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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Kipphebelanordnung für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Kipphebel, der auf einer Kipphebelachse mit einem ventilseitigen Hebel zum Betätigen zumindest eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine und mit einem betätigungsseitigen Hebel zum schwenkbeweglichen Antrieb durch eine Nockenwelle verschwenkbar angeordnet ist, wobei die Kipphebelanordnung in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem die Kipphebelachse ortsfest angeordnet ist.
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Im Stand der Technik sind schaltbare Kipphebelanordnungen bekannt, wozu beispielsweise auf die
DE 10 2017 129 720 A1 hingewiesen wird. Der Kipphebel ist auf einer maschinenfesten Kipphebelachse gelagert und hat einen mit einer Nockenwelle in Verbindung stehenden Nockenarm sowie einen mit einem Gaswechselventil in Verbindung stehenden Ventilarm.
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Die
DE 10 2017 101 792 B4 zeigt eine andere Lösung für einen variablen Ventiltrieb. Dabei wird der Ventilhub der Gaswechselventile einer bestimmten Funktion jeweils durch mindestens einen Primärnocken und einen Sekundärnocken einer Nockenwelle vorgegeben sowie mittels eines schaltbaren Schlepphebels, der einen Primärhebel und einen Sekundärhebel aufweist, selektiv auf mindestens dieses Gaswechselventil der bestimmten Funktion übertragen.
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Eine weitere gattungsgemäße Lösung offenbart die
DE 10 2020 113 222 A1 . Hier sind zwei betätigungsseitige Hebel zum Antrieb verschwenkbar angeordnet ist, wobei die Hebel zueinander verschwenkbar auf der Kipphebelachse gelagert sind. Zum Schalten des Kipphebels sind ein erster betätigungsseitiger Hebel durch erste Koppelmittel zur Übertragung einer ersten Hubbewegung zur Ventilbetätigung und ein zweiter betätigungsseitiger Hebel durch zweite Koppelmittel zur Übertragung einer zweiten Hubbewegung zur Ventilbetätigung jeweils mit dem ventilseitigen Hebel koppelbar.
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Eine solche Kipphebelanordnung kann insbesondere zur Realisierung einer Motorbremsfunktion eingesetzt werden. In diesem Anwendungsfall entstehen bei der Betätigung des Auslassventils zur Erzeugung der Motorbremsfunktion sehr hoher Kräfte. Der bei der zuletzt genannten Lösung vorgesehene zweiteilige Kipphebel mit einer mechanischen Koppelung ist bei der Übertragung dieser Kräfte allerdings zu „weich“, Insoweit ergibt sich nachteilig, dass durch die für den genannten Anwendungsfall zu geringe Steifigkeit des zweiteiligen Kipphebels ein hoher Hubverlust bei der Übertragung der Nockenkontur auf das Motorventil entsteht. Zusätzlich werden die Bauteilspannungen durch die hohe Verformung in der Verriegelung und an den Kipphebeln zu hoch; daher können sich die Bauteile relativ stark verformen oder sogar brechen. Aus Bauraumgründen können die Teile allerdings nicht deutlich vergrößert oder verstärkt werden.
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Der erwähnte Hubverlust bei der Ventilsteuerung wird allgemein und auch nachfolgend als „Lost-Motion“ bezeichnet, da der vom Nocken vorgegebene Hub nicht mehr in vollem Umfang oder auch gar nicht mehr am Ventil ankommt.
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Bekannt sind auch hydraulisch arbeitende Lost-Motion-Elemente im Betätigungskipphebel des Auslassventils, um die Motorbremsfunktion zu realisieren. Hier werden die Lost-Motion-Elemente über einen hydraulischen Schaltkreis mit einem hydraulischen Schaltventil betätigt bzw. angesteuert. Der Schaltkreis ist in den Motorölkreislauf eingebunden. Hierdurch ergibt sich jedoch der Nachteil, dass insbesondere bei niedrigen Temperaturen nur eine eingeschränkte Funktion der Betätigung der Motorbremse gegeben ist. Erst ab einer Öltemperatur von über Null Grad Celsius ist die Funktionsfähigkeit des Motorbremssystems gewährleistet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kipphebelanordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass auch bei der Realisierung einer Motorbremsfunktion eine steife Konstruktion vorliegt, die die benötigte Funktionalität bietet. Dabei soll nur ein möglichst geringer Bauraum benötigt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht vor, dass im ventilseitigen Hebel ein Sitzabschnitt für die verschiebliche Aufnahme eines Kolbens ausgebildet ist, wobei der eine axiale Endbereich des Kolbens mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht, wobei der Kolben eine innere Sitzfläche aufweist, in der ein Innenkolben angeordnet ist, der mit dem ventilseitigen Hebel verbunden ist, wobei eine relative Verschieblichkeit zwischen Kolben und Innenkolben gegeben ist, wobei der Innenkolben einen ersten Ölraum aufweist und ein zweiter Ölraum zwischen dem Kolben und dem Innenkolben gebildet wird, wobei zwischen dem ersten Ölraum und dem zweiten Ölraum ein Ventil mit einem Sperrelement angeordnet ist, wobei ein elektromechanischer Aktuator mit einem mechanischen Betätigungselement angeordnet ist, wobei das Betätigungselement ausgebildet ist, um bei der Betätigung des elektromechanischen Aktuators direkt oder indirekt auf das Sperrelement zu drücken, so dass eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Ölraum und dem zweiten Ölraum hergestellt wird.
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Der elektromechanische Aktuator ist bevorzugt im Gehäuse ortsfest angeordnet. Insbesondere ist er im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet. Grundsätzlich kann der elektromechanische Aktuator zwar auch direkt auf dem Kipphebel platziert werden; dies erhöht allerdings nachteilig die Massenkräfte bei der Bewegung des Kipphebels.
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Das Betätigungselement ist bevorzugt ausgebildet, auf einen Übertragungsteller zu drücken, wobei der Übertragungsteller mit einem Übertragungsstift verbunden ist, der auf das Sperrelement drücken kann. Insofern wirkt das Betätigungselement des elektromechanischen Aktuators indirekt (nämlich mittels des Übertragungsstifts) auf das Sperrelement des Ventils.
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Der Übertragungsstift ist im ventilseitigen Hebel bevorzugt zwischen zwei Endpositionen verschieblich gelagert. Der Stift kann damit entlang seiner Längsachse im Hebel verschoben werden, wofür allerdings in beiden Verschieberichtungen eine Begrenzung vorgesehen ist.
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Die Begrenzung in die eine Verschieberichtung wird bevorzugt dadurch realisiert, dass eine der beiden Endpositionen des Übertragungsstifts durch eine Verdickung (d. h. insbesondere durch einen im Durchmesser vergrößerten Bund) des Übertragungsstifts definiert wird, wobei die Verdickung im ersten Ölraum angeordnet ist.
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Der Übertragungsstift ist bevorzugt mittels eines Federelements vorgespannt im ventilseitigen Hebel gelagert, wobei die Federvorspannung des Federelements den Übertragungsstift weg vom Sperrelement (d. h. in die eine Endlage) zieht.
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Das genannte Ventil ist bevorzugt als Kugelrückschlagventil und das Sperrelement folglich als Kugel ausgebildet, wobei eine Feder die Kugel gegen einen Ventilsitz vorspannt (und so elastisch vorgespannt in einer Geschlossen-Position hält).
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Der elektromechanische Aktuator ist bevorzugt als Hubmagnet ausgebildet.
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Im Unterschied zu der oben diskutierten vorbekannten Lösung zeichnet sich das vorgeschlagene Konzept dadurch aus, dass der ventilseitige Hebel und der betätigungsseitige Hebel bevorzugt einteilig miteinander ausgebildet sind, was einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht.
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Durch das vorgeschlagene Konzept kann eine Erhöhung der Bauteilsteifigkeit bei der Übertragung der Betätigungskräfte des Nockens auf das Auslass-Motorventil zum Öffnen gegen einen sehr hohen Zylinderinnendruck erreicht werden. Hiermit kann effektiv die Motorbremsfunktion realisiert werden.
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Hierdurch kann der oben genannte Funktionsnachteil (insbesondere bei der hydraulischen Realisierung der „Lost-Motion“-Funktion) eliminiert werden. Vielmehr ist eine elektromechanische Betätigung des Lost-Motion-Elements vorgesehen.
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Somit wird die „Lost-Motion“-Funktion durch die vorgeschlagene Ausgestaltung erreicht, die in ein hydraulisch arbeitendes Einsteckelement im ventilseitigen Hebel des Kipphebels (im Kontakt zum Motorventil) integriert ist.
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Das Konzept kommt insbesondere bei einem variablen Ventiltrieb zum Einsatz, wobei insbesondere der Anwendungsfall im Lastkraftwagen vorgesehen ist, wo die Funktionalität der Motorbremse besondere Bedeutung hat.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 in der Seitenansicht eine Kipphebelanordnung, wobei eine „Lost-Motion“-Funktion nicht aktiviert ist,
- 2 in der Darstellung gemäß 1 die Kipphebelanordnung, wobei die „Lost-Motion“-Funktion aktiviert ist und wobei sich der Kipphebel in einer noch nicht verschwenkten Position befindet, und
- 3 in der Darstellung gemäß 1 die Kipphebelanordnung, wobei die „Lost-Motion“-Funktion aktiviert ist und wobei sich der Kipphebel in einer verschwenkten Position befindet.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In den 1 bis 3 ist ein und dieselbe Kipphebelanordnung 1 skizziert, die lediglich in unterschiedlichen Funktionszuständen dargestellt ist. In den 2 und 3 sind dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit einige Bezugszeichen weggelassen; die in 1 angegebenen Bezugszeichen finden sich allerdings genauso in den 2 und 3 wieder.
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Die Kipphebelanordnung 1 umfasst einen Kipphebel 2, der in einem (nur sehr schematisch angedeuteten) Gehäuse 8 (Zylinderkopf) in einer Kipphebelachse 3 verschwenkbar gelagert ist. Der Kipphebel 2 umfasst einen ventilseitigen Hebel 4 und einen betätigungsseitigen Hebel 6, wobei die beiden Hebel 4 und 6 einstückig ausgebildet sind. Nur durch ein Bezugszeichen angedeutet ist ein Gaswechselventil 5, welches durch den ventilseitigen Hebel 4 beim Verschwenken des Kipphebels 2 betätigt wird; gleichermaßen nur schematisch durch ein Bezugszeichen angedeutet ist eine Nockenwelle 7, die den betätigungsseitigen Hebel 6 betätigt, d. h. verschwenkt.
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Im ventilseitigen Hebel 4 ist ein hydraulisches Einsteckelement angeordnet, welches insbesondere zum automatischen Ventilspielausgleich dienlich ist. Solche automatischen Ventilspielausgleichsysteme sind als solche bekannt.
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Die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich durch folgenden Aufbau aus:
- Im ventilseitigen Hebel 4 ist ein zylindrischer Sitzabschnitt 9 eingearbeitet, der zur Aufnahme eines Kolben 10 dient. Der Kolben 10 kann demgemäß entlang seiner Längsachse im Sitzabschnitt 9 verschoben werden. Der Kolben 10 weist eine innere Sitzfläche 11 auf, in die ein Innenkolben 12 eingesetzt ist. Der Innenkolben 12 ist allerdings fest im ventilseitigen Hebel 4 angeordnet. Der Kolben 10 kann, was nicht näher dargestellt ist, in seinem Sitzabschnitt 9 zwischen zwei Endpositionen verschoben werden.
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Der Innenkolben 12 weist einen ersten Ölraum 13 in seinem Inneren auf. Im Zusammenwirken des Innenkolbens 12 mit dem Kolben 10 wird zwischen den beiden Bauteilen 10 und 12 ein zweiter Ölraum 14 ausgebildet. Die beiden Ölräume 13 und 14 sind fluidisch miteinander verbunden, wobei in der Verbindung ein Kugelrückschlagventil 15 angeordnet ist. Dieses umfasst ein Sperrelement 16 in Form einer Kugel, die durch eine Feder 23 vorgespannt ist. Zu erwähnen ist noch eine Vorspannfeder 24 für den Kolben 10, die zwischen dem Kolben 10 und dem Innenkolben 12 wirkt.
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Durch die insoweit beschriebene Anordnung kann generell ein automatischer Ventilspielausgleich erfolgen, da der Kolben 10 relativ zum Innenkolben 12 und damit zum ventilseitigen Hebel 4 verschieblich ist.
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Wesentlich für die weitere Funktionalität ist, dass ein elektromechanischer Aktuator 17 in Form eines Hubmagneten mit einem mechanischen Betätigungselement 18 („Betätigungspin“) angeordnet ist. Das Betätigungselement 18 ist dabei so ausgebildet, dass es bei der Betätigung des elektromechanischen Aktuators 17 auf die Kugel (Sperrelement) 16 drückt, so dass eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Ölraum 13 und dem zweiten Ölraum 14 hergestellt wird. Das Betätigungselement 18 öffnet in diesem Falle also das Kugelrückschlagventil 15. Allerdings erfolgt die Öffnung des Ventils 15 nicht direkt durch das mechanische Betätigungselement 18, sondern indirekt dadurch, dass im ventilseitigen Hebel 4 ein Übertragungsstift 20 axial verschiedentlich gelagert ist, der an seinem dem Aktuator 17 zugewandten Ende einen Übertragungsteller 19 aufweist. Das Betätigungselement 18 drückt bei Betätigung des Aktuators 17 also auf den Übertragungsteller 19, wodurch der Übertragungsstift 20 axial verschoben wird. Letzterer drückt mit seinem vom Aktuator 17 entfernten Endbereich dann auf die Kugel 16 und öffnet so das Ventil 15.
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Da hierdurch Öl vom zweiten Ölraum 14 in den ersten Ölraum 13 gelangen kann, sinkt der Kolben 10 in den ventilseitigen Hebel 4 durch eine Verschiebung entlang des Sitzabschnitts 9 ein, so dass die Betätigung des Gaswechselventils 5 nicht mehr bzw. nicht in vollem Umfang erfolgt. Die gewünschte Motorbremsfunktion ist in diesem Zustand deaktiviert.
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Der Übertragungsstift 20 ist dabei in beiden axialen Richtungen in seiner Beweglichkeit relativ zum ventilseitigen Hebel 4 begrenzt. Die Begrenzung des Übertragungsstifts 20 nach „unten“ ist in den Figuren nur sehr schematisch angedeutet. Für die Begrenzung des Übertragungsstifts 20 nach „oben“ ist der Stift 20 mit einer Verdickung (Bund) 21 versehen, die sich im ersten Ölraum 13 befindet. Sobald die Verdickung 21 am oberen Ende des ersten Ölraums 13 anschlägt, ist die axiale Verschieblichkeit des Übertragungsstifts 20 nach oben begrenzt. Der Übertragungsstift 20 wird dabei vorgespannt in der in 1 dargestellten Position gehalten, wozu ein Federelement 22 dient.
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1 stellt die Situation dar, wenn die „Lost-Motion“-Funktion nicht aktiviert ist. Der Nockenhub wird in dieser Situation in vollem Umfang auf das Gaswechselventil übertragen.
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Demgegenüber zeigt 2 die Aktivierung des Aktuators 17, wodurch das Betätigungselement 18 über den Übertragungsteller 19 den Übertragungsstift 20 verschiebt und so das Ventil 15 durch Druck auf die Kugel 16 geöffnet wird. In dieser Situation wird der Nockenhub nicht mehr (in vollem Umfang) auf das Gaswechselventil übertragen.
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In 3 ist ergänzend dargestellt, dass der Kipphebel 2 bei Ansteuerung durch den Nocken der Nockenwelle 7 um einen Winkel in Richtung des Drehpfeils an der Kipphebelachse 3 verschwenkt, was es erforderlich macht, dass das Betätigungselement 18 der Schwenkbewegung folgt und nachgeführt wird. Zu erkennen ist in diesem Zusammenhang in 3, dass das axiale Ende des Betätigungselements 18 auf der Oberfläche des Übertragungstellers 19 etwas seitlich verrutscht, nachdem der Aktuator 17 ortsfest im Zylinderkopf angeordnet ist.
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Zu den hier maßgeblichen Größenordnungen sei folgendes angemerkt: Der Bremshub am Auslassventil ist zumeist mit 2 mm bis maximal 3 mm nicht sehr hoch, 2 mm Ventilhub ergeben einen Schenkwinkel (s. Drehpfeil in 3) des Kipphebels 2 von ca. 1,5 Grad. Somit beträgt der Funktionshub des Aktuators 17 im Beispielsfall 2 mm plus 0,6 mm, um die Kugel 16 des Rückschlagventils 15 aufzudrücken. Dies entspricht einer Hubbewegung des Betätigungselements 18 von ca. 2,6 mm. Da die Federkraft der Feder 23 an der Kugel 16 gering ist (ca. 0,5 N), reichen bereits relativ geringe Kräfte des Aktuators 17 aus, um das Betätigungselement 18 und entsprechend den Übertragungsstift 20 zu verschieben.
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Somit lässt sich zusammenfassend sagen, dass das Betätigungselement 18 vom Aktuator 17 betätigt wird und seine Bewegung auf den Übertragungsstift 20 überträgt; letzterer besitzt zwei Anschläge zur Hubbegrenzung (einer der Anschläge ist im Inneren des Hydraulikkolbens, d. h. im ersten Ölraum 13 und durch die Verdickung 21 realisiert). Die Rückstellfeder 22 zwischen dem Gehäuse des Kipphebels 2 und dem Übertragungsteller 19 am Übertragungsstift 20 hält den Übertragungsstift 20 in seiner Ausgangsstellung. Somit ist (bei der Situation gemäß 1) kein Kontakt zwischen dem Übertragungsstift 20 und der Kugel 16 des Rückschlagventils 15 gegeben. Eine normale Ventilspielausgleichsfunktion des hydraulischen Einsteckelements ist gewährleistet.
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Der Aktuator 17 ist zylinderkopffest angeordnet. Er kann in einem Trägerrahmen, der am Zylinderkopf verschraubt ist, eingebaut sein oder in einer Trägerplatte, die an der Kipphebelachse verschraubt ist, fixiert sein. Der Aktuator 17 ist elektrisch über eine (nicht dargestellte) Ansteuerelektronik ansteuerbar. Das hat zur Folge, dass bei einer Bestromung das Betätigungselement 18 des Aktuators 17 gegen den Übertragungsstift 20 ausfährt, d. h. bei einer Bestromung des Aktuators 17 wird der Übertragungsstift 20 gegen die Feder 23 des Ventils 15 ausgefahren.
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Der Hub des Übertragungsstifts 20 wird durch einen zweiten Anschlag zwischen einem Absatz am Übertragungsstift 20 und einem Absatz im Gehäuse des Kipphebels 2 definiert (in den Figuren nur schematisch angedeutet). Ist der Übertragungsstift 20 an seinem Anschlag ausgefahren, wird wie erläutert die Kugel 16 des Ventils 15 im Hochdruckraum aufgedrückt.
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Wenn jetzt ein Nockenhub auf das Motorventil übertragen werden soll, sinkt der Kolben 10 ab, so dass kein Nockenhub auf das Motorventil übertragen wird. Dieser Nockenhub kann beispielsweise als Motorbremshub ausgelegt sein. Der Motorbremshub betätigt das Auslassventil 5 kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens der Brennkraftmaschine und wird nur bei einer benötigten Bremsleistung des Fahrzeuges benötigt.
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Soll der Nockenhub indes wirken, wird der Aktuator 17 stromlos geschaltet, so dass das Federelement 22 den Übertragungsstift 20 in seinen (oberen) Anschlag in die Grundstellung zurückschiebt. Dadurch kann sich das Rückschlagventil 15 mit der Kugel 16 schließen und der Bremshub kann auf das Auslassventil übertragen werden.
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Zusätzlich ist auch eine Ventilabschaltung mit dem vorgeschlagenen System darstellbar. Dabei wird der Vollhub eines Nockens in der Funktion des „Lost-Motion“- Elements abgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kipphebelanordnung
- 2
- Kipphebel
- 3
- Kipphebelachse
- 4
- ventilseitiger Hebel
- 5
- Gaswechselventil
- 6
- betätigungsseitiger Hebel
- 7
- Nockenwelle
- 8
- Gehäuse
- 9
- Sitzabschnitt
- 10
- Kolben
- 11
- innere Sitzfläche des Kolbens
- 12
- Innenkolben
- 13
- erster Ölraum im Innenkolben
- 14
- zweiter Ölraum
- 15
- Ventil (Kugelrückschlagventil)
- 16
- Sperrelement (Kugel)
- 17
- elektromechanischer Aktuator (Hubmagnet)
- 18
- mechanisches Betätigungselement
- 19
- Übertragungsteller
- 20
- Übertragungsstift
- 21
- Verdickung (Bund) des Übertragungsstifts
- 22
- Federelement für den Übertragungsstift
- 23
- Feder des Ventils
- 24
- Vorspannfeder für Kolben
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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 102017129720 A1 [0002]
- DE 102017101792 B4 [0003]
- DE 102020113222 A1 [0004]
