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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle mit einem ersten und einem axial benachbart dazu angeordneten zweiten Nocken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb.
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Aus der
DE 10 2017 205 571 A1 ist ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle mit einem ersten und einem axial benachbart dazu angeordneten zweiten Nocken bekannt. Der bekannte Ventiltrieb besitzt dabei eine Kipphebelbaugruppe mit einem in Axialrichtung zwischen zumindest zwei Stellungen verstellbaren Verschiebebolzen, auf welchem ein Nockenfolger, hier eine Nockenrolle, gelagert ist. In dem Verschiebebolzen selbst ist ein verstellbarer Schaltstift einer Verstelleinrichtung angeordnet.
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Durch die Verstelleinrichtung kann der Nockenfolger zwischen seinen zwei Stellungen verstellt werden und so einen entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine beeinflussen, insbesondere zu- oder abschalten. Die Verstelleinrichtung weist dabei einen ersten verstellbaren Schaltstift und einen zweiten verstellbaren Schaltstift auf, die jeweils mit einer an der Nockenwelle angeordneten Führungsspur zusammenwirken. Durch die bekannte Verstelleinrichtung mit zwei Schaltstiften und die beiden separaten Führungsspuren ist die Verstellung des Ventiltriebs jedoch nur zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsmodi möglich.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen dritten schaltbaren Betriebsmodus sowie einen einfachen Aufbau auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine in Axialrichtung auf einer Nockenwelle verstellbare Schiebehülse mit drei unterschiedlichen Nockenprofilen sowie zwei sich X-förmig kreuzende Führungsspuren und einen Zweistift-Aktuator vorzusehen, sodass mit vergleichsweise geringem Bauraumbedarf insgesamt drei unterschiedliche Betriebsmodi über die drei unterschiedlichen Nockenprofile abgreifbar sind. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem lediglich zwei unterschiedliche Betriebsmodi auswählbar waren, kann mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb bei nahezu identischem Bauraumbedarf unter insgesamt drei unterschiedlichen Betriebsmodi ausgewählt werden, was zu einer nochmaligen Reduzierung eines Verbrauchs einer mit einem solchen Ventiltrieb ausgestatteten Brennkraftmaschine führt. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine besitzt dabei in bekannter Weise eine Nockenwelle mit einem ersten Nocken und einem axial dazu benachbart auf der Nockenwelle angeordneten zweiten Nocken. Des Weiteren vorgesehen ist in bekannter Weise ein Nockenfolger, beispielsweise eine Nockenrolle, wobei der Nockenfolger einem der Nocken folgt und dadurch dessen Nockenprofil abgreift und in eine Ventilhubbewegung umsetzt. Erfindungsgemäß ist nun auf der Nockenwelle eine drehfest mit dieser verbundene und in Axialrichtung relativ zur Nockenwelle verstellbare Schiebehülse angeordnet, auf der nicht nur der erste und der zweite Nocken, sondern zusätzlich auch noch ein dritter Nocken sowie eine Führungskontur mit einer ersten Führungsspur und einer diese X-förmig kreuzenden zweiten Führungsspur angeordnet sind. Weiter erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Aktuator mit zwei axial zueinander benachbarten und schaltbaren, d. h. aktivierbaren, Stiften, die alternativ in die erste oder zweite Führungsspur eingreifen und dadurch die Schiebehülse zwischen insgesamt drei Stellungen verstellen können, sodass der Nockenfolger in einer ersten Stellung der Schiebehülse mit dem ersten Nocken, in einer zweiten Stellung der Schiebehülse mit dem zweiten Nocken und in einer dritten Stellung mit dem dritten Nocken zusammenwirkt. Durch den Aktuator mit den zwei unterschiedlichen und jeweils individuell schaltbaren Stiften, die axial in Bezug auf die Nockenwelle benachbart zueinander angeordnet sind, lässt sich im Vergleich zu einem Aktuator mit lediglich einem einzigen schaltbaren Stift die Schiebehülse nochmals in eine weitere Stellung verschieben, sodass der Nockenfolger das Nockenprofil von insgesamt drei axial nebeneinander angeordneten Nocken abgreifen kann. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein Normalbetrieb der Brennkraftmaschine realisieren, bei welchem der Nockenfolger das Nockenprofil des zweiten Nockens abgreift sowie eine Zylinderabschaltung, bei welcher der Nockenfolger beispielsweise dem dritten Nocken folgt, der für eine Zylinderabschaltung als Nullhubnockenprofil ausgebildet ist. Der erste Nocken wiederum kann einen sogenannten Atkinson-Miller-Zyklus als Nockenprofil aufweisen, wobei bei dem Atkinson-Miller-Zyklus bei einem Ansaugkanal ein Einlassventil deutlich vor Erreichen eines unteren Totpunktes geschlossen wird, sodass auch ohne Drosselung nur relativ wenig Luft in den jeweiligen Zylinder gelangt und der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird. Durch ein Abschalten eines Zylinders mittels des dritten Nockens kann vergleichsweise einfach ein Motorbremsbetrieb realisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb ist es somit möglich, konstruktiv durch lediglich das Hinzufügen eines dritten Nockens und dem Austausch eines bislang eingesetzten Aktuators mit lediglich einem einzigen schaltbaren Stift durch einen Aktuator mit zwei schaltbaren Stiften eine deutliche Verbrauchsreduzierung der Brennkraftmaschine und zugleich eine bessere Eignung im Volllastbetrieb zu erreichen. Da man zwischen einem Atkinson-Miller-Zyklus (Teillastbetrieb) und einem Normalbetrieb schalten kann, kann der „Normalnocken“ stärker für einen Vollastbetrieb optimiert werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass lediglich ein einziger Aktuator, jedoch mit zwei schaltbaren Stiften, sowie lediglich eine einzige Führungskontur bzw. Führungskulisse vorgesehen werden müssen, was sich nicht nur äußerst positiv auf den Bauraum, sondern auch auf ein Verschiebegewicht der Schiebehülse sowie die gesamten Systemkosten auswirkt. Durch die Ausbildung des Aktuators mit einem ersten schaltbaren Stift und einem davon unabhängig schaltbaren zweiten Stift können zwei separate Aktoren zusammengefasst werden, durch sich ebenfalls eine Gewichtsersparnis sowie eine Reduzierung der Teilevielfalt, beispielsweise durch den Entfall eines zweiten Gehäuses, ergibt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs weist die Nockenwelle eine Außenverzahnung und die Schiebehülse eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung auf. Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung sind dabei beispielsweise als in Axialrichtung verlaufende Nuten bzw. Zähne ausgebildet und ermöglichen dadurch eine Drehmomentübertragung von der Nockenwelle auf die Schiebehülse bei einer gleichzeitigen Möglichkeit der axialen Verstellung derselben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der zweite Nocken zwischen dem ersten Nocken und dem dritten Nocken angeordnet und besitzt ein Normalbetriebsnockenprofil. Über das Normalbetriebsnockenprofil erfolgt ein übliches Ansteuern eines Einlassventils bzw. eines Auslassventils der Brennkraftmaschine. Unter dem Normalbetrieb (befeuerter Betrieb) ist der Betrieb gemeint, bei dem der Motor das Fahrzeug antreibt. Hier wäre es dann der in Richtung Volllast optimierte Nocken. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass das Normalbetriebsnockenprofil des zweiten Nockens auf jeweils spezifische Anforderungen an die Brennkraftmaschine abgestimmt ist.
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Zweckmäßig weist der dritte Nocken ein Nullhubnockenprofil auf. Ein derartiges Nullhubnockenprofil ermöglicht eine Zylinderabschaltung, wodurch eine deutliche Verbrauchsreduzierung erreicht werden kann, da beispielsweise bei konstanten mittleren Geschwindigkeiten ohne Steigung ein Betrieb der Brennkraftmaschine auf nicht allen Zylindern völlig ausreicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventiltriebs weist der erste Nocken ein Atkinson-Miller-Nockenprofil auf. Beim sogenannten Atkinson-Miller-Zyklus schließt ein Einlassventil vergleichsweise früh noch während des Ansaugtakts. Hierdurch werden die Füllung und der Verdichtungsenddruck verkleinert, während das Verdichtungs- und das Expansionsverhältnis gleichbleiben. Hierdurch kann eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch eine bessere Ausnutzung der Expansionsenergie im Arbeitstakt erreicht werden.
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Zweckmäßig ist der Aktuator als ein elektromagnetischer Zweistift-Aktuator ausgebildet. Ein derartiger elektromagnetischer Zweistift-Aktuator ermöglicht ein vergleichsweise schnelles Schalten und dadurch eine äußerst schnelle Änderung der einzelnen Betriebsmodi, d. h. ein äußerst schnelles Wechseln zwischen den insgesamt drei Nockenprofilen. Zudem baut ein derartiger Zweistift-Aktuator äußerst kompakt, was insbesondere die Anordnung an einer Brennkraftmaschine aufgrund eines dort nur begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraumangebots erleichtert.
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Zweckmäßig sind an einer Nockenwelle oder an einer Innenmantelfläche der Schiebehülse drei axial zueinander benachbarte Rastausnehmungen angeordnet, wobei ein federvorgespanntes Rastelement einer Rasteinrichtung (entweder schiebehülsenseitig oder nockenwellenseitig) in die erste, die zweite oder die dritte Rastausnehmung eingreift und dadurch die Schiebehülse in ihrer ersten, zweiten oder dritten Stellung zuverlässig fixiert.
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Zweckmäßig sind bei der zweiten alternativen Ausführungsform die erste Rastausnehmung, die zweite Rastausnehmung und die dritte Rastausnehmung als nach innen offene Ringnuten an der Innenmantelfläche der Schiebehülse ausgebildet, wobei die Rasteinrichtung in einer die Nockenwelle querenden Öffnung angeordnet ist und eine (Schrauben-)feder sowie zwei Kugeln aufweist. Hierdurch lassen sich sowohl die Rastausnehmungen als auch die Rasteinrichtung fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herstellen. Derartige Kugeln ermöglichen zudem einerseits ein reibungsarmes Verstellen der Schiebehülse und zugleich auch einen leichtgängigen Übergang zwischen den einzelnen Rastausnehmungen.
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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. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb mit geschnittener Nockenwelle und darauf angeordneter Schiebehülse,
- 2 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb mit einem Nockenfolger, der dem Nockenprofil eines ersten Nockens folgt,
- 3 eine Darstellung wie in 2, wobei jedoch der Nockenfolger dem Nockenprofil eines zweiten Nockens folgt,
- 4 eine Darstellung wie in 2, wobei jedoch der Nockenfolger dem Nockenprofil des dritten Nockens folgt.
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Entsprechend den 1 bis 4 weist ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb 1 für eine Brennkraftmaschine 2 eine Nockenwelle 3 auf, die sich in Axialrichtung 4 erstreckt. Auf der Nockenwelle 3 ist eine drehfest mit dieser verbundene und in Axialrichtung 4 verstellbare Schiebehülse 5 angeordneten, auf der wiederum ein erster Nocken 6, ein zweiter Nocken 7 und ein dritter Nocken 8 angeordnet sind. Ebenfalls auf der Schiebehülse 5 angeordnet ist eine Führungskontur 9 in der Art einer Kulissenführung mit einer ersten Führungsspur 10 und einer zweiten Führungsspur 11, die sich X-förmig kreuzen (vergleiche 2 bis 4). Des Weiteren vorgesehen ist ein Nockenfolger 12, der beispielsweise eine Nockenrolle 13 aufweisen kann, oder als solche ausgebildet ist und der ein Nockenprofil des jeweiligen Nockens 6, 7 oder 8 abgreift und in eine Hubbewegung eines nicht dargestellten Einlass- oder Auslassventils der Brennkraftmaschine 2 umsetzt.
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Ebenfalls vorgesehen ist ein Aktuator 14 mit zwei axial, d. h. in Axialrichtung 4, zueinander benachbarten und schaltbaren Stiften 15, 16, nämlich einem ersten Stift 15 und einem zweiten Stift 16, die wahlweise, d. h. alternativ, in die erste Führungsspur 10 oder die zweite Führungsspur 11 eingreifen und dadurch die Schiebehülse 5 zwischen insgesamt drei Stellungen verstellen, sodass der Nockenfolger 12 in einer ersten Stellung (vergleiche 2) mit dem ersten Nocken 6 und in einer zweiten Stellung der Schiebehülse 5 mit dem zweiten Nocken 7 (vergleiche 3) sowie in einer dritten Stellung der Schiebehülse 5 mit dem dritten Nocken 8 (vergleiche 4) zusammenwirkt.
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Um eine reibungsarmes Axialverstellung der Schiebehülse 5 auf der Nockenwelle 3 erreichen zu können, besitzt die Nockenwelle 3 bereichsweise eine Außenverzahnung 17, während die Schiebehülse 5 eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung 18 besitzt. Die Außenverzahnung 17 bzw. die Innenverzahnung 18 sind dabei als in Axialrichtung 4 ausgerichtete Längsnuten bzw. Längszähne ausgebildet und ermöglichen sowohl eine leichtgängige Axialverschiebung der Schiebehülse 5 relativ zur Nockenwelle 3 als auch eine Drehmomentübertragung von der Nockenwelle 3 auf die Schiebehülse 5.
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Dabei kann aus fertigungstechnischen Gründen vorgesehen sein, dass die Schiebehülse 5 mit der Führungskontur 9 und den drei Nocken 6, 7, 8 einteilig, vorzugsweise sogar einstückig, ausgebildet ist.
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Betrachtet man die 1 bis 4, so kann man erkennen, dass der zweite Nocken 7 in Axialrichtung 4 zwischen dem ersten Nocken 6 und dem dritten Nocken 8 angeordnet ist und ein Normalbetriebsnockenprofil aufweist, bei welchem beispielsweise ein Einlassventil entsprechend einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 2 geöffnet und geschlossen wird. Der dritte Nocken 8 hingegen besitzt ein sogenanntes Nullhubnockenprofil, sodass bei der gemäß der 4 dargestellten dritten Stellung des Nockenfolgers 12 kein Öffnen des damit verbundenen Ventils erfolgt.
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Der erste Nocken 6 wiederum kann ein sogenanntes Atkinson-Miller-Nockenprofil aufweisen, bei welchem das Einlassventil während des Ansaughubs frühzeitig, d. h. deutlich vor Erreichen des unteren Totpunktes geschlossen wird, wodurch eine Beladung des jeweiligen zugehörigen Zylinders mit Frischluft und Kraftstoff reduziert und der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird. Beim sogenannten Atkinson-Miller-Zyklus schließt ein Einlassventil vergleichsweise früh noch während des Ansaugtakts. Hierdurch werden die Füllung und der Verdichtungsenddruck verkleinert, während das Verdichtungs- und das Expansionsverhältnis gleichbleiben, wodurch eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch eine bessere Ausnutzung der Expansionsenergie im Arbeitstakt erreicht werden kann.
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Der Aktuator 14 kann generell als ein elektromagnetischer Zweistift-Aktuator ausgebildet sein und ermöglicht dadurch ein vergleichsweise schnelles Schalten der beiden Stifte 15, 16 und dadurch ein schnelles Verschieben der Schiebehülse 5 und ein schnelles Wechseln der jeweiligen Betriebsmodi.
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Um dabei eine zuverlässige Fixierung der Schiebehülse 5 in Axialrichtung 4 beim jeweils zugehörigen Nockenabgriff gewährleisten zu können, sind an der Nockenwelle 3 oder an einer Innenmantelfläche der Schiebehülse 5 eine erste Rastausnehmung 19, eine axial dazu benachbart angeordnete zweite Rastausnehmung 20 sowie eine dritte Rastausnehmung 21 angeordnet. Weiter vorgesehen ist eine Rasteinrichtung 22 mit einem in die Rastausnehmungen 19, 20 oder 21 mittels einer Feder 23 vorgespannten Rastelement 24, die die Schiebehülse 5 in der ersten, der zweiten oder der dritten Stellung fixiert. Gemäß der 1 sind dabei die Rastelemente 24 als Kugeln ausgebildet, wodurch ein vergleichsweise leicht gängiges und verschleißarmes Axialverschieben der Schiebehülse 5 ermöglicht wird. Die Kugeln 24 und vor allem die Feder 23 sind dabei in einer die Nockenwelle 3 querenden Öffnung angeordnet.
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Die erste Rastausnehmung 19, die zweite Rastausnehmung 20 sowie die dritte Rastausnehmung 21 sind als nach innen offene Ringnuten an der Innenmantelfläche der Schiebehülse 5 ausgebildet.
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Zwischen den einzelnen Rastausnehmungen 19, 20, 21 sind entsprechend der 1 sogenannte Rasthöcker 25 angeordnet, die zur Verschleißminimierung beispielsweise gehärtet, wärmebehandelt und/oder beschichtet sein können. In gleicher Weise können selbstverständlich auch die Rastausnehmungen 19, 20 sowie 21 gehärtet, wärmebehandelt oder beschichtet sein.
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Entsprechend der 2 greift der Nockenfolger 12 mit seiner Nockenrolle 13 das Nockenprofil des ersten Nockens 6 ab. Hierdurch kann beispielsweise ein sogenannter Atkinson-Miller-Betriebsmodus ausgelöst werden, wobei in diesem Fall das Nockenprofil des ersten Nockens 6 ein derartiges Atkinson-Miller-Nockenprofil aufweisen muss, welches ein zugehöriges Einlassventil vor Erreichen eines unteren Totpunktes schließt. Zum Wechseln in den gemäß der 3 dargestellten normal Betriebsmodus wird der zweite Stift 16 des Aktuators 14 ausgefahren, wodurch dieser entsprechend der 2 in die zweite Führungsspur 11 der Führungskontur 9 eingreift und dadurch die Schiebehülse 5 nach links verschiebt. Ist dies erfolgt, ist der gemäß der 3 dargestellte Normalbetriebsmodus erreicht, sodass der zweite Stift 16 des Aktuators 14 wieder eingefahren wird.
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Um nun vom zweiten Nocken 7 zum dritten Nocken 8 zu wechseln (vergleiche die 3 und 4) fährt der erste Stift 15 gemäß der 2 in die zweite Führungsspur 11 aus und verschiebt dadurch die Schiebehülse 5 nochmals nach links, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist. Um ein Zurückwechseln zum Normalbetriebsmodus entsprechend der 3 bewirken zu können, fährt der erste Stift 15 des Aktuators 14 in die erste Führungsspur 10 aus und greift dadurch in diese ein, wodurch ein nach rechts Verschieben der Schiebehülse 5 erfolgt.
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Alles in allem kann mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 eine deutliche Bauraumreduzierung bei einem gleichzeitig verbesserten, da verbrauchsreduzierten, Betrieb der Brennkraftmaschine 2 erreicht werden, da der Aktuator 14 nun zwei individuell ausfahrbare Stifte 15, 16 aufweist und die Schiebehülse 5 insgesamt drei Nocken 6, 7 und 8, wodurch mit vergleichsweise geringem Bauraum insgesamt drei unterschiedliche Betriebsmodi realisierbar sind. Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 somit neben einem Normalbetriebsmodus (zweiter Nocken 7) auch eine Zylinderabschaltung (dritter Nocken 8) sowie ein Atkinson-Miller-Betriebsmodus (erster Nocken 6) realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205571 A1 [0002]
