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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem
Zylinder, in dem ein Kolben beweglich angeordnet ist, welcher über
eine Kurvenscheibe an eine Antriebswelle gekoppelt ist.
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Verbrennungsmotoren
insbesondere für Kraftfahrzeuge sind typischer Weise als
Kolbenmotor ausgestaltet und besitzen mehrere Zylinder mit Kolben
und Pleuelstange, wobei letztere an eine gemeinsame Kurbelwelle
angelenkt ist. Ein Nachteil von solchen Verbrennungsmotoren mit
herkömmlichem Kurbeltrieb ist z. B. bei einem 4-Takt-Motor, dass
beim Wechsel vom 2. Takt (Verdichtung) in den 3. Takt (Zündung)
am oberen Totpunkt des Kolbens kein Drehmoment geliefert wird. Da
die Kurbelwelle zwischen zwei Zündungen zwei volle Umdrehungen ausführen
muss, kommt es zu einer nicht unerheblichen Laufunruhe beim Motor.
Um dies zu beheben, muss der Zündabstand verringert werden,
insbesondere durch die Verwendung mehrere Zylinder, die mit zeit-
bzw. winkelversetzten Arbeitstakten auf die Kurbelwelle einwirken.
Mit der Zunahme der Zylinderzahl erhöhen sich aber auch
die Größe des Motors und die Anzahl der Pleuelstangen,
woraus höhere Reibungsverluste resultieren.
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In
der
DD 215 605 A1 ist
ein Verbrennungsmotor beschrieben, der eine andere Ankopplung der Kolben
an die Antriebswelle verwendet, wobei die Pleuelstange durch eine
Kolbenstange und einen Mitnehmer ersetzt ist. Die Kurbelwelle ist
hier in einer Kurvenscheibe gelagert, die mit einer Antriebswelle drehfest
verbunden ist. Die Kurvenscheibe besitzt eine elliptische Form,
welche durch Abplattung im Bereich der oberen Totpunkte ein maximales
Verzögern des Kolbens in diesem Bereich entstehen lässt. Damit
sollen Druckverhältnisse und Kraftstoffverbrauch optimiert
werden. Nachteil dieser elliptischen Form der Kurvenscheibe, ist
die permanente lineare Kolbengeschwindigkeit, die aufgrund des doppelt symmetrischen
Aufbaus der Kurvenscheibe zu einer begrenzten, nicht optimierten
Kraftübertragung führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile vorhandener Verbrennungsmotoren
zu nutzen und deren Nachteile zu umgehen, um hohe Leistungen und
bessere mechanische Wirkungsgrade zu erzielen, sowie eine raumsparende
Bauweise zu erhalten.
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Die
Aufgabenstellung wird durch ein Verbrennungsmotor mit einer Kurvenscheibe
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass durch
die erfindungsgemäße Konstruktion der Kurvenscheibe
eine variable Geschwindigkeit der Arbeitstakte bzw. der an die Kurvenscheibe
angreifenden Kolben ermöglicht ist.
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Die
Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor mit mindestens drei Zylindern
in denen jeweils ein Kolben beweglich angeordnet ist. An jedem Kolbenelement
ist eine Schubstange befestigt die senkrecht zur Achse einer angetriebenen
Abtriebswelle steht. Am Schubstangenende befindet sich ein gelagertes Koppelelement.
Mittels eines Kurbelzapfens wird eine Kurvenscheibe drehfest mit
der Abtriebswelle verbunden. Das Koppelelement wird mit der Führungsnut
der Kurvenscheibe geführt.
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Ein
wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass die Kurvenscheibe eine geschlossene, im wesentlichen
sinusförmige auf der Scheibenfläche durchgängig
umlaufende Führungsnut aufweist, in welcher das Koppelelement mit
Gleitlager geführt wird. Der Verlauf der Führungsnut
weist zwar keine Unstetigkeitsstellen auf, jedoch ändern
sich sowohl der Abstand der Mittellinie der Führungsnut
zur Drehachse der Kurvenscheibe als auch die Periodendauer der Sinusform
der Führungsnut. Dadurch ist nicht nur der Hub des über
das Koppelelement angekoppelten Kolbens bestimmt, sondern die Geschwindigkeit
des zugeordneten Kolbens erhält einen nichtlinearen Charakter.
Dies hat zufolge, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt alle an die
Kurvenscheibe angekoppelten Kolben einen unterschiedlichen Arbeitstakt
vollständig oder teilweise realisiert können,
die Kolbengeschwindigkeit in den einzelnen Arbeitstakten also unterschiedlich
sein kann. Dadurch steht beispielsweise für den Ansaug- und
Auspufftakt ein längerer Zeitabschnitt zur Verfügung
als er für den Verbrennungstakt benötigt wird. Die
im Motorregime zeitkritischen Phasen des Ansaugens und Auspuffens
sind auf dieser Weise leichter als bei herkömmlichen Motoren
beherrschbar und es gibt die Möglichkeit, dass die Anfangsphase
und die Endphase der Arbeitstakte von sequentiell arbeitenden Zylindern
sich in einem vorbestimmten Zeitabschnitt überschneiden,
wodurch das abgegebene Drehmoment erheblich gleichförmiger
in seiner Bewegung ist. Trotzdem sind nach einer vollen Umdrehung
der Kurvenscheibe alle Arbeitstakte jedes Kolbens ausgeführt.
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Die
veränderliche Sinusform der Führungsnut ist so
gestaltet, dass sie an die Takte jedes Zylinders optimal angepasst
ist, wobei in die Formgestaltung die Parameter wie Durchmesser der
Kurvenscheibe, Zylinderzahl, Zylinderabstand, Drehzahl der Arbeitswelle,
Anzahl der Hübe und Kolbengeschwindigkeit eingehen.
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Eine
besondere Ausführungsform besitzt einen Kurbelzapfen mit
abgewinkelter Form, der auf der Kurvenscheibe so positioniert ist,
dass er sich am Ende eines Taktes immer in einer Schräglage
zwischen zwei Zylindern befindet. Somit entstehen keine Verzögerungszeiten
im oberen, bzw. im unteren Totpunkt der Kurvenbahn und es werden
keine zusätzlichen Kräfte oder Schwungmassen benötigt
damit die Kurvenscheibe in Bewegung bleibt. Dies führt
wiederum zu optimiertem Kraftstoffverbrauch und auch die Unregelmäßigkeiten
im Motorlauf werden möglichst gering gehalten.
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Eine
weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass
die Kurvenscheibe auch zur Steuerung der Ventile genutzt werden
kann. Die Einlass- und Auslassventile werden über eine
Ventilkurvenscheibe und ein Verbindungsgestänge zwangsgesteuert,
wobei die Ventilkurvenscheibe eine der Führungsnut vergleichbare
Ventilsteuernut aufweist und beispielsweise über eine drehfeste
Verbindung mit der Abtriebswelle ihr Drehmoment bezieht. Die Ventilkurvenscheibe
kann integral mit der Kurvenscheibe ausgebildet sein. Durch die
Zwangssteuerung der Ventile verzichtet man hier auf die Ventilfedern,
wodurch ein geringer Energieverlust entsteht.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Motors mit einer Kurvenscheibe
und zwei Zylindern;
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2:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Motors mit einer Kurvenscheibe
und drei Zylindern;
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3:
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Motors mit der Kurvenscheibe
und vier Zylindern;
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4:
eine Querschnittsansicht der Kurvenscheibe;
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5:
eine vereinfachte Detaildarstellung eines abgewinkelten Kurbelzapfens
in Draufsicht;
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6:
eine Prinzipdarstellung eines Führungsgestänges
für eine Kolbenführung im Längsschnitt;
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7:
eine schematische Schnittdarstellung einer Zwangsventilsteuerung
mit zwei Ventilkurvenscheiben für eine Ventilsteuerung;
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8:
eine Querschnittsansicht der Ventilkurvenscheibe;
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9:
eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Zwangsventilsteuerung mit Schrägventilen;
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10:
eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Zwangsventilsteuerung.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Motor mit einer Kurvenscheibe.
Der Verbrennungsmotor umfasst bei dieser Ausführungsform
zwei Zylinder 01, welche in einer gemeinsamen Ebene und
zu beiden Seiten einer Abtriebswelle 05 angeordnet sind. Jeder
der Zylinder 01 umfasst in bekannter Weise einen Hohlraum
und einen darin gleitenden Kolben 03. Am Kolben 03 ist
eine Schubstange 07 vorzugsweise starr befestigt, welche
senkrecht zu der Abtriebswelle 05 steht.
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Am
Ende der Schubstange 07 befindet sich ein Koppelelement 09,
welches mit der Schubstange 07 je nach Lagerform fest oder
drehbar verbunden ist und für eine Kraftübertragung
auf eine Kurvenscheibe 11 sorgt. Das Koppelelement 09 ist
in einer Führungsnut 13 geführt und ist
dort reibungsarm gelagert, vorzugsweise durch Gleitlager 14.
Die Führungsnut 13 ist in die Scheibenfläche
der Kurvenscheibe 11 eingearbeitet und wird durch eine
durchgängige umlaufende Bahn beschrieben.
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Der
sinusförmige Verlauf der Führungsnut 13 zeigt
eine veränderliche Periodendauer und – bezogen
auf eine gedachte Nulllinie – veränderliche Maxima
und Minima. Der Verlauf der Führungsnut ist wesentlich
komplexer gestaltet als eine einfache Ellipse. Durch den sich stetig ändernden
Abstand der Mittellinie (nicht konstante Änderung der Steigung)
der Führungsnut 13 zur Drehachse der Kurvenscheibe 11 werden
der Hubweg und die Hubgeschwindigkeit des jeweils zugeordneten Kolbens 03 bestimmt.
Die Kurvenscheibe 11 und die darin ausgebildete Führungsnut 13 sind
so geformt, dass, wenn alle Arbeitstakte der angekoppelten Kolben 03 durchgeführt sind,
die Kurvenscheibe 11 eine volle Umdrehung vollendet hat.
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Die
ablaufenden Arbeitstakte sind – abgesehen von der Kraftübertragung
auf die Arbeitswelle – im Wesentlichen identisch mit denen
eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Die Arbeitsweise
lässt sich daher wie folgt zusammenfassen: Durch Druck auf
den Kolben 03 in Zylinderachsenrichtung wird die Kraft über
die Schubstange 07 mittels Koppelelement 09 an
die Kurvenscheibe 11 weitergegeben. Unter dieser axialen
Belastung dreht sich die Kurvenscheibe 11 und mit ihr die
Abtriebswelle 05. Der Kolben 03 bewegt sich abwärts
und im Zylinder 01 wird das Brennstoffgemisch angesaugt.
Sobald der Kolben 03 den unteren Totpunkt erreicht, weist
der Abstand zwischen der gedachten Mittelinie der Führungsnut 13 und
der Drehachse der Kurvenscheibe 11 ein Minimum auf. Es
folgt das Verdichten des Brennstoffs und der Kolben 03 bewegt
sich nach oben, wobei der Abstand der Mittellinie der Führungsnut 13 sich
immer weiter von der Drehachse der Kurvenscheibe 11 entfernt.
Die Zündung im 2. Arbeitstakt bewirkt einen Druckanstieg
im Verbrennungsraum, wobei der Kolben 03 in Richtung unterer
Totpunkt beschleunigt wird. Die erzeugte Druckkraft wird über
die mit dem Koppelelement 09 verbundene Schubstange 07 an die
Kurvenscheibe 11 weitergeleitet und der Abstand der Führungs nut 13 zur
Drehachse der Kurvenscheibe 11 nimmt ab, bis der Kolben 03 den
unteren Totpunkt erreicht hat. Ein Auslassventil wird geöffnet und
durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 03 wird
das Abgas aus dem Zylinder 01 geschoben, der Abstand der
Führungsnut 13 zur Drehachse nimmt zu und im oberen
Totpunkt weist sie ein Maximum auf. Alle vier Arbeitstakte sind
realisiert mit einer vollen Umdrehung der Kurvenscheibe 11.
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Alternativ
zu der zuvor beschriebenen einfachsten Betriebsform ist es insbesondere
bei der Verwendung von zwei Zylindern vorteilhaft, wenn schon in
der Endphase des Arbeitstaktes des ersten Zylinders die Anfangsphase
des Arbeitstaktes des zweiten Zylinders beginnt. Dieser Phasenversatz entsteht
durch die Abstandsänderung zwischen der Abstiegs- und Anstiegsflanke
des Kurvenverlaufs in der Führungsnut, was zu einem ruhigeren
Lauf des Motors führt.
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Die
Kurvenscheibe 11 ist bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform mit Hilfe eines Kurbelzapfens 17 drehfest
mit der Abtriebswelle 05 verbunden.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Motors mit einer Kurvenscheibe. Der Verbrennungsmotor umfasst bei
dieser Ausführungsform drei Zylinder 01, welche
in einer gemeinsamen Ebene um jeweils 120 Grad zueinander versetzt
sind. Jeder der Zylinder 01 befindet sich wiederum senkrecht
zu der Abtriebswelle 05 und führt alle Arbeitstakte
eines üblichen Viertakt-Motors aus. Die Führungsnut 13 ist
an die drei Zylinder angepasst, sodass jeder Zylinder alle Takte
eines Zyklus ausgeführt hat, wenn sich die Kurvenscheibe 11 um 360° gedreht
hat.
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3 stellt
eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Motors mit einer Kurvenscheibe dar. Der Unterschied dieser Ausführungsform
zu der vorhergehenden Beschreibung ist in der Anzahl und Anordnung
der Zylinder 01 zu sehen. Der erfindungsgemäße
Motor umfasst hier vier Zylinder 01, welche jeweils um
90 Grad zueinander versetzt sind und in einer Ebene mit der Kurvenscheibe 11 liegen,
wobei die Zylinder 01 wiederum senkrecht zur Abtriebswelle 05 angeordnet
sind. Die Führungsnut 13 ist an die veränderte
Zylinderzahl angepasst, sodass auch bei dieser Ausführungsform
jeder Zylinder sämtliche Takte eines Zyklus ausgeführt
hat, wenn sich die Kurvenscheibe 11 um 360° gedreht
hat.
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4 zeigt
einen Querschnitt der Kurvenscheibe 11. Die Kurvenscheibe 11 ist
mittels in der Kurvenscheibe drehbar gelagertem Kurbelzapfen 17 drehfest
an der Abtriebswelle 05 angebracht, um die Drehmomente
auf die Abtriebswelle zu übertragen. Die Führungsnut 13 verläuft
auf der Seitenfläche der Kurvenscheibe 11 und
weist ein U-Profil auf, wobei die Öffnungsebene des U-Profils
senkrecht zur Abtriebswelle 05 steht. Die Führungsnut 13 ist
durchgängig, umlaufend und mit den Gleitlagern 14 ausgestattet.
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5 ist
eine Detaildarstellung des abgewinkelten Kurbelzapfens, welcher
das Verbindungsstück zwischen Kurvenscheibe 11 und
Abtriebswelle 05 ist. Der eine Schenkel des Kurbelzapfens 17 ist
an der Stirnfläche der Abtriebswelle 05 angebracht,
der zweite Schenkel erstreckt sich senkrecht zur Kurvenscheibe 11 und
befindet sich außerhalb des Drehzentrums der Kurvenscheibe 11,
welches axial mit der Abtriebswelle 05 ausgerichtet ist.
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6 zeigt
in einer Querschnittsansicht ein Führungsgestänge
einer Kolbenführung 19. Die Kolbenführung 19 befindet
sich am Ende der Schubstange 07 und besitzt eine U-ähnliche
Form. Der freie Innenbereich der U-Form entspricht der Tiefe der
Kurvenscheibe 11, sodass diese durchlaufen kann. An der
Innenseite eines Schenkels der Kolbenführung 19 ist
das Koppelelement 09 fest angebracht, welches auf die Kurvenscheibe 11 zugreift.
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An
der Außenseite der Kolbenführung 19 befinden
sich jeweils senkrecht zu den Schenkeln T-förmige Elemente 21,
welche jeweils in einem Kolbenführungsrohr 23 gleiten.
Die Kolbenführungsrohre 23 sind paarweise an gegenüberliegenden
Seiten jedes Kolbens 03 und beidseitig der Kolbenführung 19 angeordnet.
In 6 ist nur das vor dem Kolben 03 liegende
Paar der Kolbenführungsrohre 23 dargestellt. Das
Kolbenführungsrohr 23 ist mit Gleitlagern ausgestattet
und weist Stoppelemente 27 auf, die sich jeweils an den
Enden der Kolbenführungsrohre 23 befinden. An
den beiden Umkehrpunkten des Kolbenhubs schlägt der Kolben 03 an
diesen Stoppelementen 27 an. Wenn die Stoppelemente leicht
elastisch ausgeführt sind, kann dies der Unterstützung
der Überwindung des Umkehrpunktes dienen.
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7 offenbart
eine Zwangsventilsteuerung mit zwei Ventilkurvenscheiben 31.
Die Einlassventile und die Auslassventile des Motors sind mittels
Verbindungsgestänge 29 jeweils mit einer der Ventilkurvenscheiben 31 verbunden.
Jede Ventilkurvenscheibe 31 steuert ein Paar Ventile 32.
Die Ventilkurvenscheiben 31 sind mit der Abtriebswelle 05 drehfest verbunden
und auf der Abtriebswelle 05 in axialer Richtung versetzt
zueinander angeordnet. Alternativ zu dieser Bauform könnte
die genannte Ventilkurvenscheibe auch auf einer herkömmlichen
Nockenwelle befestigt sein oder in an sich bekannter Weise über eine
Zahnriemen oder dergleichen angetrieben werden. Jede der Ventilkurvenscheiben 31 weist
zwei Ventilsteuernuten 33 auf, die sich auf den gegenüberliegenden
Seitenflächen der Ventilkurvenscheiben 31 befinden
und mit Gleitlagern ausgestattet sind. Die Seitenschenkel des Verbindungsgestänges 29 gleiten
durch jeweils zwei Paar Stützelemente 45, die das
Verdrehen des Gestänges verhindern.
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8 zeigt
eine Prinzipdarstellung der Ventilkurvenscheibe 31 detaillierter.
Die Ventilkurvenscheibe 31 weist eine Kreis-Grundform auf,
wobei sich auf der Ventilkurvenscheibenseite eine Ventilsteuernut 33 befindet,
die mit Gleitlagern ausgestattet ist. Die Bahn der Ventilsteuernut 33 ist
durchgängig, umlaufend und hat in weiten Abschnitten eine Kreisform.
In diesem Abschnitt sind die Ventile 37 geschlossen. In
einem Aktivierungsabschnitt 34 ist eine gerade Abplattung 36 der
Ventilsteuernut 33 angebracht, womit die Öffnung
der Ventile 37 gesteuert wird. Während dieser
Abplattung 36 verringert sich der Abstand zwischen der
gedachten Mittelinie der Ventilsteuernut 33 zur Drehachse
der Ventilkurvenscheibe 31. Das Verbindungsgestänge 29,
welches in der Ventilsteuernut 33 geführt wird,
erzeugt eine Druckkraft auf den Ventilstößel 39,
womit die Ventile 37 geöffnet werden.
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Die
Ventilkurvenscheibe 31 und die Ventilsteuernut 33 könnte
aber auch eine ovale Grundform oder eine Nockenform aufweisen.
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9 stellt
eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform für
eine erfindungsgemäße Zwangsventilsteuerung dar,
die für den Einsatz von Schrägventilen konfiguriert
ist. Die Einlas- und Auslassventile sind in einem Winkel zwischen
15° und 75° zur Zylinderlängsachse angeordnet.
Die Ventilführung wird durch ein Ventilführungselement 35 gesteuert,
welches mit dem Verbindungsgestänge 29 gekoppelt
ist und in einer Verbindungsnut 43 gleitet besteht. Die
Enden des Verbindungsgestänges 29 weisen jeweils
ein Koppelelement 09 auf, welches die Verbindung zu der
Ventilkurvenscheibe 31 herstellt. Die beiden Seitenschenkel
des Verbindungsgestänges 29 gleiten durch jeweils
ein Paar Stützelemente 45, die das Verdrehen des
Gestänges verhindern.
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Im
durch das U-förmige Verbindungsgestänge 29 eingeschlossenen
Bereich befindet sich eine Verstrebung 47, die den Schenkel
und die Grundstange des Verbindungsgestänges 29 zu
einem rechtwinkligen Dreieck schließt. In der Verstrebung 47 befindet
sich die mit Gleitlagern ausgerüstete Verbindungsnut 43 mit
dem darin gleitenden Ventilführungselement 35.
Das Ventilführungselement 35 ist senkrecht zu
einem Ventilstößel 39 gelagert. Zur Vorbeugung
von unerwünschten Verdrehungen und Verkantungen des Ventilstößels 39,
sind jeweils ober- und unterhalb der Verstrebung 47 die
Stützelemente 45 mit Gleitlagern angebracht.
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10 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der
Zwangsventilsteuerung. Zwei Einlassventile bzw. Auslassventile 37 sind
mittels Verbindungsgestänge 29 mit der Ventilkurvenscheibe 31 verbunden.
Die Ventilstößel 39 sind so verlängert,
dass im Innenbereich, der aus den Ventilstößeln 39 und
das Verbindungsgestänge 29 entsteht, die Ventilkurvenscheibe 31 positioniert
ist. Die Steuerung der Ventile 37 wird durch ein Verbindungsstück 49 realisiert,
welches senkrecht von der Ventilkurvenscheibe 31 zum Verbindungsgestänge 29 verläuft.
Auf der Ventilkurvenscheibe 31 ist in der oben beschriebenen
Weise eine Ventilsteuernut 33 ausgebildet. Der Vorteil
diese Zwangssteuerung besteht u. a. darin, dass die Ventile 37 nicht
mit Federn belastet werden müssen, sondern zwangsweise
geöffnet und auch wieder geschlossen werden. Damit sind
sehr schnelle Ventilzyklen erreichbar.
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- 01
- Zylinder
- 03
- Kolben
- 05
- Abtriebswelle
- 07
- Schubstange
- 09
- Koppelelement
- 11
- Kurvenscheibe
- 13
- Führungsnut
- 14
- Gleitlager
- 17
- Kurbelzapfen
- 19
- Kolbenführung
- 21
- T-förmiges
Element
- 23
- Kolbenführungsrohr
- 25
- Stoppvorrichtung
- 27
- Stoppelement
- 29
- Verbindungsgestänge
- 31
- Ventilkurvenscheibe
- 32
- Ventile
- 33
- Ventilsteuernut
- 34
- Aktivierungsabschnitt
- 35
- Ventiführungslement
- 36
- Abplattung
- 37
- Ventil
- 39
- Ventilstösel
- 41
- Ventilführungsvorrichtung
- 43
- Verbindungsnut
- 45
- Stützelement
- 47
- Verstrebung
- 49
- Verbindungsstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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