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Durch Kolbenbrennkraftmaschinen angetriebene
Nutzfahrzeuge mit einem hohen Gesamtgewicht müssen außer den Betriebs- und Feststellbremsen
eine zusätzliche
Einrichtung aufweisen, mit der die Geschwindigkeit des Fahrzeuges
auch ohne Benutzung der Betriebsbremsen, wenn auch nicht bis zum
Stillstand, durch Dauerbremswirkung verringert werden kann. Dies
kann beispielsweise durch sogenannte Auspuffbremsen erzielt werden,
bei denen in der Abgasleitung eine ansteuerbare Drosselklappe angeordnet
ist, durch die der Abgasrückdruck erhöht und somit
eine Bremsleistung erzielt wird. Dies führt jedoch nur bei hohen Motordrehzahlen
zu einer spürbaren
Bremsleistung. Im Normalbetrieb ist die durch den Einsatz einer
Abgasklappe mögliche Bremsleistung
sehr begrenzt.
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Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine
mit Selbstzündung,
bei der für
einen Schubbetrieb die Kraftstoffzufuhr auf die Leerlaufmenge reduziert
oder gar vollständig
abgeschaltet werden kann, bietet es sich an, für einen Motorbremsbetrieb anstelle
oder zusätzlich
zu einer im Abgastrakt angeordneten Drosselklappe an den einzelnen
Zylindern wenigstens ein Gasauslaßventil wenigstens einmal in
der Kompressionsphase außerhalb
des über
die Nockenwelle vorgegebenen Öffnungszyklus
zu betätigen.
Diese zusätzliche Öffnung erfolgt
in der Kompressionsphase, so daß der
komprimierte Zylinderinhalt in die Abgasleitung entweichen kann
und nach dem Schließen
des Gasauslaßventils
und dem Überschreiten
des oberen Totpunktes nicht mehr nach Art einer Gasfeder als Kraftwirkung
auf den Kolben zur Verfügung
steht.
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Um dies zu erreichen, ist in W096/05415
vorgeschlagen, bei einigen, zweckmäßigerweise aber bei allen Zylindern
jeweils einen Aktuator vorzusehen, der außerhalb der durch die Nockenwelle
vorgegebenen Steuerzeiten angesteuert werden kann und so in der
Kompressionsphase das Gasauslaßventil öffnen kann.
Ein derartiger gesonderter, vorzugsweise elektromagnetischer Aktuator
besitzt auf der einen Seite den Vorteil, daß er über eine entsprechende Steuereinrichtung
während
der Kompressionsphase das Gasauslaßventil mehrfach zu öffnen vermag,
so daß praktisch
die Kompressionsarbeit während
des gesamten Öffnungshubes
genutzt werden kann, ohne daß in
den Zylinderräumen
unzulässig
hohe Drücke
auftreten. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in einem erheblichen
Bauaufwand, da für
jeden Zylinder ein entsprechender Aktuator vorgesehen werden muß, der über eine
zusätzliche
elektrische Steuereinrichtung anzusteuern ist.
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Aus
EP 0 033 372 B ist eine mechanische Anordnung
bekannt, bei der die einzelnen Nocken einer Nockenwelle als Steuerkontur
eine Grundkreiskontur und eine die Grundkreiskontur radial überragende
Nockenkontur aufweisen und wobei für zumindest einen Teil zumindest
der Gasauslaßventile
an den zugeordneten Nocken jeweils ein Konturkörper mit wenigstens einer zusätzlichen
Nockenkontur angeordnet ist, der mittels einer verdrehbaren Stelleinrichtung
in eine die Grundkreiskontur des Nockens überragende Aktivstellung bringbar
ist. Durch die Anordnung eines derartigen zusätzlichen Konturkörpers, der
in Bezug auf seine Steuerkontur so ausgelegt werden kann, daß sich für das Gasauslaßventil während des
Kompressionshubes bei Aktivierung eine definierte Öffnungscharakteristik
für das
Gasauslaßventil
ergibt, ist es möglich, über die
Nockenwellen unmittelbar durch Ausnutzen der vom Fahrzeuge aufgebrachten
Verdichtungsleistung als Bremsleistung gezielt zu nutzen, wobei
auch bei niedrigeren Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine eine
spürbare
Bremsleistung gegeben ist.
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Aus
US
1,439,798 ist eine ähnlich
aufgebaute Anordnung bekannt, die jedoch nur als Anlaßhilfe konzipiert
ist und nicht als Bremshilfe verwendbar ist. Die Betätigung erfolgt über eine
längsverschiebbare Kulissenstange.
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Aus der
US 5 806 746 A ist eine Nockenwelle für Kolbenbrennkraftmaschinen
bekannt, deren Nocken im Bereich der Grundkreiskontur einen radial ausschiebbaren
Konturkörper
aufweisen, der aus einer "Nullstellung" in eine Aktivstellung mit
Hilfe eines Stellmittels vorschiebbar ist, so daß die Steuerkontur des Nockens
in diesem Bereich eine zusätzliche
Erhebung aufweist, die einen zusätzlichen Öffnungshub
des zu betätigenden
Gaswechselventils bewirkt. Der Vorschub des Konturkörpers erfolgt
zwangsgeführt über eine
Keilfläche,
der Rückzug
erfolgt über eine
Spreizfederanordnung, sobald die Keilfläche zurückgezogen wird. Die Spreizfederanordnung
hält den
Konturkörper
in der "Nullstellung", so daß der Kontakt
zwischen der zusätzlichen
Erhebung und einer auf der Steuerkontur des Nockens ablaufenden Rolle
des Ventiltriebs aufgehoben wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, eine Kolbenbrennkraftmaschine mit nockenwellengesteuerten
Gaswechselventilen so zu gestalten, daß die notwendige zusätzliche Öffnung der
Gasauslaßventile
für einen
Bremsbetrieb unmittelbar über die
Nocken der die Gasauslaßventile
betätigenden Nockenwelle
mit vereinfachten Mitteln zuverlässig bewirkt
werden kann.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe
wird eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Gaseinlaßventilen und Gasauslaßventilen,
die über
Nockenwellen betätigbar
sind, mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen vorgeschlagen.
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Dadurch, daß der Konturkörper im
Nocken auf einer Stützfeder
radial bewegbar gelagert ist und ein von außen betätigbares Riegelelement vorgesehen
ist, durch das der Konturkörper
in seiner die Grundkreiskontur überragenden
Aktivstellung fixierbar ist, ergibt sich der Vorteil, daß auch während des normalen
Fahrbetriebs über
die Stützfeder
der am Nocken radial bewegbar gelagerte Konturkörper mit einer üblicherweise
am Ventilhebel angeordneten Übertragungsrolle
in Kontakt bleibt. Soll dann die Kolbenbrennkraftmaschine als Dauerbremse
geschaltet werden, kann in einem relativ großen Zeitfenster über das
Riegelelement der Konturkörper
in seiner Aktivstellung fixiert werden, ohne daß hierzu größere Stellkräfte aufgebracht
werden müssen,
als sie zur Betätigung
des Stellmittels selbst notwendig sind.
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Die Anordnung eines gesonderten,
eine definierte Öffnungscharakteristik
bewirkenden Konturkörpers
bietet darüber
hinaus den Vorteil, daß die zwischen
dem Nocken und dem üblicherweise
als Hebeltrieb ausgebildeten Ventilhebel auftretenden Kräfte und
die daraus resultierenden Flächenpressungen
bis hin zur Stelleinrichtung durch entsprechende Materialauswahl
aufgenommen werden können
hin sichtlich der Größe.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen,
daß das
Riegelelement durch eine in der Nockenwelle längsverschiebbar oder drehbar
gelagerte Riegelstange gebildet wird, über die der Konturkörper an
einem oder mehreren Nocken mit einem Stelleingriff in seiner Aktivstellung
fixierbar ist. Eine längsverschiebbare
Riegelstange hat hierbei den Vorteil, daß die Riegelstange in ihrer
Zuordnung zu den einzelnen Konturkörpern über ihre Schiebelagerung definiert
gehalten werden kann, so daß durch einfaches
Längsverschieben
das Ver- und das Entriegeln vorgenommen werden kann, ohne daß es hierzu
einer komplizierten Kupplung zwischen der drehenden Riegelstange
und dem stehenden Stellantrieb bedarf. Eine drehbar in der Nockenwelle
gelagerte Riegelstange läuft
mit der Nockenwelle gleichsinnig um, so daß für den Stelleingriff vom stehenden
Stellantrieb ein Drehmoment aufgebracht werden muß, das die
drehbar in der Nockenwelle gelagerte Riegelstange relativ zur Nockenwelle
im Betrieb in die Verriegelungsstellung und auch wieder in die Entriegelungsstellung
verdreht und so ausgestaltet sein muß, daß die Riegelstange in der jeweiligen Schaltstellung
bei drehender Nockenwelle gehalten wird.
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Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
den Ventilbereich an einem Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine,
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2 in
größerem Maßstab im
Schnitt einen Nocken mit beweg- und fixierbarer zusätzlicher
Nockenkontur,
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3 eine
Aufsicht auf die Konturfläche
des Nockens in 2,
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4 einen
Längsschnitt
durch den Nocken gem. der Linie IV-IV in 2,
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5 einen
gegenüber
der Ausführungsform
gem. 2 bis 4 abgewandelte Ausführungsform
im Schnitt,
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6 einen
Längsschnitt
gem. der Linie VI-VI in 5,
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In 1 ist
schematisch im Schnitt der Zylinderkopfbereich eines Zylinders 1 einer
Kolbenbrennkraftmaschine für
ein Nutzfahrzeug mit mechanisch angetriebenen Gaswechselventilen
dargestellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist gaseinlaßseitig
und gasauslaßseitig
jeweils nur ein Gaseinlaßventil 2 und
ein Gasauslaßventil 3 vorgesehen.
Bei den hier in Betracht kommenden Kolbenbrennkraftmaschinen mit
großen
Hubvolumen sind in der Regel sowohl gaseinlaßseitig als auch gasauslaßseitig
jeweils wenigstens zwei Gaseinlaßventile 2 und wenigstens
zwei Gasauslaßventile 3 vorgesehen.
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Das Gaseinlaßventil 2 und das
Gasauslaßventil 3 wird
jeweils über
einen hier nur schematisch angedeuteten Ventilhebel 4 bzw. 5 über eine
auf einer Nockenwelle N angeordneten Nocken 6 bzw. 7 betätigt. Die
Ventilhebel 4 und 5 sind jeweils im Berührungsbereich
mit dem Nocken 6 bzw. 7 mit einer Rolle 8 bzw. 9 versehen,
die auf der Steuerkontur 10 des jeweiligen Nockens abrollt.
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Die Nocken 6, 7 weisen
jeweils eine als Zylinderfläche
ausgebildete Grundkreiskontur 11 sowie eine die Grundkreiskontur 11 radial überragende
Nockenkontur 12 auf. Solange die Rolle 8 bzw. 9 an
der Grundkreiskontur 11 anliegt, befindet sich das jeweilige
Gaswechselventil in Schließstellung.
Sobald bei einer Drehung des Nockens 6 bzw. 7 in
Richtung des Pfeiles 13 die Rolle von der Grundkreiskontur 11 auf die
Nockenkontur 12 aufläuft,
wird das zugehörige Gaswechselventil
geöffnet
und nach Überlaufen
der Spitze der Nockenkontur 12 beim Erreichen der Grundkreiskontur 11 wieder
geschlossen.
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Bei einer Vier-Takt-Kolbenbrennkraftmaschine
laufen die Nocken 6 und 7 mit der halben Drehzahl der
Kurbelwelle um, wobei über
eine entsprechende Zwangsführung
die Ausrichtung der Nockenkontur zwangsweise an die Stellung der
Kurbel für
den betreffenden Zylinder, beispielsweise über eine die Nockenwellen antreibende
Steuerkette gekoppelt ist, so daß für den Ansaughub bei geschlossenem
Gasauslaßventil 3 das
Gaseinlaßventil
im Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens 1.1 öffnet und
beim Erreichen der unteren Totpunktstellung schließt. Während der
Dauer des Kompressionshubes, Einspritzung gegen Ende des Kompressionshubes,
Selbstzündung
des eingespritzten Kraftstoffs und des Expansionshubes sind beide
Gaswechselventile geschlossen. Am Ende des Expansionshubes, d. h. wenn
der Kolben 1.1 den unteren Totpunktbereich erreicht, wird über die
zugeordnete Nockenwelle das Gasauslaßventil für den Ausschubhub geöffnet und gegen
Ende des Ausschubhubes wieder geschlossen, so daß der nächste Arbeitstakt mit Ansaugen von
Luft bei geöffnetem
Gaseinlaßventil
beginnen kann.
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Soll nun zusätzlich zur Betriebsbremse über die
Kolbenbrennkraftmaschine über
eine längere Fahrstrecke
eine dauerhafte Bremswirkung erzielt werden, dann kann dies dadurch
bewirkt werden, daß die
Kraftstoffzufuhr auf die Leerlaufmenge zurückgeführt oder gar vollständig abgestellt
wird, so daß die
Kolbenbrennkraftmaschine durch das Fahrzeug praktisch als "Kolbenkompressor"
angetrieben wird. Um zu verhindern, daß jeweils in der Kompressionsphase
die im Zylinderinnenraum befindliche und komprimierte Luft bei der
anschließenden
Expansionsphase nach Art einer Luftfeder den Kolben wieder beschleunigt,
wird nun in der Kompressionsphase das Gasauslaßventil 3 kurzfristig
mit einem geringeren Hub als dem Arbeitshub geöffnet, so daß zumindest
ein Teil der komprimierten Luft in den Abgaskanal entweicht und
die vom Fahrzeug aufgebrachte Kompressionsarbeit als "Verlustarbeit"
und damit als Bremsarbeit zur Verfügung steht und dementsprechend
die Fahrzeugbewegung verlangsamt wird.
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Dieser Vorgang soll bei der hier
vorgestellten Konzeption unmittelbar über die Nocken und die Nockenwellen
steuerbar sein, um zusätzliche
Einzelaktuatoren zu vermeiden. Hierzu sind nachfolgend in den 2 bis 14 unterschiedliche
Ausführungsbeispiele
dargestellt und beschrieben.
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In den 2 bis 4 ist in Schnitten und in
einer Aufsicht eine erste Ausführungsform
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
weist der Nocken 7 im Bereich seiner Grundkreiskontur 11 einen
Konturkörper 14 mit
Kreisquerschnitt auf, der in einer entsprechenden Bohrung im Nocken 7 radial
verschiebbar gelagert ist. Der Konturkörper 14 weist an seinem
nach außen
weisenden Ende eine zusätzliche,
die Grundkreiskontur überragende
Nockenkontur 15 auf. Da der Konturkörper 14 über eine
Stützfeder 16 gegenüber dem
Nocken 7 abgestützt
ist, kann bei einer Drehung in Richtung des Pfeiles 13 die
auf der Steuer kontur insgesamt abrollende Rolle 9 beim Überlaufen der
zusätzlichen
Nockenkontur 15 den Konturkörper 14 gegen die
Kraft der Stützfeder 16 niederdrücken, so
daß die
Rolle 9 weiterhin auf der verbleibenden Grundkreiskontur
abläuft,
ohne den Kontakt zur zusätzlichen
Nockenkontur 15 zu verlieren, wobei das zugeordnete Auslaßventil
erst beim Erreichen der normalen Nockenkontur 12 zum Öffnen des
Gasauslaßventils
angehoben wird.
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Der Konturkörper 14 weist eine
Bohrung 17 auf, durch die eine in der Nockenwelle N längsverschiebbar
(Pfeil 18 in 2 und 3) gelagerte Riegelstange 19 hindurchgeführt ist.
Die Riegelstange 19 weist im Bereich der Bohrung 17 eine
Ausklinkung 20 auf, so daß in der in 2 dargestellten Fahrbetriebsstellung
bei befeuertem Zylinder der Konturkörper 14 beim Durchlaufen
unter der Rolle 9 gegen die Rückstellkraft der Feder 16 eingedrückt werden kann.
Die Rückstellkraft
der Feder 16 ist im Vergleich zur Schließkraft der
zugehörigen
Ventilfeder deutlich geringer, so daß das Gasauslaßventil
nicht geöffnet wird.
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Für
den Bremsbetrieb muß der
Konturkörper 14 in
der in 2 dargestellten
Aktivstellung fixiert werden. Dies kann mit Hilfe der Riegelstange 19,
die, wie in 1 angedeutet,
mit einem entsprechenden Stellantrieb 21 verbunden ist,
bewirkt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verriegelung
des Konturkörpers 14 in
der Aktivstellung durch Verschieben der Riegelstange 19 in Längsrichtung
bewirkt, so daß die
Bohrung 17 im Konturkörper 14 vom
Vollquerschnitt der Riegelstange 19 ausgefüllt wird
und der Konturkörper 14 gesperrt
ist. Hierdurch ergibt sich eine vollflächige Anlage der Wandung der
Bohrung 17 im Konturkörper
an der Umfangsfläche
der Riegelstange 19, so daß die zum Öffnen des zugehörigen Gasauslaßventils
erforderlichen hohen Betätigungskräfte, die
nicht nur die Rückstellkraft
der Ventilfeder sondern auch die zwischenzeitlich im Zylinder aufgebauten Gasdruckkräfte zu überwinden
haben, zuverlässig
von der Riegelstange 19 aufgenommen werden können.
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Bei entsprechenden Restquerschnitten
der Riegelstange 19 im Bereich der Bohrung 20 ist
eine Fixierung des Konturkörpers 14 in
der in 2 dargestellten
Aktivstellung auch durch ein Verdrehen um ihre Längsachse relativ zum Nocken
möglich.
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In 5 und 6 ist wiederum im Quer- bzw. Längsschnitt
eine gegenüber
der Bauform gem. den 2 bis 4 abgewandelte Bauform dargestellt. Übereinstimmende
Bauelemente sind mit übereinstimmenden
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Auch bei dieser Ausführungsform
ist gem. 5 ein im Nocken 7 radial
verschiebbar gelagerter Konturkörper 14 mit
einer den Grundkreis 11 in Aktivstellung überragenden
zusätzlichen
Nockenkontur 15 vorgesehen, der sich auf einer Rückstellfeder 16 abstützt und
der mit einer Bohrung 17 versehen ist, die von einer axial
in der Nockenwelle verschiebbar gelagerten Riegelstange 19.1 durchsetzt
ist.
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Bei der Ausführungsform gem. 5 ist im Konturkörper 14 ein
Langloch 22 vorgesehen, durch das ein Sperrbolzen 23 hindurchgeführt ist,
durch den die Rückstellkraft
der Rückstellfeder 16 aufgenommen
wird. Damit ist es möglich,
die Riegelstange 19, wie aus 6 ersichtlich,
mit einer ringförmig
umlaufenden Eindrehung 20.1 zu versehen, so daß die Riegelstange 19 im
Fahrbetrieb bei befeuerten Zylindern keine von der Rückstellfeder 16 herrührenden Querkräfte aufzunehmen
hat und dementsprechend im wesentlichen reibungsfrei beim Längsverschieben in
die Aktivierungsstellung zur Einleitung des Bremsbetriebes verschoben
werden kann. Im übrigen
entspricht die Wirkungsweise der anhand von 5 und 6 beschriebenen
Ausführungsform
der Wirkungsweise der Ausführungsform
gem. den 2 bis 4.
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Bei einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine
in Reihenbauform ist es je nach Zahl der Zylinder möglich, die
Gasauslaßventile
an mehreren Zylindern gleichzeitig durch Verriegelung der Konturkörper an
den zugehörigen
Nocken in ihrer Aktivstellung auf Bremsbetrieb einzustellen. Die
Anordnung kann hierbei so getroffen werden, daß bei zwei Gasauslaßventilen
je Zylinder nur eines der Gasauslaßventile auf Bremsbetrieb einstellbar
ist. Will man jedoch zu einem späten
Zeitpunkt des Kompressionshubes den Kompressionsvorgang im Bremsvorgang durchführen, dann
kann es zweckmäßig sein,
auch beide Gasauslaßventile
entsprechend für
den Dekompressionsvorgang zu öffnen,
um einen hinreichenden schnellen Abfluß der komprimierten Luft zu bewirken.
Die beiden Gasauslaßventile
können
im Bremsbetrieb auch zeitversetzt zusätzlich geöffnet werden, um die Kompressionsarbeit
weitgehend ausschöpfen
zu können.
Hierzu ist lediglich der Winkelversatz der zusätzlichen Nockenkontur 15 gegenüber der
Nockenspitze an den beiden Nocken entsprechend unterschiedlich vorzugeben.
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Je nach Zahl der Zylinder, beispielsweise
bei einer Sechs-Zylinder-Reihenmaschine,
wird es notwendig sein, bei Ausführungsformen
mit längsverschiebbarer
Riegelstange, diese zu teilen und jeweils mit einem gesonderten
Stellantrieb zu verbunden, so daß jeweils drei Zylinder über eine
Riegelstange für den
Bremsbetrieb aktivierbar und deaktivierbar sind.
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Mit der vorbeschriebenen Konzeption
ist es auch möglich,
die Nocken bzw. Nockenwelle für
die Gaseinlaßventile
entsprechend auszubilden. Für
den Dauerbremsbetrieb können
bei unbefeuerten Zylindern sowohl die Gaseinlaßventile als auch die Gasauslaßventile
jeweils über
eine weitere, entsprechend an dem jeweiligen Konturkörper angeordnete, zusätzliche
Nockenkontur, die der Nockenkontur 15 in etwa diametral
gegenüberliegt,
zusätzlich
angesteuert werden. Damit erfolgt der Bremsbetrieb im 2-Takt-Verfahren,
so daß die
Bremswirkung noch erhöht
wird.
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Die Ausführungsformen gem. den 2 und 5 können auch
so ausgebildet sein, daß statt
einer mechanischen Verriegelung über
ein Riegelelement eine hydraulische Verriegelung erfolgt. Hierzu
ist es erforderlich, die Konturkörper 14 entsprechend
als Kolben auszubilden bzw. auf Kolben abzustützen, die dann über die
hohl ausgeführte
Nockenwelle entsprechend mit Drucköl beaufschlagt werden, um sie in
die Aktivstellung zu bringen. Zum Deaktivieren muß dann das
System drucklos gesetzt werden, so daß die Konturkörper entweder
auf ihrer Stützfeder frei
spielen können
oder aber über
die Druckabsenkung entsprechend zurückgezogen und damit außer Eingriff
genommen werden.