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Die Vorteile eines Ersatzes der Drosselklappe durch den kontinuierlich verstellbaren
Hub des oder der Einlaßventile sind den Motorenkonstrukteuren seit vielen
Jahrzehnten bekannt, so daß allein die "kontinuierliche Ventilhubverstellung" nicht
patentierbar ist. Für eine solche Einrichtung gibt es zahlreiche Lösungsvorschläge,
die jedoch mit Mängeln behaftet sind. Es ist das Verdienst von BMW, eine solche
Einrichtung dennoch zur Großserienreife entwickelt zu haben, so daß die bisher nur
theoretisch bekannten Vorteile in der Praxis nicht nur nachgewiesen, sondern durch
weitere wie besseres Kaltstartvermögen und schnelleres Ansprechen auf den Befehl
des Gaspedals ergänzt wurden. BMW wählte eine rein mechanische Lösung, die
jeder anderen überlegen ist und lediglich den mechanischen Aufwand für die
Fertigung eines Motors erhöht.
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Neben den mechanischen Verstelleinrichtungen, zu denen auch die hier
beschriebene Erfindung zählt, gibt es eine Vielzahl anderer Vorschläge, die entweder
elektromechanisch, elektromechanisch-hydraulisch, mechanisch-hydraulisch,
mechanisch-pneumatisch oder elektromechanisch-hydraulisch und so weiter
funktionieren. Sie kranken alle an zwei Eigenschaften. Gibt es zwischen
Öffnungsbefehl und Ventil keine mechanische Verbindung, dann bereitet die exakte
Bestimmung des jeweils gewünschten Ventilhubs und der Steuerzeiten beträchtliche
Schwierigkeiten, die zu beseitigen ein hoher Aufwand erforderlich ist. Die zweite
negative Eigenschaft ist der gegenüber rein mechanischer Betätigung steigende
Energiebedarf, der mit bordeigenen Mitteln gedeckt werden muß und
Antriebsleistung sowie Antriebswirkungsgrad schmälert. Bei nicht mechanisch
erfolgtem Öffnungsbefehl besteht immer die Gefahr der Fehlfunktion, die zur
Zerstörung des Motors führt, wenn ein Ventil auf dem Kolben aufsetzt. Dagegen
werden Ventilführungen - auf die auch jede elektrische, pneumatische oder
hydraulische Betätigung angewiesen ist - heute störungsfrei beherrscht, ebenso die
Ventilfedern, Nockenwellen, ihre Antriebe und die mechanischen Zwischenglieder.
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Bei unvoreingenommener Analyse aller Steuerungsmöglichkeiten erfordert die rein
mechanische, kontinuierliche Ventilhubverstellung den geringsten Aufwand und die
geringste zusätzliche Antriebsenergie bei gleichzeitig geringster Störanfälligkeit und
höchster Betätigungssicherheit. Allerdings gibt es verschieden Lösungswege. BMW
wählte als Zwischenglied zwischen Nockenwelle und Kipphebel einen kompliziert zu
fertigenden Zwischenhebel, dessen Bearbeitung nahezu die Grenzen des heute
Möglichen erreicht, darum teuer ist und für preiswerte Motoren kaum geeignet. Er
wird durch eine Exzenterwelle geführt und verstellt, die ebenfalls in der Fertigung
höchste Präzision erfordert. Außerdem ist die Einrichtung bei Zweiventilmotoren mit
parallel hängenden Ventilen nur unter Schwierigkeiten anzuwenden, obwohl diese
wegen der geringen Fertigungskosten auch künftig für preiswerte Automobile
notwendig bleiben werden.
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Die hier beschriebene Erfindung setzt sich zum Ziel, Aufbau und Fertigung einer
kontinuierlichen Ventilhubverstellung erheblich zu reduzieren. Dazu ist es notwendig,
einfach zu fertigende Bauteile zu verwenden und sie so zu gestalten, daß sie auch
bei Zweiventilmotoren mit parallel hängenden Ventilen und nur einer Nockenwelle im
Zylinderkopf keine unüberwindlichen Schwierigkeiten bereiten - wenn es gelingt, die
Vorzüge der kontinuierlichen Ventilhubverstellung auch ohne Änderung der
Steuerzeiten bei sehr kleinen Ventilhüben zu nutzen, etwa durch Einbeziehung der
Drosselklappe in den Ansaugvorgang. Bei der vorgenannten BMW-Konstruktion
werden bekanntlich die Nockenwellen sowohl für die Einlaßventile wie auch für die
Auslaßventile zusätzlich während des Betriebes verstellt.
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Zum Erreichen des Erfindungsziels gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die nur
eine Eigenschaft gemeinsam haben, nämlich zwei in geringem Abstand zueinander
angeordnete, sich gegenüberliegende Gleitflächen, zwischen denen das Verstellglied
verschoben wird und die bei geschlossenem Ventil parallel zueinander stehen.
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Auf dem Zeichnungsblatt ist nur eine der Möglichkeiten gemäß der Erfindung
dargestellt (Fig. 1), außerdem in Fig. 2 und Fig. 3 zwei verschiedene Anordnungen der
Rollen am Verstellglied.
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Aus der Vielzahl der Möglichkeiten sollen hier nur einige Varianten beschrieben
werden. Dem bisherigen Ventiltrieb mit Nockenwelle (1), Kipphebel (9) und Ventil
(10) wird ein zweiter Hebel (5) hinzugefügt und zwar derart, das die Gleitflächen der
beiden Hebel bei geschlossenem Ventil genau parallel zueinander liegen. Dabei
betätigt der Nocken (2) nicht mehr den ursprünglichen Kipphebel (9), sondern den
zweiten Kipphebel (5), der über ein verschiebbares Verstellglied (12) den
ursprünglichen Kipphebel (9) betätigt. Die Drehpunkte (4) und (7) der beiden
Kipphebel (5) und (9) liegen in diesem Fall einander etwa gegenüber, sie können
aber auch beide auf einer Seite liegen, so daß die Nockenwelle (1) direkt oder
nahezu direkt über dem Ventil (10) angeordnet wird. Die Hebel (5) und (9) können
gleich oder unterschiedlich lang sein. Für die extrem geringen Ventilhübe im Leerlauf
und in der unteren Teillast befindet sich das Verstellglied (12) in jedem Fall fast unter
dem Drehpunkt (4) des oberen Kipphebels (5). Soll bei Einzelbetätigung jedes
Einlaßventils eines geschlossen bleiben, wird das Verstellglied (12) in
Drehpunktmitte (4) des Ventil-Kipphebels (5) gerückt oder einen sehr kleinen Betrag
zur negativen Seite. Wird nun das Verstellglied (12) vom Drehpunkt (4) des oberen
Hebels in Richtung des Nocken-Angriffspunktes (3) verschoben, nimmt der Ventilhub
zu. Der Verstell-/Verschiebeweg des Verstellgliedes (12) richtet sich nach den
Längen der beiden Kipphebel (5) und (9), nach der Höhe des Nockens (2) und nach
der Lage der Drehpunkte (4) und (7) der beiden Hebel (5) und (9). Die Einrichtung
gemäß der Erfindung läßt es aber auch zu, die Verstellung quer zur Schwenkachse
des Ventil-Kipphebels vorzunehmen, wenn dieser kippsicher angelenkt wird. Sind die
Längsachsen der Kipphebel in der Regel in einem Winkel von 90° zur
Nockenwellenachse angeordnet, so im letztbeschriebenen Fall parallel zueinander
oder in einem Winkel zwischen 0° und 90°.
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Zur Reduzierung der Reibung zwischen oberem Kipphebel (5) und Nocken (2) kann
auf übliche Weise eine reibungsmindernde Rolle gewählt werden, während die
Unterseite des Kipphebels (5) völlig plan geschliffen wird. Die Rolle wird zur
Spielvermeidung durch eine auf den Kipphebel wirkende Feder (6) gegen
Nockenwelle (1) und Nocken (2) gedrückt. Der untere Kipphebel (9) dagegen wird
auf der Oberseite plan geschliffen. Seinen Drehpunkt (7) kann in üblicher Weise ein
hydraulisches Element zum Ventilspielausgleich bilden, das gleichzeitig für den
Spielausgleich zwischen unterem Kipphebel (9), Verstellglied (12) und oberem
Kipphebel (5) sorgt. Es kann in bekannter Weise als Auflagepunkt für den unteren
Kipphebel (9) dienen oder zwischen Kipphebel (9) und Ventil (10) angeordnet sein.
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Theoretisch benötigt das Verstellglied (12) lediglich nach unten und oben ein in der
Silhouette kugelförmiges Gleitstück oder zwei Prismen, die für Linienberührung
zwischen den beiden Kipphebeln sorgen. In der Praxis wird man zur
Reibungsminderung zwei Rollen (15) und (16) kleinen Durchmessers vorsehen, die
im Normalfall übereinander liegen, aber auch versetzt zueinander angeordnet
werden können, wenn es die Platzverhältnisse im Zylinderkopf erfordern, der
Verstellweg kürzer oder länger ausfallen soll oder die Nockenwelle (1) nach der
einen oder anderen Seite verschoben wird. Da lediglich zwischen den beiden
Drehpunkten der Rollen oder Prismen die zur Betätigung des Ventils üblichen Kräfte
auftreten, kann der tragende Hebel (17) zur Reduzierung der oszillierenden Massen
aus einem Leichtmetall gefertigt werden.
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Am freien Ende des Verstellhebels (17) befindet sich ein Drehpunkt (13), an dem das
Betätigungsorgan der Verstelleinrichtung (14) angreift. Dabei kann die
Verstelleinrichtung (14), etwa ein Piezo- oder Magnetaktuator mit Wegsensoren
geradlinige Bewegungen in Richtung des Verstellgliedes (12) ausführen. Sollen etwa
alle Ventile in bekannter Weise gemeinsam von einem Stellmotor über eine Welle
und daran befestigten Hebeln gleichzeitig verstellt werden, führt der Verstellhebel
Schwenkbewegungen aus.
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Die Verstellung kann im Prinzip direkt über Gestänge oder einen Bowdenzug vom
Gaspedal aus erfolgen, über einen elektrischen Stellmotor oder Piezo-/Magnetaktuatoren
mit Wegsensoren, wenn jedes Ventil einzeln geregelt werden soll.
In diesem Fall ist es auf einfache Weise möglich, ein oder mehrere Einlaßventile
abzuschalten, wenn das Verstellglied genau unter den Drehpunkt des oberen Hebels
nach hinten gezogen wird oder einen ganz geringen Betrag zur negativen Seite.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die nur geringfügig erhöhte Lage der
Nockenwelle im Zylinderkopf, die sich aus der Dicke des oberen Kipphebels und dem
Abstand der Berührungspunkte des Verstellgliedes zwischen den Kipphebeln ergibt.
Es ist aber auch möglich, den Nocken auf einen abgeknickten Hebel wirken zu
lassen oder die Nockenwelle unter den zugehörigen Kipphebel zu setzen, der dann
etwa in der Mitte zwischen Nockenangriffspunkt und maximaler Ventilhubverstellung
drehbar gelagert sein muß. Alle für die kontinuierliche Verstellung benötigten
Bauteile können auf normalen Fertigungseinrichtungen mit den üblichen Toleranzen
hergestellt werden, so daß die zusätzlichen Kosten in überschaubarem Rahmen
bleiben. Sollen Zweiventilmotoren mit parallel hängenden Ventilen und nur einer
Nockenwelle im Zylinderkopf damit ausgerüstet werden, so können auch die
Auslaßventile von der gleichen Nockenwelle betätigt werden.
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Die Ausführung gemäß der Erfindung stellt an die Fertigung keine besonderen
Anforderungen. Sie wird in der Regel mit einem erweiterten, elektronischen
Steuergerät für die Motorsteuerung kombiniert, das jedoch nicht Gegenstand der
Erfindung ist. Ebenso hat es sich als ratsam erwiesen, die Drosselklappe als
zusätzliches Regelorgan beizubehalten. Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch
dies nicht.
Auflistung der verwendeten Bezugszeichen
1 Nockenwelle
2 Nocken
3 Nockenangriffspunkt
4 Kipphebellager
5 Oberer Kipphebel
6 Feder
7 Kipphebellager
8 Ventilbetätigung
9 Unterer Kipphebel
10 Ventil
11 Ventilfeder
12 Verstellglied
13 Gelenk
14 Verstelleinrichtung
15 Rolle am Verstellglied
16 Rolle am Verstellglied
17 Verstellhebel