Verfahren und Einrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und eine Einrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses von Verbren nungsmotoren zwecks Erhöhung der Wirt schaftlichkeit bzw. Verringerung des Brenn stoffverbrauches derselben.
Das Verfahren bzw. die Einrichtung kann auch zur Regelung der Motorleistung verwen det werden, da, wenn bei gleichbleibender Beaufsehlagung des Motors das Verdichtungs verhältnis erhöht oder verringert wird, der infolgedessen erhöhte bzw. verringerte ther mische Wirkungsgrad eine Erhöhung bzw. Verringerung der Motorleistung bewirkt.
Eine Änderung des Verdichtungsverhält nisses von Verbrennungsmotoren wurde be reits dadurch ermöglicht, dass die Entfernung zwischen dem Zylinderkopf und der Kurbel welle und damit die Grösse des Verdichtungs raumes veränderbar ist. Diese Lösung ist um ständlich, da die Verschiebbarkeit des Zylin derkopfes gegenüber der Kurbelwelle bzw. gegenüber den Zylindern tiefgreifende Kon struktionsmassnahmen erfordert. Ausserdem verursacht die gute Abdichtung des Verbren nungsraumes ausserordentlich grosse Schwie rigkeiten.
Mit Rücksicht auf den Umstand, dass im Falle von Motoren mit reihenweise angeordneten Zylindern in den einzelnen Zy lindern während der Verstellung voneinander um den maximalen Verdichtungsdruck abwei chende Drücke herrschen, lässt sich die gleich- zeitige Parallelführung mehrerer Zylinder köpfe praktisch kaum verwirklichen.
Es sind auch solche Sternmotoren bekannt, bei denen das zwischen den Kolben und der Kurbelwelle befindliche Triebwerk zwecks z@nderung des Verdichtungsverhältnisses so verstellbar ist, dass sich die Grösse der zwi schen den Kolben und den Zylinderköpfen be findlichen Verdichtungsräume ändert. Abge sehen davon, dass diese Lösung bei Motoren mit reihenweise angeordneten Zylindern nicht verwendbar ist, tritt auch der Nachteil der Umständlichkeit in Erscheinung.
Bekannt ist auch ein Motor, bei dem im Zylinderkopf gegenüber dem Kolben ein zwei ter Kolben verschiebbar ist, wobei die Ände rung des Verdichtungsverhältnisses des Mo tors durch das Verschieben dieses zweiten Kolbens bewerkstelligt wird. Dieser Tauchkol ben wird aber durch den im Verbrennungs raum auftretenden Druck gesteuert. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass sie nicht ein willkürliches oder vom Be triebszustand des Motors abhängiges Ändern des Verdichtungsverhältnisses zulä,sst.
Schliesslich sind auch mit einem Hilfsver- brennungsraum arbeitende Verbrennungs motoren bekannt. Ein solcher Hilfsverbren- nungsraum ist zum Beispiel bei Dieselmotoren verwendet, die in der Art von Ottomotoren in Gang gesetzt werden. Bei diesen vergrö ssert der Hilfsverbrennungsraum den Ver dichtungsraum nur während des Anlassens; sobald jedoch der Motor nach dem Diesel verfahren zu arbeiten beginnt, wird der Hilfsverbrennungsraum abgeschaltet.
Eben falls mit einem derartigen Hilfsverbrennungs- raum sind versehen auch jene mit Luftspei cherung arbeitenden Dieselmotoren, bei denen die Düse den Brennstoff in zwei koaxial hin tereinander angeordnete Luftspeicherräume einspritzt, deren einer, und zwar der Weg richtung des Brennstoffes folgend der zweite, abschaltbar ist.
Diese Räume kommunizieren miteinander und mit dem Verbrennungsraum durch Drosselöffnungen. Der Zweck der vor stehend angeführten Konstruktionen besteht darin, das Anlassen zu erleichtern, nicht aber im normalen Betrieb das Verdichtungsver hältnis des Motors ändern zu können. Für den letzteren Zweck sind die erwähnten Kon struktionen auch gar nicht geeignet.
Der Zweck der erfindungsgemässen Lö sung besteht darin, den Brennstoffverbrauch des Motors günstiger gestalten bzw. die Mo torleistung während des Betriebes mit einer Einrichtung ändern zu können, die die Ände rung des Verdichtungsverhältnisses zu einem beliebigen Zeitpunkte im Laufe des Betriebes ermöglicht, ohne dass die Entfernung zwi schen dem Zylinderkopf und der innern Kol- bentotpunktlage geändert werden müsste.
Er findungsgemäss wird die Grösse des Verbren nungsraumes durch Verstellen eines zur Be grenzung dieses Raumes verwendeten, von aussen während des Betriebes betätigten be sonderen Organes geändert. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Regelorgan nur während eines vorausbestimm ten Abschnittes des sich im Zylinder abspie lenden Arbeitsprozesses in seiner wirksamen Lage gehalten.
Man lässt also zum Beispiel einen den Verdichtungsraum vergrössernden Raum während eines vorausbestimmten Ab schnittes des Motor-Arbeitsprozesses mit dem Verdichtungsraum des Motors kommunizie ren, während man denselben während der übrigen Abschnitte des Arbeitsprozesses ver schlossen-hält. Zwecks Änderung des Verdichtungsver hältnisses kann an den Zylinderraum des Mo tors ein Raum, oder es können an denselben auch mehrere Räume angeschlossen werden. In diesem Falle ändert sich das Verdichtungs verhältnis stufenweise.
Zwecks sprungloser Änderung verwendet man vorteilhaft einen unabhängig von den Bewegungen des Kol bens verschiebbaren Tauchkörper. Zwecks Zu- und Abschaltung der zusätzlichen Räume ver wendet man zweckmässig verschiebbare oder verdrehbare Schieber. Bei Motoren mit rei henweise angeordneten Zylindern können die zu den Zylindern je einer Zylinderreihe ge hörenden Räume in einem für sämtliche Zy linder gemeinsamen Schieberkörper ausgebil det sein.
Ein Schieber dieser Art ist 7week- mässig so angeordnet, dass dessen Längsachse parallel zur Kurbelwelle zu liegen kommt. Die Verwendung eines solchen verschiebbaren oder verdrehbaren Schiebers ist besonders deshalb vorteilhaft, weil das mit dem Schie ber verbundene Triebwerk von dem im Zylin der auftretenden Druck auch während der Verstellung nicht belastet wird. Verwendet man hingegen eine Ventilsteuerung oder in den Verdichtungsraum eintaixchende Körper, so muss man damit rechnen,
dass der im Ver- brennungsraum auftretende hohe Druck wäh rend der Verstellung auf das Triebwerk über tragen wird und das letztere eventuell in un erwünschtem Masse belastet. Zwecks Beseiti gung dieses Nachteils kann in das Triebwerk ein nachgiebiges Glied, z. B. eine Feder, ein geschaltet sein, die so dimensioniert ist, dass dieselbe, falls im Zylinderraum hoher Druck herrscht, das heisst im Falle hohen Widerstan des, gespannt wird und das Ventil erst dann öffnet bzw. den Tauchkörper erst dann ver schiebt, wenn im Zylinderraum der Druck sich im erforderlichen Masse verringert hat.
Eine solche Einrichtung ist vorteilhaft beson ders bei Mehrzylindermotoren verwendet, bei, welchen dann während der Betätigung der Verstelleinrichtung das Verdichtungsverhält nis von den mehreren Zylindern nur in jenen Zylindern geändert wird, in denen sich der Druck unterhalb gegebener Grenzen befindet, während in den übrigen Zylindern die Grösse des Verdichtungsraumes so lange unverändert bleibt, bis der während der Verstellung dort herrschende hohe Druck unter einen bestimm ten Wert gesunken ist.
Sobald dies der Fall ist, werden die die Grösse des Verdichtungs raumes ändernden Regelorgane von den an jedem einzelnen Zylinder besonders ange brachten elastischen Gliedern einzeln in Tä tigkeit gesetzt. Im übrigen kann das Regel organ auch vermittels eines Servomotors, z. B. eines Solenoids oder Elektroservomotors, be tätigt werden.
Beispielsweise Ausführungsformen von sol chen Verstelleinrichtungen an Ottomotoren sind auf der beigeschlossenen Zeichnung dar gestellt, an Hand welcher auch beispielsweise Verfahren zur Änderung des Verdichtungs verhältnisses erläutert sind.
Fig. 1 und 2 sind Schnitte eines Verbren nungsmotors in zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen.
Fig.3 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführung.
Fig.4 ist ein Längsschnitt einer dritten Ausführung.
Fig. 5 ist eine Ansicht von oben der letz teren.
Fig. 6 und 7 sind Längsschnitte weiterer Ausführungen.
Gleiche Bezugsziffern bezeichnen in sämt lichen Figuren gleiche Bestandteile.
In den Fig. 1 und 2 ist 1 der Zylinder block des Motors, 2 der Zylinderkopf, 3 der Kolben, 4 das Einlassventil und 5 der zum Einlassventil gehörende Kanal. In der- Boh rung 7 ist die Zündkerze angeordnet. Der oberhalb. des Kolbens befindliche schädliche Raum kann mit den Räumen 9 in Verbindung gebracht werden. Die Räume 9 sind in dem im Zylinderkopf in der Richtung parallel zur Kurbelwelle verschiebbar angeordneten Schie ber 11 ausgebildet, der durch die Ringe 12, 13, 14 abgedichtet wird. Zu je einem Zylin derraum gehören je zwei Räume 9.
Durch die Verschiebung des Schiebers 11 kann entweder nur der eine Raum oder es können beide Räume in Verbindung mit dem zu denselben gehörenden Zylinderraum gebracht, oder es können beide Räume von dem Zylinderraum abgeschaltet werden. Im letzteren Falle wird der Schieber 11 in solchem Masse verschoben, dass die Räume unten durch die Innenwand der Führungsteile 15 des Zylinderkopfes 2 abgeschlossen werden.
Je zwei Räume 9 sind voneinander durch eine Wand 16 getrennt. In der in Fig.2 dargestellten Schieberlage steht jede Wand 16 einer Rippe 8 des Zylinderkopfes gegenüber. Die Rippe 8 hat den Zweck, die Dichtungsringe 12 und 13 gegen eine Überhit zung zu schützen. Im Innern des Schiebers sind ferner zur Aufnahme eines Kühlmittels, z. B. von Wasser oder Salz, bestimmte Räume 17 ausgebildet. Der Schieber 11 kann vermit tels der Stange 6 hin und her bewegt werden.
Das kleinste Verdichtungsverhältnis erzielt man bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Lage des Schiebers 11, bei der mit dem Raum jedes einzelnen Zylinders die beiden Räume 9 kommunizieren. Zwecks Vergrösserung des Verdichtungsverhältnisses wird der Schieber 11 von der in Fig. 2 dargestellten Lage nach links verschoben.
Die Gleitfläehen der Füh rungsteile 15 verschliessen zuerst die Mün- dungsöffnungen der linksseitigen Räume, so dass mit dem Zylinderraum jetzt nur mehr die rechtsseitigen Räume 9 kommunizieren. Zwecks weiterer Erhöhung des Verdichtungs verhältnisses wird der Schieber 11 so weit nach links verschoben, bis die Gleitflächen der Führungsteile 15 die Mündungsöffnun gen sämtlicher Räume 9 abschliessen. Sobald dies der Fall ist, hat das Verdichtungsverhält nis seinen höchsten Wert erreicht.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ein richtung kann sinngemäss auch bei Zweitakt motoren verwendet werden.
Zur Verbindung der zwecks Änderung des Verdichtungsverhältnisses verwendeten Räume mit dem Zylinderraum sowie zur Abschaltung derselben von dem Zylinderraum kann statt eines eine hin und her gehende Bewegung ausführenden Schiebers auch ein hin und her drehbarer Schieber verwendet werden. Eine Einrichtung mit einem solchen Schieber ist in Fig. 3 dargestellt. Der Schieber 18 enthält für jeden Zylinder die Räume 9 und 10 und ist nm seine Längsachse drehbar sowie zur Auf nahme eines Kühlmittels mit Hohlräumen 19 versehen.
In der in Fig. 3 dargestellten Lage des Schiebers 18 kommuniziert der Raum 9 mit dem Zylinderraum, während der zweite, gestrichelt gezeichnete Raum 10 im Gussstück so angeordnet ist, dass es, um denselben mit dem Zylinderraum in Verbindung zu setzen, erforderlich ist, den Schieber im Sinne des Uhrzeigers weiter zu verdrehen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, kommunizieren in einer bestimmten Lage des Schiebers beide Räume 9 und 10 mit dein Zylinderraum. Wird der Schieber aus dieser Lage zurückge dreht, so wird zuerst der Ratzen 10 und so dann der Raum 9 von dem Zylinderraum ab geschaltet.
Das An- bzw. Abschalten der zusätzlichen Räume zwecks Änderung der Grösse des Ver dichtungsraumes kann anstatt durch einen Schieber auch vermittels andersartiger Ein richtungen bewerkstelligt werden. So lässt sich zum Beispiel für diesen Zweck auch eine Ventile enthaltende Einrichtung verwenden. Eine solche Ausführung ist in Fig.4 darge stellt. Bei dieser Ausführung ist in der Mün- dungsöffnung des im Zylinderkopf ausgebil deten Raumes 9 ein Ventil 20 vorhanden. In Fig.4 befindet sich dieses Ventil in der ge öffneten Stellung.
Das das Ventil 20 steuernde Triebwerk weist eine in strichpunktierten Li nien angedeutete Feder 21 auf, die bestrebt ist, das Ventil 20 in geschlossener Lage zu halten. Das obere Ende der Spindel 22 des Ventils wird von dem freien Ende des Hebels 23 belastet. Der Hebel 23 ist um die Welle 24 drehbar angeordnet. Um die Achse 26 ist die Wiege 27 hin und her bewegbar.
Am links seitigen Arm wird die Wiege 27 durch die mittels einer Nockenwelle gesteuerte Schub stange 28 bewegt, während sie sich am rechts seitigen Arm auf den Hebel 23 aufstützt und in der in Fig. 4 dargestellten Lage diesen He bel so herabdrückt, dass das Ventil 20 sich in der gezeichneten geöffneten Stellung befin det. Wird die Schubstange 28 herabgelassen, so hebt die Feder 21 die Ventilspindel 22 und mit ihr das Ventil 20 an und verdreht gleich- ; zeitig den Hebel 23 im Sinne des Uhrzeigers. Die Wiegen 29, 30 steuern die Einlassventile 5 sowie die Auspuffventile des Motors.
Zwecks Erzeugung eines niedrigen Ver dichtungsverhältnisses kann die beschriebene ; Einrichtung auf zweierlei Weise betätigt wer den. Es ist möglich, so vorzugehen, dass, so lange ein niedriges Verdichtungsverhältnis er forderlich ist, das Ventil 20 in der geöffne ten Stellung gehalten wird, so dass der Raum, 9 ständig mit dem zum Kolben 3 gehörenden Zylinderraum kommuniziert.
Zwecks Erzeu- gimg eines niedrigen Verdichtungsverhältnis ses kann man jedoch auch so verfahren, dass man das Ventil 20 nur während eines Teils der Zeitdauer des Motor-Arbeitsprozesses offenhält, nämlich nur vom Beginn der Ver dichtung bis zur Beendigung der Entspan nung, sonst jedoch die zwei Räume voneinan der durch das Ventil 20 abgesondert hält. Gemäss Fig. 4 und 5 wird das Ventil 20 in der an zweiter Stelle erwähnten Arbeitsweise betätigt.
Der Vorteil dieser Regelungsmethode besteht darin, dass das Ventil während seines periodischen Abschliessens immer wieder mit dem Ventilsitz in Berührung tritt, daher nicht ständig frei im mit heissen Verbren- nungsprodükten erfüllten Raume steht, son dern durch den Ventilsitz hindurch Wärme abgeben, das heisst sich abkühlen kann.
Zwecks Erzeugung eines hohen Verdich tungsverhältnisses muss das Ventil 20 den Raum 9 ständig vom Zylinderraum absper ren. Hierzu ist auf der Welle 24 des Hebels 23 ein Exzenter 31 vorgesehen, auf dem der Hebel 23 gelagert ist. Wird die Welle 24 und dadurch das auf derselben befindliche Exzen ter 31 im Sinne des Uhrzeigers verdreht, so verschiebt das Exzenter in einem seiner Ex zentrizität entsprechenden Masse den Hebel 23 nach rechts und verursacht ein Senken desselben, so dass der Kontakt zwischen dem Hebel 23 und dem rechtsseitigen Arm der Wiege 27 aufhört und die Wiege 27 während der von ihr ausgeführten Bewegungen das Ventil 20 nicht mehr anhebt. Der Motor läuft daher mit hohem Verdichtungsverhältnis.
Die Wiege 27 setzt ihre schwingende Bewegung fort, wobei der rechtsseitige Arm -der -Wiege von der am Hebel 23 befestigten Feder 25 unterstützt wird.
Ist es sodann erforderlich, das Verdich tungsverhältnis des Motors wieder zu verrin gern, das heisst den Raum 9 mit dem Zylin derraum in Verbindung zu setzen, so wird vermittels der Welle 24 das Exzenter 31 in die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Lage ver stellt, das heisst es wird das Exzenter nach links verdreht. Dadurch wird die Verbindung zwischen der Wiege 27 und dem Hebel 2 3 wieder hergestellt.
Während des Umschaltens kann es vor kommen, dass die Wiege 27 bzw. der Hebel 23 das Öffnen des Ventils 20 eben zu jenem Zeitpunkte bewerkstelligen sollte, an dem im Zylinder der höchste Druck herrscht. Das die sem Drucke entgegen bewerkstelligte Öffnen des Ventils könnte eventuell eine sehr starke Belastung des Triebwerkes bedeuten. Diese schädliche Erscheinung ist dadurch beseitigt, dass auf der Welle 24 des Exzenters 31 frei verdrehbar angeordnet und zwischen den bei den eine solche Verbindung geschaffen ist, dass das zu dem unter Belastung stehenden Zylinder gehörende Exzenter 31 sich nur nach Beendigung des Arbeitshubes des Kolbens verdreht.
Zu diesem Zweck kann sich das Exzenter 31 zwischen zwei an der Welle 24 mittels Stiften 32 befestigten Scheiben 33 in gegebenen Grenzen frei verdrehen. Das Mass der Verdrehung wird durch den am Exzenter befestigten, als Anschlag wirkenden Bolzen 34 bestimmt, und zwar dadurch, dass derselbe sich in der aus den Scheiben 33 ausgefrästen Bogenrille 35 in einem durch die Länge die ser Rille bestimmten Masse verschiebt. Eine an einem Ende an dem Bolzen 34 und am an dern Ende an dem auf der Welle 24 ortsfest befestigten Bolzen 36 befestigte Schrauben feder 37 ist bestrebt, das Exzenter 31 und den an demselben befestigten Stift 34 in der in den Fig.4 und 5 dargestellten, relativ zu den Scheiben 33 linksseitigen Endstellung festzuhalten.
Wird nun die Spannung der Feder 37 so gewählt, dass das durch die Feder auf das Exzenter 31 ausgeübte Drehmoment ; geringer ist als jenes Drehmoment, welches durch die Kraft des unter Belastung stehen den Zylinders auf das zugehörige Ventil 20 über den Hebel 23 ausgeübt wird, so wird durch die anlässlich des Umschaltens sich ge- ; meinsam mit der Welle 24 verdrehenden Bol zen 36 die Spannung der mit ihnen verbun denen Federn 37 gesteigert; ein Verdrehen der Bolzen 34 bewirken jedoch von den Fe dern nur jene, welche das durch die Ventile , 20 über den Hebel 23 ausgeübte Drehmoment zu überwinden vermögen.
Die zu den übrigen Federn 37 gehörenden Exzenter werden nur so weit verdreht, bis die zu denselben gehö renden Hebel 23 die rechtsseitigen Enden der Wiegen 27 erreichen. Nach Erreichen dieser Lage bleiben die zu diesen Federn gehören den Exzenter stehen, die zu denselben ge hörenden Scheiben 33 hingegen verdrehen sich weiter, was durch die Bogenrillen 35 er möglicht wird, währenddessen die Spannung der Feder 37 gesteigert wird. Sobald dann. der Druck in den zugehörigen Zylindern nachlässt, erfolgt auch die Öffnung dieser Ventile. Wenn die Wiege 27 in die dem Schliessen des Ventils entsprechende Lage zu rückkehrt, bewirkt die Feder 37 des zugehöri gen Exzenters 31 eine Verdrehung desselben, und in einem dieser Verdrehung entsprechen den Masse verdreht sich auch der zum Exzen ter gehörende Hebel 23.
Durch diese Lösung ist folglich eine Überlastung des Triebwerkes vermieden. Die Anzahl der zur Änderung der Grösse des Verdichtungsverhältnisses dienen den Räume kann eine beliebige sein.
In den Fig. 6 und 7 sind solche Ausfüh rungsformen dargestellt, bei denen zwecks Änderung des Verdichtungsverhältnisses im Zylinderblock ein in den Verbrennungsraum eintauchender Körper angeordnet ist.
Gemäss Fig. 6 besteht der Tauchkörper aus einem den Kolben 3 umgebenden Zylin der 38, in dessen oberem, einen grösseren Aussendurchmesser besitzenden Teil 39 Dich tungsringe 40 angeordnet sind. Der Tauch körper 38 umgibt den Kolben 3 in koaxialer Weise und kann unabhängig von demselben gehoben und gesenkt werden. Zwecks Verstel- lens findet ein auf der Welle 43 aufgekeiltes Exzenter 44 Verwendung, das mit dem in der am intern Ende des Tauchkörpers 38 vorge sehenen Öse 41 gelagerten Bolzen 42 durch den Hebelarm 45 verbunden ist.
In der Figur ist der Tauchkörper 38 in der dem niedrigsten Verdichtungsverhältnis entsprechenden Lage dargestellt, in der der Tauchkörper 38 vermittels seines an seinem obern Ende angeordneten Flansches sich an den im Zylinderkörper ausgebildeten An schlag 46 anlegt. Zwecks Erhöhung des Ver dichtungsverhältnisses wird die Welle 43 entgegen dem Sinne des Uhrzeigers so lange verdreht, bis die Mittellinie 47 des Hebel armes 45 in die den Bolzen 42 und die Welle 43 miteinander verbindende Linie 48 fällt. Sobald dies der Fall ist, erreicht das Ver dichtungsverhältnis des Motors seinen höch sten Wert.
Das Verstellen des Tauchkörpers kann statt vermittels des Exzenters auch vermit tels einer Kurbel oder dergleichen bewerkstel ligt werden.
Nach Fig.7 ist in der Seitenwand des Tauchkörpers 38 eine Nute 49 ausgebildet, durch deren Vermittlung der Keil 50 die Ge- radführung des Tauchkörpers 38 bewirkt. Am untern Ende des Körpers 38 ist ein gegen axiale Kräfte selbstsperrendes Schrauben gewinde 51 vorgesehen, mit dem das Mutter- gewinde 52 in Verbindung steht.
Das Mutter gewinde ist an einem Schraubenrad des Trieb werkes vorhanden, das durch die Spindel 53 angetrieben wird. An Stelle eines Tauchkör pers können natürlich auch mehrere verwen det sein, die zum Beispiel koaxial angeordnet sein können. Die Tauchkörper brauchen den Kolben und einander jedoch nicht koaxial zu umgeben, sondern können auch in beliebiger anderer Weise angeordnet sein.
Auch bei dem Verstellen eines Tauchkör pers kann es vorkommen, dass man das Trieb werk von Hand oder selbsttätig in Abhängig keit von irgendeinem Betriebsfaktor eben zu jenem Zeitpunkte in Tätigkeit zu setzen be- ginnt, in dem im Zylinder der höchste DruA herrscht. Um mittels des Triebwerkes diesen hohen Druck nicht überwinden zu müssen, kann in demselben wieder ein elastisches Glied, z. B. eitle Feder, vorgesehen sein.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbei spielen wird die Grösse des Verdichtungsrau mes durch Verstellen eines zur Begrenzung dieses Raumes verwendeten, von aussen wäh rend des Betriebes betätigbaren besonderen Organes geändert.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen ist ferner dafür gesorgt, das der im Verdich tungsraum auftretende Druck auf das Trieb werk des zur Änderung der Grösse des Ver dichtungsraumes eingerichteten Regelorganes wenistens in den den Extremalwerten des veränderlichen Verdichtungsverhältnisses ent sprechenden Stellungen nicht bewegend rück wirkt. So übt der im Verdichtungsraum auf tretende Druck auf die Stange 6 des ver schiebbaren Schiebers 11 keine Rückwirkung aus. In ähnlicher Weise findet keine Rück wirkung auf das Triebwerk des Drehschiebers 18 statt.
Der auf das Ventil 20 ausgeübte Druck wirkt in den beiden Endlagen auf das Triebwerk ebenfalls nicht zurück, und dazwi schen ist das Mass der Rückwirkung durch die Feder 37 innerhalb bestimmter Grenzen gehalten. Auch bei den Tauchkörpern 38 übt der im Verdichtungsraum auftretende Druck in der dem niedrigsten Verdichtungsverhält nis entsprechenden Lage, in welcher der Tauchkörper 38 auf dem Anschlag 46 auf liegt, keine Rückwirkung auf das Triebwerk aus, und dies ist bei der Ausführung nach Fig. 6 auch der Fall in der dem höchsten Ver dichtungsverhältnis entsprechenden Lage, da dann das Triebwerk sich in einer Totpunkt lage befindet.
Schliesslich wird bei der Aus führung nach Fig.7 ein Triebwerk verwen det, das ein selbstsperrendes Schraubenrad enthält, so dass auf das Triebwerk der Spin del 53 der im Verdichtungsraum auftretende Druck in keiner Stellung des Tauchkörpers 38 bewegend rückwirkt.
Die Einrichtung kann von Hand oder auch selbsttätig in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsfaktoren betätigt wer den. So kann zum Beispiel die die Regelung des Verdichtungsverhältnisses bewirkende Einrichtung vom Druck der Aussenluft zum Beispiel über eine Membrane gesteuert. wer den, und zwar so, dass sich das Verdichtungs verhältnis des Motors stets der Luftdichte der Umgebung anpasst. Mittels dieser Einrichtung lässt sich zum Beispiel der Betrieb eines über komprimierten oder überdimensionierten Mo tors im Bodenniveau und in beliebigen Höhen über dem Boden gleicherweise wirtschaftlich gestalten.
Das Verdichtungsverhältnis des Motors kann auch in Abhängigkeit von der jeweili gen Belastung des Motors oder der Brenn stoffzufuhr oder dem Mass des Unterdruckes im Saugkanal verstellt werden. Bei Vollbela stung des Motors ist es nämlich zweckmässig, mit dem die höchste Leistung liefernden Luft Brennstoff-Mischungsverhältnis zu arbeiten, während es bei geringeren Belastungen des Motors zwecks Erzielung von Ersparnissen an Brennstoff vorteilhaft ist, mit jenem Mi schungsverhältnis von Luft und Brennstoff zu arbeiten, das den wirtschaftlichsten Brenn stoffverbrauch ergibt.
Geht man aber von dem die höchste Leistung liefernden Luft- Brennstoff-Mischungsverhältnis bei gegebener Motorbelastung auf das wirtschaftliche Mi schungsverhältnis über, so verringert sich die Leistung des Motors. Wird anderseits das Verdichtungsverhältnis erhöht, so bewirkt der infolgedessen erhöhte thermische Wirkungs grad eine Erhöhung der Motorleistung.
Wird daher bei einer gegebenen Motorbelastung gleichzeitig mit dem Übergang von dem die höchste Leistung ergebenden Luft-Brennstoff- Mischungsverhältnis auf das wirtschaftlichste Mischungsverhältnis das Verdichtungsverhält nis des Motors entsprechend erhöht, so lässt es sieh erzielen, dass in der Leistung des Mo tors keine Änderung eintritt.
Zwischen dem Regelorgan für das Ver a dichtungsverhältnis und dem Regelorgan für die Brennstoffmenge kann eine zwangläufige Verbindung vorgesehen sein, bei der sieh gleichzeitig mit der Änderung des Verdich- tungsverhältnisses des Motors auch die Brenn stoffzufuhr des Motors ändert. Zweckmässig ist die Regelung eine solche, dass die Brenn stoffzufuhr mit sinkendem Misehungsverhält- nis steigt.
Method and device for changing the compression ratio of internal combustion engines. The invention relates to a process and a device for changing the compression ratio of internal combustion engines to increase the economy or reduce the fuel consumption of the same.
The method or the device can also be used to control the engine power, since if the compression ratio is increased or decreased while the engine is subjected to constant loading, the consequent increased or decreased thermal efficiency causes an increase or decrease in engine power.
A change in the compression ratio of internal combustion engines has already been made possible by the fact that the distance between the cylinder head and the crankshaft and thus the size of the compression space can be changed. This solution is understandable, since the displaceability of the Zylin derkopfes relative to the crankshaft or relative to the cylinders requires profound constructional measures. In addition, the good sealing of the combustion chamber causes extremely great difficulties.
In view of the fact that in the case of engines with cylinders arranged in rows in the individual cylinders, pressures differ from one another by the maximum compression pressure during adjustment, the simultaneous parallel guidance of several cylinder heads can hardly be achieved in practice.
Radial engines are also known in which the engine located between the pistons and the crankshaft can be adjusted to change the compression ratio so that the size of the compression spaces between the pistons and the cylinder heads changes. Apart from the fact that this solution cannot be used in engines with cylinders arranged in rows, the disadvantage of being awkward also appears.
Also known is an engine in which a two-ter piston is displaceable in the cylinder head with respect to the piston, the change in the compression ratio of the Mo tor being accomplished by moving this second piston. This plunger ben is controlled by the pressure occurring in the combustion chamber. The disadvantage of this design is that it does not allow the compression ratio to be changed arbitrarily or as a function of the operating state of the engine.
Finally, internal combustion engines operating with an auxiliary combustion chamber are also known. Such an auxiliary combustion chamber is used, for example, in diesel engines which are started up in the manner of Otto engines. With these, the auxiliary combustion chamber enlarges the compression chamber only during starting; However, as soon as the engine starts to work according to the diesel process, the auxiliary combustion chamber is switched off.
Also provided with an auxiliary combustion chamber of this type are those diesel engines working with air storage, in which the nozzle injects the fuel into two air storage chambers arranged coaxially one behind the other, one of which, following the direction of the fuel, can be switched off.
These spaces communicate with each other and with the combustion chamber through throttle openings. The purpose of the above designs is to make starting easier, but not to be able to change the compression ratio of the engine during normal operation. The constructions mentioned are not at all suitable for the latter purpose.
The purpose of the inventive solution is to make the fuel consumption of the engine cheaper or to be able to change the engine power during operation with a device that allows the compression ratio to be changed at any point in time during operation without the removal would have to be changed between the cylinder head and the inner piston dead center position.
According to the invention, the size of the combustion chamber is changed by adjusting a special organ that is used to delimit this room and that is operated from outside during operation. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the control element is held in its operative position only during a predetermined section of the working process taking place in the cylinder.
For example, a space increasing the compression space is allowed to communicate with the compression space of the engine during a predetermined section of the engine work process, while the same is kept closed during the remaining sections of the work process. In order to change the compression ratio, a space can be attached to the cylinder space of the engine, or several spaces can be connected to the same. In this case, the compression ratio changes gradually.
For the purpose of sudden change, it is advantageous to use a plunger that can be moved independently of the movements of the piston. For the purpose of switching the additional rooms on and off, it is advisable to use slidable or rotatable slides. In engines with cylinders arranged in rows, the spaces belonging to the cylinders in a row of cylinders can be ausgebil det in a slide body common to all cylinders.
A slide of this type is arranged seven weeks in such a way that its longitudinal axis comes to lie parallel to the crankshaft. The use of such a displaceable or rotatable slide is particularly advantageous because the engine connected to the slide is not loaded by the pressure occurring in the cylinder even during the adjustment. If, on the other hand, one uses a valve control or bodies immersed in the compression chamber, one must expect that
that the high pressure occurring in the combustion chamber is transferred to the engine during the adjustment and the latter may be loaded to an undesired extent. In order to eliminate this disadvantage, a compliant member such. B. a spring, a switched, which is dimensioned so that the same, if there is high pressure in the cylinder chamber, that is, in the case of high Widerstan, is tensioned and the valve only opens or the immersion body only pushes ver when the pressure in the cylinder chamber has decreased to the required extent.
Such a device is advantageous in particular used in multi-cylinder engines in which the compression ratio is then changed by the several cylinders only in those cylinders in which the pressure is below given limits during the actuation of the adjusting device, while in the other cylinders the The size of the compression space remains unchanged until the high pressure prevailing there during the adjustment has fallen below a certain value.
As soon as this is the case, the regulating organs changing the size of the compression space are activated individually by the elastic members specially attached to each cylinder. In addition, the rule organ by means of a servo motor, for. B. a solenoid or electric servomotor, be operated.
For example, embodiments of such adjusting devices on gasoline engines are shown on the accompanying drawing, on the basis of which, for example, methods for changing the compression ratio are explained.
Fig. 1 and 2 are sections of an internal combustion engine in two mutually perpendicular planes.
Fig.3 is a longitudinal section of a second embodiment.
Fig.4 is a longitudinal section of a third embodiment.
Fig. 5 is a top view of the latter direct.
6 and 7 are longitudinal sections of further embodiments.
The same reference numbers denote the same components in all figures.
1 and 2, 1 is the cylinder block of the engine, 2 is the cylinder head, 3 is the piston, 4 is the inlet valve and 5 is the channel belonging to the inlet valve. In the drilling 7, the spark plug is arranged. The one above. the harmful space located in the piston can be associated with the spaces 9. The spaces 9 are formed in the slide 11, which is slidably arranged in the cylinder head in the direction parallel to the crankshaft and which is sealed by the rings 12, 13, 14. Each cylinder space has two spaces 9.
By shifting the slide 11, either only one room or both rooms can be brought into connection with the cylinder chamber belonging to the same, or both rooms can be shut off from the cylinder chamber. In the latter case, the slide 11 is displaced to such an extent that the spaces below are closed off by the inner wall of the guide parts 15 of the cylinder head 2.
Every two rooms 9 are separated from one another by a wall 16. In the slide position shown in Figure 2, each wall 16 faces a rib 8 of the cylinder head. The purpose of the rib 8 is to protect the sealing rings 12 and 13 against overheating. Inside the slide are also for receiving a coolant such. B. of water or salt, certain spaces 17 formed. The slide 11 can be moved back and forth by means of the rod 6.
The lowest compression ratio is achieved in the position of the slide 11 shown in FIGS. 1 and 2, in which the two spaces 9 communicate with the space of each individual cylinder. In order to increase the compression ratio, the slide 11 is shifted from the position shown in FIG. 2 to the left.
The sliding surfaces of the guide parts 15 first close the mouth openings of the spaces on the left, so that only the spaces 9 on the right now communicate with the cylinder space. In order to further increase the compression ratio, the slide 11 is moved to the left until the sliding surfaces of the guide parts 15 complete the Mündungsöffnun conditions of all spaces 9. As soon as this is the case, the compression ratio has reached its highest value.
The device shown in Figs. 1 and 2 can be used mutatis mutandis in two-stroke engines.
To connect the spaces used to change the compression ratio to the cylinder space and to shut them off from the cylinder space, a slide that can be rotated back and forth can be used instead of a slide that performs a reciprocating movement. A device with such a slide is shown in FIG. The slide 18 contains the spaces 9 and 10 for each cylinder and is rotatable nm its longitudinal axis and provided with cavities 19 for receiving a coolant.
In the position of the slide 18 shown in FIG. 3, the space 9 communicates with the cylinder space, while the second space 10, shown in dashed lines, is arranged in the casting in such a way that it is necessary to connect it to the cylinder space Turn the slide further clockwise. As can be seen from the drawing, both spaces 9 and 10 communicate with your cylinder space in a certain position of the slide. If the slide rotates zurückge from this position, then first the Ratzen 10 and then the space 9 is switched from the cylinder chamber.
The switching on and off of the additional rooms for the purpose of changing the size of the compression room can also be accomplished by means of other types of devices instead of a slide. For example, a device containing valves can also be used for this purpose. Such an embodiment is shown in Fig.4 Darge. In this embodiment, a valve 20 is present in the mouth opening of the space 9 formed in the cylinder head. In Fig.4 this valve is in the ge open position.
The engine controlling the valve 20 has a spring 21 indicated in dash-dotted lines, which tries to keep the valve 20 in the closed position. The upper end of the spindle 22 of the valve is loaded by the free end of the lever 23. The lever 23 is arranged to be rotatable about the shaft 24. The cradle 27 can be moved back and forth about the axis 26.
On the left-hand arm, the cradle 27 is moved by the push rod 28 controlled by means of a camshaft, while it rests on the lever 23 on the right-hand arm and, in the position shown in FIG. 4, presses this lever down so that the valve 20 is in the drawn open position. If the push rod 28 is lowered, the spring 21 lifts the valve spindle 22 and with it the valve 20 and rotates the same; early the lever 23 in the clockwise direction. The cradles 29, 30 control the intake valves 5 and the exhaust valves of the engine.
In order to produce a low compression ratio, the described; Device operated in two ways. It is possible to proceed in such a way that, as long as a low compression ratio is required, the valve 20 is kept in the opened position so that the space 9 constantly communicates with the cylinder space belonging to the piston 3.
For the purpose of generating a low compression ratio, however, one can also proceed in such a way that the valve 20 is only kept open during part of the duration of the engine working process, namely only from the beginning of the compression until the end of the relaxation, but otherwise the two Spaces separated from one another by the valve 20. According to FIGS. 4 and 5, the valve 20 is actuated in the mode of operation mentioned in the second place.
The advantage of this control method is that the valve repeatedly comes into contact with the valve seat during its periodic closure, so it is not always free in the space filled with hot combustion products, but gives off heat through the valve seat, i.e. it cools down can.
In order to generate a high compression ratio, the valve 20 must constantly shut off the space 9 from the cylinder space. For this purpose, an eccentric 31 is provided on the shaft 24 of the lever 23, on which the lever 23 is mounted. If the shaft 24 and thereby the Exzen ter 31 located on it rotated in the clockwise direction, the eccentric moves the lever 23 to the right in a mass corresponding to its Ex centricity and causes it to lower, so that the contact between the lever 23 and the right arm of the cradle 27 stops and the cradle 27 no longer lifts the valve 20 during the movements performed by it. The engine therefore runs with a high compression ratio.
The cradle 27 continues its oscillating movement, the right-hand arm of the cradle being supported by the spring 25 attached to the lever 23.
If it is then necessary to reduce the compression ratio of the motor again, that is, to put the space 9 with the cylinder space in connection, the eccentric 31 is moved to the position shown in FIGS. 4 and 5 by means of the shaft 24 that means the eccentric is turned to the left. This re-establishes the connection between the cradle 27 and the lever 2 3.
During the switchover, it can happen that the cradle 27 or the lever 23 should manage the opening of the valve 20 precisely at that point in time when the highest pressure prevails in the cylinder. The opening of the valve accomplished against these pressures could possibly mean a very heavy load on the engine. This harmful phenomenon is eliminated by the fact that it is arranged freely rotatable on the shaft 24 of the eccentric 31 and that such a connection is created between the two that the eccentric 31 belonging to the cylinder under load only rotates after the end of the working stroke of the piston.
For this purpose the eccentric 31 can rotate freely within given limits between two disks 33 fastened to the shaft 24 by means of pins 32. The degree of rotation is determined by the bolt 34 attached to the eccentric and acting as a stop, namely by the fact that it moves in the arcuate groove 35 milled out of the disks 33 in a mass determined by the length of this groove. A coil spring 37 attached at one end to the bolt 34 and at the other end to the bolt 36 fixedly attached to the shaft 24 endeavors to remove the eccentric 31 and the pin 34 attached to it in the form shown in FIGS. 4 and 5 to hold relative to the discs 33 on the left-hand end position.
If the tension of the spring 37 is now selected so that the torque exerted by the spring on the eccentric 31; is less than the torque that is exerted by the force of the cylinder under load on the associated valve 20 via the lever 23, the on the occasion of the switchover is; together with the shaft 24 twisting Bol zen 36 the tension of the springs 37 connected to them increased; a rotation of the bolts 34, however, cause only those of the Fe countries that are able to overcome the torque exerted by the valves 20 via the lever 23.
The eccentrics belonging to the other springs 37 are rotated only until the levers 23 belonging to the same belong to the right-hand ends of the cradles 27. After reaching this position, the eccentrics belonging to these springs remain, the disks 33 belonging to the same ge, however, continue to rotate, which is made possible by the arc grooves 35, while the tension of the spring 37 is increased. As soon as then. the pressure in the associated cylinders decreases, these valves also open. When the cradle 27 returns to the position corresponding to the closing of the valve, the spring 37 of the associated eccentric 31 causes a rotation of the same, and in one of this rotation corresponding to the mass, the lever 23 belonging to the eccentric also rotates.
This solution consequently avoids overloading the engine. The number of rooms used to change the size of the compression ratio can be any.
In Figs. 6 and 7 such Ausfüh approximately forms are shown in which a body immersed in the combustion chamber is arranged in order to change the compression ratio in the cylinder block.
According to FIG. 6, the immersion body consists of a cylinder 38 surrounding the piston 3, in the upper part of which 39 has a larger outer diameter and 39 up device rings 40 are arranged. The immersion body 38 surrounds the piston 3 in a coaxial manner and can be raised and lowered independently of the same. For the purpose of adjustment, an eccentric 44 wedged onto the shaft 43 is used, which is connected by the lever arm 45 to the bolt 42 mounted in the eyelet 41 provided at the internal end of the immersion body 38.
In the figure, the immersion body 38 is shown in the position corresponding to the lowest compression ratio, in which the immersion body 38 rests against the stop 46 formed in the cylinder body by means of its flange arranged at its upper end. In order to increase the compression ratio, the shaft 43 is rotated counterclockwise until the center line 47 of the lever arm 45 falls into the line 48 connecting the bolt 42 and the shaft 43 together. As soon as this is the case, the compression ratio of the engine reaches its highest value.
The adjustment of the immersion body can also be done by means of a crank or the like instead of by means of the eccentric.
According to FIG. 7, a groove 49 is formed in the side wall of the immersion body 38, through the intermediary of which the wedge 50 effects the straight guidance of the immersion body 38. At the lower end of the body 38 a self-locking screw thread 51 is provided against axial forces, with which the nut thread 52 is connected.
The nut thread is present on a helical gear of the engine that is driven by the spindle 53. Instead of a Tauchkör pers can of course also be used more than one, which can be arranged coaxially, for example. However, the immersion bodies do not need to surround the piston and each other coaxially, but can also be arranged in any other way.
Even when adjusting a plunger, it can happen that the engine starts to operate manually or automatically, depending on some operating factor, at the point in time when the highest pressure prevails in the cylinder. In order not to have to overcome this high pressure by means of the engine, an elastic member, for. B. vain spring may be provided.
In all of the Ausführungsbei described, the size of the Verdichtungrau mes is changed by adjusting a special organ used to limit this space, which can be operated from the outside during operation.
In all exemplary embodiments, it is also ensured that the pressure occurring in the compression space on the engine of the control element set up to change the size of the compression space does not have a moving effect, at least in the positions corresponding to the extreme values of the variable compression ratio. Thus, the pressure exerted in the compression chamber on the rod 6 of the ver sliding slide 11 does not have any reaction. Similarly, there is no retroactive effect on the engine of the rotary valve 18 instead.
The pressure exerted on the valve 20 also does not act back in the two end positions on the engine, and in between the measure of the reaction by the spring 37 is kept within certain limits. Even with the plungers 38, the pressure occurring in the compression chamber in the position corresponding to the lowest compression ratio, in which the plunger 38 rests on the stop 46, does not have any effect on the engine, and this is also the case in the embodiment according to FIG. 6 the case in the position corresponding to the highest compression ratio, since the engine is then in a dead center position.
Finally, in the embodiment according to FIG. 7, a drive unit is used which contains a self-locking helical gear, so that the pressure occurring in the compression chamber does not have a moving effect on the drive unit of the spindle 53 in any position of the plunger 38.
The device can be operated manually or automatically as a function of one or more operating factors. For example, the device which regulates the compression ratio can be controlled by the pressure of the outside air, for example via a membrane. who, in such a way that the compression ratio of the engine always adapts to the air density of the environment. By means of this device, for example, the operation of a compressed or oversized Mo sector at ground level and at any height above the ground can be made equally economical.
The compression ratio of the engine can also be adjusted as a function of the respective load on the engine or the fuel supply or the amount of negative pressure in the intake duct. When the engine is fully loaded, it is useful to work with the air-fuel mixture ratio delivering the highest power, while it is advantageous to work with that mixture ratio of air and fuel at lower loads on the engine in order to save fuel, that results in the most economical fuel consumption.
But if you go from the air-fuel mixture ratio delivering the highest power at a given engine load to the economical Mi mixture ratio, the engine's performance is reduced. If, on the other hand, the compression ratio is increased, the consequent increase in thermal efficiency increases the engine output.
If, therefore, at a given engine load, the compression ratio of the engine is increased correspondingly at the same time as the transition from the air-fuel mixture ratio resulting in the highest power to the most economical mixture ratio, it can be seen that no change occurs in the engine's power.
A positive connection can be provided between the control element for the compression ratio and the control element for the fuel quantity, in which the fuel supply of the engine changes simultaneously with the change in the compression ratio of the engine. The regulation is expedient in such a way that the fuel supply increases with a decreasing misehing ratio.