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Die Erfindung betrifft eine Schaltbrücke für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem einen Ventiltrieb mit einer solchen Schaltbrücke sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb.
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Um eine möglichst hohe Flexibilität beim Betrieb einer Brennkraftmaschine erreichen zu können, rücken zunehmend Ventiltriebsapplikationen und Motorbremssysteme sowie auch die Möglichkeit einer Zylinderabschaltung in den Fokus, um beispielsweise einen Kraftstoffverbrauch in einem Teillastbetrieb optimieren zu können.
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Besonders parallele Anwendungen von Motorbremsbetrieb und Zylinderabschaltfunktion erwecken dabei zunehmendes Interesse. Systeme, basierend auf der Verschiebung eines Roll- oder Koppelbolzens mittels mechanischer Zwangsführung zur Nockenwelle, wie sie beispielsweise bei Nockenfolgern mit zumindest zwei wahlweise miteinander koppelbaren oder voneinander trennbaren Kipphebelarmen denkbar sind (connectable rocker arms), benötigen einen entsprechenden Nockenhub für die Initiierung des Schaltvorgangs. Dadurch ist der Einsatz von Nullhubronden, über welche beispielsweise eine Zylinderabschaltung bewirkt werden kann, limitiert. Alternativ sind selbstverständlich auch dreistufige Systeme, die zwischen einem befeuerten, einem Brems- und einem Abschaltmodus wechseln können, denkbar, diese sind jedoch komplex, bauraumkritisch und kostenintensiv. Bei sogenannten axial verstellbaren Nockenfolgern (shifting roller) ist eine Zylinderabschaltung unter Verwendung einer Nullhubronde generell nicht möglich.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Schaltbrücke für einen Ventiltrieb anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet und beispielsweise bei einem Ventiltrieb sowohl die Möglichkeit eines Bremshubes als auch die Möglichkeit einer Zylinderabschaltung bietet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Schaltbrücke für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit einem fixierbaren Kolben, der in einer fixierten oberen Endstellung eine Kraftübertragung von einer Nockenwelle auf ein zugehöriges Ventil bewirkt und in einer nicht verriegelten Stellung von einem Kipphebel federnd eingedrückt werden kann, ohne dabei das zugehörige Ventil zu betätigen. Die erfindungsgemäße Schaltbrücke für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine besitzt dabei einen Kolben, der in einem Zylinder der Schaltbrücke translatorisch geführt und mittels einer Feder in eine obere Endstellung vorgespannt ist. In der Schaltbrücke selbst ist zumindest ein radial nach innen federvorgespannter Riegelbolzen vorgesehen, der in einer ausgefahrenen Stellung in einen in dem Kolben angeordneten Radialzylinder eingreift und dadurch den Kolben fixiert und seine translatorische Verstellbarkeit aufhebt. Radial bedeutet in diesem Fall radial in Bezug auf eine Kolbenachse. Der Radialzylinder ist mit einem Ölzuführkanal verbunden, über den der Radialzylinder mit Öl beaufschlagbar ist. Der zumindest eine Riegelbolzen ist mittels Öldruck im Radialzylinder in eine eingefahrene Stellung nach außen in die Schaltbrücke drückbar und damit der Kolben hinsichtlich seiner translatorischen Verstellbarkeit freigebbar. Um somit eine Zylinderabschaltung zu ermöglichen, wird der Kolben über den Ölzuführkanal mit Öl beaufschlagt, woraufhin der steigende Druck des Öls im Radialzylinder ein nach außen Drücken des zumindest einen Riegelbolzens in seine eingefahrene Stellung bewirkt und dadurch den Kolben entriegelt, so dass dieser translatorisch verstellbar im Zylinder der Schaltbrücke bewegbar ist. Dabei ist der Kolben auch bei eingedrücktem Riegelbolzen mittels seiner Kolbenfeder in seine obere Endstellung vorgespannt und in dieser oberen Endstellung in Kontakt mit beispielsweise einem Kipphebel eines Ventiltriebs. Überträgt nun dieser Kipphebel durch eine ebenfalls mit dem Kipphebel wirkverbundene Nockenwelle eine Bewegung auf den Kolben, so wird dieser entgegen der Feder in den Zylinder eingedrückt, ohne dass dabei die Schaltbrücke, welche ihrerseits mit einem zugehörigen Ventil einer Brennkraftmaschine in Wirkkontakt steht, betätigt wird. Der Kipphebel bewegt somit lediglich den Kolben, nicht aber die Schaltbrücke oder das Ventil, wodurch eine Zylinderabschaltung möglich ist. Eine derartige Zylinderabschaltung ist insbesondere in einem Teillastbetrieb zwecks der Verschiebung der verbliebenen Zylinder in einen effizienteren Betriebspunkt von großem Vorteil. Während der Zeit des abgeschalteten Zylinders muss selbstverständlich, sofern vorhanden, eine Kraftstoffeinspritzung ebenfalls abgeschaltet sein. Eine derartige Zylinderabschaltung ermöglicht so ein besonders kraftstoffarmes Fahren im Teillastbetrieb. Wird an der Brennkraftmaschine mehr Last angefordert, so kann über ein entsprechendes Ventil, beispielsweise ein Magnet- oder Wechselventil, der Öldruck im Kolben bzw. im Radialzylinder, das heißt der auf den zumindest einen Riegelbolzen einwirkende Öldruck, reduziert werden, bis dieser so klein ist, dass die den Riegelbolzen betätigende Feder den Riegelbolzen nach innen verstellt, so dass dieser, sobald er die Möglichkeit des Eingreifens in seinen zugehörigen Radialkanal hat, in diesen eingeschoben wird und den Kolben hinsichtlich seiner translatorischen Verstellbarkeit fixiert, woraufhin der von der Nockenwelle angetriebene Kipphebel nun den fixierten Kolben und über diesen die Schaltbrücke betätigt, welche daraufhin die zugehörigen Ventile öffnet. Mit der erfindungsgemäßen Schaltbrücke ist es somit vergleichsweise einfach möglich, einen Fahr-, Brems- und Abschaltbetrieb kompatibel zu gestalten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltbrücke sind vier radial nach innen federvorgespannte Riegelbolzen vorgesehen, die in ihrer ausgefahrenen Stellung in jeweils einen zugehörigen und in dem Kolben angeordneten Radialzylinder eingreifen und dadurch den Kolben fixieren. Eine derartige Ausführungsform bietet eine gleichmäßige Verriegelung des Kolbens über seinen Umfang, wobei die einzelnen Riegelbolzen vorzugsweise um 90° versetzt zueinander in einer quer zur Achse des Kolbens verlaufenden Ebene angeordnet sind. Über einen Zentralraum, der mit sämtlichen Radialzylindern und damit mit sämtlichen Riegelbolzen in Wirkverbindung steht, ist ein gleichzeitiges Eindrücken der einzelnen Riegelbolzen möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltbrücke stützt sich der Kolben über die im Zylinder angeordnete Kolbenfeder an einem unten angeordneten Verschlusselement ab. Das im Einbauzustand unten angeordnete Verschlusselement sowie der im Einbauzustand oben angeordnete Kolben begrenzen dabei zusammen mit dem Zylinder einen Hohlraum, in welchem die Kolbenfeder angeordnet ist. Das Verschlusselement kann beispielsweise von unten in eine an einem unteren Teil des Zylinders angeordnete Verschraubung eingedreht werden, wobei je nach Schraubstellung eine Federspannung der Kolbenfeder einstellbar ist. Das Verschlusselement selbst hat vorzugsweise eine Drainageöffnung, insbesondere eine Ölablaufbohrung, so dass beispielsweise über den Ringkanal und einen Ringspalt zwischen den Riegelbolzen und den im Kolben hierfür vorgesehenen Führungen in den Kolben eindringendes Leckageöl nach unten abgeführt bzw. abgelassen werden kann.
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Zweckmäßig ist in dem Kolben eine Axialnut vorgesehen, in welche ein Führungselement eingreift und den Kolben gegen ein Verdrehen sichert. Das Führungselement kann dabei beispielsweise in der Art einer in der Zylinderwandung angeordneten Feder, insbesondere einer Passfeder oder eines Zylinderstifts ausgebildet sein, die in die kolbenseitige Axialnut eingreift und dadurch dem Kolben lediglich eine translatorische Verstellung erlaubt, jedoch kein Verdrehen. Hierdurch kann auch eine exakte Flucht zwischen Radialzylindern in dem Kolben und den Riegelbolzen (relevant für Montage und eventuelle Demontage; Verhindern) erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Dichtelement, beispielsweise ein Dichtring, angeordnet, das eine axiale Verstellung des Kolbens in Verstellrichtung erlaubt. Über das Dichtelement, welches in der Art eines Kolbendichtrings wirkt, kann eine Leckage an Öl zumindest reduziert werden.
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Der Ölzuführkanal kann darüber hinaus zumindest teilwiese in die Schaltbrücke integriert und über einen separaten Stutzen nach außen geführt sein. Hierdurch ist sowohl eine platzsparende und damit bauraumoptimierte als auch eine geschützte Anordnung des Ölzuführkanals möglich.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Schaltbrücke auszustatten. Ein derartiger Ventiltrieb bietet dabei den großen Vorteil, eine problemlose Kombination eines Fahr-, Brems- und Abschaltbetriebs zu ermöglichen und dies beispielsweise auch bei sogenannten Shifting Roller-Systemen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs verläuft der Ölzuführkanal zumindest teilweise in dem Kipphebel. Auch hierdurch ist sowohl eine platzsparende und damit bauraumoptimierte als auch eine geschützte Anordnung des Ölzuführkanals möglich.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem in dem vorherigen Absatz beschriebenen Ventiltrieb auszustatten, wobei die Brennkraftmaschine zusätzlich eine Nockenwelle sowie wenigstens einen Nockenfolger, beispielsweise Hebel, aufweist. Auf der Nockenwelle selbst ist wenigstens ein drehfest angeordneter Nocken vorgesehen, der mit seinem Profil den Nockenfolger, beispielsweise einen Kipphebel, bewegt, der wiederum ein Ventil der Brennkraftmaschine schaltet. Ebenfalls weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Ventileinrichtung zur Druckbeaufschlagung des Kolbens der Schaltbrücke mit Öl auf, wobei die Schaltbrücke in druckbeaufschlagtem Zustand eine translatorische Verstellung des Kolbens ermöglicht und dadurch eine Zylinderabschaltung bewirkt. Wird somit der zumindest eine Riegelbolzen mittels Öldruck im Radialzylinder in eine eingefahrene Stellung nach außen in die Schaltbrücke gedrückt, wird der Kolben hinsichtlich seiner translatorischen Verstellbarkeit freigegeben und eine Zylinderabschaltung bewirkt. Wird die Schaltbrücke bzw. der Riegelbolzen nicht mit Öl beaufschlagt, so ist der Kolben über den zumindest einen darin in den zugehörigen Radialzylinder eingreifenden Riegelbolzen arretiert und nicht verstellbar, so dass in diesem Fall der von den Nocken der Nockenwelle angetriebene Kipphebel die Bewegung über den Kolben an die Schaltbrücke und diese an die zugehörigen Ventile weitergibt. Eine derart erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann insbesondere in einem Teillastbetrieb eine Zylinderabschaltung ermöglichen und zwar trotz eines sogenannten Shifting Roller-Systems. Durch die Abschaltung einzelner Zylinder im Teillastbereich ist es möglich, die verbleibenden Zylinder in einen effizienteren Betriebspunkt zu verschieben bzw. in einem effizienteren Betriebsbereich zu betreiben.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
- 2 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Schaltbrücke bei einer Zylinderabschaltung und einfahrbarem Kolben,
- 3 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Schaltbrücke,
- 4 eine weitere Schnittdarstellung durch die Schaltbrücke.
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Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 einen Ventiltrieb 2 auf sowie eine Nockenwelle 3 auf, auf welcher zumindest ein Nocken 4 drehfest angeordnet ist. Die Mantelfläche des Nockens 4 wird dabei von einem Nockenfolger 5 abgegriffen und über einen Kipphebel 6 an eine erfindungsgemäße Schaltbrücke 7 (vgl. insbesondere die 2 bis 4) übertragen. Der Nockenfolger 5 bzw. der Kipphebel 6 ist dabei mit einem Ventil 8 der Brennkraftmaschine 1 antriebsverbunden. Um dabei in einem Teillastbetrieb eine Zylinderabschaltung erreichen zu können, ist die erfindungsgemäße Schaltbrücke 7 vorgesehen, die im Folgenden näher erläutert wird.
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Die Schaltbrücke 7 für einen Ventiltrieb 2 der Brennkraftmaschine 1 besitzt einen Kolben 9, welcher in einem Zylinder 10 der Schaltbrücke 7 translatorisch, gemäß der 3 nach oben und unten, geführt und mittels einer Kolbenfeder 11 in eine obere Endstellung, wie diese gemäß der 3 dargestellt ist, vorgespannt ist. In der Schaltbrücke 7 ist zumindest ein radial nach innen mittels einer Feder 21 vorgespannter Riegelbolzen 12 vorgesehen ist, der in einer ausgefahrenen Stellung in einen in dem Kolben 9 angeordneten Radialzylinder 14 eingreift und dadurch den Kolben 9 fixiert (vgl. 4). Der zumindest eine Radialzylinder 14 ist mit einem Ölzuführkanal 16 verbunden ist, über den der Radialzylinder 14 mit Öl beaufschlagbar ist. Der zumindest eine Riegelbolzen 12 ist mittels Öldruck im Radialzylinder 14 in eine eingefahrene Stellung nach außen in die Schaltbrücke 7 drückbar und damit der Kolben 9 hinsichtlich seiner translatorischen Verstellbarkeit freigebbar.
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Gemäß der 3 ist dabei der Kolben 9 entlang der Verstellrichtung 15, das heißt nach oben und unten, verstellbar, wobei er gemäß der Darstellung in 3 bereits seine obere Endstellung erreicht hat. Zusätzlich oder alternativ kann radial fluchtend zu zumindest einem radial nach innen mittels einer zugehörigen Feder 21 vorgespannten Riegelbolzen 12 eine Zylinderbohrung 13 im Zylindergehäuse 17 vorgesehen ist, wobei der Riegelbolzen 12 in einer eingefahrenen Stellung in die Zylinderbohrung 13 eingreift und dadurch den Kolben 9 freigibt.
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Zwischen dem Zylinder 10 und dem Kolben 9 kann noch ein Dichtelement 24, beispielsweise ein Dichtring, angeordnet sein, das eine axiale Verstellung des Kolbens 1 in Verstellrichtung 15 erlaubt. Der Ölzuführkanal 16 verläuft dabei vorzugsweise koaxial zu einer Kolbenachse im Kolben 9 und weiter im Kipphebel 6. In dem Kolben 9 ist ein Zentralraum 20 vorgesehen ist, von welchem die einzelnen Radialzylinder 14 ausgehen. Der Zentralraum 20 ist dabei mit dem koaxial im Kolben 9 verlaufenden Ölzuführkanal 16 verbunden.
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Die Ölversorgung des Kolbens 9 erfolgt dabei über ein Leitungssystem im nicht näher beschriebenen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1, wobei dieses entweder als Rohrsystem oder als Bohrungssystem ausgeführt ist. Die Ölversorgung des mindestens einen Radialzylinders 14 im Kolben 9 wird dabei über mindestens eine Ventileinrichtung, insbesondere ein magnetisches Ventil im Leitungssystem, gesteuert.
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Wird der Ölzuführkanal 16 und über diesen der zumindest eine Radialzylinder 14 mit Öldruck beaufschlagt, so wird der zumindest eine Riegelbolzen 12 aufgrund des im Radialzylinder 14 herrschenden Öldrucks in die Schaltbrücke 7 bzw. in die Zylinderbohrung 13 radial nach außen hineingedrückt und nimmt dadurch seine eingefahrene Stellung ein, in welcher der Kolben 9 in Verstellrichtung 15, das heißt gemäß der 3 nur nach unten, da er bereits seine obere Endstellung eingenommen hat, verstellbar ist.
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Betrachtet man die 4, so kann man erkennen, dass in dem Kolben 9 insgesamt vier radial innen federvorgespannte Riegelbolzen 12 vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung um 90° versetzt zueinander angeordnet sind und die in ihrer ausgefahrenen Stellung in einen zugehörigen Radialzylinder 14 eingreifen und dadurch den Kolben 9 hinsichtlich der Schaltbrücke 7 bzw. eines Zylindergehäuses 17 derselben, fixieren.
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Der Kolben 9 selbst stützt sich über die im Zylinder 10 angeordnete Kolbenfeder 11 an einem unten angeordneten Verschlusselement 18 ab, welches beispielsweise eine Ölablaufbohrung 19 aufweisen kann. Über die Ölablaufbohrungen 19 ist es möglich, durch Ringspalte zwischen dem Zylindergehäuse 17 und den Radialzylindern 14 in den Zylinder 10 eindringendes Öl wieder aus dem Zylinder 10 abzuführen und dadurch die Verstellbarkeit des Kolbens 9 langfristig zu gewährleisten.
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Um darüber hinaus ein Verdrehen des Kolbens 9 zuverlässig unterbinden zu können, ist in dem Kolben 9 eine Axialnut 22 vorgesehen, in welche ein Führungselement 23, welches im Zylindergehäuse 17 fixiert ist, eingreift.
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Generell funktioniert nun die erfindungsgemäße Schaltbrücke 7 und damit der erfindungsgemäße Ventiltrieb 2 wie folgt:
- Wird an der Brennkraftmaschine 1 lediglich eine Teillast angefordert und kann diese Last auch von einer geringeren Anzahl an Zylindern erbracht werden, so ist es möglich, einzelne Zylinder mittels der Schaltbrücke 7 abzuschalten und dadurch Kraftstoff einzusparen. Wird dabei ein Zylinder abgeschaltet, ist selbstverständlich auch eine Kraftstoffeinspritzung in diesen abzuschalten.
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Zum Abschalten des Zylinders wird nun Öl über die Ölzuführleitung 16 in die Radialzylinder 14 eingeleitet und unter Druck gesetzt, bis das in den Radialzylindern 14 vorhandene Öl die einzelnen Riegelbolzen 12 nach außen drückt und dadurch eine Bewegung des Kolbens 9 nach unten freigibt. Ist eine derartige Bewegung des Kolbens 9 nach unten freigegeben, so bewirkt ein auf den Kolben 9 einwirkender Kipphebel 6 kein Verstellen der Schaltbrücke 7 mehr und damit kein Öffnen der zugehörigen Ventile 8, sondern es bewegt sich lediglich noch der Kolben 9 relativ zum Zylindergehäuse 17 der Schaltbrücke 7. In diesem Fall ist nun der zugehörige Zylinder, in welchen die Ventile 8 eingreifen, abgeschaltet.
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Soll der Zylinder aufgrund einer höheren Lastanforderung wieder zugeschaltet werden, wird der Öldruck im Kolben 9 und damit in den Radialzylindern 14 reduziert, beispielsweise durch eine Ventileinrichtung, insbesondere ein Ablassventil, ein Magnetventil oder ein Wechselventil, woraufhin die Riegelbolzen 12 beim Erreichen der oberen Endlage des Kolbens 9 aufgrund der Federn 21 radial nach innen in die zugehörigen Radialkanäle 14 verstellt werden und dadurch eine weitere Relativverstellung des Kolbens 9 zur Schaltbrücke 7 bzw. zum Zylindergehäuse 17 unterbinden. Beim nächsten Nockenhub drückt somit der Kipphebel 6 wiederum auf den Kolben 9, woraufhin dieser jedoch nicht mehr in den Zylinder 10 eintaucht, sondern aufgrund seines fixierten Zustandes die Schaltbrücke 7 und damit die damit wirkverbundenen Ventile 8 nach unten drückt und letztere öffnet. Insgesamt kann mit der erfindungsgemäßen Schaltbrücke 7 sowohl eine Zylinderabschaltung als auch ein Fahrbetrieb sowie ein Bremsbetrieb optimal kombiniert werden. Dies gilt insbesondere auch für sogenannte Shifting Roller-Systeme, bei welchen mehrere axial zueinander versetzte Nocken alternativ angesteuert werden.
