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Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbaren und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Lagern, und
- - einer Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern, wobei die Pumpe unter Ausbildung eines Ölkreislaufs via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt, und bei der
- - eine zusätzliche Pumpe zur Förderung von Motoröl und Sicherstellung eines ausreichend hohen Öldrucks im Ölkreislauf vorgesehen ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. der Brennräume miteinander verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer 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 zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Dabei weist die obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme der Ölwanne, d. h. der unteren Kurbelgehäusehälfte eine Flanschfläche auf. In der Regel wird zur Abdichtung der Ölwanne bzw. des Kurbelgehäuses gegenüber der Umgebung eine Dichtung in der bzw. an der Flanschfläche vorgesehen. Die Verbindung erfolgt häufig durch eine Verschraubung.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse 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. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Kurbelgehäuse, d. h. den Kurbelgehäusehälften ausgebildet werden. Zwischen der Kurbelwelle 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 eines Kurbelwellenzapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Kurbelwellenzapfen bei umlaufender Kurbelwelle - ähnlich einem Gleitlager - ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
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Zur Versorgung der Lager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern vorgesehen, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt. 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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Die vorgesehene Pumpe muss einen ausreichend großen Förderstrom, d. h. ein entsprechend hohes Fördervolumen sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Ölkreislauf sorgen, insbesondere in der Hauptölgalerie. Die Reibung in den Lagern der Kurbelwelle trägt maßgeblich zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei. Den Kraftstoffverbrauch zu verringern, ist ein primäres Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.
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Gegebenenfalls ist eine dauerhafte Ölversorgung der mindestens zwei Lager nicht erforderlich. Insbesondere wenn weitere Verbraucher mit Öl zu versorgen sind, kann sich eine dauerhafte Ölversorgung der Lager nachteilig auf den Druck im Kreislauf auswirken, insbesondere kann der Druck abfallen.
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Weitere Verbraucher im vorstehenden Sinne kann beispielsweise die Ölversorgung einer Nockenwelle sein, welche in der Regel in einer zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Die bereits hinsichtlich der Kurbelwellenlagerung gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise. Auch die Nockenwellenaufnahme wird üblicherweise mit Schmieröl versorgt, wozu ein Versorgungskanal vorgesehen wird, der nach dem Stand der Technik auch von der Hauptölgalerie abzweigen, durch den Zylinderblock hindurchführen und bei obenliegenden Nockenwelle bis in den Zylinderkopf reichen kann.
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Ein weiterer Verbraucher im genannten Sinne kann auch die Spritzölkühlung eines zylinderzugehörigen Kolbens sein oder die hydraulische Betätigungseinrichtung eines zumindest teilweise variablen, beispielsweise schaltbaren Ventiltriebs. Kein Verbraucher ist hingegen ein im Ölkreislauf vorgesehener Filter oder eine im Ölkreislauf vorgesehene Pumpe, welche das Vorsehen eines Ölkreislaufs nicht erfordern, sondern vielmehr durch den Ölkreislauf selbst erst bedingt werden.
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Der Druck im Ölkreislauf variiert, wobei sich der Öldruck insbesondere in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl ändert bzw. gezielt, beispielsweise mittels Motorsteuerung, geändert wird.
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Bei einer nicht variablen Ölpumpe liegt in der Regel bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen ein höherer Öldruck und bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen ein niedriger Öldruck vor. In Abhängigkeit von der Art des jeweiligen Verbrauchers, der via Ölkreislauf mit Öl zu versorgen ist, kann aber auch bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen ein höherer Öldruck erforderlich werden und bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen ein niedriger Öldruck zulässig sein.
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So kann bei einer im Leerlauf betriebenen Brennkraftmaschine, der Öldruck im Ölkreislauf derart niedrig sein, dass die hydraulische Betätigungseinrichtung eines schaltbaren Ventiltriebs oder die Spritzölkühlung eines zylinderzugehörigen Kolbens nicht mehr zuverlässig mit Öl versorgt bzw. mit dem erforderlichen Öldruck beaufschlagt werden kann.
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Als Ölpumpe kann daher auch eine variable Ölpumpe, beispielsweise eine Flügelzellenpumpe zum Einsatz kommen, die wie eine Kolbenpumpe nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet, aber im Gegensatz zu dieser nicht oszillierend und damit intermittierend, sondern rotierend und damit in vorteilhafter Weise kontinuierlich. 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. 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, wodurch Einfluss genommen wird auf die Exzentrizität des Rotors.
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Flügelzellenpumpen bzw. variable Ölpumpen im Allgemeinen sind vergleichsweise kostenintensiv und daher für den Serieneinsatz nicht immer geeignet, d. h. nicht immer eine Alternative zur Gewährleistung eines ausreichend hohen Öldrucks unter sämtlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Öldrucks der Ölversorgung optimiert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbaren und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Lagern, und
- - einer Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Lagern, wobei die Pumpe unter Ausbildung eines Ölkreislaufs via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt, und bei der
- - eine zusätzliche Pumpe zur Förderung von Motoröl und Sicherstellung eines ausreichend hohen Öldrucks im Ölkreislauf vorgesehen ist,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - die zusätzliche Pumpe zwecks Versorgung mit Motoröl via Einspeiseleitung mit einem Vorratsbehältnis zumindest verbindbar ist, wobei das Vorratsbehältnis ein unter Druck stehendes Behältnis ist.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über zwei Ölpumpen, nämlich die übliche Hauptölpumpe zur Förderung von Motoröl zu den Verbrauchern im Ölkreislauf und eine zusätzliche Ölpumpe zur Sicherstellung eines ausreichend großen Förderstroms bzw. eines ausreichend hohen Öldrucks im Ölkreislauf bzw. bei ausgewählten im Ölkreislauf angeordneten Verbrauchern.
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In diesem Sinne kritisch zu sehen, sind Verbraucher, die für die Funktionsfähigkeit und Funktionssicherheit der Brennkraftmaschine unerlässlich sind, wie beispielsweise die hydraulische Betätigungseinrichtung eines Ventiltriebs oder die Spritzölkühlung eines zylinderzugehörigen Kolbens. Versagt die Spritzölkühlung eines zylinderzugehörigen Kolbens infolge einer Unterversorgung mit Öl bzw. einem Abfall des Öldrucks unter einen Mindestöldruck, kann dies den Kolben und damit die Brennkraftmaschine irreversibel schädigen. Fällt die hydraulische Betätigungseinrichtung eines Ventiltriebs infolge eines zu geringen Öldrucks aus, kann kein Ladungswechsel mehr durchgeführt werden.
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Die Hauptölpumpe kann eine nicht variable Ölpumpe oder eine variable Ölpumpe sein, ist aber vorzugsweise eine nicht variable Ölpumpe, wodurch sich Kostenvorteile ergeben.
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Die zusätzliche Pumpe ist ebenfalls vorzugsweise eine nicht variable Ölpumpe und ist ebenfalls im Ölkreislauf angeordnet, d. h. die Hauptölpumpe und die zusätzliche Pumpe sind Teil desselben Ölkreislaufs, fördern dasselbe Öl und sorgen für eine Druckerhöhung im gemeinsamen Ölkreislauf. Die zusätzliche Pumpe versorgt als Verbraucher vorzugsweise ausgewählte Verbraucher, die auch bei niedrigen Lasten und/oder niedrigen Drehzahlen einen ausreichend hohen Öldruck erfordern, wie beispielsweise die hydraulische Betätigungseinrichtung eines Ventiltriebs oder die Spritzölkühlung eines zylinderzugehörigen Kolbens.
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Selbst bei einer im Leerlauf betriebenen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist der Öldruck jederzeit ausreichend hoch bzw. kann der Öldruck jederzeit dem momentanen Bedarf entsprechend bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Brennkraftmaschine erweist sich immer dann als besonders vorteilhaft, wenn die Hauptölpumpe alleine keinen ausreichend hohen Öldruck generieren bzw. sicherstellen kann und erst die zusätzliche Pumpe für die erforderliche Druckerhöhung sorgt bzw. herangezogen wird.
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Erfindungsgemäß ist die zusätzliche Pumpe zwecks Versorgung mit Motoröl via Einspeiseleitung mit einem Vorratsbehältnis zumindest verbindbar, wobei das Vorratsbehältnis ein unter Druck stehendes Behältnis ist.
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Hierzu kann das Vorratsbehältnis beispielsweise mittels Druckluft unter Druck gesetzt werden. Das Vorratsbehältnis kann aber auch mit einer federdruckbelasteten Wand ausgebildet, d. h. ausgestattet werden, welche selbsttätig den Inhalt des Behältnisses unter Druck setzt und hält.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich des Öldrucks der Ölversorgung optimiert ist.
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Die Hauptölpumpe kann kleiner dimensioniert werden als im Stand der Technik, da diese Pumpe nicht allein für die Förderung des Motoröls zu den Verbrauchern und für einen ausreichend hohen Öldruck zu sorgen hat, sondern vielmehr durch eine zusätzliche Ölpumpe unterstützt wird, um den erforderlichen Förderstrom bzw. den erforderlichen Öldruck sicherzustellen.
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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 fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen eine an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne zum Sammeln des Motoröls vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe mit der Ölwanne zumindest verbindbar ist, um aus der Ölwanne stammendes Motoröl via Versorgungsleitung zu der Hauptölgalerie zu fördern.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist das Kurbelgehäuse zweiteilig ausgebildet, wobei die obere Kurbelgehäusehälfte durch eine Ölwanne ergänzt wird, in der rückgeführtes Öl gesammelt wird. Die Ölwanne kann an der Außenseite mit Kühlrippen bzw. Versteifungsrippen ausgestattet sein und wird vorzugsweise aus Blech im Tiefziehverfahren hergestellt, wohingegen die obere Kurbelgehäusehälfte vorzugsweise ein Gußteil ist.
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Bei der Auslegung und Konstruktion des Kurbelgehäuses ist es ein grundsätzliches Ziel, eine möglichst hohe Steifigkeit zu erzielen, um Vibrationen, d. h. Schwingungen zu mindern und auf diese Weise die Geräuschentwicklung und Geräuschemission günstig zu beeinflussen.
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Des Weiteren soll das modular aufgebaute Kurbelgehäuse vorzugsweise in der Art aufgebaut sein, dass die Bearbeitung der Montage- und Dichtflächen sowie die Montage in möglichst einfacher Weise erfolgen kann, um die Kosten zu senken.
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Die zusätzliche Pumpe ist erfindungsgemäß im Ölkreislauf, der die Hauptölgalerie mit Öl versorgt, angeordnet und unterstützt die Hauptölpumpe direkt. Die beiden Pumpen sind dann entweder in Reihe geschaltet oder parallel angeordnet. Dabei tragen beide Pumpen zur Erhöhung des Öldrucks im Kreislauf und zur Förderung des Öls im gemeinsamen Kreislauf bei. Die zusätzliche Pumpe sorgt dafür, dass auch bei niedrigen Lasten und/oder niedrigen Drehzahlen ein ausreichend hoher Öldruck bzw. Mindestdruck im Ölkreislauf vorliegt, damit auch ausgewählte kritische Verbraucher dauerhaft mit einem ausreichend hohen Öldruck beaufschlagt werden bzw. beaufschlagbar sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe zwecks Versorgung mit Motoröl via Einspeiseleitung mit der Ölwanne zumindest verbindbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe eine mechanisch angetriebene Pumpe ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe eine elektrisch angetriebene Pumpe ist.
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Nach dem Stand der Technik wird die Hauptölpumpe als Nebenaggregat in der Regel unter Verwendung eines Zugmitteltriebs, beispielsweise eines Riementriebs oder eines Kettentriebs, von der umlaufenden Kurbelwelle angetrieben, weshalb die Pumpe auch im Leerlauf bei stehender Kurbelwelle und bei mit niedriger Drehzahl umlaufender Kurbelwelle kein bzw. nur wenig Öl fördert und keinen ausreichend hohen Druck im Ölkreislauf generieren kann.
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Die zusätzliche Pumpe sollte unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle einen ausreichend hohen Ölstrom fördern und einen ausreichend hohen Öldruck generieren und bereitstellen können. Insofern wird die zusätzliche Pumpe vorzugsweise nicht von der Kurbelwelle angetrieben, sondern vielmehr elektrisch oder mechanisch in andersartiger Weise.
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Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe eine bei Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere auch bei stillstehender Kurbelwelle, dauerhaft angetriebene und arbeitende Pumpe ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe eine Ölkühlung eines dem mindestens einen Zylinder zugeordneten Kolbens mit Motoröl versorgt. Es wird Bezug genommen auf die hinsichtlich der Spritzölkühlung gemachten Ausführungen.
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Bei der Entwicklung von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei der Kraftstoffverbrauch aufgrund des prinzipiellen Arbeitsverfahrens insbesondere bei Ottomotoren problematisch ist, bei denen die Einstellung der Leistung mittels Drosselklappe und Quantitätsregelung erfolgt.
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Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlass- und Auslassventile, bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zulässt.
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Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden, beispielsweise mit einem Ventiltrieb, bei dem die Schließzeit des mindestens einen Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Hierdurch ist bereits eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung möglich.
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Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dabei nicht wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe gesteuert, d. h. bemessen, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des mindestens einen Einlassventils.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens ein zumindest teilweise variabler Ventiltrieb vorgesehen ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zusätzliche Pumpe mindestens einen zumindest teilweise variablen Ventiltrieb mit Motoröl versorgt. Die zusätzliche Pumpe sorgt dauerhaft, d. h. ohne Unterbrechung, für einen ausreichend hohen Öldruck und stellt sicher, dass der Ventiltrieb mit Öl versorgt und mit einem ausreichend hohen Öldruck beaufschlagt wird bzw. beaufschlagbar ist. Ein Nockenwellenversteller ist in diesem Zusammenhang als zum Ventiltrieb gehörend anzusehen, nämlich als Teil der Betätigungseinrichtung.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe eine hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtung mindestens eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs mit Motoröl versorgt. Die zusätzliche Pumpe bzw. der durch die Pumpe generierte Öldruck gewährleistet, dass unter sämtlichen Betriebsbedingungen der befeuerten Brennkraftmaschine ein Ladungswechsel möglich ist und durchgeführt wird. Dies stellt den Betrieb des mindestens einen Zylinders sowie der Brennkraftmaschine im Ganzen sicher.
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Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums mit Frischgemisch bzw. Frischluft über die Einlassöffnungen. 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 den Öffnungs- und Schließvorgang der Ein- und Auslassöffnungen durchführen.
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Die erforderliche Betätigungseinrichtung einschließlich der Ventile 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- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. Deshalb werden vorzugsweise mindestens zwei Einlass- und/oder Auslassöffnungen je Zylinder vorgesehen.
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Nach dem Stand der Technik wird hierzu in der Regel ein Ventil verwendet, das entlang seiner Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlass- oder Auslassöffnung freizugeben bzw. zu versperren. Zur Betätigung des Ventils werden einerseits Ventilfedermitteln vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits 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 Bezug genommen wird auf die Trennebene zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock. 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. Obenliegende Nockenwellen werden hingegen ausschließlich für die Betätigung hängender Ventile verwendet, wobei ein Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle als weiteres Ventiltriebsbauteil einen Schwinghebel, einen Schlepphebel, einen Kipphebel oder einen Stößel aufweist. Der Schwinghebel bzw. Schlepphebel 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.
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Bei Verwendung eines Stößels als Nockenfolgeelement wird dieser 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 mit seiner Nockenmantelfläche im Bereich der Nockennase entlang einer Berührungslinie in Eingriff befindet mit dem Stößel.
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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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Die Betätigungseinrichtung kann als hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtung ausgebildet werden, wobei durch Variation des Öldrucks eine zumindest teilweise Variabilität des Ventiltriebs realisiert werden kann, insbesondere eine Variation des Hubes, wobei ein erster Hub realisiert wird, falls die Betätigungseinrichtung mit Öldruck beaufschlagt wird und ein zweiter Hub realisiert wird, falls die Betätigungseinrichtung von der zusätzlichen Pumpe und damit vom Öldruck getrennt wird. Dabei kann insbesondere auch einer der beiden Hübe Null sein.
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Umfasst die hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtung des Ventiltriebs beispielsweise einen Schlepphebel, kann dieser Schlepphebel mehrteilig ausgebildet werden, d. h. mehrere, insbesondere zwei Hebelelemente umfassen, wobei die Elemente mittels Arretierung, beispielsweise mittels Arretierstift, entweder starr miteinander verbunden sind oder voneinander getrennt und zumindest bereichsweise gegeneinander beweglich sind. Das Betätigen der Arretierung und damit das Schalten des Schlepphebels erfolgt dann hydraulisch, d. h. mittels Öldruck bzw. eben dem Fehlen dieses Öldrucks.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Pumpe mindestens einen schaltbaren einseitig gelagerten Schlepphebel der hydraulisch verstellbaren Betätigungseinrichtung mit Motoröl versorgt. Vorzugsweise sind sämtliche Ventile der Brennkraftmaschine einlassseitig und/oder auslassseitig mit derartigen Schlepphebeln bzw. Betätigungseinrichtungen ausgestattet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder einlassseitig und/oder auslassseitig mit einem schaltbaren Ventiltrieb ausgestattet ist, wobei die zusätzliche Pumpe der Versorgung mit Motoröl dient.
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Vorteilhaft sind dabei ebenfalls Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen einlassseitig und/oder auslassseitig in einer Öldruckleitung zwischen der zusätzlichen Pumpe und einem zylinderzugehörigen Ventiltrieb mindestens ein Absperrelement vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder umfasst, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Stromabwärts eines Krümmers werden die Abgase vorzugsweise der Turbine mindestens eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt. Dabei ist man zum einen bemüht, die Turbine möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Aus den zuvor genannten Gründen ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine zu minimieren, weshalb die Abgasleitungen vorzugsweise innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt werden. Diese Maßnahme gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Die Integration des Krümmers trägt auch dazu bei, die Reibleistung der Brennkraftmaschine weiter zu reduzieren. Denn insbesondere in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine erreicht ein Zylinderkopf mit integriertem Krümmer schneller höhere Temperaturen als ein konventioneller Zylinderkopf mit einem externen Krümmer. Folglich ist es vorteilhaft, den Krümmer in den Zylinderkopf zu integrieren, um das durch den Zylinderkopf hindurchgeführte Motoröl nach einem Kaltstart möglichst schnell zu erwärmen.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine einer zuvor genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die zusätzliche Pumpe bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine dauerhaft und unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine betrieben wird, um ausgewählte Verbraucher zumindest mit einem vorgebbaren Mindestöldruck zu versorgen.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der fremdgezündeten Brennkraftmaschine und gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch das Fragment einer Ölversorgung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik, und
- 2 schematisch das Fragment einer Ölversorgung einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch das Fragment einer Ölversorgung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik.
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Zur Förderung des Motoröls durch den Ölkreislauf 1 ist eine Pumpe 2, 3a vorgesehen, wobei eine Saugleitung 15 von der Ölwanne 14, die dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls dient, zur Pumpe 2, 3a führt, um die Pumpe 2, 3a mit aus der Ölwanne 14 stammendem Motoröl zu versorgen.
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Die Hauptölpumpe 3a fördert das Öl via Versorgungsleitung 4 zu den im Ölkreislauf 1 vorgesehenen Verbrauchern 5. Dabei durchströmt das Öl zunächst einen stromabwärts der Pumpe 2, 3a 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 Verbrauchern 5 führen, vorliegend zu den Hauptlagern 12 der Kurbelwelle und zu den kurbelwellenseitigen Pleuellagern 11, um diese mit Öl zu versorgen. Von der Hauptölgalerie 10 zweigen zudem Rückführleitungen 13 ab, die das Motoröl schwerkraftgetrieben zurück in die Ölwanne 14 führen.
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Von der im Zylinderblock angeordneten Hauptölgalerie 10 führt des Weiteren eine Einspeiseleitung 7a zu einer zusätzlichen Pumpe 2, 3b, welche via Öldruckleitung 7b weitere Verbraucher 5 mit unter Druck stehendem Öl versorgt.
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Damit sind die Hauptölpumpe 3a und die zusätzliche Pumpe 2, 3b gemäß 1 in Reihe angeordnet.
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Die zusätzliche Pumpe 2, 3b dient zur Förderung von Motoröl und versorgt vorliegend die hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtung eines teilweise variablen Ventiltriebs 17, nämlich eines schaltbaren Ventiltriebs 17, mit Öl.
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Die hydraulisch verstellbare Betätigungseinrichtung des Ventiltriebs 17 umfasst einen schaltbaren einseitig gelagerten Schlepphebel 17c, der bei umlaufendem Nocken 17d ausgelenkt und mit einem Stößel 17b in Eingriff gebracht wird, welcher als Nockenfolgeelement auf das der Brennkammer abgewandte Ende des Ventils 17a aufgesetzt ist, so dass der Stößel 17b an der oszillierenden Hubbewegung des Ventils 17a teilnimmt, wenn der Nocken 17d sich mit seiner Nockenmantelfläche im Bereich der Nockennase in Eingriff befindet mit dem Schlepphebel 17c und diesen auslenkt.
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Der Schlepphebel 17c ist zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Hebelelemente mittels Arretierstift starr miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können und dann zumindest bereichsweise zueinander beweglich sind. Das Betätigen des Stifts und damit das Schalten des Schlepphebels 17c erfolgt hydraulisch via schlepphebelzugehöriger Öldruckleitung 7b1 , welche von der Öldruckleitung 7b abzweigt und in der ein gesteuertes Absperrelement 6 abgeordnet ist. In der Offenstellung des Absperrelements 6 wird der Arretierstift mit Öldruck beaufschlagt, wohingegen der Stift in der Schließstellung von der Öldruckleitung 7b getrennt wird und nicht druckbeaufschlagt ist bzw. wird.
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Auf diese Weise lässt sich mittels Öldruck der Hub des Ventils 17a, d. h. der Maximalhub, variieren, wobei ein erster Hub realisiert wird, falls der Arretierstift mit Öldruck beaufschlagt wird und ein zweiter Hub realisiert wird, falls der Arretierstift von der zusätzlichen Pumpe 3b und damit vom Öldruck getrennt wird.
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2 zeigt schematisch das Fragment einer Ölversorgung einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
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Es sollen die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Vorliegend sind die Hauptölpumpe 3a und die zusätzliche Pumpe 3b parallel im Ölkreislauf 1 angeordnet. Dies eröffnet die Möglichkeit, die zusätzliche Pumpe 3b zwecks Versorgung mit Motoröl via Einspeiseleitung 7a mit einem Vorratsbehältnis 16 zu verbinden, wobei das Vorratsbehältnis 16 ein unter Druck stehendes Behältnis 16 ist. Unter Druck gesetzt wird das im Vorratsbehältnis 16 befindliche Öl mittels einer Feder 16a, welche eine Wand des Behältnisses federdruckbelastet. Das Vorratsbehältnis 16 kann mit einem Rückschlagventil ausgestattet sein, das eine Befüllung des Vorratsbehältnisses 16 zulässt bzw. ermöglicht, hingegen einen Austritt von Öl aus dem Vorratsbehältnis 16 verhindert.
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Neben den Rückführleitungen 13a, die von der Hauptölgalerie 10 abzweigen, ist eine weitere Rückführleitung 13b vorgesehen, die von der Öldruckleitung 7b abzweigt und das Öl schwerkraftgetrieben zurück in die Ölwanne 14 führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölkreislauf
- 2
- Pumpe
- 3a
- Hauptölpumpe
- 3b
- zusätzliche Pumpe
- 4
- Versorgungsleitung
- 5
- Verbraucher
- 6
- gesteuertes Absperrelement
- 7a
- Einspeiseleitung
- 7b
- Öldruckleitung
- 7b1
- schlepphebelzugehörige Öldruckleitung
- 8
- Filter
- 9
- Ölkühler
- 10
- Hauptölgalerie
- 10a
- Kanal
- 11
- kurbelwellenseitiges Pleuellager
- 12
- Kurbelwellenlager, Hauptlager
- 13
- Rückführleitung
- 13a
- Rückführleitung
- 13b
- Rückführleitung
- 14
- Ölwanne
- 15
- Saugleitung
- 16
- Vorratsbehältnis, unter Druck stehendes Behältnis
- 16a
- Feder
- 17
- schaltbarer Ventiltrieb
- 17a
- Ventil
- 17b
- Stößel
- 17c
- schaltbarer Schlepphebel
- 17d
- Nocken
