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Die
Erfindung betrifft allgemein Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere
eine Überdruckablass-
und Unterdruckablassvorrichtung für 4-Takt-Maschinen.
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Überdruckablassvorrichtungen
für 4-Takt-Maschinen
sind dem Fachmann bekannt. Üblicherweise
werden Mittel vorgesehen, um eines der Ventile der Verbrennungskammer
im Zylinderkopf leicht während
des Kompressionshubs beim Anlassen der Maschine offen zu halten.
Dieses Vorgehen verringert teilweise die im Zylinder auftretenden Kompressionskräfte während des
Anlassens, sodass die Anforderungen an das Anlassdrehmoment für die Maschine
stark reduziert sind. Nachdem die Maschine gestartet ist und ihre
Betriebsgeschwindigkeit erreicht, wird die Überdruckablassvorrichtung außer Betrieb
genommen, sodass die Maschine ihre volle Leistungsfähigkeit
erreicht. Im Normalfall ist es vorteilhaft, die Überdruckablassvorrichtung mit
dem Auslassventil zu verbinden, sodass der normale Strom der Benzin-Luft-Mischung
durch das Einlassventil in die Verbrennungskammer und der Ausstoß der Abgase
durch das Auslassventil nicht unterbrochen werden und die normale
Flussrichtung durch die Verbrennungskammer nicht umgekehrt wird.
Beispiele für
eine Überdruckablassvorrichtung
für 4-Takt-Maschinen
finden sich in den US-Patenten
US 3
381 676 ,
US 3 496 922 ,
US 3 897 768 ,
US 4 453 507 ,
US 4 977 868 ,
US 5 150 674 und
US 5 184 586 . Obwohl die bekannten Überdruckablassvorrichtungen
im Allgemeinen wirkungsvoll den Überdruck
im Zylinder während
des Anlassens der Maschine verringern, sind diese Vorrichtungen üblicherweise
nur dafür
ausgelegt, den Überdruck
abzulassen und verringern das signifikante Moment nicht, welches
durch einen Unterdruck in der Verbrennungskammer während des
Arbeitshubs entsteht.
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Gegenwärtig bedarf
es für
konventionelle 4-Takt-Maschinen eines signifikanten Moments um die
Maschine während
des Arbeitshubs anzutreiben, für
den Fall, dass keine Verbrennung vorliegt, da der Kolben sich nach
unten gegen eine Druckdifferenz bewegt, welche aufgrund eines zunehmenden
Unterdrucks oder Vakuums in der Verbrennungskammer entsteht, das
wiederum aufgrund des teilweisen Austreibens des Gases aus der Verbrennungskammer während des unmittelbar
vorausgehenden Kompressionshubs resultiert. Die Zunahme des benötigten Moments
entspricht einer wesentlichen Kraft, die vom Betreiber oder dem
Anlasser aufzubringen ist, um den Kolben nach unten gegen die Druckdifferenz anzutreiben.
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Zur
Verringerung des durch Unterdruckkräfte entstehenden Moments, wurde
für eine
bekannte Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, einen profilierten
Nocken zu verwenden, welcher das Ventil zwischen den Kompressions-
und Arbeitshüben
länger
offen hält.
Durch diesen Mechanismus wird das Startmoment reduziert, jedoch
verringert sich auch die Verdichtung und entsprechend die Maschinenleistung
wesentlich im Vergleich zu konventionellen Maschinen, welche die
konventionellen birnenförmig gestalteten
Nocken verwenden. Eine weitere bekannte Vorrichtung verwendet eine
schwache Feder, die auf der Seite des Schafts des Auslassventils
angeordnet ist, und die dazu dient, das Ventil während des Starts offen zu halten.
Für eine
solche Vorrichtung werden jedoch hohe Drücke im Einlass und dem Abgassammler
benötigt,
um das Auslassventil zu schließen,
wodurch eine längere
Dauer und ein erhöhter
Aufwand seitens des Benutzers notwendig ist, um die Maschine zu
starten.
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Es
ist anzumerken, dass das Moment aufgrund eines Überdrucks während des Anlassens in Verbindung
steht zum Moment aufgrund eines Unterdrucks während des Anlassens. Insbesondere
führt das
Ablassen eines größeren Volumens
an eingeschlossener Luft während
des Kompressionshubs mittels des mechanischen Überdruckauslasses zu höheren Vakuumkräften, die
sich im Zylinder ausbilden. Für
den Benutzer ist ein geringer Kraftaufwand notwendig, um die Maschine
während
des Kompressionshubs anzutreiben, jedoch besteht ein hoher Kraftaufwand
während
des Arbeitshubs. Umgekehrt werden für den Fall, dass nur ein geringes
Luftvolumen durch den mechanischen Überdruckauslass abgegeben wird,
die Unterdruckkräfte
des Vakuums vorteilhaft niedrig sein. Der Druck, welcher durch die Kompression
erzeugt wird, wird jedoch hoch sein.
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Entsprechend
wird angestrebt, eine Ablassvorrichtung anzugeben, welche dem Moment,
das sich sowohl beim Kompressionshub wie auch beim Arbeitshub bildet,
Rechnung trägt
und während
des Betriebs effizient arbeitet sowie konstruktiv einfach ist.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Nachteile von Verbrennungskraftmaschinen gemäß des Stands der Technik, indem
eine mechanische Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung angegeben wird, die sich durch eine
einfache Konstruktion auszeichnet und welche den zum Anlassen der
Maschine benötigten
Kraftaufwand wesentlich reduziert. Die vorliegend dargestellte Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung umfasst ein in zentrifugaler Richtung
ansprechendes Überdruck-
und Unterdruckablasselement, welches schwenkbar an der Nockenwelle
gelagert ist, wobei das Überdruck-
und Unterdruckablasselement Überdruck-
und Unterdruckablassnocken umfasst, die in einem anhebenden Eingriff
mit der Einlass- oder Auslassventilanordnung der Maschine während des
Anlassens steht, um Überdruck-
und Unterdruckkräfte
in der Verbrennungskammer abzubauen und so das Anlassen der Maschine
zu vereinfachen. Nachdem die Maschine angelaufen ist und ihre Betriebsgeschwindigkeit
erreicht hat, schwenkt das Überdruck-
und Unterdruckablasselement um seine Befestigung an der Nockenwelle,
sodass die Überdruck-
und Unterdruckablassnocken vom anhebenden Eingriff für die Einlass- und Auslassventilanordnungen
während
des Normalbetriebs der Maschine abgekoppelt werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine angegeben,
umfassend einen Zylinderblock mit einem darin gelagerten Zylinder
und einem im Zylinder beweglich gelagerten Kolben, wobei der Kolben
in Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht, und eine Nockenwelle, die
in zeitlich abgestimmter Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht, wenigstens
ein Einlassventil, das reziprok von der Nockenwelle angetrieben wird,
wenigstens eine Auslassventilanordnung, die reziprok von der Nockenwelle
angetrieben wird, und eine Unterdruckablassvorrichtung, umfassend
ein Unterdruckablasselement, welches an der Nockenwelle befestigt
ist, und welches in zentrifugaler Richtung zwischen einer ersten
und einer zweiten Stellung hin und her bewegt werden kann, wobei
das Unterdruckablasselement einen vorstehenden Unterdruckablassnocken
umfasst, und wobei der Unterdruckablassnocken in einem anhebenden
Eingriff mit einer der Ventilanordnung in der ersten Stellung während eines
Teils des Arbeitshubs des Kolbens steht, um die Unterdruckkräfte, die
gegen den Arbeitshub wirken, zu verringern. In der zweiten Stellung
wird der Unterdruckablassnocken aus der Eingriffsstellung mit einer
der Ventilanordnungen herausgenommen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine
angegeben, umfassend einen Zylinderblock mit einem darin gelagerten
Zylinder und einem im Zylinder beweglich gelagerten Kolben, wobei
der Kolben in Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht, und eine Nockenwelle,
die in zeitlich abgestimmter Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht,
wenigstens eine Einlassventilanordnung, die reziprok von der Nockenwelle
angetrieben wird, wenigstens eine Auslassventilanordnung, die reziprok
von der Nockenwelle angetrieben wird, und eine Überdruck- und Unterdruckablassvorrichtung,
umfassend ein Überdruck-
und ein Unterdruckablasselement, welches an der Nockenwelle befestigt
ist, und welches in zentrifugaler Richtung zwischen einer ersten
und einer zweiten Stellung hin und her bewegt werden kann, wobei
das Über-
und Unterdruckablasselement jeweils vorstehende Überdruckablassnocken und Unterdruckablassnocken
umfasst, und wobei die Überdruck-
und Unterdruckablassnocken jeweils in einem anhebenden Eingriff
mit einer der Ventilanordnung in der ersten Stellung während eines
Teils des Kompression- und des Arbeitshubs des Kolbens stehen, um
die Überdruck- und Unterdruckkräfte, die
gegen den Kompressionshub und gegen den Arbeitshub wirken, zu verringern.
In der zweiten Stellung werden die Überdruck- und Unterdruckablassnocken
aus der Eingriffsstellung mit einer der Ventilanordnungen herausgenommen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird eine Verbrennungskraftmaschine angegeben,
umfassend einen Zylinderblock mit einem darin gelagerten Zylinder und
einem im Zylinder beweglich gelagerten Kolben, wobei der Kolben
in Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht, und eine Nockenwelle, die
in zeitlich abgestimmter Wirkverbindung zur Kurbelwelle steht, wenigstens
eine Einlassventilanordnung, die reziprok von der Nockenwelle angetrieben
wird, wenigstens eine Auslassventilanordnung, die reziprok von der
Nockenwelle angetrieben wird, und eine Überdruck- und Unterdruckablassvorrichtung,
umfassend ein in zentrifugaler Richtung bewegbares Bügelelement,
welches um seine Verbindung an der Nockenwelle zwischen einer ersten
Stellung, für
die Anlassgeschwindigkeit der Maschine, und einer zweiten Stellung,
für die
Betriebsgeschwindigkeit der Maschine, hin und her bewegt werden
kann, wobei das Bügelelement
einen vorstehenden Überdruckablassnocken
aufweist, der in der ersten Stellung in anhebender Wirkverbindung
zu einer der Ventilanordnungen während
eines Teils des Kompressionshubs des Kolbens steht, um Überdruckkräfte abzumildern, die
gegen den Kompressionshub wirken, und einen vom Bügelelement
vorstehenden Unterdruckablassnocken umfasst, der in der ersten Stellung
während eines
Teils des Arbeitshubs des Kolben in einem anhebenden Wirkeingriff
mit einer der Ventilanordnungen steht, um Unterdruckkräfte abzumildern,
die gegen den Arbeitshub wirken. In der zweiten Stellung werden
die Überdruck-
und Unterdruckablassnocken aus der Eingriffsstellung mit einer der
Ventilanordnungen herausgenommen.
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1 zeigt
eine vertikale Teilschnittdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem einzelnen Zylinder, die als Viertakter arbeitet und welche
eine erfindungsgemäße mechanische Über- und Unterdruckablassvorrichtung
umfasst;
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2 ist
eine Seitendarstellung der Verbrennungskraftmaschine aus 1 in
der der Überdruck- und
Unterdruckablassmechanismus in der Anlassstellung dargestellt ist;
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3 stellt
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung, welche mit der Nockenwelle in Wirkverbindung
steht, dar;
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4A ist
eine Seitenansicht der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung aus 3, wobei
die Vorrichtung in der Anlassstellung gezeigt ist sowie strichpunktiert
die Stellung während
des Dauerbetriebs dargestellt wird;
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4B ist
eine Seitenansicht der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung aus 3, welche
die Vorrichtung in der Einstellung für den Dauerbetrieb darstellt;
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5 ist
eine Schnittansicht der Überdruck- und
Unterdruckablassvorrichtung aus 4A entlang
der mit 5-5 in 4A bezeichneten Schnittlinie;
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6 stellt
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dar, die mit einer Nockenelle in Wirkverbindung steht;
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7A ist
eine Seitenansicht der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung aus 6, welche
die Vorrichtung für
die Anlassstellung darstellt, wobei die Stellung für den Dauerbetrieb
strichpunktiert gezeigt ist;
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7B ist
eine Seitenansicht der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung aus 6, welche
die Vorrichtung in der Stellung für den Dauerbetrieb darstellt;
und
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8 stellt
eine Schnittdarstellung für
die Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung aus 6A dar,
entlang der Schnittlinie 8-8.
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Übereinstimmende
Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figurenansichten übereinstimmende
Teile. Obwohl die Figuren unterschiedliche Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung darstellen, sind diese nicht notwendigerweise größenskaliert
und einige Merkmale sind zur besseren Illustration und Verdeutlichung
der Erfindung übertrieben
dargestellt
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In
den Figuren und insbesondere in 1 sind eine
vertikale Kurbelwelle, ein einzelner Zylinder, eine Verbrennungskraftmaschine 10 nach
dem Viertaktprinzip dargestellt, die eine Überdruck- und Unterdruckablassvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. Üblicherweise
umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 10 einen Zylinderblock 11,
eine Kurbelwelle 12 und einen Kolben 14, wobei
der Kolben eine Wirkverbindung zur Kurbelwelle 12 über eine
Verbindungsstange 16 aufweist. Der Kolben 14 in
Verbindung mit dem Zylinderblock 11 und dem Zylinderkopf 18 legen eine
Verbrennungskammer 20 fest. Die in den Zylinderkopf 18 eingeschraubte
Zündkerze 22 zündet das Benzin-Luft-Gemisch, nachdem
dieses über
das Einlassventil 21 (2) während des
Ansaughubs in die Verbrennungskammer 20 eingesogen und
nachdem es während
des vom Kolben 14 ausgeführten Kompressionshubs komprimiert
wurde. Die Zündkerze wird
normalerweise zeitlich so gesteuert, dass die Benzin-Luft-Mischung unmittelbar
bevor der Kolben 14 während
des Kompressionshubs die Aufwärtsbewegung
beendet hat gezündet
wird. Die Benzin-Luft-Mischung wird in die Verbrennungskammer 20 über einen
Vergaser der Verbrennungskraftmaschine und durch eine Einlassöffnung eingesogen, welche
durch ein konventionelles, nicht dargestelltes Einlassventil gesteuert
wird. Die Verbrennungsprodukte werden während des Auslasshubs über die Auslassöffnung 24,
welche durch ein tellerförmiges Auslassventil 26 gesteuert
wird, aus dem Zylinder ausgestoßen.
Obwohl jedes der beiden Ventile 21, 26 während des
Anlassens zum Ablass eines Überdrucks
und zum Abbau eines Unterdrucks geöffnet werden kann, wurde erkannt,
dass bevorzugt das Auslassventil 26 als Überdruck-
und Unterdruckauslassventil in einer im Folgenden dargestellten
Weise dient.
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Weitere,
dem Stand der Technik entsprechende Teile des Ventilantriebsmechanismus
oder der Ventilanordnung umfassen ein Zeitsteuerungsgetriebe 27,
das auf die Kurbelwelle 12 aufgesetzt ist und mit dieser
mitrotiert, sowie ein Nockenwellengetriebe 28, das an der
Nockenwelle 30 befestigt ist und vom Zeitsteuerungsgetriebe 27 rotatorisch
angetrieben wird, um so die Nockenwelle 30 mit der halben Umlaufgeschwindigkeit
der Kurbelwelle anzutreiben. Die Nockenwelle 30 umfasst
konventionelle, birnenförmige
Einlass- und Auslassnocken 32 und
entsprechend 34 (1 und 2),
die mit der Nockenwelle 30 umlaufen und die Hubbewegungen
zu den Einlass- und Auslassventilen 21, 26 über Ventilstößel oder über Nockenfolger 36 und
entsprechend 38 weiterleiten. Obwohl die 1 und 2 die Überdruck- und
Unterdruckablassvorrichtung für
eine Verbrennungskraftmaschine mit seitlich angeordneten Ventilen
darstellen, ist dies nur ein möglicher
Typ von Verbrennungskraftmaschinen und es ist vorstellbar, dass die Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung auf andere Maschinentypen übertragbar
ist, etwa OHV- und OHC-Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise
mit vertikal oder horizontal angeordneten Kurbelwellen.
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In 2 ist
der Einlassnocken 32 als der Nocken an der Außenwand
dargestellt, welcher den größten Abstand
zum Nockenwellengetriebe 28 aufweist, und der Auslassnocken 34 ist
relativ zum Nockenwellengetriebe 28 und dem Einlassnocken 32 zur
Maschineninnenseite hin verlagert. Der Übertragungsstrang für das Auslassventil
ist in 1 gezeigt, er umfasst einen Nockenfolger 38 mit
einer Anlagefläche 42,
welche für
die tangentiale Anlage an der Umfangsfläche 44 des Auslassnockens 34 ausgebildet
ist und mit dieser in einer ständigen
Anlageverbindung steht. Gemäß 1 gleitet
der Nockenfolger 38 in einer Führungsnabe 48 des
Kurbelwellengehäuses 50 und
sein oberes Ende drückt
gegen die Spitze 46 des Ventils 26. Während des
Betriebs hebt der Nockenfolger 38 den Schaft 52 des
Auslassventils 26 an, wodurch die Dichtungsfläche 53 vom Ventilsitz 55 angehoben
wird. Eine Ventilfeder 54 umgibt den Schaft 52 zwischen
einer Führung 56 des Ventils
und einem Federanschlag 58. Die Feder 54 spannt
das Ventil in die Verschlussrichtung vor und spannt ferner den Nockenfolger 38 in Richtung
eines Anlagekontakts mit dem Nocken für den Auslass 34 vor.
Obwohl der Übertragungsstrang
für die
Ventile oder die Ventilanordnung aus 1 und 2 eine Nockenwelle
mit Nocken umfasst, die unmittelbar die Einlass- und Auslassventile
betätigen,
können
andere Motoren, in denen die vorliegende Erfindung verwendet wird,
hiervon abweichende Übertragungsstränge für die Ventile
oder Ventilanordnungen aufweisen, beispielsweise eine oben liegende
Nockenwelle, die von der Kurbelwelle über ein Koppelgetriebe angetrieben
wird und welche Nocken umfasst, um die Einlass- und Auslassventile
zu öffnen
und zu schließen,
oder eine von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle, umfassend
Nocken für
die Bewegung von Stößelstangen,
die mit Kipphebeln verbunden sind, die wiederum die Einlass- und
Auslassventile öffnen
und schließen,
oder eine Nockenwelle mit einer einzelnen Nocke, die Kipphebel antreibt,
die wiederum die Einlass- und Auslassventile öffnen und schließen. Weitere
Ventilantriebe oder Ventilanordnungen sind denkbar für Maschinen,
in denen die vorliegende Erfindung verwendet wird.
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Um
das Anlassen der Maschine 10 zu unterstützen, wird ein mechanischer Überdruck-
und Unterdruckauslass 70 angegeben, der nachfolgend beschrieben
wird. Während
sich die Vorrichtung 70 in der Nicht-Eingriffsstellung
(4B) befindet, die nachfolgend als „Betriebsstellung" für die Maschine bezeichnet
wird, führt
die Rotation des Nockens an der Außenwand 34 mit der
Nockenwelle 30 bei der „Betriebsgeschwindigkeit" zu einer normalen
Ansteuerung des Ventils 26, sodass das Ventil 26 in
zeitlicher Übereinstimmung
und periodisch zum Umlauf des Kolbens 14 geöffnet und
geschlossen wird entsprechend der üblichen Zeitsteuerung einer
konventionellen Maschine. Demgemäß ist der
Auslassnocken 34 so gestaltet, dass das Ventil 26 am
Ende des Arbeitshubs geöffnet
wird und dieses während
des Einfahrens des Kolbens während
des Ausstoßhubs offen
bleibt, bis der Kolben sich etwas über dem oberen Totpunkt hinaus
bewegt hat. Während
der Nocken 34 auf der Nockenwelle weiter umläuft, drückt die
Feder 58 den Nockenfolger 38 nach unten und das
Ventil 26 wird auf den Ventilsitz zurückgeführt. Das Ventil 26 wird
während
der nachfolgenden Einlass-, Kompressions- und Arbeitshübe geschlossen gehalten.
Der Nocken 32 auf der Nockenwelle für den Einlass ist entsprechend
der konventionellen, festgelegten Gestaltung ausgeführt, um
das Einlassventil derart zu steuern, dass dieses vollständig geschlossen
wird, kurz nachdem der Kolben den Kompressionshub einleitet und
geschlossen bleibt während
der nachfolgenden Arbeits- und Auslasshübe und wieder geöffnet wird,
um während
des Einlasshubs den Zutritt der Benzinmischung zu ermöglichen.
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Da
für eine
konventionelle Maschine die Einlass- und Auslassventile normalerweise
während
eines Großteils
des Arbeitshubs geschlossen sind, ist das Anlassen der Maschine
erschwert, da der Kolben gegen einen Unterdruck in der Verbrennungskammer anarbeiten
muss. Ein solcher Unterdruck kann in der Verbrennungskammer durch
den Betrieb einer konventionellen Überdruckablassvorrichtung während des
Anlassens der Maschine erzeugt werden. Durch die Verwendung einer Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird
der Überdruck
und der Unterdruck für
die Anlassgeschwindigkeiten automatisch verringert, wodurch der
Kraftaufwand zum Anlassen stark reduziert wird und so das Starten
vereinfacht ist. Zusätzlich muss
eine konventionelle Maschine baulich nicht verändert werden, um einen Überdruck
und Unterdruckauslass entsprechend der erfindungsgemäßen Gestaltung
darin aufzunehmen. Die Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung reagiert auf die Umlaufgeschwindigkeit
der Maschine, sodass sie für
die Betriebsgeschwindigkeiten der Maschine automatisch aus dem Wirkeingriff
genommen wird, um einen Kompressionsverlust zu verhindern sowie
einer Verringerung der Maschineneffizienz während des Betriebs entgegenzuwirken.
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In
den 3–5 wird
eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung 70 dargestellt. Die Überdruck-
und Unterdruckauslassvorrichtung 70 umfasst ein drehbar
gelagertes Bügelelement 72 mit einem
Paar von Beinen 74, 76, die auf beiden Seiten der
Nockenwelle 30 angeordnet sind. Die Beine 74, 76 sind
drehbar mittels eines Bolzens 78 mit der Nockenwelle verbunden
und stehen miteinander über einen
bogenförmigen Sattelbereich 80 des
Bügelelements 72 in
Verbindung. Der Sattelbereich 80 trägt ein Paar von nach außen gebogenen
Vorsprüngen, die
als erste und zweite zusätzliche
Nockenelemente oder mechanische Überdruck-
und Unterdruckauslassnocken 82, 84 dienen. An
den Enden der Beine 74, 76 sind jeweils Gegengewichte 86, 88 angeordnet,
die als entlang einer schräg
zur Rotationsachse der Nockenwelle 30 verlaufenden Linie
angeordnet dargestellt sind. Die Gegengewichte 86, 88 dienen dazu,
das Bügelelement 72 durch
die Schwerkraft in die in 4A dargestellte
Lage zu bringen, in der sich die zusätzlichen Nockenelemente in
einer das Ventil öffnenden
Stellung oder der „Startstellung", entsprechend der
Stellung für
den Umlauf der Nockenwelle 12 mit der Anlassergeschwindigkeit,
befinden.
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Gemäß 5 dient
ein Paar von Vorsprüngen
als Anschläge 90, 92,
die sich von einem Innenbereich 94 des Sattels 80 radial
nach innen zur Nockenwelle 30 hin erstrecken. Für die Anlassergeschwindigkeit,
die zu der Startstellung gemäß 4A führt, dreht
sich das Bügelelement 72 gegen den
Uhrzeigersinn in die Richtung des dargestellten Pfeils 96 und
kommt zu einen Halt, wenn die Anschläge 90, 92 die
Umfangsfläche 98 der
Nockenwelle 30 kontaktieren. Für diese Betriebsbedingung während des
Anlassens tritt das zusätzliche
Nockenelement 82, 84 mit dem Nockenfolger 38 in
eine Wirkverwindung. Zuerst während
einer frühen
Phase des Kompressionshubs, und zweitens während einer späten Phase
des Arbeitshubs, um jeweils den sich in der Verbrennungskammer 20 ausbildenden Über- und
Unterdruck abzubauen. Die zusätzlichen
Nockenelemente 82, 84 können beispielsweise durch einen
Winkel von 90° in
radialer Richtung voneinander beabstandet sein (5).
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Wie
aus 4A ersichtlich ist, wird die relativ flache Unterseite 42 des
Nockenfolgers 38 von ihrer Anlageposition mit der Fläche 44 der
Nocke 34 aufgrund des ersten zusätzlichen Nockenelements oder
des mechanischen Überdruckablassnockens 82 beabstandet,
wobei das Auslenken des Nockenfolgers 38 zu einem entsprechenden
Anheben der Ventilfläche 53 aus
dem Ventilsitz 55 führt,
wodurch die Verbrennungskammer 20 entlüftet wird. Folglich nehmen
für eine
geringe Umlaufgeschwindigkeit der Kurbelwelle die zusätzlichen
Nockenelemente 82, 84 ihre in 4A gezeigte
Stellung ein, wobei diese in Wirkverbindung zum Nockenfolger 38 treten,
um in der Folge das Ventil 26 anzuheben, wodurch der Überdruck
während
des Kompressionshubs und der Unterdruck während des Arbeitshubs abgelassen werden.
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In 4B ist
die Nockenwelle 30 in der Betriebsstellung dargestellt,
wobei aufgrund der Wirkung der Zentrifugalkräfte auf den Schwerpunkt des Bügelelements 72 ein
Ausschwenken des Bügelelements 72 aus
der in 4A gezeigten Stellung zu der
in 4B gezeigten Stellung folgt, in der die Arme 74, 76 als
sich im Wesentlichen senkrecht zur Nockenwelle 30 erstreckend
dargestellt sind. Das Bügelelement 72 dreht
sich um einen Bolzen 78 und die zusätzlichen Nockenelemente 82, 84,
die vom Bügelelement 72 aus
vorstehen, drehen sich vom Nockenfolger 38 weg, sodass
die Unterfläche 42 des Nockenfolgers 38 und
die Umfangsfläche 44 der
Nocke 34 zueinander in wechselseitigen Anlagekontakt treten.
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Die Überdruck-
und Unterdruckablassvorrichtung 70 beeinflusst das Anheben
des Auslassventils 26 in Abhängigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle 12,
was nachfolgend beschrieben wird. In 1 ist eine
4-Takt-Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt,
wobei vier Hübe
des Kolbens 14 einen Arbeitszyklus der Maschine vervollständigen,
was einer Drehung um 720° der
Kurbelwelle 12 entspricht. Während des Ansaughubs bewegt
sich der Kolben 14 vom Scheitelpunkt seiner Bewegung ausgehend nach
unten (dieser wird als oberer Totpunkt oder TDC bezeichnet) bis
zum Tiefpunkt seiner Bewegung (bezeichnet als unterer Totpunkt oder
BDC). Das Einlassventil 21 ist geöffnet (2) und das
Auslassventil 26 ist während
des Ansaughubs geschlossen. Während
des Ansaughubs und bei Betriebsgeschwindigkeit der Kurbelwelle wird
eine Füllmenge der
Luft-Benzin-Mischung in den Zylinder 20 oberhalb des Kopfs
des Kolbens 14 durch das Einlassventil 21 eingesogen.
Nachfolgend zum Ansaughub sind sowohl das Einlassventil wie auch
das Auslassventil 21, 26 geschlossen und der Kompressionshub beginnt.
In der Mittelphase des Kompressionshubs, beispielsweise bei einem
Drehwinkel von ungefähr 110° vor TDC,
hebt der mechanische Überdruckablassnocken 82 das
Auslassventil 26 an, um den Druck im Zylinder abzulassen,
und schließt
dann bei ungefähr
60° vor
TDC. Nachfolgend zum Kompressionshub wird der Kolben 14 während des
Arbeitshubs zum BDC hin gezwungen, was bei im Wesentlichen geschlossenen
Einlass- und Auslassventilen 21, 26 ausgeführt wird.
Bei ungefähr
60° Drehwinkel
der Kurbelwelle nach dem TDC während
des Arbeitshubs hebt der Unterdruckablassnocken 84 das
Auslassventil aus dem Ventilsitz heraus und die Unterdruckkräfte aufgrund
eines sich im Zylinder 20 ausbildenden Vakuums werden verringert.
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Beispielsweise
werden für
eine exemplarische Ausgestaltung der Überdruck- und Unterdruckablassvorrichtung 70 das
Einlassventil 21 während des
Ansaughubs um 0,2 Inch und das Auslassventil 26 um 0,03
Inch angehoben und offengehalten für 50° Drehwinkel der Kurbelwelle
mittels des Überdruckablassnockens 82 während des
Kompressionshubs. Im Einzelnen öffnet
der mechanische Kompressionsablassnocken das Auslassventil 26 bei
einem Kurbelwellendrehwinkel von 110° vor TDC und hält das Auslassventil 26 so
lange offen, bis die Kurbelwelle ungefähr einen Drehwinkel von 60° vor TDC erreicht.
Der Unterdruckablass wird durch den Unterdruckablassnocken 84 aktiviert,
welcher das Auslassventil 26 um eine Distanz von 0,02 Inch
bei einem Drehwinkel der Kurbelwelle von 60° nach TDC zur Entlüftung des
während
des Arbeitshubs im Zylinder erzeugten Unterdrucks anhebt. Folglich
wird die Energie der komprimierten Luft-Benzin-Mischung dazu verwendet,
um die Bewegung des Kolbens während des
Arbeitshubs zu unterstützen.
Der Nocken 84 hält das
Auslassventil 26 bei einem Drehwinkel von 60° nach TDC
für eine
Dauer, die einer Drehung von 50° der
Kurbelwelle entspricht, offen.
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Aufgrund
der Austarierung des Bügelelements 38 aufgrund
der Gegengewichte 86, 88 können die Gegengewichte als
sich axial nach außen
erstreckend angesehen werden, wodurch eine Gleichgewichtsstellung
erreicht wird. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 12 verringert
wird oder diese angehalten wird, werden die Gravitationskräfte wieder
dominieren und das Bügelelement 72 wird
zu der Startstellung gemäß der 4A zurückschwingen.
Während
die Figuren das Überdruck-
und Unterdruckablasselement 70 so darstellten, dass dies
ausschließlich
mittels Schwerkraft auf die Startstellung zurückgeführt wird, ist anzumerken, dass
in bestimmten Ausgestaltungen das Überdruckablasselement mittels
einer Feder oder einem anderen elastischen Element zur Betriebsstellung
hin vorgespannt sein kann.
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6–8 zeigen
gemäß einer
zweiten Ausgestaltung einen mechanischen Überdruck- und Unterdruckablass 70' der vorliegenden
Erfindung. Der mechanische Überdruck-
und Unterdruckauslass 70' unterscheidet
sich vom mechanischen Überdruck-
und Unterdruckauslass 70 dadurch, dass der Auslass 70' zusätzliche
Nocken 82', 84' umfasst, die nach
innen in Ausnehmungen 100, 102 einschwenken, die
jeweils am axialen Ende 104 des Auslassnockens 34' ausgebildet
sind.
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Gemäß 6 umfasst
die Überdruck-
und Unterdruckauslassvorrichtung 70' ein schwenkbares Bügelelement 72' mit einem Paar
von Beinen 74', 76', die die Nockenwelle 30' umfassen. Die
Beine 74' und 76' sind drehbar
an der Nockenwelle mittels eines Bolzens 78' befestigt und miteinander durch
einen gebogenen Sattelbereich 80' des Bügelelements 72' verbunden.
Der Sattelbereich 80' trägt ein Paar nach
außen
gebogener Vorsprünge,
die als erste und zweite zusätzliche
Nockenelemente 82', 84' dienen. Die
zusätzlichen
Nocken 82', 84' können beispielsweise
in radialer Richtung um 90° beabstandet
sein (8). An den Enden der Beine 74', 76' befinden sich
entsprechende Gegengewichte 86', 88', die sich im Wesentlichen entlang
einer Linie erstrecken, die parallel zur Rotationsachse der Nockenwelle 30' verläuft. Die
Gegengewichte 86', 88' dienen dazu,
mittels der Schwerkraft das Bügelelement 72' in die in 7A gezeigte
Stellung zu bringen, in der sich die zusätzlichen Nockenelemente 82'. 84' in der das Ventil
anhebenden Stellung oder der „Startstellung" befinden.
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Gemäß 7A wird
das Bügelelement 72' durch die Gegengewichte 86', 88', die die entsprechenden
Beine 74', 76' nach innen
und im Wesentlichen parallel zu Drehachse 89 des Nockens 30' ziehen, in
Stellung gebracht. Die zusätzlichen
Nocken 82', 84' weisen nach
außen
und heben die Unterseite des Nockenfolgers 38 von der Nocke 34' ab. In dieser Betriebssituation
werden während
des Anlassens der Maschine die Überdruck-
und Unterdruckablassnocken 82', 84' nacheinander in Wirkverbindung
mit dem Nockenfolger 38' treten.
Erstens während
des Kompressionshubs und zweitens während des Arbeitshubs, um jeweils
den sich in der Verbrennungskammer 20 ausbildenden Überdruck-
und Unterdruck abzubauen. In 7A ist
zu erkennen, dass die Unterseite 42 des Nockenfolgers 38 vom
Anlagekontakt mit der Oberfläche 44' des Nockens 34 aufgrund
des mechanischen Überdruckablassnockens 82' ausgerückt wird,
wobei der Nockenfolger 38' so
ausgelenkt wird, dass entsprechend das Ventil 53 aus dem
Ventilsitz 55 angehoben wird, um die Verbrennungskammer 20 zu
entlüften.
Folglich werden für
geringe Geschwindigkeiten der Kurbelwelle die Nockenelemente 82', 84' die in der 7A dargestellte
Stellung einnehmen, wobei diese in einen Anlagekontakt mit dem Nockenfolger 38 treten,
um das Ventil 26 zu öffnen, wodurch
der Überdruck,
der sich während
des Kompressionshubs, und der Unterdruck, der sich während des
Arbeitshubs aufbaut, abgelassen werden.
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In 7B ist
die Nockenwelle 30' in
Betriebsstellung dargestellt, wobei die auf den Schwerpunkt des
Bügelelements 72' wirkenden Zentrifugalkräfte ein
Ausschwenken des Bügelelements
von der in 7A gezeigten Stellung auf die
in 7B dargestellte bewirken. Das Bügelelement 72' dreht sich um
den Bolzen 78' und
die zusätzlichen
Nockenelemente 82', 84', die vom Bügelelement 72' aus hervorstehen,
drehen sich vom Nockenfolger 38 derart weg, dass die Unterseite 42 des
Nockenfolgers 38 und die Umfangsfläche 44 der Nocke 34 wieder
in einen kontinuierlichen Anlagekontakt zueinander gelangen.
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Bezug
nehmend auf 7B stellen die Ausnehmungen 100, 102,
die am axialen Ende 104 des Nockens 34' auf der Nockenwelle
ausgebildet sind, jeweils Anschläge
für die
zusätzlichen
Nocken 82', 84' in der Betriebsstellung
dar. Im Einzelnen werden die zusätzlichen
Nocken 82', 84' dazu gebracht,
unter der Umfangsfläche 44' der Nocke 34' abzutauchen
und die zusätzlichen
Nocken 82', 84' befinden sich
dann in einem Anlagekontakt mit den entsprechenden Ausnehmungen 100, 102.
Wird die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 12 verlangsamt
oder stoppt diese, werden die Schwerkräfte wiederum dominieren und
das Bügelelement 72' wird zu der
in 7A gezeigten Startstellung zurück schwingen. Während die
Figuren die Bewegung des Überdruck- und
Unterdruckablasselements 70' zur
Startstellung ausschließlich
aufgrund der Schwerkraft zeigen, ist anzumerken, dass in bestimmten
Konstellationen das Überdruckablasselement
mittels einer Feder oder eines anderen elastischen Elements zu seiner Eingriffsstellung
vorgespannt werden kann.
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Ferner
ist es denkbar, dass der mechanische Überdruckablass mit den mechanischen Überdruckablassnocken 82, 82' und der Unterdruckablass
mit den Unterdruckablassnocken 84, 84' so ausgestaltet und
angeordnet werden, dass die Wechselwirkung mit dem jeweiligen Auslass-
und Einlassventil unabhängig
voneinander vollzogen wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass
zwei Bügelelemente
vorgesehen sind, wobei jedes Bügelelement
nur einen einzelnen Nocken anstatt ein Paar von Nocken aufweist.
Jedes Bügelelement
ist drehbar und separat an der Nockenwelle befestigt, wobei eines
einen mechanischen Überdruckablassnocken 82 oder 82' zum Ablass
des Überdrucks
im Zylinder aufweist und das andere Bügelelement mit einem Unterdruckablassnocken 84 oder 84' zum Ablass
des Unterdrucks im Zylinder versehen ist.
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Die
dargestellten Ausgestaltungen sollen nicht als abschließend erachtet
werden oder die Erfindung auf die im Einzelnen in der detaillierten
Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränken.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand von beispielhaften Ausgestaltungen
beschrieben wurde, kann diese weiter im Rahmen des Schutzumfangs
der beigeschlossenen Ansprüche
modifiziert werden. Ferner soll die vorliegende Anmeldung auch solche
Abweichungen der vorliegenden Offenbarung einschließen, welche
im Fachgebiet, zu dem die Erfindung gehört, innerhalb der bekannten
und geläufigen
Praxis liegen.