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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur
Betätigung von Gaswechselventilen, deren Bewegung mittels
einem dem Hub des Nockens einer rotierenden Nockenwelle folgenden,
sich auf dem Kipphebel abwälzenden Übertragungsbolzen,
welcher sich gleichzeitig an der Übertragungsgeometrie
des Steuerstück abwälzt, erzeugt wird, wobei der
auf einer Seite mit dem Gaswechselventil schwenkbar verbundene,
und auf der dem Gaswechselventil abgewandet Seite schwenkbar mit dem
Zylinderkopf verbundene Kipphebel, infolge der Bewegung des Übertragungskolbens
eine Schwenkbewegung bezüglich das Zylinderkopfes durchführt, wodurch
das Gaswechselventil eine Hubbewegung durchführt. Die Größe
der Hubbewegung des Gaswechselventils kann durch Veränderung
der Übertragungsgeometrie, wobei die Veränderung
der Übertragungsgeometrie beispielsweise durch ein axiales Verschieben
des Steuerstücks bezüglich des Kipphebels oder
durch Verdrehen des Steuerstücks bezüglich des
Kipphebels erzeugt werden kann, erfolgen.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 198 26 047
A1 ist ein variabler Ventiltrieb für die Gaswechselventile
eine Brennkraftmaschine auf elektrohydraulischer Basis bekannt. Hierbei
erfolgt die Krafteinleitung zur Betätigung des Gaswechselventils
hydraulisch, die Steuerung des Kraftflusses hingegen elektrisch,
beispielsweise mittels Magnetventilen. Der zur Betätigung
des Gaswechselventils erforderliche Hydraulikdruck wird mittels
einer Hochdruckpumpe erzeugt. Nachteilig bei diesem System sind
insbesondere der hohe Aufwand bei der Fertigung und Montage aufgrund
seines komplizierten Aufbaus, das sich negativ auf die Kosten auswirkt,
sowie die Hubschwankungen der einzelnen Gaswechselventile, welche
zu einem unruhigen Lauf der Brennkraftmaschine führen können.
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Die
EP 0 512 698 A1 beschreibt
einen variablen Ventiltrieb für die Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine.
Diese Lösung stellt ein Beispiel einer mechanischen Ventilsteuerung über
Nocken einer rotierenden Nockenwelle dar. Bisherige Systeme dieser
Art verfügen nur über ein ungünstigen
Verlauf des Gaswechselhubes, da sie lediglich eine Reduzierung des
maximal vom Nockenhub einer rotierenden Nockenwelle erzeugbaren
Gaswechselventilhubes mit Hilfe eine Veränderung der Übertragungsübersetzung
zwischen Nockenhub und Gaswechselventilhub ermöglichen,
wobei die Dauer des Gaswechselventilhubes nahezu unverändert
bleibt was dazu führt, das für den niedrigen Verbrauch
einer Brennkraftmaschine besonders günstige Gaswechselventilhubverläufe
nicht realisiert werden können, gleichzeitig erfordern
sie die Verwendung von hochgenauen Bauteilen mit aufwändig
herzustellenden Geometrien, was zu erhöhten Kosten führt.
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Die
US 4,777,915 hat einen elektromagnetischen
Ventiltrieb für die Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
zum Thema, wie er in ähnlicher Weise auch in der
EP 0 471 614 A1 beschrieben
wird. Bei diesen Lösungen wird das Gaswechselventil durch
elektromagnetische Kraft hin- und hergehend in unterschiedliche
Positionen bewegt. Die Elektromagneten sind dabei innerhalb eines
Gehäuseteiles des Zylinderkopfes in zwei unterschiedliche
Bereiche angeordnet. Durch das abwechselnde Aktivieren der Elektromagnete
wird das Ventil alternativ in zwei Endlagen bewegt, die jeweils
der Öffnungs- und Schließstellung des Gaswechselventils
entsprechen. Systeme dieser Art verfügen nur über
eine eingeschränkte Variabilität des Gaswechselhubes.
Ein weiteres Problem stellen die hohen Ströme da, die zum
Ansteuern der Elektromagnete erforderlich sind, die das Bordnetz
des Kraftfahrzeuges stark belasten.
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Aus
der
DE 43 17 607 A1 ist
ein variabler Ventiltrieb für die Gaswechselventile einer
Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher dem mittels eines Nockens
einer rotierenden Nockenwelle erzeugten Hub eines Gaswechselventils
ein hydraulischer Zusatzhub überlagert werden kann. Nachteilig
bei diesem System ist insbesondere der hohe Aufwand bei der Fertigung
und Montage aufgrund seines komplizierten Aufbaus, welches sich
negativ auf die Kosten auswirkt.
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Die
DE 42 39 040 A1 beschreibt
einen variablen Ventiltrieb für die Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
mit einem mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragungsmittel
zwischen den Nocken einer rotierenden Nockenwelle und dem Gaswechselventil.
Dabei wird während der mechanischen Betätigung
des Gaswechselventils der Ölrückfluss aus einem
zwischen dem Nocken und dem Gaswechselventil befindlichen Ölraum
ermöglicht. Die Ansteuerung erfolgt mittels Magnetventilen.
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Eine ähnliche
Lösung wird im
US
5,005,540A beschrieben. Hierbei wird mittels einer hydraulischen Druckerzeugungseinheit
ein Vordruck erzeugt. Die Ansteuerung aus dem Druckraum erfolgt
mittels Magnetventilen.
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Diese
Lösungen verfügen nur über eine eingeschränkte
Variabilität des Gaswechselhubes und sind infolge der Verwendung
von Magnetventilen aufwändig.
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Aufgabe und Vorteil der Erfindung
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Dem
erfindungsgemäßen Ventilmechanismus mit den kennzeichnenden
Merkmalen des ersten Hauptanspruchs liegt die Aufgabe zugrunde,
die Nachteile der vorstehend aufgeführten Lösungen
zu vermeiden, und gleichzeitig die Bewegung der Gaswechselventile
mit einer hohen Variabilität bei gleichzeitig hoher Stellgenauigkeit,
des Hubes des Gaswechselventils und bei gleichzeitig robustem Betrieb zu
gewährleisten. Gleichzeitig ermöglicht der erfindungsgemäße
Ventilmechanismus die Erzeugung von für den niedrigen Verbrauch
einer Brennkraftmaschine besonders günstige Gaswechselventilhubverläufe,
da die Veränderung des Gaswechselventilhubes nicht mit
Hilfe der Veränderung der Übertragungsübersetzung
zwischen Nockenhub und Gaswechselventilhub realisiert wird, sondern
durch Veränderung der Übertragungsgeometrie zwischen
Nockenhub und Gaswechselventilhub, wobei die Veränderung
der Übertragungsgeometrie beispielsweise durch ein axiales
Verschieben des Steuerstücks bezüglich des Kipphebels
erzeugt werden kann, was dazu führt, das die Übertragung
des Hub des Nockens einer rotierenden Nockenwelle auf das Gaswechselventil
so verändert werden kann, dass das Gaswechselventil erst
nach Erreichen eines bestimmten Nockenhubes eine Hubbewegung durchführt,
wodurch die Hubhöhe als auch Öffnungsdauer des
Gaswechselventils bezüglich des maximal vom Nockenhub einer
rotierenden Nockenwelle erzeugbaren Gaswechselventilhubes reduziert
wird. Im Gegensatz bisher bekannter mechanischer System kann hier, ähnlich
wie bei Systemen mit einem mechanisch-hydraulischen Bewegungsübertragungsmittel
zwischen den Nocken einer rotierenden Nockenwelle und dem Gaswechselventil,
wobei diese Systeme wesentlich aufwändiger als der erfindungsgemäßen
Ventilmechanismus sind und den Nachteil haben, das die Schleißflanke
des Gaswechselventilhubes nicht nockengeführt sind, was
zu eine Ungleichheit des Gaswechselventilhubes führt, neben dem
Gaswechselventilhub auch gleichzeitig die Öffnungsdauer
des Gaswechselventils variiert werden. Der gesamte Hub des Gaswechselventils
wird beim erfindungsgemäßen Ventilmechanismus
mittels einer Übertragungsgeometrie erzeugt, dies hat den
Vorteil, dass der Gaswechselventilhub absolut reproduzierbar ist
und nicht durch äußere Faktoren wie beispielsweise
die Öltemperatur beeinflusst werden kann. Gleichzeitig
lässt sich die für die Geräuschbildung und
den Verschleiß des Ventiltriebes wichtige Größe der
Aufsetztgeschwindigkeit des Gaswechselventils auf den Ventilsitz,
durch eine geeignete Ausbildung der Übertragungsgeometrie
exakt an die Bedürfnisse der Brennkraftmaschine anpassen.
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Die
Variabilität des Gaswechselventilhubes lasst sich mit dem
erfindungsgemäßen Ventilmechanismus vorteilhafterweise
ohne hohe Geschwindigkeiten erzeugen, so dass die Störanfälligkeit
dieses Ventilmechanismus sehr gering ist. Der erfindungsgemäße
Ventilmechanismus kann aufgrund seines einfachen Aufbaus kostengünstig
hergestellt und montiert werden.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ausschnittweise
einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung zur
Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
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2 ausschnittweise
einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung zur
Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine
gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug weist üblicherweise
vier oder mehr Verbrennungszylinder auf, die jeweils mit mindestens
einem einlassseitigen und einem auslassseitigen Gaswechselventil
(1) versehen sind. Der in 1 und in 2 dargestellten
erfindungsgemäßen Ventilmechanismen dienen zur
Betätigung eines einlassseitigen oder eines auslassseitigen
Gaswechselventils (1) einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt).
Für den Betrieb mehrerer Gaswechselventile (1)
müssen die Vorrichtungen, mit Ausnahme der Nockenwelle
(nicht dargestellt) und der Vorrichtung (nicht dargestellt) zum
Verschieben des Steuerstücks in der in 1 mit
X bezeichneten Richtung beziehungsweise der in 2 dargestellten
Stellwelle 25 welche zur Betätigung mehrerer in
sinnvoller Abfolge betätigter Gaswechselventile (1)
verwendet werden können, in der, der zu betätigten
Gaswechselventilen (1) entsprechenden Anzahl, beziehungsweise
bei der Ansteuerung zweier Gaswechselventile (1) mit Hilfe
einer Vorrichtung die Hälfte der, der zu betätigten
Gaswechselventilen (1) entsprechenden Anzahl, eingesetzt
werden.
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Ein
Gaswechselventil (1) umfasst einen im Zylinderkopf (20)
axial verschiebbaren, zylindrischen Ventilschaft (2), der
an einem unteren, brennraumseitigen tellerförmigen Ende
eine Dichtfläche (19) aufweist, mit der es zur
Steuerung eines Einlassquerschnittes bzw. eines Auslassquerschnittes
mit einer Ventilsitzfläche (18) der Brennkraftmaschine
zusammen wirkt.
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Der
Nocken (8) der rotierenden Nockenwelle (nicht dargestellt)
weist eine Nockenerhebungsphase (21) und einen Grundkreis
(22) auf. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle (nicht
dargestellt) in einem Übersetzungsverhältnis von
1:2 angetrieben. Die Übertragung der durch die Nockenerhebungsphase (21)
des Nockens (8) der rotierenden Nockenwelle erzeugten Hubbewegung
auf das Gaswechselventil (1) erfolgt über den Übertragungsbolzen
(9) und dem Kipphebel (4). Hierzu ist der Kipphebel
(4) mit der Schwenkgeometrie (6) versehen über
welche er so mit dem Drehgelenk (7) verbunden ist, dass
der Kipphebel (4) eine Schwenkbewegung bezüglich
dem Zylinderkopf (20) durchführen kann, wobei
das Drehgelenk (7) ortsfest mit dem Zylinderkopf (20)
verbunden ist, sodass eine Relativbewegung der Schwenkgeometrie
(6) des Kipphebels (4) bezüglich des
Zylinderkopfes (20) nicht möglich ist. In einer
besonders vorteilhaften Ausführung kann das Drehgelenk
(7) so ausgeführt werden, dass es als hydraulischer
Spielausgleich, ähnlich der bereits bekannten Systeme zum
Spielausgleich bei Ventiltrieben von Brennkraftmaschinen, fungiert.
Weiterhin ist der Kipphebel (4) noch mit der Schwenkgeometrie
(5) versehen, über welche er so mit der Stirnfläche
(3) des axial in der Ventilschaftführung (17)
geführten Gaswechselventils (1) verbunden ist,
dass der Kipphebel (4) eine Schwenkbewegung bezüglich
der, in der in 1 mit Y bezeichneten Richtung,
beweglichen Gaswechselventils (1) durchführen
kann.
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Mit
Hilfe der sich an der Abstützung (13) des Zylinderkopfes
(20) abstützenden Feder (12), welche in 1 beispielhaft
als Druckfeder dargestellt ist, wobei auch die Verwendung von Schenkelfedern möglich
ist, wird der Übertragungsbolzen (9) gegen den
Nocken (8) der rotierenden Nockenwelle gedrückt,
wobei der Übertragungsbolzen (9) solang in Ruhe
verharrt, solang er mit dem Grundkreis (22) des Nockens
(8) in Kontakt ist. Sobald infolge der Drehbewegung der
Nockenwelle der Übertragungsbolzen (9) mit der
Nockenerhebungsphase (21) des Nockens (8) in Berührung
kommt, führt der Übertragungsbolzen eine lineare
Bewegung entsprechend der Nockenerhebungsphase (21) der
Nockens (8) durch, wobei sich der Übertragungsbolzen
(9) noch zusätzlich an der Übertragungsgeometrie
(11) des in der in 1 mit Y
bezeichneten Richtung ortfesten und in der in 1 mit
X bezeichneten Richtung verschiebbaren Steuerstücks (10)
abwälzt. Die Übertragungsgeometrie (11)
des Steuerstücks (10) ist in die Passivphase (23),
bei welcher die Übertragungsgeometrie (11) in
der in 1 mit X bezeichneten Richtung verläuft
und in die Hubphase (24), bei welcher die Übertragungsgeometrie
(11) in einem Winkel zur in der in 1 mit X
bezeichneten Richtung verlauft, unterteilt.
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Befindet
sich der Übertragungsbolzen (9) während
seiner Bewegung infolge der Berührung mit der steigenden
Flanke der Nockenerhebungsphase (21) gleichzeitig in Berührung
mit der Passivphase (23) der Übertragungsgeometrie
(11) des Steuerstücks (10) so enthält
die Bewegung der Übertragungsbolzen (9) nur eine
Bewegungskomponente in die in 1 mit X
bezeichneten Richtung, was dazu führt, dass das Gaswechselventil
(1) keinen Hub durchführt.
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Befindet
sich der Übertragungsbolzen (9) während
seiner Bewegung infolge der Berührung mit der steigenden
Flanke der Nockenerhebungsphase (21) gleichzeitig in Berührung
mit der Hubphase (23) der Übertragungsgeometrie
(11) des Steuerstücks (10) so wird die
Bewegungsrichtung des Übertragungsbolzen (9) so
verändert, dass die Bewegung der Übertragungsbolzen
(9) neben der Bewegungskomponente in die in 1 mit
X bezeichneten Richtung auch noch eine Bewegungskomponente in die
in 1 mit Y bezeichneten Richtung erhält.
Infolge der Bewegungskomponente des Übertragungsbolzen
(9) in die in 1 mit Y bezeichneten Richtung
führt der Kipphebel (4) eine Schwenkbewegung bezüglich
des ortsfesten Drehgelenks (7) durch, wodurch das Gaswechselventil
(1) entgegen die, sich am Zylinderkopf (20) und
am mit dem Gaswechselventil (1) verbundenen Federteller
(15) abstützenden, Druckfeder (16) bewegt
wird, wodurch sich die Dichtfläche (19) des Gaswechselventils
(1) von der Ventilsitzfläche (18) abhebt
und somit einen Einlassquerschnitt bzw. Auslassquerschnitt freigegeben
wird.
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Befindet
sich der Übertragungsbolzen (9) in Berührung
mit der fallenden Flanke der Nockenerhebungsphase (21)
des Nockens (8) so wird das Gaswechselventil (1)
aufgrund der infolge der Vorspannung der Ventilfeder (16)
auf das Gaswechselventil (1) wirkenden Kraft in Richtung
schließen gedrückt, wobei der Übertragungsbolzen
(9), zum Einen infolge der von der Übertragungsgeometrie
(11) des Steuerstücks (10) auf ihn übertragene
Kraft der Ventilfeder (16) und zum Anderen infolge der
durch die Feder (12) erzeugten Kraft, dem Verlauf der fallenden
Flanke der Nockenerhebungsphase (21) des Nockens (8) folgt.
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Zur
Steuerung der Höhe des Hubes des Gaswechselventils (1)
wird das Steuerstück (10) in die positive X-Richtung
(in Pfeilrichtung) verschoben, wodurch der Übertragungsbolzen
(9) während seiner Bewegung infolge der Berührung
mit der Nockenerhebungsphase (21) froher mit der Hubphase
(24) der Übertragungsgeometrie (11) des
Steuerstück (10) in Berührung kommt,
wodurch ein größerer Anteil der Nockenerhebungsphase
(21) des Nockens (8) auf den Kipphebel (4)
und somit auch auf das Gaswechselventil (1) übertragen
wird, wodurch das Gaswechselventil (1) einen größeren
Hub durchführt.
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Zur
Reduzierung des Hubes des Gaswechselventils (1) wird das
Steuerstück (10) in die negative X-Richtung (Entgegen
der Pfeilrichtung) verschoben, wodurch der Übertragungsbolzen
(9) während seiner Bewegung infolge der Berührung
mit der steigenden Flanke der Nockenerhebungsphase (21)
langer in der Passivphase (24) der Übertragungsgeometrie
(11) des Steuerstücks (10) verharrt,
wodurch ein kleinerer Anteil der Nockenerhebungsphase (21) des
Nockens (8) auf den Kipphebel (4) und somit auch
auf das Gaswechselventil (1) übertragen wird, wodurch
das Gaswechselventil (1) einen geringen Hub durchführt.
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Die
Verschiebung des Steuerstücks (10) kann sowohl
elektrisch beispielsweise mit Hilfe eines Elektromotors oder einer
elektrisch betätigten Hubsystems, also auch hydraulisch
oder pneumatisch erfolgen.
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In 2 wird
eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Ventilmechanismus dargestellt, welche gegenüber der in 1 dargestellten
ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Ventilmechanismus anstelle des in der in 1 mit X
bezeichneten Richtung beweglichen Steuerstücks (10)
mit einem im Drehgelenkt (26), welches ortfest mit dem
Zylinderkopf (20) verbunden ist, drehbar gelagerten Steuerstück
(10) versehen ist, wobei das drehbare Steuerstück
(10) dazu dient, die Richtung der erzeugten Bewegung des Übertragungsbolzen
(9), in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerstückes
(10), welche mit Hilfe der Stellwelle 25 variiert
werden kann, zu verändern.
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Zur
Steuerung der Höhe des Hubes des Gaswechselventils (1)
wird die exzentrische Stellwelle (25) verdreht, wodurch
sich die Winkelstellung des Steuerstücks (10)
bezüglich des Zylinderkopfes (20) verändert,
was zur Folge hat, dass die Bewegung des Übertragungsbolzen
(9) infolge der Berührung des Übertragungsbolzen
(9) mit der steigenden Flanke der Nockenerhebungsphase
(21) des Nockens (8) eine von der Winkellager
des Steuerstücks (10) abhängigen Bewegungskomponente
in der in 1 mit Y bezeichneten Richtung
erhält, wodurch der Kipphebel (4) eine von der
Winkellager des Steuerstücks (10) abhängigen
Schwenkbewegung durchführt, wodurch des Gaswechselventil
(1) eine von der Winkellager des Steuerstücks
(10) abhängigen Bewegung in die in 1 mit
Y bezeichnete Richtung durchführt. Die Steuerwelle (25)
ist so ausgeführt, dass die Winkelstellung des Steuerstücks
(10) bezüglich des Zylinderkopfes (20)
abhängig von der Drehwinkelstellung der Steuerwelle (25)
bezüglich des Zylinderkopfes (20) ist. Durch Verdrehen
der Steuerwelle (25) bezüglich des Zylinderkopfes
(20) kann der Hub des Gaswechselventils (1) verändert
werden.
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Während
bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Ventilmechanismus infolge
des Verschiebens des Steuerstücks (10) bezüglich
des Zylinderkopfes (20) der an das Gaswechselventil (1) übertragene
Anteile der Nockenerhebungsphase (21) variiert wird, was zur
Folge hat, dass die Öffnungsdauer des Gaswechselventils
(1) in Abhängigkeit von Hub des Gaswechselventils
(1) verändert wird, wird bei der in 2 dargestellten
zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Ventilmechanismus die Übersetzung zwischen dem Hub des Übertragungsbolzen
(9) und dem Hub des Gaswechselventils (1) durch
Veränderung der Winkellage des Steuerstücks (10)
variiert, was zu Folge hat, dass die Öffnungsdauer des
Gaswechselventils (1) unabhängig vom Hub des Gaswechselventils
(1) immer gleich ist.
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- 1
- Gaswechselventil
- 2
- Ventilschaft
- 3
- Stirnfläche
- 4
- Kipphebel
- 5
- Schwenkgeometrie
- 6
- Schwenkgeometrie
- 7
- Drehgelenk
- 8
- Nocken
- 9
- Übertragungsbolzen
- 10
- Steuerstück
- 11
- Übertragungsgeometrie
- 12
- Feder
- 13
- Abstützung
- 14
- Aufnahme
- 15
- Federteller
- 16
- Ventilfeder
- 17
- Ventilschaftführung
- 18
- Ventilsitzfläche
- 19
- Dichtfläche
- 20
- Zylinderkopf
- 21
- Nockenerhebungsphase
- 22
- Grundkreis
- 23
- Passivphase
- 24
- Hubphase
- 25
- Stellwelle
- 26
- Drehgelenk
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19826047
A1 [0002]
- - EP 0512698 A1 [0003]
- - US 4777915 [0004]
- - EP 0471614 A1 [0004]
- - DE 4317607 A1 [0005]
- - DE 4239040 A1 [0006]
- - US 5005540 A [0007]