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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinder, der mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase und mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen der Verbrennungsluft aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Öffnung ausgebildet ist,
- – einem Ventiltrieb umfassend ein Ventil für jede Öffnung und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung der Ventile, die mindestens eine Nockenwelle mit mehreren Nocken und mehrere Nockenfolgeelemente umfaßt, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluß zwischen einem Nocken und einem Ventil in der Art angeordnet ist, dass das Ventil bei einer Rotation der Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung ausführt, und
- – einem Ölkreislauf und einer Pumpe zur Versorgung des Ventiltriebs mit Motoröl via Versorgungsleitung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
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Infolge der intermittierenden Verbrennung moderner Brennkraftmaschinen, ist es erforderlich, die Abgase nach der Verbrennung aus dem mindestens einen Zylinder abzuführen und Verbrennungsluft bzw. Frischgemisch wieder zu zuführen.
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Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Zylinders mit Frischgemisch bzw. Verbrennungsluft über die Einlassöffnungen. Im Folgenden werden die Auslaßöffnungen sowie die Einlassöffnungen auch verkürzt als Öffnungen bezeichnet, d. h. unter diesem Begriff zusammengefaßt. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslaßöffnungen öffnen bzw. schließen.
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Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlaß- und Auslaßöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- und ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Zylinder mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen ausgestattet. Auch der mindestens eine Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, weist mindestens zwei Auslaßöffnungen und mindestens zwei Einlassöffnungen auf.
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Die in der Regel verwendeten Hubventile sind entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar, d. h. verschiebbar, um eine Öffnung eines Zylinders freizugeben bzw. zu versperren. Zur Betätigung eines Ventils werden einerseits Ventilfedermittel vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits eine Ventilbetätigungseinrichtung eingesetzt, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen.
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Die Ventilbetätigungseinrichtung umfaßt eine Nockenwelle, auf der eine Vielzahl von Nocken angeordnet ist und die – beispielsweise mittels eines Kettenantriebes – von der Kurbelwelle in der Art in Drehung versetzt wird, dass die Nockenwelle und mit dieser die Nocken mit der halben Kurbelwellendrehzahl umläuft bzw. umlaufen.
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Grundsätzlich wird dabei zwischen einer untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden, wobei auf die Trennebene zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock Bezug genommen wird.
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Untenliegende Nockenwellen eignen sich für die Betätigung von sogenannten stehenden Ventilen, aber auch unter Zuhilfenahme von Stoßstangen und Hebeln, beispielsweise Schwinghebeln oder Kipphebeln, für die Betätigung hängender Ventile. Stehende Ventile werden geöffnet, indem sie nach oben verschoben werden, wohingegen hängende Ventil durch eine Abwärtsbewegung geöffnet werden. Dabei wird üblicherweise ein Stößel als Zwischenelement verwendet, der sich zumindest während des Öffnungs- und Schließvorganges mit dem Nocken der Nockenwelle in Eingriff befinden sollte.
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Obenliegende Nockenwellen werden hingegen ausschließlich für die Betätigung hängender Ventile eingesetzt, wobei ein Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle als weiteres Ventiltriebsbauteil einen Schwinghebel, einen Kipphebel oder einen Stößel aufweist. Der Schwinghebel dreht dabei um einen festen Drehpunkt und verschiebt bei Auslenkung durch den Nocken das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel in Richtung Ventiloffenstellung. Bei einem Kipphebel, der um einen mittig angeordneten Drehpunkt schwenkbar ist, greift der Nocken an dem einen Ende des Kipphebels ein, wobei das Ventil am gegenüberliegenden Ende des Hebels angeordnet ist. Vorteilhaft bei der Verwendung von obenliegenden Nockenwellen ist, dass insbesondere durch den Wegfall der Stoßstange die bewegte Masse des Ventiltriebes reduziert wird und der Ventiltrieb starrer, d. h. weniger elastisch ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Zwischenelemente der Ventilbetätigungseinrichtung, d. h. Ventiltriebsbauteile, die im Kraftfluß zwischen Nocken und Ventil liegen, d. h. angeordnet sind, als Nockenfolgeelement bezeichnet, d. h. unter diesem Begriff zusammengefaßt.
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Bei Verwendung eines Stößels als Nockenfolgeelement wird der Stößel auf das der Brennkammer abgewandte Ende des Hubventils aufgesetzt, so dass der Stößel an der oszillierenden Hubbewegung des Ventils teilnimmt, wenn der Nocken sich im Bereich der Nockennase mit dem Stößel in Eingriff befindet und diesen auslenkt.
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Befindet sich der Nocken mit dem Stößel im Eingriff, gleitet der Nocken mit der Nockenmantelfläche entlang einer Berührungslinie auf der Oberfläche des Stößels ab. Um das Abgleiten zu erleichtern und den Verschleiß beider Bauteile zu minimieren, wird die Kontaktzone zwischen Nocken und Stößel häufig mit Schmieröl versorgt. Infolge der Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander bildet sich ein tragfähiger Schmierfilm zwischen Nocken und Stößel aus.
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Der Verschleiß von Nocken und Stößel ist nicht nur nachteilig im Hinblick auf die Lebensdauer dieser Bauteile, sondern auch hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit des Ventiltriebes. Ein Materialabtrag auf dem Nocken und/oder dem Stößel hat Einfluß auf das Ventilspiel und Auswirkungen auf den Ventilhub und die Steuerzeiten, d. h. auf die Kurbelwinkel, zu denen das Ventil öffnet und schließt.
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Zur Versorgung des Ventiltriebs mit Öl dient ein Ölkreislauf, wobei eine Pumpe Motoröl via Versorgungsleitung zum Ventiltrieb fördert. Die Pumpe selbst wird beispielsweise via Saugleitung, die von einer Ölwanne zur Pumpe führt, mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt und muß einen ausreichend großen Förderstrom, d. h. ein ausreichend hohes Fördervolumen, sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Ölkreislauf sorgen. Insbesondere die Lager der mindestens einen Nockenwelle benötigen zur Schmierung Öl.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Nockenwelle sind mindestens zwei Lager vorzusehen, die – bei oben liegenden Nockenwellen – im bzw. am Zylinderkopf angeordnet sind. In der Regel sind die Lager zweiteilig ausgeführt und umfassen jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Zylinderkopf bzw. einer Abdeckung ausgebildet werden. Zwischen der Nockenwelle und den Lagern können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.
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Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden – gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente – eine Bohrung zur Aufnahme der Nockenwelle. Die Bohrungen werden mit Motoröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und der Nockenwelle bei umlaufender Nockenwelle – ähnlich einem Gleitlager – ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
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In der Regel dient der Ölkreislauf auch der Versorgung weiterer Verbraucher mit Öl beispielsweise der Kurbelwelle, der Pleuelstangenlager oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle, wobei Verbraucher im vorliegenden Sinne dadurch gekennzeichnet sind, dass diese zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl verbrauchen bzw. brauchen, d. h. mit Motoröl versorgt werden müssen. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist auch eine Spritzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düse von unten, d. h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt. Ein hydraulisch betätigbarer Nockenwellenversteller oder andere Ventiltriebsbauteile, beispielsweise zum hydraulischen Ventilspielausgleich, haben ebenfalls einen Bedarf an Motoröl und bedürfen einer Ölversorgung.
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Im Hinblick auf die Öffnungen des mindestens einen Zylinders einer Brennkraftmaschine kann es sinnvoll sein, eine Öffnung als zuschaltbare Öffnung auszubilden und im Bedarfsfall abzuschalten, d. h. zu deaktivieren, so dass die Öffnung während des Ladungswechsels nicht geöffnet wird, sondern geschlossen bleibt.
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Werden einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels nur kleine Frischluftmengen zugeführt, beispielsweise bei niedriger Drehzahl und/oder geringer Last, kann es vorteilhaft sein, eine der mindestens zwei Einlassöffnungen abzuschalten, d. h. zu deaktivieren, um mit Hilfe des verkleinerten Gesamtöffnungsquerschnitts und den damit verbundenen höheren Strömungsgeschwindigkeiten für eine stärkere Ladungsbewegung im Zylinder zu sorgen.
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Es kann auch wünschenswert sein, auf der Auslaßseite Öffnungen zu deaktivieren, beispielsweise bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit zwei parallel angeordneten Abgasturboladern, bei der die Zylinder zwei Auslaßöffnungen aufweisen und die Abgasleitungen der ersten Auslaßöffnungen der Zylinder zu einem ersten Abgaskrümmer und die Abgasleitungen der zweiten Auslaßöffnungen der Zylinder zu einem zweiten Abgaskrümmer zusammenführen bevor diese Krümmer jeweils mit der Turbine eines Abgasturboladers verbunden werden.
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Die Turbine eines Abgasturboladers kann als zuschaltbare Turbine ausgebildet werden, indem die Auslaßöffnungen des dazugehörigen Abgaskrümmers als zuschaltbare Auslaßöffnungen ausgeführt werden. Nur bei größeren Abgasmengen werden die zuschaltbaren Auslaßöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die zuschaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt. Das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert sich dadurch insbesondere bei kleinen Abgasmengen, d. h. bei geringen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen.
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Grundsätzlich wird durch Abschalten einer Öffnung die Reibung bzw. Reibleistung des Ventiltriebs reduziert, wodurch der Kraftstoffverbrauch vermindert wird.
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Eine Öffnung kann als zuschaltbare Öffnung ausgebildet werden, indem ein hydraulisch zuschaltbarer Stößel als Nockenfolgeelement verwendet wird, der mit dem Ölkreislauf verbindbar ist, wobei der Stößel zuschaltet, wenn er mit dem Öldruck beaufschlagt wird, bzw. abschaltet, wenn er vom Ölkreislauf getrennt ist.
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Um hydraulisch zuschaltbare Stößel mit dem Ölkreislauf zu verbinden bzw. vom Ölkreislauf zu trennen, werden nach dem Stand der Technik elektrisch gesteuerte Magnetventile eingesetzt. Dabei wird mittels Motorsteuerung ein Elektromagnet angesteuert, der bei Bestromung das Magnetventil öffnet. Die hohen Kosten dieser elektrisch gesteuerten und betätigten Ventile stellen ein Hindernis für die Anwendung in der Serienfertigung dar. Ein weiterer Nachteil ist in der komplexen Steuerung zu sehen und in dem Umstand, dass bei Ausfall bzw. Störung des Elektromagneten ein Öffnen des Ventils unterbleibt.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren mindestens eine zuschaltbare Öffnung mittels einer gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Maßnahme schaltbar ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinder, der mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase und mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen der Verbrennungsluft aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Öffnung ausgebildet ist,
- – einem Ventiltrieb umfassend ein Ventil für jede Öffnung und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung der Ventile, die mindestens eine Nockenwelle mit mehreren Nocken und mehrere Nockenfolgeelemente umfaßt, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluß zwischen einem Nocken und einem Ventil in der Art angeordnet ist, dass das Ventil bei einer Rotation der Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung ausführt, und
- – einem Ölkreislauf und einer Pumpe zur Versorgung des Ventiltriebs mit Motoröl via Versorgungsleitung,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – das Nockenfolgeelement der mindestens einen zuschaltbaren Öffnung ein hydraulisch zuschaltbares Nockenfolgeelement ist, das mit dem Ölkreislauf in Verbindung steht, und
- – die Pumpe eine variable Pumpe ist, in der Art, dass der Öldruck in der Versorgungsleitung stromabwärts der Pumpe steuerbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das Nockenfolgeelement der mindestens einen zuschaltbaren Öffnung als hydraulisch zuschaltbares Nockenfolgeelement ausgebildet und mit dem Ölkreislauf – im Gegensatz zum Stand der Technik – nicht nur verbindbar, sondern dauerhaft verbunden. Ein Zuschalten bzw. Abschalten der Öffnung erfolgt dadurch, dass der Öldruck mit dem das zuschaltbare Nockenfolgeelement der Öffnung beaufschlagt ist, erhöht bzw. gemindert wird, wodurch das zuschaltbare Nockenfolgeelement aktiviert bzw. deaktiviert wird.
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Um den Öldruck in der Versorgungsleitung des Ölkreislaufs steuern und variieren zu können, ist erfindungsgemäß eine variable Pumpe vorgesehen, d. h. eine Pumpe, mit der der Öldruck am Pumpenausgang, d. h. stromabwärts der Pumpe, steuerbar ist.
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Ein Verbinden des hydraulisch zuschaltbaren Nockenfolgeelements mit dem Ölkreislauf bzw. ein Trennen des hydraulisch zuschaltbaren Nockenfolgeelements vom Ölkreislauf zum Zwecke der Aktivierung bzw. Deaktivierung des Nockenfolgeelements bzw. der zuschaltbaren Öffnung ist nicht erforderlich. Damit werden die im Stand der Technik verwendeten elektrisch gesteuerten Magnetventile entbehrlich. Mit den Magnetventilen entfallen auch die hohen Kosten für diese Ventile und die weiteren mit den Magnetventilen verbundenen, oben bereits genannten Nachteile.
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Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, deren mindestens eine zuschaltbare Öffnung mittels einer gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Maßnahme schaltbar ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weitere Vorteile.
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Werden mehrere Nockenfolgeelemente als zuschaltbare Nockenfolgeelemente ausgebildet, können diese auf einen unterschiedlichen Öldruck ausgelegt werden, d. h. die einzelnen Nockenfolgeelemente schalten bei unterschiedlich hohem Öldruck. Hat ein Zylinder der Brennkraftmaschine beispielsweise drei Auslaßöffnungen, kann ausgehend von einer aktiven Öffnung bei steigendem Öldruck zunächst eine weitere und dann die dritte Auslaßöffnung zugeschaltet, d. h. aktiviert werden. Es können auch die zuschaltbaren Nockenfolgeelemente unterschiedlicher Zylinder auf einen unterschiedlichen Öldruck ausgelegt werden.
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Des weiteren muß berücksichtigt werden, dass der Druck im Ölkreislauf häufig in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl geändert wird, wobei in der Regel bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen ein höherer Öldruck und bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen ein niedriger Öldruck angestrebt wird. Eine derartige Öldruckänderung kann bei entsprechender Auslegung des zuschaltbaren Nockenfolgeelements für eine Änderung des Schaltzustandes des Nockenfolgeelements genutzt werden, die vorteilhafterweise mit der Änderung der Last und/oder der Drehzahl korrespondiert, d. h. für die geänderte Last und/oder der Drehzahl geeignet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein hydraulisch zugeschaltetes Nockenfolgeelement, welches bei einer Rotation der Nockenwelle eine Hubbewegung des dazugehörigen Ventils hervorruft, mit zunehmendem Öldruck bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks in den abgeschalteten Zustand wechselt, wobei das abgeschaltete Nockenfolgeelement eine Hubbewegung des dazugehörigen Ventils bei einer Rotation der Nockenwelle unterbindet.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein hydraulisch abgeschaltetes Nockenfolgeelement, welches eine Hubbewegung des dazugehörigen Ventils bei einer Rotation der Nockenwelle unterbindet, mit zunehmendem Öldruck bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks in den zugeschalteten Zustand wechselt, wobei das zugeschaltete Nockenfolgeelement eine Hubbewegung des dazugehörigen Ventils bei einer Rotation der Nockenwelle hervorruft.
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Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfassen die zwei grundsätzlich möglichen Vorgehensweisen bei der Steuerung bzw. Betätigung des zuschaltbaren Nockenfolgeelements mittels Öldruck, dass nämlich das zuschaltbare Nockenfolgeelement bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks entweder aktiviert oder aber deaktiviert wird.
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Beide Ausführungsformen erfordern konstruktiv unterschiedliche Nockenfolgeelemente, nämlich im ersten Falle ein Nockenfolgeelement, das mit zunehmendem Öldruck abschaltet, und im zweiten Falle ein Nockenfolgeelement, das mit zunehmendem Öldruck zuschaltet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Nockenfolgeelemente der Ventilbetätigungseinrichtung Stößel sind und das mindestens eine hydraulisch zuschaltbare Nockenfolgeelement ein hydraulisch zuschaltbarer Stößel ist.
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Wird eine obenliegende Nockenwelle verwendet und ein Stößel als Nockenfolgeelement eingesetzt, reduziert sich durch den Wegfall der Stoßstange die bewegte Masse des Ventiltriebes und der Ventiltrieb ist starrer, d. h. weniger elastisch.
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Zudem sind hydraulisch zuschaltbare Stößel bereits verfügbar, so dass eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den bereits auf dem Markt befindlichen Stößeln ausgebildet werden kann bzw. nur geringfügige, dem erfindungsgemäßem Zweck entsprechende Modifikationen der verfügbaren Stößel erforderlich sind.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine hydraulisch zuschaltbare Stößel zwei separate, aber miteinander verbindbare Bauteile umfaßt, die im zugeschalteten Zustand des Stößels starr miteinander verbunden sind und im abgeschalteten Zustand gegeneinander beweglich sind.
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Zum Verbinden kann beispielsweise ein Stift, Bolzen bzw. Steuerkolben verwendet werden, der mit dem Öldruck des Ölkreislaufs beaufschlagt wird und bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks entgegen der Rückstellkraft einer Feder in der Weise translatorisch verschoben wird, dass er die beiden separaten Bauteile des Stößels miteinander verbindet, d. h. verriegelt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe eine Flügelzellenpumpe ist, deren Exzentrizität verstellbar ist.
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Eine Flügelzellenpumpe arbeitet wie eine Kolbenpumpe nach dem Verdrängungsprinzip, aber im Gegensatz zu dieser nicht oszillierend und damit intermittierend, sondern rotierend und damit kontinuierlich, was als vorteilhaft anzusehen ist. In einem als Stator dienenden Hohlzylinder läuft ein weiterer als Rotor dienender Zylinder um, wobei die Drehachse des Rotors exzentrisch zum Stator angeordnet ist. Im Rotor sind mehrere radial angeordnete Schieber translatorisch verschiebbar gelagert, die den Raum zwischen Stator und Rotor in mehrere Kammern unterteilen.
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Die Fördermenge der Pumpe kann durch Verstellen der Exzentrizität des Rotors verändert werden, wobei eine vergrößerte Fördermenge zu einem erhöhten Öldruck am Pumpenausgang führt. Ein Verstellen der Exzentrizität kann mittels Motorsteuerung unter Verwendung eines elektrisch steuerbaren Ventils erfolgen, wobei das Ventil eine Öldruckleitung zur Flügelzellenpumpe freigibt oder versperrt. Die mit Öl bzw. vom Öldruck beaufschlagte Fläche wird durch Betätigen des Ventils vergrößert bzw. verkleinert, so dass der Federkraft einer Rückstellfeder eine größere bzw. kleinere aus dem Öldruck resultierende Kraft entgegenwirkt und die Exzentrizität variiert.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Exzentrizität der Flügelzellenpumpe mittels Motorsteuerung und elektrisch betätigbarem Magnetventil verstellbar ist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe eine Zahnradpumpe ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Pumpe ein Filter und/oder ein Ölkühler in der Versorgungsleitung angeordnet sind.
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Der Ölkühler dient dazu, eine Überhitzung des Öls zu verhindern, welche die Eigenschaften, insbesondere die Schmierfähigkeit, des Öls nachteilig beeinflussen und eine schnellere Alterung des Öls bedingen kann. Während der Warmlaufphase wird der Ölkühler vorzugsweise mittels Bypaßleitung überbrückt oder als Heizeinrichtung für das Öl zweckentfremdet.
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Der Filter soll Partikel, insbesondere aus dem Abrieb stammende Festkörperpartikel, zurückhalten, um die stromabwärts im Ölkreislauf vorgesehenen Komponenten, insbesondere die Verbraucher, vor Beschädigung zu schützen.
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Bei Brennkraftmaschinen der in Rede stehenden Art, sind auch aus den bereits genannten Gründen Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Filter und/oder der Ölkühler stromaufwärts des Ventiltriebs angeordnet sind.
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Der Ölkreislauf wird vorzugsweise im Hinblick auf den Öldruck stromabwärts eines gegebenenfalls vorgesehenen Filters und/oder Ölkühlers gesteuert bzw. geregelt. Der Grund für diese Vorgehensweise ist, dass der Druck am Pumpenausgang, d. h. stromaufwärts des Filters und/oder des Ölkühlers nicht immer Rückschlüsse auf den Öldruck stromabwärts dieser Komponenten zuläßt. Letztgenannter ist aber der für den Ventiltrieb relevante Öldruck. Ist der Filter stark beladen, d. h. stark verschmutzt, kann dieser Druck zu niedrig sein, obwohl am Pumpenausgang ein – dem Anschein nach ausreichend – hoher Druck vorliegt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf, und mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen Zylinderblock, der eine Kurbelwelle in mindestens zwei Hauptlagern aufnimmt, wobei die Versorgungsleitung in eine Hauptölgalerie mündet, welche mit den mindestens zwei Hauptlagern verbunden ist und diese Hauptlager mit Öl versorgt.
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Die genannte Brennkraftmaschine verfügt über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung des mindestens einen Zylinders, d. h. Brennraums, miteinander verbindbar bzw. verbunden sind. Der Zylinderblock weist zur Aufnahme des mindestens einen Kolbens bzw. des mindestens einen Zylinderrohres eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders der Brennkraftmaschine wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
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Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle drehbar gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird vorzugsweise zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der mindestens einen Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Hauptlager vorgesehen, die in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Kurbelwelle wird im Bereich der Kurbelwellenzapfen, die entlang der Kurbelwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Zur Versorgung der Hauptlager mit Öl mündet die Versorgungsleitung in eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Hauptlagern führen, welche die Lager mit Öl versorgen.
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Zur Ausbildung der sogenannten Hauptölgalerie wird häufig ein Hauptversorgungskanal vorgesehen, der entlang der Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Der Hauptversorgungskanal kann oberhalb oder unterhalb der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnet sein oder auch in die Kurbelwelle integriert werden.
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Um den Ventiltrieb mit Öl zu versorgen, kann die Versorgungsleitung von der Hauptölgalerie in den Zylinderkopf führen. Alternativ kann eine Versorgungsleitung vorgesehen werden, die von der Pumpe direkt in den Zylinderkopf führt, die Nockenwellenaufnahme mit Motoröl versorgt und dann stromabwärts zur Hauptölgalerie führt. Für die Nockenwellenaufnahme gilt das im Zusammenhang mit der Kurbelwelle Gesagte in analoger Weise.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine als obere Kurbelgehäusehälfte dienende Zylinderblock mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, wobei eine Saugleitung von der Ölwanne zur Pumpe führt, um die Pumpe mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl zu versorgen.
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Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Darüber hinaus dient die Ölwanne als Wärmetauscher zur Absenkung der Öltemperatur bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine. Das in der Ölwanne befindliche Öl wird dabei mittels einer an der Außenseite der Wanne vorbeiführenden Luftströmung infolge Wärmeleitung und Konvektion gekühlt.
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Die Pumpe wird via Saugleitung mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt. Zur Begrenzung des Öldrucks im Ölkreislauf kann eine Bypaßleitung, d. h. Kurzschlußleitung, vorgesehen werden, die stromabwärts der Pumpe, unmittelbar hinter der Pumpe, aus der Versorgungsleitung abzweigt und stromaufwärts der Pumpe in die Saugleitung einmündet und in der ein Überdruckventil angeordnet ist, welches bei Überschreiten eines vorgebbaren Öldrucks selbsttätig öffnet.
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Vorteilhaft sind sowohl Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe durch den Zylinderblock hindurchführt bevor die Versorgungsleitung in den Zylinderkopf eintritt, als auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe durch den Zylinderkopf hindurchführt bevor die Versorgungsleitung in den Zylinderblock eintritt.
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Häufig wird das Öl stromabwärts der Pumpe zunächst zur Hauptölgalerie geführt, um die Lager der Kurbelwelle mit Öl zu versorgen, bevor es zum Zylinderkopf strömt. Das Öl wird beim Passieren des Zylinderblocks erwärmt, so dass der stromabwärts gelegene zylinderkopfseitige Teil des Ölkreislaufs dann mit bereits im Zylinderblock vorerwärmten Öl versorgt wird, welches im Kopf weiter erwärmt und schließlich zurückgeführt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ventilbetätigungseinrichtung eine Einlasßnockenwelle zur Betätigung der Ventile der Einlassöffnungen und eine Auslaßnockenwelle zur Betätigung der Ventile der Auslaßöffnungen umfaßt.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, um das mindestens eine hydraulisch zuschaltbare Nockenfolgeelement zu schalten.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren. Es wird daher Bezug genommen auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und die unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, um ein hydraulisch abgeschaltetes Nockenfolgeelement in den zugeschalteten Zustand zu überführen.
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Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, sobald die Frischluftmenge eine vorgebbare Frischluftmenge übersteigt.
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Bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine korrespondiert die Frischluftmenge bzw. Abgasmenge näherungsweise mit der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Frischluftmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Frischluftmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
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Liegt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Quantitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Menge an Frischgemisch gesteuert wird, kann die Frischluftmenge eine relevante, d. h. vorgebbare Frischluftmenge auch bei konstanter Drehzahl übersteigen, wenn die Last der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Last übersteigt, da die Frischluftmenge mit der Last korreliert, wobei die Frischluftmenge mit zunehmender Last steigt und mit abnehmender Last sich vermindert.
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Liegt der Brennkraftmaschine hingegen eine Qualitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Zusammensetzung des Gemisches gesteuert wird und sich die Frischluftmenge nahezu ausschließlich mit der Drehzahl ändert, d. h. proportional zur Drehzahl ist, übersteigt die Frischluftmenge unabhängig von der Last eine vorgebbare Frischluftmenge, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl übersteigt.
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Ist die Brennkraftmaschine zudem eine aufgeladene Brennkraftmaschine, muß zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite berücksichtigt werden, der sich mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluß auf die Frischluftmenge hat. Die vorstehend dargelegten Zusammenhänge betreffend die Frischluftmenge und die Last bzw. Drehzahl gelten dann nur bedingt. Daher wird vorzugsweise ganz allgemein auf die Frischluftmenge abgestellt und nicht auf die Last bzw. Drehzahl.
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Vorteilhaft sind dennoch Varianten des Verfahrens, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf mit zunehmender Last und/oder zunehmender Drehzahl erhöht wird.
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Vorteilhaft sind dabei Varianten des Verfahrens, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, sobald die Last eine vorgebbare Last und/oder die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl übersteigt.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, sobald die Last eine vorgebbare Last und/oder die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl übersteigt und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt1 größer ist als diese vorgegebene Last und/oder Drehzahl.
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Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Erhöhen des Öldrucks soll ein zu häufiges Schalten verhindern, insbesondere ein Schalten des zuschaltbaren Nockenfolgeelements, wenn die Last und/oder Drehzahl nur kurzzeitig den vorgegebenen Wert überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den vorgegebenen Wert schwankt, ohne dass das Überschreiten ein Schalten des zuschaltbaren Nockenfolgeelements rechtfertigen bzw. erfordern würde.
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Wenn die Last und/oder Drehzahl eine vorgebbare Last und/oder Drehzahl wieder unterschreitet, werden das zuschaltbare Nockenfolgeelement und mit diesem die zugehörige zuschaltbare Öffnung erneut geschaltet.
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Aus den bereits genannten Gründen sind auch vorliegend Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen das zuschaltbare Nockenfolgeelement geschaltet wird, sobald die Last und/oder Drehzahl eine vorgebbare Last und/oder Drehzahl unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt2 kleiner ist als dieser vorgegebene Wert.
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Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen der Öldruck im Ölkreislauf erhöht wird, indem das Fördervolumen der Pumpe gesteigert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch den Ölkreislauf einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit Teilen des Ventiltriebs.
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1 zeigt schematisch den Ölkreislauf 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit Teilen des Ventiltriebs 2.
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Zur Förderung von Motoröl durch den Ölkreislauf 1 ist eine Pumpe 3 vorgesehen, wobei eine Saugleitung 15 von einer Ölwanne 14, die dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls dient, zur Pumpe 3 führt, um die Pumpe 3 mit aus der Ölwanne 14 stammendem Motoröl zu versorgen.
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Die Pumpe 3 fördert das Öl via Versorgungsleitung 4 zu den im Ölkreislauf 1 vorgesehenen Verbrauchern 5. Dabei durchströmt das Öl zunächst einen stromabwärts der Pumpe 3 angeordneten Filter 8 sowie einen stromabwärts des Filters 8 angeordneten kühlmittelbetriebenen Ölkühler 9, der während der Warmlaufphase in der Regel deaktiviert ist.
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Stromabwärts mündet die Versorgungsleitung 4 in die Hauptölgalerie 10, von der Kanäle 10a zu den Hauptlagern 12 der Kurbelwelle und den kurbelwellenseitigen Pleuellagern 11 führen, um diese mit Öl zu versorgen.
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Von der im Zylinderblock angeordneten Hauptölgalerie 10 führt die Versorgungsleitung 4 zum Zylinderkopf und weiteren Verbrauchern 5, nämlich den einlaßseitigen Nockenwellenlagern 7a, den auslaßseitigen Nockenwellenlagern 7b sowie den Nockenfolgeelementen 6 des Ventiltriebs 2. Als Nockenfolgeelemente 6 werden auch hydraulisch zuschaltbare Stößel 6a verwendet, die mit dem Ölkreislauf 1 in Verbindung stehen und zur Ausbildung der zuschaltbaren Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen dienen.
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Ein Zuschalten bzw. Abschalten der Stößel 6a erfolgt durch Variation des Öldrucks, mit dem die Stößel 6a beaufschlagt sind. Durch Erhöhen bzw. Mindern des Öldrucks werden die Stößel 6a aktiviert bzw. deaktiviert.
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Um den Öldruck in der Versorgungsleitung 4 des Ölkreislaufs 1 variieren zu können, wird zur Förderung des Öls eine Flügelzellenpumpe 3a verwendet, bei der in einem als Stator dienenden Hohlzylinder ein als Rotor dienender Zylinder umläuft. Die Exzentrizität der Drehachse des Rotors ist variabel, wodurch die Fördermenge der Pumpe 3, 3a veränderbar ist. Eine vergrößerte Fördermenge führt zu einem erhöhten Öldruck am Pumpenausgang.
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Ein Verstellen der Exzentrizität erfolgt unter Verwendung eines elektrisch steuerbaren Pumpenventils 16, welches zusätzlich zu einer dauerhaft geöffneten Druckleitung 17a eine weitere Öldruckleitung 17b zur Flügelzellenpumpe 3a freigibt oder versperrt und mittels Motorsteuerung 18 betätigt wird. Die mit Öl bzw. vom Öldruck beaufschlagte Fläche wird durch Betätigen des Ventils 16 vergrößert bzw. verkleinert, so dass der Federkraft eine größere bzw. kleinere aus dem Öldruck resultierende Kraft entgegenwirkt und die Exzentrizität variiert.
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Es sind Rückführleitungen 13 vorgesehen, die das Motoröl schwerkraftgetrieben zurück in die Ölwanne 14 leiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölkreislauf
- 2
- Ventiltrieb
- 3
- Pumpe
- 3a
- Flügelzellenpumpe
- 4
- Versorgungsleitung
- 5
- Verbraucher
- 6
- Nockenfolgeelement, Stößel
- 6a
- hydraulisch zuschaltbares Nockenfolgeelement, hydraulisch zuschaltbarer Stößel
- 7a
- einlaßseitiges Nockenwellenlager
- 7b
- auslaßseitiges Nockenwellenlager
- 8
- Filter
- 9
- Ölkühler
- 10
- Hauptölgalerie
- 10a
- Kanal
- 11
- kurbelwellenseitiges Pleuellager
- 12
- Kurbelwellenlager, Hauptlager
- 13
- Rückführleitung
- 14
- Ölwanne
- 15
- Saugleitung
- 16
- Pumpenventil
- 17a
- Druckleitung
- 17b
- Druckleitung
- 18
- Motorsteuerung
