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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Es ist schon eine Brennkraftmaschine aus der
DE 10 2004 050225
A1 bekannt, mit zumindest einem Zylinder und mit dem zumindest
einen Zylinder zugeordneten Gaswechselventilen, die mittels eines
Nockens einer Nockenwelle betätigbar
sind, wobei jeweils zwischen dem Nocken und dem Gaswechselventil
eine Hub-Verstelleinrichtung vorgesehen ist, die eine Arbeitskammer
mit zwei Kolben und einem variablen Flüssigkeitspolster zwischen den
Kolben aufweist. Für
die Steuerung des Zu- und Abflusses in das Flüssigkeitspolster bzw. aus diesem
heraus ist ein Steuerventil erforderlich. Dieses ist vergleichsweise
teuer.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Steuerung der Gaswechselventile ohne dieses Steuerventil
auskommt, indem die in den Fluidkammern vorgesehene Flüssigkeit
eine magnetorheologische Flüssigkeit
ist und eine elektrische Spule derart angeordnet ist, dass ein auf
die Flüssigkeit
einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Brennkraftmaschine möglich.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel weist
die Hub-Verstelleinrichtung eine Arbeitskammer mit zwei darin vorgesehenen
Kolben und mit einer ersten Fluidkammer zwischen den beiden Kolben auf,
wobei der Nocken der Nockenwelle auf den oberen Kolben wirkt und
der untere Kolben mit dem Gaswechselventil mechanisch verbunden
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die erste Fluidkammer mit einer als Speicher
wirkenden zweiten Fluidkammer strömungsverbunden ist, da auf
diese Weise das Volumen der ersten Fluidkammer variabel einstellbar
ist. Der Hub des Nockens kann durch das variable Flüssigkeitspolster
in der ersten Fluidkammer untersetzt werden.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn in der ersten Fluidkammer ein Druckerzeugungsmittel
vorgesehen ist, da auf diese Weise eine Wiederbefüllung des Flüssigkeitspolsters
nach einer Einwirkung des Nockens erreichbar ist.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn das Druckerzeugungsmittel ein Kolben ist,
der mittels einer Feder einen Druck auf die Flüssigkeit ausübt, da die
Wiederbefüllung
des Flüssigkeitspolsters
auf diese Weise passiv, also ohne zusätzliche Förderpumpen und ohne elektrische
Energie, erfolgt.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel weist
die Hub-Verstelleinrichtung eine axial bewegliche Arbeitskammer
auf, die durch einen Kolben in zwei Fluidkammern getrennt ist, wobei
der Nocken der Nockenwelle auf die Arbeitskammer wirkt und der Kolben
mit dem Gaswechselventil mechanisch verbunden ist.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn der Kolben zumindest eine Steueröffnung aufweist,
die die erste Fluidkammer mit der zweiten Fluidkammer strömungsverbindet,
da die Steueröffnung
einen Flüssigkeitsaustausch
zwischen den beiden Fluidkammern ermöglicht. Bei geöffneter
Steueröffnung
ist der Kolben axial beweglich und bei geschlossener Steueröffnung axial
unbeweglich.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn die elektrische Spule derart angeordnet ist,
dass ein Magnetfeld in der Steueröffnung des Kolbens erzeugbar
ist, da die Steueröffnung
auf diese Weise ohne ein mechanisches Steuerventil verschließbar ist,
sofern eine magnetorheologische Flüssigkeit in den Fluidkammern verwendet
wird.
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Zeichnung
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Zylinders der Brennkraftmaschine
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann
als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt sein. Sie weist zumindest
einen Zylinder 1 auf, in dem ein Kolben 2 axial
beweglich angeordnet ist. Der Kolben 2 führt in dem
Zylinder 1 eine periodische Auf- und Abbewegung aus.
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Die
Brennkraftmaschine arbeitet beispielsweise nach dem sogenannten
Viertaktverfahren. In einem Ansaugtakt wird Frischluft oder Luft-Kraftstoffgemisch über eine
Ansaugleitung 3 und zumindest ein geöffnetes Einlassventil 4 in
einen Brennraum 5 des jeweiligen Zylinders 1 angesaugt,
indem der Kolben 2 von einem oberen Totpunkt ausgehend
sich nach unten bewegt und den Brennraum 5 auf diese Weise
vergrößert. In
einem unteren Totpunkt hat das Volumen des Brennraums 5 seine
maximale Größe erreicht.
In einem Verdichtungstakt sind das Einlassventil 4 und
ein aus dem Brennraum 5 in eine Abgasleitung 8 führendes
Auslassventil 9 geschlossen und der Kolben 2 führt eine
den Brennraum 5 verkleinernde Aufwärtsbewegung aus. Dabei wird
die Frischluft oder das Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum 5 verdichtet.
In einem Arbeitstakt befindet sich ein Luft-Kraftstoffgemisch im
Brennraum 5, das durch Einspritzen von Kraftstoff in die
Frischluft gebildet wird. Das Luft-Kraftstoffgemisch zündet im
Arbeitstakt oder wird gezündet,
so dass der durch die Verbrennung entstehende Druck im Brennraum 5 den Kolben 2 nach
unten bewegt. In einem Ausstosstakt öffnet zumindest ein Auslassventil 9 und
die bei der Verbrennung entstandenen heißen Gase strömen aus
dem Brennraum 5 über
das Auslassventil 9 in die Abgasleitung 8 aus.
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Die
Einlassventile 4 und die Auslassventile 9 werden
allgemein als Gaswechselventile bezeichnet und wirken jeweils mit
einem im Brennraum 5 angeordneten Ventilsitz 6 zusammen.
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Die
Gaswechselventile 4, 9 werden von sogenannten
Nocken 11 einer Nockenwelle 10 betätigt.
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Zwischen
dem Nocken 11 und dem jeweiligen Gaswechselventil 4, 9 ist
eine Hub-Verstelleinrichtung 12 vorgesehen,
wie es beispielhaft in den 1 und 2 für das Auslassventil 9 gezeigt
ist. Die Hub-Verstelleinrichtung 12 weist zumindest zwei Fluidkammern 18, 19 auf,
zwischen denen Flüssigkeit
austauschbar ist. Der von dem Nocken 11 auf die Hub-Verstelleinrichtung übertragene
Hub kann vollständig
auf das Gaswechselventil 4, 9 tibertragen oder
durch die variabel befüllbaren
Fluidkammern 18, 19 der Verstelleinrichtung 12 in
einen kleineren oder größeren Hub übersetzt
werden. Auf diese Weise wird eine variable Ventilsteuerung erreicht.
Die Rockstellung des Gaswechselventils 4, 9 erfolgt
mittels einer nicht dargestellten Rückstellfeder.
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Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel weist
die Hub-Verstelleinrichtung 12 eine Arbeitskammer 15 mit
zwei Kolben 16, 17 auf, zwischen denen eine erste
Fluidkammer 18 vorgesehen ist. Die Arbeitskammer 15 ist
fest in einem Gehäuse
der Brennkraftmaschine angeordnet. Das Gehäuse der Arbeitskammer 15 kann
als separates Bauteil ausgeführt
oder ein Teil des Gehäuses
der Brennkraftmaschine sein. Die erste Fluidkammer 18 der
Arbeitskammer 15 ist mit der zweiten Fluidkammer 19 über eine
Verbindungsleitung 21 strömungsverbunden, so dass die
zweite Fluidkammer 19 Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 18 aufnehmen
bzw. die erste Fluidkammer 18 mit Flüssigkeit auffüllen kann.
Die zweite Fluidkammer 19 wirkt daher als Zwischenspeicher.
Sie ist gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel außerhalb
der Arbeitskammer 15 angeordnet.
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Der
Nocken 11 wirkt auf den oberen Kolben 16 der Hub-Verstelleinrichtung 12 und
der untere Kolben 17 der Hub-Verstelleinrichtung 12 ist
mechanisch mit dem Gaswechselventil 4, 9 gekoppelt,
indem ein Schaft 9.1 des Gaswechselventils 4, 9 in
die Arbeitskammer 15 hineinreicht und mit dem unteren Kolben 17 mechanisch
verbunden ist.
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Der
vollständige
Hub der Nocken 11 wird übertragen,
wenn die erste Fluidkammer 18 während der Nockeneinwirkung
auf den oberen Kolben 16 ihr Volumen nicht verändert. Der
Hub des Nockens 11 wird dann über den oberen Kolben 16,
die Flüssigkeit der
ersten Fluidkammer 18 und den unteren Kolben 17 auf
das Gaswechselventil 4, 9 übertragen. Der Nockenhub wird
in einen kleineren Hub untersetzt, wenn die erste Fluidkammer 18 während der
Nockeneinwirkung Flüssigkeit
in die zweite Fluidkammer 19 abgibt und der Abstand zwischen
den Kolben 16, 17 verringert wird.
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Im
Stand der Technik wird die Flüssigkeitszu- und
abfuhr in die erste Fluidkammer 18 bzw. aus dieser heraus
mittels eines Steuerventils geregelt.
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Erfindungsgemäß kann das
Steuerventil eingespart werden, indem die in den Fluidkammern 18, 19 vorgesehene
Flüssigkeit
eine magnetorheologische Flüssigkeit
ist und eine elektrische Spule 20 derart angeordnet ist,
dass ein auf die Flüssigkeit
einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist.
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Die
magnetorheologische Flüssigkeit
verändert
ihre Viskosität
durch Einwirkung eines Magnetfeldes derart, dass sie erstarrt. Bei
bestromter elektrischer Spule 20 befindet sich die magnetorheologische
Flüssigkeit
im erstarrten bzw. festen Zustand und kann daher nicht aus der ersten
Fluidkammer 18 in Richtung der zweiten Fluidkammer 19 entweichen, so
dass der Nockenhub vollständig
auf das Gaswechselventil 4, 9 übertragen wird. Bei nicht bestromter
elektrischer Spule 20 ist die magnetorheologische Flüssigkeit
flüssig
und wird beim Einwirken des Nockens 11 auf den oberen Kolben 16 durch
Druck zumindest teilweise in die zweite Fluidkammer 19 verdrängt, so
dass der Hub des Nockens 11 gar nicht oder nur teilweise
auf das Gaswechselventil 4, 9 übertragen wird.
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Die
elektrische Spule 20 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
derart angeordnet, dass ein Magnetfeld in der ersten Fluidkammer 18 erzeugbar ist.
Beispielsweise umgibt sie die erste Fluidkammer 18 ringförmig.
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In
der zweiten Fluidkammer 19 ist beispielsweise ein Druckerzeugungsmittel 23 vorgesehen. Dieses
besteht beispielsweise aus einem axial beweglich gelagerten Kolben 24,
der mittels einer Feder 25 einen vorbestimmten Druck in
der Flüssigkeit
aufbaut. Mittels dieses Drucks wird die erste Fluidkammer 18 nach
einer teilweisen Entleerung bis zu einem vorbestimmten Volumen wieder
aufgefüllt,
indem Flüssigkeit
aus der zweiten Fluidkammer 19 mittels des Kolbens 24 in
die erste Fluidkammer 18 gedrückt wird. Das Wiederauffüllen der
ersten Fluidkammer 18 muss möglichst schnell erfolgen, damit
das jeweilige Gaswechselventil 4, 9 für die nächste Ansteuerung bereit
ist.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Zylinders der Brennkraftmaschine
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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Bei
der Brennkraftmaschine nach 2 sind die
gegenüber
der Brennkraftmaschine nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die
Brennkraftmaschine nach 2 unterscheidet sich gegenüber der
Brennkraftmaschine nach 1 darin, dass der obere Kolben 16 entfällt, die
Arbeitskammer 15 mittels eines Gleitlagers 28 axial
in Richtung der Öffnungsrichtung
der Gaswechselventile 4, 9 beweglich ausgeführt und
die Verbindungsleitung 21 in dem unteren Kolben 17 ausgebildet
ist. Außerdem
ist die zweite Fluidkammer 19 innerhalb des Gehäuses der
Arbeitskammer 15 vorgesehen, wobei der Kolben 17 die
erste Fluidkammer 18 von der zweiten Fluidkammer 19 trennt.
Der Kolben 17 teilt die Arbeitskammer 15 somit
auf in die erste Fluidkammer 18 und die zweite Fluidkammer 19. Die
erste Fluidkammer 18 ist über zumindest eine in dem Kolben 17 als
Durchgangsbohrung ausgebildete Verbindungsleitung 21 mit
der zweiten Fluidkammer 19 strömungsverbunden.
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Der
Schaft 9.1 des Gaswechselventils 4, 9 reicht über eine
abgedichtete Öffnung 29 in
die Arbeitskammer 15 hinein und ist mit dem Kolben 17 fest verbunden.
Der Kolben 17 ist innerhalb des Gehäuses der Arbeitskammer 15 axial
beweglich.
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Die
elektrische Spule 20 ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
derart angeordnet, dass ein Magnetfeld zumindest in der Verbindungsleitung 21 des
Kolbens 17 erzeugt wird. Da der Kolben 17 axial
beweglich ist und die Lage der Verbindungsleitung 21 somit
variabel ist, muß die
elektrische Spule 20 derart ausgebildet sein, dass sie
ein Magnetfeld über
einen vorbestimmten axialen Bereich der Arbeitskammer 15 erzeugt.
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Bei
bestromter elektrischer Spule 20 erstarrt die magnetorheologische
Flüssigkeit
in der Verbindungsleitung 21, so dass kein Flüssigkeitsaustausch zwischen
den Fluidkammern 18, 19 möglich ist. Die Spule 20 wirkt
somit als Steuerventil. Der Nocken 11 wirkt bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel
unmittelbar auf das beispielsweise zylinderförmige Gehäuse der Arbeitskammer 15.
Bei bestromter elektrischer Spule 20 ist der Kolben 17 wegen
der undurchlässigen
Verbindungsleitung 21 axial unbeweglich, so dass die Hubverstelleinrichtung 12 starr
ist und den Hub des Nockens 11 vollständig auf das Gaswechselventil 4, 9 überträgt. Bei
unbestromter elektrischer Spule 20 ist der Kolben 17 dagegen
wegen der durchlässigen
Verbindungsleitung 21 axial verschiebbar.
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Bei
unbestromter elektrischer Spule 20 und einem Einwirken
des Nockens 11 auf die Arbeitskammer 15 verschiebt
sich der Kolben 17 in Richtung des Nockens 11 unter Verkleinerung
des Volumens der ersten Fluidkammer 18. Dabei wird Flüssigkeit
aus der ersten Fluidkammer 18 in die zweite Fluidkammer 19 verdrängt. Der
Hub des Nockens 11 wird bei unbestromter elektrischer Spule 20 daher
nicht übertragen,
sondern fuhrt zu einer axialen Verschiebung des Kolbens 17 um
den Wert des Hubs des Nockens 11. Eine Untersetzung des
Hubs des Nockens 11 erfolgt daher durch zeitweises Ausschalten
der elektrischen Bestromung der elektrischen Spule 20.
Bei Wiederbestromung der elektrischen Spule 20 wird der
Hub des Nockens 11 wieder vollständig übertragen.
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Die
Rückstellung
des Gaswechselventils 4, 9 erfolgt mittels einer
nicht dargestellten Rückstellfeder.