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Stufenloses Regeln der Öffnungszeiten und Öffnungswinkel von Gaswechsel
-Ventilen, besonders bei Viertakt - Brennkraftmaschinen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die dazu dient, bei
Vier -takt - Motoren während des Betriebs durch gleichzeitiges Verschieben und Vergrößer@
der Öffnungswinkel die Öffnungsseiten der Gaswechselventile so zu regeln, daß stets
die für die jeweilige Drehzahl und Belastung des Motors ermittelten idealen Öffnungszeiten
eingehalten werden.
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Erreicht werden soll dasit s 1. Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten
und ihrer Überschneidung an die Motordrehzahl zum Zweck einer wirksamen, aber Verlustarmen
Spülung und Füllung der Zylinder.
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2. Die möglichst genaue Abstimmung der angesaugten Frischluftmenge
und des Kraftstoff @ Luftgemisches auf die Belastung des Motors.
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3. Eine auch bei geringen Drehzahlen zur Gemischaufbereitung ausreichend
hohe Einströmgeschwindigkeit der angesaugten Frischluft.
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4. Eine Vergrößerung des nutzbaren Drehzahlbereichs ( höhere Motor
-Elastizität ) durch bessere Gemischaufber@itung und Verbrennung bei extrem hohen
oder niedrigen Drehzahlen.
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5. Bessere Ausnutzung der Kraftstoffenergie und Verminderung des
Ausstoßes unvellständig verbrannter Restgase ( CO - Emission ) .
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Zur Steuerung des Gaswechsels von Viertakt - Brennkraftaschinen müssen
die in die Bronnräume der Zylinder einmündenden Einlaß - und Auslaßka -näle in sehneller
Folge zu bestimmten Zeiten geöffnet und wieder dicht verschlossen werden. Dazu werden
Ventile benutzt,deren zur Abdichtung des Brennraums dienende Ventilteller genau
in die Einmündungen der Gas -kanäle umschließende Sitzring passen.
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Auf der dem Brennraum abgewandten Seite läuft jeder Ventilteller in
einen rechtwinklig in Zentrun des Teller angesetzten Schaft aus, der durch eine
am Zylinderkopf fest montierte Buchse hindurchgeführt wird, in der das Ventil u
seine Achse gedreht und in Richtung seiner lohse verschoben werden kann.
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Den zum Schließen eines Ventils nötigen Andruck des Ventiltellers
an seinen Sitzring bewirken Ventilfedern, die sich gegen eine an freien Ende des
Schaftes befestigte Platte abstützen. Zum Öffnen eines Ventils müssen auf das Ende
seines Schaftes Druckkräfte einwirken, die größer sind als die Kräfte der Ventilfedern,
Das für den Verlauf des Gaswechsels entscheidende Öffnen und Schließen der Einlaß
- und Auslaßventile wird bei den sir bekannten Motortypen nit Hilfe von Wellen gesteuert,
die mit halber Kurbelwellendrehzahl umlaufen und mit Nocken versehen sind. Bei jeder
Umdrehung der Nockenwelle öffnet ein Nocken einmal das ihm zugeordnete Ventil und
@chließt es wieder so, daß vor dem Anlegen des Vemtiltellers an seinen Sitzring
die Geschwindigkeit des Ven -tila abgebremst wird.
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Der Verlauf der Ventilbewegungen hängt von der Form und der Höhe der
Hocken ab; bestimmend für die Öffnungszeiten sind die Winkel, die von den die Wellenachse
schneidenden Begrenzungslinien derjenigen Teile des Nocken -wellenumfaugs gebildet
werden, in welchen die Nocken über den Wellenradius himausragen.
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Die Ausmaße der Hocken werden für jeden Motortyp gesondert festgelegt,
durch Berechnungen und unfangreiche Versuche wird dabei angestrebt, die für den
Gaswechsel in dem zur hauptsächlichen Nutzung vorgesehenen Dreh -zahlbereich günstigsten
Öffnungszeiten zu erzielen.
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In den Anfangszeiten des Motorenbaus war der Ventiltrieb noch unkompli
-ziert @ Die Ventile standen neben den Zylindern mit ihren Schäften ent -weder direkt,
oder, um ein Verbiegeh der Ventilsschäfte zu vormeiden, in becherförmigen Stößeln
auf der unten liegenden Nockenwelle.
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Die ungünstige Form der in Zylinderkopf über den Ventiltellern ausgebuch
-teten Brenmräume und der von unten herangeführten Gaskanäle behinderte den Gaswechsel
und erlaubt keine hohen Drehzahlen.
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Die Massenkräfte der bewegten Bauteile des Ventiltriebs blieben bei
diesen Motoren gering, sie vervielfachten sich jedoch bei später entwickelten Motortypen,
deren Ventile zur zweckmäßigeren Gestaltung des Brennraums im Zylinderkopf hängend
angeordnet wurden. Motore dieser neuen Bauart erreich -ten aufgrund ihres günstigeren
Gaswechsel - und Verb@@n@ungsverlaufs ##### einen besseren Wirkungsgrad und höher.
Drehzahlen Die Lage der Nockenwelle wurde zunächst nicht verändert, diese blieb
an ihres bisherigen Platz in der Nähe der Kurbelwelle, der Abstand zwischen Ventilen
und Nocken wurde durch Stoßstangen überbrückt und die Richtung der Öffnungskräfte
nit Hilfe von kipphebeln umgelenk@. Mit den Massen dieser zusätzlichen Bauteile
und ihrer durch höhere Drehzahlen vergrößerten Ge -schwindigkeiten nahmen die beim
Öffnen und Schließen der Ventile ii Ventil -trieb auftretenden Massenkräfte erheblich
zu und erforderten stärkere Ven -tilfedern, aber auch die locken mußten größer bemessen
werden, unfür den erhöhten Gasdurchsatz die nötigen Ventilöffnungszeiten zu schaffen.
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Nosken und Ventilfedern müssen unter Berücksichtigung der bei den
Bewe -zungen des Ventiltriebs auftretenden Massenkräfte so geformt und bemessen
werden, daß die einzelnen Bauteile des Ventiltriebs stets aneinander an -liegen.
Wenn infolge übermäßiger Beschleunigungs - oder Verzögerungskräfte die Bewegungen
der Bauteile außer Kontrolle geraten und ihre Verbindung zeitweilig abreißt, kann
durch das nachfolgende aufprallen der Bauteile - abgesehen von störenden Geräuschen
- eine Überbeanspruchung des Materials eintreten.
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Verstärkte Ventilfedern können dieser Gefahr entgegenwirken, sie werden
aber in der Regel nur so stark wie nötig ausgelegt, denn eine über das Maß des Notwendigen
hinausgehende Federhärte erfordert größeren Kraftaufwand zun Öffnen der Ventile
und führt zu stärkeren Verschleiß des Ventiltriebs, vor Allen der Nocken.
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Viele in Großserien gebaute Viertakt - Motore sind darum empfindlich
gegen Drehzahlen, die das von Hersteller benannte Maxinun überschreiten. Das bei
überdrehten Motoren vorkommende Zusammenbrechen des Gaswechsels ist gewöhnlich die
Folge eines Ventilflatterns, welches entweder aus dem Unvermögen der Ventilfedern,
die auftretenden M Masschkräfte abzufangen, oder ans einen Nachschwing@n der übermäßig
beanspruchten Ventilfedern entsteht, Es ist heute üblich, bei hochdrehenden Motoren
für jedes Ventil zwei ge -genlänfig 6eviekelte, ineinanderstehende Schraubenfedern
zu verwenden, deren Schwingungen ich zum Teil gegenseitig aufheben. Diese Anordnung
hat darüberhinaus den Vorteil, daß sich die Teile einer gebrochenen Ventil -feder
nicht in den Windungen der intakt gebliebenen Feder verklemmen. Das Ventil wird
so durch den Bruch einer einzelnen Feder nicht völlig außer Betrieb gesetzt und
der Motor kann noch nit mäßigen Drehzahlen bis zur Re -paratur gefahren werden.
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Viertakt - Brennkraftmaschinen verdanken ihre Leistungen vor Alles
den großen Gasdurchsatz, der bei ihren hohen Drehzahlen möglich ist. Je höher die
Drehzahl desto geringer ist aber die zum Öffnen und Schließen der Ventile verfügbare
Zeitspanne, und die für den Gaswechsel benötigten Öff -nungszeiten lassen sich nur
noch mit Hilfe von Nocken einhalten, die sehr steile Kurven und große Öffnungswinkel
haben. Durch solche Nocken erfuhren aber die Bauteile der Stßetangen - Ventiltriebe
so hohe Beschleunigungen, daß die bei Spitzendrehzahlen auftretenden Massenkräfte
von ihren Ventil -federn nicht immer beherrscht-surden.
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Bei neuzeitlichen Hochleistungsmotoren werden deshalb die Massen des
Ven -tiltriebs möglicht klein gehalten. Unter Verzicht auf Stoßstangen wird die
Nockenwelle auf den Zylinderkopf montiert. Die Nooken sind dadurch in unmittelbare
Nähe der Ventile gerückt und können diese, je nach ihrer lin -Ordnung, entweder
über Stößel, Kipphebel oder Schlepphebel betätigen.
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Obwohl Nocken und Ventile zunehmend vergrößert wurden und die thermisch
hoch belasteten Auslaßventile einiger Motortypen zur besseren Kühlung eine Natriun
- Füllung erhiel.ten, bleiben die Massenkräfte dieser Ventiltriebe
auch
bei hohen Drehzahlen so in Grenzen, daß die gleichfalls verbesserten Materialien
der Ventilfedern und der Nocken ihnen standhalten.
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Die Mechanik des Ventiltriebs war Jedoch nur eine von vielen Problemen,
die das Anheben der Motordrehzahlen aufwarf. So war es ebenfalls not -wendig, die
Gasführungen und die Aufbereitung des Kraftstoff - Luftge misehes dem erhöhten Gasdurchsatz
anzupassen und entsprechend zu ver -bessern.
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Im Gegensatz zu den einigermaßen berechenbaren Massenkräften der aus
festen Stoffen bestehenden bewegten Motorteile ist das Verhalten der durchge setzten
Gase und der Ablauf der Verbrennungsprozesse von so viele Faktoren abhängig, daß
sich dafür in zeitraubenden Versuchen bestenfalls Inhalts -punkte ermittelm lassen.
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Durch Umgestaltung der Ansaug - und Auslaßkanäle konnten aber günstigere
Bedingungen für Gaswechsel und Verbrennung geschaffen werden. Diese Maß -ma@men
führten allgemein zur Abkehr von der produktionstechnisch bequemen parallelen Anordnung
der Ventile. Abgesehen von Ausnahmen wie Audi und Rover ( 2000 ), die nach Vorbildern
von Dieselmotoren ( MAN u. andere ) den Brennraum in den Kolbenboden gelegt haben
und einen planen Zylinder -kopf mit parallelen Ventilen verwenden, geben die meisten
Firmen den Brennräumen ihrer Motore die Form von Kugelausschnitten oder von flachen
Kegeln,weil sich damit ein günstiger Verbrennungsablauf erzielen läßt und mehr Platz
für große Ventile gewonnen wird, die dann gewöhnlich auf einer gemeinsamen Ebene
in Winkel zueinander stehen.
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Die Bayrischen Motorenwerke überholten bereits diese Entwicklung,
sie er -sielten mit ihrer neuen, aufwendigen Ventilstellung bei ihren 2,5 / 2,8
ltr Motoren einen so hervorragenden Verbrennungsablauf, daß die Vorteile dieser
Bauart offensichtlich die höheren Kosten rechtfertigen. Zudem zeigt dieses Beispiel,
daß der Hubkolbenmotor noch durchaus eine Weiterentwicklung lohnt und wie sehr die
Verbesserung der Gasführungen dazu beitragen kann.
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111. Motorenwerke haben viel Zeit und Material aufwenden müssen, mn
ihren immer höher gezüchteten Motoren eine gute Laufcharakteristik zu erhalten.
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Gute Schwingungs - und Geräuschdämpfung vorausgesetzt, kam es vor
Allem darauf an, den Motoren eine höchstmömgliche Elastizität, das heist, einen
großen nutzbaren Drehzahlbereich zu geben.
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Bei den in europäischen Ländern durch die Hubraumbesteuerung kleinkalibrig
g@haltenen Motoren war diese Aufgabe nicht immer leicht zu lösen, und wenn bei vielen
Hochleistungsmotoren die Elastizität einer hohen Spitzenleistung geopfert werden
mußte, so liegt dies daran, daß es beim augenblicklichen Stand der Technik nicht
@ögli@@ ist, bei einem Motor, der bei 6000 Umdrch -ungen pro Minute 60 PS pro Liter
Hubraum abgibt, den Drehmomentverlauf im unteren Drehzahlbereich obense günstig
zu gestalten wie bei einem seiner langhubigen Vorgänger, der zwar sehon bei geringen
Drehzahlen ruckfrei durehzog, es aber dafür nur auf eine Literleistung von 30 PS
brachte und sich nicht ohne Gefahr über 4000 Umdrehungen pro Minute drehen ließ.
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Drehmoment und Leistung erreichen deshalb bei vielen neuzeitlichne
Motoren erst im oberen Drittel des Drehzahlbereichs zufriedenstellende Werte, und
es ist üblich geworden, in die mit diesen Motoren betriebenen Fahrzeuge Kraftübertragungen
mit mindestens vier, zum Teil sogar fünf Schaltstufen einzubauen.
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In absehbarer Zeit wird aber die Mehrzahl der Kraftfahrer eine bequemere
Handhabung ihrer Fahrzeuge bevorzugen und nicht länger auf Kraftübertra -gungen
versichten wollen, die dem Fabrer die Mühen des Kuppelns und des Sehaltens abnehmen.
Die zur Zeit gebräuchlichen automatischen und halb -automatischen Kraftübertragungen
haben aber nur drei bis vier Schaltstufen und müssen deshalb auch die unteren Drehzahlbereiche
der mit ihnen kombi -nierten Metore häufiger in Anspruch nehmen.
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Bei der Entwicklung eines neuen Motors wird in der Regel so verfahren,
daß für eine bestimmte Drehzahl, die etwa in der Mitte des zur hauptsächlichen Nutzung
vorgesehenen Drehzahlbereichs liegt, die günstigsten Bedingungen für den Gaswechsel
und den Verlauf der Verbrennung ermittelt werden.
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Die Formen der Brenaränle und der Gaskanäle, die Durchmesser der Ventile
und. die Kurven der Nocken, ron denen die für den Verlauf des Gaswechsels maßgebenden
Ventilöffnungszeiten abhängen, werden dann anhand der gewon -nenen Daten so gestaltet,
daß bei der zugrundegelegten Drehzahl Gaswechsel und Verbrennung nahezu ideal verlaufen.
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Alle Ventiltriebe haben den Nachteil, daß sie nur bei einer bestimmten
Drehzahl@ideale Ventilöffnungszeiten einhalten können. Die durch die Ins -maße der
Nocken unveränderlich festgelegten Öffnungswinkel stimmen in ihrer Größe und Lage
nicht mit den für andere Drehzahlen gültigen idealen Werten überein s bei niedrigeren
Drehzahlen werden die Öffnungs - und Überschnei -dungszeiten zu groß, die Einströmgeschwindigkeit
der angesaugten Frisch -luft läßt nach und da@ Kraftstoff - Luftgemisch wird unzureichend
aufbe -reitet und außerdem zum Teil von den ausströmenden Abgasen in den n@ch nicht
geschlossenen Abgaskanal mitgerissen.
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Bei höheren Drehzahlen dagegen wird der Gaswechsel durch zu geringe
Öff -nungezeiten behindert, die Abgase können nicht restlos entweichen und ### die
Zylinder werden nur unvollständig mit neuem Kraftstoff - Luftgemisch gefüllt.
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In beiden Fällen verschlechtert sich der Verbrennungsablauf und damit
der Wirkungsgrad des Motors.
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Die Erfindung geht davon aus, daß eich der Wirkungsgrad von Viertakt
-Brennkraftmaschinen verbessern und ihr nutzbarer Drehzahlbereich wesentlich erweitern
läßt, wenn zu jeder während des Betriebs vorkommenden Motordreh zahl diejenigen
Ventilöffnungszeiten geschaffen werden, die notwendig sind, um die Zylinder zur
gegebenen Zeit restlos von Abgasen zu entleeren und wieder mit einer genau auf die
Belastung des Motors abgestiuten Menge eines gut aufbereitete Kraftstoff - Luftgemisches
zu füllen. Auf diese Weise ist es möglich, die nachteiligen Auswirkungen der bisher
unveränder -liehen Ventilöffnungswinkel zu vermeiden.
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Das Neue der Erfindung ist die stufenlose Vergrößerung und gleichzeitige
Verschiebung der Öffnungswinkel von nockengestenerten Gaswechslventilen, die, besonders
bei Viertakt - Brennkraftmaschinen, zur Anpassung der Ven -tilöffnungszeiten an
die unterschiedlichen Motordrehzahlen dient.
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Die Erfindung kann bei entsprechender Anordnung der Bauteile auf alle
zur Zeit bekannten Ventiltriebe angewandt werden.
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Das in Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel gilt für einen Motor,
dessen Ventile von einer obenliegenden Nockenwelle über Schlepphelbel be -tätigt
werden.
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Bei Motoren dieser Bauart wird die zur beweglichen Lagerung der Schlepp
-hebel vorhandene Welle um ihre Ichse drehbar gelagert, sodaß sie nit Hilfe einer
beliebigen Regelvorrichtung nach Bedarf verdreht werden kann.
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Figur I der beiliegenden Zeichnungen zeigt im Schnittbild die drehbar
ge -lagerte Welle 1 . Der auf dieser Welle um die Wellenachse schwenkbar ge -lagerte
Schleppebel B liegt mit der a@@ Ende seines freien Arms drehbar eingebetteten Stahlhalbkugel
C auf dem Ventilschaft auf. Der Regelhebel D ist amf des Schlepphebel B in einer
angeschnittenen Buchse so gelagert, daß er nur in einem begrenzten Winkel um die
Längsachse der Buchse ge -sshwenkt werden kann. Ii Wirkungsbereich der Nockenwelle
G ist die Ober -fläche des Regelhebele D so gekrümmt, daß der Nocken darauf zunehmend
früher aufläuft, wenn der Begelhebel im Uhrzeigersinn geschwenkt wird.
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Der Zeitpunkt, zu dem der Nocken wieder abhebt, ändert sich dabei
nicht0 Bei Figur I zeigen die im oberen und ii unteren Bild verschiedenen Stel -lungen
des Regelhebele D die Grenzen seines Sohwenkbereioh, die vom Durchmesser des Exzenters
F bestimmt werden.
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Der Exzenter F ist mit zwei Keilen auf der drehbaren Welle A befestigt
und wird mit dieser so verdreht, daß er den anliegenden Arm des Regel -hebels D
in die gewünschte Stellung bringt.
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Damit der Regelhebel nicht voa Exzenter abhebt, wird am freien Arm
des Regelhebele die Federstahlklammer E angeschraubt, die durch ihre Form und ihre
Elastizität den Regelhebel mit geringfügigem Andruck am Exzenter hält.
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Figur II zeigt die beschriebene Vorrichtung und die Anordnung ihrer
Bau tefle, die in Figur III einzeln dargestellt sind.
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Figur IV verdeutlicht die Krümmung der Oberfläche des Regelhebels
D in Wirkungsbereich der Nockenwelle. Dabei ist ZU beachten, daß der Radius des
Bogens, mit des der auf des Schlepphebel B gelagerte zylindrische Fuß des Regelhebels
in den Hebelarm übergeht, großer sein muß als der Radius der Nockenwelle.
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Die oben benannten Bauteile dieser Vorrichtung sind so angeordnet
und wirken so susu non, daß durch Verdrehen der Welle 1 der die Ventilöff -nungszeiten
bestimmende Umdrehungswinkel, den die Nockenwelle zwischen dem Auflaufen und des
Abheben des Nockens durchläuft, stufenlos vergrößert und verkleinert werden kann.
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Die Vergrößerung des Öffnungswinkels durch die beschriebene Vorrichtung
allein bewirkt nur ein früheres Öffnen des Ventils. Um aber auch den Zeitpunkt des
Schließens den wechselnden Drehsahlen anzupassen, bedarf es einer Hilfsvorrichtung,
die zur Änderung der Ventilöffnungszeiten einen veränderlichen Nachlaufwinkel der
Nockenwelle G erzeugt.
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Figur V zeigt diese Hilfsvorrichtung am Beispiel einer obenliegenden
Nockenwelle, die von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen angetrieben wird.
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Neu an dieser Vorrichtung ist der zwischen den Riemenscheiben der
Kurbel -welle H und der Nockenwelle G angeordnete Laufrollensatz, dassen zwei Laufrollen
M frei drehbar auf Wellen gelagert sind, die fest in der Füh -rungsschiene L stehen.
Der Abstand der beiden Laufrollen ist so bemessen, daß der in seiner Länge darauf
abgestimmte Zahnriemen K zwischen den Riemenscheiben in einem Winkel abgelenkt wird.
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Die Laufrollen liegen stets an dem Zahnriemen an.
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Der Laufrollensatz wird mit der Schiene L in einer an der Stirneeite
des Motorgehäuses waagerecht verlaufenden Rille geführt und stufenlos seitlich verschoben.
Figur VI zeigt die größte mögliche Verschiebung des Lauf -rollensatzes, durch die
der Zahnriemen K aus seiner Stellung a - c ver -drängt
und bis
zur Stellung r - b - e abgewinkelt wird.
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Bei den in Figur VI ( willkürlich ) angenommenen Maßen ist die Längen
-differenz des Zahnriemens K zwisehen den Stellumgem a - b - c und a - c gleich
des zwölfte Teil des Umfangs der auf der Nockenwelle G befestigten Riemenscheibe.
Die dem Uhrzeigersinn entgegengesetzt umlaufende Nockenwelle wird dadurch un einen
Winkel von 30 Grad zurückgedr@ht.
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Die Größe dieses Nachlaufwinkel@ der Nockenwelle ist durch Verschieben
des Laufrollensatzes von 0 bis 30 Grad stufenlos regelbar.
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Die in den Figuren V und VI beschriebene Hilf@vorrichtung wird zusammen
Mit der Schlepphebelwelle A so gesteuert, daß bei zunchmender Vergrößerung des Ventilöffnungswinkels
auch der Nachlaufwinkel der Nockenwelle zunch -mend vergrößert wird.
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Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtungen ist es möglich, die Öffnungs
-winkel und Öffnungszeiten der Gaswechselventile von Viertakt - Brenn -kraftmaschinen
während des Betriebs beliebig zu verändern.
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Das auf dem Zusammenwirken der Vorrichtung zur Vergrößerung der Ventil
-öffnungswinkel mit der Hilfsvorrichtung zur Erzeugung des Nachlaufs der Nockenwelle
beruhende Regelverfahren soll dua dienen, bei Jeder während des Betriebs vorkommenden
Motordrehzahl die für den Gaswechsel günstig -sten Ventilöffnungszeiten zu schaffen.
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Der nutzbare Drehzahlbereich des Motors soll dmdirch erweitert werden,
daß such bei sehr hohen oder außergewöhnlich niedrigen Motordrehzahlen eine restlose
@pülung und eine auf die Jeweilige Belastung des Motors ab -gestimmte Füllung der
Zylinder erfolgt.
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Die Füllmenge und die Einströmgeschwindigkeit der Frischluft wird
gegen -über bisherigen Motoren gleichmäßiger sein und die Aufbereitung des Kraft
-stoff - Luftgemisches so erleichtern, daß dazu verhältnismäßig unkompli -vierte
Vergaser - oder Einspritzanlagen ausreichen werden.
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Das über dem gesamten Drehzahlbereich des Motors gleichmäßig gut
aufbe reitet. und genau dosierte Kraftstoff - Luftgemisch soll eins höhere Aus -beute
der Kraftstoffemergie durch gleichmäßige und saubers Verbrennung ergeben, nach der
nur geringe Mengen unvollständig verbrannt er Gase aus -gestoßen werden.
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Patentansprüche : 1. Vorrichtungen zur stufenlosen Regelung der Größen
von Öffnungswinkeln nockengest@uerter Ventile, gekennmeichnet durch Bauteile, die
zwischen den Nocken und den Ventilen angeordnet und so geformt sind, daß bei einer
Änderung der Lage dieser Bauteile die Nocken früher auflaufen oder später abheben.