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Nockenwellenloser Viertaktmotor Diese Erfindung betrifft die Steuerung
und Betätigung der Gaswechselventile von Viertaktmotoren beliebiger Zylinderzahl.
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Die damit zu lösende Aufgabe und der Stand der Technik wird als bekannt
vorausgesetzt.
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Die Erfindung ersetzt die bisher angewandte mechanische Steuerung
und Betätigung durch eine elektromagnetische und elektronische.
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Sie bringt den Vorteil einer drehzahlabhängigen Regelung der Ven--tilsteuerzeiten
und des Ventilhubes der Gaswechselventile und damit einer Optimierung des Gaswechsels
mit allen sich daraus ergebenden günstigen Abgas-und-Motoreigenschaften, sowie mechanisch
einfachere und wartungsfreiere Motoren.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch elektromagnetischen oder elektrodynamischen
Ventilantrieb, elektromechanisches oder eloktronisches Schalten der Ventilantriebsströme
und elektronisches Schalten der Ventilbremsströme.
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Der elektrodynamische Ventilantrieb ist eine Variation des eleRtrodynamischen
Lautsprechers, bei dem die Membran durch den Ventilfederteller ersetzt wurde (siehe
Bild 1). Dabei sind Spule (1), Magnet (?) und Polschuhe (3) überdimensioniert.
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Das Magnetfeld des Topfmagneten Irann durch einen Permanentmagneten
oder durch eine Feldspule erzeugt werden. Der Magnet selbst muß nicht die Form des
klassische Lautsprecher Topfmagneten haben; wesentlich ist nur die Form des röhrenförmigen
Luftapaltes.
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Die inneren Polschuhe sollen im Bereich der Spule glatt geschliffer
und mit Teflon überzogen sein. Der Teflon Uberzug dient gleichzei tig als Gleitlager
und als elektrische Isolation. Die Flußleitstücke sind mit einigen Bohrungen versehen,,
die dem Druckausgleich und der Kühlung dienen. Die Kiihlung erfolgt z.B. durch Anblasen
der Polschuhe mit Kühlluft durch ein externes Gebläse. Außerdem kann sie durch Hindurchpumpen
von KUhlwasser durch Bohrungen in den Polschu hen und Aussparungen in den Flußleitstücken
erfolgen oder die elektrodynamische Spule wird als Kolben einer Kolbenluftpumpe
eingesetzt Der gesamte Topfmagnet kann mit Aluminium vergossen werden, mit hartmagnetisch-en
oder nichtmagnetischen Schrauben verschraubt, von einem getrennten Aluminiumgehäuse
geschützt werden.
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Die Spule wird auf einen, zur Vermeidung von Wirbelströmen, geschlitzten,
kegelförmigen Ventilfederteller aufgesetzt (siehe 4 Bild 1). Dieser, sowie die Ventilfeder
dienen zusammen mit dem Ventilschaft der Stromableitung nach Masse. Der Ventilfederteller
soll deshalb aus nichtmagnetischem, gut leitendem Material, z.B. aus einer Alu-Legierung
hergestellt sein. Federteller und Feder sind so geformt und monti-ert, daß im-Bereich
des Magnetfeldes der Polechuhe kein Pingstrom induziert werden kann. Die Stromzu£Uhrung
erfolgt über die obere Feder, die aus nichtmagnetischem Material, z.B. aus einer
Kupfer-Beryllium Legierung hergestellt sein soll. Sie ist mit 5 kp gegen die Ventilfeder
vorgespannt und hat eine Federkonstante von 3 kp/cm. An ihrem oberen Ende drUckt
diese Feder gegen einen StromzufUhrungsrlng, der drehbar in einem festen Hohlzylinder
aus massivem Aluminium oder Kupfer gelagert ist und ein Verdrehen der Antriebespule
und des Ventile gestattet. Beide Ringe kompensieren zugleich als kurzgeschlossene
Sekundärspul en die Feldänderungen der Antriebespule. Die Verdrehung der Antriebsspule
und des Ventile wird durch den von oben nach unten durch das Magnetfeld hindurchfließenden
Spulenstrom erzwungen (Drehmomente von 10 - 100 p.cm) Dio Spule wird selbsttragend
aus einer dünnen, mit Teflon, Hostaflon,
Terylene Makrofol oder
Lack isolierten Aluminiumfolie gewickelt und verklebt. An die obere und untere Deckfläche
des so entstandenen Rohrstückes werden kreisringförmige, mit einer Schwelle versehene
Isolierscheiben geklebt. Auf die Isolierscheiben werden kreisringförmige, durch
die Schwelle unterbrochene Sontaktplättchen gelegt, die den Strom über eine Folie
an die Spulenwicklung weiterleiten. Der innere Zylindermantel der Spule wird mit
Teflon überzogen, loches als Isolation und als Gleitlager dient. Der äußere Zylindermantel
der Spule und der außere Polschuh müssen nicht gegeneinander elektrisch isoliert
sein, da sie beide auf Massepotential liegen. Die Schwellen an den Isolierscheiben
dienen der Arretierung des Ventilfedertellers und der Stromzuführungsfeder gegen
Verdrehung in Bezug zur Spule.
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Der elektromechanische Schalter ähnelt in seinem Aufbau dem Zündverteiler
(siehe Bild 2). Zwei geschlossene Stronzuführungs- Kontaktbahnen sind mit dem positiven
Pol der Spannungsquelle verbunden. Daneben sind den Einlaß~ und Auslass- Ventilen
Je zwei Kontaktbahnen zugeordnet, die gegeneinander und gegen das Gehäuse verdreht
werden können. Die Schleifbürsten der Kontaktfinger der Einlassventile sind untereinander
elektrisch verbunden; das gleiche gilt fUr die Auslassventile. Die Kontaktfinger
können mit der Zündverteilerwelle oder einer gleichartigen, getrennt ausgeführten
Welle starr verbunden sein oder durch Fliehkraft, durch Unterdruck oder elektromagnetisch
verdreht werden. Die Kontaktfinger für die Einlass- und Auslassventile können auf
einem gemeinsamen Träger oder auf getrennten Trägern, zur getrennten Regelung verwendet
werden.
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Dreht sich die Welle, so schließen die Bürsten der Kontaktfinger die
jeweils Uboreinanderliegenden Kontaktbahnen der Ventile an die Spannungsquelle an
und leiten damit den Strom durch die Spulen des Ventilantriebes.
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Durch die getrennte Stromzuführung ist es möglich den Antriebsstrom
der Einlass- oder- Auslassventile getrennt durch Schalter, Potentiometer, Blind-
und Wirkwiderstände zu beeinflussen. (Regeln der Stromamplitude und Impulsform).
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Die Zylinderförmigen Kontaktbahntr.äger sind drehbar gelagert und
können
z.B. durch Unterdruck, Fliehkraft oder elektromagnetisch, verstellt werden. Die
gewünschte, drehzahlabhngige Verdrehung kann dabei über Profilscheiben oder passend
gebogene Stahldrahte erfolgen. Will man den Motor auch in der entgegengesetzten
Drehrichtung laufen lassen, so kann dies durch zusatzliches Verdrehen einer Kontaktbahngruppe
gegenüber der anderen (z.B, durch Bor!denzug oder Relais) erfolgen. Die Drosselung
und Beschleunigung des Motors im Teillastbereich kann durch zusatzliches Verschieben
der Kontaktbahnen des Einlassventlls erfolgten. Da hier die Ventilquerschnittsfläche
über die Stromflußdauer geregelt wird. In beiden Fällen wird es aber notwendig,
Jede Kontaktbahn in eine doppelte Lagerung zu betten. Die äußere Lagerung wird drehzahlabhängig
automatisch verstellt; die innere z.B. vom Gaspedal oder von einem Richtungsumschalter
iiber einen Bowdenzug.
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Drei Varianten der Steuerungselektronik sind in den Bildern 3 - 5
dargestellt. Der linke Teil ist jeweils gleich; er zeigt eine einfache Thyristorsteuerung
zum Abbremsen der Ventile wahrend des Schließens.
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In Bild 3 wird der Antriebsstrom zum Offnen der Ventile über den Transistor
T geleitet. Bei geöffnetem Kontakt K ist der Transistor T gesperrt. Wird der Kontaktbahnschalter
K geschlossen, dann wird der Transistor T während einer durch den Kondensator C1
und den Vorwiderstand RV2 gegebenen Zeit Ubersteuert sodaß er den vollen Antriebsstrom
hindurchfließen läßt. Anschließend stellt er sich auf den RVl und RV2 gegebenen
Arbeitspunkt ein.
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Solange der Kontakt K geschlossen ist, muß ein so großer Strom durch
die Äntriebsspule fließen, daß-das Ventil in der vollen Auslenkung gehalten wird.
Um den Transistor T deshalb@nicht allzusehr zu belasten, wird man RVl und RV2 niederohmig
ausführen.
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Dann kann die Diode D 2 entfallen, die den Transistor gegen eine Zerstörung
durch Rückschlagimpulse beim Öffnen des Kontaktes K schützt. C 2 und R 5 dienen
dabei der Funkenunterdrückung.
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Bei der drehzahlabhängigen Steuerung des Kontaktes K ist zu berücksichtigen,
daß das Ventil sich erst zu öffnen beginnt, nachdem die Antriebskraft größer geworden
ist als die Federvorspannunt,
bzw beim Auslassventll größer als
Federvorspannung und die zusätzlich durch den Gasdruck erzeugte Kraft.
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Nach dem Abschalten des Antriebs- bzw - Haltestromes versucht die
Ventilfeder jetzt das Ventil zu schließen. Dabei beschleunigt sie die Spule im starken
Magnetfeld des Topfmagneten innerhalb kurzer Zeit auf eine hohe Geschwindigkeit.
In der Spule wird eine, der Genchwindigkeit proportionale Spannung induziert. Die
Spannung ist eine Funktion des zurückgelegten Weges, also eine Funktion des Ventilhubes.
Man kann so den Bremsbeginn einer bestimmten VentilquerschnittsVläche zuordnen.
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Wirkt die Spule als Generator, so ist der Thyristor in Durchlassrichtung
gepolt. Der Spannungsteiler R2- R3- R4 wird so dimensioniert, daß die zulässige
Zündspannung nicht überschritten wird.
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Der Stromteiler R1 wird so gewählt, daß der ZUndstrom bei dem gewählten
Ventilquerschnitt den zur Zündung notwendigen Wert erreicht.
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R4 muß so hochohmig sein, daß der Stromteiler R1 wirksam wird.
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Die Diode D 1, die einen Nebenschluß des Antriebsstromes über Pl,
R2 und R3 sowie R4 verhindern soll, kann bei genügend hochohmiger Ausführung dieser
Widerstände entfallen.
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ZUndet der Thyristor, dann sinkt der Widerstand im Spulenkreis auf
den geringeren Wert von R5 + RD (RD= Durchlasswiderstand des Thyristors und Dämpfungswiderstand.
Dieser wird so bemessen, daß man eine günstige Abbremsung erhält.) Wegen der hohen
Spannung fließt schlagartig ein hoher Spulenstrom, der die Spule und das Ventil
schnell abbremst. Die zusammenbrechende Spannung läßt den Strom mit der Spulenzeitkonstanten
abklingen. Die eigen-e kineti sche Energie der Spule wird also zu ihrer Abbremsung
verwendet.
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Diese einfache Vertikal- Steuerung des Thyristors gestattet eine gute
Temperaturkompensation der Schaltung.
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Regelt man den Ventilhub, dann erreicht das Ventil beim Schließen
unterschiedliche Abfallgeschwindigkeiten, die mit abnbhmendem Ventilhub abnehmen.
Dadurch kann es geschehen, daß diese Steuerung, die auf eine bestimmte Abfallgeschwindigkeit
anspricht, versagt.
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Deshalb kann der Widerstand R 1 in mehrere Serienwiderstande zerlegt
werden, die bei bestimmten Drehzahlen durch Relais überbrückt werden.oder R 4 kann
als Potentiometer ausgebildet sein, das
drehzahlabhangig durch die
üblichen Regeleinrichtungen verstellt wird. Dann kann der Bremsbeginn der Ventile
drehzahlabhängig oder in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung geregelt werden,
oder man kann die Steuerelektrode des Thyristors mechanisch, lageabhängig mit Masse
verbinden; z.B. immer bei einem Ventilhub von weniger als 1 mm. Der Kontakt könnte
durch eine Blattfeder, die radial schräg gegen den Ventilschaft geneigt ist und
bei dem gewünschten Ventilhub den Ventilfederteller berührt, gebildet werden.
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Man kann auch die Steuerelektroden aller Thyristoren der Einlassventile
im Falle der Drosselung über ein Relais auf eine Vorspannung bringen, die den Thyristor
bei einer bestimmten Spulenspannung durchschaltet. Diese Vorspannung kann in Abhängigkeit
von der Drehzahl oder der Gaspedalstellung variiert werden. Wegen der Vielfalt der
Möglichkeiten ist es zwecklos auf alle einzugehen, Uber den Transformator TR, der
nur im Thyristorkreis der Spule des Auslassventils vorhanden ist, kann bei elektronischer
Benzin- Einspritzung die Erregerspule des Einspritzventils gesteuert oder direkt
betätigt werden.
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Der geringe Spulenwiderstand dämpft beim Antrieb und beim Abbremsen
des Ventils eventuelle mechanische Schwingneigungen. Dasselbe gilt für eventuelles
Prellen beim Aufsetzen des Ventils.
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In Bild 4 wird der Antriebsstrom Uber den Thyristor TH 2 geleitet.
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Bei geöffnetem Kontakt-K soll TH 2 sperren und der Kondensator C 1
sei voll aufgeladen. Der kleine Kondensator C 2 und der große Widerstand R 5 dienen
der Funkenunterdrückung beim öffnen von K.
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Wird nun der Kontakt K geschlossen, dann gelangt über C 3 ein positiver
Spannungsimpuls an die Steuerelektrode von TH 2 der den Thyristor durchschaltet.
Zugleich mit dem Schließen des Kontaktes K beginnt C 1 sich über dio Drossel DRL
umzuladen. Beim Zurückschwingen des Ladestromes von C 1 wird der Thyristor TH 2
gesperrt.
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Gleichzeitig wird der Strom bis zur vollen Aufladung von C 1 durch
die Antriebsspule geleitet. Man kann die Stromflußdauer des Antriebsstromes durch
die Spule etwa gleichsetzen der Periodendauer des Scha,ringkreises aus der Induktiv.itot
der Drossel DRL und dem Löschkondensator C 1. Aus der Größe des maximalen Stromes
durch
den Thyristor T112 wird die Kapazität des Löschkondensators C1 bestimmt und dann
aus der notwendigen Dauer des Antriebsstromes durch die Ventilantriebsspule der
Wert der Umschwingdrossel DRL ermittelt. Die Werte der Widerstinde RVl und RV2 werden
aus der Größe des Stromes zum Kalten der Ventile in der vollen Aus]enkung sowie
aus der maximalen Zündspannung von TH2 bestimmt. Die Diode D2 verhindert einen Nebenschluß
des Löschstromes aus C1 über den Kontakt K, solange dieser noch geschlossen ist
um den Haltestrom der Antriebsspule hindurchzulassen.
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Die Funktion des linken Teils des Schaltbildes ist bei der Beschreibung
von Bild 3 erläutert.
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Bild 5 zeigt die einfachste Schaltung für den Antriebs-und-Haltestrom.
Ihr Vorteil besteht darin, daß Löschkondensator und Löschdrossel entfallen und daß
der Thyristor TlI2 für eine geringere Leistung als in der Schaltung nach Bild 4
ausgelegt sein muß.
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Die Nachteile dieser Schaltung sind die hohe Strombelastung des Kontaktbahnschalters
K und die benötigte große und schalt feste Kapazität des Kondensators C1.
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Beim Schließen des Kontaktes K fließt der Antriebsstrom solange über
den Kondensator C1, bis dieser auf eine solche Spannung aufgeladen ist, daß der
Thyristor TH2 gezündet wird. Der Vorwiderstand ist so dimensioniert, daß durch den
Thyristor TH2 nur der Strom hindurchfließt, der zum Halten des Ventils in der vollen
Auslenkung notwendig ist. Dieser Sachverhalt ist zugleich Dimensionierungsvorschrift
für C1 wenn--R, und die Spuleninduktivität LSP gegeben sind. Die Widerstände R6
und R7 sind verhaltnismäßig hochohmig und so dimensioniert, daß sie den Thyristor
TH2 bei der gunstigsten Kondensatorspannung durchschalten.
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Nach dem Offnen des Kontaktbahnschalters K entlädt sich der Kondensator
Cl sehr schnell über die niederohmige Streche aus TH2 und Rv.
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Die Funktion der linken Hälfte des Schaltplanes ist bei der Beschreibung
von Bild 3 erklärt.
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Man könnte alle diese elektronischen Schalter aus bild 3 bis 5 durch
mcchanische ersetzen. Diese wären jedoch sehr kompliziert und stört ungsanfillig
und wiirden nur eire kurze Betriebsdauer überstehen, da sie einem großen Verschleiß
unterliegen würden.
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Die Wirkungsweise der elektromechanischen Steuerung der Antriebsströme
für- die Einlass-oder-Auslassventile ist aus Bild 6 ersichtlich. Ein Relais schließt
beim Starten den Stromkreis und öffnet ihn automatisch, wenn der Motor stehen bleibt,
um die Antriebsspulen und die Elektronik vor oberlastung zu schützen.
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Beim Starten steht im allgemeinen nicht die Nennspannung zur Verfügung.
Die Ventile werden aber wegen der niedrigen Drehzahl genügend schnell auf einen
ausreichenden Ventilhub angehoben. Die kleinere Ventilquerschnittsfläche bewirkt
eine höhere Strömungsgeschrindigkeit und damit eine bessere Gemischaufbereitung,
die lange Öffnungsdauer bringt eine ausreichende Füllung der Zylinder. Bei tiefen
Temperaturen sinkt der Spuienwiderstand, sodaß auch im Winter ein guter Start sichergestellt
ist. Ist die Antriebsspule beim Starten erhitzt, z.B. weil der Motor kurz vorher
abgestellt wurde, dann ist der Spulenwiderstand maximal 38% größer als bei 2O0C;
diese Widerstandserhöhung wirkt sich Jedoch nicht allzusehr aus, weil auch dann
der Kurzschlußstrom noch erheblich über dem Antriebsstrom liegt.
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Die Drosselklappe wird bei dieser Ventilsteuerung überflüssig. Die
Leistungs-und-Drehzahlregelung erfolgt anders als bisher. Der bei Vollgas geschlossene
Schalter S (Bild 6) wird im Teillastbereich geöffnet. Dadurch wird der Antriebsstrom
über die Drossel DR mit variabler Induktivität geleitet. Die Induktivität dieser
Drossel wird in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung durch Variation des Luftspaltes
oder durch Ein-und-Ausfahren eines Eisenkernes über einen Seilzug verändert.
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Mit wachsender Induktivität steigt der Antriebsstrom in der Ventilantriebsspule
immer flacher an. Der Antriebsstrom wird Jedoch nur für eine bestimmte Dauer voll
durchgeschaltet; seine Maximalamplitude sinkt deshalb mit wachsender Kreisinduktivität.
Eine Vergrößerung der Drosselinduktivität bewirkt deshalb ein verspätetes und langsameres
Öffnen der Ventile. Die Ventilquerschnittsfläche kann dadurch in dem gewünschten
Maß verkleinert werden. Im Leerlauf oder im Schiebebetrieb kann der Antriebsstrom
durch das Relais RhL völlig abgeschaltet werden. Das Einlassventil wird dann für
eine kurze Zet durch den Unterdruck im Zylinder geöffnet, wenn die- Ventilfedervor-Spannung
genijgend klein ausgelegt wird.
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Die Einspritzelektronik wird so gebaut, daß sie bei einer bestimmten
Gaspedalstellung genau ein stöchiometrisches Kraftstoff- Luft-Gemisch herstellt.
Gibt man nun Gas, dann wird das Gemisch fetter.
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Das inimale Luftverhältnis soll aber z.B. 0,87 nicht unterschreiten.
Der Motor beginnt nun schneller zu drehen. Damit wird automatisch der Ventilquerschnitt
vergrößert. Der Motor versucht ein stöchiometrisches Luftverhältnis durch eine bessere
Luftfüllung zu erreichen, Die Elektronik muß zugleich die schlechtere Füllung bei
den höheren Drehzahlen bericksichtigen.
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Geht man nun mit dem Gaspedal zurück, dann erhält man ein Luftvorhältnis
von 1,1. Damit sinkt die Leistung und bei konstanter Belastung auch die Drehzahl.
Die Folge davon ist eine geringere Ventilquerschnittsfläche, die die Frischluftzufuhr
verringert bis sich wieder ein stöchiometrisches Luftverhältnis bei einer niedrigen
Drehzahl einstellt.
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Geht man ganz vom Gaspedal herunter, dann verringert man den Antriebsstrom
der Einlassventilspule erheblich oder schaltet ihn ganz aus. Dadurch erreicht man
die bereits beschriebene Drosselung.
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Aus der Information Uber die Drehzahl entscheidet die Elektronik,
wie bisher, ob Benzin eingespritzt wird oder nicht. Die Information über die Drehzahl
kann z.B. aus der Folge der Stromimpulse be der Abbremsung der Auslassventile gewonnen
werden. Die Einspritzelektronik erhält die Information über die Gaspedalstellung
von einem Potentiometer, das vom Gaspedal betätigt wird.
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Bei Vergasermotoren kann man zunächst die Drosselklappenregelung beibehalten.
Dann entfällt die kompliziertere Regelung des Ventilhubes. LäRt man die Drosselklappe
weg, um günstigere Strömungsverhältnisse zu erhalten, dann muß man das Kraftstoff-Luft-Gemisch
über variable Düsenquerschnitte regeln.
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Bei Dieselmotoren muß man nur die Charakteristik der Einspritz pumpen
der drehzahlabhangigen Filllung anpassen.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ir;t in großer Vielfalt möglich.
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Zunächst kann das Magnetfeld für zwei, rnehrere oder alle Ventilspulen
von
einem gemeinsamen Magnetkern aufgebaut werden. Die Ventilantriebsspulen können auch
in herkömmlicher Weise auf einen geeigneten Wickelkörper gewickelt werden. Die Stromzuführung
zu den Antriebsspulen kann über flexible Leitungen oder über Schleifkontakte erfolgen.
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Die Spulenströme können auch iiber mehrstufige Leistungstransis toren
geschaltet werden. Dies hat den Vorteil, daß die mechanischen Kontakte praktisch
keinen Verschleiß erleiden und sehr klein ausgeführt werden können. Oder man kann
Leistungstransistoren elektronisch durch Ringzähler oder Auswahlschaltüngen mit
vor- oder -nachgeschalteten Verstärkern bestimmter Regelcharakteristik bzw.
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drehzahlabhängiger Impulsverzögerung ansteuern. Diese Elektronik kann
man kontaktlos über kapazitive, induktive oder photoelektrische Geber steuern. Diese
Geber können direkt auf der Kurbelwelle, auf den mit ihr starr verbundenen Teilen,
an den Pleuelstangen, den Kolben, dem Kurbelgehäuse oder an den Zylinderköpfen angebracht
sein. Beim Starten benötigt man dann aber eine digitale Auswahlschaltung, die die
Ringzähler in den richtigen Anfangszustand setzt.
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Schließlich kann man eine Zentralelektronik bauen, die die Ventile,
die Einspritzpumpe, die Zündung und die Schaltvorgänge im unsynchronisierten Getriebe
steuert.
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Bei weniger strengen Anforderungen an die Regelbarkeit der öffnung
dauer der Ventile sowie der Öffnungs-und-Schließwinkel genügt es, die Kontaktbahnen,
die die Antriebsströme der Ventilspulen schalten, für die Einlass-und-Auslaseventile
nur einfach auszuführen. Bei einer fest angenommenen Länge der den einzelnen Ventilen
zug-eordneten Kontaktbahnabschnitte kann man durch die verschiedene Wahl der Federvorspannung
und der Federkonstanten die Pegelcharakteristik noch in weitem Maße sondern.
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Man könnte die Gaswechselventile auf verschiedene Art und Weise auch
elektromagnetisch betitigen. Allen Elektromagneten haftet Jedoch der Mangel an,
daß sie auf Stromnnderungen nicht schnell genu-g reagieren. Sie könnten nur bei
sehr langsam laufenden Motoren verwendet werden. Außerdem würde man eine viel höhere
elektrische Leistung zur Ventilbetätigung benötigen.
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Eine dritte Möglichkeit zur Ventilbetätigung besteht noch in der Ausnutzung
der Abstoßung von zwei gegensinnig vom Strom durchflossenen Leitungen bzw. WIcklungen
in Lutt oder auf einem Trasformatorkern. Diese ist aber letzten Endes nichts anderes
als eine Variation eines durch eine Feldspule erregten Topfmagneten mit Antriebsspule
im Luftspalt.
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Diese Steuerung läßt sich vielen Spezialaufgaben anpassen. Es ist
z.B. leicht möglich, die Ventile in der ersten Phase des Startens -eines Motors
nicht völlig zu schließen (dabei muß die Kraftstoffeinspritzung unterbleiben) um
die Schwungscheibe auf eine möglichst hohe Drehzahl zu bringen und erst dann den
eigentlichen Startvorgang einzuleiten. Dieses Prinzip ermöglicht es, Dieselmotoren
mit wesentlich schwächeren Anlassern auszustatten.
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Diese neue Art der Ventilsieueriing bringt folgende Vorteile: 1.,
Maximale Ladung der Zylinder über einen weiten Drehzahlbereich.
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Daraus ergeben sich in den unteren und in den oberen Drehzahlbereichen
höhere Drehmomente und damit auch höhere LeistunOen.
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Man erhält also eine wesentlich erhöhte Elastizität des Motors.
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2., Die Leistungssteigerung in den unteren Drehzahlbereichen kann
30 % erreichen; und zwar durch die bessere Füllung der Zylinder, durch den, wegen
der fehlenden Überschneidung der Venti.lquerschnittsflAchen, verringerten Abgasgehalt
und durch die Ausnützung des vollen Arbeitshubes, 3., Senkung des CO und CH Gehaltes
der Abgase im Fahrbetrieb, weil man den Motor besser in der Nahe des stöchiometrischen
Kraftstoff- Luft-Gemisches betreiben kann (verbesserte Füllungsregelung).
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4., Verminderung der CO und vor allem der CII Anteile der Abgase im
Leerlauf, weil man den Motor durch Verringerung des Ventilhubes (auf z.B. 0,1 -
0,5. mm) drosselt, dadurch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Ventil querschnitt
mit feinster Zerstäubung und starker Verwilbelung der Kraftstoffanteile erhält.
Die fehlende Uberschneidung der Ventilquerschnittsflächen verhindert außerdem den
direkten Durchgang der Kohlenwasserstoffe durch den Zylinder und den Rückstau der
Abgase im Ansaugkanal, wodurch eine bessere Verbrennung erreicht wird.
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5., Die wesentlich verbesserte Motorcharakteristik gestattet die Einsparung
einer Getriebestufe bei Personenkraftwagen mit vierstufigen Getrieben und bietet
eine bessere Ausnutzung automatischer Getriebe an.
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6., , Diese Steuerung enthalt weniger bewegte Masse, wodurch Verschleiß,
Reperaturanfälligkeit und Motorgeräusche vermindert werden.
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7. Einfacheres und kleineres Kurbelgehäuse besonders bej Boxermotoren.
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8., Wegfall des zu wartenden Ventilspiels und eine alls den Antrieb
bedingte erzwungene Ventilverdrehung (Drehmomente zwischen 20 und 100 pcm während
1/4-1/2 Periodendauern).
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9., Leichte Anderung der Drehrichtung des Motors durch einfache elektrische
Umpolung und Verschiebung der Steuerkontaktbahnen erspart Rückwärtsgänge und Wendegetriebe.
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10., Diese Ventilsteuerung ist unbegrenzt drehzahlfest wenn sie für
hohe Drehzahlen ausgelegt wird oder sie wirkt drehzahlbegren zend, vrenn sie für
niedrige -Drehzahlen ausgelegt wird. Diese Drehzahlfestigkeit wird durch die konstante
Aufsetzgeschwindigkeit der Ventile von etwa 10 bis 50 cm/sec erreicht. Zusätzlich
wird die Prellneigung automatisch, sys Lembedingt unterdrückt.
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11., Die Steuerung der elektronischen Benzineinspritzung wird einfacher
und exakter, auch bei beliebig vielen Zylindern.
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12., Eine eventuelle Aufladung kann mit größerem Wirkungsgrad erfolgen.
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13., Da der Anlasser die Ventile nicht mehr betätigen muß, kann er
schächer dimensioniert werden. Da Jedoch ein bedeutend stärkerer Generator benötigt
wird, kann dieser zugleich als Anlasser verwendet werden. Dabei kann der Gleichstrom
Nebenschluß-Generator direkt als Nebenschlußmotor oder durch Umpolung auch als hauptschlußmotor
verwendet werden. Die Dr.ehstromlichtmaschine kann durch eine einfache Hilfsvorrichtung
entweder als Schleifringläufer-Asynchronmotor oder als Synchronmotor verwendet werden.
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Den genannten Vorteilen stehen die folgenden Nachteile, allerdings
nicht alle zugleich und auch nicht unbedingt gegenüber.
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1., Höhere Herstellungskosten der Steuerung; die lIerstellungskostan
der Elektronik und elektromechanik dürften etwa so teuer sein, wie die mechanische
Steuerung. Die Mehrkosten kann man etwa den Kosten für das Magnetsystem gleichsetzen.
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2., Pro Zylinder kann sich das Motorgewicht um bis zu 5 kg erhöhen.
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3., Pro Zylinder wird eine 80-200 Watt stärkere Lichtmaschine benötigt.
Dafür kann jedoch der Anlasser entfallen.
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4., hoher Aufbau über den Ventilen( etwa 6-12 cm iber dem Ventilschaftende).
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5., Besondere Kühlung der Ventilantriebsspulen und der Leistungselektronik.
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6., Notwendige Batteriekapazität mindestens 12 V 44 Ah.
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In dem folgenden Ausführungsbeispiel soll die Ventilsteuerung Für
einen Vierzylinder-Viertaktmotor näherungsweise durchgerechnet werden. Eine mathematisch
exafrte Berechnung wäre wesentlich schwieriger und würde auch nicht mehr leistcn,
da viele Randbedingungen nicht genau bekannt sind oder im mathematischen Ansatz
vernachltissigt werden müßten.
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Zunächst müssen Annahmen über die Ventilsteuerung gemacht werden,
die zum Teil erheblich von den Werten der mechanischen Steuerung abweichen. Sie
können nur durch ein Versuchsnodell bestätigt oder widerlegt werden.
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Bei der Nenndrehzahl von 4000 U/min betrage der Ventilöffnungswin
kel 270 Kurbelwellengrade, bei der Leerlaufdrehzahl von 500 U/min etwa 1850. Bei
einer Erhöhung der Drehzahl auf 5300 U/min erreicht man einen Öffnungswinkel von
360°; bei weiterer Drehzahlerhöhung erreicht das Ventil nicht mehr den vollen Hub
und auch einen kleineren Öffnungswinkel.
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Die Zylinder sollen eine Bohrung von etwa 85 mm aufweisen. Dann kann
man dieweiteren Daten nacheinander festlegen und errechnen (Rechenschiebergenauigkeit).
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Einlassventil Auslassventil Ventiltellerdurchmesser 37 mm 30 mm Ventiltellerfläche
10,75 cm2 7,07 cm2 Ventilhub 7 mm 7,5 mm Ventilmasse 65 g 65 g Masse des Ventilfedertellers
(Alu-Leg) 10,0 g 10,0 g Wirksame Ventilfedermasse 15,0 -g 15,0 g Ventilfedervorspannung
5 kp 5 kp Ventilfederkonstante gemittelt 5- kp/cm 8 kp/cm Maximale Gaskraft beim
Öffnen (6 at) - 42,5 kp Masse der Ventilantriebsspule 30 g 55 g Insgesamt zu bewegende
Masse 120 g 145 g Öffnungsbeschleunigungszeit 5,65 10-3sek 3,75 10-3sek Mittlere
Beschleunigung dabei 440 m/sek² 1070 m/sek² Mittlere Beschleunigungskraft 5,3 kp
15,5 kp
Einlassventil Auslassventil Mittl ere Beschl eunugungskraft
der Ventilfedern 6,75 kp 8,0 kp Mittlere Beschleunigung durch die Ventilfedern 560
m/sek² 550 m/sek² Schließbeschleunigungszeit ohne Abbremsung 5 10-3sek 5,2 10-3sek
Schließzeit mit Abbremsung (geschätzt) 7 10-3sek 7 10-3sek Zum Beschleunigen der
Ventile gegen die Federvorspannung notwendige Stromantriebskraft 12,o5 kp 23,5 kp
Zum Öffnen der Ventile erforderliche Kraft 5,0 kp 5,0+42,5 kp Mittlere Stromantriebskraft
unter Berücksichtigung der Reibung und des Gasdruckes 12,5 kp 33,0 kp Kurzzeitige
maximale Kraft (1,5 Fm) 19,0 kp 49,5 kp Daten der Antriebsspulen: Lange (Folienbreite)
3,25 cm 6,5 cm Wicklungsdicke ohne Zuleitung 1,5 mm 4,5 mm Wicklungsdicke mit Zuleitung
und Teflonisolation 4,7 mm 4,7 mm Dicke der Aluminiumfolie 27 F 27 X Lackisolation
3 µ 3 µ Mittlerer Spulendurchmesser 2,0 cm 2,0 cm Mittlerer Spulenumfang 6,28 cm
6,28 cm Windungszahl 150 150 Folienlange 9,4 m 9,4 m Folienquerschnitt 0,88 mm2
1,76 mm2 Alu-Volumen 8,3 cm3 16,6 cm3 Alu-Gewicht 23,7 g 47,4 g Isolation + Stromzuführungsfolie
ca. 4,3 g 5,6 g 2 Isolierscheiben je 1,0 g 2,0 g 2,0 g Gesamtes Spulengewicht 30,0
g 55,0 g Spulenwiderstand 0,3? Ohm 0,16 Ohm Zuleitungswiderstand ca. 0,03 Ohm 0,03
Ohrn Gesamtwiderstand R 0,35 Ohm 0,19 Wohin
Einlassventil Auslassventil
Zulässige Stromdichte bei starker Kühlung 7,5 A/mm2 7,5 A/mm² Mittlere Stromstärke
während der Antriebsbeschleunigung 12,25 A 30,0 A Spitzenantriebsstrom (ca. 0,5
10-3sek) 18,4 A 45,0 A Benötigte wirksame Induktion um die Stromantriebskraft zu
erreichen 10;5 kG 11,0 kG Daraus erhalt man z.B. folgende Daten für das Magnetsystem,
das für die beiden Ventile eines Zylinders als eine Einheit betrachtet wird. (Streufaktor
1,4; Feldabfall-Faktor 1,1) Luftspaltbreite 5 mm 5 mm Luftspalthöhe 2,5 cm 5,0 cm
Mittlerer Luftspaltumfang 6,28 cm 6,28 cm Mittlere Luftspaltflache 15,7 cm2 31,4
cm Luftspaltvolumen 7,85 cm3 15,7 cm3 Die Luftspaltflächen sind magnetisch parallelgeschaltet
und können ebenso wie die Luftspaltvolumina zur Berechnung der Magnetabmessungen
einfach addiert werden. Verwendet man einen Permanentmagneten aus AlNiCo 600, dann
erhält man folgende Magnetdaten: Magnetvolumen pro Zylinder 875 cm³ Magnetgewicht
6,45 kg Magnethöhe 11,2 cm Magnetquerschnitt 78,0 cm² Gewicht der Polschuhe und
Flußleitstücke ca. 1,5 kg Bei der Berechnung wurde im geometrischen Luftspalt eine
Induktion von 12 kG angenommen.
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Mittlere, drehzahlunabhängige Ventilaufsetzgeschwindigkeit 25 cm/sek
15 cm/sek Maximale Antriebsleistung pro Zyl. 65 W + 130 W Maximale in den Ventilantriebsspulen
in Wärme umgesetzte Leistung ca. 30 W 60 W Die IIalbleiter in T3ild 3, 4 und 5 müssen
nach der Größe der u schaltenden Leistung ausgelegt werden. Die Dimensionierung
der passiven Elemente ergibt sich dann aus deren Daten, den benötigten Zeitkonstanten
und Regelcharakteristiken.
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Wenn es gelänge, die Isolation der Alu-Folien auf 1 µ zu senken und
nur 20 P starke Alu-Folien zu verwehden,dann könnte man die Antriebsleistung um
etwa 20% reduzieren.
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Wenn man mit einer Ventilfedervorspannung von 2-3 kp auskame und die
Ventilfedercharakteristik stark progressiv ausbilden könnte, ware es möglich, die
Antriebsleistung un bis zu 20% zu senken.
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Wenn es schließlich möglich ware, das Ventilgewicht durch Verwendung
von Titanlegierungen und konstruktive Maßnahmen zu halbieren, Dann könnte man das
Magnetgewicht und die Antriebsleistung auch fast halbieren.
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Wenn es schließlich gelänge, die bis zu 30% stärkeren, technisch möglichen
Magnete durch Großserienfertigung preiswert in der benötigten Größe herzustellen,
dann würde man pro Zylinder mit einem Magnetgewicht von 2-3 kg und einer Antriebsleistung
von 60-80 Watt auskommen.
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Um den Magneten besser auszunutzen, bzw. um den Streufaktor zu senken
kann es notwendig werden, die Luftspaltbreite auf 3,5-4 mm zu reduzieren und die
Luftspaltfläche um 20-50% zu vergrößern.
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Bei Motoren mit großer Bohrung und großen Ventiltellerflächen kann
es vorteilhaft sein, zwei Auslassventile zu verwenden. Eines mit einem kleinen Ventiltellerquerschnitt,
das man zuerst öffnet um den Abgasüberdruck auf 2-3 at abzusenken und ein zweites,
grösseres, um die Abgase schnell ausströmen zu lassen.