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Die
Erfindung betrifft eine Ventilhub-Steuervorrichtung für Einlassventile
von Verbrennungsmotoren.
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Es
sind verschiedene Vorschläge
gemacht worden, um die Öffnungssteuerzeit
des Einlassventils relativ zum oberen Totpunkt der Kolbenbewegung in
Abhängigkeit
von der Motordrehzahl zu ändern,
so dass die Ausgangseigenschaften des Motors über einen weiten Drehzahlbereich
verbessert werden können.
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Beispielsweise
ist nach der japanischen Patent-Offenlegungsschrift (Kokai)
Nr. 63-106310 eine Mehrzahl
von Nocken zum Erzeugen unterschiedlicher Steuerzeiten und Gesamthübe an einer
gemeinsamen Nockenwelle für
jeden Zylinder vorgesehen, und sie werden durch einzelne Kipphebel
betätigt,
die drehbar an einer gemeinsamen Kipphebelwelle gelagert sind. Benachbarte
dieser Kipphebel können
kollektiv miteinander verbunden werden, so dass die Ventilsteuerzeit
und der Gesamthub des entsprechenden Ventils stufenartig geändert werden
kann. Nach der japanischen Patent-Offenlegungsschrift (Kokai) Nr.
5-10161 kann die Phasenbeziehung
zwischen den Drehwinkeln der Nockenwelle und der Kurbelwelle stufenlos
geändert
werden. Die japanische Patentschrift (Kokoku) Nr.
5-43847 sowie die
US 5 031 583 zeigen Ventilhub-Steuervorrichtungen nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wenn
jedoch die Phasenbeziehung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle
bei jener Anordnung geändert
wird, bei der mehrere Nocken für
jeden Zylinder vorgesehen sind, um schließlich die Öffnungszeit und den Gesamthub
des Einlassventils zu ändern,
besteht die Möglichkeit,
dass sich der Kolben am oberen Totpunkt mit dem Einlassventil stören kann,
wenn die Steuerzeit und der Hub des Einlassventils nicht geeignet
gewählt
sind. Diese Störung kann
den Motor stark beschädigen
und sollte unter allen Umständen
vermieden werden. Wenn, wie in 12 gezeigt,
der Nockenhub relativ gering ist, kann sich das Einlassventil nicht
mit dem Kolben am oberen Totpunkt stören, auch wenn die Nockenphase vorverlagert
ist oder die Öffnungszeit
des Einlassventils vorverlagert ist. Wenn jedoch, wie in 13 gezeigt,
der Nockenhub relativ groß ist
und die Nockenphase oder die Öffnungszeit
des Einlassventils so weit vorverlagert ist, wie mit der durchgehenden
Linie gezeigt, kann sich das Einlassventil mit dem Kolben am oberen
Totpunkt stören.
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Die
DE 689 10 777 T2 beschreibt
eine Ventilhub-Steuervorrichtung auch für Motoreinlassventile. Ferner
wird dort bei Abnormalitäten
ein Ausfallsicherungsverfahren angewandt, das ein Anweisungssignal
zur Änderung
der Ventileinstellung ausgibt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Ventilhub-Steuervorrichtung für die Einlassventile von
Verbrennungsmotoren anzugeben, das gleichzeitig eine Vorverlagerung
der Ventilsteuerzeit und eine Zunahme des Ventilhubs erlaubt, ohne
die Störung
zwischen dem Einlassventil und dem Kolben zu riskieren.
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Erfindungsgemäß kann zumindest
eine dieser Aufgaben gelöst
werden durch eine gattungsgemäße Ventilhub-Steuervorrichtung
für Motoreinlassventile
mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Hierdurch
ist es möglich,
die Vorverlagerung der Öffnungszeit
des Motoreinlassventils nur dann zu begrenzen, wenn ein großer Ventilhub
gewählt
ist, und die Vorverlagerung der Ventilsteuerzeit zu begrenzen, die
eine Störung
zwischen dem Motorventil und dem Kolben verursachen kann. Der Ventilhub wird
anderweitig optimiert, und die maximale Leistung des Motors kann
unter allen möglichen
Umständen
erreicht werden. Denkbar ist es auch, den Ventilhub dann zu begrenzen,
wenn die Ventilsteuerzeit am meisten vorverlagert ist, um den gleichen
Effekt zu erreichen. Jedoch ist die Ventilsteuerzeit zur schnellen
und feinen Einstellung besser geeignet als der Ventilhub.
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Diese
Anordnung kann entweder elektronisch oder auch mechanisch realisiert
werden. Zugunsten einer maximalen Zuverlässigkeit des Systems ist es
jedoch bevorzugt, sowohl elektronische als auch mechanische Anordnungen
zum Begrenzen des Ventilhubs vorzusehen. Bei einer elektronischen Anordnung
umfasst das Begrenzungsmittel einen Computer, der mit einer programmierten
Sperrroutine versehen ist, um die Vorverlagerung der Öffnungszeit des
Motorventils zu begrenzen, wenn die erste Ventilsteuereinheit einen
großen
Ventilhub gewählt
hat. Bei einer mechanischen Anordnung umfasst das Begrenzungsmittel
eine mechanische Anordnung, die die Vorverlagerung der Öffnungszeit
des Motoreinlassventils mechanisch verhindert, wenn die erste Ventilsteuereinheit
einen großen
Ventilhub gewählt hat.
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Weil
die Aktivierung des Begrenzungsmittels nur dann stattfindet, wenn
die erste Ventilsteuereinheit aktiviert ist und das System im Hochdrehzahlmodus
ist, und wenn die ersten und zweiten Ventilsteuereinheiten mit hydraulischen
Aktuatoren zum selektiven Ändern
des Ventilhubs bzw. der Ventilsteuerzeit versehen sind, umfasst
das Begrenzungsmittel bevorzugt ein Solenoidventil, welches selektiv
einen Hydraulikdruck von der ersten Ventilsteuereinheit zu der zweiten
Ventilsteuereinheit leitet, um das Begrenzungsmittel zu aktivieren.
Diese Anordnung vereinfacht den Hydraulikkreislauf.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung
umfasst die zweite Ventilsteuereinheit einen Proportionalaktuator,
der eine im Wesentlichen kontinuierliche Verlagerung eines beweglichen
Elements entsprechend einem Tastverhältnis eines einem Solenoidventil
zugeführten
elektrischen Stroms bewirken kann, um einen dem Proportionalaktuator
zugeführten
Hydraulikdruck zu steuern, und wobei das Begrenzungsmittel einen
Anschlagstift aufweist, der, unter dem von der ersten Ventilsteuereinheit
zugeführten
Hydraulikdruck, mit dem beweglichen Element innerhalb vorbestimmter
Bewegungsgrenzen in Eingriff tritt. Dies ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb
und eine einfache Struktur.
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Zugunsten
einer kompakten Ausführung
der zweiten Ventilsteuereinheit umfasst der Proportional-Aktuator
bevorzugt einen Drehaktuator, der zwischen einer Nockenwelle und
einem Zahnrad zur Betätigung
der Nockenwelle angeordnet ist. Zugunsten einer kompakten und zuverlässigen Konstruktion
der ersten Ventilsteuereinheit kann die erste Ventilsteuereinheit
zumindest zwei Nocken aufweisen, die für jeden Zylinder vorgesehen
sind, zumindest zwei Kipphebel, die unabhängig voneinander an die Nocken
angreifen, sowie einen hydraulisch betätigten Stift in einem Führungsloch,
das quer über
die Kipphebel hinwegläuft,
wobei einer der Kipphebel, der einem der Nocken mit einem relativ
kleinen Nockenhub zugeordnet ist, dazu ausgelegt ist, direkt das
Motoreinlassventil zu betätigen,
der andere der Kipphebel jedoch nicht, wodurch das Motoreinlassventil
entsprechend einem Nockenhub eines gewählten der Nocken in Abhängigkeit
von einer Stellung des Stifts betätigt wird.
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Die
Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Transparentansicht eines Motors, der mit einer Einlassventilhub-Steuervorrichtung
ausgestattet ist;
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2 schematisch
die Ventilnocken, Kipphebel und Einlassventile im Niederdrehzahlmodus;
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3 schematisch
die Ventilnocken, Kipphebel und Einlassventile im Hochdrehzahlmodus;
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4 einen
Schnitt durch die zweite Ventilsteuereinheit;
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5 einen
Schnitt entlang Linie V-V von 4;
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6 eine
teilweise weggebrochene Vorderansicht des Zylinderkopfs;
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7 eine
Schnittansicht eines zweiten Öldrucksteuerventils;
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8 einen
ersten Teil eines Flussdiagramms der Routine zur Berechnung der
Soll-Nockenphase;
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9 und 10 zweite
und dritte Teile des Flussdiagramms;
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11 eine
graphische Darstellung des Kennfelds zum Abfragen des Wassertemperatur-Kompensationskoeffizienten
aus der Kühlwassertemperatur;
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12 eine
Graphik der Bewegungen des Kolbens und der Einlassventile relativ
zum Kurbelwellendrehwinkel im Niederdrehzahlmodus; und
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13 eine
Graphik der Bewegungen des Kolbens und der Einlassventile relativ
zum Kurbelwellendrehwinkel im Hochdrehzahlmodus.
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1 zeigt
einen Reihen-Vierzylindermotor mit doppelter oben liegender Nockenwelle,
der mit einer Ventilhub-Steuervorrichtung ausgestattet ist. Der Zylinderkopf
dieses Motors E umfasst, für
jeden Zylinder, ein Paar von Einlassventilen 2, die durch
eine Einlassnockenwelle 1 betätigt werden, sowie ein Paar
von Auslassventilen 4, die durch eine Auslassnockenwelle 3 betätigt werden.
Eine erste Ventilsteuereinheit 5 ist zwischen den zwei
Einlassventilen 2 vorgesehen, um den Ventilhub und den
Ventilöffnungs-Winkelabstand der
entsprechenden Ventile nach Maßgabe
der Drehzahl des Motors E zu ändern.
Eine weitere erste Ventilsteuereinheit 5 ist zwischen den
zwei Auslassventilen 4 vorgesehen, um in ähnlicher
Weise den Ventilhub und den Ventilöffnungswinkelabsand der entsprechenden
Auslassventile 4 zu ändern.
Eine zweite Ventilsteuereinheit 6 ist an einem axialen
Ende der Einlassnockenwelle 1 vorgesehen, um die Öffnungszeiten
der Einlassventile 2 zu ändern.
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Eine
Kurbelwelle 9 des Motors E ist mit vier Kolben 8 über Pleuelstangen 7 verbunden.
Die Einlassnockenwelle 1 und die Auslassnockenwelle 3 sind
mit der Kurbelwelle 9 über
einen Ketten/Ritzelmechanismus 10 derart verbunden, dass
sich die Nockenwellen 1 und 3 mit der halben Drehzahl
der Kurbelwelle 9 drehen.
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Im
Folgenden wird die erste Ventilsteuereinheit 5 anhand der 2 und 3 erläutert. Die
ersten Ventilsteuereinheiten 5 für die Einlassventile 2 und
die Auslassventile 4 sind zueinander identisch, und im
Folgenden wird nur diejenige für
die Einlassventile 2 beschrieben.
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Zu 2.
Die Einlassnockenwelle 1 ist integral mit einem Paar von
Niederdrehzahlnocken 11a und 11b für einen
relativ kleinen Öffnungswinkelabstand
und -hub versehen, sowie einem einzelnen Hochdrehzahlnocken 12 für einen
relativ großen Öffnungswinkelabstand
und -hub, der sich zwischen den zwei Niederdrehzahlnocken 11a und 11b befindet.
Eine Kipphebelwelle 13 erstreckt sich parallel zu der Einlassnockenwelle 1 unter
dieser und trägt
drehbar drei Kipphebel 14a, 15 und 14b,
die nebeneinander angeordnet sind und unabhängig voneinander Kippbewegungen
ausführen
können.
Diese Kipphebel 14a, 15 und 14b sind
ausgelegt, um durch die entsprechenden Nocken 11a, 12 und 11b betätigt zu werden.
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Die
Niederdrehzahlkipphebel 14a und 14b, die durch
die Niederdrehzahlnocken 11a und 11b betätigt werden,
sind identisch geformt, und jeder stützt ein Schaftende des entsprechenden
Einlassventils 2, das normalerweise durch eine in der Zeichnung
nicht dargestellte Druckschraubenfeder in Schließrichtung vorgespannt wird.
Der Hochdrehzahlkipphebel 15, der durch den Hochdrehzahlnocken 12 betätigt wird, wird
durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Federelement immer
mit dem Hochdrehzahlnocken 12 in Eingriff gehalten. Die
drei Kipphebel 14a, 15 und 14b sind innenseitig
mit einem selektiven Kupplungsmechanismus versehen, um selektiv
einen Niederdrehzahlmodus vorzusehen, in dem die Kipphebel unabhängig voneinander
bewegt werden können, und
einen Hochdrehzahlmodus, in dem die Kipphebel zur gemeinsamen Bewegung
miteinander gekoppelt sind.
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Zu 2.
Der Niederdrehzahlnocken 14a an der linken Seite ist mit
einem ersten Führungsloch 16 versehen,
das sich parallel zur Axiallinie der Kipphebelwelle 13 erstreckt
und sich zum Hochdrehzahlnocken 15 hin öffnet, und ein erster selektiver
Kupplungsstift 17 ist in dem ersten Führungsloch 16 aufgenommen.
Das andere Ende des ersten Führungslochs 16 ist
geschlossen. Der Hochdrehzahlkipphebel 15 ist mit einem
zweiten Führungsloch 18 versehen,
das sich quer durch den Hochdrehzahlkipphebel 15 erstreckt
und mit dem ersten Führungsloch 16 fluchtet,
wenn der Hochdrehzahlkipphebel 15 in einer Ruhestellung
ist oder wenn die Nockengleitfläche
am Grundkreis des Hochdrehzahlnockens 12 angreift. Ein
zweiter selektiver Kupplungsstift 19 ist in dem zweiten
Führungsloch 18 aufgenommen,
dessen eines Ende sich an einem Ende des ersten selektiven Kupplungsstifts 17 abstützt. Der
Niederdrehzahlkipphebel 14b an der rechten Seite ist mit
einem dritten Führungsloch 20 versehen,
das ähnlich
dem ersten Führungsloch 16 ist,
jedoch mit der Umgebung durch eine relativ kleine Öffnung in
Verbindung steht, die sich am vom Hochdrehzahlkipphebel 15 entfernten Ende
befindet. In dem dritten Führungsloch 20 ist
ein Anschlagstift 21 aufgenommen, dessen eines Ende sichu
am anderen Ende des zweiten selektiven Kupplungsstifts 18 abstützt. Der
Anschlagstift 21 wird durch eine Druckfeder 22,
die sich zwischen dem anderen Ende des Anschlagstifts 21 und
dem Bodenende des dritten Führungslochs 20 befindet,
normalerweise zum Hochdrehzahlkipphebel 15 vorgespannt.
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Die
Kipphebelwelle 13 ist innenseitig mit einem Paar von Ölpassagen 23a und 23b versehen, um
aus einer Ölwanne
angesaugtes Schmieröl
zuzuführen.
Eine der Passagen 23a steht mit dem Bodenende des ersten
Führungslochs 16 in
Verbindung, und die andere Passage 23b steht mit Passagen
(in der Zeichnung nicht dargestellt) in Verbindung, um Shmieröl zunächst den
Kipphebeln 14a, 15 und 14b und dann zu
den Berührungsflächen der
jeweiligen Nocken 11a, 12 und 11b sowie
den Nockenlagern zuzuführen.
Der selektive Kupplungsemchanismus umfasst ein elektromagnetisches
Solenoidventil (in der Zeichnung nicht dargestellt) zum Steuern
des Öldrucks,
der von der Ölpassage 23a zu
dem ersten selektiven Kupplungsstift 17 geleitet wird,
der in dem ersten Führungsloch 16 aufgenommen
ist. Das Steuersignal wird von einer elektronischen Steuereinheit entsprechend
dem Betriebszustand des Motors erzeugt.
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Im
Niederdrehzahlmodus wird kein Öldruck dem
ersten selektiven Kupplungsstift 17 zugeführt. Daher
sind die drei Stifte 17, 19 und 21 vollständig in den
entsprechenden Führungslöchern 16, 18 und 20 aufgenommen,
und zwar unter der Federkraft der Druckschraubenfeder 22 (2),
so dass die Kipphebel 14a, 15 und 14b sich
unabhängig
voneinander bewegen können.
Anders gesagt, der Hochdrehzahlkipphebel 15, der durch
den Hochdrehzahlnocken 12 betätigt wird, beeinflusst die
anderen Kipphebel 14a und 14b nicht, und die zwei
Einlassventile 2 werden gleichzeitig durch die Niederdrehzahlkipphebel 14a und 14b betätigt, die
wiederum durch die Nockenprofile der Niederdrehzahlnocken 11a und 11b betätigt werden.
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Im
Hochdrehzahlmodus wird dem ersten selektiven Kupplungsstift 17 Öldruck zugeführt. Daher werden,
wie in 3 gezeigt, der zweite selektive Kupplungsstift 19 und
der Anschlagstift 21 gegen die Federkraft der Druckschraubenfeder 22 zurückgedrückt, so
dass die Stifte 17 und 19 die entsprechenden Führungslochpaare
queren, während
der Anschlagstift 21 tief in das dritte Führungsloch 20 hineingedrückt wird.
Die drei Kipphebel 14a, 15 und 14b werden
somit fest aneinander gehalten, und die zwei Einlassventile 2 werden
gleichzeitig durch das Nockenprofil des mittleren Hochdrehzahlnockens 12 betätigt, das
allgemein höher
ist als die Nockenprofile der Niederdrehzahlnocken 11a und 11b.
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Die
zweite Ventilsteuereinheit 6, die mit dem axialen Ende
der Einlassnockenwelle 1 versehen ist, wird im Folgenden
anhand der 4 und 5 beschrieben.
Die zweite Ventilsteuereinheit 6 umfasst einen Außenrotor 25,
der drehfest mit einem Nockenritzel 24 ist, um das die
Steuerkette herumgelegt ist, und einen Innenrotor 28, der
integral an der Einlassnockenwelle 1 durch einen Stift 26 und
einen Gewindebolzen 27 mit einem vergrößerten Kopf angebracht ist.
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Der
Außenrotor 25 umfasst
einen allgemein topfförmigen
Nockenritzelabschnitt 29, an dessen Außenumfang Ritzelzähne 24 ausgebildet
sind, sowie eine Außenplatte 30,
die auf das offene Ende des topfförmigen Nockenritzelabschnitts 29 oder
das axiale Außenende
des Ritzelabschnitts 29 aufgesetzt ist, sowie ein ringförmiges Gehäuse 31,
das innerhalb des topfförmigen
Nockenritzelabschnitts 29 aufgenommen ist. Diese Komponenten
des Außenrotors 25 sind
integral miteinander durch eine Mehrzahl von Gewindebolzen 32 verbunden,
die axial durch den Außenrotor 25 hindurchgehen.
Ein axiales Ende der Einlassnockenwelle 1 ist in einem
Tragloch 33 aufgenommen, das zentral in der Bodenwand des
Nockenritzelabschnitts 29 vorgesehen ist. Der Innenrotor 28, der
integral an der Einlassnockenwelle 1 angebracht ist, ist
drehbar innerhalb des Gehäuses 31 aufgenommen.
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Das
ringförmige
Gehäuse 31 ist
innenseitig mit vier sektorförmigen
Vertiefungen 34 versehen, die durch vier einwärts gerichtete
Flügel
definiert sind und die konzentrisch um die axiale Mitte der Einlassnockenwelle 1 herum
angeordnet sind. Die vier Flügel 35 stehen
radial von der Außenumfangsfläche des
Innenrotors 28 vor und sind in den jeweiligen Vertiefungen 34 aufgenommen,
so dass sie über
einen vorbestimmten Winkel A (zum Beispiel 30 Grad) beweglich sind.
Daher ist eine Vorveriagerungswinkelkammer 36 zwischen
einer Seite jedes Flügels 35 und
der gegenüberliegenden
Wand der entsprechenden Vertiefung 34 definiert, und eine
Verzögerungswinkelkammer 37 ist
zwischen der anderen Seite des Flügels 35 und der gegenüberliegenden
Wand der entsprechenden Vertiefung 34 definiert. Das radiale Außenende
jedes Flügels 35 ist
mit einem Dichtungselement 38 versehen, das an die gegenüberliegende Innenumfangsfläche der
entsprechenden Vertiefung 34 angreift. Die Innenumfangsfläche jedes
einwärts gerichteten
Flügels
des Gehäuses 31 ist
mit einem Dichtungselement 39 versehen, das an die Außenumfangsfläche des
Innenrotors 28 angreift.
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Die
Einlassnockenwelle 1 ist an ihrem axialen Ende innenseitig
mit einer Vorverlagerungswinkel-Ölpassage 40 und
einer Verzögerungswinkel-Ölpassage 41 versehen.
Die Vorverlagerungswinkel-Ölpassage 40 steht
mit den vier Vorverlagerungswinkelkammern 36 über vier Ölpassagen 42 in
Verbindung, die radial durch den Innenrotor 28 hindurchgehen,
und die Verzögerungswinkel-Ölpassage 41 steht
mit den vier Verzögerungswinkelkammern 37 über vier Ölpassagen 43 in
Verbindung, die radial durch den Innenrotor 28 hindurchgehen.
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Einer
der Flügel 35a des
Innenrotors 28 ist mit einer axial hindurchgehenden Stiftbohrung 44 versehen,
die einen Anschlagstift 45 mit vergrößertem Kopf aufnimmt. Das freie
Ende des Anschlagstifts 45, entfernt von dem Kopf, ist
zur Aufnahme eines bogenförmigen
Schlitzes 46 ausgelegt, der in der Bodenwand des Nockenritzelabschnitts 29 ausgebildet
ist, und wird von dem bogenförmigen
Schlitz 46 durch eine Feder 47 weg vorgespannt,
die zwischen einer in der Bodenwand des Innenrotors 28 gebildeten
Schulter und dem vergrößerten Kopf
des Anschlagstifts 45 angeordnet ist. Anders gesagt, der Anschlagstift 45 wird
von dem bogenförmigen
Schlitz 46 weg gespannt, so dass er vollständig innerhalb des
Flügels 35a aufgenommen
ist.
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Der
Winkelbereich (in 5 mit B bezeichnet) des bogenförmigen Schlitzes 46 ist
derart definiert, dass die Einlassventile 2 sich nicht
mit dem Kolben 8 an dessen oberem Totpunkt stören, wenn
die Einlassventile 2 durch den Hochdrehzahlnocken 12 um
einen großen
Hub geöffnet
werden und die Einlassnockenwelle 1 weitestmöglich vorverlagert
ist (zum Beispiel 20 Grad).
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Der
Innenrotor 28 ist mit einer Ölpassage 48 versehen,
um den Öldruck
zuzuführen,
der den Anschlagstift 45 niederdrückt. Diese Ölpassage 48 steht mit
der Innenseite der Stiftbohrung 44 von der Innenumfangsfläche des
Lochs 49 zur Aufnahme des vergrößerten Kopfs des Gewindebolzens 27 in
Verbindung. Eine Ölpassage 50 erstreckt
sich von der Mitte der Einlassnockenwelle 1 axial in den
Schaft dieses Gewindebolzens 27 und radial durch den vergrößerten Kopf
des Gewindebolzens 27.
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Der Öldruck zur
Betätigung
der Flügel 35 wird
der Vorverlagerungswinkel-Ölpassage 40 und der
Verzögerungswinkel-Ölpassage 41 durch Ölpassagen 53 und 54 zugeführt, die
in einem Nockenhalter 51 und einer Lagerkappe 52 vorgesehen
sind. Der Öldruck
zur Betätigung
des Anschlagsstifts 45 wird aus einer Ölpassage 57 zugeführt, die
in einem anderen Nockenhalter 55 und einer entsprechenden
Lagerkappe 56 vorgesehen ist, sowie von einer Ölpassage 58,
die zentral in der Einlassnockenwelle 1 vorgesehen ist.
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Der Öldruckkreis
für die
ersten und zweiten Ventilsteuereinheiten 5 und 6 wird
im Folgenden anhand von 6 beschrieben.
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Das
aus der Ölwanne
durch eine Ölpumpe gesaugte Öl wird einem
stromaufwärtigen
Abschnitt 62 einer in dem Zylinderkopf 61 vorgesehenen Ölpassage
als Schmieröl
für den
Ventilbetätigungsmechanismus
zugeführt,
und als Betätigungsöl für die ersten
und zweiten Ventilsteuereinheiten 5 und 6. Der stromaufwärtige Abschnitt 62 verzweigt
sich in eine Ölpassage 63 zur Öldruckversorgung
der ersten Ventilsteuereinheit 5 sowie eine weitere Ölpassage 64 zur Öldruckversorgung
der zweiten Ventilsteuereinheit 6. Diese Ölpassagen
zur Öldruckversorgung sind
entweder durch Gießen
oder Bohren in der Wand des Zylinderkopfs 61 ausgebildet, ähnlich wie die Ölpassagen
zur Schmierung der Nockenwellen und der Kipphebelwellen.
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Ein
Mittelteil der Passage 63 zur Öldruckversorgung der ersten
Ventilsteuereinheiten 5 ist mit einem ersten Öldrucksteuerventil 65 versehen,
um, entsprechend dem Betriebszustand des Motors, selektiv den Öldruck der Öldruckzufuhrpassage 23b in der
Kipphebelwelle 13 zuzuführen.
In einem mittleren Abschnitt der Ölpassage 64 zur Öldruckversorgung der
zweiten Ventilsteuereinheit 6 ist ein zweites Öldrucksteuerventil 66 vorgesehen,
um die Richtung und Rate des Ölflusses
kontinuierlich zu steuern.
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Zu 7.
Das zweite Öldrucksteuerventil 66 umfasst
eine zylindrische Hülse 68,
die in eine im Zylinderkopf 61 gebildete zylindrische Bohrung 67 eingesetzt
ist, ein Tastverhältnis-Solenoid 70,
das fest an der Hülse 68 angebracht
ist, zur Betätigung
eines Ventilschiebers 69, sowie eine Feder 71 zum
federnden Vorspannen des Ventilschiebers 69 zum Tastverhältnis-Solenoid 70 hin.
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Die
Hülse 68 enthält eine
zentrale Eingangsöffnung 72,
eine Vorverlagerungswinkelöffnung 73 und
eine Verzögerungswinkelöffnung 74,
die beiderseits der Eingangsöffnung 72 ausgebildet
sind, sowie ein Paar von Ablassöffnungen 75 und 76,
die beiderseits des Vorverlagerungswinkeleingangs 73 und
des Verzögerungswinkeleingangs 74 vorgesehen
sind. Der in der Hülse 68 aufgenommene
Ventilschieber 69 umfasst eine ringförmige zentrale Nut 77,
ein Paar ringförmiger
Ansätze 78 und 79 beiderseits
der zentralen Nut 77, sowie ein Paar von Nuten 80 und 81 beiderseits
dieser Ansätze 78 und 79.
Die Eingangsöffnung 72 ist
mit dem stromaufwärtigen
Abschnitt 62 der Ölpassage über einen Ölfilter 82 verbunden,
und die Vorverlagerungswinkelöffnung 73 ist
mit den Vorverlagerungswinkelkammern 46 der zweiten Ventilsteuereinheit 6 verbunden,
während
die Verzögerungswinkelöffnung 74 mit
den Verzögerungswinkelkammern 37 der
zweiten Ventilsteuereinheit 6 verbunden ist.
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Die
ersten und zweiten Öldrucksteuerventile 65 und 66 werden
unabhängig
von einer elektronischen Steuereinheit U gesteuert, und diese erhält von einem
Nockenphasensensor 83 ein Phasensignal, das den Phasenwinkel
der Einlassnockenwelle 1 darstellt, ein Oberer-Totpunkt-Signal
von einem Oberer-Totpunkt-Sensor 84 auf der Basis des Phasenwinkels
der Auslassnockenwelle 3, ein Kurbelwellenphasensignal
von einem Kurbelphasensensor 85, ein Einlassunterdrucksignal
von einem Einlassunterdrucksensor 86, eine Kühlwassertemperatur
von einem Kühlwassertemperatursensor 87,
ein Drosselöffnungswinkelsignal
von einem Drosselöffnungswinkelsensor 88 sowie
ein Motordrehzahlsignal von einem Motordrehzahlsensor 89.
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Die
Berechnungsroutine zum Berechnen einer Soll-Nockenphase für die zweite
Ventilsteuereinheit 6 wird im Folgenden anhand der 8 bis 10 beschrieben.
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Zuerst
wird bestimmt, ob der Motor E in einem Startmodus ist (Schritt 1).
Wenn der Motor in dem Startmodus ist, wird ein Nockenphasensteuer-Sperrtimer (z.B.
fünf Sekunden)
gesetzt (Schritt 2), um eine Nockenphasensteuerung zu hemmen, bis
die Zeit dieses Timers ausläuft.
Dann wird ein Verzögerungstimer
zum Verzögern
der Aktivierung der zweiten Ventilsteuereinheit 6 (z. B.
0,5 Sekunden) gesetzt (Schritt 3), und es wird ein Nockenphasen-Sollwert
auf null gesetzt (Schritt 4), und es wird ein Nockenphasensteuer-Freigabeflag
auf "0" (Sperren) gesetzt
(Schritt 5).
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Wenn
in Schritt 1 bestimmt wird, dass der Motor E läuft und
anstelle des Startmodus ein Normalmodus vorliegt und in Schritt 6 der
Nockenphasensteuer-Sperrtimer abgelaufen ist, dann wird bestimmt,
ob die zweite Ventilsteuereinheit 6 fehlerhaft ist oder
nicht (Schritt 7). Wenn sich in Schritt 7 herausstellt,
dass die zweite Ventilsteuereinheit 6 richtig arbeitet,
dann wird bestimmt, ob in dem System irgendein anderer Fehler vorliegt
(Schritt 8). Wenn sich in Schritt 8 herausstellt,
dass kein solcher Fehler vorliegt, dann wird bestimmt, ob der Motor
leer läuft
oder nicht (Schritt 9). Wenn in Schritt 9 der
Motor leer läuft, dann
wird bestimmt, ob die Kühlwassertemperatur
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (beispielsweise von 0°C bis 110°C) liegt
oder nicht (Schritt 10). Wenn sich herausstellt, dass die
Kühlwassertemperatur
in dem vorbestimmten Bereich liegt, wird bestimmt, ob die Motordrehzahl
unter einem vorbestimmten Schwellenwert (z.B. 1500 UpM) liegt oder nicht
(Schritt 11). Wenn sich herausstellt, dass die Motordrehzahl über diesem
Schwellenwert liegt, geht der Programmfluss zu Schritt 12 weiter,
um die zweite Ventilsteuereinheit 6 zu aktivieren.
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Wenn
in Schritt 6 der Nockenphasensteuer-Sperrtimer nicht abgelaufen
ist, wenn in Schritt 7 ein Fehler der zweiten Ventilsteuereinheit 6 erfasst wird,
wenn in Schritt 8 ein anderer Fehler erfasst wird, wenn
in Schritt 9 der Motor E leer läuft, wenn in Schritt 10 die
Kühlwassertemperatur
außerhalb
des vorbestimmten Bereichs liegt oder wenn in Schritt 11 die
Drehzahl des Motors unter dem Schwellenwert liegt, dann geht der
Programmfluss zu den Schritten 3 bis 5 weiter,
worin die Aktivierung der zweiten Ventilsteuereinheit 6 gehemmt
wird.
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In
Schritt 12 wird bestimmt, ob die ersten Ventilsteuereinheiten 5 in
einem Hochdrehzahlmodus oder einem Niederdrehzahlmodus sind. Wenn sich
herausstellt, dass die ersten Ventilsteuereinheiten 5 im
Niederdrehzahlmodus sind, wird ein Nockenphasen-Sollwert aus einem
dem Niederdrehzahlmodus entsprechenden Kennfeld abgefragt (Schritt 13). Wenn
sich hingegen herausstellt, dass die ersten Ventilsteuereinheiten 5 im
Hochdrehzahlmodus sind, wird ein Nockenphasen-Sollwert aus einem
dem Hochdrehzahlmodus entsprechenden Kennfeld abgefragt (Schritt 14).
Der aus dem Kennfeld abgefragte Wert wird als gegenwärtiger Nockenphasen-Sollwert gewählt (Schritt 15).
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Dann
wird erneut bestimmt, ob die ersten Ventilsteuereinheiten 5 im
Hochdrehzahlmodus oder im Niederdrehzahlmodus sind (Schritt 16).
Wenn der Hochdrehzahlmodus erfasst wird, dann wird bestimmt, ob
der in Schritt 15 abgefragte gegenwärtige Nockenphasen-Sollwert
größer als
ein bestimmter Grenzwert (z.B. 20 Grad Drehwinkel der Einlassnockenwelle 1)
ist oder nicht (Schritt 17). Wenn sich herausstellt, dass
der gegenwärtige
Nockenphasen-Sollwert größer als
der Grenzwert ist, dann wird der gegenwärtige Nockenphasen-Sollwert
durch den Grenzwert ersetzt (Schritt 18). Dieser Prozess
verhindert elektrisch eine übermäßige Winkelvorverlagerung
der Einlassnockenwelle im Hochdrehzahlmodus, der einen relativ hohen
Ventilhub hat, und verhindert hierdurch, dass sich die Einlassventile 2 mit dem
Kolben 8 stören.
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Wenn
dann in Schritt 16 der Niederdrehzahlmodus erfasst wird,
wenn in Schritt 17 der Sollwert unter dem Grenzwert liegt
oder wenn in Schritt 18 der Sollwert auf den Grenzwert
reduziert ist, wird der vorhergehende Nockenphasen-Sollwert vom
gegenwärtigen
Nockenphasen-Sollwert subtrahiert, und der Absolutwert dieser Differenz
wird mit einem vorbestimmten Nockenphasen-Korrekturgrenzwert (z.B. zwei
Grad Kurbelwellenwinkel) verglichen (Schritt 19). Wenn
die Beziehung "gegenwärtiger Wert – vorheriger
Wert < Grenzwert" vorliegt, oder anders
gesagt, der Absolutwert der Differenz relativ klein ist, wird der
gegenwärtige
Nockenphasen-Sollwert durch den in Schritt 15 oder Schritt 18 erhaltenen
Sollwert ersetzt (Schritt 20).
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Wenn
hingegen der Absolutwert der Differenz relativ groß ist, wird
in Schritt 21 das Vorzeichen der Differenz bestimmt. Wenn
die Beziehung "Differenz > 0" vorliegt, oder wenn die Differenz in
Schritt 21 positiv ist, wird der gegenwärtige Nockenphasen-Sollwert
als Summe des vorhergehenden Nockenphasen-Sollwerts und des Nockenphasen-Korrekturgrenzwerts
angegeben, um die Nockenphase stufenweise vorzuverlagern (Schritt 22).
Wenn die Beziehung "Differenz > 0" nicht vorliegt, oder wenn die Differenz
in Schritt 21 negativ ist, wird der gegenwärtige Nockenphasen-Sollwert
als der vorhergehende Nockenphasen-Sollwert minus den Nockenphasen- Korrekturgrenzwert
angegeben, um die Nockenphase stufenweise zu verzögern (Schritt 23).
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Wenn
die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Nockenphasen-Sollwert
und dem vorhergehenden Nockenphasen-Sollwert in den Schritten 19 bis 23 den
Nockenphasen-Korrekturgrenzwert überschritten
hat, wird nicht erlaubt, dass der Nockenphasen-Sollwert um mehr
als den Nockenphasen-Korrekturgrenzwert
erhöht
oder verkleinert wird, um ein Überschießen der
Regelung durch schnelle Änderung
der Nockenphase zu verhindern. Dies verhindert ferner die Durchführung einer
unnötigen Änderung
der Nockenphase, beispielsweise dann, wenn die Motordrehzahl scharf
zunimmt und schnell auf den ursprünglichen Wert reduziert wird,
wie etwa dann, wenn ein Getriebeschaltvorgang stattfindet.
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Danach
wird der Nockenphasen-Sollwert durch Multiplikation mit einem Kühlwassertemperatur-Kompensationskoeffizienten
korrigiert (Schritt 24). Der Kühlwassertemperatur-Kompensationskoeffizient
kann als "1" gewählt werden,
wenn die Wassertemperatur über
einem vorbestimmten Wert liegt, und linear mit dem Abfall der Wassertemperatur
abnehmen, wie in 11 gezeigt.
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Wenn
der gegenwärtige
Nockenphasen-Sollwert nicht viel größer als der Standardwert oder
der am meisten verzögerte
Wert (z.B. drei bis fünf
Grad Kurbelwellenwinkel) ist, wäre
es wünschenswert,
die Nockenphasen-Steuerung
unter diesen Umständen
auszusetzen, da die entsprechende Steuerwirkung keine signifikante Änderung
der Motorleistung erzeugen würde
und lediglich die Stabilität des
Steuerprozesses beeinträchtigen
könnte.
Aus diesem Grund wird die Höhe
des gegenwärtigen
Nockenphasen-Sollwerts relativ zu dem am meisten verzögerten Phasenzustand
mit einem Minimalwert zur Durchführung
eines Steuerbetriebs verglichen (Schritt 25). Wenn der
gegenwärtige
Nockenphasen-Sollwert kleiner als der Minimalwert zur Durchführung eines Steuerbetriebs
ist (typischerweise dann, wenn der Motor unmittelbar nach Abschluss
eines Leerlaufzustands im Niederlastzustand läuft), sollte kein Steuerbetrieb
erfolgen, wie oben diskutiert, und das Programm geht zu den Schritten 3 bis 5 weiter,
um hierdurch die Aktivierung der zweiten Ventilsteuereinheit 6 zu
hemmen.
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Wenn
hingegen der gegenwärtige
Nockenphasen-Sollwert größer als
der Minimalwert zur Durchführung
eines Steuerbetriebs in Schritt 25 ist, wird, nach dem
Abwarten des Ablaufs eines zweiten Ventilsteuer-Verzögerungstimers
in Schritt 26, das Ventilsteuer-Freigabeflag in Schritt 27 auf "1" gesetzt, um die Aktivierung der zweiten
Ventilsteuereinheit 6 freizugeben. Der zweite Ventilsteuer-Verzögerungstimer
ist zu dem Zweck vorgesehen, ein Pendeln des Steuerbetriebs zu vermeiden,
wenn in Schritt 26 die Wahl zwischen dem Startmodus und
dem Normalmodus erfolgt.
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Durch
Tastverhältnissteuerung
des Stroms, der dem Tastverhältnis-Solenoid 70 des
zweiten Öldrucksteuerventils 66 zugeführt wird,
gemäß dem Nockenphasen-Sollwert,
der wie oben bestimmt ist, kann die Axialstellung des in der Hülse 68 aufgenommenen
Ventilschiebers 69 stufenlos gesteuert werden. Im Folgenden
wird der Betriebsmodus der zweiten Ventilsteuereinheit 6 beschrieben.
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Wenn
der Motor E gestartet wird und die Ölpumpe sich dreht, wird der Öldruck über das
zweite Öldrucksteuerventil 66 der
Vorverlagerungswinkelkammer 36 zugeführt. Wenn aus diesem Zustand heraus
das Tastverhältnis
des dem Tastverhältnis-Solenoid 70 zugeführten elektrischen
Stroms geeignet erhöht
wird, bewegt sich der Ventilschieber 69 über die
Neutralstellung hinweg gegen die Federkraft der Feder 71 gemäß 7 nach
links, so dass die zur Ölpumpe
führende
Eingangsöffnung 72 über die zentrale
Nut 77 mit der Vorverlagerungswinkelöffnung 73 verbunden
wird und die Verzögerungswinkelöffnung 74 über die
rechte Nut 81 mit der Ablassöffnung 76 verbunden
wird. Im Ergebnis wird der Öldruck
in die Vorverlagerungswinkelkammern 36 der zweiten Ventilsteuereinheit 6 geleitet,
und die resultierende Öldruckdifferenz,
die zwischen den Vorverlagerundwinkelkammern 36 und den
Verzögerungswinkelkammern 37 erzeugt
wird, drückt
die Flügel 35 in
eine solche Richtung, dass sich die Einlassnockenwelle 1 relativ
zum Nockenritzelabschnitt 29 in Uhrzeigerrichtung dreht
und die Niederdrehzahlnocken 11a und 11b und der
Hochdrehzahlnocken 12 gemeinsam in der Phase vorverlagert
werden. Im Ergebnis werden die Öffnungs-
und Schließzeiten
der Einlassventile 2 beide im Winkel vorverlagert.
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Sobald
die Soll-Nockenphase erreicht ist, wird das Tastverhältnis des
dem Tastverhältnis-Solenoid 70 zugeführten elektrischen
Stroms auf 50% gehalten, so dass der Ventilschieber 69 des
zweiten Öldrucksteuerventils 66 in
der Neutralstellung gemäß 7 stationär gehalten
wird. Somit wird die Eingangsöffnung 72 zwischen
den zwei Ansätzen 78 und 79 geschlossen,
und der Vorverlagerungswinkeleingang 73 und der Verzögerungswinkeleingang 74 werden
durch die Ansätze 78 bzw. 79 geschlossen. Im
Ergebnis wird der Nockenritzelabschnitt 79 mit der Einlassnockenwelle 1 integral
verbunden, und die Nockenphase wird auf einem Festwert gehalten.
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Die
Nockenphase der Einlassnockenwelle 1 kann kontinuierlich
verzögert
werden, indem das Tastverhältnis
von dem 50%-Wert geeignet reduziert wird und der Ventilschieber
von der Neutralstellung nach rechts bewegt wird, so dass die zur Ölpumpe führende Eingangsöffnung 72 über die
zentrale Nut 77 mit der Verzögerungswinkelöffnung 74 in
Verbindung steht und die Vorverlagerungswinkelöffnung 73 über die
linke Nut 80 mit der Ablassöffnung 75 in Verbindung
steht. Sobald die Sollphase erreicht ist, wird das Tastverhältnis des
dem Tastverhältnis-Solenoid 70 zugeführten elektrischen
Stroms auf 50% gehalten, so dass der Ventilschieber 69 des zweiten Öldrucksteuerventils 66 in
der Neutralstellung gemäß 7 stationär gehalten
wird.
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Wenn
die erste Ventilsteuereinheit 5 im Hochdrehzahlmodus aktiviert
wird, wird der der ersten Ventilsteuereinheit 5 zugeführte Öldruck auch dem
Anschlagstift 45 der zweiten Ventilsteuereinheit 6 zugeführt. Daher
wird das freie Ende des Anschlagstifts 45 in den bogenförmigen Schlitz 46 gedrückt, und
die Bewegung der Flügel
wird auf den 20 Grad-Drehwinkelbereich
der Einlassnockenwelle 1 beschränkt.
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Die
zweite Ventilsteuereinheit 6 ändert somit die Phasenbeziehung
zwischen der Kurbelwelle 9 und der Einlassnockenwelle 1 über verschiedene
Bereiche in Abhängigkeit
vom Betriebsmodus. Im Niederdrehzahlmodus kann die Öffnungszeit
der Einlassventile stufenlos über
den gesamten 30 Grad-Bereich
der Einlassnockenwelle 1 vorverlagert und verzögert werden
(entsprechend dem 60 Grad-Bereich der Kurbelwelle 9). Im
Hochdrehzahlmodus kann die Öffnungszeit
der Einlassventile stufenlos über
den 20 Grad-Bereich der Einlassnockenwelle 1 vorverlagert und
verzögert
werden (entsprechend dem 40 Grad-Bereich der Kurbelwelle 9),
wie in 13 mit der gestrichelten Linie
angegeben.
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Der
Mechanismus zur Drehwinkelbegrenzung der Einlassnockenwelle 1 ist
nicht auf den oben beschriebenen axial bewegbaren Anschlagstift 45 beschränkt. Beispielsweise
kann auch ein radial beweglicher Anschlagstift in einem der Flügel 35a aufgenommen
sein, so dass sein freies Ende wahlweise in ein Loch eingesetzt
werden kann, das in der Innenumfangsfläche der Vertiefung 34 vorgesehen
ist. In diesem Fall kann der Stift, anstelle durch Öldruck, durch
Zentrifugalkraft betätigbar
sein, so dass der Vorverlagerungswinkelbereich beschränkt werden kann,
wenn die Drehzahl der Einlassnockenwelle 1 einen vorbestimmten
Wert überschritten
hat.
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Daher
ist der Vorverlagerungswinkelbereich im Hochdrehzahlmodus weiter
beschränkt
als im Niederdrehzahlmodus, so dass die Störung der Einlassventile mit
dem Kolben am oberen Totpunkt effektiv verhindert werden kann. Anders
gesagt, die Einlassventile können
so weit wie möglich
geöffnet
werden, ohne sich mit dem Kolben zu stören.
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In
einer erfindungsgemäßen Ventilhub-Steuervorrichtung
für Motoreinlassventile 2,
das selektiv den Einlassventilhub eines Motors E ändert und
ferner eine Phasenwinkelbeziehung einer Öffnungszeit des Einlassventils 2 relativ
zum Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors E ändert, ist eine Anordnung vorgesehen,
um die Vorverlagerung der Öffnungszeit
des Motorventils 2 zu begrenzen, wenn ein großer Ventilhub
gewählt
ist. Hierdurch ist es möglich,
die Vorverlagerung der Öffnungszeit
des Motoreinlassventils nur dann zu begrenzen, wenn der Ventilhub
groß ist
und die Vorverlagerung der Öffnungszeit
des Motoreinlassventils eine Störung
zwischen dem Motoreinlassventil und dem Kolben verursachen könnte. Darüber hinaus wird
die Ventilöffnungszeit
optimiert, und der Motor kann unter allen möglichen Umständen die
maximale Leistung erreichen.