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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verbrennungsmotoren und
insbesondere auf eine Kompressionsentlastungs- und Druckentlastungseinrichtung
für Viertaktmotoren.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Kompressionsentlastungseinrichtungen
für Viertaktmotoren
sind in der Technik sehr bekannt. Im Allgemeinen werden Mittel vorgesehen,
um eines der Ventile in dem Verbrennungsraum des Zylinderkopfes
während
des Verdichtungshubes leicht geöffnet zu
halten, während
der Motor angelassen wird. Diese Betätigung baut die Kraft der Kompression
in dem Zylinder während
des Startens teilweise ab, so dass die Anforderungen an das Startdrehmoment
des Motors erheblich vermindert werden. Wenn der Motor startet und
Fahrgeschwindigkeiten erreicht, wird die Kompressionsentlastungseinrichtung
untätig
gehalten, so dass der Motor seine volle Leistung erreichen kann.
Es ist normalerweise vorteilhaft für die Kompressionsentlastungseinrichtung,
dass sie dem Auslassventil zugeordnet wird, so dass die normale
Strömung
des Benzin/Luft-Gemischs durch das Einlassventil in den Brennraum
hinein und die Ausscheidung von verbrauchten Gasen durch das Auslassventil nicht
unterbrochen wird, und die normale Richtung der Strömung durch
den Brennraum nicht umgekehrt wird. Beispiele von Kompressionsentlastungseinrichtungen
für Viertaktmotoren
sind zahlreich und teilen ein gemeinsames Prinzip, welches die Aktivierung
einer Ventilversatzeigenschaft bei niedrigen Kurbelwellengeschwindigkeiten,
das heißt
beim Anlassen, umfasst, und die Deaktivierung derselben bei wesentlich höheren Kurbelwellengeschwindigkeiten,
das heißt im
Fahrmodus.
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Heutzutage
erfordern herkömmliche
Viertaktmotoren ein wesentliches Ausmaß an Drehmoment, um den Motor
während
des Arbeitshubs in Umlauf zu bringen, wenn keine Verbrennung stattfindet. Dies
ist so, weil sich der Kolben dann nach unten gegen eine Druckdifferenz
aufgrund der zunehmenden Saugkraft, die aus der teilweisen Entladung
von Gas aus dem Zylinder während
des unmittelbar vorausgehenden Verdichtungs-/Kompressionshubs herrührt, bewegt.
Der Anstieg des erforderlichen Drehmoments entspricht einer wesentlichen
Betätiger-
oder Starterkraft, welche erforderlich ist, um den Kolben nach unten
gegen die Druckdifferenz zu bewegen.
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Als
Reaktion auf das Drehmoment, welches durch eine solche Ansaugung/Saugkraft
entwickelt wird, wird bei einem Verbrennungsmotor gemäß des Standes
der Technik vorgeschlagen, eine profilierte Nocke zu verwenden,
welche arbeitet, um das Ventil zwischen den Verdichtungs- und Arbeitshüben länger geöffnet zu
halten. Das Drehmoment zum Anlassen wurde durch diese Einrichtung
vermindert, aber die Kompression und entsprechend die Motorleistung
würden
sich wesentlich verminderern, im Vergleich zu herkömmlichen
Motoren, welche die traditionellen „birnenförmigen" Nocken verwenden. Noch eine weitere
Einrichtung gemäß des Standes
der Technik verwendet eine leichte Feder, welche auf der Schaftseite
des Auslassventils angeordnet ist, um das Ventil während des
Anlassens geöffnet
zu halten. Es würden
jedoch signifikante Einlass- und Auslasskrümmerdrücke erforderlich sein, um das
Auslassventil zu schließen,
und somit sind längere
Zeiten und eine vergrößerte Anstrengung
des Benutzers erforderlich, um den Motor zu starten.
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Andere
Einrichtungen, welche Drehmoment kompensieren, das als ein Ergebnis
der Saugkraft, welche sich während
des Arbeitshubs entwickelt, verursacht wird, sind in der Provisional-Patentanmeldung
mit der Nummer 60/231,818, eingereicht am 11. September 2000, und
der Patentanmeldung mit der Nummer 09/760,953, eingereicht am 15.
Januar 2001, offenbart, wobei beide Anmeldungen auf den Inhaber
der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden.
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Die
Einrichtung, welche in der Provisional-Patentanmeldung mit der Nummer
60/231,818 offenbart wird, verwendet ein Sattelelement, welches an
einem zugänglichen
Bereich der Nockenwelle verstiftet ist und umfasst ein Paar von Hilfsnocken,
um nacheinander die Kompression und das Vakuum durch Anheben des
Auslassventils zu entlasten, während
geeigneten Bereichen der Kompression/Verdichtung und des Arbeitshubs
bei Motoranlassgeschwindigkeiten. Die Einrichtung, welche in der
Patentanmeldung mit der Nummer 09/760,953 offenbart ist, verwendet
ein Betätigungselement,
welches entlang der Länge
der Nockenwelle drehbar befestigt ist, welches ein kompressionsentlastendes Betätigungsende
in einem Eingriff mit einem Vakuumentlastungselement aufweist, um
nacheinander die Kompression und das Vakuum zu entlasten, durch Anheben
des Auslassventils, während
geeigneten Bereichen des Kompressions- und Arbeitshubs bei Anlassgeschwindigkeiten
des Motors.
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Obwohl
sie wirkungsvoll ist, ist die Einrichtung des Satteltyps nicht leicht
an einige existierende Motorausführungsformen
anpassbar. Herkömmliche Ausführungen
des Motorkurbelgehäuses
erfordern Modifikationen beim Gießen und maschinellen Bearbeiten,
bevor diese Entlastung implementiert werden kann. Auf ähnliche
Art und Weise erfordert die Einrichtung des Betätigungselementtyps signifikante
zusätzliche
Modifikationen beim maschinellen Bearbeiten und Gießen der
Nockenwelle, um diese Entlastung auszuführen.
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Dementsprechend
wird gewünscht,
eine Entlastungseinrichtung darzustellen, welche das signifikante
Drehmoment angeht, welches durch beides entwickelt wird, die Kompressions-
und Arbeitshübe, und
eine, welche wirkungsvoll im Betrieb und relativ einfach in ihrem
Aufbau ist. Es wird ferner gewünscht,
eine Entlastungseinrichtung darzustellen, welche dieses signifikante
Drehmoment angeht, und welche nachrüstbar bei einer wesentlichen
Anzahl von existierenden Kurbelgehäusen von Motoren ist, ohne
eine signifikante Modifikation des Motors.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Nachteile der Verbrennungsmotoren des Standes der Technik durch
Vorsehen einer mechanischen Kompression- und Vakuumentlastung mit
einem einfachen Aufbau, umfassend ein Betätigungselement, welches hin-
und hergehend innerhalb einer Nockenwelle getragen wird und im Eingriff
mit einem zentrifugal aktivierten Fliehgewicht steht, wobei die
Bewegung des zentrifugalen Fliehgewichts eine radiale Verschiebung
(Translation) eines Vakuumentlastungselementes durch das Betätigungselement
verursacht, und das Vakuumentlastungselement in einem anhebenden
Eingriff mit einem von den Einlass- oder Auslassventilen steht.
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Ein
Viertakt-Verbrennungsmotor wird zur Verfügung gestellt und umfasst einen
Zylinderblock, welcher einen Zylinder in sich aufweist und ferner
einen Kolben, welcher hin- und hergehend innerhalb des Zylinders
angeordnet ist. Der Kolben steht mit einer Kurbelwelle in einem
Wirkeingriff. Wenigstens ein Einlassventil und ein Auslassventil
werden wechselseitig durch eine Nockenwelle angetrieben. Eine Vakuumentlastungseinrichtung
umfasst ein Betätigungselement,
welches hin- und hergehend (wechselseitig) innerhalb der Nockenwelle
für eine
Translation/Verschiebung entlang einer Achse getragen wird. Ein
zentrifugal aktiviertes Fliehgewichtselement steht im Eingriff mit
dem Betätigungselement,
und die Rotation der Nockenwelle mit Geschwindigkeiten oberhalb
der Anlassgeschwindigkeit des Motors verursacht, dass das Fliehgewichtelement
das Betätigungselement
aus einer ersten Position in eine zweite Position bewegt. Ein Vakuumentlastungselement wird
bewegbar innerhalb der Nockenwelle getragen und steht im Eingriff
mit dem Betätigungselement, wobei
die Schiebebewegung des Betätigungselementes
eine Bewegung des Vakuumentlastungselementes verursacht. Das Betätigungselement
und das Fliehgewicht werden in die erste Position bei Anlassgeschwindigkeiten
des Motors gezwungen und werden durch das Fliehgewichtelement durch
die Zentrifugalkraft bei Betriebsgeschwindigkeiten/Fahrgeschwindigkeiten
des Motors in die zweite Position bewegt. Das Vakuumentlastungselement
steht in der ersten Position in einem anhebenden Eingriff mit einem
der Ventile, während
wenigstens eines Bereichs des Arbeitshubs des Kolbens, und steht
in der zweiten Position außerhalb
eines anhebenden Eingriffs mit einem der Ventile.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine Kompressionsentlastungseinrichtung
zur Verfügung. Das
Kompressionsentlastungselement wird bewegbar innerhalb der Nockenwelle
getragen und steht in der ersten Position, welche mit wenigstens
einem Bereich des Kompressionshubs/Verdichtungshubs des Kolbens
zusammenfällt,
in einem anhebenden Eingriff mit einem der Ventile. Das Kompressionsentlastungselement
und das Vakuumentlastungselement erreichen in der ersten Position
nacheinander einen anhebenden Eingriff mit einem der Ventile, und
das Kompressions- und das Vakuumentlastungselement stehen in der
zweiten Position außerhalb
eines anhebenden Eingriffs mit einem der Ventile.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Motor darzustellen,
welcher eine mechanische Vakuumentlastungseinrichtung aufweist,
die eine wesentliche Betätiger-
oder Anlasserkraft, die durch Saugkräfte, die auf den Kolben während des Arbeitshubs
bei Anlassgeschwindigkeiten des Motors wirken, verursacht wird, überwindet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung darzustellen, welche bei existierenden
Kurbelgehäusen
von Motoren leicht nachrüstbar ist,
wobei die Entlastungseinrichtung innerhalb des Profils von existierenden
Nockenwellenaufbauten angeordnet ist. Diese und andere Aufgaben,
Vorteile und Merkmale werden gelöst
beziehungsweise erreicht, entsprechend den Einrichtungen, Aufbauten und
Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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Die
oben genannten und andere Merkmale und Aufgabe dieser Erfindung
werden deutlicher werden, und die Erfindung selbst wird besser verständlich,
durch Bezug auf die nachfolgende Beschreibung einer Ausführung der
Erfindung, zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen, in
welchen:
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Die 1 eine geschnittene Ansicht
eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit einem einzigen Zylinder ist,
welcher eine mechanische Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
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die 2 eine Ansicht in Explosionsdarstellung
einer Nockenwelle und einer mechanischen Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung aus
der 1 ist, welche die
Nocke mit teilweisen Ausbrüchen
zeigt, um die Struktur der Nockenwelle, welche die Vakuum- und Kompressionsentlastungsstifte
aufnimmt, aufzudecken;
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die 3 eine Draufsicht einer
Nockenwelle und einer mechanischen Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung
aus der 1 ist, welche den
Vakuumentlastungsstift zeigt, ausgefahren außerhalb des Profils des Nockens
entsprechend des Anlassens des Motors;
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die 4A eine bruchteilhafte,
geschnittene Ansicht der Nockenwelle und der mechanischen Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung zeigt, aufgenommen entlang der
Linie 4–4
aus der 3, wobei die
Ansicht den Kompressions- und Vakuumentlastungsaufbau in der Anlassposition
mit den Vakuum- und Kompressionsentlastungsstiften nach außen über das
Profil der Nocke hinaus ausgefahren zeigt;
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die 4B eine bruchteilhafte,
geschnittene Ansicht der Nockenwelle und der mechanischen Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung, gezogen entlang der Linie 4–4 aus der 3, zeigt, welche den Kompressions-
und Vakuumentlastungsaufbau in der Fahrposition mit den Vakuum-
und Kompressionsentlastungsstiften unterhalb des Profils der Nocke
zurückgewichen
und mit dem Fliehgewicht nach außen gedreht zeigt;
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die 5A eine bruchteilhafte geschnittene Ansicht
des Motors, welcher in der 1 gezeigt
ist, ist, welche den Kompressions- und Vakuumentlastungsaufbau in
der Anlassposition darstellt, wobei der Kompressinnsentlastungsstift
in einer ausgefahrenen Position, um den Druck, der in dem Zylinder ausgebildet
wird, zu entlasten, gezeigt wird;
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die 5B eine bruchteilhafte geschnittene Ansicht
des Motors, welcher in der 1 gezeigt
ist, ist, welche den Kompressions- und Vakuumentlastungsaufbau in
der Anlassposition darstellt, wobei der Vakuumentlastungsstift in
einer ausgefahrenen Position, um das Vakuum, welches in dem Zylinder ausgebildet
wird, zu entlasten, gezeigt wird; und
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die 6 eine bruchteilhafte, geschnittene Ansicht
des Motors, welcher in der 1 gezeigt
ist, ist, welche den Kompressions- und Vakuumentlastungsaufbau in
der Fahrposition zeigt, wobei die Kompressions- und Vakuumentlastungselemente
unterhalb der Oberfläche
des Nocken zurückgezogen und
das Fliehgewicht nach außen
gedreht gezeigt werden.
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Sich
entsprechende Bezugszeichen bezeichnen sich entsprechende Teile
in den verschiedenen Ansichten. Obwohl die Zeichnungen eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellen, sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise
maßstäblich, und
bestimmte Merkmale können
hervorgehoben sein, um die vorliegende Erfindung besser darzustellen
und zu erklären.
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Bezugnehmend
nun auf die Figuren und insbesondere auf die 1 ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor 10 mit
einem einzigen Zylinder dargestellt, welcher eine mechanische Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist. Der Motor 10 umfasst einen Zylinderblock 14,
eine Kurbelwelle 16 und einen Kolben 18, wobei
der Kolben in einer Wirkverbindung durch die Verbindungsstange 20 an
die Kurbelwelle 16 angeschlossen ist. Der Kolben 18 arbeitet
mit dem Zylinderblock 14 und dem Zylinderkopf 22 zusammen,
um einen Verbrennungsraum 24 auszubilden. Eine Zündkerze 26,
welche in dem Zylinderkopf 22 befestigt ist, zündet das
Benzin/Luft-Gemisch,
nachdem dieses in die Brennkammer 24 durch ein Einlassventil
(nicht gezeigt) während
des Einlasshubs gezogen worden ist und während des Kompressionshubs
des Kolbens 18 verdichtet worden ist. Der Zündfunke
ist normalerweise zeitlich abgestimmt, um das Benzin/Luft-Gemisch
zu zünden,
gerade bevor der Kolben 18 seine Aufwärtsbewegung auf dem Kompressionshub vervollständigt hat.
Das Benzin/Luft-Gemisch wird in die Verbrennungskammer 24 aus
dem Vergaser des Motors durch eine Einlasspassage gezogen, gesteuert
durch das Einlassventil, und die Verbrennungsprodukte werden aus
dem Zylinder während
des Auslasshubs durch die Auslassöffnung 28 ausgetrieben,
gesteuert durch das Auslassventil 30 des Tellerventiltyps.
Obwohl entweder das Auslass- oder
das Einlassventil geöffnet
werden können,
um die Kompression/Verdichtung und das Vakuum während des Anlassens zu entlüften, soll
zur Kenntnis genommen werden, dass vorzugsweise das Auslassventil 30 mit
der Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung 12 zusammenarbeitet, auf
eine Art und Weise, welche nachfolgend hier diskutiert wird.
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Andere
herkömmliche
Teile der ventilbetätigenden
Einrichtung umfassen das Zeitsteuerungszahnrad (Timing-Zahnrad) 32,
welches auf der Kurbelwelle 16 für eine Drehung mit derselben
montiert ist, und den Nockenwellenaufbau 36, welcher die
mit Nocken versehene Nockenwelle 35 umfasst, und ferner
das kreisförmige
Nockenwellenzahnrad 34, welches durch das Zeitsteuerungszahnrad 32 angetrieben
wird, um dadurch die Nockenwelle 35 mit der halben Geschwindigkeit
der Kurbelwelle anzutreiben. Die Nockenwelle 35 umfasst
jeweils herkömmliche birnenförmige Auslass-
und Einlassnockenwellennocken 38 und 40 (1 und 2), welche sich mit der Nockenwelle 35 um
die Drehachse 37 (2)
drehen, um den Einlass- und Auslassventilen jeweils über Einlass-
oder Nockenstößel (nicht
gezeigt) und Auslassnockenstößel 42 eine
hin- und hergehende Bewegung zu vermitteln. Obwohl die 1 die Kompressions- und
Vakuumentlastungseinrichtung in einem Motor mit untengesteuertem
Ventil darstellt, ist dies nur ein Motortyp, und es wird vorgesehen,
dass die Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung für andere
Motortypen verwendbar ist, wie zum Beispiel OHV- und OHC-Motoren
(Motoren mit obengesteuertem Ventil und Motoren mit obenliegender Nockenwelle),
und entweder vertikalen oder horizontalen Wellenausrichtungen. Ferner
können
mehrere Kompressions- und Vakuumentlastungen gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem Motor verwendet werden, welcher mehrere Zylinder aufweist,
wie zum Beispiel in einem Motor mit V-förmig angeordneten (V-twin)
Zylindern.
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Der
Auslassventilzug ist in der 1 gezeigt und
umfasst einen Auslassnockenstößel 42,
welcher eine Fläche 44 aufweist,
welche angepasst ist, um sich tangential gegen die auf dem Umfang
angeordnete Lagerfläche 46 des
Auslassnockenwellennockens 38 abzustützen und mit dieser in einer
kontinuierlichen nachfolgenden Beziehung zu verbleiben. Der Nockenstößel 42 gleitet
im Führungsvorsprung 48 des
Blockes 14, und sein oberes Ende drückt gegen die Spitze 50 des
Ventils 30. Im Betrieb hebt der Stößel 42 den Schaft 52 des
Auslassventils 30 an, was die Fläche 54 des Ventils 30 von
dem Ventilsitz 56 anhebt. Die Ventilfeder 58 umschließt den Schaft 52 zwischen
der Ventilführung 60 und
dem Federhalter 62. Die Feder 58 drückt das
Ventil 30 in die geschlossene Stellung und drückt ferner
den Nockenstößel 42 in
einen nachführenden
Kontakt mit der Oberfläche 46 des
Auslassnockens 38.
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Bezugnehmend
auf die 2 bis 3 umfasst der Nockenwellenaufbau 36 ein
scheibenförmiges Nockenwellenzahnrad 34 und
eine verlängerte
Nockenwelle 35, welche sich axial durch das Nockenwellenzahnrad 34 hindurch
erstreckt. Die Nockenwelle 35 umfasst ein erstes Ende 64 (3), welches axial durch
eine seitliche Oberfläche
des Nockenwellenzahnrads 34 ausgestreckt ist, und ein zweites Ende 66,
welches relativ zu dem ersten Ende 64 nach außen verlängert ist.
Die ersten und zweiten Enden 64, 66 der Nockenwelle 35 werden
drehbar durch den Motorblock 14 durch jeweilige Lageraufbauten
getragen, wie es üblich
ist. Bezugnehmend auf die 2 bestehen
das Nockenwellenzahnrad 34 und die Nockenwelle 35 typischerweise
aus einem einzigen Pulvermetall, sind geschmiedet oder bestehen
aus einer Spritzgusskomponente, welches/welche die Drehachse 68 aufweist.
Die Nockenwelle 35 umfasst die birnenförmigen Auslass- und Einlassnocken 38, 40.
Die Auslass- und Einlassnocken 38, 40 sind mit
jeweiligen Lagerungsoberflächen 46, 70 versehen,
welche sich in einer kontinuierlich im Eingriff stehenden Beziehung
mit den jeweiligen Stößeln (Auslassventilstößel 42,
welcher in der 1 gezeigt ist)
befinden.
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Bezugnehmend
auf die 3 umfasst die Nockenwelle 35 eine
zylindrische äußere Oberfläche 72,
welche eine erste Bohrung 74 aufweist, die ein gestuftes
Profil aufweist, welche sich durch die Oberfläche 72 der Nocke 35 hindurch
erstreckt. Bezugnehmend auf die 4A, 4B wird die gestufte Bohrung 74 durch
eine zylindrische erste innere Oberfläche 76 und eine zweite
innere Oberfläche 77 gebildet.
Die zweite innere Oberfläche 77 umfasst
einen Durchmesser, welcher kleiner ist als der der ersten inneren
Oberfläche 76.
Eine zweite Bohrung oder Querbohrung 78 ist innerhalb der äußeren Oberfläche 72 der
Nockenwelle 35 vorgesehen, wird jedoch bis auf eine solche
Tiefe gehalten, dass sie sich nicht vollständig durch die Nockenwelle 35 erstreckt.
Ein Betätigungselement
oder Kompressionsentlastungsstift 80 ist lose innerhalb
der ersten Bohrung 74 der Nockenwelle 35 eingefügt, so dass
er wechselseitig durch die Wandbereiche 76, 77 getragen
wird. Ein Vakuumentlastungsstift 82 ist lose innerhalb
der Querbohrung 78 eingefügt und umfasst einen Durchmesser,
welcher etwas kleiner als derjenige der Querbohrung 78 innerhalb
der Nockenwelle 35 ist, so dass sich der Vakuumentlastungsstift 82 frei
darin hin- und her bewegt.
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Der
Vakuumentlastungsstift 82 arbeitet mit dem Kompressionsentlastungsstift 80 zusammen, um
eine Vakuumentlastung für
den Motor 10 zur Verfügung
zu stellen, wie nachfolgend hier beschrieben wird. Der Vakuumentlastungsstift 82 umfasst
eine Öffnung 84,
welche radial innerhalb des Stiftes 82 positioniert ist
und eine profilierte Kante 85, wie zum Beispiel eine Fase,
welche innerhalb des Stiftes 82 an dem Eingang der Öffnung 84 vorgesehen
ist. Der Kompressionsentlastungsstift 80 umfasst ein erstes Ende 86,
ein zweites Ende 88 und eine kegelstumpfförmige Betätigungsoberfläche 90,
welche in der Mitte dort zwischen positioniert ist. Das zweite Ende 88 umfasst
einen kleineren Durchmesser relativ zu dem ersten Ende 86 des
Kompressionsentlastungsstiftes 80, und sich entsprechende
Enden 86, 88 werden jeweils hin- und hergehend
durch die inneren Oberflächen 76, 77 der
Nockenwelle 35 entlang der Verschiebungsachse 89 (2) geführt. Der Kompressionsentlastungsstift 80 erstreckt
sich durch die Öffnung 84 innerhalb
des Vakuumentlastungsstiftes 82, und man kann sehen, dass
die Bewegung des Stiftes 80 eine Bewegung des Stiftes 82 entlang
einer zweiten Achse 83 (2) erzwingt.
Der Kompressionsentlastungsstift 80 wirkt insbesondere
als eine Betätigungseinrichtung
auf den Vakuumentlastungsstift 82, durch eine Schiebebewegung
der Betätigungsoberfläche 90,
wenn sie die profilierte Kante 85 des Vakuumentlastungsstiftes 82 angreift.
Als ein Ergebnis dehnt sich der Vakuumentlastungsstift 82 radial aus,
wenn die Betätigungsoberfläche 90 des
Kompressionsentlastungsstiftes 80 an der profilierten Kante 85 des
Vakuumentlastungsstiftes 82 angreift.
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Bezugnehmend
auf die 2 umfasst die Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung 12 einen Fliehgewichtsaufbau 92,
welcher ein sichelförmiges
Fliehgewicht 94 aufweist, das mit einem nockenförmigen Bereich 96 versehen
ist, welcher radial nach außen
aus der seitlichen Oberfläche 93 des Fliehgewichts 94 herausragt.
Der nockenförmige
Bereich 96 umfasst eine erste Bohrung 98a, welche
sich durch die seitliche Oberfläche 93 des
Fliehgewichts 94 erstreckt, und eine zweite Durchgangsbohrung 98b,
welche mit Abstand zu der ersten Bohrung 98a angeordnet
ist und relativ zu dieser ausgerichtet ist. Die Bohrungen 98a und 98b sind
etwas größer im Durchmesser
als der Stiel/Stift 100, um eine ununterbrochene Drehung
des Fliehgewichts 94 über
dem Stift 100 zu erleichtern. Das Fliehgewicht 94 ist
angeschlossen an und wird drehbar getragen durch den Nocken 38 über den
Stift 100. Der Stift 100 ist mit Übermaß in die
Durchgangsbohrung 104 in der seitlichen Oberfläche 102 des
Nockens 38 eingesetzt. Der Fliehgewichtaufbau 92 umfasst
ferner eine Torsionsfeder 105, wie am besten in den 2 und 3 gezeigt ist, welche das Fliegewicht 94 in
Richtung der Nockenwelle 35 drückt, so dass die innere Anschlagkante 103 des
Fliehgewichts 94 an der ringförmigen Anschlagoberfläche 107 der
Nockenwelle 35 anstößt, wenn
sich der Motor in dem Anlasszustand (das heißt, dass keine Zentrifugalkraft
auf das Fliehgewicht 94 einwirkt) befindet.
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Bezugnehmend
auf die 2 kann die Kompressions-
und Vakuumentlastungseinrichtung 12 an dem Nockenwellenaufbau 36 wie
folgt angebaut werden: Der Vakuumentlastungsstift 82 wird
in die Bohrung 78 hinein eingefügt; der Kompressionsentlastungsstift
wird in seine entsprechende Bohrung 74 in der Nockenwelle 35 eingesetzt,
wobei ein Ende 112 sich durch die Öffnung 84 in dem Vakuumentlastungsstift 82 erstreckt;
die Torsionsfeder 105 wird auf dem nockenförmigen Bereich 96 des
Fliehgewichts 94 angeordnet; und der Fliegewichtaufbau 92 wird
an den Nockenwellenaufbau 36 dadurch angeschlossen, dass
zuerst die Bohrungen 98a, 98b des Fliehgewichts 94 mit
der Bohrung 104 in dem Nocken 38 ausgerichtet
werden und der Stift 100 durch die ausgerichteten Bohrungen 98a, 98b und 104 gepresst wird,
um den Fliehgewichtsaufbau an dem Nockenwellenaufbau 36 anzuschließen. Es
ist zu bemerken, und wie am besten in den 4A, 4B gezeigt
ist, wird der Kompressionsentlastungsstift 80, sobald er
montiert worden ist, zwischen dem nockenförmigen Bereich 96 des
Fliehgewichts 94 und der Nockenwelle 35 gehalten,
und der Vakuumentlastungsstift 82 wird durch das Ende 112 des
Kompressionsentlastungsstifts 80, welches sich durch diesen
hindurch erstreckt, gehalten.
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Wie
man am besten in der 4A sehen kann,
ist das Fliehgewicht 94 in einer ersten Position entsprechend
einem Start- oder Anlassmodus des Motors gezeigt. Im Gegensatz dazu
ist das Fliehgewicht 94 in einer zweiten Position dargestellt,
wie in der 4B gezeigt
ist, entsprechend einem Fahrmodus des Motors. Insbesondere mit Bezug
auf die 4B verursacht
eine signifikante Nockenwellendrehung, dass die Zentrifugalkraft
auf das Fliehgewicht 94 wirkt, und als ein Ergebnis wird
das Fliehgewicht 94 in seine radial äußere Position gebracht. In dieser
Position berührt
die Anschlagkante 106 auf dem Fliehgewicht 94 die
ringförmige
Anschlagkante 107 des Nocken 35, um die radiale
Bewegung des Fliehgewichts 94 zu begrenzen.
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In
der Anlassposition des Motors, welche in der 4A dargestellt ist, erzwingt der nockenförmige Bereich 96 des
Fliehgewichts 94 eine Ausdehnung des Kompressionsentlastungsstiftes 80 nach außen, dadurch,
dass die Fläche 108 des
Stiftes 80 in einem nachführenden Eingriff mit der Oberfläche 110 des
nockenförmigen
Bereichs 96 steht. Der Vakuumentlastungsstift 82 umfasst
einen Anhebebereich 114, welcher durch die Stößeloberfläche 90 des Kompressionsentlastungsstifts 80,
welcher im Eingriff mit der profilierten Kante 85 des Vakuumentlastungsstiftes 82 steht,
radial nach außen
gedrückt wird,
wie in der 4A dargestellt
ist. Im Gegensatz dazu, wenn der Motor sich in dem Fahrzustand befindet,
führt die
nach außen
schwingende Bewegung des Fliehgewichts 94 dazu, dass sich
die Nockenoberflärhe 110 weg
von der Fläche 108 des
Kompressionsentlastungsstiftes 80 bewegt, und als ein Ergebnis
wird der Kompressionsentlastungsstift 80 in eine Position
unterhalb der Lagerungsfläche 46 des
Nockens 38 gedrückt,
weil der Anhebebereich 112 des Kompressionsentlastungsstiftes 80 durch
den Nockenstößel 42 berührt wird
( 1).
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Die
Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung 12 vermindert
Anlasskräfte,
welche durch die Kompression und das Vakuum aufeinanderabfolgend
auf den Kolben 18 wirken, wie hier nachfolgend beschrieben
wird. Bezugnehmend auf die 5A kann
man sehen, dass die Oberfläche 110 des
nockenförmigen
Bereichs 96 des Fliehgewichtaufbaus 92 eine nach
außen
ausgedehnte Position auf den Anhebebereich 112 des Kompressionsentlastungsstifts 80 bewirkt.
Konsequenterweise versetzt der Kompressionsentlastungsstift 80 den
Stößel 42,
welcher das Auslassventil 30 versetzt, und als ein Ergebnis
wird die Fläche 54 des
Ventils 30 von ihrem Sitz 56 abgehoben, um dadurch
zu ermöglichen,
dass Gas, welches innerhalb des Zylinders einem Druckaufbau unterliegt,
während
eines Bereichs des Kompressionshubs/Verdichtungshubs austritt. Mit
Bezug auf die 5B, welche
darstellt, dass der Nockenwellenaufbau 36 sich näherungsweise
90 Grad in einer Richtung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gedreht
hat, wie durch den Pfeil 116 in der 5A angedeutet wird, kann man sehen, dass
der Anhebebereich 114 des Vakuumentlastungsstiftes 82 in
einem anhebenden Eingriff mit dem Nockenstößel 42 steht, und
das Ventil 30 von seinem Sitz abgehoben wird, um dadurch
Saugkräfte,
welche auf den Kolben 18 wirken, während wenigstens eines Bereichs
des Arbeitshubs zu reduzieren. Bemerkenswerterweise, entsprechend
einer Nockenwellendrehung zwischen den Positionen, welche in den 5A und 5B gezeigt sind, ist das Ventil 30 vorzugsweise
geschlossen.
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Im
Gegensatz dazu, und wie man am besten in der 6 sehen kann, bewirkt die Drehung des Nockenwellenaufbaus 36 mit
Fahrgeschwindigkeit, während
die Einrichtung 12 sich in ihrer ausgeschalteten Position
befindet, welche allgemein als die „Fahr-"Position des Motors bezeichnet werden
kann, eine normale Betätigung
des Ventils 30, so dass das Ventil 30 in einer
zeitlich abgestimmten, periodischen Beziehung mit der Bewegung des
Kolbens 18 öffnet und
schließt,
entsprechend gewöhnlicher
Praxis des Motor-Timings. Gleichzeitig werden die Anhebebereiche 112 und 114 der
Kompressions- und Vakuumentlastungsstifte 80 und 82 auf
eine Position unterhalb der Lageroberfläche 46 des Auslassnocken 38 zurückgezogen,
und die Anhebung des Ventils ist nur von der Kontur der Lagerungsoberfläche 46 des
Nocken 38 abhängig.
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Der
Auslassnocken 38 ist derart angepasst, dass er das Ventil 30 nahe
dem Ende des Arbeitshubs öffnet
und dasselbe während
der Bewegung des Kolbens nach oben auf dem Auslasshub geöffnet hält, bis
sich der Kolben etwas über
den Totpunkt hinwegbewegt hat. Wenn der Nockenwellennocken 38 mit
der Drehung fortfährt,
drückt
die Feder 58 den Nockenstößel 42 nach unten,
und das Ventil 30 wird wieder auf seinen Sitz bewegt. Das
Ventil 30 wird während
der nachfolgenden Einlass-, Kompressions- und Arbeitshübe geschlossen
gehalten. Der Einlassnockenwellennocken 40 weist auf eine ähnliche
Art und Weise herkömmlich
befestigte Konfiguration auf, um das Einlassventil (nicht gezeigt)
derart zu steuern, dass es vollständig schließt, kurz nachdem der Kolben
seinen Kompressionshub beginnt, und während der nachfolgenden Arbeits-
und Auslasshübe geschlossen
bleibt, und wieder öffnet,
um das Benzingemisch während
des Einlasshubs einzulassen. Bei einem herkömmlichen Motor wird vorgesehen, dass
die Einlass- und Auslassventile während eines Hauptbereiches
des Arbeitshubs normalerweise geschlossen sind, was zu einem nachteiligen
und physikalisch anstrengendem Anlassen des Motors führt, weil
der Kolben gegen ein Vakuum gezogen werden muss.
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Durch
Einbinden der Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung 12 innerhalb
des Motors 10 wird eine Kompressions- und Vakuumentlastung nacheinander
bei Anlassgeschwindigkeiten erreicht, um die Anlassanstrengungen
erheblich zu reduzieren und dadurch das Starten zu erleichtern.
Zudem ist die Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung abhängig von
Motorgeschwindigkeiten, so dass sie automatisch außer Betrieb
bei Fahrgeschwindigkeiten des Motors gehalten wird, so dass es dort
keinen Kompressionsverlust gibt, welcher den Wirkungsgrad des Motors
vermindert, wenn er unterhalb seiner eigenen Leistung läuft.
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Die
Kompressions- und Vakuumentlastungseinrichtung 12 bewirkt
die Anhebung des Auslassventils 30 relativ zu der Drehung
der Kurbelwelle 16, wie hier nachfolgend beschrieben wird.
Mit Bezugnahme auf die 1 stellt
der Motor 10 vier Hübe des
Kolbens 18 zur Verfügung,
um einen Betriebszyklus des Motors zu vervollständigen, welcher mit einer Drehung
von 720° der
Kurbelwelle 16 zusammenfällt. Auf dem Einlasshub bewegt
sich der Kolben 18 nach unten, ausgehend von der Spitze
seiner Bewegung (welche als oberer Totpunkt oder TDC (top dead center)
bezeichnet wird) zu dem Boden seiner Bewegung (welcher als unterer
Totpunkt oder BDC (bottom dead center) bezeichnet wird). Während des Einlasshubs
wird das Einlassventil (nicht gezeigt) geöffnet, und das Auslassventil 30 wird
geschlossen. Während
des Einlasshubs und bei Fahrgeschwindigkeiten der Kurbelwelle wird
eine Ladung einer Luft/Benzin-Gemischs
in den Zylinder 24 hinein über den Kopf des Kolbens 18 und
durch das Einlassventil (nicht gezeigt) gezogen. Nachfolgend zu
dem Einlasshub schließen
beide, das Einlass- und das Auslassventil, und der Kompressionshub
wird gestartet. Bis zur Mitte des Kompressionshubs, zum Beispiel näherungsweise
110° der
Kurbelwellendrehung vor dem TDC, hebt der Anhebebereich 112 des
mechanischen Kompressionsentlastungsstiftes 80 das Auslassventil 30 an,
um den Zylinderdruck zu entlasten, und schließt dann bei näherungsweise
60° vor
dem TDC. Nachfolgend dem Kompressionshub wird der Kolben 18 in
Richtung des BDC gezwungen, in dem Arbeitshub, welcher damit zusammenfällt, dass
beide, das Einlass- und das Auslassventil, im wesentlichen geschlossen
sind. Bei näherungsweise
60° der Kurbelwellendrehung,
nachfolgend dem TDC in Richtung des Endes des Arbeitshubs, hebt
der Anhebebereich 114 des Vakuumentlastungsstifts 82 das Auslassventil 30 von
seinem Sitz an, und Saugkräfte aufgrund
des Vakuums, welches in dem Zylinder 24 ausgebildet wird,
werden entlastet.
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In
einer beispielhaften Ausführung
der Kompressions- und Vakuumentlastung 12 kann das Einlassventil
zum Beispiel eine Anhebung von 0,2 Inches während des Einlasshubs aufweisen,
und das Auslassventil kann 0,03 Inches angehoben werden und über 50° der Nockenwellendrehung
geöffnet
gehalten werden, durch den mechanischen Kompressionsentlastungsstift 80,
während
des Kompressionshubes. Die mechanische Kompressionsentlastung öffnet das
Auslassventil 30 insbesondere bei einer Kurbelwellendrehung
von 110° vor
dem TDC und hält das
Auslassventil 30 geöffnet,
bis sich die Kurbelwelle 16 näherungsweise 60° entfernt
von dem TDC befindet. Die Vakuumentlastung, welche durch den Vakuumentlastungsstift 82 aktiviert
wird, öffnet
das Auslassventil 30 um eine Distanz von 0,02 Inches bei
einer Kurbelwellendrehung von 60° nach
dem TDC, um eine Ansaugung, welche durch das Zylindervakuum während des
Arbeitshubs verursacht wird, zu entlüften. Somit wird die Energie
des verdichteten Luft/Benzin-Gemischs verwendet, um bei der Bewegung
des Kolbens während
des Arbeitshubs zu helfen. Der Anhebebereich 114 des Vakuumentlastungsstifts 82 hält das Auslassventil 30 60° nach dem TDC
für eine
Dauer von 50° der
Kurbelwellendrehung geöffnet.