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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwelle für einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Nockenwelle für einen Vierzylinder-Reihenverbrennungsmotor.
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Die Zylinder eines Mehrzylindermotors sind so angeordnet, dass sie nacheinander ihre Arbeitshübe haben. Die Reihenfolge, in der jeder Zylinder seinen Arbeitshub hat, ist in der Technik als Zündfolge bekannt. Die Zündfolge eines Motors wird in erster Linie durch die Positionierung des Zylinders und der Kurbeln an der Kurbelwelle bestimmt, wobei eine Drehung der Kurbelwelle für den Betrieb/die Arbeit von Kolben in den Zylindern maßgeblich ist.
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Für einen Vierzylinder-Viertaktmotor erfolgen die Arbeitshübe in Abständen von einhundertundachtzig Grad Kurbelwellendrehung, und die Kolben bewegen sich in den Zylindern in Paaren, zum Beispiel bewegen sich die Kolben in dem ersten und vierten Zylinder als ein Paar, und die Kolben in dem zweiten und dritten Zylinder bewegen sich als ein Paar. Zum Beispiel beginnt in einem Vierzylindermotor mit einer Zündfolge von 1342, wenn der erste Kolben seinen Arbeitshub beginnt, der Kolben im vierten Zylinder seinen Ansaughub, der zweite Kolben beginnt seinen Auslasshub und der dritte Kolben beginnt seinen Verdichtungshub.
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Während des Auslasshubs werden Abgase über das/die Auslassventil/-ventile in einen Abgaskrümmer ausgetrieben. Der Abgaskrümmer sammelt die Abgase von jedem Zylinder und führt die Gase zu einem Abgasrohr oder Turbolader. Einfach ausgedrückt, der Abgaskrümmer umfasst mehrere Stränge, die mit einem entsprechenden Zylinder am Zylinderkopf verbunden sind und sich von diesem erstrecken. Der Abgaskrümmer umfasst mehrere Einlässe und Auslässe, die allgemein mit einem Abgasrohr verbunden sind, wodurch ein Abführen von Abgasen nach der Behandlung an die Atmosphäre ermöglicht wird.
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Der Abgaskrümmer ist in der Regel gegossen oder als getrenntes Teil am Zylinderkopf des Motors gefertigt oder kann als ein integraler Teil des Zylinderkopfgussteils ausgebildet werden. Bei einem integrierten Abgaskrümmer sind die Längen oder Stränge der Abgaskrümmerrohre ziemlich kurz, um ein Gießen des Kopfs zu ermöglichen und weiterhin an Kopfmaterialkosten zu sparen.
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Ein mit dem Layout eines Krümmers, insbesondere eines integrierten Abgaskrümmers, verbundenes Problem ist die Behinderung zwischen Zylindern, wobei die Abgase aus einem Zylinder in einen anderen Zylinder abgeführt werden können, wenn es irgendeine Auslassventilüberlappung gibt. Insbesondere ist dies ein Problem, wenn die Abgasstränge von benachbart positionierten Zylindern (zum Beispiel die Abgasstränge vom dritten und vierten Zylinder) im Krümmer relativ kurz sind und die Nocken-Dauer besonders lang ist, zum Beispiel bei einem Vierzylindermotor über einhundertundachtzig Grad Kurbeldrehung liegt. Wenn die Nocken-Dauer länger als 180 Grad Kurbeldrehung ist, haben höchstwahrscheinlich zwei Zylinder gleichzeitig ihre Auslasskanäle geöffnet, wobei sich ein Kanal gerade schließt, während sich der andere Kanal öffnet.
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Es versteht sich, dass das obige Problem dazu führt, dass Abgase aus einem einen höheren Druck aufweisenden Zylinder (dem Zylinder, der gerade seinen Auslasshub begonnen hat) in einen benachbarten Zylinder strömen, wobei sich dessen Auslasskanal gerade schließt und sich somit auf einem niedrigeren Zylinderdruck befindet. Die Folge von zwischen Zylindern strömendem Abgas ist, dass im nächsten Ansaugstadium des Motorzyklus Kraftstoff im Zylinder durch die Gegenwart des Abgases verunreinigt wird und der Verbrennungswirkungsgrad somit beeinflusst wird.
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Es sind Versuche unternommen worden, die Abführung von Abgasen aus einem Zylinder in einen anderen oder das Blockieren von Abführung zu überwinden, wobei das Abgaskrümmer-Layout neu ausgelegt wurde. Bei einem integrierten Abgaskrümmer ist der Umfang zur Modifikation der Abgasstränge aufgrund des Wunsches, die durch einen integrierten Krümmer gewährleistete kompakte Anordnung beizubehalten, begrenzt.
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Es ist wünschenswert, die Möglichkeit, dass Abgase von einem Zylinder zu einem anderen abgeführt werden, auf ein Minimum zu reduzieren.
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Weiterhin ist es wünschenswert zu verhindern, dass die Abführung aus einem Zylinder die Abführung aus einem anderen Zylinder blockiert.
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Weiterhin ist es wünschenswert, die Möglichkeit einer anomalen Verbrennung, auch als Klopfen bekannt, aufgrund des Vermischens von Abgasen und Kraftstoff im Zylinder nach dem Einlass von Kraftstoff auf ein Minimum zu reduzieren.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Nockenwelle für einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor bereit, wobei die Nockenwelle Folgendes umfasst:
mehrere entlang einer Längsachse der Nockenwelle beabstandete Auslassnocken, wobei die Auslassnocken so angeordnet sind, dass mindestens ein Auslassnocken jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors zugeordnet ist;
wobei jeder Auslassnocken dazu angeordnet ist, bei Drehung der Nockenwelle ein Auslassventil seines zugehörigen Zylinders zu betätigen; und
wobei ein Spitzenhub eines ersten Auslassnockens bezüglich des Spitzenhubs eines zweiten Auslassnockens um einen Nockendrehwinkel winkelverschoben ist, der größer ist als ein Winkel, der durch eine volle Umdrehung der Nockenwelle geteilt durch die Anzahl von Zylindern des Mehrzylindermotors definiert wird; wobei der zweite Auslassnocken einem dem Zylinder, der dem ersten Auslassnocken zugeordnet ist, nachfolgenden, zündenden Zylinder zugeordnet ist, und wobei der nachfolgende, zündende Zylinder, der dem zweiten Auslassnocken zugeordnet ist, der Zylinder ist, der dem dem ersten Auslassnocken zugeordneten Zylinder physisch benachbart ist.
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Durch Vergrößerung des Winkels zwischen der Nase oder dem Spitzenhub von Auslassnocken, die physisch benachbarten und aufeinander folgend zündenden Zylindern zugeordnet sind, beginnt sich der Auslasskanal eines früher zündenden Zylinders früher zu schließen als bei einer herkömmlichen symmetrischen Anordnung, und das Öffnen des Auslasskanals des nachfolgend zündenden Zylinders kann verzögert werden. Somit kann die Überschneidungs- oder Überlappungszeitdauer, während der zwei Auslasskanäle geöffnet sind, reduziert werden. Deshalb ist die Dauer der Nockenwellendrehung, während der Transfer von Abgas von einem Zylinder zum anderen auftreten kann, reduziert.
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Beispielsweise ist bei einem Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor, bei dem die Dauer der Nockenwelle hinsichtlich der Zeitdauer, während der ein Auslassventil geöffnet ist, durch die Anzahl von Kurbelwellengrad bestimmt wird: eine Öffnungszeit von neunzig Grad an einer Nockenwelle gleich einer Kurbelwellendrehung von einhundertundachtzig Grad.
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Bei einem Vierzylinder-Reihenmotor mit einer Zündfolge von 1342 zündet der vierte Zylinder im Anschluss an den dritten Zylinder und der erste Zylinder zündet im Anschluss an den zweiten Zylinder. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Auslassnocken einer Auslassnockenwelle für solch einen Motor so angeordnet sein, dass die Nase oder der Spitzenhub des oder der Auslassnocken(s), der bzw. die dem dritten Zylinder zugeordnet ist bzw. sind, um einen Kurbelwellendrehwinkel von über neunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub des bzw. der Auslassnocken(s), der bzw. die dem vierten Zylinder zugeordnet ist bzw. sind, winkelverschoben ist. Ebenso kann die Nase oder der Spitzenhub des bzw. der Auslassnocken(s), der bzw. die dem zweiten Zylinder zugeordnet ist bzw. sind, um mehr als neunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub des bzw. der Auslassnocken(s), der bzw. die dem ersten Zylinder zugeordnet ist bzw. sind, winkelverschoben sein.
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Der Begriff "physisch benachbart" soll sich auf die Anordnung der Auslassnocken bezüglich der physischen Platzierung/Position der zugehörigen Zylinder beziehen. Die Zylinder sind bei einem Vierzylindermotor sequentiell von eins bis vier nummeriert. Deshalb ist der erste Zylinder dem zweiten Zylinder physisch benachbart; der zweite Zylinder ist dem dritten Zylinder physisch benachbart, und der dritte Zylinder ist dem vierten Zylinder physisch benachbart. Somit kann der dem ersten Zylinder (Zylinder eins) zugeordnete Auslassnocken als dem dem zweiten Zylinder (Zylinder zwei) zugeordneten Auslassnocken physisch benachbart betrachtet werden, der dem dem dritten Zylinder (Zylinder drei) zugeordneten Auslassnocken physisch benachbart ist, der dem dem vierten Zylinder (Zylinder vier) zugeordneten Auslassnocken physisch benachbart ist.
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Vorteilhafterweise wird durch eine Winkelverschiebung eines benachbarten Auslassnockens um einen Kurbelwellendrehwinkel, der größer ist als der durch eine volle Umdrehung der Nockenwelle geteilt durch die Anzahl von Zylindern definierte Winkel, die Steuerzeit zwischen Schließen und Öffnen der Auslasskanäle von physisch benachbarten und nacheinander zündenden Zylindern eingestellt.
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Die Zeitdauer, während der zwei Auslassventile bewegt werden und zwei Auslasskanäle gleichzeitig geöffnet sind, wird durch Verschieben der Auslassnocken, die nacheinander zündenden und physisch benachbarten Zylindern zugeordnet sind, um einen Winkel, der größer ist als der durch eine volle Umdrehung der Nockenwelle geteilt durch die Anzahl von Zylindern definierte Winkel, reduziert.
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Es versteht sich, dass die Auslassnocken mit der Nase oder dem Spitzenhub in nichtgleichförmigen Winkelabständen um die Nockenwelle herum verteilt sein können.
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Bei einem Vierzylindermotor beträgt die Nockenwellenöffnungszeitdauer im Allgemeinen neunzig Grad Kurbelwellendrehung und einhundertundachtzig Grad Kurbeldrehung. Deshalb wird durch Ändern der relativen Winkelposition der Auslassnocken das Ausmaß der Kurbelwellendrehung bezüglich einer Kurbeldrehung von einhundertundachtzig Grad geändert, und somit wird die Überschneidung oder Überlappung, wenn zwei Auslasskanäle geöffnet sind, reduziert. Somit wird der Vorgang, dass Abgase von einem Zylinder zu einem anderen abgeführt werden, auf ein Minimum reduziert.
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Die Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann zur Verwendung mit einem Vierzylinder-Reihenmotor ausgeführt sein, wobei der Motor einen ersten Zylinder, einen zweiten Zylinder, einen dritten Zylinder und einen vierten Zylinder umfasst und wobei die Nockenwelle mindestens vier Auslassnocken umfassen kann, die auf der Nockenwelle so beabstandet sind, dass mindestens ein Auslassnocken jedem Zylinder des Motors zugeordnet ist. Die Nase oder der Spitzenhub der Auslassnocken kann in asymmetrischen Winkelabständen um die Nockenwelle herum verteilt sein, wobei die Auslassnocken in anderen Winkeln als orthogonal zueinander angeordnet sind.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Nockenwelle Auslassnocken für die Auslassseite eines Vierzylindermotors, wobei die mindestens zwei Zylindern zugeordneten Auslassnocken jeweils so angeordnet sein können, dass ihre Nasen oder Spitzenhubpunkte um mehr als neunzig Grad bezüglich der Nasen oder Spitzenhubpunkte der nachfolgenden, zündenden und benachbarten Zylindern zugeordneten Auslassnocken winkelverschoben sind.
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Die Anordnung der Zylinder kann so sein, dass sie in ersten und zweiten Paaren betrieben werden, und somit kann die Nase oder der Spitzenhub eines einem Zylinder im ersten Paar zugeordneten Auslassnockens bezüglich der Nase oder des Spitzenhubs eines einem Zylinder in einem zweiten Paar zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben sein.
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Mindestens ein Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um ungefähr sechsundneunzig Grad bezüglich der Nase oder des Spitzenhubs eines einem nachfolgenden, zündenden und benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist. Die Nase oder der Spitzenhub des ersten Auslassnockens kann gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung um sechsundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub des zweiten Auslassnockens verschoben sein.
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In dem Beispiel eines Vierzylinder-Reihenmotors mit einer Zündfolge von 1-3-4-2 kann sich zum Beispiel die Nase oder der Spitzenhub des dem dritten Zylinder zugeordneten Auslassnockens in einem Winkel von sechsundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub des dem vierten Zylinder zugeordneten Auslassnockens befinden. Ebenso kann die Nase oder der Spitzenhub des dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslassnockens um sechsundneunzig Grad bezüglich der Nase oder dem Spitzenhub des dem ersten Zylinder zugeordneten Auslassnockens verschoben sein.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um zwischen dreiundneunzig Grad und neunundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um vierundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um fünfundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um siebenundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um achtundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um neunundneunzig Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um einhundert Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um einhundertundeins Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Der mindestens einem Zylinder zugeordnete Auslassnocken kann so angeordnet sein, dass seine Nase oder sein Spitzenhub um einhundertundzwei Grad von der Nase oder dem Spitzenhub eines einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens winkelverschoben ist.
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Die jedem Zylinder zugeordneten Auslassnocken können nacheinander von dem ersten Zylinder eines Vierzylindermotors mit einer bzw. einem in null Grad, vierundachtzig Grad, einhundertundachtzig Grad und zweihundertundvierundsechzig Grad ausgerichteten Nase oder Spitzenhub angeordnet sein. Der zweite Auslassnocken und der dritte Auslassnocken werden dadurch um sechs Grad Nockendrehung und zwölf Grad Kurbeldrehung bezüglich der herkömmlichen orthogonalen Anordnung, bei der jeder Auslassnocken in Abständen von neunzig Grad bezüglich des nachfolgend betätigten Auslassventils positioniert ist, verschoben.
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Es versteht sich, dass die Geometrie des Auslasskanals, die Kanallänge und das Ausmaß von Rückstrom in den sich schließenden Zylinder das Ausmaß der Winkelverschiebung der Auslassnockenposition bezüglich des einem nachfolgenden, zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens beeinflussen kann.
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Ein oder mehrere Auslassnocken können ein asymmetrisches Profil umfassen. Ein asymmetrisches Profil kann die Grenzfläche zwischen Nocken und Stößel beeinflussen und deshalb die Ventilsteuerung in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Asymmetrie beeinflussen.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Mehrzylindermotor bereit, der eine Nockenwelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst, wobei die Nockenwelle Folgendes umfasst:
mehrere entlang einer Längsachse der Nockenwelle so beabstandete Auslassnocken, dass die Auslassnocken so angeordnet sind, dass mindestens ein Auslassnocken jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors zugeordnet ist;
wobei jeder Auslassnocken dazu angeordnet ist, bei Drehung der Nockenwelle ein Auslassventil seines zugehörigen Zylinders zu betätigen; und
wobei ein Spitzenhub eines ersten Auslassnockens bezüglich des Spitzenhubs eines zweiten Auslassnockens um einen Nockendrehwinkel winkelverschoben ist, der größer ist als ein Winkel, der durch eine volle Umdrehung der Nockenwelle geteilt durch die Anzahl von Zylindern des Mehrzylindermotors definiert wird; wobei der zweite Auslassnocken einem dem Zylinder, der dem ersten Auslassnocken zugeordnet ist, nachfolgenden, zündenden Zylinder zugeordnet ist, und wobei der nachfolgende, zündende Zylinder, der dem zweiten Auslassnocken zugeordnet ist, der Zylinder ist, der dem dem ersten Auslassnocken zugeordneten Zylinder physisch benachbart ist.
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Es werden nunmehr Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotors;
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2a eine Nockenwelle, die eine herkömmliche Auslassnockenanordnung für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor enthält;
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2b eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Nockenwelle für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor;
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2c eine schematische Darstellung eines symmetrischen Auslassnockens;
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3 eine graphische Darstellung eines Auslassventilhubs für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor mit einer Nockenwelle gemäß der Darstellung in den 2a bis 2c;
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4 eine Nockenwelle, die eine Auslassnockenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält; und
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5 eine graphische Darstellung eines Auslassventilhubs für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor mit einer Nockenwelle gemäß der Darstellung in 4.
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Auf 1 Bezug nehmend, wird ein Motor 10 eines Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotors dargestellt. Der dargestellte Motor 10 umfasst vier Zylinder. Auf die Zylinder wird durch Zahlen allgemein Bezug genommen, zum Beispiel umfasst ein Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor vier Zylinder, die als Zylinder 1, 2, 3 und 4 bezeichnet werden. Im Folgenden werden die Zylinder als erster Zylinder 121, zweiter Zylinder 122, dritter Zylinder 123 und vierter Zylinder 124 bezeichnet.
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Die Darstellung von 1 ist auf einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor beschränkt. Es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung in Motoren eingesetzt werden kann, die mehrere Zylinder über drei und für andere Konfigurationen als eine Reihenkonfiguration eingesetzt werden kann.
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In einem Viertaktzyklus, beginnend mit einem Kolben 14 am oberen Totpunkt (oT), geht der Kolben 14 bei Drehung der Kurbelwelle 16 vier Mal hin und her, um vier Takte zu definieren, die jeweils zu einem anderen Vorgang führen.
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Im ersten Takt, in dem sich der Kolben 14 vom oT zum unteren Totpunkt (uT) bewegt, bewegt sich der Kolben 14 in dem Zylinder 12 nach unten, und es öffnet sich durch Wirkung eines Einlassventils 20 ein Einlass oder Einlasskanal in den Zylinder 121, 122, 123, 124, damit die Luft und der Kraftstoff (Benzinmotor) oder Luft (Diesel/Benzin-Direkteinspritzmotor) in den Zylinder 12 eintreten können. Dieser erste Takt ist gemeinhin als Ansaugen bekannt. Am Ende des ersten Takts schließt sich der Einlasskanal 20 und lässt eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Ladung oder eine Luft-Ladung in dem geschlossenen Zylinder.
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Beim zweiten Hub des Kolbens 14 wird der Inhalt des Zylinders 121, 122, 123, 124 durch Bewegung des Kolbens 14 zum oT verdichtet. Bei der Bewegung des Kolbens wird die Kraftstoff-Luft- oder Luft-Ladung verdichtet und in eine (nicht dargestellte) Brennkammer am oberen Ende des Zylinders 121, 122, 123, 124 gedrückt. Während des Verlaufs des Verdichtungsvorgangs (zweiter Hub) des Kolbens 14 sind der Einlasskanal und ein Auslass oder Auslasskanal geschlossen. Der zweite Takt ist als Verdichtungshub bekannt.
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Der dritte Takt des Viertaktprozesses erfolgt gegen Ende des Verdichtungshubs und ist gemeinhin als Arbeitshub bekannt, da beim Komprimieren des/der Kraftstoffes/Luft im Zylinder 121, 122, 123, 124 die hochkomprimierte Ladung heiß wird.
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Bei einem Benzinmotor ermöglicht ein (nicht dargestelltes) Zündkerzen- oder Zündsystem die Zündung des heißen Kraftstoff-/Luft-Gemisches.
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Bei einem Dieselmotor wird Kraftstoff in die heiße komprimierte Luft gespritzt, so dass ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird. Die Hitze der komprimierten Luft zündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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In beiden Fällen brennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch, um die Lufttemperatur weiter zu erhöhen, und erhöht deshalb auch den Luftdruck in dem geschlossenen Zylinder 121, 122, 123, 124. Die komprimierte Luft drückt deshalb den Kolben 14 im Zylinder 121, 122, 123, 124 nach unten und lässt Abgas von dem verbrannten Kraftstoff im Zylinder 121, 122, 123, 124.
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Im letzten Takt des Viertaktprozesses bewirkt weitere Drehung der Kurbelwelle 16, dass sich der Kolben 14 wieder zum oT bewegt. Dieses Mal fällt der Aufwärtshub des Kolbens 14 mit dem Abheben des Auslassventils 22 und deshalb Öffnen des Auslasskanals derart, dass die Aufwärtsbewegung des Kolbens 14 dahingehend wirkt, die Abgase aus dem Zylinder 12 und in den (nicht dargestellten) Abgaskrümmer zu drücken, wodurch das letzte Austreiben der Abgase aus dem Motor 10 ermöglicht wird.
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Jeder Zylinder enthält mindestens ein Einlassventil 20 und ein Auslassventil 22. Im Allgemeinen gibt es zwei Einlassventile 20 und zwei Auslassventile 22 für jeden Zylinder. Der Betrieb des Einlassventils 20 und des Auslassventils 22 zum Öffnen und Schließen der Einlasskanäle und der Auslasskanäle wird durch die Aktion einer Nockenwelle 30, 32 gesteuert, die zum zweimaligen Drehen für jede Umdrehung der Kurbelwelle 16 angeordnet ist.
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Die Nockenwelle 30 auf der Einlassseite und die Nockenwelle 32 auf der Auslassseite des Motors umfassen jeweils Nocken 34 auf der Nockenwelle 30, 32.
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Jede Nockenwelle 30, 32 umfasst mehrere Nocken 34, die entlang der Länge der Nockenwelle 30, 32 beabstandet sind und winkelförmig so beabstandet sind, dass die Nocken 34 dahingehend betreibbar sind, das zugehörige Einlassventil 20 und Auslassventil 22 anzuheben, um den Einlasskanal und den Auslasskanal zum geeigneten Zeitpunkt während des Viertaktprozesses zu öffnen.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen besonders eine Nockenwelle 32, die auf der Auslassseite des Motors 10 positioniert ist.
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Arbeitshübe erfolgen in Abständen von 180 Umdrehungsgrad der Kurbelwelle 16, und die Kolben 14 bewegen sich paarweise. Der Auslasshub ist, wie oben beschrieben, der vierte Takt, der den Viertaktprozess vervollständigt. In einem Motor mit einer Zündfolge 1342 ist der Status der Auslasskanäle von den Zylindern 121, 122, 123, 124 während des Auslasshubs, dass sich der Auslasskanal des dritten Zylinders 123 schließt, während sich der Auslasskanal des vierten Zylinders 124 öffnet. Ebenso schließt sich der Auslasskanal des zweiten Zylinders 122, während sich der Auslasskanal des ersten Zylinders 121 öffnet.
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Auf die 2a und 2b Bezug nehmend, werden eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Anordnung der Auslassnocken 34 an einer Nockenwelle 32 dargestellt. 3c zeigt einen symmetrischen Nocken, was bedeutet, dass der Nocken 34 eine symmetrische Form um die Mittellinie herum hat. Die Nase 35 des Nockens 34 definiert den Maximal-/Spitzenhubpunkt zum Bewirken des Öffnens des zugehörigen Auslasskanals.
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2b stellt die Ausrichtung und Beabstandung der Auslassnocken 341, 342, 343, 344 für einen herkömmlichen Vierzylinder-Viertakt-Motor mit der Zündfolge 1342 dar. Die Nase oder der Spitzenhub des Auslassnockens 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, ermöglicht das Anheben des Auslassventils 22, und somit ist das Öffnen des Auslasskanals bei null Grad (vertikal, wie in 2b dargestellt) angeordnet. Die Position der Nase oder des Spitzenhubs des Auslassnockens 341 stellt den Bezugspunkt für die Position der Nase der Auslassnocken 342, 343, 344, die dem zweiten, dritten bzw. vierten Zylinder 122, 123, 124 zugeordnet sind, dar. Die Nase oder der Spitzenhub des Auslassnockens 342 ist bei zweihundertundsiebzig Grad angeordnet. Die Nase des Auslassnockens 343 ist bei neunzig Grad angeordnet, und die Nase des Auslassnockens 344 ist bei einhundertundachtzig Grad angeordnet.
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Wie oben beschrieben, ist die Nase oder der Spitzenhub jedes Auslassnockens 341, 342, 343, 344 der Teil des Nockens 34, der den größten Hub bereitstellt und deshalb eine vollständige Bewegung des Auslassventils 22 zum Öffnen des Auslasskanals ermöglicht. Wie in 2b dargestellt, sind die Nase oder der Spitzenhub des ersten Auslassnockens 341 und des vierten Auslassnockens 344 diametral gegenüberliegend (um einhundertundachtzig Grad getrennt). Ebenso sind die Nase oder der Spitzenhub des zweiten Auslassnockens 342 und des dritten Auslassnockens 343 um einhundertundachtzig Grad getrennt.
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Die in 3 dargestellte Kurve stellt Ventilhub (Y-Achse) gegenüber Kurbelwellenwinkeldrehung (X-Achse) dar und zeigt den Maximal-/Spitzenhubpunkt (die Ventilöffnung), wenn die Nase des betreffenden Auslassnockens das Auslassventil anhebt, um den Auslasskanal zu öffnen. Die Kurve stellt den Auslassventilbetrieb in einem Motor mit vier Zylindern mit einer Zündfolge 1342 dar.
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Die Kurven werden durch Verwendung der jedem Motorzylinder zugeordneten Bezugszahlen bezeichnet. Deshalb wird die den ersten Zylinder darstellende Kurve mit 121 gekennzeichnet, die den zweiten Zylinder darstellende Kurve wird mit 122 gekennzeichnet und die den dritten Zylinder darstellende Kurve wird mit 123 gekennzeichnet, und die den vierten Zylinder darstellende Kurve wird mit 124 gekennzeichnet.
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Die schraffierten Bereiche 40 unter den Kurven stellen eine Überschneidungszeitdauer dar, während der zwei Auslassventile angehoben sind und somit zwei Auslasskanäle gleichzeitig geöffnet sind, und zeigen deshalb eine Zeitdauer, während der zwei Zylinder Abgase gleichzeitig abführen. Der schraffierte Bereich 40 stellt die Kurbeldrehungszeitdauer dar, während der sich ein Auslassventil schließt und sich ein anderes Auslassventil öffnet.
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Auf 3 Bezug nehmend, ist der schraffierte Bereich 40 zwischen allen Kurven gleich. Die Überschneidungszeitdauern zwischen dem dritten Zylinder 123 und dem vierten Zylinder 124 und zwischen dem zweiten Zylinder 122 und dem ersten Zylinder 121 sind am bedeutendsten, da der dritte und der vierte Zylinder physisch benachbart sind und der erste und der zweite Zylinder physisch benachbart sind, und somit kann der Auslassweg von jedem oder mindestens einem Zylinder jedes Paars zu dem (nicht dargestellten) Abgaskrümmer kurz sein. Während der Überschneidungs- oder Überlappungszeitdauer 40, können Abgase von einem Zylinder, zum Beispiel dem ersten Zylinder 121, in einen zweiten Zylinder, zum Beispiel den zweiten Zylinder 122 eintreten, was auf die Nähe der Zylinder zurückzuführen ist, da beide Auslasskanäle von jedem Zylinder geöffnet sind und auch der Auslassweg oder die Kanallänge am Krümmer kurz ist. In dieser Situation bleibt eine Abgasmenge innerhalb eines Zylinders, wenn die Auslasskanäle geschlossen sind und der Zylinder für den nächsten Ansaughub vorbereitet ist.
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Auf 4 Bezug nehmend, wird eine modifizierte Auslassnockenwelle 32 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Auslassnocken 34 ein symmetrisches Profil haben, wie unter Bezugnahme auf die in den 2a bis 2c dargestellte Nockenwellenanordnung beschrieben. Die relative Winkelverschiebung der Nase oder des Spitzenhubs der Auslassnocken 34 hat sich im Vergleich zu der in 2b dargestellten Anordnung geändert.
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Es werden ähnliche Bezugszahlen verwendet, da die dargestellte Nockenwelle 34 wieder für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor mit einer Zündfolge von 1342 bestimmt ist.
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Wie oben beschrieben, ist die Nase oder der Spitzenhub der Teil jedes Auslassnockens, der den größten Hub bereitstellt, und sie/er ermöglicht deshalb eine vollständige Bewegung des Auslassventils 22 zum Öffnen des Auslasskanals.
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Ähnlich wie das in 2a dargestellte Beispiel zeigt 4, dass der Auslassnocken 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, den Bezugspunkt für die Winkelplatzierung der verbleibenden drei Auslassnocken 342, 343, 344 darstellt. In diesem in 4 dargestellten Beispiel ist die Nase oder der Spitzenhub des Auslassnockens 342, der dem zweiten Zylinder zugeordnet ist, bei zweihundertundvierundsechzig Grad im Uhrzeigersinn von dem Auslassnocken 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, oder bei sechsundneunzig Grad im Gegenuhrzeigersinn von dem Auslassnocken 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, angeordnet. Die Nase oder der Spitzenhub des Auslassnockens 343, der dem dritten Zylinder 123 zugeordnet ist, ist bei vierundachtzig Grad von dem Auslassnocken 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, angeordnet, und die Nase oder der Spitzenhub des Auslassnockens 344, der dem vierten Zylinder 124 zugeordnet ist, ist bei einhundertundachtzig Grad von dem Auslassnocken 341, der dem ersten Zylinder 121 zugeordnet ist, angeordnet.
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Ähnlich wie bei der in 2b dargestellten Anordnung, sind die Nase oder der Spitzenhub des ersten Auslassnockens 341 und des vierten Auslassnockens 344 diametral gegenüberliegend (durch einhundertundachtzig Grad getrennt). Ebenso sind der zweite Auslassnocken 342 und der dritte Auslassnocken 343 auch um einhundertundachtzig Grad getrennt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Nase oder der Spitzenhub des zweiten Auslassnockens 342 und die Nase oder der Spitzenhub des dritten Auslassnockens 343 um sechs Grad von der regelmäßigen orthogonalen Anordnung (siehe 2a) bezüglich des ersten Auslassnockens 341 bzw. des vierten Auslassnockens 344 getrennt. Die relative Winkelverschiebung eines Auslassnockens bezüglich des dem nachfolgend zündenden und physisch benachbarten Zylinder zugeordneten Auslassnockens beträgt sechsundneunzig Grad.
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Die in 5 dargestellte Kurve zeigt Ventilhub (Y-Achse) gegenüber Kurbelwellenwinkeldrehung (X-Achse) und zeigt den Spitzenhubpunkt (die Ventilöffnung), wenn die Nase des betreffenden Auslassnockens das Auslassventil anhebt, um den Auslasskanal zu öffnen. Die Kurve stellt den Auslassventilbetrieb in einem Motor mit vier Zylindern in einer Zündfolge 1342 dar.
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Die Kurven werden durch Verwendung der jedem Motorzylinder zugeordneten Bezugszahlen gekennzeichnet. Deshalb wird die den ersten Zylinder darstellende Kurve mit 121 gekennzeichnet, die den zweiten Zylinder darstellende Kurve wird mit 122 gekennzeichnet, die den dritten Zylinder darstellende Kurve wird mit 123 gekennzeichnet, und die den vierten Zylinder darstellende Kurve wird mit 124 gekennzeichnet.
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Die schraffierten Bereiche 42, 44 unter den Kurven stellen die Überschneidungszeitdauer dar, während der zwei Ventile gleichzeitig angehoben (geöffnet) sind, und stellen deshalb eine Zeitdauer dar, während der zwei Zylinder Abgase gleichzeitig abführen. Der schraffierte Bereich 42, 44 stellt die Kurbeldrehungszeitdauer dar, während der sich ein Auslasskanal schließt und sich ein anderer Auslasskanal öffnet.
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Auf 5 Bezug nehmend, zeigen die schraffierten Bereiche 42, dass die Überschneidungszeitdauer zwischen dem ersten Zylinder 121 und dem dritten Zylinder 123 und die Überschneidungszeitdauer zwischen dem zweiten Zylinder 122 und dem vierten Zylinder 124 vergrößert sind. Die schraffierten Bereiche 44 stellen eine reduzierte Überschneidungszeitdauer zwischen dem dritten Zylinder 123 und dem vierten Zylinder 124 und auch die Überschneidungszeitdauer zwischen dem ersten Zylinder 121 und dem zweiten Zylinder 122 im Vergleich mit der in den 2a und 3 gezeigten Anordnung dar.
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Durch Reduzieren der Überschneidungszeitdauer zwischen dem dritten Zylinder 123 und dem vierten Zylinder 124 und durch Reduzieren der Überschneidungszeitdauer zwischen dem zweiten Zylinder 122 und dem ersten Zylinder 121 ist die Zeitdauer, in der zwei Auslasskanäle gleichzeitig geöffnet sind, reduziert. Deshalb mag der Auslassweg von einem Zylinder zum Abgaskrümmer zwar immer noch kurz sein, aber die Möglichkeit eines Abführens von Abgasen von einem Zylinder zu einem anderen ist reduziert.
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Das Modifizieren der Winkelverschiebung benachbarter Auslassnocken auf einer Auslassseiten-Nockenwelle 32 führt zu einem sauberen Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder bei Ansaugen und Verdichtung, was bedeutet, dass die Verbrennung effizienter ist und es weniger wahrscheinlich ist, dass sie anomale Detonation, wie zum Beispiel Klopfen, erfährt. Somit kann die Motorleistung verbessert werden.
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Die Steuerung von Auslassventilanhebungen wird durch Ändern der Winkelverschiebung benachbarter Auslassnocken geändert. Somit kann der Vorfall, dass gleichzeitig mehr als einem Zylinder zugeordnete Auslassventile angehoben werden und der zugehörige Auslasskanal geöffnet wird, reduziert oder im Wesentlichen eliminiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist bei Betrachtung entlang der Länge der Nockenwelle (siehe 4) die Winkelplatzierung benachbarter Auslassnocken unsymmetrisch.
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Die Nockenwellen- und Auslassnockenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist, wie unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben, eine bestimmte Winkelabstandsbeziehung als Beispiel für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor auf. Es versteht sich, dass die gleiche Winkelverteilung von Auslassnocken nicht für Motoren mit drei Zylindern, fünf Zylindern, sechs Zylindern usw., gelten würde. Es versteht sich jedoch auch, dass ein Ändern der Winkelplatzierung benachbarter Auslassnocken in einem Mehrzylindermotor mit mehreren Zylindern als vier auch zur Reduzierung von Überschneidung zwischen benachbarten Zylindern wirksam sein wird, und somit kann das gewünschte Ergebnis des Reduzierens oder Eliminierens der Abführung von Abgasen zwischen Zylindern für einen Motor mit mehr als vier Zylindern erreicht werden.
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Obgleich oben bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, versteht sich, dass Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsformen immer noch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung fallen können.
