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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung
(Ventilzeitverlaufssteuerungsvorrichtung), die einen Ventilzeitverlauf
eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils justiert.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung einen Ventilzeitverlauf
(zeitliche Steuerung eines Ventils) einer Brennkraftmaschine durch
Verwendung eines elektrischen Motors oder einer elektromagnetischen
Bremse justiert. Die JP-2005-146993A zeigt eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung,
bei der eine relative Phasendifferenz zwischen einer Kurbelwelle
und einer Nockenwelle auf einer mittleren Phase zwischen der am
weitesten voreilenden Phase und der am weitesten nacheilenden Phase
beibehalten wird, um die Startfähigkeit und
das Leistungsvermögen
der Brennkraftmaschine zu verbessern. In dieser Ventilzeitsteuerungsvorrichtung
ist eine Unterbremse (Nebenbremse) neben einer elektromagnetischen
Bremse vorgesehen. Die elektromagnetische Bremse übt ein Bremsdrehmoment
von einer Bremswelle auf einen Phasenänderungsmechanismus aus, um
die relative Phasendifferenz zu ändern.
Die Unterbremse wird betätigt,
wenn die Brennkraftmaschine ausgeschaltet wird. Die mittlere Phase
wird durch ein Drehmomentgleichgewicht zwischen der Unterbremse
und einer Feder erhalten, die in dem Phasenänderungsmechanismus vorgesehen
ist.
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In
dieser Ventilzeitsteuerungsvorrichtung ist es wahrscheinlich, dass
ein der Bremswelle von der Nockenwelle beaufschlagtes Nockendrehmoment
in einem großen
Ausmaß entsprechend
einer Temperaturbedingung variiert, wenn die Brennkraftmaschine mit
niedriger Drehzahl betrieben wird. Es ist relativ schwierig, das
Drehmomentgleichgewicht mit hoher Genauigkeit zu justieren. Somit
wird die Genauigkeit der mittleren Phase verschlechtert, so dass
es schwierig sein kann, die Brennkraftmaschine
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das vorstehend beschriebene
Problem gemacht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung anzugeben, die einen Ventilzeitverlauf
geeignet für
eine Antriebsbedingung der Brennkraftmaschine justiert.
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Erfindungsgemäß weist
die Ventilzeitsteuerungsvorrichtung einen elektrischen Motor, der
ein Rastdrehmoment an einer Motorwelle erzeugt, eine Stromsteuerungseinrichtung
zur Steuerung einer dem elektrischen Motor zugeführten elektrischen Energie
und einen Phasenänderungsmechanismus
auf, der eine relative Rotationsphase zwischen der Kurbelwelle und
der Nockenwelle variiert. Das Rastdrehmoment weist einen Spitzenwert
auf, der größer als ein
absoluter Wert eines Nockendrehmoments aufweist, das der Motorwelle
von der Nockenwelle beaufschlagt wird. Selbst falls das Nockendrehmoment aufgrund
der Ventilreaktionskraft der Motorwelle in einer Bedingung beaufschlagt
wird, in der der elektrische Motor energielos gemacht wird (abgeschaltet wird), überwindet
das Rastdrehmoment der Motorwelle das Nockendrehmoment. Als Ergebnis
wird die Motorwelle bei der Startphase selbst dann gehalten, falls
das Nockendrehmoment beaufschlagt wird, so dass der Ventilzeitverlauf
geeignet zum Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zum Starten
der Brennkraftmaschine wird.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung
darstellt, die entlang einer Linie I-I in 3 genommen
ist.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie II-II in 1 genommen
ist.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie III-III in 1 genommen
ist.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie IV-IV in 1 genommen
ist.
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5 zeigt
ein Diagramm zur Beschreibung eines charakteristischen Betriebs
der Ventilzeitsteuerungsvorrichtung.
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6 zeigt
ein Kennliniendiagramm zur Beschreibung eines charakteristischen
Betriebs der Ventilzeitsteuerungsvorrichtung.
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Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
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Ausführungsbeispiele
der vorstehenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. 1 zeigt eine
Querschnittsansicht einer Ventilzeitsteuerungsvorrichtung (Ventilzeitverlaufssteuerungsvorrichtung, Ventilzeit-Controller,
valve timing controller) 1. Die Ventilzeitsteuerungsvorrichtung 1 ist
in einem Drehmomentübertragungssystem
vorgesehen, das das Drehmoment einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle
auf eine Nockenwelle 2 einer Brennkraftmaschine überträgt. Die
Ventilzeitsteuerungsvorrichtung 1 weist einen elektrischen
Motor 4, eine Stromsteuerungsschaltung 6 und einen
Phasenänderungsmechanismus 8 auf,
so dass eine relative Rotationsphasendifferenz zwischen der Kurbelwelle
und der Nockenwelle 2 variiert wird, um einen Ventilzeitverlauf
des Einlassventils zu justieren.
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Wie
es in 1 und 2 gezeigt ist, ist der elektrische
Motor 4 ein bürstenloser
Motor, der mit einem Gehäuse 100,
zwei Lagern 101, einer Motorwelle 102 und einem
Motorstator 103 versehen ist. Das Gehäuse 100 ist an der
Brennkraftmaschine durch eine (nicht gezeigte) Strebe befestigt.
In dem Gehäuse 100 sind
die Lager 101 und der Motorstator 103 untergebracht.
Die Lager 101 stützen
einen Wellenkörper 104 der
Motorwelle 104 derart, dass die Motorwelle 102 in
die X-Richtung und die Y-Richtung gemäß 2 rotiert.
Die Motorwelle 102 weist einen Rotorabschnitt 105 auf,
in dem eine Vielzahl von Permanentmagneten 106 zu gleichmäßigen Intervallen vorgesehen
sind. Benachbarte Permanentmagnete 106 erzeugen eine zueinander
umgekehrte Polarität an
dem äußeren Rand
des Rotorabschnitts 105. Der Motorstator 103 ist
koaxial außerhalb
des Rotorabschnitts 105 angeordnet. Der Motorstator 103 weist einen
Kern 108 und eine Spule 109 auf. Der Kern 108 ist
durch Schichten von Eisenblechen aufgebaut. Eine Vielzahl von Kernen 108 sind
in Rotationsrichtung der Motorwelle 102 zu regelmäßigen Intervallen vorgesehen.
Die Spule 109, die um den Kern 108 gewickelt ist,
ist mit der Stromsteuerungsschaltung 6 verbunden.
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Die
Stromsteuerungsschaltung 6 weist einen Treiber (einer Antriebs-
bzw. Ansteuerungseinrichtung) für
den elektrischen Motor 4 und einen Mikrocomputer auf. Die
Stromsteuerungsschaltung 6 ist in dem Gehäuse 100 untergebracht.
Zumindest ein Teil der Stromsteuerungsschaltung 6 kann
außerhalb
des Gehäuses 100 vorgesehen
sein. Die elektrische Steuerungsschaltung 6 steuert Energie
(Strom), die der Spule 109 zugeführt wird, entsprechend einer
Antriebsbedingung (Antriebszustand) der Brennkraftmaschine. Wenn
die Spule 109 gespeist wird, wird der elektrische Motor 4 derart
angetrieben, dass die Motorwelle 102 in der X-Richtung und der
Y-Richtung entsprechend einem rotierenden Magnetfeld rotiert, das
durch die Permanentmagnete 106 und die gespeiste Spule 109 erzeugt
wird.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, ist der Phasenänderungsmechanismus 8 mit
einem antreibenden Rotationsteil 10, einem angetriebenen
Rotationsteil 20, einem Planetenträger 40 und einem Planetengetriebe 50 versehen.
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Wie
es in 1 und 3 gezeigt ist, weist das antreibende
Rotationsteil 10 ein Zahnradteil (Zahnkranzteil) 12 und
ein Zwischenrad (Stachelrad, sprocket) 13 auf, die koaxial
miteinander durch einen Bolzen verbunden sind. Das Zahnradteil 12 weist
einen antreibenden inneren Zahnkranz 14, dessen Zahnkopfhöhenkreis
innerhalb von dessen Zahnfußhöhenkreis
liegt. Das Zwischenrad 13 ist mit einer Vielzahl von Zähnen 19 versehen.
Eine Zahnkette bzw. Steuerkette ist um das Zwischenrad 13 und
eine Vielzahl von Zähnen
der Kurbelwelle gewickelt, um ein Maschinendrehmoment aus der Kurbelwelle
auf das Zwischenrad 13 zu übertragen. Das antreibende Rotationsteil 10 rotiert
zusammen mit der Kurbelwelle, wobei die selbe Rotationsphase wie
die Kurbelwelle beibehalten wird. Die Rotationsrichtung des antreibenden
Rotationsteils 10 ist gemäß 3 in der Richtung
gegen den Uhrzeigersinn.
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Wie
es in 1 und 4 gezeigt ist, ist das angetriebene
Rotationsteil 20 koaxial innerhalb des antreibenden Rotationsteils 10 angeordnet.
Ein unterer Abschnitt des angetriebenen Rotationsteils 20 bildet
einen Verbindungsabschnitt 21, der koaxial mit der Nockenwelle 2 durch
einen Bolzen verbunden ist. Das angetriebene Rotationsteil 20 rotiert
zusammen mit der Nockenwelle 2, wobei die selbe Rotationsphase
wie die Nockenwelle 2 beibehalten wird. Das angetriebene
Rotationsteil 20 kann relativ in Bezug auf das antreibende
Rotationsteil 10 rotieren. Die Richtung X stellt dar, dass
das angetriebene Rotationsteil 20 in Bezug auf das antreibende
Rotationsteil 10 voreilt, und die Richtung Y stellt dar,
dass das angetriebene Rotationsteil 20 in Bezug auf das
antreibende Rotationsteil 10 nacheilt.
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Das
angetriebene Rotationsteil 20 ist mit einem angetriebenen
inneren Zahnkranz 22 versehen, dessen Zahnkopfhöhenkreis
innerhalb von dessen Zahnfußhöhenkreis
liegt. Dabei ist der innere Durchmesser des angetriebenen inneren
Zahnrads 22 kleiner als derjenige des antreibenden inneren
Zahnrads 14. Die Anzahl der Zähne des angetriebenen inneren Zahnrads 22 ist
geringer als diejenige des antreibenden inneren Zahnrads 14.
Das angetriebene Rotationsteil 20 ist in das Zwischenrad 13 pressgepasst.
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Wie
es in 1, 3 und 4 gezeigt
ist, ist der Planetenträger 40 insgesamt
zylindrisch und bildet einen Eingangsabschnitt 41 an dessen
innerer Oberfläche.
Der Eingangsabschnitt 41 ist koaxial in Bezug auf das antreibende
Rotationsteil 10, das angetriebene Rotationsteil 20 und
der Motorwelle 102 angeordnet. Der Eingangsabschnitt 41 ist
mit einem Nutenabschnitt 42 versehen. Der Planetenträger 40 ist
mit der Motorwelle 102 über
eine Verbindung (Joint) 43 verbunden, die im Eingriff mit
dem Nutenabschnitt 42 steht. Der Planetenträger 40 rotiert
zusammen mit der Motorwelle 102 und rotiert relativ in Bezug
auf das antreibende Rotationsteil 10.
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Der
Planetenträger 40 bildet
einen exzentrischen Abschnitt 44. Der exzentrische Abschnitt 44 ist derart
angeordnet, dass er exzentrisch in Bezug auf die inneren Zahnräder 14 und 22 ist.
Der exzentrische Abschnitt 44 steht im Eingriff mit einer
inneren Oberfläche
der zentralen Bohrung 51 des Planetengetriebes 50,
wodurch das Planetengetriebe 50 um ein Zentrum des exzentrischen
Abschnitts 44 rotiert und eine Planetenbewegung in Rotationsrichtung des
Planetenträgers 40 ausführt. Das
Planetengetriebe 50 ist mit einem antreibenden äußeren Zahnrad 52 und
einem angetriebenen externen Zahnrad 54 versehen. Die Anzahl
der Zähne
des angetriebenen externen Zahnrads 52 ist niedriger als
diejenige des antreibenden inneren Zahnrads 14 um eine
vorbestimmte Zahl N, und die Anzahl der Zähne des angetriebenen externen
Rads 54 ist niedriger als diejenige des angetriebenen inneren
Zahnrads 22 um die vorbestimmte Anzahl N. Somit ist die
Anzahl der Zähne
des angetriebenen externen Zahnrads 54 niedriger als diejenige
des antreibenden externen Zahnrads 52. Das antreibende
externe Zahnrad 52 steht im Eingriff mit dem antreibenden
inneren Zahnrad 14. Das angetriebene externe Zahnrad 54 steht
im Eingriff mit dem angetriebenen inneren Zahnrad 22.
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Innerhalb
der Rotationsteile 10 und 20 ist ein Differentialgetriebemechanismus 60 vorgesehen,
in dem das antreibende innere Zahnrad 14 mit dem angetriebenen
inneren Zahnrad 22 durch das Planetengetriebe 50 verbunden
ist. Wenn der Planetenträger 40 nicht
relativ zu dem antreibenden Rotationsteil 10 rotiert, rotieren
die Rotationsteile 10 und 20 zusammen, während das
Planetengetriebe 50 die Eingriffsposition mit den inneren
Zahnrädern 14 und 22 beibehält. Auf
diese Weise wird die Rotationsphase nicht variiert, so dass der
Ventilzeitverlauf beibehalten wird.
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Wenn
der Planetenträger 40 in
Richtung X in Bezug auf das antreibende Rotationsteil 10 rotiert, führt das
Planetengetriebe 50 die Planetenbewegung derart aus, dass
das angetriebene Rotationsrad 20 relativ in Richtung X
in Bezug auf das antreibende Rotationsteil 10 rotiert.
Die Rotationsphase der Nockenwelle 2 wird relativ zu der
Kurbelwelle vorgeschoben, so dass der Ventilzeitverlauf (die Ventilzeit, valve
timing) vorgeschoben (voreilen gelassen) wird.
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Wenn
der Planetenträger 40 in
die Richtung Y in Bezug auf das antreibende Rotationsteil 10 rotiert,
führt das
Planetengetriebe 50 die Planetenbewegung derart aus, dass
das angetriebene Rotationsteil 20 relativ in Richtung Y
in Bezug auf das antreibende Rotationsteil 10 rotiert.
Die Rotationsphase der Nockenwelle 2 wird relativ zu der
Kurbelwelle verzögert,
so dass der Ventilzeitverlauf verzögert (nacheilen gelassen) wird.
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Wenn
ein Zündschalter
ausgeschaltet wird, um die Brennkraftmaschine, die sich in einem
Leerlauf befindet, zu stoppen, steuert die Stromsteuerungsschaltung 6 den
der Spule 109 zugeführten elektrischen
Strom derart, dass eine relative Phase Pcam auf einer spezifizierten
Phase Ph beibehalten wird. Die relative Phase Pcam stellt eine relative
Phasendifferenz zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle dar.
Wenn die Maschinendrehzahl Ne auf einen Schwellwert Rth (beispielsweise
200 U/min) oder weniger verringert wird, stoppt die Stromsteuerungsschaltung 6 die
Zufuhr von Energie zur Spule 109. Die Brennkraftmaschine
wird vollständig
gestoppt und die Motorwelle 102 wird vollständig gestoppt.
Alternativ dazu wird die Motorwelle 102 in einer kurzen
Zeitdauer (beispielsweise 0,1 Sekunden) nach Abschalten der Spule 109 gestoppt.
Somit wird die relative Phase Pcam auf eine Phase Ps gebracht, die
relativ zu der Phase Ph leicht verzögert ist, wie es in 5 gezeigt
ist. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wir die nächste
Startphase der Brennkraftmaschine auf die Phase Ps eingestellt.
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Wie
es in 1 und 2 gezeigt ist, ist jeder Permanentmagnet 106 ein
Kreisbogen in dessen Querschnitt und ist umlaufend an einem äußeren Rand 110 des
Rotorabschnitts 105 vorgesehen. Die Permanentmagnete 106 und
der Motorstarter 103 sind durch einen Raum 112 einander
zugewandt. Somit wird, wenn die Spule 109 nicht gespeist
wird, die Magnetkraft der Permanentmagnete 106 dem Kern 108 über den
Raum (Spalt) 112 beaufschlagt, so dass jeder Kern 108 magnetisiert
wird, was ein Rastdrehmoment in der Motorwelle 102 bewirkt.
Das Rastdrehmoment pulsiert entsprechend der Position der Motorwelle 102,
wie es in 6 gezeigt ist. Das Spitzendrehmoment
des Rastdrehmoments ist durch Tp bezeichnet. Der Spitzenwert Tp
wird derart eingestellt, dass die nachstehende Gleichung (1) erfüllt wird. Tp > Tc (1)
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Dabei
bezeichnet Tc einen absoluten Wert eines Nockendrehmoments, das
der Motorwelle 102 durch den Phasenänderungsmechanismus 8 beaufschlagt
wird. Das Nockendrehmoment wird erzeugt, wenn die Nockenwelle 2 durch
eine Ventilreaktionskraft in einer Bedingung (in einem Zustand)
rotiert wird, wenn die Brennkraftmaschine gestoppt wird und die
Spule 109 nicht gespeist wird.
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Insbesondere
variiert der absolute Wert Tc des Nockendrehmoments entsprechend
der Rotationsposition der Nockenwelle 2 und einer Temperaturbedingung.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird
das Spitzenrastdrehmoment Tp derart eingestellt, dass die nachfolgende
Gleichung (2) erfüllt wird. Tp > Tcmax (2)
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Dabei
ist Tcmax ein maximaler Wert des Nockendrehmoments Tc.
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Selbst
falls das Nockendrehmoment aufgrund der Ventilreaktionskraft der
Motorwelle 102 in einer Bedingung (einem Zustand) beaufschlagt
wird, in der die Nockenwellenphase die Startphase Ps erreicht, überwindet
das Rastdrehmoment der Motorwelle 102 das Nockendrehmoment.
Als Ergebnis wird die Motorwelle 102 auf die Startphase
Ps gehalten, selbst falls das Nockendrehmoment beaufschlagt wird.
Die Startphase Ps wird durch leichtes Variieren gegenüber der
spezifizierten Phase Ph eingerichtet, so dass die Startphase Ps,
jedes Mal, wenn die Brennkraftmaschine gestoppt wird, im wesentlichen
ein konstanter Wert ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird die Startphase Ps stabil erhalten, wenn die Brennkraftmaschine
ausgeschaltet wird, und die Startphase Ps wird sicher gehalten,
während
die Brennkraftmaschine nicht betrieben wird. Somit wird ein Ventilzeitverlauf
verwirklicht, der zum Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere
zum Starten der Brennkraftmaschine geeignet ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel
begrenzt. Verschiedene Modifikationen können innerhalb des Umfangs
der Erfindung angewandt werden.
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Beispielsweise
kann der elektrische Motor 4 ein anderer Motor als der
bürstenlose
Motor sein, solange er ein Rastdrehmoment erzeugt. In einem Fall, dass
lediglich entweder ein normales Rotationsnockendrehmoment (Vorwärtsrotations-Nockendrehmoment)
oder ein Rückwärtsrotations-Nockendrehmoment
der Motorwelle 102 beaufschlagt wird, wird der maximale
Wert Tcmax des beaufschlagten Nockendrehmoments derart eingestellt,
dass die vorstehend beschriebene Gleichung (2) erfüllt wird.
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Die
Permanentmagnete 106 können
in dem Rotorabschnitt 105 eingebettet sein. Die Anzahl
und die Form der Permanentmagnete 106 können in geeigneter Weise geändert werden.
Die Anzahl der Kerne 108 und der Spulen 109 können entsprechend
der Anzahl der Permanentmagnete 106 geändert werden.
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Die
Startphase Ps kann einer am meisten verzögerte Phase oder die am meisten
vorgeschobene Phase anstelle der mittleren Phase sein.
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Der
Phasenänderungsmechanismus 8 kann modifiziert
werden, solang die Nockenwellenphase entsprechend der Motorwelle 102 variiert
werden kann.
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Wie
es vorstehend beschrieben worden ist, weist eine Ventilzeitsteuerungsvorrichtung
einen elektrischen Motor 4, der ein Rastdrehmoment an einer
Motorwelle 102 erzeugt, eine Stromsteuerungseinrichtung 6 zur
Steuerung einer dem elektrischen Motor 4 zugeführten elektrischen
Energie und einen Phasenänderungsmechanismus 8 auf,
der eine relative Rotationsphase zwischen der Kurbelwelle und der
Nockenwelle 2 entsprechend einer Rotation der Motorwelle 102 variiert.
Das Rastdrehmoment weist einen Spitzenwert auf, der größer als
ein absoluter Wert eines Nockendrehmoments ist, der der Motorwelle 102 von
der Nockenwelle 2 durch den Phasenänderungsmechanismus 8 beaufschlagt
wird.