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Die Erfindung betrifft einen Motor mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses, der eine Einrichtung zur variablen Ventilzeitdauersteuerung aufweist, welche die Luftladeeffizienz verbessert, den Pumpverlust reduziert, die Expansionseffizienz verbessert und das tatsächliche Kompressionsverhältnis variiert.
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Ein typischer Verbrennungsmotor, der für ein Fahrzeug verwendet wird, weist eine Einrichtung zur variablen Ventilzeitsteuerung auf, welche die Hubzeitsteuerung eines Einlassventils und eines Auslassventils entsprechend dem Laufzustand des Motors variiert, um die Leistungs- und Abgascharakteristik zu verbessern.
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Inzwischen wurden Forschungen zur Verbesserung der Luftladeeffizienz, Reduzierung des Pumpverlustes, Verbesserung der Expansionseffizienz und Variation des tatsächlichen Kompressionsverhältnisses kontinuierlich durchgeführt.
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Die
EP 2 320 034 A1 beschreibt einen Motor mit aktiver Variation des Kompressionsverhältnisses, aufweisend eine Einlassnockenwelle, an der ein Einlassnocken ausgebildet ist, um ein Einlassventil anzuheben, eine Auslassnockenwelle, an der ein Auslassnocken ausgebildet ist, um ein Auslassventil anzuheben, eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung, die an dem einen Endabschnitt der Einlassnockenwelle angeordnet ist, um eine Drehung der Einlassnockenwelle vorzurücken oder zu verzögern, und eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung, die an dem anderen Endabschnitt der Einlassnockenwelle angeordnet ist, um eine Hubzeitdauer der Einlassnockenwelle zu variieren.
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Mit der Erfindung wird ein Motor mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses geschaffen, der eine Einrichtung zur variablen Ventilzeitdauersteuerung aufweist, welche die Luftladeeffizienz verbessert, den Pumpverlust reduziert, die Expansionseffizienz verbessert und das tatsächliche Kompressionsverhältnis variiert.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch einen Motor nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß der Erfindung weist ein Motor mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses eine Einlassnockenwelle, an der ein Einlassnocken ausgebildet ist, um ein Einlassventil anzuheben, eine Auslassnockenwelle, an der ein Auslassnocken ausgebildet ist, um ein Auslassventil anzuheben, eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung, die an dem einen Endabschnitt der Einlassnockenwelle angeordnet ist, um eine Drehung der Einlassnockenwelle vorzurücken oder zu verzögern, eine Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung, die an dem einen Endabschnitt der Auslassnockenwelle angeordnet ist, um eine Drehung der Auslassnockenwelle vorzurücken oder zu verzögern, eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung, die an dem anderen Endabschnitt der Einlassnockenwelle angeordnet ist, um eine Hubzeitdauer der Einlassnockenwelle zu variieren, und eine Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung auf, die an dem anderen Endabschnitt der Auslassnockenwelle angeordnet ist, um eine Hubzeitdauer der Auslassnockenwelle zu variieren.
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Ein Luftmengenmesser kann an einer Einlassleitung montiert sein, um die Luftdurchflussmenge zu erfassen, die von der Einlassleitung über das Einlassventil zu einer Brennkammer eines Zylinders geführt wird.
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Die Einlassnockenwelle weist ein äußeres Einlassrohr, mit dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung in Eingriff steht, wobei eine Drehposition des äußeren Einlassrohres mittels der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung vor oder zurück gerückt wird, und wobei ein äußerer Einlassnocken an einem Außenumfang des äußeren Einlassrohres ausgebildet ist, und ein inneres Einlassrohr auf, mit dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung in Eingriff steht, wobei eine Drehposition des inneren Einlassrohres mittels der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung vor oder zurück gerückt wird, und wobei ein innerer Einlassnocken an einem Außenumfang des inneren Einlassrohres ausgebildet ist, wobei das innere Einlassrohr in das äußere Einlassrohr gleitend eingesetzt ist.
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Der Motor kann ferner einen Außennocken-Befestigungsbolzen, der den äußeren Einlassnocken an dem Außenumfang des äußeren Einlassrohres befestigt, wobei ein Schlitz in dem äußeren Einlassrohr entlang einer Umfangsrichtung davon ausgebildet ist, und einen Innennocken-Befestigungsbolzen aufweisen, der den inneren Einlassnocken, der an dem äußeren Einlassnocken gleitend montiert ist, durch den Schlitz hindurch an dem inneren Einlassrohr befestigt.
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Das Einlassventil weist ein erstes Einlassventil und ein zweites Einlassventil auf, die Luft zu einer Brennkammer führen, wobei das erste Einlassventil mittels des äußeren Einlassnockens angehoben wird und ein Hubzeitpunkt davon kontinuierlich variiert wird, und wobei das zweite Einlassventil mittels des inneren Einlassnockens angehoben wird und eine Hubzeitdauer davon kontinuierlich variiert wird.
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Ein erster Außendurchmesser eines an einem Endabschnitt des äußeren Einlassrohres ausgebildeten ersten Montageabschnitts, an dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung montiert ist, und ein zweiter Außendurchmesser eines an einem Endabschnitt des inneren Einlassrohres ausgebildeten zweiten Montageabschnitts, an dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung montiert ist, sind gleich.
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Die Form des ersten Montageabschnitts und die Form des zweiten Montageabschnitts können symmetrisch zueinander ausgebildet sein.
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Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Einrichtung zur stufenlos variablen Ventilzeitpunktsteuerung und die Einrichtung zur stufenlos variablen Ventilzeitdauersteuerung gleichzeitig bei der Einlassnockenwelle und der Auslassnockenwelle angewendet, so dass die Ladeeffizienz verbessert wird, der Pumpverlust reduziert wird, die Expansionseffizienz verbessert wird, das tatsächliche Kompressionsverhältnis leicht variiert wird, und das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis aktiv variiert werden.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Teildraufsicht eines Motors mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung des Motors aus 1;
- 3 eine Draufsicht einer Einlassnockenwelle des Motors aus 1;
- 4 einen Schnitt der Einlassnockenwelle aus 3;
- 5 eine Draufsicht einer Auslassnockenwelle des Motors aus 1;
- 6 ein Diagramm, das die Wirkung eines Motors mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
- 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in 4;
- 8 einen schematischen Schnitt eines Abschnitts des Motors aus 1; und
- 9 eine Tabelle, welche die Wirkung eines Motors mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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In den Figuren sind gleiche oder äquivalente Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Mit Bezug auf 1 weist ein Motor einen Zylinderkopf 170, eine Einlassnockenwelle 120, eine Auslassnockenwelle 130, eine Nockenkappe 160, eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100, eine Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung 110, eine Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 und eine Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung 150 auf.
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Die Einlassnockenwelle 120 und die Auslassnockenwelle 130 sind parallel an dem Zylinderkopf 170 angeordnet, die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 ist an dem einen Endabschnitt der Einlassnockenwelle 120 angeordnet, und die Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung 110 ist an dem einen Endabschnitt der Auslassnockenwelle 130 angeordnet.
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Die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 ist an dem anderen Endabschnitt der Einlassnockenwelle 120 angeordnet, und die Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung 150 ist an dem anderen Endabschnitt der Auslassnockenwelle 130 angeordnet.
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Die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 rückt die Drehposition der Einlassnockenwelle 120 vor oder zurück, um den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils vorzurücken oder zu verzögern. Ferner rückt die Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung 110 die Drehposition der Auslassnockenwelle 130 vor oder zurück, um den Öffnungszeitpunkt des Auslassventils vorzurücken oder zu verzögern.
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Die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 verringert oder erhöht die Öffnungszeitdauer des Einlassventils. Ferner verringert oder erhöht die Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung 150 die Öffnungszeitdauer des Auslassventils.
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Die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 steuert den Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils eines Zylinders, und die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 steuert den Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils des Zylinders, so dass der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt des Ventils gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gesteuert werden.
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Mit Bezug auf 2 weist ein Motor eine Einlassleitung 200, eine Brennkammer 250, eine Auslassleitung 210, einen Luftfilter 230, einen Luftmengenmesser 220, eine Drosselklappe 240, ein Einlassventil 260 und ein Auslassventil 270 auf.
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Ferner weist das Einlassventil 260 ein erstes und ein zweites Einlassventil auf, und das Auslassventil 270 weist ein erstes und ein zweites Auslassventil auf.
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Der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungszeitdauer des Einlassventils 260 und des Auslassventils 270 werden entsprechend dem Laufzustand des Motors variabel eingestellt, so dass es nicht leicht ist, einen Richtwert für die durch die Einlassleitung 200 hindurchströmende Einlassluftmenge anzusetzen.
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Dementsprechend ist der Luftmengenmesser 220 zwischen der Drosselklappe 240 und dem Luftfilter 230 in der Einlassleitung 200 angeordnet. Der Luftmengenmesser 220 erfasst die Durchflussmenge der Einlassluft, die der Brennkammer 250 über die Einlassleitung 200 zugeführt wird.
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Mit Bezug auf 3 sind an der Einlassnockenwelle 120 nacheinander ein erster äußerer Einlassnocken 301a, ein erster innerer Einlassnocken 301b, ein zweiter äußerer Einlassnocken 302a, ein zweiter innerer Einlassnocken 302b, ein dritter äußerer Einlassnocken 303a, ein dritter innerer Einlassnocken 303b, ein vierter äußerer Einlassnocken 304a und ein vierter innerer Einlassnocken 304b ausgebildet, die mittels eines ersten Befestigungsbolzens 350 und eines zweiten Befestigungsbolzens 360 befestigt sind.
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Die Drehung des ersten äußeren Einlassnockens 301a, des zweiten äußeren Einlassnockens 302a, des dritten äußeren Einlassnockens 303a und des vierten äußeren Einlassnockens 304a wird von der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 gesteuert, und die Drehung des ersten inneren Einlassnockens 301b, des zweiten inneren Einlassnockens 302b, des dritten inneren Einlassnockens 303b und des vierten inneren Einlassnockens 304b wird von der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 gesteuert.
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Mit Bezug auf 4 weist die Einlassnockenwelle 120 ein äußeres Einlassrohr 400, an dessen einem Endabschnitt ein erster Montageabschnitt 450a ausgebildet ist, an dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 montiert ist, und ein inneres Einlassrohr 410 auf, an dessen anderem Endabschnitt ein zweiter Montageabschnitt 450b ausgebildet ist, an dem die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 montiert ist.
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Der eine Endabschnitt des inneren Einlassrohres 410 ist in die Öffnung des anderen Endabschnitts des äußeren Einlassrohres 400 der Einlassnockenwelle 120 eingesetzt.
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Der erste äußere Einlassnocken 301a, der zweite äußere Einlassnocken 302a, der dritte äußere Einlassnocken 303a und der vierte äußere Einlassnocken 304a sind mittels des ersten Befestigungsbolzens 350 an dem äußeren Einlassrohr 400 befestigt, und der erste innere Einlassnocken 301b, der zweite innere Einlassnocken 302b, der dritte innere Einlassnocken 303b und der vierte innere Einlassnocken 304b sind mittels des zweiten Befestigungsbolzens 360 an dem inneren Einlassrohr 410 befestigt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein erster Außendurchmesser D1 des ersten Montageabschnitts 450a an dem einen Endabschnitt des äußeren Einlassrohres 400 gleich einem zweiten Außendurchmesser D2 des zweiten Montageabschnitts 450b an dem anderen Ende des inneren Einlassrohres 410. Dementsprechend kann das Bauelement allgemein verwendet werden, und der Herstellungsvorgang kann einfach sein.
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Die Form des ersten Montageabschnitts 450a an dem einen Endabschnitt des äußeren Einlassrohres 400 ist symmetrisch zu der Form des zweiten Montageabschnitts 450b an dem anderen Endabschnitt des inneren Einlassrohres 410.
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Mit Bezug auf 5 weist die Auslassnockenwelle 130 nacheinander einen ersten äußeren Auslassnocken 501a, einen ersten inneren Auslassnocken 501b, einen zweiten äußeren Auslassnocken 502a, einen zweiten inneren Auslassnocken 502b, einen dritten äußeren Auslassnocken 503a, einen dritten inneren Auslassnocken 503b, einen vierten äußeren Auslassnocken 504a und einen vierten inneren Auslassnocken 504b auf, die mittels eines ersten Befestigungsbolzens 350 und eines zweiten Befestigungsbolzens 360 befestigt sind.
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Die Drehung des ersten äußeren Auslassnockens 501a, des zweiten äußeren Auslassnockens 502a, des dritten äußeren Auslassnockens 503a und des vierten äußeren Auslassnockens 504a wird von der Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung 110 gesteuert, und die Drehung des ersten inneren Auslassnockens 501b, des zweiten inneren Auslassnockens 502b, des dritten inneren Auslassnockens 503b und des vierten inneren Auslassnockens 504b wird von der Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung 150 gesteuert.
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Die Struktur der Auslassnockenwelle 130 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Struktur der Einlassnockenwelle 120, jedoch ist diese Struktur einem technisch versierten Fachmann bekannt, so dass deren ausführliche Beschreibung weggelassen wird.
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Mit Bezug auf 7 ist das innere Einlassrohr 410 in das äußere Einlassrohr 400 eingesetzt und in diesem drehbar angeordnet.
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Ferner ist der zweite innere Einlassnocken 302b mittels des zweiten Befestigungsbolzens 360 an dem inneren Einlassrohr 410 befestigt. Darüber hinaus durchquert der zweite Befestigungsbolzen 360 einen mittleren Abschnitt der Einlassnockenwelle 120 derart, dass er darin eingesetzt werden kann.
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Dementsprechend ist der zweite Befestigungsbolzen 360 derart angeordnet, dass er den zweiten inneren Einlassnocken 302b, das äußere Einlassrohr 400 und das innere Einlassrohr 410 durchdringt.
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Hier ist ein Schlitz 700 in dem äußeren Einlassrohr 400 derart ausgebildet, dass sich der zweite Befestigungsbolzen 360 in einer Drehrichtung davon bewegen kann.
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Dementsprechend wird, während sich das innere Einlassrohr 410 und der zweite innere Einlassnocken 302b gemeinsam drehen, das äußere Einlassrohr 400 durch den Schlitz 700 nicht relativ gedreht.
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Mit Bezug auf das Diagramm in 6 bezeichnet die horizontale Achse eine Drehzahl (U/min) des Motors, und die vertikale Achse bezeichnet eine Last des Motors.
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Ein Motor mit aktiver Variation des Kompressions- und Expansionsverhältnisses (ACE) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung steuert das tatsächliche Kompressionsverhältnis und das tatsächliche Expansionsverhältnis entsprechend einem Lastbereich des Motors, um einen zusammengesetzten Hubzyklus zu realisieren.
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Das heißt, der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 260 und des Auslassventils 270 wird von der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitpunktsteuerung 100 und der Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitpunktsteuerung 110 gesteuert, und die Öffnungszeitdauer des Einlassventils 260 und des Auslassventils 270 wird von der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 und der Einrichtung zur variablen Auslassventilzeitdauersteuerung 150 gesteuert.
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Dementsprechend werden das tatsächliche Kompressionsverhältnis und das tatsächliche Expansionsverhältnis aktiv gesteuert.
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Wie in 6 gezeigt, wird durch Verringerung der Öffnungszeitdauer eines Ventils die Luftladeeffizienz verbessert, um einen Otto-Zyklus zu realisieren, und durch Erhöhung der Öffnungszeitdauer eines Ventils werden der Pumpverlust reduziert und die Expansionseffizienz verbessert, um einen Atkinson-Zyklus zu realisieren. Ferner kann das tatsächliche Kompressionsverhältnis variiert werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird über ein erstes Einlassventil und ein zweites Einlassventil Einlassluft in eine Brennkammer eingeführt, wobei der Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils durch den äußeren Einlassnocken variiert wird und der Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils durch den inneren Einlassnocken variiert wird, so dass die Öffnungszeitdauer variiert wird.
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Das heißt, der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils und des zweiten Einlassventils werden derart gesteuert, dass die Öffnungszeitdauer des gesamten Einlassventils gesteuert werden kann, und durch das erste und das zweite Einlassventil wird ein Wirbel in der Brennkammer derart gebildet, dass die Verbrennungseffizienz und die Leistung verbessert werden.
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Mit Bezug auf 8 sind der vierte äußere Einlassnocken 304a und der vierte innere Einlassnocken 304b an der Einlassnockenwelle 120 angeordnet, wobei der vierte äußere Einlassnocken 304a von dem äußeren Einlassrohr 400 betrieben wird und der vierte innere Einlassnocken 304b von dem inneren Einlassrohr 410 betrieben wird.
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Wie gezeigt, ist das innere Einlassrohr 410 in das äußere Einlassrohr 400 eingesetzt.
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Der an dem Endabschnitt des inneren Einlassrohres 410 ausgebildete zweite Montageabschnitt 450b dreht sich innerhalb eines Lagerabschnitts 860, der entlang dem zweiten Montageabschnitt 450b ausgebildet ist.
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Der Lagerabschnitt 860 kann einstückig mit dem äußeren Einlassrohr 400 ausgebildet sein. Ferner sind Hydraulikdruckpassagen in dem Zylinderkopf 170, dem Lagerabschnitt 860 und dem zweiten Montageabschnitt 450b ausgebildet, um einem variablen Ventil 880 der Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 150 Hydraulikdruck zuzuführen.
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Das variable Ventil 880 ist in einem Gehäuse 870 angeordnet und benutzt Hydraulikdruck, um die Drehung des inneren Einlassrohres 410 vorzurücken oder zu verzögern.
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Die Hydraulikdruckpassagen weisen eine erste Passage 800, eine zweite Passage 810, eine dritte Passage 820, eine vierte Passage 830, eine fünfte Passage 840 und eine sechste Passage 850 auf. Die erste und die zweite Passage 800 und 810 sind in dem Zylinderkopf 170 ausgebildet, die dritte und die vierte Passage 820 und 830 sind in dem Lagerabschnitt 860 korrespondierend zu der ersten und der zweiten Passage 800 und 801 ausgebildet, und die fünfte und die sechste Passage 840 und 850 sind in dem zweiten Montageabschnitt 450b korrespondierend zu der dritten und der vierten Passage 820 und 830 ausgebildet.
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Ein Hydraulikdruck wird über die erste Passage 800, die dritte Passage 820 und die fünfte Passage 840 zum Vorrücken oder Verzögern der Drehung des variablen Ventils 880 zugeführt, und ein Hydraulikdruck wird über die zweite Passage 810, die vierte Passage 830 und die sechste Passage 850 zum Vorrücken oder Verzögern der Drehung des variablen Ventils 880 zugeführt.
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Während der Hydraulikdruck zum Verzögern zugeführt wird, wird kein Hydraulikdruck zum Vorrücken zugeführt, und während der Hydraulikdruck zum Vorrücken zugeführt wird, wird kein Hydraulikdruck zum Verzögern zugeführt. Der Hydraulikdruck zum Verzögern oder der Hydraulikdruck zum Vorrücken wird von einem Ölsteuerventil (OCV) gesteuert.
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Mit Bezug auf die Tabelle in 9 ist, wenn die Drehphase eines inneren Nockens und eines äußeren Nockens des inneren Einlassrohres 410 und des äußeren Einlassrohres 400 gleich ist, die Öffnungszeitdauer des Einlassventils gleich 220ms, und die Öffnungszeitdauer des Auslassventils ist gleich 184ms.
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Ferner wird, wenn die Einrichtung zur variablen Einlassventilzeitdauersteuerung 140 auf „Voll“ betrieben wird, die Öffnungszeitdauer des Einlassventils auf 290ms erhöht, und die Öffnungszeitdauer des Auslassventils wird auf 254ms erhöht.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung und genauen Definition der beigefügten Ansprüche werden die Begriffe „innen“ und „außen“ verwendet, um die Merkmale der beispielhaften Ausführungsform in Bezug auf ihre Positionen in den Figuren zu beschreiben.
