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Die
Erfindung betrifft einen hubvariablen Ventiltrieb, wie er für Pumpen
oder Verbrennungsmotoren verwendbar ist, nach den Oberbegriffen
der Ansprüche
1 bis 3.
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Normalerweise
werden Ventile in Pumpen und Verbrennungsmotoren von Kipphebeln
zum Steuern des Gaswechsels betätigt
Die Regelung der in den Zylinder ein- oder von diesem ausströmenden Gasmenge
wird meist von einer Drosselklappe bewirkt. (Siehe: Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch/Bosch 20. Auflage VDI-Verlag, 1987, Seite 318-und 362).
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Eine
unterschiedliche Steuerung der Gasmengen durch Einlass und Auslass,
sowie ein gesteuertes Zurückbehalten
oder das Drosseln einer Abgasmenge nach der Verbrennung kann mit
der bisherigen Technologie nur unvollkommen durchgeführt werden.
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Ein
hubvariabler Ventiltrieb der eingangs genannten Art ist z.B. aus
der
US 5,456,224 bekannt. Hierbei
wird über
eine in Kämmeingriff
befindliche Ritzel-Zahnstangenkonstruktion rotierend der Drehpunkt
eines nockengesteuerten Kipphebels zur Betätigung eines Ventilstößels zwischen
einer ersten und zweiten Position für minimalen oder maximalen
Ventilhub geändert.
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Eine
weitere Flexibilisierung solcher hubvariabler Ventiltriebe ist wünschenswert.
Eine entsprechende unterschiedliche Steuerung von Gasmengen wird
erfindungsgemäß durch
einen hubvariabler Ventiltrieb nach den Merkmalen der Ansprüche 1 bis
3 erreicht.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen solcher Ventiltriebe sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Diese
Lösungen
ermöglichen
eine gesteuerte Drosselung der Gasmengen. Ein- oder Auslasskanäle können vollständig abgeschaltet
werden. Die Drosselklappe kann entfallen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. In
diesen zeigen:
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1 eine schematische Teil-Schnittdarstellung
einer hubvariablen Ventilsteuerung (HVS) nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Teil-Schnittdarstellung
einer hubvariablen Ventilsteuerung (HVS) nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Teil-Schnittdarstellung
einer „Duplex"-hubvariablen Ventilsteuerung (DHVS)
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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4 eine schematische Teil-Längsschnittdarstellung
eines Ventils mit Verschlussfeder,
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5 ein Scharnier in Vorderansicht,
Draufsicht und Seitenansicht,
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6 einen 1. Kulissenstein
mit Achsbolzenlager in Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht,
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7 einen Achsbolzen mit Kipphebelführung in
Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht,
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8 ein Innenteil eines Teleskop-Kipphebels
in Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht,
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9 ein Außenteil eines Teleskop-Kipphebels
in Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht, und
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10 einen zweiten Kulissenstein
in Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht.
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Die
in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:
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- 1
- Gehäuse
- 2.
- Achsbolzen
- 3
- Achsbolzen
mit Kipphebelführung
- 4
- 1.
Kulissenstein mit Achsbolzenlager
- 5
- Rückstellfeder
- 6
- Kipphebel
mit verschiebbarem Drehpunkt
- 7
- Öffnernocke
- 8
- Kipphebel
mit festem Drehpunkt
- 9
- Stelleinrichtung
- 10
- Mechanische
Verbindung des 1. Kulissensteines mit Achsbolzenlager
-
- zur
Stelleinrichtung
- 11
- Ventil
- 12
- Verschlussnocke
- 13
- Teieskopkipphebel
- 14
- 2.
Kulissenstein
- 15
- Distanzbeilagscheiben
- 16
- Verschlussfeder
- 17
- Mutter,
Kontermutter
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Bezugnehmend
auf das Ausführungsbeispiel nach 1 ist in diesem ein Kipphebel 6 mit
verschiebbarem Drehpunkt in dem 1. Kulissenstein 4 durch
einen Achsbolzen 3 mit Kipphebelführung verschiebbar gelagert
und einerseits über
ein Gelenk (Scharnier) 2 mit einem Schwenkhebel 8,
der stationär
drehbar in einem Gehäuse 1 gelagert
ist, gelenkig verbunden und wird durch einen Öffnernocken 7 betätigt. Eine
innen am „oberen" Ventilschaft geführte Verschlussfeder
eines „Topfventils", das in 4 mit Halbschnitt eines
unteren Teiles des Ventilschaftes gezeigt ist, ist vorgesehen. Der
Ventilschaft ist geteilt und beide Teile sind durch die Verschlussfeder
beweglich miteinander verbunden.
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Der
1. Kulissenstein 4 mit dem Achsbolzenlager ist durch eine
mechanische Verbindung 10 mit einer Stelleinrichtung 9 verbunden,
die den Standort des 1. Kulissenstei nes mit Achsbolzenlager bestimmt.
Z.B. wird das Gestänge 9 mit
einem Pedal betätigt.
Anstelle des Pedals kann man z.B. auch Gewindestangen, Baudenzüge, Bolzen,
Hebel, Motoren, etc. verwenden. Eine Verschiebung des 1. Kulissensteines 4 mit
Achsbolzenlager verschiebt eine Endlage des „ausgefahrenen" Ventils. Jeder möglichen
Lage des 1. Kulissensteines mit Achsbolzenlager 4 ist ein
genaues „Ausformmaß" des Ventils zugeordnet.
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Die
Betätigungskraft
des Ventils 11 kann verändert
werden. Der Nutzen der Rückstellfeder,
durch die der Kipphebel mit verschiebbarem Drehpunkt an den Öffnernocken 7 gedrückt wird,
wird erkennbar, wenn der 1. Kulissenstein mit Achsbolzenlager 4 durch
eine geeignete Stelleinrichtung 10, die elektrisch oder
mechanisch sein kann und mit der der 1. Kulissenstein mit Achsbolzenlager 4 mechanisch verbunden
ist, sehr nahe an das Ventil 11 geschoben wurde. In diesem
Fall ist die Ventilfeder durch den Kipphebel 6 mit verschiebbarem
Drehpunkt so übersetzt,
dass bereits bei kleiner Drehzahl ein Niederhalten des Kipphebels 6 an
der Öffnernocke 7 durch
die Ventilfeder nicht mehr möglich
ist. Der Kipphebel 6 mit verschiebbarem Drehpunkt würde auf
der Öffnernocke 7 prellen.
Der Kipphebel 6 mit verschiebbarem Drehpunkt wird durch
die Rückstellfeder
an die Öffnernocke 7 so
gedrückt,
dass der Kipphebel 6 erst bei höherer Beschleunigung, wie in
Patentanspruch 1 beschrieben, im Aufbau von der Nocke abhebt.
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Eine
Verschiebung des 1. Kulissensteines mit Achsbolzenlager 4 verschiebt
die Endlage des ausgefahrenen Ventils 11.
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Wird
die Öffnernocke 7 gedreht,
so wird das Ventil 11, abhängig von dem durch die Stelleinrichtung 9 festgelegten
Standorte des 1. Kulissensteines mit Achsbolzenlager 4,
von der Verschlussposition bis hin zu einer Maximalposition ausgefahren.
Diese Maximalposition kann von der Stelleinrichtung 9 von einem
größtmöglichen
Ventilhub bis hin zum Verschlusszustand des Ventils 11 eingestellt
werden. Als mechanische Verbindung 10 des 1. Kulissensteines mit
Achsbolzenlager 4 zur Stelleinrichtung 9 ist ein Gestänge eingesetzt,
das mit einem Pedal betätigt wird.
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Anstelle
der Gelenkverbindung des Kipphebels 6 mit dem Schwenkhebel 8 kann
der Kipphebel 6 aber auch, wie in dem Ausführungsbeispiel
nach 2 gezeigt, direkt über ein
Gelenk (Scharnier) an dem Ventil angreifen, so dass das Ventil 11 über ein Scharnier
mit dem Kipphebel 6 mit verschiebbarem Drehpunkt verbunden
ist, wobei die Ventilfeder erspart werden kann und das Ventil 11 bei
höherer Drehzahl
als nach der in 1 gezeigten
Lösung
betrieben werden kann.
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Die übliche Ventilspieleinstellung
wird zweckmäßig durch
Auswahl aus einem Sortiment von Distanzbeilagenscheiben 15 (ähnlich einem
Endmaßkästchen)
vorgenommen. Das Ventilspiel der hubvariablen Ventilsteuerung erfolgt
durch diese Distanzbeilagenscheiben 15 (s. 2, 3,
in 3 für eine „Duplex-hubvariable
Ventilsteuerung (DAVS)), die in der Mitte eine Durchführöffnung für den Ventilschaft
besitzen und in einem maßlich
abgestuften Sortiment vorliegen, welches den notwendigen Einstellbereich
des Ventilspieles umfasst. Ein Tauschen der Distanzbeilagenscheiben 15 vereinfacht
dabei die Ventilspieleinstellung. Die Lagerhaltung wird auf ein
Sortiment begrenzt.
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In
der Ausführungsform
nach 2 ist die Ventilfeder
durch eine Rückstellfeder 5 ersetzt
und der Kipphebel 6 greift über ein Scharnier direkt an dem
Ventil 11 an. Der Schwenkhebel 8 wird also durch
das Ventil 11 selbst ersetzt.
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In
allen Figuren sind einfache Achsbolzen durch schwarze ausgefüllte Kreise
dargestellt. Im übrigen
ist die Wirkungsweise der Ausführungsform nach 2 identisch zu derjenigen
nach 1. Um das Prinzip
stärker
hervorzuheben, sind in 2 folgende
weitere Besonderheiten gegenüber 1 dargestellt:
- – das
Flächengleitlager
im Achsbolzen 4 mit Kipphebelführung ist weiter aus seinem
Drehpunkt genommen,
- – das
Ventil 11 mit Scharnier ist mit einer „Topfführung" stärker
gegen Verbiegung abgesichert,
- – die
Stelleinrichtung 9 ist als Stellantrieb mit Gewinde und
Gestänge
ausgeführt,
- – die
Ventilfeder ist durch eine Rückstellfeder 5 ersetzt.
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In 4 ist bezüglich der
Ausführungsform nach 1 die Ventilfeder in Verbindung
mit dem geteilten Ventilschaft vorgesehen, mit Führung in seiner Linksrichtung,
der bis zu einem Anschlag hin verschiebbar ist. Beide Teile des
Ventilschaftes sind durch die Verschlussfeder 16 in Verbindung
mit Mutter und Kontermutter 17 beweglich miteinander verbunden.
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3 zeigt in einem weiteren
Ausführungsbeispiel
die Verwendung eines Teleskop-Kipphebels 13,
mit einer „Duplex"-hubvariablen Ventilsteuerung (DHVS)
durch die Öffnernocke 7 einerseits
und die Verschlussnocke 12 andererseits. In diesem Fall
ist keine Verschlussfeder vorgesehen. Hierbei ist der Teleskop-Kipphebel 13 mit
verschiebbarem Drehpunkt selbst in sich geteilt und ebenfalls mit
einer Führung
versehen, so dass er in seiner Länge
veränderbar
ist. Dieser in seiner Länge
veränderliche
Kipphebel wird als Teleskop-Kipphebel bezeichnet. Der Längenausgleich
des Teleskop-Kipphebel 13 verhindert ein Zerbrechen der
Anordnung. Bei dieser Duplexhubvariablen Ventilsteuerung ist der
Teleskop-Kipphebel 13 mit verschiebbarem Drehpunkt über ein
zweites Gelenk (Scharnier) außerdem
mit einem 2. Kulissenstein 14 in einer zweiten Führung verschiebbar,
wobei die zweite Führung
um einen Winkel γ gegenüber der
Führung
des 1. Kulissensteines geneigt ist. Der 2. Kulissenstein wird von
den beiden Nocken entlang seiner Führung in seiner Lage verschoben,
wobei die eine Nocke als Öffnernocke 7 und
die andere, gegenüberliegende
Nocke als Verschlussnocke 12 wirkt. Die eine Nocke besitzt
dabei das komplementäre
Rotationsprofil der anderen. Ventilfedern entfallen bei diesem Aufbau,
wie aus 3 ersichtlich.
Die erreichbare Drehzahl der Anordnung ist dabei durch Massenkräfte, die
Schmierfähigkeit
des Gleitfilms und die Elastizität
der eingesetzten Werkstoffe begrenzt.
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Der
Winkel γ bestimmt
bei diesem Aufbau die Art der Längsverschiebung
des Teleskop-Kipphebel 13 bei der Durchführbewegung
durch die Kipphebelführung
des Achsbolzens 3 mit Kipphebelführung.
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Bedingt
durch unterschiedliche Abnutzung der Nocken 7, 12 etc.
bietet es sich für
den Ventilspielausgleich an, das Nockenspiel durch Kulissensteine
(wie in 3) von der Art
des 2. Kulissensteines einstellbar zu gestalten. Hierbei besteht,
wie in 3 gezeigt, einerseits
die Möglichkeit,
im Bereich des Ventilschaftes Distanzbeilagenscheiben 15 zu verwenden
sowie Kulissensteine unterschiedlicher Dicke von der Art des 2.
Kulissensteines 14 vorzuhalten und einzusetzen.
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Der
Einstellaufwand kann noch weiter reduziert werden und die Ventileinstellung
entfallen, wenn der Ventilschaft elastisch gestaltet wird, wie dies
bereits in Verbindung mit dem geteilten Ventilschaft und der beweglichen
Verbindung beider Teile des Ventilschaftes durch eine Verschlussfeder 16,
die am Ventilschaft geführt
ist, erläutert
wurde. Die „Rotationsfähigkeit" (Rotocompventile)
des Ventils bleibt erhalten. Eine gleichmäßge Ventilbelastung wird durch
die gleichbleibende Federverschlusskraft erreicht.
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Während die
Wirkungsweise dieses dritten Ausführungsbeispieles grundsätzlich die
gleiche ist wie für
die vorangegangenen Ausführungsbeispiele nach
den 1 und 2, bestehen folgende Besonderheiten:
Der
2. Kulissenstein 14 wird von den drehenden Nocken 7, 12 vertikal
parallel verschoben. Der Teleskop-Kipphebel 13 gleitet
bei gleichzeitiger Längenänderung
im Achsbolzen 3 durch dessen Kipphebelführung. Er dreht um den eingestellten
Drehpunkt des ersten Kulissensteines 4, in dem der Achsbolzen 3 mit
Kipphebelführung
gelagert ist. Ist der 1. Kulissenstein nicht in der Verschlussposition,
wird das Ventil 11 periodisch geöffnet und geschlossen. Das
Ventil 11 schwenkt dabei das Scharnier im Teleskop-Kipphebel 13.
Schiebt man den Achsbolzen-Drehpunkt mit dem 1. Kulissenstein 4 in
den Drehpunkt des Ventilscharnieres, steht das Ventil 11 im
Verschluss, obwohl die Nocken 7, 14 rotieren,
der Teleskop-Kipphebel 13 und der 2. Kulissenstein 14 in
Bewegung sind.
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In
der Ausführungsform
nach 3 ist nach Nockenspiel
durch Kulissensteine von der Art des 2. Kulissensteines 14 einstellbar.
Diese Kulissensteine liegen dabei als Sortiment vor und umfassen
den notwendigen Einstellbereich des Nockenspiels. Lagerhaltung und
Nockenspieleinstellung werden damit vereinfacht. Bei der Ausführungsform
nach den 1, 2 und 4 mit Verschlussfeder und geteiltem „elastischem" Ventilschaft bestimmt
diese die Verschlusskraft des Ventils 11 und ersetzt die
Ventilspieleinstellung.
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Ein
Eingriff in das Motormanagement wird durch die Stelleinrichtung 9 möglich. Die
Steuerung kann z.B. von einem Gaspedal, welches mechanisch über ein
Gestänge mit
dem 1. Kulissenstein 4 mit Achsbolzenlager verbunden ist,
gebildet sein. Pedal- und
Kulissensteinweg sind dabei aufeinander abgestimmt. In modernen
Fahrzeugen wird jedoch meist von einem elektronischem Steuergerät mit einem Stellantrieb
gesteuert.
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Zusammenfassend
wird also sowohl bei den Ausführungsbeispielen
der hubvariablen Ventilsteuerung mit Verschlussfedern am Ventil
oder außerhalb desselben
(1 und 2) oder auch mit „Duplex"-hubvariablen Ventilsteuerungen (DHVS)
nach dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3, der 1. Kulissenstein 4 mit
Achsbolzenlager mit einer elektrischen oder mechanischen Stelleinrichtung
mechanisch verbunden und kann der 1. Kulissenstein 4 mit
Achsbolzenlager entlang seiner Führung
von der Stelleinrichtung 9 beliebig verschoben werden.
Die Steuerung verschiedener Motor- oder Pumpeneigenschaften für die Steuerung
von Ventilen von Kolbenpumpen oder Verbrennungsmotoren durch den
Ventilhub, dessen Einstellung durch die Lage des 1. Kulissensteines 4 mit
Achsbolzenlager bestimmt ist, wird durch die Verschiebung des 1.
Kulissensteines 4 mit Achsbolzenlager von der Stelleinrichtung 9 durchgeführt.
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5 zeigt ein Scharnier in
dreiseitiger Darstellung mit den Ansätzen der Lagerzapfen für die Außenteile
eines Teleskop-Kipphebels 13 und eine Bohrung zur Aufnahme
eines Ventils.
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In 6, die den 1. Kulissenstein 4 mit
Achsbolzenlager zeigt, sind die Bohrungen zur Aufnahme eines Achsbolzens
mit Kipphebelführung
erkennbar. Eine Besonderheit besteht darin, dass der dargestellte
Kulissenstein in der Mitte über
ein Langloch verfügt,
damit der Drehpunkt des Achsbolzenlagers bis in den Mittelpunkt
des Ventilschaftes bewegt werden kann (Verschlusszustand des Ventils
bei drehender Nockenwelle).
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7 zeigt den Achsbolzen mit
Kipphebelführung
in drei Ansichten. Erkennbar sind die beiden Lagerzapfen, welche
drehbar in einem Kulissenstein mit Achsbolzenlager aufgenommen werden
können. Der
integrierte Vierkantansatz mit Vierkantdurchbruch dient als Flächengleitlager
für einen
Teleskop-Kipphebel 13.
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8 zeigt das Innenteil eines
Teleskop-Kipphebels 13 in einem Stück.
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Erkennbar
ist die Bohrung zur Aufnahme eines Verbindungsbolzens zum Verbolzen
mit einem 2. Kulissenstein 14 (Paarung: ein Festlager,
ein Loslager). Außerdem
sind zwei Führungsansätze ersichtlich,
die als Flächengleitlager
je in einem Teleskop-Kipphebel-Außenteil
gleiten können).
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Ein
solches ist bei den Ansichten in 9 dargestellt.
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Erkennbar
ist die Bohrung zur Aufnahme eines Lagerzapfens eines Scharniers.
Zusätzlich
ist ein Rechteckdurchbruch vorhanden, in dem en Teleskop-Kipphebel-Innenteil (s. 8) gleiten kann.
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Schließlich zeigt 10 den 2. Kulissenstein 14 in
drei Ansichten, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Teleskop-Kipphebel-Innenteiles
(nach 8) ersichtlich
ist. Der Kulissenstein 14 besitzt auf der linken Seite
eine Aussparung zur Aufnahme eines Kipphebel-Innenteiles (s. 9). An den Ecken sind Führungszapfen
angeflanscht, die in einem Flächengleitlager
eines Gehäuses
oder eines Lagerbocks gleiten können.