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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Ermöglichen
der Variation der Dauer eines Ventilvorgangs in einem Verbrennungsmotor.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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In
einem Verbrennungsmotor, der nockenbetriebene Einlass- und Auslassventile
aufweist, wird die Dauer des Ventilvorgangs (die Proportion eines Motorzyklus,
die durch den Kurbelwellenwinkel gemessen wird, während dem
das Ventil offen bleibt) wird durch das Nockenprofil bestimmt. Herkömmlicherweise
weisen Verbrennungsmotoren Nocken mit festem Profil auf und die
Dauer des Ventilvorgangs kann daher nicht modifiziert werden, um
zu dem Betriebszustand des Motors zu passen. Die Dauer des Ventilvorgangs
lässt sich
nicht für
die Leistung über den
gesamten Last-/Geschwindigkeitsbetriebsbereich des Motors optimieren
und die festen Nockenprofile wurden stattdessen dafür ausgewählt, um
einen annehmbaren Kompromiss über
den Motorbetriebsbereich bereitzustellen.
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In
der Vergangenheit wurden Vorschläge
gemacht, um eine Variation der Ventilvorgangsdauer während des
Motorbetriebs zu ermöglichen.
Diese können
als zwei Kategorien angehörig
angesehen werden. In der ersten Kategorie von variablen Vorgangszeitgebungs-(VET)-Mechanismen
ist die Geometrie der Nocken variabel, aber die Nocken drehen sich
immer bei halber Kurbelwellengeschwindigkeit. In der zweiten Kategorie,
zu der die Mechanismen der vorliegenden Erfindung ge hören, weisen
die Nocken ein festes Profil auf, aber ihre Phase wird zyklisch
variiert, wenn sich der Motor dreht, so dass die Phase während jedes
Motorzyklus in Bezug auf die Kurbelwelle erhöht und verringert wird. Anders
ausgedrückt,
wird der Drehung der Nocken durch eine variable Amplitudenschwingung überlagert,
so dass die Vorgangsdauer dynamisch variiert werden kann.
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Aus
US-A-5 979 381 und GB-A-2 066 361 ist jeweils ein Mechanismus bekannt,
der die Variation der Dauer eines Ventilvorgangs in einem Verbrennungsmotor
ermöglicht.
Der Mechanismus umfasst eine Antriebswelle, die synchron mit der
Motorkurbelwelle gedreht werden kann, eine Nockenhülse, die drehbar
an der Antriebswelle zum Öffnen
und Schließen
eines Motorventils montiert ist, und ein Antriebselement, das mit
der Antriebswelle und der Nockenhülse gekoppelt ist. Das Antriebselement
ist zur Drehung um eine Achse montiert, welche parallel zu der Antriebswelle
verläuft,
und die Achse des Antriebselements ist variabel von der Antriebswellenachse
versetzt. Das Ausmaß des
Versatzes dient dazu, die Phase der Nockenhülse bezüglich der Antriebswelle zyklisch
zu variieren, wodurch der gleichmäßigen Drehung der Nockenhülse durch
die Antriebswelle eine variable Amplitudenschwingung überlagert
wird, um die Dauer des Ventilvorgangs zu variieren.
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In
US-A-S 979 381 ist das Antriebselement zur Drehung mit der Antriebswelle
durch einen Stift gekoppelt, der in einer Radialbohrung in der Antriebswelle
fest aufgenommen wird, wobei das Ende des Stifts, das von der Antriebswelle
vorragt, schwenkbar mit dem Antriebselement verbunden ist.
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In
GB-A-2 066 361 enthalten die Mittel zum Koppeln der Nockenhülse zur
Drehung mit der Antriebswelle ein ringförmiges Element, das mittels
eines Schlüssels
an der Antriebswelle befestigt ist und schwenkbar mit der Nockenwelle
mittels einer Verbindung verbunden ist, welche separat zu dem Element
und der Nockenhülse
um eine Achse geschwenkt wird, die sich parallel zu der Achse der
Antriebswelle erstreckt.
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Aufgabe der
Erfindung
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In
ihren verschiedenen Aspekten sucht die vorliegende Erfindung, einen
variablen Zeitgebungsmechanismus bereitzustellen, der kompakt, zuverlässig und
in der Lage ist, in bestehende Motoren eingepasst zu werden, ohne
das größere Änderungen an
dem Motorblock oder dem Zylinderkopf vorgenommen werden müssen.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Mechanismus bereitgestellt,
um die Variation der Dauer eines Ventilvorgangs in einem Verbrennungsmotor
zu ermöglichen,
welcher eine Antriebswelle, die synchron mit der Kurbelwelle des
Motors gedreht werden kann, eine Nockenhülse, die an der Antriebswelle
drehbar zum Öffnen
und Schließen
eines Motorventils montiert ist, und ein Antriebselement, das an
die Antriebswelle und die Nockenhülse gekoppelt ist, umfasst,
wobei das Antriebselement zur Drehung um eine Achse, die parallel
zu der der Antriebswelle verläuft,
montiert ist, und die Achse des Antriebselements variabel von der
Achse der Antriebswelle versetzt ist, wobei das Ausmaß des Versatzes
dazu dient, die Phase der Nockenhülse in Bezug auf die Antriebswelle
zyklisch zu variieren, wodurch die gleichmäßige Drehung der Nockenhülse durch
die Antriebswelle mit einer variablen Amplitudenschwingung überlagert
wird, um die Dauer des Ventilvorgangs zu variieren, und wobei die
Mittel zum Koppeln des Antriebselements zur Drehung mit der Antriebswelle
einen Stift umfassen, der in einer Radialbohrung der Welle fest
aufgenommen wird, wobei das von der Antriebswelle vorragende Ende
des Stifts schwenkbar mit dem Antriebselement verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, dass das von der Antriebswelle vorragende Ende des
Stiftes mit dem Antriebselement mittels einer Verbindung verbunden ist,
die separat von dem Stift und dem Antriebselement um eine Achse
geschwenkt wird, die sich parallel zu der Achse der Antriebswelle
erstreckt.
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Vorzugsweise
kann das Antriebselement auch mittels einer doppelt angelenkten
Verbindung an die Nockenhülse
gekoppelt sein, welche schwenkbar an einem Ende an das Antriebselement und
an dem anderen Ende an die Nockenhülse gesichert ist.
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Das
Antriebselement kann zweckmäßigerweise
mit einem zylindrischen Ring verbunden sein, der die Antriebswelle
umgibt und in einem Block gelagert ist, der zur Gleitbewegung in
einer Richtung auf die Oberfläche
des Motors zu und von ihr weg montiert ist, und an dem die Kissenblöcke befestigt sind,
welche die Lager der Antriebswelle unterstützen.
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Die
Fähigkeit,
die Zeitgebung des Ventilvorgangs durch die Bewegung der Blöcke anzupassen, welche
auf derselben Oberfläche
wie die Kissenblöcke
der Lager der Antriebswelle montiert sind, ermöglicht wiederum eine kompakte
Anordnung und verhindert das Erfordernis extensiver Modifikationen an
dem Motorblock oder dem Zylinderkopf.
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Als
Alternative für
das Bereitstellen eines Zwischen-Antriebselements, das in Bezug
auf die Nocken in eine exzentrische Position bewegt werden kann,
kann ein Mechanismus bereitgestellt werden, in dem die Antriebswelle
selbst in eine exzentrische Position in Bezug auf die Nocken bewegt
werden kann.
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Somit
wird gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ein Mechanismus bereitgestellt, der
es ermöglicht,
die Dauer eines Ventilvorgangs in einem Verbrennungsmotor zu variieren,
umfassend eine Antriebswelle, die synchron mit der Motorantriebswelle
gedreht werden kann, eine drehbar montierte Nockenhülse, die
die Antriebswelle mit einem Abstand umgibt und einen Nocken zum Öffnen und Schließen eines
Motorventils trägt,
und Mittel zum Bewegen der Nockenhülse und der Antriebswelle bezüglich einander
zwischen konzentrischen und exzentrischen Positionen, wobei das
Ausmaß des
Versatzes zwischen den Drehachsen der Nockenhülse und der Antriebswelle dazu
dient, die Phase der Nockenhülse
bezüglich
der Antriebswelle zyklisch zu variieren, wodurch die gleichmäßige Drehung
der Nockenhülse
durch die Antriebswelle mit einer variablen Amplitudenschwingung überlagert
wird, um die Dauer des Ventilvorgangs zu variieren, und wobei die Mittel
zum Koppeln der Nockenhülse
zur Drehung mit der Antriebswelle ein an der Antriebswelle befestigtes
Element umfassen, wobei das Ende des Elements schwenkbar an die
Nockenwelle mittels einer Verbindung befestigt ist, welche an ihren
jeweiligen Enden zu dem Element um eine Achse geschwenkt wird, die
sich parallel zu der Achse der Antriebswelle erstreckt, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei dem Element um einen Stift handelt,
der fest in einer Radialbohrung in der Antriebswelle aufgenommen wird,
wobei das von der Antriebswelle vorragende Ende des Stifts schwenkbar
mit der Nockenhülse
verbunden ist.
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In
allen Ausführungsformen
der Erfindung ermöglicht
das einfache Bereitstellen eines festen radialen Stiftes und einer
angelenkten Verbindung als die Mittel zum Koppeln des Antriebselements
an die Antriebswelle eine sehr kompakte Anordnung, die robust und
einfach zusammenzufügen
ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun weiter beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
zusammengesetzte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Mechanismus
ist;
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2 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist, wobei der Mechanismus um 180° gedreht ist.
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3 eine
auseinander gezogene Ansicht desselben Mechanismus ist.
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4 ein
Schnitt durch ein an den Mechanismus aus 1 und 2 angepassten
Zylinderkopf ist, der in einer senkrecht zu der Antriebsachse des
Mechanismus verlaufenden Ebene genommen wurde.
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5 ein
Graph des Ventilhubs gegenüber Kurbelwellenwinkel
für ein
Motor ist, der einen Mechanismus der Erfindung an das Einlass- und
Auslassventil verbunden ausweist; und
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6 eine
Ansicht ähnlich
der aus 3 ist, die eine alternative
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme auf die 1, 2 und 3,
umfasst ein VET-Mechanismus einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine
Antriebswelle 10, die auf übliche Weise von der Kurbelwelle
des Motors angetrieben wird. Die dargestellten Mechanismen dienen
dazu, die Dauer und die Phase des Ventilvorgangs in einer festen
Beziehung zueinander zu variieren (wie in dem Ventilhubdiagramm
aus 5 gezeigt), sollte es jedoch zusätzlich erforderlich
sein, die Phase des Ventilvorgangs unabhängig von einer etwaigen Änderung
der Vorgangsdauer zu variieren, ist es möglich, einen bekannten Phasenänderungsmechanismus
in den Scheibenantrieb der Antriebswelle 10 zu integrieren.
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Der
VET-Mechanismus umfasst eine Nockenhülse 12, die über die
Antriebswelle 10 passend angebracht ist und sich frei dazu
drehen kann. Der Antrieb wird von der Antriebswelle 10 auf
die Nockenhülse 12 durch
ein halbmondförmiges
Antriebselement 14 übertragen.
An seinem axialen Ende ist das Antriebselement 14 integral
mit einem Ring 16 geformt, der in einem Block 18 gelagert
ist. Der Ring 16 umgibt die Antriebswelle 10 mit
einem Abstand und kann durch Schieben des Blocks 18 nach
oben und unten aus einer Position, in der er mit der Antriebswelle 10 konzentrisch
ist, in exzentrische Positionen bewegt werden.
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Jedes
Ende der Halbmondform des Antriebselements 14 ist gabelförmig und
nimmt zwischen seinen Backen einen Schwenkstift auf. Eines der Enden 14a ist
durch einen Stift 28, einer doppelt angelenkten Verbindung 27 und
einen zweiten Stift 29 mit einem lutscherförmigen Element 20 verbunden,
das einen Stiel aufweist, der in einer Radialbohrung 22 der
Antriebswelle 10 gleitend aufgenommen wird. Das gegenüberliegende
Ende 14b des Antriebselements 14 ist durch eine
zweite Verbindung 23 mit der Nockenhülse 12 verbunden.
Die Verbindung 13 ist wiederum doppelt angelenkt und kann
um einen ersten Stift 26 bezüglich der Nockenhülse 12 geschwenkt
werden. In Rillen 34 und 36 an der Antriebswelle 10 aufgenommene
Greifringe 30 und 32 dienen dazu, die Nockenhülse 12 und
ihr Antriebselement 14 axial an der Antriebswelle 10 zu
halten.
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Wenn
der Ring 16 des Antriebselements 14 durch den
Block 18 so positioniert ist, dass er mit der Antriebswelle 10 konzentrisch
ist, dann drehen sich die Nockenhülse 12, die Antriebswelle 10 und
das Antriebselement 14 alle zusammen, ohne eine Verschiebung
zueinander. Dies wird die in 5 durch die
Kurven 102 und 112 dargestellten Vorgänge erzeugen
(abhängig
davon, ob der Nocken auf ein Einlass- oder ein Auslassventil wirkt).
Die Form dieser Kurven 102 und 112 wird durch
das Profil des Nockens an der Nockenhülse 12 bestimmt.
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Durch
Bewegen des Blocks 18 aus dieser Position entweder nach
oben oder nach unten wird der Ring 16 gezwungen, sich um
eine Achse zu drehen, die von der Achse der Antriebswelle 10 vertikal versetzt
ist. Wenn sich das Antriebselement 14 dreht, wird dadurch
der Abstand zwischen dem angetriebenen Ende 14a von der
Mitte der Antriebswelle 10 zyklisch während jeder Umdrehung variieren.
Dadurch wird die doppelt angelenkte Verbindung 23 an beiden Enden
synchron mit der Drehung der Antriebswelle 10 schwenken,
was eine Drehschwingung des Antriebselements 14 um die
Antriebswelle 10 bewirkt.
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Das
gegenüberliegende
Ende 14b des Antriebselements 14 ist mit der Nockenhülse 12 über die
doppelt angelenkte Verbindung 23 verbunden, welche sich
auch während
jeder Umdrehung bewegt, um den Umstand auszugleichen, dass das Antriebselement 14 und
die Nockenhülse 12 unterschiedliche
Drehzentren aufweisen. Diese Bewegung bewirkt eine weitere Drehschwingung
der Nockenhülse 12 bezüglich des
Antriebselements 14, welche die Schwingung des Antriebselements 14 um
die Antriebswelle 10 überlagert,
so dass die Phase der Nockenhülse
zyklisch variiert wird, wenn sich die Antriebswelle dreht. Dies
führt bei
den Extremeinstellungen des Blocks 18 in einer Richtung
zu den Kurven 100 und 114 und bei der Extremeinstellung
in die entgegengesetzte Richtung zu den Kurven 104 und 110.
Natürlich
kann der Block 18 in jede Position zwischen diesen Extremen
gestellt werden, um eine kontinuierliche Steuerung der Dauer der
Ventilvorgänge
zu geben.
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Aus 5 ist
ersichtlich, dass durch geeignete Auswahl der Geometrie des Mechanismus
sichergestellt werden kann, dass die Öffnungs- und Verschlusszeiten
der Ventile im Wesentlichen unverändert bleiben und dass nur
die Dauer der Vorgänge modifiziert
wird. In 5 zeigen die Linien 106 und 108 die
Position der Kolbenkrone in Abhängigkeit
von dem Kurbelwellenwinkel an, um zu veranschaulichen, dass die
Kollision zwischen dem Kolben und den Ventilen jederzeit vermieden
wird.
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Die
verschiedenen Blöcke 18 für die verschiedenen
Ventile müssen
alle synchron zueinander bewegt werden können und dies kann dadurch
erzielt werden, dass jeder Block 18, wie in 4 gezeigt, auf
Stiften montiert wird, die sich vertikal von dem Zylinderkopf erstrecken,
d.h. von der Seite des Zylinderkopfes, an der die die Antriebswellenlager
unterstützenden
Kissenblöcke
montiert sind. In den Bohrungen 42 in den Blöcken 18 aufgenommene
Exzenter 50 können
zusammen gedreht werden, um alle Blöcke 18 gleichzeitig
um dasselbe Ausmaß anzuheben und
abzusenken.
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Das
Anbringen der Blöcke 18 auf
Führungsstiften 40 in
dem Zylinderkopf ist auch deshalb vorteilhaft, da sie die Schmierung
der verschiedenen Lagerflächen
des Blocks 18 gestattet. Dazu kann einer der Führungsstifte,
wie in 4 gezeigt, mit einer Bohrung 42 gebildet
sein, die mit einem Öldurchlass 44 in
dem Zylinderkopf kommuniziert. Weitere Bohrlöcher 46 in dem Block,
die mit der Bohrung 42 verbunden sind, dienen dazu, das Öl zu der
Lagerfläche von
Ring 16, zu dem Exzenter 50 und den Außenflächen der
Führungsstifte 40 zu
leiten.
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In
der Ausführungsform
aus 1 bis 3 sind die Antriebswelle 10 und
die Nockenhülse 12 immer
konzentrisch und sie sind miteinander über ein Zwischenantriebselement 14 gekoppelt,
das zu einer exzentrischen Position bewegt werden kann. Im Unterschied
dazu wurde in der Ausführungsform
aus 6 auf das Zwischenantriebselement verzichtet, und
stattdessen kann die Antriebswelle 110 zu einer exzentrischen
Position relativ zu der Nockenwelle 112 bewegt werden.
In sonstiger Hinsicht funktionieren die beiden Ausführungsform
analog zueinander.
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Die
Ausführungsform
aus 6 hat mit der Ausführungsform aus 1 bis 3 den
Umstand gemein, dass die Kopplung zwischen der Antriebswelle 110 und
der Nockenhülse
einen Stift 120 umfasst, der in einer Radialbohrung in
der Antriebswelle 110 aufgenommen wird, und den Umstand,
dass die gesamte Kopplungskraft in derselben Ebene wirkt, welche
senkrecht zu der Drehachse des Mechanismus verläuft. Die Lagerblöcke, die
die Antriebswelle unterstützen,
können
ferner auf ähnliche
Weise konstruiert sein, wie die Blöcke 18.
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In
der Ausführungsform
aus 6 enthält die
Kopplung zwischen der Nockenwelle 112 und der Antriebswelle 110 wieder
einen lutscherförmigen
Stift 120, der in einer Radialbohrung 122 der
Antriebswelle 110 aufgenommen ist. Das vorstehende Ende
des Stifts 120 ist durch einen Schwenkstift 128 mit
einer doppelt angelenkten Verbindung 123 verbunden, deren
gegenüberliegendes
Ende durch einen Schwenkstift 124 mit der Nockenhülse 112 verbunden
ist. Da die Verbindung 123 an beiden Enden angelenkt ist, muss
der Stift 120 sich nicht radial in der Bohrung 122 in
der Antriebswelle 110 bewegen.