" auf eine im Gehäuse 2
angebrachten Feder 10 drückt. Die Feder 10 ist unverlier
bar in einer Gehäusebohrung untergebracht. Sie unterstützt
in vorteilhafter Weise einen Verstellvorgang in Richtung
"früh" und wird nach einem bestimmten Winkelweg der Noc
kenwelle freigegeben.
Die drei hydraulischen Stellmotore 22, 23, 24 sind grund
sätzlich gleichartig aufgebaut und besitzen je einen
topfförmigen Kolben 4, 5 und 6, eine Feder 7, 8 und 9 so
wie einen mit Motorschmiermittel gefüllten Kolbenraum 2.4,
2.5 und 2.20.
In Fig. 3 ist im Unterschied zu der Darstellung gemäß
Fig. 2 ein Querschnittsbild durch die erfindungsgemäße
Nockenwellen-Verstellvorrichtung längs der Linie A...A in
Fig. 1 für eine Hauptdrehrichtung der Verbrennungsmotors
nach links bei einer Nockenwellenverstellung nach "früh"
dargestellt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung besitzt hier der Kolbenraum 2.20 des Stellmo
tors 24 eine zusätzliche Ringnut 2.23, die in das Gehäu
se 2 eingelassen ist. Darüberhinaus ist der Kolben 6 mit
einem oder mehreren Schlitzen 6,1 versehen, die keilförmig
oder konturiert ausgeführt sind und bei Kolbenbewegung an
der Ringnut 2.23 vollständig vorbeigeführt werden.
Diese Konstruktion ist deshalb erforderlich, da bei höhe
ren Motordrehzahlen und bei Vollast die Nockenwelle 1 re
lativ weit nach Richtung "spät" gehalten werden muß. Dies
bedeutet weite Kolbenauslenkung bei relativ großen Momen
tenschwankungen an der Nockenwelle, die durch eine größere
Gegenkraft des Kolbens 6 beherrscht werden kann. Die Kom
bination zwischen Schlitz 6.1 und Ringnut 2.23 ergibt eine
zusätzliche auslenkungsabhängige Strömungsdrossel.
Die Diagrammdarstellungen nach Fig. 4 und 5 zeigen die
Nockenwellenverstellung in Abhängigkeit von Nockenwinkel
für unterschiedliche Hauptdrehrichtungen des Verbrennungs
motors. Gleichzeitig wird durch Darstellung des entspre
chenden Verlaufs der Momentenschwankungen an der Hocken
welle und der Taktfolge der Steuerspannung am Magnetventil
15 die Abhängigkeit des gewünschten Verstelleffekts von
diesen Größen sichtbar. Fig. 4 zeigt den Kurvenverlauf
für Grobeinstellung der Nockenwellenverstellung, Fig. 5
eine entsprechende Feineinstellung. Für die feinere Posi
tionierung oder ein relativ exaktes Halten der Nockenwelle
ist nötig, das Magnetventil 15 zu ganz bestimmtem Zeit
punkten zu schalten. Hierzu muß die Winkellage der
Nockenwelle gemessen werden und der Zeitpunkt der Momen
tenschwankung nach vorwärts oder rückwärts (je nach Motor
drehrichtung) bekannt sein. Dazu sind gute Meßeinrichtun
gen, eine exakt arbeitende Ansteuerelektronik sowie ein
schnell arbeitendes Magnetventil erforderlich. Die Ausnut
zung der Nockenwellenvibrationen in Richtung "früh" wird
durch den Einsatz des Gegenkolbens 6 des dritten Stellmo
tors 24 im Zusammenwirken mit der Nocke 1.3 ermöglicht.
Dies führt bei Hauptdrehrichtung des Motors nach rechts zu
einer Treppenfunktion der Winkelverstellung in Abhängig
keit von der Zeit. Die Steuermöglichkeit mit dem Magnet
ventil 15 läßt eine Rückstellung nach "spät" zu. Bei Ver
tauschung von "früh" und "spät" gilt das Entsprechende bei
einer Motorhauptdrehrichtung entsprechend einer Drehrich
tung nach links.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht
auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei
spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar,
welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Claims (19)
1. Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer, insbe
sondere zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brenn
kraftmaschine dienenden, Nockenwelle relativ zu ihrem An
triebselement mittels eines, insbesondere hydraulischen,
Druckmittels,
dadurch gekennzeichnet,
daß vorgesehen sind: ein aus einem ersten Zusatznocken
(1.1) und einem zweiten Zusatznocken (1.2) bestehendes
Nockenpaar und ein dritter, einzelner Zusatznocken (1.3),
wobei die einzelnen Nocken jeweils mit einem ersten hy
draulischen Stellmotor (22), einem zweiten hydraulischen
Stellmotor (23) und einem dritten hydraulischen Stellmotor
(24) in Wechselwirkung stehen, wobei der erste und der
zweite Zusatznocken (1.1 bzw. 1.2) zusammen mit dem ersten
und dem zweiten Stellmotor (22 bzw. 23) jeweils eine ver
änderbare Wegbegrenzung für Drehwinkelverstellung bilden
und der Zusatznocken (1.3) zusammen mit dem dritten Stell
motor eine begrenzt nachgiebige Kupplung zwischen der Noc
kenwelle (1) und dem Nockenwellenantriebsrad (2.3) bildet,
so daß unter den Drehvibrationen der Nockenwelle und der
Wirkung der begrenzt nachgiebigen Kupplung eine schritt
weise Drehwinkelverstellung der Hockenwelle ermöglicht
ist.
2. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Nockenwelle (1) innerhalb des Gehäuses (2) innerhalb
zweier Anschläge (2.14, 2,15) um etwa 30° drehbar
gelagert ist.
3. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die drei
hydraulischen Stellmotore (22, 23, 24) jeweils einen in
die Innenwandung des Gehäuses (2) eingelassenen Kolbenraum
(2.4, 2.5, 2.20), einen topfartigen Kolben (4, 5, 6)
und eine Druckfeder (7, 8, 9) aufweisen.
4. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der mit dem Zusatznocken (1.3) in
Wirkungseingriff stehende hydraulische Stellmotor (24)
in Bezug auf die mit dem Nockenpaar in Wirkungseingriff
stehenden hydraulischen Stellmotore (22, 23) um 90° ver
setzt an der Innenwand des Gehäuses (2) angeordnet ist.
5. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einzelelemente der Stellmotore
(22, 23, 24) eine zylindrische Form besitzen.
6. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden das Nockenpaar bildenden
Zusatznocken (1.1, 1.2) sich diametral gegenüberstehend
an dem im Gehäuse (2) gelagerten Ende der Nockenwelle (1)
angeordnet sind.
7. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zusatznocken (1.1, 1.2)
ähnliche Formen aufweisen wie der Zusatznocken (1.3).
8. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zusatznocken (1.3) in bezug auf
seine Abmessungen größer ist als die beiden, das Nocken
paar bildenden, Zusatznocken (1.1, 1.2).
9. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die einzelnen Zusatznocken (1.1,
1.2, 1.3) jeweils einen geradlinigen und einen bogenför
migen konvexen Oberflächenabschnitt besitzen.
10. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehende Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich die dem Nockenpaar zugeord
neten hydraulischen Stellmotore (22, 23) in dem Bereich
der Nocken des Nockenpaares in Wirkungseingriff befindet,
wo der geradlinige und der bogenförmig konvexe Nocken
abschnitt zusammenstoßen.
11. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der der Zusatznocke (1.3)
zugeordnete Stellmotor (24) am Fußpunktbereich des bogen
förmig konvexen Nockenabschnitts in Wirkungseingriff
befindet.
12. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kolbenräume (2.4, 2.5, 2.20)
der hydraulischen Stellmotore (22, 23, 24) jeweils durch
eine Hydraulikleitung (2.6, 2.7, 2.19), in die ein
Abströmen aus den Kolbenräumen verhindernde Rückschlagventile
(11, 12, 18) eingebunden sind, mit der Schmiermit
telpumpe (20) des Verbrennungsmotors in Verbindung stehen.
13. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Rückschlagventile (11, 12) in den Leitungen (2.6, 2.7)
jeweils durch eine Hydraulikleitung (2.11, 2.12)
überbrückt sind, in die je eine Strömungsblende (13, 14)
eingebunden ist und die durch das Magnetventil (15)
schaltbar ist.
14. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Rückschlagventil (18) in der Hydraulikleitung (2.19) durch
eine Parallelschaltung, bestehend aus einer Strömungsdros
sel (19.2) und einem Rückschlagventil (19.1), überbrückt
ist.
15. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Durchlaßrichtung des Rückschlagventils (18) entgegenge
setzt zur Durchlaßrichtung des Rückschlagventils (19.1)
ist.
16. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenraum (2.20) des mit der
einzelnen Zusatznocke (1.3) in Wirkungsverbindung stehen
den Stellmotors (24) eine in das Gehäuse (2) eingearbeite
te Ringnut (2.23) besitzt und das dem Zusatznocken (1.3)
abgewandte Ende des topfförmigen Kolbens (6) einen oder
mehrere Schlitze aufweist, die bei Kolbenbewegung über die
Ringnut führbar angeordnet sind.
17. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze keilförmig oder in sonstiger Weise konturiert
ausgebildet sind.
18. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die
das Rückschlagventil (18) überbrückende und die Parallel
schaltung aus Strömungsdrossel (19.2) und Rückschlagventil
(19.1) enthaltende Hydraulikleitung (2.18) an die Ringnut
(2.23) angeschlossen ist.
19. Nockenwellen-Verstellvorrichtung nach einem der
Ansprüche 12 oder 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die das Rückschlagventil (18)
überbrückende Hydraulikleitung (2.18) durch ein Magnetven
til (21) schaltbar ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914116196 DE4116196A1 (de) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | Nockenwelle-verstellvorrichtung fuer verbrennungsmotoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914116196 DE4116196A1 (de) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | Nockenwelle-verstellvorrichtung fuer verbrennungsmotoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4116196A1 true DE4116196A1 (de) | 1992-11-19 |
Family
ID=6431896
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914116196 Withdrawn DE4116196A1 (de) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | Nockenwelle-verstellvorrichtung fuer verbrennungsmotoren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4116196A1 (de) |
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DE102008058111A1 (de) | 2008-11-18 | 2010-05-20 | Hydraulik-Ring Gmbh | Elektrischer Nockenwellenversteller |
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1991
- 1991-05-17 DE DE19914116196 patent/DE4116196A1/de not_active Withdrawn
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