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Die Erfindung betrifft einen hubvariablen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 10.
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Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Patentschrift
DE 101 29 976 B4 hingewiesen. Aus dieser ist eine selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und wenigstens einem Turbolader bekannt. Der Hubkolben-Brennkraftmaschine sind Mittel zugeordnet, dass zur Beschleunigung der Lastaufschaltung zusätzlich zur Ladeluft des Turboladers Druckluft in den Zylinder einbringbar ist. Die selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbringung der Druckluft in jeden Zylinder jeweils ein Druckeinlassventil, ein sog. Ladeventil, vorgesehen ist, das mittels eines Steuergerätes in Abhängigkeit von der Kolbenstellung im jeweiligen Zylinder auf- und zusteuerbar ist, jedes Druckeinlassventil in jeweils einer Leitung eines Anlassdruckluftspeichers zum jeweiligen Zylinder angeordnet ist und jeweils in der Leitung zwischen dem Anlassdruckluftspeicher und dem Druckeinlassventil ein mittels des Steuergerätes betätigbares Absperrelement vorgesehen ist.
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Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, dass das Druckeinlassventil eine vollkommen separate Funktionseinheit darstellt mit vollkommen separater Betätigung, was den baulichen Aufwand sowie die Herstellkosten erhöht.
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Weiter wird zum technischen Umfeld beispielsweise auf die internationale Patentanmeldung
WO 2009/036992 A1 hingewiesen. Aus diesen Offenlegungsschriften sind ebenfalls Hubkolben-Brennkraftmaschinen bekannt, die zumindest teilweise mit Hilfe eines zusätzlichen Ladeventils mit Druckluft betreibbar sind.
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Weiter ist in der Motortechnischen Zeitschrift MTZ, Januar 2010/71. Jahrgang, Seiten 52 bis 58 der aktuelle Stand der pneumatischen Hybridisierung in dem Artikel „Das Downsizing-Boost-Konzept auf Basis der pneumatischen Hybridisierung von Otto-Motoren" beschrieben.
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Diesen Veröffentlichungen ist gemein, dass die Ein- und Auslassventile für den Gaswechsel nockenwellengesteuert, d. h. konventionell betrieben werden, während die Ladeventile für die Druckluft jeweils voll- oder teilvariabel ansteuerbar sind. Dies macht in nachteiliger Weise jeweils einen separaten voll- oder teilvariablen Antrieb, beispielsweise einen elektromagnetischen Ventiltrieb, für das Ladeventil notwendig, was bauaufwendig ist und hohe Herstellkosten verursacht.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 23 186 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein hubvariabler Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Schwenkhebel, der einerseits mit einem Rollenelement mit einem Schwing-Drehpunkt auf einer Kulissenbahn einer Kulisse und andererseits mit einer Steuerbahn auf einem Zwischenelement, einem Schlepphebel, zu einem Gaswechselventil spielfrei abgestützt ist, wobei der Schwenkhebel zur Hubeinstellung zwischen den Abstützpunkten einerseits von einem Nocken einer Nockenwelle entgegen einer Kraft einer Feder gesteuert schwenkbar und andererseits der Schwingdrehpunkt von einer Verstelleinrichtung zur Hubhöhenverstellung parallel zur Kulissenbahn gesteuert verschiebbar ist, bekannt. Zur Phasenverschiebung, d. h. zur relativen Winkelverstellung von der Nockenwelle zu der Kurbelwelle sind separate Nockenwellenversteller, sog. VANOS-Einheiten, vorgesehen.
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Nachteilig an diesem bekannten, hubvariablen Ventiltrieb ist jedoch der begrenzte Verstellwinkel der Nockenwelle zur Lage der Kurbelwelle, so dass die Ansteuerung eines Ladeventils für die Druckluft nur in begrenzten Winkelbereichen und somit nur in begrenztem Umfang möglich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem auch ein gattungsgemäßes Ladeventil für Druckluft aus einem Drucktank in vollem Umfang, d. h. über einen weiten Winkelverstellbereich betreibbar ist sowie eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb.
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Diese Aufgabe wird mit einem Ventiltrieb mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie zumindest der sog. Boost-Modus für eine Brennkraftmaschine, die konventionelle Verbrennung und der Viertaktpump-Modus, kostengünstig und einfach realisiert werden können. Eine weitere Variante der Erfindung bezieht sich darauf, dass man auch einen druckluftunterstützten Start der Brennkraftmaschine darstellen kann, der dann ein modifizierter Direktstart ist oder aber ein rein pneumatischer Start der Brennkraftmaschine, sowie pneumatisches Fahren in bestimmten Betriebsbereichen. Alle diese zusätzlichen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine könnten prinzipiell mit einem vollvariablen Ventil, wie aus dem Stand der Technik bekannt, erfüllt werden, dies wäre aber viel zu aufwendig und zu teuer. Ziel der Erfindung ist es, ein nockenwellenbasiertes System für das Ladeventil für die Druckluft aus einem Drucktank zu benutzen, welches ein Maximum an Funktionalität bietet aber ein Minimum an Zusatzkosten verursacht. Das Systemdesign richtet sich nach den priorisierten Anforderungen für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, die im Vier-Takt-Betrieb betreibbar ist, die nachfolgend in Tabelle 1 aufgelistet sind (siehe auch
3):
| Kolbenbewegung: | Aufwärts | Abwärts | Aufwärts | Abwärts |
| Pneumatische Modi | | | | |
| 4-Takt-Pneumatik-Motor-Modus | | LV | AV | EV |
| 4-Takt-Pneumatik-Pump-Modus | LV | | AV | EV |
| Gefeuerte Modi | | | | |
| Konventionelle Verbrennung | Zündung | | AV | EV |
| Boost-Modus | LV/Zündung | | AV | EV |
| Kolbenstellung: UT | OT | UT | OT | UT |
Tabelle 1
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Hieraus ergeben sich folgende Anforderungen an den Ventiltrieb:
- • Das Ladeventil für die Druckluft aus dem Drucktank muss deaktivierbar sein (konventioneller Brennkraftmaschinen-Modus), der Ventiltrieb soll dabei einen möglichst geringen Energieverbrauch aufweisen;
- • Das Ladeventil für die Druckluft aus dem Drucktank soll ein Boost-Profil ermöglichen, das Aktivieren und Deaktivieren soll sehr schnell sein;
- • Das Boost-Profil soll reduziert werden können (geringerer Hub des Ladeventils und späteres Öffnen, Schließen etwa zum gleichen Zeitpunkt wie beim normalen Boost-Modus);
- • Das Ladeventil für die Druckluft aus dem Drucktank soll ein Pump-Profil ermöglichen (Schließen des Ladeventils kurz nach dem Zünd-OT);
- • Das Pump-Profil soll reduziert werden können, das Ladeventil schließt weiterhin kurz nach dem Zünd-OT, öffnet jedoch später und hat einen geringeren Hub. Dies dient dazu, auch bei höherem Druck im Drucktank noch effizient pumpen zu können;
- • Das Ladeventil für die Druckluft aus dem Drucktank soll ein Start-Profil ermöglichen derart, dass dieses bei Stillstand der Brennkraftmaschine aktiviert werden kann. Idealerweise kann bei dem Aktivierungsvorgang oder dem Deaktivierungsvorgang eine Kollision des Ladeventils mit dem Kolben geometrisch ausgeschlossen werden;
- • Das Start-Profil soll verändert werden können, so dass das Ladeventil früher oder später schließen kann.
- • Der Hub des Ladeventils soll bei der ersten Zylinderfüllung zeitlich variiert werden können.
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Maßgebend für die Funktionalität des Ventiltriebs sind die Konturgestaltung des Nockens der Nockenwelle, der Verstelleinrichtung, des Zwischenhebels im Schnittstellenbereich zum Nocken sowie dessen geometrische Ausprägung und der Steuerbahn sowie die oszillierende Lagerung im Bereich der Kulisse. Mit der Ausgestaltung dieser Parameter ist der Ventiltrieb, insbesondere als Ladeventiltrieb für die Druckluft aus dem Drucktank in Hub- und Phasenlage in einem sehr breiten Spektrum veränderbar darstellbar.
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Die Lagerstelle der Rollenführung im Bereich der Kulisse und des Exzenters kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer einfachen Gelenkverschiebung auch einfacher dargestellt werden. Kulisse und Exzenterwelle sind für die grundsätzliche Funktionalität des Ventiltriebs zwar nicht zwingend erforderlich, erhöhen jedoch die Variabilität des Ventiltriebs.
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In nachfolgenden 4 bis 8 sind die Einstellmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Ventiltriebs für die unterschiedlichen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine nochmals ausführlich dargestellt. Die exakte Geometrie, beispielsweise von der Kurvenbahn oder dem Nockenprofil, muss jedoch für jeden Ventiltrieb, entsprechend der geforderten Funktionalitäten separat ermittelt werden und kann nicht pauschal angegeben werden.
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Zusammenfassung der Vorteile des erfindungsgemäßen Ventiltriebs:
Durch den Entfall der zwei Nockenwellenverstelleinheiten (VANOS-Einheiten) sinkt die Leistungsanforderung an die Schmiermittelpumpe der Brennkraftmaschine. Die Schmiermittelpumpe kann an den geringeren Leistungsbedarf angepasst werden und öffnet dadurch neues Potential zur Senkung der Herstellkosten. Unabhängig von der Dimensionierung der Schmiermittelpumpe steigt durch deren geringeren Leistungsbedarf der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Dies kann in vorteilhafter Weise zur Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine, wie auch zur Reduzierung der Abgasemissionen verwendet werden.
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Weiter ergibt sich eine Kostenersparnis durch den Entfall beispielsweise einer zusätzlichen Nockenwelle oder eines zusätzlichen elektromagnetischen Ventieltriebs. Zum Erreichen der vollen Ein- und Auslassvariabilität des Ventiltriebs sind gewöhnlich zwei Nockenwellen verbaut (DOHC: double overhead cam). Bei dem erfindungsgemäßen Funktionsprinzip kann die Phasenverstellung jedoch nicht nur nockenwellen- sondern ventilspezifisch umgesetzt werden. Die Gaswechselein- und Gaswechselauslassventile werden dabei voneinander unabhängig mit einer einzigen Nockenwelle in der Phase verstellt.
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Die Zylinderkopfbreite kann durch das Ersetzen der Nockenwellenverstelleinheiten (VANOS-Einheiten) und den Entfall beispielsweise einer Nockenwelle signifikant reduziert werden. Dies steigert nicht nur die Leistungsdichte der Brennkraftmaschine sondern spart Gewichts- und Materialkosten.
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Der Phasenwinkel der Ein- und Auslassventile kann bei vorhandener Brennkraftmaschinen-Start-Stopp-Funktion funktionsgerecht appliziert werden. Bisher ist die Phasenverstellung an den Schmiermitteldruck gebunden und somit kann die Phasenlage bei Stillstand der Brennkraftmaschine nicht variiert werden. Eine elektrische Verstellung des Getriebes und damit des Phasenwinkels ermöglichen eine funktionsgerechte Phasenabstelllage und Phasenverstellung des Ventiltriebs bei Stillstand der Brennkraftmaschine.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von acht Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine gattungsgemäß betriebene Brennkraftmaschine.
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2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb.
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3 zeigt in einem Diagramm eine Ventilhublage für verschiedene Betriebsmodi.
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4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einem Nullhub-Modus.
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5 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einem Boost-Modus.
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6 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einem Pump-Modus mit großem Ladeventilhub, früh.
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7 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einem Pump-Modus mit kleinem Ladeventilhub, spät.
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8 zeigt den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einem Start-Modus.
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1 zeigt schematisch eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik. Ein nicht bezifferter Kolben ist einem nicht bezifferten Zylinder hubbeweglich geführt. Für einen Ladungswechsel sind zwei Auslassventile (AV) und zwei Einlassventile (EV) vorgesehen. Zusätzlich zu einer heute geläufigen Vierventil-Brennkraftmaschine ist ein Ladeventil (LV) vorgesehen, mit dem aus einem Drucktank Druckgas in den Zylinder eingespeist werden kann. Mit dieser, aus dem Stand der Technik bekannter Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Drucktank, lassen sich nun die in oben dargestellter Tabelle 1 aufgeführten Betriebsmodi durchführen:
Pneumatische Modi:
- • Viertakt-Pneumatik-Motor-Modus
- • Viertakt-Pneumatik-Pump-Modus, sowie folgende
gefeuerte Modi:
- • Konventionelle Verbrennung,
- • Boost-Modus.
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Der Betrieb der Ein- und Auslassventile (EV, AV) sowie des Ladeventils (LV) ist für jeden Betriebsmodus in jeweils einer Zeile über die Kolbenstellung dargestellt. UT bezeichnet den unteren Totpunkt und OT bezeichnet den oberen Totpunkt des Kolbens. Zwischen dem ersten UT und dem ersten OT findet für die gefeuerten Modi eine Zündung statt, der erste OT nach der schematisch dargestellten Zündung ist der sog. Zünd-OT des Kolbens.
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Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik ist es nun Aufgabe der Erfindung einen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem auch ein gattungsgemäßes Ladeventil für Druckluft in vollem Umfang betreibbar ist.
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2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb 1. Der hubvariable Ventiltrieb 1 ist für einen nicht dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem pneumatischen Betriebsmodus vorgesehen. Der hubvariable Ventiltrieb 1 weist einen Schwenkhebel 2 auf, der einerseits mit einem Rollenelement 3 mit einem Schwingdrehpunkt 4 auf einer Kulissenbahn 5 einer Kulisse 6 und andererseits mit einer Steuerbahn 7 auf einem Zwischenelement 8, einem Schlepphebel, zu einem Gaswechselventil 9 spielfrei abgestürzt ist. Ein Ventilsitzring ist mit 14 bezeichnet. Zur Betätigung des Gaswechselventils 9 ist der Schwenkhebel 2 zwischen den Abstützpunkten einerseits von einem Nocken 10 einer Nockenwelle 11 entgegen einer Kraft einer Feder 12 gesteuert schwenkbar und andererseits der Schwingdrehpunkt 4 von einer Verstelleinrichtung 13 zur Hubhöhenverstellung parallel zur Kulissenbahn 5 gesteuert verschiebbar. In einer weiteren, mechanisch einfacheren Ausführungsform, können auch die Kulisse 5 sowie das Rollenelement 3 entfallen und der Schwenkhebel 2 durch ein einfaches Stellelement, oder durch ein fixes Gelenk schwenkbeweglich verschwenkbar sein.
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Erfindungsgemäß weist der Schwenkhebel 2 auf der dem Nocken 10 zugewandten Seite eine Kurvenbahn 15 auf, wobei zwischen dem Nocken 10 und der Kurvenbahn 15 ein verschiebbares Zwischenelement 16, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Rolle, angeordnet ist. Die Rolle 16 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise durch ein Getriebe 17 entlang der Kurvenbahn 15 verschiebbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, neben der Hubhöhenverstellung durch die Verstelleinrichtung 13, beispielsweise einer Exzenterwelle, nicht nur die Hubhöhe des Gaswechselventils 9 zu verstellen, sondern auch die Phasenlage, d. h. die Lage des Öffnungs- und des Schließzeitpunktes des Gaswechselventils bezüglich einer Phasenlage einer Kurbelwelle.
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3 zeigt in einem Diagramm wie die Phasenlage und die Hubhöhe eines Gaswechselventils 9, wie z. B. einem Ladeventil mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 veränderbar sind. Auf einer Y-Achse ist ein Gaswechselventilhub von 0 bis 10 in [mm] aufgetragen. Auf einer X-Achse ist ein Kurbelwinkel von –180° bis +360° in [°KW] dargestellt. Bei +180 [°KW] auf der X-Achse befindet sich der Zünd-OT. Zusätzlich, jedoch wieder zu deutlich höheren Herstellkosten und größerer Komplexität, kann der erfindungsgemäße Ventiltrieb 1 zusätzlich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit Nockenwellenverstellern, sog. VANOS-Einheiten, kombiniert werden.
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Eine gepunktet dargestellte Ventilhubkurve entspricht einer Hubkurve eines Gaswechseleinlassventils.
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Eine mit Dreiecken dargestellte Ventilhubkurve entspricht einer Hubkurve eines Ladeventils im Boost-Modus.
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Eine mit Vierecken dargestellt Ventilhubkurve entspricht einer Hubkurve eines Ladeventils im Pump-Modus.
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Eine mit nur einer Linie dargestellte Ventilhubkurve entspricht einer Hubkurve eines Ladeventils im Start-Modus.
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Eine mit Kreuzen dargestellte Ventilhubkurve entspricht einer Hubkurve eines Gaswechselauslassventils.
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In 3 ist der breite Verstellbereich der Hubhöhe bzw. des Phasenwinkels eines Gaswechselventils, insbesondere eines Ladeventils, erkennbar.
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Die folgenden 4 bis 8 zeigen den aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht bezifferten erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 aus 2 für unterschiedliche Betriebsmodi eines Gaswechselventils 9, insbesondere eines Ladeventils:
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4 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 in einem Nullhub-Modus.
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5 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 in einem Boost-Modus.
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6 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 in einem Pump-Modus mit großem Ladeventilhub, früh.
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7 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 in einem Pump-Modus mit kleinem Ladeventilhub, spät.
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8 zeigt den erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 in einem Start-Modus.
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Aus den 4 bis 8 sind die unterschiedlichen Anordnungen des Zwischenelementes 16, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Rolle, zwischen dem Nocken 10 und der Kurvenbahn 15 für die unterschiedlichen Modi erkennbar. Eine Verschieberichtung des Zwischenelementes 12 ist am Getriebe 17 durch einen Doppelpfeil schematisch dargestellt. Durch die Lageveränderung des Zwischenelementes 16 bezüglich dem Nocken 10 wird das Einwirken des Nockens bzw. des Nockenprofils auf den Schwenkhebel 2 zeitlich verschoben, wodurch die die Phasenlage des Ventilhubs bezüglich einer Lage Kurbelwelle verschoben wird und die unterschiedlichen Betriebsmodi generiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubvariabler Ventiltrieb
- 2
- Schwenkhebel
- 3
- Rollenelement
- 4
- Schwingdrehpunkt
- 5
- Kulissenbahn
- 6
- Kulisse
- 7
- Steuerbahn
- 8
- Zwischenelement
- 9
- Gaswechselventil
- 10
- Nocken
- 11
- Nockenwelle
- 12
- Feder
- 13
- Verstelleinrichtung
- 14
- Ventilsitz
- 15
- Kurvenbahn
- 16
- Zwischenelement
- 17
- Getriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10129976 B4 [0002]
- WO 2009/036992 A1 [0004]
- DE 10123186 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Motortechnischen Zeitschrift MTZ, Januar 2010/71. Jahrgang, Seiten 52 bis 58 der aktuelle Stand der pneumatischen Hybridisierung in dem Artikel „Das Downsizing-Boost-Konzept auf Basis der pneumatischen Hybridisierung von Otto-Motoren” [0005]
