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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern mit jeweils zwei Einlassventilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, die mit einer rollierenden Zylinderabschaltung betrieben werden kann.
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Aus
DE 10 2011 012 251 A1 ist eine Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung mit mindestens einem Nockenelement bekannt. Das Nockenelement umfasst zumindest einen als erste Nockenspur bezeichneten Betätigungsnocken, welcher zumindest zwei Arbeitsnocken umfasst, die eine zweimalige Betätigung eines Ventils in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen eines Zylinders bewirken. Das Nockenelement umfasst ferner eine zweite Nockenspur, die für eine Ventiltriebumschaltung vorgesehen ist und gegenüber der ersten Nockenspur eine abweichende Arbeitsnockenanzahl aufweist. Es kann auch eine dritte Nockenspur vorgesehen sein, wobei diese dritte Nockenspur jeweils für nur ein Ventil eines Zylinders einen Nullhubverlauf aufweist und damit eine Teilabschaltung der Zylinder bewirkt werden kann. Zur Realisierung einer rollierenden Zylinderabschaltung sind die Nockenelemente mit der zweiten Nockenspur über dem zugehörigen Ventil positioniert. Die Nockenelemente sind um den Umfang einer Nockenwelle derart versetzt angeordnet, dass die Zylinder jeweils alternierend bei jedem zweiten Arbeitszyklus befeuert werden. Eine Umschaltung erfolgt insoweit jeweils nach einem Arbeitszyklus.
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Aus
DE 10 2012 004 419 A1 sind eine Kraftfahrzeugventiltriebverstellvorrichtung und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorrichtung bekannt. Die Kraftfahrzeugventiltriebverstellvorrichtung umfasst zumindest eine Nockenwelle, die zumindest zwei axial verschiebbar angeordnete Nockenelemente aufweist. Zumindest ein Nockenelement der zumindest zwei Nockenelemente weist eine Nockenspur mit einem Ventilhub und eine Nockenspur mit einem Nullhub für eine Zylinderabschaltung auf. Das zumindest eine andere Nockenelement der zumindest zwei Nockenelemente weist eine Nockenspur mit einem ersten Ventilhub und eine Nockenspur mit einem zweiten Ventilhub auf.
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Aus
DE 10 2017 105 309 A1 ist ein Nockensystem zum Betreiben eines ersten Motorventils und eines zweiten Motorventils bekannt. Das Nockensystem umfasst einen ersten gleitenden, gegenüber dem ersten Motorventil verschiebbaren Nockensatz, einen zweiten gleitenden, gegenüber dem zweiten Motorventil verschiebbaren Nockensatz, eine Schalttrommel und ein Schaltstellglied. Der erste gleitende, gegenüber dem ersten Motorventil verschiebbare Nockensatz ist zum Betreiben des ersten Motorventils mit einem ersten Hochhubnocken, einem ersten Nocken mit niedrigem Hub und einem Nullhubnocken konfiguriert. Der zweite gleitende, gegenüber dem zweiten Motorventil verschiebbare Nockensatz ist zum Betreiben des zweiten Motorventils mit einem zweiten Hochhubnocken, einem zweiten Nocken mit niedrigem Hub und einen dritten Nocken mit niedrigem Hub konfiguriert. Die Schalttrommel ist am ersten gleitenden Nockensatz und am zweiten gleitenden Nockensatz befestigt und sie ist mit einer ersten und einer zweiten Nut konfiguriert. Mit der ersten Nut können der erste gleitende Nockensatz und der zweite gleitende Nockensatz in einer ersten Richtung verschoben werden. Mit der zweiten Nut können der erste gleitende Nockensatz und der zweite gleitende Nockensatz in einer zweiten Richtung, die entgegen der ersten Richtung weist, verschoben werden. Das Schaltstellglied weist einen ersten Stift, einen zweiten Stift und einen dritten Stift auf, die jeweils selektiv betätigbar in die erste Nut und die zweite Nut der Schalttrommel eingreifen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mittels welchen eine alternative rollierende Zylinderabschaltung einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst vier Zylinder, wobei jeder Zylinder ein erstes Einlassventil und ein zweites Einlassventil aufweist und wobei zur Betätigung der ersten Einlassventile und der zweiten Einlassventile eine Einlassnockenwelle vorgesehen ist, welche für jedes Einlassventil eine zugeordnete EV-Nockeneinheit aufweist. Jede der genannten EV-Nockeneinheiten umfasst drei EV-Betätigungsnocken, wobei einer dieser EV-Betätigungsnocken ein Nullhubnocken ist. Unter einem Nullhubnocken wird ein Betätigungsnocken verstanden, welcher über seinen Umfang betrachtet keine Erhebung aufweist, so dass das dem Nullhubnocken zugeordnete Ventil nicht betätigt und somit „abgeschaltet“ wird, wenn der Nullhubnocken aktiv ist. Das Ventil bleibt dann so lange geschlossen, bis der Nullhubnocken axial verschoben wurde, um einen anderen EV-Betätigungsnocken mit zumindest einem Teilhubnocken oder Vollhubnocken zu aktivieren. Die EV-Nockeneinheit umfasst ferner zwei EV-Betätigungsnocken, welche Nockenkonturen aufweisen, die mindestens einen Betätigungshub an dem korrespondierenden Einlassventil bewirken. Es wird insoweit auf Betätigungsnocken verwiesen, die einen Vollhub oder einen Teilhub an dem korrespondierenden Einlassventil bewirken.
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Jeder Zylinder der Brennkraftmaschine weist außerdem ein erstes Auslassventil und ein zweites Auslassventil auf. Zur Betätigung der ersten Auslassventile und der zweiten Auslassventile ist eine Auslassnockenwelle vorgesehen, welche für jedes Auslassventil eine zugeordnete AV-Nockeneinheit aufweist. Jede AV-Nockeneinheit umfasst drei AV-Betätigungsnocken, wobei einer der AV-Betätigungsnocken ein Nullhubnocken ist. Wie vorstehend beschrieben, weist auch dieser Nullhubnocken über seinen Umfang betrachtet keine nockenartige Erhebung auf und führt im aktivierten Zustand dazu, dass das korrespondierende Auslassventil deaktiviert und somit geschlossen bzw. „abgeschaltet“ bleibt. Zusätzlich weist jede AV-Nockeneinheit zwei AV-Betätigungsnocken mit Nockenkonturen auf, die mindestens einen Betätigungshub an dem korrespondierenden Auslassventil bewirken. Auch hier handelt es sich insbesondere um Betätigungsnocken, die einen Vollhub oder einen Teilhub an dem korrespondierenden Auslassventil bewirken.
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Alle einer ersten Gruppe aus zwei Zylindern und alle einer zweiten Gruppe aus zwei Zylindern zugeordneten EV-Betätigungsnocken sind jeweils mittels einer gemeinsamen Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung verstellbar. Ebenso sind alle einer ersten Gruppe aus zwei Zylindern und alle einer zweiten Gruppe aus zwei Zylindern zugeordneten AV-Betätigungsnocken jeweils mittels einer gemeinsamen Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung verstellbar. In einer besonders praktischen, aber nicht zwingenden Ausführungsform sind die erste Gruppe und die zweite Gruppe jeweils durch zwei benachbarte Zylinder gebildet.
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Die Nullhubnocken der Einlassnockenwelle sind den EV-Nockeneinheiten derart zugeordnet, dass alle Einlassventile eines ersten Zylinderpaares und alle Einlassventile eines zweiten Zylinderpaares wechselweise deaktivierbar sind. Dabei erfolgt die wechselweise Deaktivierung insbesondere durch Steuerung der Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung. Die Nullhubnocken der Auslassnockenwelle sind den AV-Nockeneinheiten ferner derart zugeordnet, dass alle Auslassventile des ersten Zylinderpaares und alle Auslassventile des zweiten Zylinderpaares wechselweise parallel zu den korrespondierenden Einlassventilen deaktivierbar sind.
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Eine einfache Steuerung mit richtungsparalleler Aktivierung bzw. Deaktivierung von Einlassventilen eines Zylinderpaares ergibt sich, wenn die Nullhubnocken an den gemeinsam betätigten EV-Nockeneinheiten und den korrespondierenden, gemeinsam betätigten AV-Nockeneinheiten an der jeweils gleichen Position angeordnet sind, beispielsweise jeweils links außen, recht außen oder mittig. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist in diesem Fall in axialer Richtung der jeweiligen Nockenwelle betrachtet die Anordnung der Nullhubnocken zu den zwei weiteren EV-Betätigungsnocken einer EV-Nockeneinheit identisch mit der Anordnung der Nullhubnocken zu den zwei weiteren AV-Betätigungsnocken einer AV-Nockeneinheit des gleichen Zylinders bzw. des gleichen Zylinderpaares. Eine vollständige Abschaltung eines Zylinderpaares ergibt sich dadurch, dass die ersten Einlassventile und die zweiten Einlassventile sowie die ersten Auslassventile und die zweiten Auslassventile dieses Zylinderpaares abgeschaltet bzw. deaktiviert wurden, indem für jedes der genannten Ventile ein korrespondierender Nullhubnocken aktiv geschaltet wurde.
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In einer besonders praktischen Ausführungsform sind die Nullhubnocken an allen EV-Nockeneinheiten und den korrespondierenden AV-Nockeneinheiten an der jeweils gleichen Position angeordnet.
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Es wird auch auf die Möglichkeit verwiesen, dass nur die Anordnung der Nullhubnocken an allen einer Gruppen-EV-Verstellvorrichtung zugeordneten EV-Nockeneinheiten und den korrespondierenden AV-Nockeneinheiten identisch sein kann, während die Anordnung der Nullhubnocken einer allen einer anderen Gruppen-EV-Verstellvorrichtung zugeordneten EV-Nockeneinheiten und den korrespondierenden AV-Nockeneinheiten abweichen ist. Es ergibt sich dann eine identische Anordnung der Nullhubnocken zumindest für jedes Zylinderpaar.
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Unabhängig von der konkreten Gestaltung ermöglicht es eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einfacher Weise, durch die offenbarte Anordnung von Nullhubnocken zu den zwei weiteren EV-Betätigungsnocken einer EV-Nockeneinheit und zu zwei weiteren AV-Betätigungsnocken einer AV-Nockeneinheit eine rollierende Zylinderabschaltung zu realisieren, d.h. wechselweise zwei Zylinder vollständig temporär abzuschalten, in dem die zugehörigen Einlassventile und Auslassventile vollständig deaktiviert sind. Eine derartige rollierende Zylinderabschaltung mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum in einem Teillastbetrieb betrieben wird. In diesem Fall können jeweils abwechselnd entweder die zwei Zylinder des ersten Zylinderpaares oder die zwei Zylinder des zweiten Zylinderpaares aktiviert und deaktiviert bzw. abgeschaltet werden.
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Darüber hinaus kann mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch nur jeweils ein Zylinder eines Zylinderpaares deaktiviert werden, d.h. ein 3-Zylinderbetrieb der Brennkraftmaschine realisiert werden, indem nur die Gruppen-EV-Verstellvorrichtung und die Gruppen-AV-Verstellvorrichtung eines Zylinderpaares betätigt wird. So kann durch eine wechselweise Deaktivierung nur eines Zylinders einem zu starken Auskühlen von jeweils zwei deaktivierten Zylindern entgegengewirkt werden.
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Mit der Erfindung kann - unabhängig davon, ob der temporäre 2-Zylinderbetrieb oder 3-Zylinderbetrieb realisiert wird, das Risiko verringert werden, dass sich aufgrund einer längeren Betriebsphase mit Stillstand eines Zylinders oder zweier Zylinder durch einen resultierenden Druckabbau im Zylinder Öl in den Brennraum gefördert wird.
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Der Vollständigkeit halber wird explizit darauf hingewiesen, dass sich die Zuordnung der Zylinder zu der ersten Gruppe bzw. zu der zweiten Gruppe von der Zuordnung der jeweiligen Zylinder zu dem ersten Zylinderpaar und dem zweiten Zylinderpaar unterscheiden kann, d.h. eine erste Gruppe von Zylindern muss nicht zwangsläufig durch ein Zylinderpaar gebildet sein, sondern kann sich auch aus zwei einzelnen Zylindern zweier Zylinderpaare zusammensetzen. Umgekehrt ist es aber nicht ausgeschlossen, dass ein Zylinderpaar eine erste Gruppe bildet und ein zweites Zylinderpaar eine zweite Gruppe bildet. Daraus resultiert eine hohe Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Nullhubnocken aller EV-Nockeneinheiten und/oder die Nullhubnocken aller AV-Nockeneinheiten für sämtliche Zylinder jeweils in einer Außenposition der entsprechenden Nockeneinheit angeordnet. Vorzugsweise sind die Nullhubnocken der EV-Nockeneinheiten und/oder die Nullhubnocken der AV-Nockeneinheiten des ersten Zylinderpaares auf einer in Axialrichtung der Einlassnockenwelle betrachtet anderen Seite der entsprechenden EV-Nockeneinheiten angeordnet als die Nullhubnocken der EV-Nockeneinheiten und/oder die Nullhubnocken der AV-Nockeneinheiten des zweiten Zylinderpaares. Wenn sämtliche Nullhubnocken in einer Außenposition der entsprechenden Nockeneinheit angeordnet sind, kann eine wechselweise Deaktivierung jeweils des ersten Zylinderpaares und des zweiten Zylinderpaares durch Verschiebung der entsprechenden Nockeneinheiten jeweils um einen Betätigungsnocken derart erfolgen, dass in einem ersten Betriebsmodus das erste Zylinderpaar deaktiviert ist und in einem zweiten Betriebsmodus das zweite Zylinderpaar deaktiviert ist und wobei für ein Umschalten von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus oder für ein Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus die Brennkraftmaschine in einer Zwischenphase mit vier Zylindern in einem Standardmodus betrieben wird. Das heißt, in der genannten Zwischenphase wird die Brennkraftmaschine im 4-Zylinderbetrieb betrieben, und es ist kein Zylinder deaktiviert. Ein derartiger Betrieb der Brennkraftmaschine hat den Vorteil, dass die gerade erst aktivierten, zum Teil schon abgekühlten Zylinder in der Zwischenphase in einem Standardmodus zunächst mit weniger Last (je Zylinder) betrieben werden und daher eine vergleichsweise langsame Temperaturerhöhung erfahren, was sich positiv auf den Verschleiß auswirkt. Insbesondere eignet sich diese Konfiguration für einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mit dieser Konfiguration der EV-Nockeneinheiten bzw. AV-Nockeneinheiten eine unmittelbare Umschaltung von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus erzielt werden kann, wenn die Verschiebung der jeweiligen Nockeneinheiten in Bezug auf die jeweilige Drehzahl der Nockenwellen ausreichend schnell in axialer Richtung erfolgt. Eine derartige unmittelbare Umschaltung erfordert daher relativ schnell schaltende und somit „steile“ Kulissen mit großen Umlenkradien und/oder diese Möglichkeit der Umschaltung ist auf einen Betrieb der Hubkolbenmaschine bei niedrigen Drehzahlen beschränkt.
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Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Anordnung sind in einer anderen praktischen Ausführungsform die Nullhubnocken aller EV-Nockeneinheiten und/oder die Nullhubnocken aller AV-Nockeneinheiten für das erste Zylinderpaar zwischen zwei anderen Betätigungsnocken der entsprechenden Nockeneinheit angeordnet. Ferner sind die Nullhubnocken aller EV-Nockeneinheiten und/oder die Nullhubnocken aller AV-Nockeneinheiten für das zweite Zylinderpaar jeweils in einer Außenposition der entsprechenden Nockeneinheit angeordnet. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht eine unmittelbare Umschaltung zwischen einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welchem ein erstes Zylinderpaar deaktiviert ist, und einem zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welchem das zweite Zylinderpaar deaktiviert ist, und zwar unabhängig von der jeweiligen Drehzahl, denn es ist zum Umschalten nur ein geringer axialer Verschiebeweg erforderlich. Unter einer unmittelbaren Umschaltung wird eine Umschaltung verstanden, die einen Wechsel des Betriebsmodus vom ersten in den zweiten Betriebsmodus oder umgekehrt ohne zwischenzeitliches Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Zwischenmodus ermöglicht. Dies ist insbesondere bei hohen Drehzahlen nur möglich, wenn an einer AV-Nockeneinheit bzw. EV-Nockeneinheit mittels der entsprechenden Ventiltriebverstellvorrichtung zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Betätigungsnocken umgeschaltet wird. Diese Ausführungsform eignet sich insoweit insbesondere für Brennkraftmaschinen, welche überwiegend bei niedrigen Drehzahlen und bei niedriger Last betrieben werden. Ansonsten sollten die Intervalle kurz gehalten werden, um zu starke Temperaturschwankungen zwischen Deaktivierung und Reaktivierung von ein oder mehreren Zylindern zu vermeiden.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform sind die vier Zylinder in einer Zylinderreihe angeordnet. Dabei ist das erste Zylinderpaar durch den ersten Zylinder und den vierten Zylinder der Zylinderreihe gebildet, und das zweite Zylinderpaar ist durch den zweiten Zylinder und den dritten Zylinder der Zylinderreihe gebildet. In diesem Fall erfolgt jeweils eine Deaktivierung der beiden inneren Zylinder, das heißt des zweiten und des dritten Zylinders, wobei die beiden äußeren, d.h. der erste und der vierte Zylinder, aktiviert sind. Wechselweise dazu sind die beiden äußeren Zylinder deaktiviert und die beiden inneren Zylinder aktiviert. Die Zuordnung der Zylinderpaare in ein inneres Paar und ein äußeres Paar ist insbesondere in Verbindung mit den heute häufig eingesetzten Zündfolgen von entsprechenden Brennkraftmaschine vorteilhaft.
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In diesem Zusammenhang wird nochmals betont, dass die Zuordnung der Zylinder zu dem ersten Zylinderpaar und zu dem zweiten Zylinderpaar auch abweichend von der vorstehend beschriebenen Zuordnung sein kann. Beispielsweise können der erste Zylinder und der zweite Zylinder das erste Zylinderpaar bilden und der dritte und vierte Zylinder das zweite Zylinderpaar bilden. Alternativ können auch der erste und der dritte Zylinder das erste Zylinderpaar bilden und der zweite und vierte Zylinder das zweite Zylinderpaar bilden. Die Zuordnung der Zylinder zu den Zylinderpaaren hängt alleine von der Anordnung der Nullhubnocken in Bezug auf die jeweilige Nockeneinheit ab; jeweils Zylinder mit einer identischen Anordnung von Nullhubnocken in einer Nockeneinheit bilden ein Zylinderpaar.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zylinder in einer Zylinderreihe angeordnet, wobei die erste Gruppe aus Zylindern durch den ersten Zylinder und den zweiten Zylinder gebildet ist und wobei die zweite Gruppe aus Zylindern durch den dritten Zylinder und den vierten Zylinder gebildet ist. Insofern werden die Einlassventile des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders mittels einer gemeinsamen Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung und die Auslassventile des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders jeweils mittels einer gemeinsamen Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung verstellt. Analog dazu werden die Einlassventile und Auslassventile des dritten Zylinders und des vierten Zylinders gemeinsam mit den diesen zugeordneten jeweiligen Ventiltriebverstellvorrichtungen verstellt. Insbesondere sind jeweils die dem ersten Zylinder und die dem zweiten Zylinder zugeordneten EV-Nockeneinheiten funktional miteinander gekoppelt oder einstückig ausgebildet, insbesondere in bekannter Art und Weise über eine geeignete Schiebeeinheit. Ebenso sind auch die dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder zugeordneten AV-Nockeneinheiten funktional oder unmittelbar miteinander verbunden. Analog dazu sind die Nockeneinheiten des dritten Zylinders und des vierten Zylinder auf entsprechende Art und Weise miteinander gekoppelt. Insgesamt werden damit nur zwei Ventiltriebverstellvorrichtungen pro Nockenwelle zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine benötigt.
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Wenn mehrere - und insbesondere zwei - Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtungen und zwei Gruppen AV-Ventiltriebverstellvorrichtungen vorgesehen sind, können die Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtungen und die Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtungen insbesondere auch jeweils unabhängig voneinander verstellt werden, so dass jeweils nur die Nockeneinheiten einer Gruppe aus Zylindern verstellt werden. Insgesamt kann so ein 3-Zylinderbetrieb der Brennkraftmaschine realisiert werden.
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Wenn die erste Gruppe aus zwei - insbesondere benachbarten - Zylindern und die zweite Gruppe aus zwei - insbesondere benachbarten - Zylindern zu einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sind und sämtliche EV-Nockeneinheiten mittels einer gemeinsamen Einheit-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung und/oder sämtliche AV-Nockeneinheiten mittels einer gemeinsamen Einheit-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung verstellbar sind, so wird jeweils für die EV-Nockeneinheiten und die AV-Nockeneinheiten nur eine Ventiltriebverstellvorrichtung benötigt. Damit können die Herstellungskosten und der Montageaufwand gering gehalten werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine, wobei für eine rollierende Zylinderabschaltung in bestimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine wechselweise mindestens ein Zylinder abgeschaltet wird. Vorzugsweise werden wechselweise mindestens zwei Zylinder abgeschaltet bzw. deaktiviert. Dabei wird die Brennkraftmaschine insbesondere dann mit einer rollierenden Zylinderabschaltung betrieben, wenn die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum nur in Teillast betrieben wird, insbesondere dann, wenn in einem rollierenden Betrieb die für die Teillast erforderliche Leistung von jeweils zwei Zylindern bereitgestellt werden kann, so dass zwei Zylinder temporär in einem effizienten Betriebspunkt betrieben und die zwei anderen Zylinder temporär abgeschaltet werden können. Insgesamt kann durch eine solche rollierende Zylinderabschaltung nicht der Kraftstoffverbrauch minimiert werden, da nur in die Brennräume aktivierter Zylinder Kraftstoff eingespritzt wird. Aufgrund der rollierenden Zylinderabschaltung und der daraus resultierenden wechselweisen Abschaltung kann auch einer starken Auskühlung der jeweils deaktivierten Zylinder entgegengewirkt werden.
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Bei der Realisierung der rollierenden Zylinderabschaltung kann eine unmittelbare Umschaltung zwischen einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welchem ein erstes Zylinderpaar abgeschaltet ist, und einem zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welchem ein zweites Zylinderpaar abgeschaltet ist, realisiert werden. Damit ist insbesondere eine Umschaltung ohne Zwischenphase gemeint, in welcher temporär nochmals alle vier Zylinder aktiviert sind. Dies erfolgt vorzugsweise durch geeignete Anordnung der jeweiligen Nocken, so dass eine Umschaltung durch Verschiebung der jeweiligen Nockeneinheiten um nur einen Betätigungsnocken ausreichend ist, um den Umschaltvorgang zu bewirken.
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Alternativ kann zur Realisierung der rollierenden Zylinderabschaltung eine Umschaltung zwischen einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welcher ein erstes Zylinderpaar abgeschaltet ist, und einem zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, in welchem ein zweites Zylinderpaar abgeschaltet ist, derart erfolgen, dass für ein Umschalten von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus oder für ein Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus, die Brennkraftmaschine in einer Zwischenphase mit vier Zylindern betrieben wird. Eine solche Umschaltung von zwei aktivierten Zylindern auf vier aktivierte Zylinder und dann wiederum auf zwei andere aktivierte Zylinder ist besonders verschleißarm, da die gerade aktivierten Zylinder erst zusammen mit den bereits aktivierten Zylindern betrieben werden, und so zunächst nur eine geringere Arbeit verrichten müssen. Erst nachdem die zwei reaktivierten Zylinder sanft vorgewärmt wurden, werden dann die anderen zwei Zylinder abgeschaltet. Insbesondere wird ein solches Umschalten für Betriebsphasen der Brennkraftmaschine verwendet, in welchen die Brennkraftmaschine mit höheren Drehzahlen und vergleichsweise hoher Last, aber dennoch in einem Teillastbetrieb betrieben wird.
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Die Umschaltung zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus kann beispielsweise zyklisch nach Zeitablauf erfolgen, insbesondere stets wenn die Grundvoraussetzungen für die beiden Betriebsmodi vorliegen, z.B. nach einem festgelegten Zeitraum von einigen Sekunden, z.B. 5 Sekunden, 10 Sekunden, 20 Sekunden oder 30 Sekunden oder nach einem etwas längeren Zeitraum von beispielsweise 60 Sekunden, 90 Sekunden, 120 Sekunden, 180 Sekunden, 240 Sekunden oder 300 Sekunden. Die Umschaltung kann auch nach Takten oder Umdrehungen der Kurbelwelle gesteuert sein, beispielsweise nach 100 Takten, 150 Takten, 500 Takten oder 1000 Takten oder nach 100 Umdrehungen der Kurbelwelle, 200 Umdrehungen, 300 Umdrehungen, 500 Umdrehungen oder 1000 Umdrehungen. Derartige Zeitfenster haben sich als sinnvoll herausgestellt, um einem für die Haltbarkeit unerwünschten Auskühlen deaktivierter Zylinder entgegenzuwirken.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Zylinder in einer Zylinderreihe angeordnet, und es werden wechselweise die beiden inneren Zylinder und die beiden äußeren Zylinder abgeschaltet bzw. deaktiviert. Eine solche Aktivierung bzw. Deaktivierung der Zylinder ist insbesondere in Bezug mit den aktuell in Brennkraftmaschinen üblicherweise verwendeten Zündfolgen von Brennkraftmaschinen sinnvoll.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus mit zwei deaktivierten Zylindern in einer schematischen Darstellung,
- 2 die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine aus 1 mit vier aktivierten Zylindern in einer schematischen Darstellung,
- 3 die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine aus 1 und 2 in einem zweiten Betriebsmodus mit zwei anderen deaktivierten Zylindern in einer schematischen Darstellung und
- 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus mit zwei deaktivierten Zylindern in einer schematischen Darstellung.
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In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst vier Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d, welche in einer Zylinderreihe angeordnet sind. Jeder Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d weist ein erstes Einlassventil 14 und ein zweites Einlassventil 16 auf, die hier nur schematisch durch entsprechende Pfeile dargestellt sind. Zur Betätigung der ersten Einlassventile 14 und der zweiten Einlassventile 16 ist eine Einlassnockenwelle 18 vorgesehen, welche für jedes Einlassventil 14, 16 eine zugeordnete EV-Nockeneinheit 20 aufweist.
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Jede EV-Nockeneinheit 20 weist vorliegend drei EV-Betätigungsnocken 22 auf. Die drei EV-Betätigungsnocken 22 sind in dieser Ausführungsform einstückig ausgebildet, können aber alternativ auch mehrstückig hergestellt sein. Einer der drei EV-Betätigungsnocken 22 ist ein Nullhubnocken 24, welcher über seinen Umfang betrachtet keine nockenartige Erhebung aufweist. Die anderen beiden EV-Betätigungsnocken 22 sind als Vollhubnocken 26 ausgebildet und bewirken im aktivierten Zustand einen Vollhub an dem korrespondierenden Einlassventil 14, 16. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass es sich bei einem oder zwei der EV-Betätigungsnocken 22 auch um EV-Betätigungsnocken 22 in Form von Teilhubnocken handeln kann, die nur einen Teilhub an dem korrespondierenden Einlassventil 16, 18 bewirken.
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Jeder Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d weist zudem ein erstes Auslassventil 28 und ein zweites Auslassventil 30 auf, wobei zur Betätigung der ersten Auslassventile 28 und der zweiten Auslassventile 30 eine Auslassnockenwelle 32 vorgesehen ist, welche für jedes Auslassventil 28, 30 eine zugeordnete AV-Nockeneinheit 34 aufweist. Die Auslassventile 28, 30 sind vorliegend nur schematisch durch entsprechende Pfeile dargestellt.
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Jede AV-Nockeneinheit 34 weist vorliegend drei AV-Betätigungsnocken 36 auf, wobei die drei AV-Betätigungsnocken 36 einstückig ausgebildet sind. Bei einer der drei AV-Betätigungsnocken 36 handelt es sich jeweils um einen Nullhubnocken 38, welcher über den Umfang betrachtet keine Erhebung aufweist. Die anderen beiden AV-Betätigungsnocken 36 sind als Vollhubnocken 40 ausgebildet und bewirken im aktivierten Zustand an dem korrespondierenden Auslassventil 28, 30 einen Betätigungshub in Form mindestens eines vollständigen Hubes (Vollhub), d.h. eines Hubes mit der maximal für diese Brennkraftmaschine 10 vorgesehenen Hublänge.
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Die Auslassnockenwelle 32 erstreckt sich in Axialrichtung zwischen einem von einer nicht dargestellten Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad 42 und einem Koppelrad 44, welches die parallel zur Auslassnockenwelle 32 angeordnete Einlassnockenwelle 18 antreibt.
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Die EV-Nockeneinheiten 20 sind drehfest mit der Einlassnockenwelle 18 verbunden und gegenüber der Einlassnockenwelle 18 verschiebbar angeordnet. Die AV-Nockeneinheiten 34 sind ebenfalls drehfest mit der Auslassnockenwelle 32 verbunden und gegenüber der Auslassnockenwelle 32 verschiebbar angeordnet.
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In der in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform sind der erste Zylinder 12a der Zylinderreihe und der zweite Zylinder 12b der Zylinderreihe einer ersten Gruppe 46 zugeordnet (mittels einer geschweiften Klammer gekennzeichnet). Die dieser ersten Gruppe 46 zugeordneten EV-Betätigungsnocken 22 sind mittels einer gemeinsamen Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung 48 in Axialrichtung der Einlassnockenwelle 18 als eine Funktionseinheit (und somit als Ganzes) verschiebbar und damit gegenüber den korrespondierenden Einlassventilen 14, 16 verstellbar. Die dieser ersten Gruppe 46 zugeordneten AV-Betätigungsnocken 36 sind mittels einer gemeinsamen Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung 50 als Funktionseinheit in Axialrichtung der Auslassnockenwelle 32 verschiebbar und damit gegenüber den korrespondierenden Auslassventilen 28, 30 verstellbar.
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Der dritte Zylinder 12c und der vierte Zylinder 12d in der Zylinderreihe sind einer zweiten Gruppe 52 aus benachbarten Zylindern zugeordnet (mittels einer geschweiften Klammer gekennzeichnet). Die dieser zweiten Gruppe 52 zugeordneten EV-Betätigungsnocken 22 sind jeweils mittels einer gemeinsamen Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung 48 als eine weitere Funktionseinheit verstellbar. Die dieser zweiten Gruppe zugeordneten AV-Betätigungsnocken 36 sind ebenfalls mittels einer gemeinsamen Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung 50 als Funktionseinheit verstellbar.
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Alle EV-Betätigungsnocken 22, die über eine gemeinsame Gruppen-EV-Ventilbtriebverstellvorrichung 48 betätigt werden, und alle AV-Betätigungsnocken 36, die über eine gemeinsame Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung 50 betätigt werden, sind funktional zu einer Funktionseinheit miteinander gekoppelt und/oder einstückig ausgebildet.
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Jede Ventiltriebverstellvorrichtung 48, 50 umfasst ein Stellglied bzw. einen Aktuator 54 und eine Kulisse 56. Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, weist die gezeigte Brennkraftmaschine 10 nur zwei Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtungen 48 und zwei Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtungen 50 auf.
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Der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d der Zylinderreihe bilden ein erstes Zylinderpaar 58. Bei dem ersten Zylinderpaar 58 sind die Nullhubnocken 24 der Einlassnockenwelle 18 in Bezug auf die EV-Nockeneinheiten 20 und die Nullhubnocken 38 der Auslassnockenwelle 32 in Bezug auf die AV-Nockeneinheiten 34 jeweils an der gleichen Außenposition angeordnet, in diesem Ausführungsbeispiel jeweils in Axialrichtung der jeweiligen Nockenwelle 18, 32 betrachtet linksseitig.
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Der zweite Zylinder 12d und der dritte Zylinder 12c der Zylinderreihe bilden ein zweites Zylinderpaar 60. Die diesem zweiten Zylinderpaar 60 zugeordneten Nullhubnocken 24, 38 sind jeweils auf einer gegenüberliegenden Außenposition zu den Nullhubnocken 24, 38 des ersten Zylinderpaares 58 angeordnet, hier jeweils rechtsseitig.
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Die Zuordnung der Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d zu den jeweiligen Gruppen 46, 52 unterscheidet sich in diesem Ausführungsbeispiel insoweit von der Zuordnung der Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d zu den Zylinderpaaren 58, 60.
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Im Folgenden werden die verschiedenen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine 10 erläutert. Dabei sind zur Verbesserung der Übersicht die jeweils in dem Betriebsmodus aktivierten Betätigungsnocken 22, 36 - d.h. die Betätigungsnocken, welche das korrespondierende Einlassventil 14, 16 oder das korrespondierende Auslassventil 28, 30 tatsächlich betätigen - mit einer dickeren Linie dargestellt.
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In 1 ist ein erster Betriebsmodus der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10 dargestellt. In diesem ersten Betriebsmodus sind der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d aktiviert, welche zusammen das erste Zylinderpaar 58 bilden. Den jeweiligen Einlassventilen 14, 16 und Auslassventilen 28, 30 des ersten Zylinderpaares 58 ist ein Vollhubnocken 26, 40 zugeordnet. Der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c, welche vorliegend das zweite Zylinderpaar 60 bilden, sind hier deaktiviert. Den jeweiligen Einlassventilen 14, 16 und Auslassventilen 28, 30 des zweiten Zylinderpaares 60 ist jeweils der Nullhubnocken 24, 38 zugeordnet. Es sind jeweils der rechte EV-Betätigungsnocken 22 aller EV-Nockeneinheiten und jeweils der rechte AV-Betätigungsnocken 36 aller AV-Nockeneinheiten 34 aktiv.
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In 2 ist die Brennkraftmaschine 10 in einem Standardmodus gezeigt, in welchem alle vier Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d aktiviert sind. Gegenüber dem ersten Betriebsmodus in 1 sind die EV-Betätigungsnocken 22 und die AV-Betätigungsnocken 36 der ersten Gruppe 46 und der zweiten Gruppe 52 in axialer Richtung der entsprechenden Nockenwelle 18, 32 betrachtet um einen EV-Betätigungsnocken 22 bzw. einen AV-Betätigungsnocken 36 nach rechts verschoben.
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Es sind jeweils der mittlere EV-Betätigungsnocken 22 aller EV-Nockeneinheiten und jeweils der mittlere AV-Betätigungsnocken 36 aller AV-Nockeneinheiten 34 aktiv. In diesem Betriebsmodus ist sämtlichen Einlassventilen 14, 16 und sämtlichen Auslassventilen 28, 30 ein Vollhubnocken 26, 40 zugeordnet.
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In 3 ist ein zweiter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 dargestellt, in welchem sowohl die EV-Betätigungsnocken 22 als auch die AV-Betätigungsnocken 36 der ersten Gruppe 46 und der zweiten Gruppe 52 in axialer Richtung der Nockenwelle 18, 32 betrachtet gegenüber dem in 2 gezeigten Betriebsmodus einen Betätigungsnocken 22, 36 weiter nach rechts verschoben sind. Es sind somit jeweils der links angeordnete EV-Betätigungsnocken 22 aller EV-Nockeneinheiten und jeweils der links angeordnete AV-Betätigungsnocken 36 aller AV-Nockeneinheiten 34 aktiv. In diesem zweiten Betriebsmodus sind der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d deaktiviert, d.h. das erste Zylinderpaar 58 ist deaktiviert. Den jeweiligen Einlassventilen 14, 16 und Auslassventilen 28, 30 des ersten Zylinderpaares 58 ist in diesem zweiten Betriebsmodus ein Nullhubnocken 24, 38 aktiv zugeordnet. Den jeweiligen Einlassventilen 14, 16 und Auslassventilen 28, 30 des zweiten Zylinderpaares 60 ist ein Vollhubnocken 26, 40 zugeordnet, so dass der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c, welche vorliegend das zweite Zylinderpaar 60 bilden, in diesem zweiten Betriebsmodus aktiviert sind.
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Die in 1 bis 3 gezeigte erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10 kann insbesondere in Teillast derart betrieben werden, dass jeweils zwei Zylinder 12a, 12d (d.h. das erste Zylinderpaar 58) oder 12b, 12c (d.h. das zweite Zylinderpaar 60) abgeschaltet sind. Eine rollierende Zylinderabschaltung kann mit der Brennkraftmaschine 10 dann durch wechselweises Betreiben in dem in 1 visualisierten ersten Betriebsmodus, in welchem der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c deaktiviert sind, ggf. über den in 2 gezeigten Standardmodus, in welchem alle vier Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d aktiviert sind, und dem in 3 visualisierten zweiten Betriebsmodus, in welchem der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d deaktiviert sind, realisiert werden. Es erfolgt insofern entweder eine unmittelbare Umschaltung von zwei aktiven Zylindern 12a, 12d und zwei passiven Zylindern 12b, 12c oder umgekehrt. Oder es kann optional in einer Zwischenphase ein Standardbetrieb mit vier aktiven Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d gefahren werden. Zwischen diesen drei Betriebsmodi kann auch beliebig anders bedarfsweise umgeschaltet werden. Ein wechselweises Betreiben des ersten Betriebsmodus und des zweiten Betriebsmodus - mit oder ohne Zwischenphase - ist insbesondere für längere Teillastbetriebsphasen sehr effizient und die Langlebigkeit der Brennkraftmaschine fördernd.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Es wird im Folgenden primär auf die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform eingegangen. Im Übrigen werden zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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Die zweite Ausführungsform in 4 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Anordnung der Nullhubnocken 24, 38 in den entsprechenden Nockeneinheiten 20, 34.
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In dieser Ausführungsform bilden wiederum der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d der Zylinderreihe ein erstes Zylinderpaar 58. Die Nullhubnocken 24 der EV-Nockeneinheiten 20 des ersten Zylinderpaares 58 sind jeweils in einer mittleren Position angeordnet, d.h. jeweils zwischen einem linken Vollhubnocken 26 und einem rechten Vollhubnocken 26. Die Nullhubnocken 38 der AV-Nockeneinheiten 34 des ersten Zylinderpaares 58 sind ebenfalls jeweils zwischen den zwei Vollhubnocken 40 in einer mittleren Position angeordnet, d.h. zwischen einem linken Vollhubnocken 40 und einem rechten Vollhubnocken 40.
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Der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c bilden wiederum ein zweites Zylinderpaar 60. Bei diesem zweiten Zylinderpaar 60 sind die Nullhubnocken 24 der EV-Nockeneinheiten 20 jeweils in einer Außenposition angeordnet, nämlich jeweils in einer rechten Außenposition. Wie in 4 gut zu erkennen ist, sind auch die Nullhubnocken 38 der AV-Nockeneinheiten 34 des zweiten Zylinderpaares 60 jeweils in einer Außenposition angeordnet, nämlich ebenfalls in einer rechten Außenposition.
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In dem in 4 gezeigten ersten Betriebsmodus sind der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d aufgrund des jeweils aktivierten Nullhubnockens des ersten Zylinderpaares 58 deaktiviert. Der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c sind aktiviert.
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Durch Verschiebung der EV-Nockeneinheiten 20 und der AV-Nockeneinheiten 34 - ausgehend von dem in 4 visualisierten Modus - relativ zu der korrespondierenden Nockenwelle 18, 32 um einen Betätigungsnocken 22, 36 nach rechts können in einem zweiten Betriebsmodus der erste Zylinder 12a und der vierte Zylinder 12d aktiviert und der zweite Zylinder 12b und der dritte Zylinder 12c deaktiviert werden.
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Durch Verschiebung der EV-Nockeneinheiten 20 und der AV-Nockeneinheiten 34 - ausgehend von dem in 4 visualisierten Modus - relativ zu der korrespondierenden Nockenwelle 18, 32 um einen Betätigungsnocken 22, 36 nach links können in einem Standardmodus alle vier Zylinder 12a, 12b, 12c, 12d aktiv geschaltet und somit befeuert werden.
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Diese zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10 kann insbesondere derart betrieben werden, dass von einem ersten Betriebsmodus, in welchen zwei Zylinder 12a, 12d oder 12b, 12c abgeschaltet sind, weitestgehend unabhängig von der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar in einen zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden kann, in welchem zwei andere Zylinder 12b, 12c oder 12a, 12d abgeschaltet sind. Für die Umschaltung von dem ersten Betriebsmodus mit zwei aktivierten Zylindern in den zweiten Betriebsmodus mit zwei anderen aktivierten Zylindern, ist somit nur ein axiales Verfahren um einen EV-Betätigungsnocken 22 bzw. AV-Betätigungsnocken 36 erforderlich. Die Umschaltung von einem Betrieb mit zwei Zylindern zurück in den Standardmodus mit vier aktivierten Zylindern 12a, 12b, 12c, 12d erfolgt dann vorzugsweise aus der mittleren Position, in welcher das erste Zylinderpaar 58 deaktiviert ist oder bei einer ausreichend geringen Drehzahl, die ein axiales Umschalten um zwei EV-Betätigungsnocken 22 bzw. um zwei AV-Betätigungsnocken 36 in axialer Richtung zulässt.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12a, 12b, 12c, 12d
- Zylinder
- 14
- erstes Einlassventil
- 16
- zweites Einlassventil
- 18
- Einlassnockenwelle
- 20
- EV-Nockeneinheit
- 22
- EV-Betätigungsnocken
- 24
- Nullhubnocken
- 26
- Vollhubnocken
- 28
- erstes Auslassventil
- 30
- zweites Auslassventil
- 32
- Auslassnockenwelle
- 34
- AV-Nockeneinheit
- 36
- AV-Betätigungsnocken
- 38
- Nullhubnocken
- 40
- Vollhubnocken
- 42
- Antriebsrad
- 44
- Koppelrad
- 46
- erste Gruppe
- 48
- Gruppen-EV-Ventiltriebverstellvorrichtung
- 50
- Gruppen-AV-Ventiltriebverstellvorrichtung
- 52
- zweite Gruppe
- 54
- Stellglied / Aktuator
- 56
- Kulisse
- 58
- erstes Zylinderpaar
- 60
- zweites Zylinderpaar
