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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeit
und des Ventilhubes für Kraftfahrzeugmotoren.
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Zur Zeit sind bestimmte Vorrichtungen zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des
Ventilhubes für Kraftfahrzeugmotoren bekannt, z.B. die nach den ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichungen Nr. 55-500656 und 61-250307.
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Die in diesen Veröffentlichungen erwähnten Vorrichtungen bestehen aus mehreren Nocken
verschiedener Profile und gleich vielen Kipphebeln, und diese sind an das Einlaß- oder
Auslaßventil durch einen Verbindungsmechanismus gekoppelt.
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Der Verbindungsmechanismus wird von dem einen auf den anderen umgestellt, um die
Ventilsteuerzeit und den Ventilhub gemäß dem Betriebszustand des Motors zu verändern.
Diese Kipphebel und Verbindungsmechanismen sind nicht nur in ihrer Konstruktion
kompliziert, sondern ihre Funktion der Kopplung der Nocken an die Ventile erzeugt neue
Probleme aufgrund des sich ergebenden Starrheits- bzw. Steifigkeitsverlustes.
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Dieser Starrheitsverlust ist besonders bei hohen Motordrehzahlen kritisch, wo eine große
Starrheit erforderlich ist, um der großen Nockenbeschleunigung gerecht zu werden. Durch
geringe Starrheit können die Ventile aus dem Takt geraten, sie können springen und
prellen. In einem solchen Fall kann der Motor nicht mehr länger mit hoher Drehzahl
laufen. So wird es sinnlos, eine Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des
Ventilhubes zu benutzen, um eine hohe Leistung von niedrigen bis hohen Drehzahlen
dadurch zu erreichen, daß man die Ventilsteuerzeit und den Ventilhub variabel macht.
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Um diese Schwierigkeit zu bewältigen, hat die ungeprüfte japanische
Patentveröffentlichung Nr. 63-41611 eine Motorenventilreihe vorgeschlagen, bei der jedes Ventil direkt
durch einen Nocken über einen hydraulischen Heber betätigt wird. Bei dieser Konstruktion
ist ein Niedrigdrehzahl-Nocken an der Nockenwelle befestigt, und ein Hochdrehzahl-
Nocken, der ein größeres Nockenprofil als der Niedrigdrehzahl-Nocken besitzt, ist auf der
Nockenwelle so vorgesehen, daß er sich in axialer Richtung der Nockenwelle bewegen
kann, aber nicht relativ zu dieser Welle rotieren kann. Ein Kolben, der innerhalb der
Nockenwelle unter der Wirkung hydraulischen Drucks in dem in der Nockenwelle
vorgesehenen Ölkanal gleitet, und eine Rückstellfeder ermöglichen diesem Hochdrehzahl-
Nocken, in Wirkverbindung mit dem hydraulischen Heber gepreßt und von ihm gelöst zu
werden.
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Da die weiter oben erwähnten Kipphebel und Verbindungsmechanismen bei der in dieser
Veröffentlichung erwähnten Konstruktion nicht erforderlich sind, besteht kein Risiko
irgendeiner Folgewirkung wie sich vermindernde Starrheit, die dazu führt, daß die Ventile
schwerlich im Takt bleiben und daher springen und prellen. Weil jedoch das hydraulische
System, das für die Schmierung der Nockenwelle vorgesehen ist, hier auch dazu benutzt
wird, den Hochdrehzahl-Nocken zu bewegen, schwankt der ursprünglich für die
Schmierung vorgesehene hydraulische Druck in Abhängigkeit davon, ob der Hochdrehzahl-
Nocken arbeitet oder ruht. Dies destabilisiert die Ölversorgung für das
Nockenwellenlager, was das Risiko aufwifft, daß sich das Lager festfrißt. Ein anderes Problem besteht
hier darin, daß die Nockenwellenkonstruktion kompliziert wird, was die Starrheit
beeinflußt, was wiederum danach verlangt, die Nockenwellengröße zu vergrößern, um die
Starrheit zu erhöhen.
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Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 59-101515 schlägt andererseits eine
Ventilöffnungs- und -schließvorrichtung für einen Innenverbrennungsmotor folgender
Konstruktion vor. Bei dieser Vorrichtung, in der der an der Nockenwelle angebrachte
Nocken das oder die Ventile öffnet und schließt, ist ein Kolbenpaar in dem Mechanismus
vorgesehen, der die Kraft vom Nocken zu dem oder den Ventilen überträgt. Zusätzlich ist
eine konische Stufe oder Rllle in dem Kolben vorgesehen, der dem Nocken näher ist, und
beide Kolben sind in einem Ölzylinder untergebracht, der ein Entlastungsloch enthält, um
das Öl herauszulassen.
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Die in dieser Veröffentlichung gezeigte Konstruktion ist einfacher, und die Schwankung
des hydraulischen Drucks des Schmiersystems ist geringer, verglichen mit der
Konstruktion der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-41611. Weil jedoch
der Hubweg in Abhängigkeit vom Öl, das immer zwischen dem Kolbenpaar vorhanden ist,
dadurch variiert wird, daß das Öl entspannt wird, wenn sich das Ventil mit der konischen
Rille (oberer Kolben) dreht, während das Ventil durch den Nocken nach oben und nach
unten bewegt wird, tritt ein Hubverlust wie in Fig. 4 gezeigt auf, wenn die konische Rille
(Ölzuführloch) sich öffnet und schließt. Das sich daraus ergebende Problem ist, daß der in
diesem Falle gegebene Ventilhubbetrag kleiner als der wird, den der Nocken
normalerweise erzeugen sollte.
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Andererseits verwendet der Mechanismus, der in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 59-101515 vorgeschlagen wird, in Wirklichkeit die Methode, die Größe
des Spalts zu verändern, als Mittel, um den Nocken-(Ventil-)Hub veränderbar zu machen.
Hier wird der resultierende Hub klein, weil sogar zum Zeitpunkt maximaler Hubsteuerung
ein großer Spalt erzeugt wird, und weil der Hub durch die Rotation des (oberen) Kolbens
und durch die Verlängerung der Entspannungszeit, wie oben beschrieben, verändert wird.
Weil die Gleitfläche auf dem Nockenprofil, die den Ventilmechanismus auf normale Weise
betätigt, zu diesem Zeitpunkt verschwindet, wird die Beschleunigung während des Öffnens
und des Schließens des Ventils unnormal hoch, was großen Lärm und gelegentliches
Aufschlagen der Ventile erzeugt. Das ist der Grund dafür, warum es schwierig ist, den
Ventilmechanismus, der in dieser Veröffentlichung vorgeschlagen wird, praktisch in einer
Innenverbrennungsmaschine umzusetzen.
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Die französische Patentspezifikation FR-A1-25 84 773 beschreibt eine Vorrichtung zur
Veränderung der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes, die einen Niedrigdrehzahl-Nocken
und einen Hochdrehzahl-Nocken besitzt, die phasengleich auf der Nockenwelle eines
Motors mit oben liegender Nockenwelle angeordnet sind, wobei der Hochdrehzahl-Nocken
einen größeren Hub besitzt als der Niedrigdrehzahl-Nocken, obwohl der
Grundkreisdurchmesser der Nocken derselbe ist, der Niedrigdrehzahl-Nocken über einen direkt betätigten
Stößel mit einem einen Durchlaß öffnenden und schließenden Ventil gekoppelt ist, und der
Hochdrehzahl-Nocken an dasselbe Ventil durch einen kolbenähnlichen Stößel gekoppelt
ist, der aus einem Kolbenpaar besteht, das mit einer zwischen den Kolben gelegenen
Flüssigkeitskammer abgedichtet in einem Träger angeordnet ist, wobei die Kammer mit
einem Flüssigkeitsvorrat durch einen Kanal verbunden ist, der ein Steuerventil enthält, das
Flüssigkeit zur Flüssigkeitskammer durchläßt, wenn der Motor eine vorherbestimmte hohe
Drehzahl erreicht.
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Die deutsche Patentbeschreibung DE-A1-36 13 912 beschreibt eine Vorrichtung zur
Veränderung der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes mit einem zwischen zwei
Hochdrehzahl-Nocken eingeschobenen Niedrigdrehzahl-Nocken. Ein gegabelter
Niedrigdrehzahl-Nockenstößel wirkt stets zwischen dem Niedrigdrehzahl-Nocken und den beiden
Ventilen. Ein Hochdrehzahl-Nockenstößel mit Nockenkontaktbereichen für die beiden
Hochdrehzahl-Nocken kann über einen hydraulisch betriebenen Kupplungsmechanismus
lösbar an den Niedrigdrehzahl-Nockenstößel gekoppelt werden und wirkt in einem solchen
Fall über den Niedrigdrehzahl-Nockenstößel auf die beiden Ventile.
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Angesichts der Probleme, die die oben diskutierten Vorrichtungen mit sich bringen, zielt
diese Erfindung auf einen Mechanismus zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des
Ventilhubes ab, der dazu imstande ist, die Ventilsteuerzeit und den Ventilhub in
Abhängigkeit von den hohen oder niedrigen Motordrehzahlen richtig auszuwählen, und der
gleichzeitig einfach in der Struktur ist und keinen Hubverlust oder ein Starrheitsproblem,
wie es vorher erwähnt wurde, erzeugt.
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Ausgehend von einer Vorrichtung, wie sie in FR-A1-25 84 773 beschrieben wurde, ist die
vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb eines zweiten, einen
Durchlaß öffnenden/schließenden Ventils ein zweiter Hochdrehzahl-Nocken über einen
zweiten, ähnlichen, kolbenartigen Stößel mit dem zweiten Ventil gekoppelt ist, beide
Flüssigkeitskammern durch dasselbe Steuerventil mit dem Schmierölkreislauf des Motors
verbunden sind und der direkt betätigte Niedrigdrehzahl-Stößel durch einen gemeinsamen
Stößelbalken mit beiden Ventilen gekoppelt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
beschrieben, in denen
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Fig. 1 ein vereinfachtes, vertikales Querschnittsbild einer Vorrichtung zur Veränderung
der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
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Fig. 2 zeigt die A-A-Querschnittsansicht von Fig. 1, wie sie in Pfeilrichtung gesehen
wird.
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Fig. 3 erklärt den Nockenhub.
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Fig. 4 zeigt eine Abbildung des Nockenhubes und der Ventilbeschleunigung eines
konventionellen Mechanismus zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes.
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Fig. 5 zeigt eine Abbildung des Nockenhubes und der Ventilbeschleunigung einer
Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes dieser Erfindung.
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Die Einzelheiten der Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des
Ventilhubes werden unten mit Bezug auf die Figuren der Zeichnungen beschrieben.
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Ein Niedrigdrehzahl-Nocken 3 und zwei auf beiden Seiten von diesem angeordnete
Hochdrehzahl-Nocken 4,4' zur Betätigung der den Durchlaß öffnenden/schließenden
Ventile 2,2' sitzen auf einer Nockenwelle 1, die ihrerseits durch das Lager 5 über den
Nockenträger 6 etc. auf dem Zylinderkopf 7 getragen wird.
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Der Niedrigdrehzahl-Nocken 3 und die beiden Hochdrehzahl-Nocken 4,4' bestehen mit
der Nockenwelle 1 aus einem Stück, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die Grundkreise
4a,4'a der Hochdrehzahl-Nocken 4,4' denselben Durchmesser wie der Grundkreis 3a des
Niedrigdrehzahl-Nockens 3 haben. Der Hub jedoch, d.h. der Vorsprung 4b,4'b der beiden
Hochdrehzahl-Nocken 4,4', ist etwas höher als der Vorsprung 3b des Niedrigdrehzahl-
Nockens 3. Alle drei Vorsprünge arbeiten phasengleich.
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Der direkt betätigte Stößel 8 wird vom Nockenträger 6 geführt und gleitet frei auf und ab,
und eine Feder 9 hält ihn fest nach oben gedrückt, so daß seine obere Kontaktfläche 8a in
Kontakt mit dem Niedrigdrehzahl-Nocken 3 bleibt. Ein Stößelbalken 10 ist mit dem
anderen Ende des direkt getriebenen Stößels 8 über eine Kugellagerverbindung 8b
gekoppelt, und die beiden Enden dieses Stößelbalkens 10 ruhen über Unterlegscheiben 11
auf den Aufnahmen für die Ventilfedern, während sie an den Stößeln 2a,2a' der den
Durchlaß öffnenden/schließenden Ventile 2,2' angebracht sind.
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Die kolbenartigen Stößel 13, die sich frei innerhalb des Nockenträgers 6 auf und ab
bewegen, sind direkt unterhalb der Hochdrehzahl-Nocken 4,4' angeordnet.
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Ein Kolbenpaar 13a, 13b bildet den kolbenartigen Stößel 13. Die obere Kontaktfläche 13c
des oberen Kolbens 13a bleibt in Kontakt mit dem Hochdrehzahl-Nocken 4 oder 4', indem
sie durch die Feder 14 ständig nach oben gedrückt wird. Der untere Kolben 13b befindet
sich innerhalb des Nockenträgers 6, wobei ihn eine Ölkammer 15 vom oberen Kolben 13a
trennt. Das untere Ende des unteren Kolbens 13b ist als eine Verbundeinheit an den Stößel
2a oder 2a' des den Durchlaß öffnenden/schließenden Ventils 2 oder 2' gekoppelt.
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Die den Durchlaß öffnenden/schließenden Ventile 2,2' sind die Einlaß- und Auslaßventile,
die die Durchlässe 16,16', die innerhalb des Zylinderkopfes 7 angeordnet sind, öffnen und
schließen und durch Federn 17,17' über die Ventilfederaufnahme 12 permanent nach oben
gedrückt werden.
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Ein Ölkanal 18, der mit einem elektromagnetischen Steuerventil 20 ausgestattet ist,
verbindet die Ölkammer 15 mit dem Schmierölkreislauf 19 des Motors.
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Dieses elektromagnetische Steuerventil 20 besteht aus einem Absperrventil 23, das durch
eine Feder 22 in eine Position vorgespannt ist, in der es den Ölfluß von der Ventilkammer
23 in die Ölkammer 15 verhindert, und aus einem elektromagnetischen
Spulenmechanismus 25, der eine Nadel 24 enthält, um das Absperrventil 23 aufzustoßen, wenn er
erregt wird. 26 ist die Schmierölpumpe, und 27 ist die Ölwanne.
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Wenn in der oben beschriebenen Konstruktion die Nockenwelle 1 synchron mit dem
Motor rotiert, rotieren der Niedrigdrehzahl-Nocken 3 und die Hochdrehzahl-Nocken 4,4',
die auf der Nockenwelle 1 vorgesehen sind, und treiben ihren entsprechenden direkt
betätigten Stößel 8 und den kolbenartigen Stößel 13 an. Wenn der Motor mit geringer
Drehzahl läuft, aktiviert ein vorher gesendetes Signal das elektromagnetische Steuerventil
20, wodurch die Nadel 24 das Absperrventil 23 aufdrückt und das Schmieröl aus der
Ölkammer 15 und dem Ölkanal 18 bis zur Ventilkammer 21 abfließen läßt.
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In diesem Zustand bewegt sich das untere Ende des oberen Kolbens 13a des kolbenartigen
Stößels 13 innerhalb der Ölkammer 15 unter der Wirkung der Hochdrehzahl-Nocken 4
oder 4' lediglich auf und nieder, ohne jeden Kontakt mit dem unteren Kolben 13b.
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Daraus folgt, daß die die Durchlässe öffnenden/schließenden Ventile 2,2' unter der
Wirkung des Niedrigdrehzahl-Nockens 3 und über den Stößelbalken 10 durch den direkt
angetriebenen Stößel 8 betätigt werden. Die Durchlässe 16,16' werden daher um kleine
Beträge und für kurze Zeitabschnitte geöffnet und geschlossen, wie es dem Nockenhub
und der Steuerzeit entspricht und durch die gepunktete Linie in Fig. 3 gezeigt ist.
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In einer solchen Situation steigt die Geschwindigkeit des Gases, das die die Durchlässe
öffnenden/schließenden Ventile 2,2' passiert, was zu einem Ansteigen der Motorenleistung
führt.
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Wenn die Maschine eine vorherbestimmte hohe Drehzahl erreicht, bei der ein Signal das
elektromagnetische Steuerventil 20 aktiviert und die Nadel 24 das Absperrventil 23 öffnet,
wird das Schmieröl vom Schmierölkreislauf 19 der Maschine zum Ölkanal 18 und zur
Ölkammer 15 hinter dem Absperrventil 23 geführt. Wenn in diesem Zustand der obere
Kolben 13a des kolbenartigen Stößels 13 durch den Hochdrehzahl-Nocken 4 oder 4' nach
unten gedrückt wird, überträgt das Schmieröl den Druck auf den unteren Kolben 13b und
drückt ihn nieder.
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Daraus folgt, daß die die Durchlässe öffnenden/schließenden Ventile 2,2' die Durchlässe
16,16' um größere Beträge und für längere Zeitabschmtte öffnen und schließen, wie es
dem Hub und der Steuerzeit der Hochdrehzahl-Nocken 4,4' entspricht und durch die
durchgezogene Linie in Fig. 3 gezeigt ist.
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In einer solchen Situation steigt der Betrag an Gas, der durch die die Durchlässe
öffnenden/schließenden Ventile 2,2' geht, und erzeugt eine hohe Motorenleistung, indem er
die Einlaß-Auslaß-Leistung vergrößert. Es muß nicht betont werden, daß während der
Zeit, in der die die Durchlässe öffnende/schließenden Ventile 2,2' durch die
Hochdrehzahl-Nocken
4,4' betätigt werden, auch der direkt getriebene Stößel 8 und der
Stößelbalken 10 unter der Wirkung des Niedrigdrehzahl-Nockens 3 auf und nieder bewegt
werden, doch verursacht diese Bewegung keinerlei Störung, weil der Hub der
Hochdrehzahl-Nocken 4 oder 4' viel größer als der Hub des Niedrigdrehzahl-Nockens 3 ist.
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In dem oben beschriebenen Mechanismus gibt es keinen Nockenhubverlust, weil der
Nockenhub und die Steuerzeit dadurch verändert werden, daß die Ölkammer 15 mit
Schmieröl gefüllt wird (bei hohen Drehzahlen) und indem das Öl aus der Kammer
ausfließen gelassen wird (bei niedrigen Drehzahlen). Nochmals, weil die Gleitfläche auf
dem Nockenprofil, die den Normalbetrieb des dynamischen Ventilmechanismus
gewährleistet, auch während des gesamten Betriebes benutzt wird, ist die Beschleunigung der
Ventile zum Zeitpunkt des Öffnens und des Schließens gering und normal, wie in Fig. 5
gezeigt ist. Daher ist der Lärm gering, und was von noch größerer Bedeutung ist, die
Ventile sind prellfrei, wenn sie die Durchlässe öffnen und schließen.
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Der Mechanismus zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des Ventilhubes dieser
Erfindung, der oben beschrieben wurde, besteht aus Niedrigdrehzahl- und Hochdrehzahl-
Nocken, die phasengleich auf der Nockenwelle von Motoren mit oben liegender
Nockenwelle vorgesehen sind, wobei der Hochdrehzahl-Nocken einen größeren Hub als der
Niedrigdrehzahl-Nocken besitzt, obwohl der Grundkreisdurchmesser der beiden derselbe
ist, wobei der Niedrigdrehzahl-Nocken an die oder das den Durchlaß öffnenden und
schließenden Ventile über einen direkt getriebenen Stößel gekoppelt ist, wobei der
Hochdrehzahl-Nocken auch an dasselbe Ventil über einen kolbenartigen Stößel gekoppelt ist,
der aus einem Kolbenpaar besteht, das mit einer zwischen ihnen liegenden Ölkammer in
einem Träger abgedichtet angeordnet ist, und wobei die Ölkammer mit dem
Schmierölkreislauf des Motors durch einen Ölkanal verbunden ist, der mit einem Steuerventil
ausgestattet ist. Diese Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeit und des
Ventilhubes mit dem sogenannten "direct attack-type dynamic valve mechanism", bei dem der
Nocken das Ventil direkt ohne Kipphebel und Verbindungsmechanismen betätigt, hat
aufgrund der obigen Konstruktion große Vorteile. Sie löst z.B. die Probleme, die durch
die Unfähigkeit der Kipphebel etc. erzeugt werden, bei hoher Drehzahl wegen nicht
adäquater Starrheit des dynamischen Ventilsystems mit dem Ventil Schritt zu halten; sie
führt zu hoher Leistung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen; sie leidet
nicht an Hubverlust, wie es bei der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung 59-
101515 der Fall ist; sie kann in richtiger Weise die Ventilsteuerzeit und den Ventilhub
gemäß hoher oder niedriger Drehzahl des Motors auswählen; und sie hat geringe
Ventilbeschleunigungen.