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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Ventilbetriebssteuerung in einer Brennkraftmaschine, in welcher
eine Nockenwelle einen Nocken zum Öffnen und Schließen
eines Einlaß- oder Auslaßventils aufweist, welches in einer
Schließrichtung Feder vorgespannt ist.
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Die japanische Patent-Offenlegungsschrift No. 61-145310
offenbart eine Anordnung zur Steuerung des Zeitpunkts von
Ventilöffnung und -Schließung und des Betrags des Hubs
eines Einlaß- oder Auslaßventils. In dieser herkömmlichen
Anordnung wird der hintere Teil eines Kipphebels an einem
Drehpunkt gegen einen Hebel gehalten, welcher Hebel entlang
des hinteren Teils des Kipphebels schwenkbar ist, und die
Position des Drehpunkt auf dem Kipphebel wird durch
Schwenken des Hebels geändert, um die Hubcharakteristika
des Einlaß- oder Auslaßventils variabel zu steuern. Die
Winkelbeziehung oder Phase zwischen der Nockenwelle und der
Kurbelwelle wird durch ein Phasensteuermittel variiert, um
den Zeitpunkt der Öffnung des Ventils zu steuern. Das
Phasensteuermittel kann die Phase nur steuern, um den
Zeitpunkt der Ventilöffnung um einen festen Wert
vorzuverlegen oder zu verzögern. Um die Hubcharakteristika zu
steuern, ist es notwendig, den hinteren Teil des Kipphebels
in einer gekrümmten Konfiguration zu formen, aber es ist
schwer, eine dem Betrag des Ventilhubs entsprechende,
gekrümmte Oberfläche zu formen.
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EP-A-224152 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung des
Ventilbetriebs in einer Brennkraftmaschine mit einer
Kurbelwelle zum Antreiben einer Nockenwelle mit einem Nocken
zum Öffnen und Schließen eines Einlaß- oder Auslaßventils,
welches in einer Schließrichtung Feder vorgespannt ist, die
Vorrichtung umfassend, ein zwischen der Kurbelwelle und der
Nockenwelle angeordnetes Phasensteuermittel und ein
zwischen dem Nocken und dem Einlaß- oder Auslaßventil
angeordnetes Hubsteuermittel, wobei das Phasensteuermittel
umfaßt hydraulische Mittel zur Änderung der Winkelbeziehung
zwischen der Nockenwelle und einem von der Kurbelwelle
angetriebenen Verstellrad (timing wheel) zum Antreiben der
Nockenwelle, Mittel zum Steuern der hydraulischen Mittel in
Antwort auf Betriebszustände der Maschine, wobei das
Hubsteuermittel umfaßt Hydraulikkolbenmittel zum Übertragen
der Ventilöffnungskraft von dem Nocken auf das Ventil.
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FR-A-2526858 offenbart hydraulische Phasensteuermittel, die
auf einer an einem elektromagnetischen Stellglied
angebrachten Scheibe beruhen und mit dem Schiebeventilelement
lediglich in Gleitkontakt stehen.
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Von einer Seite betrachtet, ist die vorliegende Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß Hydraulikventilmittel zur
selektiven Freigabe der Ventilöffnungskraft in Antwort auf
Betriebszustände der Maschine vorgesehen sind und daß das
Phasensteuermittel umfaßt eine drehbare, mit der
Nockenwelle gekoppelte Welle, wobei das Verstellrad koaxial zu
der drehbaren Welle für Winkelbewegungen relativ dazu
angeordnet ist, einen Kolben dessen eines axiales Ende
einer Hydraulikdruckkammer zugewandt ist, und der
normalerweise in einer axialen Richtung Feder vorgespannt
ist, wobei der Kolben mit der drehbaren Welle und dem
Verstellrad koaxial ist, einen Kopplungsmechanismus zur
betriebsmäßigen Kopplung des Kolbens, des Verstellrades und
der drehbaren Welle, um den Phasenwinkel des Verstellrades
und der drehbaren Welle abhängig von axialer Bewegung des
Kolbens zu variieren, und ein Servoventil zum Abschneiden
der Verbindung zwischen der Hydraulikdruckkammer und einem
Hydraulikdruckzufuhrdurchgang oder einem
Hydraulikdruckfreigabedurchgang, welche Verbindung durch Betrieb eines
Stellelements erzielt wurde, in Antwort auf axiale Bewegung
des Kolbens gemäß eines Betätigungsbetrags des
Stellelements, wobei das Stellelement einen direkt mit einem in dem
Kolben gleitverschieblichen Ventilabstandsring verbundenen
Servomotor umfaßt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann, da der
Phasenwinkel der Kurbelwelle und der Nockenwelle wie gewünscht
gesteuert wird, der Zeitpunkt des Öffnens des Einlaß- oder
Auslaßventils kontinuierlich gesteuert werden.
Darüberhinaus kann, da die vom Nocken zum Öffnen des Ventils
aufgebrachte Kraft gelockert wird, während das Ventil
geöffnet ist, der Zeitpunkt des Schließens des Ventils oder
der Betrag dessen Hubs einfach wie gewünscht gewählt
werden. Die Steuerung des Ventilöffnungszeitpunkts und die
Steuerung des Ventilschließungszeitpunkts können kombiniert
werden, um kontinuierlich und einfach den
Ventilöffnungszeitpunkt, den Ventilschließungszeitpunkt und den Betrag
des Hubs des Ventils zu steuern.
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Das Phasensteuermittel kann den Phasenwinkel wie gewünscht
zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle durch Bewegen
des Kolbens in eine von dem Betrag des Betriebs des
Stellelements abhängige Position kontinuierlich steuern, und das
Hubsteuermittel kann den Betrag des Hubs des Einlaß- oder
Auslaßventils wie gewünscht durch Öffnen des
Hydraulikdruckfreigabeventils, während das Einlaß- oder Auslaßventil
geöffnet ist, einfach auswählen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im
folgenden, lediglich als Beispiel, mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Ventilbetriebsmechanismus darstellt;
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Fig. 2 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht des
erfindungsgemäßen Phasensteuermittels darstellt;
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Fig. 3A einen Graphen darstellt, der die
Steuercharakteristika des Phasensteuermittels zeigt;
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Fig. 3B einen Graphen darstellt, der die
Steuercharakteristika des Hubsteuermittels zeigt;
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Fig. 3C einen Graphen darstellt, der die
Steuercharakteristika bei kombinierter Phasen- und Hubsteuerung zeigt;
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und
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Fig. 4 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht des
Hubsteuermittels darstellt.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf den Betrieb eines
Einlaßventils beschrieben, aber es versteht sich und ist für den
Fachmann klar, daß die Erfindung ebenso auf ein
Auslaßventil anwendbar ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine
Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf H mit einem
Ventilmechanismus des hängenden Typs mit einer
Einlaßventilöffnung 2, die sich in das obere Ende einer zwischen dem
Zylinderkopf H und einem Zylinderblock (nicht dargestellt)
ausgebildeten Brennkammer 1 öffnet. Die Einlaßventilöffnung
2 steht in Verbindung mit einer Einlaßöffnung 3. Ein
Einlaßventil 5, welches auf einem ringförmigen, in der
Einlaßventilöffnung 2 fest angeordneten Ventilsitz 4 sitzen
kann, ist vertikal von dem Zylinderkopf H zum Öffnen und
Schließen der Einlaßventilöffnung 2 gehalten und geführt.
Das Einlaßventil 5 ist normalerweise nach oben vorgespannt,
d.h. in der Schließrichtung unter den Kräften einer
Ventilfeder 7, die unter Kompression zwischen einem an dem
oberen Ende des Einlaßventils 5 angebrachten Flansch 6 und
dem Zylinderkopf H angeordnet ist.
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Eine Nockenwelle 8 mit einem Nocken 9 ist oberhalb des
Zylinderkopfes H drehbar angeordnet. Die Nockenwelle 8 ist
betriebsmäßig durch ein Phasensteuermittel 10 mit einer
Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden. Ein
Hubsteuermittel 11 ist zwischen dem Nocken 9 und dem Einlaßventil 5
angeordnet. Der Betrieb des Phasensteuermittels 10 und des
Hubsteuermittels 11 wird von einer Steuereinheit 12
gesteuert, die auf die Betriebszustände der Maschine
anspricht. An die Steuereinheit 12 sind Sensoren S1 bis S7
angeschlossen, welche die Betriebszustände der Maschine
betreffende Parameter ermitteln, z.B. die
Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine, die Temperatur des
Betriebsöls, den Kurbelwinkel, die Menge an Ansaugluft, die Temperatur
der Ansaugluft, die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen,
den Betrag des Gaspedaldrucks und dergleichen.
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Wie in Fig.2 gezeigt, umfaßt das Phasensteuermittel 10 eine
Riemenscheibe oder ein Verstellrad l4 mit einem darum
gezogenen Verstellriemen 13, zur Drehkraftübertragung von
der Kurbelwelle, eine drehbare Welle 15, koaxial mit der
Nockenwelle 8 verbunden, ein Gehäuse 16 in einem Stück
(integral with) mit der Riemenscheibe 14, das die drehbare
Welle 15 koaxial umgibt, einen Kolben 17, der
gleitverschieblich zwischen die drehbare Welle 15 und das Gehäuse
16 eingefügt ist, ein Servoventil 18 zur Steuerung axialer
Bewegung des Kolbens 17 und einen Kopplungsmechanismus 19
zur betriebsmäßigen Kopplung des Kolbens 17, des Gehäuses
16 und der drehbaren Welle 15, um das Gehäuse 16 und die
drehbare Welle 15 entsprechend axialer Bewegung des Kolbens
17 winkelmäßig in wechselseitig entgegengesetzte Richtungen
zu verlagern.
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Die drehbare Welle 15 hat die Form eines mit einem Boden
versehenen Hohlzylinders mit einem Wellenabschnitt 20 an
seinem geschlossenen Ende. Der Wellenabschnitt 20 ist
mittels eines Bolzen 21, der sich durch das geschlossene
Ende der Welle 15 erstreckt und in die Nockenwelle 8
geschraubt ist, koaxial an einem Ende der Nockenwelle 8
befestigt. Das Gehäuse 16 hat ebenfalls die Form eines mit
einem Boden versehenen Hohlzylinders, welcher zu der
Nockenwelle 8 geöffnet ist. Die Riemenscheibe 14 ist an
einer Außenumfangsfläche des Gehäuses 16 integriert
angeordnet. Eine Abdeckung 25 fügt sich mit ihrem
Außenumfangsrand in das offene Ende des Gehäuses 16 ein. Die
Abdeckung 25 umfaßt eine Endplatte 23, die
gleitverschieblich gegen die Außenfläche des geschlossenen Endes
der drehbaren Welle 15 gehalten wird, und einen
Zylinderabschnitt 24, der gleitverschieblich gegen die Außenfläche
des Wellenabschnitts 20 gehalten wird. Das distale Ende der
drehbaren Welle 15 ist gleitverschieblich gegen die innere
Oberfläche des geschlossenen Endes von Gehäuse 16 gehalten.
Folglich werden das Gehäuse 16 und die Riemenscheibe 14 an
axialer Bewegung in Bezug auf die drehbare Welle 15
gehindert, d.h. die Nockenwelle 8, dürfen aber um ihre Achsen
drehen.
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Der Kolben 17 ist ringförmig mit einer Außenfläche, die
gleitverschieblich gegen die innere Oberfläche des Gehäuses
16 gehalten wird, und einer Innenfläche, die
gleitverschieblich gegen die Außenfläche der drehbaren Welle 15
gehalten wird. Ein ringförmiges Zahnelement 26 ist in
axialem Abstand zu dem Kolben 17 angeordnet, und innere
Kanten des Kolbens 17 und des Zahnelements 26 sind über
eine Verbindungshülse 27 miteinander verbunden, die die
drehbare Welle 15 koaxial umgibt. Der Kolben 17, das
Zahnelement 26, die Verbindungshülse 27 und das Gehäuse 16
bilden gemeinsam zwischen sich eine Hydraulikdruckkammer 28
zum Ausüben von Hydraulikdruck aus, um den Kolben 17 in
eine axiale Richtung zu bewegen, d.h. nach rechts in Fig 2.
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Der Kopplungsmechanismus 19 umfaßt schraubenförmige, äußere
Zähne 29 auf der Außenfläche des Zahnelement 26,
schraubenförmige, innere Zähne 30 auf der Innenfläche des
Gehäuses 16 im Eingriff mit den schraubenförmigen, äußeren
Zähnen 29, schraubenförmige, innere Zähne 31 auf der
Innenfläche des Zahnelements 26 und schraubenförmige,
äußere Zähne 32 auf der Außenfläche der drehbaren Welle 15
im Eingriff mit den schraubenförmigen, inneren Zähnen 31.
In Antwort auf axiale Bewegung des Kolbens 17 ruft der
Kopplungsmechanismus eine relative Drehung des Gehäuses 16,
d.h. der Riemenscheibe 14, und der drehbaren Welle 15, d.h.
der Nockenwelle 8, um ihre Achsen hervor. Dies ändert die
Winkelbeziehung zwischen der Riemenscheibe 14 und
Nockenwelle 8.
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Ein erster Zylinderabschnitt 33 ist an der Innenkante des
Zahnelements 26 integriert und erstreckt sich von der
Verbindungshülse 27 weg. Der erste Zylinderabschnitt 33 hat
an seinem distalen Ende einen Flansch 34, der sich radial
nach innen erstreckt und mit dem geschlossenen Ende des
Gehäuses 16 in Eingriff sein kann. Ein zweiter
Zylinderabschnitt 35 ist an der Innenkante des Flansch 34
integriert und gleitverschieblich in ein Durchgangsloch 36
eingepaßt, das zentral in dem geschlossenen Ende des
Gehäuses 16 ausgebildet ist. Die Bewegung des Kolbens 17 in
der anderen axialen Richtung (nach links in Fig. 2) wird
durch Eingriff des Flansch 34 mit dem Gehäuse 16 begrenzt.
Der Flansch 34 weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung
gebogenen Schlitzen 37 auf. Eine Vielzahl von in dem
distalen Ende der drehbaren Welle 15 integrierten
Vorsprüngen oder Fingern 15a werden Für Eingriff mit dem
geschlossenen Ende des Gehäuses 16 jeweils durch die
Schlitze 37 eingefügt. Der Kolben 17 ist in einem
Winkelbereich, der durch die entgegengesetzten Enden jedes der
Schlitze 37 ausgebildet ist, in die die entsprechenden
Finger 15a eingreifen können, winklig drehbar in Bezug auf
die drehbare Welle 15. Eine Stützplatte 38 ist an dem
Gehäuse 16 befestigt und schließt das Durchgangsloch 36 ab.
Ein Servomotor 39 ist starr auf der Stützplatte 38 koaxial
mit der drehbaren Welle 15 befestigt. Der Betrieb des
Servomotors 39 wird durch die Steuereinheit 12 gesteuert.
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Das Servoventil 18 umfaßt eine Zylinderhülse 40, die
gleitverschieblich in die drehbare Welle 15 eingepaßt ist,
und einen zylindrischen Ventilkörper 41, der
gleitverschieblich in die Hülse 40 eingepaßt ist. Eine
Antriebswelle 42 dient als mit dem Servomotor 39 gekoppeltes
Stellelement zur Variation der axialen Position des
Ventilkörpers 41 und ist mit dem Ventilkörper 41 verbunden.
Eine Rückholfeder 43 ist zwischen einem Ende der Hülse 40
und dem geschlossenen Ende der drehbaren Welle 15
angeordnet, um die Hülse 40 normalerweise in eine Richtung zu
treiben, so daß das andere Ende der Hülse 40 gegen den
Flansch 34 anstößt. Daher ist der Kolben 17 in die andere
axiale Richtung gegen den Hydraulikdruck in der
Hydraulikdruckkammer 28 angefedert.
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Ein Halter 44, in dem die Nockenwelle 8 drehbar gestützt
ist, weist einen ersten, darin ausgebildeten
Hydraulikdruckzufuhrdurchgang 46 auf, der in Verbindung mit einer
Hydraulikdruckquelle 45 steht (siehe Fig.1). Die
Nockenwelle 9 weist eine Ringnut 47 auf, die in ihrer
Außenumfangsfläche ausgebildet ist und mit dem ersten
Zufuhrdurchgang für Hydraulikdruck 46 in Verbindung steht, und
weist auch einen zweiten, darin ausgebildeten
Hydraulikdruckzufuhrdurchgang 48 auf, die darin ausgebildet ist und
mit der Ringnut 47 in Verbindung steht. Die drehbar Welle
weist einen dritten, darin ausgebildeten
Hydraulikdruckzufuhrdurchgang 49 auf, der in ihr ausgebildet ist und
stets mit dem zweiten Zufuhrdurchgang für Hydraulikdruck 48
in Verbindung gehalten wird. Die drehbare Welle 15 weist
ebenfalls eine Ringnut 50 auf, die in einer
Innenumfangsfläche davon ausgebildet ist und mit dem dritten
Zufuhrdurchgang für Hydraulikdruck 49 in Verbindung steht. Ein
Paar ringförmiger Dichtmittel 51, 52 sind an beiden Seiten
der Ringnut 47 zwischen die Nockenwelle 8 und den Halter 44
eingelegt. Ein anderes Dichtmittel 53 ist zwischen die
Nockenwelle 8 und die drehbare Welle 15 eingelegt, um den
zweiten und dritten Zufuhrdurchgang für Hydraulikdruck 48,
49 miteinander in Verbindung zu halten.
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Die Hülse 40 weist ein radial durch sie ausgebildetes
Ölloch 54 auf, das stets mit der Ringnut 50 in Verbindung
gehalten wird, ungeachtet der axialen Position der Hülse 40
in Bezug auf die drehbare Welle 15. Die Hülse 40 weist auch
eine in einer ihrer Innenumfangsflächen ausgebildete
Ringnut 55 auf, die an einer Position auf einer axialen
Seite neben dem offenen Ende des Öllochs 54 liegt (in Fig.
2 dargestellt: auf der rechten Seite). Die Hülse 40 und der
gegen die Hülse 40 gehaltene Flansch 34 weisen einen darin
ausgebildeten Öldurchgang 56 auf, durch den die Ringnut 55
mit der Hydraulikdruckkammer 28 in Verbindung steht. Der
Bolzen 21 und die Nockenwelle 8 weisen durch sie hindurch
ausgebildeten Druckentlastungsdurchgang 58 auf, der mit
einem Öltank in Verbindung gehalten wird (Fig. 1).
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Eine Ringnut 59 ist in einer Außenumfangsfläche des
Ventilkörpers 41 ausgebildet und besitzt eine so gewählte
axiale Weite, daß sie Fluidverbindung zwischen dem Ölloch 54
und der Ringnut 55 bereitstellen kann. Der Ventilkörper 41
ist axial zwischen drei Positionen bewegbar, d.h. zwischen
einer Abschaltposition, in der nur das Ölloch 54 mit der
Ringnut 59 in Verbindung steht, einer gegenüber der
Abschaltposition in einer axialen Richtung verschobenen
Zufuhrposition, in der das Ölloch 54 und die Ringnut 55
über die Ringnut 59 miteinander in Verbindung stehen, und
einer gegenüber der Abschaltposition in die andere axiale
Richtung verschobenen Entlastungsposition, in der die
Ringnut 55 mit dem Entlastungsdurchgang für Hydraulikdruck
58 in Verbindung steht. Die Hülse 40 weist einen Anschlag
60 auf, der sich von einem ihrer axialen Enden nach innen
erstreckt und der durch Anstoßen an den Ventilkörper 41
axiale Relativbewegung der Hülse 40 und des Ventilkörpers
41 einschränken soll.
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Zum Variieren der Phasen- oder Winkelbeziehung zwischen der
Kurbelwelle und der Nockenwelle 8 mit dem
Phasensteuermittel 10 wird die Antriebswelle 42 axial bewegt, um den
Ventilkörper 41 in einer axialen Richtung aus der in Fig. 2
gezeigten Abschaltposition zu bewegen. Genauer gesagt wird
der Ventilkörper 41 relativ zur Hülse 40 aus der
dargestellten Position in einer axialen Richtung in die
Zufuhrposition bewegt, in der das Ölloch 54 und die Ringnut 55
über die Ringnut 59 miteinander in Verbindung stehen.
Öldruck aus der Hydraulikölzufuhrquelle 45 wird dann in die
Hydraulikdruckkammer zugeführt, um den Kolben 17 in eine
axiale Richtung gegen die Federkräfte der Rückholfeder 43
zu bewegen. Die axiale Bewegung des Kolbens 17 veranlaßt
das Gehäuse 16, d.h. die Riemenscheibe 14, und die drehbare
Welle 15, d.h. die Nockenwelle 8, sich durch den
Kopplungsmechanismus 19 relativ zueinander zu drehen, so
daß der Zeitpunkt des Öffnens des Einlaßventils 5
beispielsweise vorverlegt wird. Da die Hülse 40 durch die
axiale Bewegung des Kolbens 17 auch in eine axiale Richtung
bewegt wird, wird der Ventilkörper 41 relativ zur Hülse 40
in der anderen axialen Richtung bewegt bis der Ventilkörper
41 und die Hülse 40 axial relativ zueinander in der
Abschaltposition liegen. Der Betrag der Bewegung des
Kolbens 17 ist dadurch durch den Betrag der axialen
Bewegung des Ventilkörpers 41 bestimmt, und das gleiche
gilt für den Umfang, um den der Zeitpunkt des Öffnens des
Einlaßventils vorverlegt wird. Der Umfang, um den der
Zeitpunkt des Öffnens des Einlaßventils vorverlegt wird,
kann abhängig von dem Betrag der Bewegung des Ventilkörpers
41 kontinuierlich gesteuert werden.
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Wenn die Antriebswelle 42 in die entgegengesetzte Richtung
bewegt wird, um den Ventilkörper 41 relativ zur der Hülse
40 aus der Abschaltposition zu bewegen, erreicht der
Ventilkörper 41 die Entlastungsposition, in der die Ringnut
55 mit dem Entlastungsdurchgang für Hydraulikdruck 58 in
Verbindung steht. Der Öldruck in der Hydraulikdruckkammer
28 wird so entlastet. Der Kolben 17 wird dann unter der
Federkraft der Rückholfeder in die andere axiale Richtung
bewegt, wodurch die Riemenscheibe 14 und die Nockenwelle 8
relativ zueinander in die entgegengesetzte Richtung gedreht
werden. Der Zeitpunkt des Öffnens des Einlaßventils 5 ist
jetzt verzögert. Die Hülse 40 wird mit dem Kolben 17 in die
andere axiale Richtung bewegt, und der Ventilkörper 41 wird
relativ zur Hülse 40 in diese eine axiale Richtung bewegt,
wodurch der Ventilkörper 41 und die Hülse 40 in die
Abschaltposition gebracht werden. Folglich ist der Umfang,
um den der Ventilöffnungszeitpunkt verzögert wird, abhängig
von dem Betrag der axialen Bewegung des Ventilkörpers 41
bestimmt und kann daher abhängig von dem Betrag der
Bewegung des Ventilkörpers 41 kontinuierlich gesteuert
werden.
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Durch solche axiale Bewegung des Ventilkörpers 41 mit der
Antriebswelle 42, wird der Kolben 17 mit der Bewegung des
Ventilkörpers 41 bewegt. Der Zeitpunkt des Öffnens des
Einlaßventils 5 kann wie in Fig. 3A gezeigt kontinuierlich
vorverlegt oder verzögert werden.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, hat das Hubsteuermittel 11 einen
Hydraulikstellmechanismus 61 zum Öffnen und Schließen des
Einlaßventils 5 entsprechend dem Nockenprofil des Nockens
9, und ein Hydraulikentlastungsventil 62 zum Abschalten
oder Entlasten der Betätigungskraft des
Hydraulikstellmechanismus 61, um das Einlaßventil 5 abzusenken, während
das Einlaßventil 5 geöffnet ist.
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Der Hydraulikstellmechanismus 61 ist in einem starr auf dem
Zylinderkopf H befestigten Stützelement 63 angeordnet. Der
Hydraulikstellmechanismus 61 hat einen Zylinder 64, der
senkrecht über dem Einlaßventil 5 angeordnet und starr in
das Stützelement 63 eingefügt ist, einen Ventilkolben 65,
der gegen das obere Ende des Einlaßventils 5 gehalten wird
und in einem unteren Abschnitt des Zylinders 64
gleitverschieblich eingefügt ist, einen gleitverschieblich gegen
den Nocken 9 gehaltenen Aufnehmer 66 und einen Nockenkolben
67 mit einem oberen, gegen den Aufnehmer 66 stoßenden Ende,
der in einen oberen Abschnitt des Zylinder 66
gleitverschieblich eingefügt ist.
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Der Zylinder 64 weist in intermediärer Lage eine Trennwand
68 auf, die den Innenraum des Zylinders 64 in obere und
untere Räume teilt. Der Ventilkolben 65 und die Trennwand
68 bilden zwischen sich eine Dämpferkammer 69 aus, und der
Nockenkolben 67 und die Trennwand 68 bilden zwischen sich
eine Betriebsölkammer 70 aus. Die Trennwand 69 weist ein
zentrales Verbindungsloch 71 auf, durch das die
Dämpferkammer 69 und die Betriebsölkammer 70 miteinander in
Verbindung treten können.
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Der Ventilkolben 65 weist eine in ihm ausgebildete Ölkammer
72 auf und beinhaltet einen kurzen Zylinderabschnitt 73,
der an dessen oberen zentralen Ende angeordnet ist und in
das Verbindungsloch 71 einführbar ist. Der kurze
Zylinderabschnitt 73 und das Verbindungsloch 71 bilden gemeinsam
eine Begrenzung 74. Genauer gesagt ist der Außendurchmesser
des kurzen Zylinderabschnitts 73 so gewählt, daß ein Spalt
mit der Größe einiger zehn bis einiger hundert um zwischen
der Außenfläche des Zylinderabschnitts 73 und der
Innenfläche des Verbindungslochs 71 bleibt. Bei in das
Verbindungsloch 71 eingeführtem kurzem Zylinderabschnitt 73 ist
ein dünner ringförmiger Durchgang zwischen der Außenfläche
des Zylinderabschnitts 73 und der Innenfläche des
Verbindungslochs 71 ausgebildet, der die Durchflußrate von
Betriebsöl aus der Dämpferkammer 69 in die Betriebsölkammer
70 einschränkt. Der dünne ringförmige Durchgang oder die
Begrenzung 74 wird nur gebildet, wenn der kurze
Zylinderabschnitt 73 in das Verbindungsloch 71 eingeführt wird. Der
kurze Zylinderabschnitt 73 weist eine so gewählte axiale
Länge auf, daß er in das Verbindungsloch 71 eingeführt
wird, während sich das Einlaßventil 5 in dem Endprozeß des
Schließens befindet, d.h. der Ventilkolben 65 unter der
Vorspannung der Ventilfeder 7 angehoben ist.
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Die Ölkammer 72 in dem Ventilkolben 65 nimmt ein
Einwegventil 75 auf, welches geöffnet werden kann, um Betriebsöl
aus dem kurzen Zylinderabschnitt 73 in die Ölkammer 72
einzuführen, wenn der Hydraulikdruck in dem kurzen
Zylinderabschnitt 73 um einen bestimmten Wert höher als der in
der Ölkammer 72 ist. Der Ventilkolben 65 weist Durchlöcher
76 auf, die Verbindung zwischen der Ölkammer 72 und der
Dämpferkammer 69 bereitstellt. Wenn der Hydraulikdruck in
der Betriebsölkammer 70 mit dem Einführen des kurzen
Zylinderabschnitts 73 in das Verbindungsloch 71 ansteigt,
wird das Betriebsöl der Betriebsölkammer 70 von der
Ölkammer 72 in die Dämpferkammer 69 eingeführt.
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Wenn der kurze Zylinderabschnitt 73 unter dem
Verbindungsloch 71 angeordnet ist, d.h. das Einlaßventil 5 ist
heruntergedrückt und geöffnet, und wenn das Einlaßventil 5
sich in dem Prozeß befindet, aus der völlig geöffneten
Stellung unter der Vorspannung der Ventilfeder 7 angehoben
und geschlossen zu werden, behindert die Begrenzung 74 den
Ölfluß nicht. Die Begrenzung 74 behindert den Ölfluß von
dem Augenblick an, wenn der kurze Zylinderabschnitt 73 in
das Verbindungsloch 71 eingeführt wird während das
Einlaßventil 5 beinahe geschlossen ist bis das Einlaßventil 5
ganz geschlossen ist.
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Der Nockenkolben 67 hat die Form eines mit einem Boden
versehenen Zylinders, dessen geschlossenes Ende nach unten
gerichtet ist. Der Nockenkolben 67 weist ein oberes offenes
Ende aus, das durch ein Verschlußelement 77 verschlossen
ist, welches mit dem Aufnehmer 66 in Eingriff treten kann.
Der Aufnehmer 66 hat auch die Form eines mit einem Boden
versehenen Zylinders, wobei das geschlossene Ende eine
Außenfläche aufweist, das gleitverschieblich gegen den
Nocken 9 gehalten wird. Der Aufnehmer 66 ist
gleitverschieblich in einen oberen Abschnitt des Stützelements 63
eingefügt.
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Zwischen dem Nockenkolben 67 und dem Verschlußelement 77
ist eine Reservoirkammer 78 zum Aufnehmen von Betriebsöl
ausgebildet. Das Verschlußelement 77 weist ein durch es
hindurch ausgebildetes Durchgangsloch 79 auf, um das
Betriebsöl von der Reservoirkammer 78 zu gegeneinander
gleitenden Oberflächen des Aufnehmer 66 und des
Verschlußelements 77 zum führen. Das geschlossene Ende des
Nockenkolbens 67 weist ein Ölloch 80 auf, welches mit der
Betriebsölkammer 70 in Verbindung treten kann und welches
mit einem Rückschlagventil 81 verbunden ist, um es dem
Betriebsöl zu ermöglichen, nur aus der Reservoirkammer 78
in die Betriebsölkammer 70 zu strömen.
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Der Zylinder 64 weist ein Einlaßloch 82 auf, das mit der
Betriebsölkammer 70 in Verbindung steht. Das Stützelement
63 weist einen Öleinlaßdurchgang 83 auf, der mit dem
Einlaßloch 82 in Verbindung steht. Der Öleinlaßdurchgang 83
ist mit der Hydraulikdruckquelle 45 über ein Rückschlagventil 84
verbunden, das das Betriebsöl am Ausströmen aus der
Betriebsölkammer 70 hindert. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt
die Hydraulikdruckquelle 45 eine Hydraulikpumpe 85 zum Pumpen
von Betriebsöl aus dem Öltank 57 und eine Reservoirkammer
86 zum Speichern des von der Hydraulikpumpe 85 gelieferten
Betriebsöls. Der Einlaßöldurchgang 83 ist mit der
Reservoirkammer 86 durch ein Rückschlagventil 84 verbunden.
Der erste Hydraulikdruckdurchgang 46 des
Phasensteuermittels 10 wird von der Hydraulikpumpe 85 mit
Hydraulikdruck versorgt.
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Der Zylinder 64 weist ein Auslaßloch 87 auf, das mit der
Betriebsölkammer 70 in Verbindung steht. Das Auslaßloch 87
ist mit der Reservoirkammer 86 über einen Auslaßdurchgang
88 gekoppelt, in dem das Hydraulikdurckentlastungsventil 62
angeordnet ist.
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Wenn das Einlaßventil 5 ganz geschlossen ist, befindet sich
der Hydraulikdurck-Stellmechanismus 61 in der in Fig. 4
gezeigten Position. Der Aufnehmer 66 ist gegenüber der
dargestellten Position durch Rotation der Nockenwelle 8
abgesenkt. Der Aufnehmer 66 verschiebt, wenn er angesenkt
wird, den Nockenkolben 67 nach unten, um das Volumen der
Betriebsölkammer 70 zu verringern. Ist das Hydraulikdruck-
Entlastungsventil 62 geschlossen, wird das Betriebsöl in
der Betriebsölkammer 70 durch das Einwegventil 75 in die
Dämpferkammer 69 eingeführt. Der Ventilkolben 65 wird jetzt
abgesenkt, um das Einlaßventil 5 gegen die Federkraft der
Ventilfeder 7 zu öffnen.
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Wenn der Aufnehmer 66 durch den Nocken 9 veranlaßt seine
Abwärtsbewegung einstellt und das Einlaßventil 5 ganz
geöffnet ist, wird das Einlaßventil 5 in Schließrichtung
durch die Federkraft oder Ventilfeder 7 angehoben. Während
das Einlaßventil 5 geschlossen wird, wird der Ventilkolben
65 auch angehoben, um das Betriebsöl dazu zu bringen, von
der Dämpferkammer 69 durch das Verbindungsloch 71 zurück in
die Betriebsölkammer 70 zu strömen. Während des
Ventilschließungshubs des Einlaßventils 5, wird der kurze
Zylinderabschnitt 73 in das Verbindungsloch 71 eingeführt,
woraufhin die Begrenzung 74 beginnt, den Ölfluß zu
begrenzen, wodurch der Fluß des Betriebsöls aus der Dämpferkammer
69 in die Betriebsölkammer 70 eingeschränkt wird. Deshalb
wird die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung des
Einlaßventils 5, d.h. die Ventilschließungsgeschwindigkeit,
reduziert, während das Einlaßventil 5 sich noch im
Ventilöffnungshub befindet, um es dem Einlaßventil 5 zu erlauben,
sich nach und nach auf den Ventilsitz 4 zu setzen. Schläge,
die anderenfalls verursacht würden, wenn das Ventil 5 zu
schnell gesetzt würde, werden verringert, und Schaden an
dem Einlaßventil 5 und dem Ventilsitz 4 wird minimiert.
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Das Hydraulikdruckentlastungsventil 62 ist angeordnet
zwischen einem Oberstromabschnitt 88a des
Auslaßöldurchgangs 88, der mit der Betriebsölkammer 70 in Verbindung
steht, und einem Unterstromabschnitt 88b des
Auslaßöldurchgangs 88, der mit der Reservoirkammer 86 in Verbindung
steht, wobei das Hydraulikdruckentlastungsventil 62 von der
Steuereinheit 12 gesteuert wird. Die
Hydraulikdruckentlastungseinheit 62 umfaßt ein in das Stützelement 63
eingefügtes Ventilgehäuse 90, ein Hauptventil 91, das
gleitverschieblich in das Ventilgehäuse 90 eingefügt ist,
um wahlweise Verbindung zwischen den Oberstrom- und
Unterstromabschnitten 88a, 88b des Auslaßöldurchgangs 88
zuzulassen und abzuschneiden, ein Servoventil 92 zum
Betreiben des Hauptventils 91 durch Steuern des
Gleichgewichts von auf den entgegengesetzten Oberflächen des
Hauptventils 91 anstehenden Hydraulikdrücken und ein
Solenoid 93 zum Stellen des Servoventils 92. Auferregung
und Entregung des Solenoids 93 werden von der Steuereinheit
12 gesteuert.
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Das Ventilgehäuse 90 umfaßt ein erstes mit einem Boden
versehenes Zylinderelement 94 und ein zweites mit einem
Boden versehenes Zylinderelement 95, das in das erste mit
einem Boden versehene Zylinderelement 94 eingeführt ist und
das mit einem offenen Ende dessen in Eingriff gelangen
kann, um dieses zu schließen. Das Ventilgehäuse 90 wird in
das Stützelement 63 in einer dichten Art und Weise
eingefügt. Ein Gehäuse 96 mit dem darin aufgenommenen Solenoid
93 wird in das Stützelement 63 geschraubt, und das
Ventilgehäuse 90 liegt zwischen dem Gehäuse 96 und dem
Stützelement 63.
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Das erste mit einem Boden versehene Zylinderelement 94 des
Ventilgehäuses 90 weist ein Hauptventil 97 auf, das in
dessen distalen Ende ausgebildet ist und mit dem
Oberstromabschnitt 88a des Auslaßöldurchgangs 88 in Verbindung
steht, und weist auch einen sich verjüngenden Ventilsitz 98
an einer Innenfläche dessen distalen Endes auf, der das
Hauptventilloch 97 umgibt. Das erste mit einem Boden
versehene Zylinderelement 94 beinhaltet darüberhinaus ein
Loch 99, das in einer Seitenwand davon ausgebildet ist, in
Verbindung mit dem Unterstromabschnitt 88b des
Auslaßöldurchgangs 88. Das Hauptventil 91 liegt in Form eines mit
einem Boden versehenen Hohlzylinders vor, der mit seinem
geschlossenen Ende auf den Ventilsitz 98 gesetzt werden kann. Das
Hauptventil 91 ist gleitverschieblich in das Ventilgehäuse
90 eingefügt und wird normalerweise in eine Richtung
gedrängt, damit es unter der Vorspannung einer Feder 101,
die zwischen dem Hauptventil 91 und dem zweiten mit einem
Boden versehenen Zylinderabschnitt 95 angeordnet ist, auf
dem Ventilsitz 98 sitzt. Wenn das Hauptventil 91 auf dem
Ventilsitz 98 sitzt, schneidet es die Verbindung zwischen
dem Hauptventilloch 97 und dem Loch 99 ab, und wenn das
Hauptventil 91 nicht auf dem Ventilsitz 98 sitzt, läßt es
die Verbindung zwischen diesen Löchern 97, 99 zu.
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Eine Öffnung 100 ist in dem distalen Ende, d.h.
geschlossenen Ende, des Hauptventils 91 ausgebildet. Wenn das
Hauptventil 91 auf dem Ventilsitz 98 sitzt und die Löcher
97, 99 von der Verbindung miteinander abhält, ist die
Frontoberfläche des Hauptventils 91 einer Kraft ausgesetzt,
die versucht, das Hauptventil 91 unter dem aus dem
Hauptventilloch 97 bereitgestellten Hydraulikdruck zu öffnen,
und die rückseitige Oberfläche des Hauptventils 91 ist
einer Kraft ausgesetzt, die versucht, das Hauptventil 91
unter dem aus der Öffnung 100 bereitgestellten
Hydraulikdruck und der Federkraft der Feder 101 zu schließen. Wenn
der an der rückseitigen Oberfläche des Hauptventils 91
wirkende Hydraulikdruck reduziert wird, wird die Kraft, die
das Hauptventil 91 zu öffnen versucht, größer als die
Kraft, die das Hauptventil 91 zu schließen versucht. Das
Hauptventil 91 wird aus dem Ventilsitz 98 gedrängt, wodurch
Verbindung zwischen dem Hauptventilloch 98 und dem Loch 99
zugelassen wird.
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Das zweite mit einem Boden versehene Zylinderelement 95
weist in ihrem distalen Ende ein Servoventilloch 102 auf,
um den Hydraulikdruck auf der rückseitigen Oberfläche des
Hauptventils 91 zu entlasten. Das Servoventilloch 102 kann
durch das Servoventil 92 geöffnet und geschlossen werden,
das gleitverschieblich in das zweite mit einem Boden
versehene Zylinderelement 95 eingefügt ist. Eine Feder 103
wirkt unter Kompression zwischen dem zweiten mit einem
Boden versehenen Zylinderelement 95 und dem Servoventil 92,
um das Servoventil 92 normalerweise in eine
Öffnungsrichtung zu zwingen. Das rückwärtige Ende des Servoventils 92
ist im Eingriff mit dem spitzen Ende einer Antriebsstange
104, die gleitverschieblich in das Gehäuse 96 eingefügt
ist. Die Antriebsstange 104 besitzt ein rückwärtiges, an
dem Anker 105 befestigtes Ende, das in Antwort auf
Entregung des Solenoids 93 zurückgezogen werden kann ( nach
rechts in Fig. 4). Der Anker 105 wird normalerweise unter
der Vorspannung einer zwischen dem Anker 105 und dem
Gehäuse 96 angeordneten Feder 106 in eine Vorwärtsrichtung
gedrängt (nach links in Fig. 4). Wenn das Solenoid 93
erregt wird, werden der Anker 105 und die Antriebsstange
104 zurückgezogen, um es der Feder 103 zu ermöglichen, das
Servoventil 92 und folglich das Servoventilloch 102 zu
öffnen.
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Die Antriebsstange 104 besitzt einen axial durch sie
hindurch ausgebildeten Durchgang 107, der mit dem
Servoventilloch 102 in Verbindung treten kann, wenn das Servoventil
92 geöffnet ist. Der Durchgang 107 steht mit einem in dem
rückwärtigen Ende des Gehäuses 96 ausgebildeten Durchgang
108 in Verbindung und ist mit dem Öltank 57 durch eine
Entlastungsröhre 109 gekoppelt (siehe Fig. 1).
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Das Hauptventil 91 des Hydraulikdruckentlastungsventils 62
kann durch Erregen des Solenoids 93 geöffnet werden, um das
Servoventil 92 zu öffnen, um den auf die rückwärtige
Oberfläche des Hauptventils 91 wirkenden Hydraulikdruck zu
entlasten. Wenn das Hauptventil geöffnet ist, kann der
Hydraulikdruck in der Betriebsölkammer 70 des
Hydraulikdruckstellmechanismus 61 in die Reservoirkammer 86
entlastet werden. Wenn das Hydraulikdruckentlastungsventil 62
geöffnet wird, während der Nockenkolben 67 des
Hydraulikdruckstellmechanismus 61 durch den Nocken 9 abgesenkt wird,
um das Einlaßventil 5 zu öffnen, wird der Hydraulikdruck in
der Betriebsölkammer 70 und der Dämpferkammer in die
Reservoirkammer 86 entlastet, folglich wird die abwärts
gerichtete Kraft eliminiert, die auf den Ventilkolben 65
angewendet wurde, woraufhin der Ventilkolben 65 und das
Einlaßventil 5 beginnen, unter der Vorspannung der
Ventilfeder 7 nach oben zu steigen, um das Schließen des
Einlaßventils 5 zu beginnen. Das Einlaßventil 5 beginnt deshalb,
sich zu schließen, bevor es völlig geöffnet ist. Durch
freie Wahl des Zeitpunkt, zu dem das
Hydraulikdruckentlastungsventil 62 geöffnet wird, kann der
Schließzeitpunkt des Einlaßventils 5 frei und einfach gewählt werden,
wie in Fig. 3B gezeigt.
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Wenn der Hydraulikdruck in der Betriebsölkammer 70
herabgesetzt wird, wird Hydraulikdruck aus der
Hydraulikdruckguelle 45 durch das Rückschlagventil 84 in die
Betriebsölkammer 70 zugeführt, um es dem Einlaßventil 5 zu erlauben,
in einem nächsten Zyklus ohne Fehler geöffnet zu werden.
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Wie oben beschrieben, kann der Öffnungszeitpunkt des
Einlaßventils 5 kontinuierlich und einfach durch das
Phasensteuermittel 10 gewählt werden, wie in Fig. 3A
gezeigt, Und der Schließzeitpunkt des Einlaßventils 5 oder
der Betrag dessen Hubs kann frei und einfach durch das
Hubsteuermittel 11 gewählt werden, wie in Fig. 3B gezeigt.
Deshalb kann der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils 5 und
der Schließzeitpunkt des Einlaßventils 5 oder der Betrag
dessen Hubs frei und einfach gesteuert werden, wie in Fig.
3C gezeigt. Der Betrieb des Einlaßventils 5 kann somit
abhängig von den Betriebszuständen der Maschine geeignet
gesteuert werden. Da die Menge an Ansaugluft und der
Zeitpunkt des Einführens der Ansaugluft einschließlich des
Zeitpunkts des völligen Schließens des Einlaßventils 5 frei
gesteuert werden können, ist es möglich, sogar auf das
Einlaßdrosselventil der Maschine zu verzichten, mit dem
Ergebnis, daß die Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad
arbeiten kann, da sie frei von den Problemen der
Pumpverluste ist, die anderenfalls durch das
Einlaßdrosselventil verursacht würden.
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Während die Betriebssteuerung eines Einlaßventils 5 in der
oberen Ausführungsform beschrieben wurde, ist die
vorliegende Erfindung auch auf die Betriebssteuerung eines
Auslaßventils anwendbar. Die erfindungsgemäße
Ventilbetriebssteuerung kann bei allen oder nur einem Teil der Ventile
jedes Zylinders und für alle oder nur einen Teil der
Zylinder verwendet werden.
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Die Vorrichtung zur Ventilbetriebssteuerung umfaßt ein
Phasensteuermittel, das zwischen der Kurbelwelle und der
Nockenwelle angeordnet ist, und ein Hubsteuermittel, das
zwischen dem Nocken und dem Einlaß- oder Auslaßventil
angeordnet ist. Folglich ist es durch Kombinieren des
Phasensteuermittels und des Hubsteuermittels möglich, den
Öffnungszeitpunkt der Einlaß- oder Auslaßventile und den
Schließzeitpunkt der Einlaß- oder Auslaßventile frei zu
steuern.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung, wenigstens in ihrer
bevorzugten Ausführungsform, eine Vorrichtung zur Steuerung
des Ventilbetriebs in einer Brennkraftmaschine bereit, um
den Öffnungszeitpunkt eines Einlaß- oder Auslaßventils zu
steuern und die Hubcharakteristika des Ventils einfach zu
steuern.