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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug und insbesondere
eine spezielle Anordnung der Ein- und Auslassventile, die den Zylindern
des Motors zugeordnet sind, sowie der Mittel zur Betätigung dieser
Ventile.
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Eine
klassische Lösung
in Verbrennungsmotoren für
Kraftfahrzeuge besteht darin, die Bewegung der Ein- und Auslassventile
mittels einer Nockenwelle zu steuern, welche die Ventile direkt
oder indirekt, beispielsweise mithilfe von Kipphebeln betätigt. Dabei
wirken die Kipphebel auf die Ventilstangen gegen die Kraft von Rückstellfedern,
um die Ventile gegenüber
ihrem Sitz zu bewegen und die im Zylinderkopf des Motors angeordneten
Zylinder zu öffnen
oder zu schließen
und, je nach Fall, das Brennstoffgemisch, das in die Zylinder eingespritzt
wird oder auf andere Weise dorthin gelangt, einzulassen oder die
Abgase auszustoßen,
wobei die verschiedenen Ventile des Motors in Folge gesteuert werden,
damit der Mehrtakt-Zyklus des Motors stattfinden kann.
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Eine
andere, modernere Lösung
besteht darin, die rein mechanisch auf die Ventile wirkende Nockenwelle
durch eine elektromagnetische Verteilungseinheit zu ersetzen, in
der vereinfacht gesagt jede Ventilstange einem Metallbeschlag zugeordnet ist,
der sich im Spalt eines Elektromagneten hin und her bewegt, wobei
das Ventil von Federn in eine mittlere Zwischenposition zurückgeholt
wird.
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Besondere
Ausführungsarten
solcher elektromagnetischer Betätigungsorgane
von Ventilen eines Verbrennungsmotors sind beispielsweise Gegenstand
der Patentanmeldungen 99 09618 vom 23. Juli 1999, 00 01321 vom 2.
Februar und 00 01492 vom 7. Februar 2000 im Namen der Anmelderin.
Diese Patentanmeldungen betreffen vor allem Verbesserungen eines
elektromagnetischen Betätigungsorgans,
die unter anderem deshalb interessant sind, weil damit bestimmte
Zylinder des Motors während des
Zyklus leicht deaktiviert werden können, also bei bestimmten Takten
je nach Last und Drehzahl des Motors außer Betrieb gesetzt werden
können,
was den Verbrauch des Motors deutlich senkt, ohne seine Leistung
zu mindern.
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Die
zuvor genannten elektromagnetischen Betätigungsorgane erlauben vor
allem eine sehr effiziente variable Verteilung, indem unmittelbar
die Öffnungs-
und Schließwinkel
der Ventile verändert
werden, das heißt
der genaue Moment im Zyklus, in dem sich jedes Ventil – sowohl
Ein- als auch Auslassventil – öffnet oder
schließt,
wobei der Moment optimal auf die Anforderungen angepasst werden
kann.
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Die
größte Ersparnis
im Hinblick auf den Gesamtverbrauch des Motors entsteht beim Einsatz
dieser Art von Betätigungsorgan
und der Verteilung, die es in den Zylindern durchführt, wenn
es auf ein Einlassventil des Motors angepasst wird, wobei die Kontrolle
des Öffnens
und Schließens
des Ventils es erlaubt, die in den Zylinder eingespritzte Luftmenge bestmöglich zu
regeln – auf
die gleiche Weise wie das Klappventil des Vergasers eines Benzinmotors, mit
dem Vorteil, dass jedes Pumpen vermieden wird, das bei der zuletzt
genannten Lösung
auftritt, vorausgesetzt die Öffnungs-
und Schließwinkel
des Ventils sind richtig eingestellt.
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Unter
Volllast erlaubt die variable Einstellung der Winkel des Einlassventils,
voll von den internen aerodynamischen Wirkungen des Einlassverteilers zu
profitieren und folglich über
eine maximale Füllung zu
verfügen.
Die Kurve des maximalen Drehmoments des Motors wird dadurch vor
allem im niedrigen Drehzahlbereich stark verbessert. Daraus ergibt sich
ein unmittelbarer Vorteil beim Verbrauch des Motors unter Teillast
und bei seiner Kurve des maximalen Drehmoments.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der direkten Kontrolle der Last durch
die Ventile mit einer Steuerung, die fast sofort anspricht und bei
der die Trägheit
der beweglichen Teile gegenüber
der klassischen Lösung
stark verringert ist. Dadurch reduziert sich die bei gebräuchlichen
Motoren nötige
Vorzündungsreserve
und es ist ein Betrieb unter Bedingungen möglich, in denen diese Vorzündung optimiert werden
kann.
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Wenn
dagegen die gleiche Lösung
von Betätigungsorganen
mit elektromagnetischer Steuerung auch für die Auslassventile in Betracht
gezogen und dabei auf den klassischen Mechanismus der Nockenwelle
vollständig
verzichtet wird, was den mechanischen Aufbau des Motors aufgrund
des Weglassens der Antriebsmittel dieser Welle vereinfacht, steigen
zweifellos die Möglichkeiten
der Bewegungseinstellung der Ventile und vor allem des Einstellens ihres Öffnungs-
und Schließwinkels,
wobei darüber hinaus
eine effizientere Deaktivierung von bestimmten Zylindern während des
Motorzyklus ermöglicht wird,
unabhängig
davon, unter welcher Last der Motor steht.
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So
ist es in einem Vierzylindermotor von Vorteil, zwei Zylinder zu
deaktivieren, indem nicht nur die Ein- und Auslassventile dieser
Zylinder geschlossen werden, sondern auch indem das Einspritzen
und die Zündung
abgestellt werden, wenn die Last des Motors gering ist, das heißt wenn
die Menge an eingelassener Luft pro Zyklus gering ist. Diese Lösung erweist
sich als ausgesprochen effizient, um den Verbrauch des Motors stark
zu drosseln.
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In
diesem Fall arbeiten die beiden anderen Zylinder des Motors, die
aktiv bleiben, mit höheren Leistungen
(im Allgemeinen ungefähr
doppelt so hoch) und folglich mit besserem Wirkungsgrad.
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Schließlich erlaubt
bei der Lösung
mit elektromagnetischer Steuerung aller Ventile die Kontrolle der Öffnungs-
und Schließwinkel
jedes Ventils, den Prozentsatz an Restgas in jedem Zylinder auf
einfache Weise anzupassen und den Schadstoffanteil in den Abgasen
zu verringern.
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Aber
der Einsatz dieser unter dem Namen „Camless" bekannten Lösung, bei der der Motor nur elektromagnetische
Betätigungsorgane
für alle
Ein- und Auslassventile besitzt, wirft große technische Probleme auf.
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Denn
was das Auslassventil angeht, ist leicht nachzuvollziehen, dass
das Betätigungsorgan,
das den von der Ventilstange getragenen Beschlag direkt steuert,
in einer Umgebung angeordnet ist, deren Temperatur deutlich höher ist
als die Temperatur, von der das gleiche Betätigungsorgan umgeben ist, wenn es
einem Einlassventil zugeordnet ist.
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Die
Erwärmung
beschleunigt den Alterungsprozess des Betätigungsorgans, insbesondere
der Wicklung und der elektrischen Isolatoren des Elektromagneten.
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Darüber hinaus
ist für
das Öffnen
eines Auslassventils, im Gegensatz zu dem, was bei einem Einlassventil
geschieht, insbesondere wenn die Last des Motors steigt, viel Energie
nötig,
um den Restdruck im Zylinder zu überwinden;
dieser kann im Moment des Öffnens
bis zu 8 Bar betragen. Um das Ventil gegen diesen Druck zu öffnen, muss
das Betätigungsorgan
eine Kraft ausüben
können,
die in der Größenord nung
des Produkts aus der Oberfläche des
Ventils mit dem Unterschied zwischen dem Druck im Zylinder und dem
Druck im Auspuffkopf, der dem atmosphärischen Druck relativ nahe
kommt, liegt.
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Die
nötige
Energie erfordert einen deutlich höheren Strom in den Spulen des
Elektromagneten, woraus sich eine Wärmeabstrahlung in den Spulen ergibt,
die mit dem Quadrat der Stärke
steigt, wodurch sich die Umgebungstemperatur des Betätigungsorgans
weiter erhöht.
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In
der Praxis ist der Strombedarf so hoch, dass er die Kapazitäten des
herkömmlichen
Wechselstromgenerators übersteigt,
mit dem die klassischen Kraftfahrzeuge ausgestattet sind; also sind nicht
herkömmliche
Wechselstromgeneratoren erforderlich (beispielsweise zwei gekoppelte
Wechselstromgeneratoren im Fall eines Bordnetzes von 12 V oder ein
an das 12-Volt-Netz gekoppelter Wechselstromgenerator von 42 V),
was die Herstellungskosten der Lösung
deutlich erhöht.
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Schließlich sinkt
aufgrund des Restdruckes bei starker Belastung, den das Auslassventil
beim Öffnen überwinden
muss, die Leistung des Motors. Denn der Übergang vom geschlossenen in
den geöffneten
Zustand des Ventils dauert länger,
was bei hoher Drehzahl von Nachteil ist und die Effizienz des Abgasausstoßes des
Zylinders verringert, wodurch die maximale Leistung des Motors eingeschränkt wird.
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Die
Erfindung hat eine neue Anordnung der Mittel zur Betätigung der
Ein- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug
zum Gegenstand, welche die Nachteile behebt.
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Hierzu
weist der Motor, wie in der
DE
195 11 880 beschrieben, mindestens ein Ein- und ein Auslassventil
auf, die jeweils mit den an jedem ihrer Zylinder vorgesehenen Sitzen
zusammenwirken, wobei die Bewegung des Einlassventils beim Öffnen wie beim
Schließen
gegenüber
seinem Sitz mithilfe eines elektromagnetischen Betätigungsorgans
gesteuert und kontrolliert wird, während das Auslassventil von einer
vom elektromagnetischen Betätigungsorgan unabhängigen Einheit
gesteuert wird, die mindestens ein mechanisches System wie einen
Hebel oder Ähnliches
aufweist, der von einer Nockenwelle betätigt wird, und ist dadurch
gekennzeichnet, dass er zur Steigerung seines Wirkungsgrads Mittel
aufweist, die während
eines Zyklus mindestens einen seiner Zylinder deaktivieren können, indem
sie simultan dessen Ein- und das Auslassventil schließen, die
jeweils auf ihren Sitz gedrückt
gehalten werden.
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Vorzugsweise
wird das Schließen
des Ein- und des Auslassventils von der Unterbrechung der Einspritzung
von Kraftstoffgemisch in den Zylinder und der Zündung in diesem Zylinder begleitet.
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Hierzu
wirkt gemäß einem
besonderen Merkmal der Erfindung der von der Nockenwelle zum Steuern
des Auslassventils betätigte
Hebel gleichzeitig auf einen Anschlag, der eine variable Reaktionskraft
liefern kann, sodass die Nockenwelle je nach Fall die Steuerung
des Auslassventils oder das Eindrücken des Anschlags bewirkt – in dem
Fall bleibt das Ventil auf seinen Sitz gedrückt, während der Zylinder deaktiviert
ist.
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Weitere
Merkmale eines Verbrennungsmotors mit erfindungsgemäßer Steuerung
der Ein- und Auslassventile werden bei der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
deutlich, das als nicht einschränkendes
Beispiel unter Bezugnahme auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung
gegeben wird. Diese zeigt schematisch eine teilweise geschnittene
Ansicht des Zylinderkopfs des Motors mit den Mitteln zum Betätigen dieser
Ventile.
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In
dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 schematisch
einen Teil des Zylinderkopfs des Motors, der insbesondere senkrecht
zu einem Zylinder 2 angeordnet ist, welcher mit zwei Stutzen 3 bezie
hungsweise 4 verbunden ist, von denen der erste für den Einlass
eines Benzin-Luft-Gemisches in den Zylinder 2 und der zweite
für den
Ausstoß der
Abgase nach der Zündung
und Verbrennung des Gemisches vorgesehen ist.
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Die
Einspritzung des Gemischs in den Zylinder kann auf jede geeignete
Weise erfolgen, die selbst für
die Erfindung ohne Bedeutung ist, beispielsweise mithilfe einer
Einspritzdüse 5,
die mit dem Einlassstutzen 3 in Verbindung steht und in
der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Dem
Zylinder 2 ist mindestens ein Einlassventil 6 und
mindestens ein Auslassventil 7 zugeordnet. In der Figur
umfasst das Einlassventil 6 einen Kopf 8, der
von einer Stange 9 fortgesetzt wird, wobei der Kopf 8 auf
einem Sitz 10 auf dem Zylinderkopf 1 im rechten
Winkel zur Verbindung zwischen dem Einlassstutzen 3 und
dem Zylinder 2 aufliegt.
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In ähnlicher
Weise umfasst das Auslassventil 7 einen Kopf 11,
eine mit diesem Kopf fest verbundene Stange 12 und einen
Sitz 13 am Ende des Stutzens 4, durch den die
Abgase entweichen.
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Eine
Zündkerze
oder ein analoges Zündorgan 14 ist
in rechtem Winkel zum Zylinder 2 am Zylinderkopf 1 montiert,
sodass im Zylinder der Zündfunke
erzeugt werden kann, der die Verbrennung des Gemischs in einem allgemein
bekannten Prozess bewirkt.
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Erfindungsgemäß sind die
beiden Ventile 6 und 7 für den Einlass beziehungsweise
den Auslass getrennt zugeordnet: das erste einem elektromagnetischem
Betätigungsorgan 17 und
das zweite einer davon unabhängigen,
rein mechanischen Vorrichtung mit Nockenwelle 16.
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Das
elektromagnetische Betätigungsorgan, welches
das Einlassventil 6 steuert und insbesondere dessen Bewegungen
gegenüber
dem Sitz 10 kontrolliert, ist in bekannter Weise aufgebaut,
wie insbesondere in den zuvor genannten Patentanmeldungen der Anmelderin
beschrieben, und besteht aus einem Elektromagnet 17, der
wiederum aus zwei Spulen 18 und 19 besteht, zwischen
denen ein Spalt 20 ausgespart ist, welcher eine relativ
enge Aushöhlung
festlegt, in der sich ein Metallbeschlag 21 bewegen kann, der
mit einem Träger 22 fest
verbunden ist, welcher die Stange 9 des Ventils axial verlängert. Der
Stange 9 und dem Träger 22 sind
Rückstellfedern 23 beziehungsweise 24 zugeordnet.
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Die
Feder 23 schließt
das Ventil und die Feder 24 öffnet es: Wenn kein Strom fließt, ist
das Ventil halb geöffnet.
Fließt
durch die obere Spule 18 Strom, zieht sie den Metallbeschlag 21 zu
sich und schließt so
das Ventil. Wenn durch die untere Spule 19 Strom fließt, zieht
diese den Beschlag 21 zu sich und das Ventil öffnet sich.
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Der
Mechanismus 16, der das Auslassventil 7 betätigt, umfasst
im Wesentlichen eine drehende Welle 26, die auf ihrer Außenfläche eine
vorspringende Nocke 27 aufweist, die bei Drehung der Welle
auf einem Hebel 28 oder Ähnlichem im Punkt 29 am Ende
der Stange 12 des Ventils 7 zur Auflage kommen
kann. Eine Feder 30 sorgt für das Rückstellen des Kopfs 11 des
Ventils auf seinen Sitz 13, wenn die Nocke 27 nicht
mit dem Hebel 28 in Kontakt steht.
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Der
Hebel 28 liegt auf der anderen Seite an einem Anschlag 31 an,
dessen Positionierung einstellbar ist und der im dargestellten Beispiel vor
allem aus einem hydraulischen System besteht, das sich im Wesentlichen
aus einem Kolben zusammensetzt, der mit dem Anschlag 31 verbunden
ist und sich innerhalb eines Zylinders befindet, dessen Aushöhlung 32 ständig von
einer Leitung 33 zum Einlass eines nicht komprimierbaren
Fluids versorgt wird, das insbesondere aus dem Schmieröl des Motors
besteht.
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Das Öl in der
Aushöhlung
des Zylinders kann gegebenenfalls über eine andere Leitung 34 aus
dieser abgeleitet werden, an der ein elektrisches Steuerventil 35 vorgesehen
ist.
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Bei
normalem Betrieb übt
der Hebel 28 in Anlage am Anschlag 31 bei jedem
Durchgang der Nocke 27 der Welle 26 eine Kraft
auf die Stange 12 des Ventils 7 gegen die Feder 30 aus,
wodurch das Ventil, das von seinem Sitz 13 angehoben wird,
geöffnet wird,
wobei der Zylinder und der Stutzen 4 zum Ausstoß der Abgase
miteinander verbunden werden.
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Jedoch
erlauben es die so zum Steuern der beiden Ventile 6 und 7 eingesetzten
Mittel auch, gegebenenfalls den Zylinder 2 auf einfache
Weise zu deaktivieren, indem sie ihn während eines Betriebszyklus
geschlossen halten, wobei die Köpfe 8 und 11 der
Ventile auf ihre Sitze 10 beziehungsweise 13 gedrückt bleiben.
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Was
das elektromagnetische Betätigungsorgan 15 betrifft,
ist sofort erkennbar, dass sich das Einlassventil 6 auf
einfache Weise deaktivieren lässt,
indem die Spule 18 mit Strom versorgt wird.
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Der
Mechanismus 16 hingegen kann die gleiche Funktion erfüllen, indem
das Elektroventil 35 an der Leitung 34 geöffnet wird,
sodass der Druck in der Aushöhlung 32 fällt und
der Hebel 28 beim Durchgang des Nockens 27 den
Anschlag 31 zurückschiebt,
ohne auf die Stange 12 des Ventils eine Kraft auszuüben, das
so dank der Kraft der Rückstellfeder 30 geschlossen
bleibt.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass sich der Verbrauch des Motors
mit dem erfindungsgemäßen System
senken lässt
und die Deaktivierung des Zylinders eine weitere Senkung des Verbrauchs
bewirkt, insbesondere wenn der Motor im niedrigen Drehzahlbereich
in der Größenordnung
von 700 bis 3500 Umdrehungen pro Minute arbeitet, wobei die Steuerung des
hydraulischen Anschlags bei diesen Drehungen keine besonders eingeschränkten Schaltzeiten
erfordert.
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Parallel
dazu lassen sich selbstverständlich, wenn
der Zylinder 2 deaktiviert ist und seine Ventile geschlossen
bleiben, die Einspritzung und die Zündung abschalten.
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So
entsteht ein einfach aufgebauter Verbrennungsmotor, der die Vorteile
eines elektromagnetischen Betätigungsorgans
und eines klassischen, rein mechanischen Betätigungsorgans mit Nockenwelle verbindet.
Der gleichzeitige Einsatz der beiden Lösungen am Ein- beziehungsweise
am Auslassventil verursacht nur geringe Kosten und führt nicht
zu einer Einschränkung
der Steuerung der Ventilüberschneidung,
das heißt
der Wahl des Moments, in dem sich bei normaler Drehzahl jedes Auslassventil zur
gleichen Zeit schließt,
wie sich das Einlassventil öffnet.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf das spezielle,
oben unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschriebene
Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist; sie schließt
auch sämtliche
Varianten mit ein.