DE10026634A1

DE10026634A1 - Vorrichtung zum Verändern der Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10026634A1
Application number: DE2000126634
Authority: DE
Inventors: Peter Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10026634C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verändern der Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kolben (6), an dem ein Ende eines Pleuels (8) gelagert ist, dessen anderes Ende an einer Kurbelwelle (10) gelagert ist, wobei das Pleuel (8) an dem Kolben (6) über einen Exzenter (16) gelagert ist, dessen Drehstellung zur Veränderung der Verdichtung veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern der Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Seit es Hubkolbenbrennkraftmaschinen gibt, besteht der Wunsch, deren Verdichtung, das ist das Verhältnis des Volumens des Brennraums im unteren Totpunkt des Kolbens zum Volu men des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens, zu verändern. Bei Ottomotoren ist die maximale Verdichtung im wesentlichen durch die Klopfneigung bei Vollast gegeben, so daß bei Teillast verbrauchsmindernd ein Betrieb mit höherer Verdichtung möglich ist. Bei Diesel motoren ist eine besonders hohe Verdichtung zum Anlassen erforderlich, so daß im normalen Betrieb verbrauchs- und geräuschmindernd mit niedrigerer Verdichtung gefahren werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die in zuverlässiger Weise eine Veränderung der Verdichtung ermöglicht, ohne die sonstige Hubkolbenbrenn kraftmaschine unnötig zu verkomplizieren oder ihre Eigenschaften in merklich nachteiliger Weise zu beeinflussen.

Eine Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,

Fig. 2 den Zylinder gemäß Fig. 1 mit einer anderen Stellung des Kolbens,

Fig. 3 den Zylinder gemäß Fig. 1 mit zwei unterschiedlichen Kolbenstellungen,

Fig. 4 ein Pleuel mit Kolben zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Kolben in einer den Kolbenbolzen enthaltenden Mittelebene und

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Gemäß Fig. 1 weist eine Brennkraftmaschine ein Motorgehäuse 2 mit einem oder mehreren Zylindern 4 auf, in denen ein Kolben 6 beweglich geführt ist. Der Kolben 6 ist über ein Pleuel 8 mit einer Kurbelwelle 10 verbunden, deren Kurbelkreis strichpunktiert dargestellt ist. Über dem Kolben 6 ist vom Kolben, dem Zylinder 4 und einem Zylinderkopf 12 ein Brennraum 14 begrenzt.

Arbeitsweise und Funktion solcher Brennkraftmaschinen, die als Fremdzünder oder Selbst zünder nach dem Zwei-Takt-Verfahren oder Vier-Takt-Verfahren oder sonstwie arbeiten können, sind an sich bekannt und werden daher nicht erläutert.

Im Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen ist das Pleuel 8 im Kolben 6 nicht unmittelbar dadurch gelagert, daß ein Pleuelauge konzentrisch einen im Kolben befestigten Kolbenbolzen aufnimmt, sondern mit Hilfe eines insgesamt mit 16 bezeichneten Exzenters, der eine im Pleuel 8 um eine Achse A drehbar gelagerte Exzenterscheibe 18 aufweist, welche Exzenterscheibe 18 mit einem exzentrisch zu A angeordneten Loch 20 ausgebildet ist, in dem ein am Kolben befestigter Kolbenbolzen 22 um eine Achse B drehbar gelagert ist. Die kolbenfeste Achse B findet sich vorzugsweise in der Mittelebene des Kolbens 6.

Mit der Exzenterscheibe 18 ist starr bzw. drehfest eine Exzenterschwinge 24 verbunden, deren Ende mit einer Stellkoppel 26 verbunden ist, die wiederum gelenkig mit einem Stell glied 28 verbunden ist, das von einer am Motorgehäuse 2 befestigten Antriebseinheit 30 in Richtung des in Fig. 1 eingetragenen Doppelpfeils verstellbar ist. Zur Steuerung der An triebseinheit 2 ist ein Steuergerät 32 versehen, das beispielsweise ein elektronisches Motor steuergerät sein kann, dessen Eingängen 34 von Sensoren Betriebsparameter des Motors bzw. des gesamten Fahrzeugs zugeführt werden, aufgrund derer Steuergrößen berechnet werden. Aufbau und Funktion solcher Motorsteuergeräte sind an sich bekannt.

Die Anordnung der Exzenterschwinge 24 ist vorteilhafterweise derart, daß sie in der Mitte des durch den Doppelpfeil angegebenen Verstellwegs des Stellgliedes 28 etwa senkrecht nach unten gerichtet ist und die Achse B in waagerechter Richtung von der Achse A entfernt ist. Die Stellkoppel 26 ist vorteilhafterweise derart angeordnet, daß sie sich in etwa waage rechter Stellung befindet, wenn der Kolben 6 sich etwa mittig zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt befindet. Das Stellglied 28 ist in etwa waagerechter Richtung verschiebbar, so daß die gelenkige Verbindung zwischen dem Stellglied 28 und der Stell koppel 26, die ein Verstellager 34 bildet, entsprechend waagerecht verschiebbar ist.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1 in der unteren Totpunktstellung des Kolbens.

Fig. 3 verdeutlicht die Schwenkbewegung, die die Stellkoppel 26 um einen Winkel γ aus führt, wenn bei festgehaltenem Stellager 34 der Kolben 6 sich zwischen dem oberen Tot punkt und dem unteren Totpunkt hin und her bewegt. Es versteht sich, daß, wenn die Stell koppel 26 im Verlauf des Kolbenhubs ihre Schwenkbewegung um den Winkel γ ausführt, die Exzenterschwinge 24 ebenfalls um einen bestimmten Schwenkwinkel verschwenkt wird. Da durch entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Kolben 6 und dem Pleuel 8, die zwar die Bewegungszuordnung zwischen Kolben und Kurbelwelle ändert, jedoch ansonsten keine Auswirkungen hat, insbesondere wenn die Verschwenkung der Stellkoppel 26 um den Win kel γ insgesamt symmetrisch zur Waagerechten ist.

Anhand der Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 1 wird im folgenden die Funktion zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erläutert:

In Fig. 4, in der die Exzenterschwinge 24 der Übersichtlichkeit halber nicht eingetragen ist, ist mit I die gemäß Fig. 1 linke Stellung des Verstellagers 34 bezeichnet. Wie ersichtlich, befindet sich die Achse B dabei links oberhalb der Achse A. Der Abstand zwischen der Achse A und der Lagerachse C des Pleuels an der Kurbelwelle 10 (Fig. 1), d. h. die effektive Pleuellänge, ist in der Stellung I maximal; entsprechend ist das Verdichtungsverhältnis maxi mal. Wenn das Verstellager 34 in die Stellung II bewegt wird, wird die Exzenterscheibe 18 um den Winkel α in Gegenuhrzeigerrichtung in die Stellung II gedreht, so daß die Achse B gemäß Fig. 4 links unterhalb der Achse A zu liegen kommt und der Abstand zwischen der Achse B und der Achse C minimal wird, d. h. das Verdichtungsverhältnis ebenfalls minimal wird.

Auf diese Weise kann durch Verstellen des Verstellagers 34 mittels der Antriebseinheit 30 unter Steuerung des Steuergeräts 32 die Verdichtung des Zylinders und damit der Brennkraft maschine in zweckentsprechender Weise verändert werden. Es versteht sich, daß bei mehr zylindrigen Brennkraftmaschinen die beschriebene Vorrichtung vorteilhafterweise an jedem der Zylinder eingesetzt wird.

Fig. 5 zeigt, wie die in dem Pleuel 8 gelagerte Exzenterscheibe 18 vorteilhafterweise einteilig mit der Exzenterschwinge 24 ausgebildet ist und der Kolbenbolzen 22 durch das exzentrisch zur Achse A (Fig. 4) angeordnete Loch 20 hindurchgeführt ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden zwar bewegte Massen einer Brennkraft maschine etwas vergrößert; die Bauteile können jedoch so leicht ausgeführt werden, daß sie die Drehzahlfestigkeit nicht maßgeblich beeinflussen. Des weiteren sind durch die erzielte Veränderbarkeit der Verdichtung Gewichtserleichterungen möglich.

Die beispielhaft beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden, wobei die nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten nur beispielhaft aufgeführt sind:

Der Exzenter kann unmittelbar den Kolbenbolzen tragen bzw. einteilig mit ihm ausgebildet sein.

Der Antrieb 30 kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder sonstwie arbeiten. Damit die Drehstellung der Exzenterschwinge 24 während der Hubbewegung des Kolbens unverändert bleibt, kann ein am Ende der Exzenterschwinge 24 anstelle der gelenkigen Verbindung mit der Stellkoppel 26 ausgebildeter Zapfen sich in einem Führungsteil (nicht dargestellt) senk recht auf und abwärts bewegen, welches Führungsteil mittels des Antriebs 30 in waage rechter Richtung verstellbar ist. Die sich mit dem Kolben mitbewegende Stellkoppel 26 kann dann entfallen.

Alternativ kann anstelle der Verschiebung des Stellagers 34 die Länge der Stellkoppel 26 verändert werden, indem die Stellkoppel teleskopisch ausgebildet wird und zur gegenseitigen Verschiebung der teleskopischen Teile ein hydraulischer Stelltrieb oder ein Gewindeeingriff mit einem elektromotorischen Antrieb verwendet wird.

In einer abgeänderten Ausführungsform könnte der Exzenter auch über eine unmittelbar in das Pleuel integrierte Hydraulik oder Elektrik verdreht werden.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine, die sich von der der Fig. 1 da durch unterscheidet, daß das Verstellager am Ende eines Arms 36 abgeordnet ist, der drehfest mit einer Welle 38 verbunden ist, die mit einem nicht dargestellten Antrieb zur Veränderung der Verdichtung verdrehbar ist. Die Welle 38 kann sich durch eine gesamte Zylinderbank eines mehrzylindrischen Motors hindurcherstrecken, wobei jedes Pleuel der einzelnen Zylin der eine Exzenterschwinge trägt und alle Exzenterschwingen über ihnen zugeordnete, mit der Welle 38 verbundene Arme gleichzeitig verstellbar sind. Auf diese Weise wird eine gleich zeitige Verstellbarkeit der Verdichtung mehrerer Zylinder mittels eines einzigen Antriebs er zielt.

Mit der erfindungsgemäßen Verstellung des Verdichtungsverhältnisses lassen sich zahlreiche Vorteile erzielen, von denen im folgenden einige beispielhaft aufgeführt werden:

Beim Kaltstart und Teillast hat eine Verdichtungserhöhung den Vorteil geringerer zyklischer Schwankungen und führt somit zu einem komfortableren Motorlauf. Bei Teillast ergibt sich durch eine Verdichtungserhöhung ein geringerer Kraftstoffverbrauch und eine verbesserte Inertgas-Verträglichkeit. Auch bei Vollast nimmt durch eine angepaßte Verdichtung der Kraftstoffverbrauch bei günstigem Abstand zur Klopfgrenze ab und ergibt sich eine gute Verträglichkeit von Abgasgegendrücken.

Die Schadstoffemissionen werden durch eine angepaßte Verdichtung in allen Betriebszustän den vermindert. In der Warmlaufphase wird zusätzlich die Abgastemperatur erhöht, was eine raschere Aufheizung des Katalysators ergibt.

Aufgeladene Motoren können durch angepaßte Verdichtung in allen Last- und Drehzahlen verbrauchsgünstiger betrieben werden, wobei der Aufladegrad gesteigert werden kann und bei Vollast ein ausreichender Abstand zur Klopfgrenze möglich ist, wodurch eine Anfettung unterbleiben kann.

Dieselmotor

Das für den Kaltstart benötigte hohe Verdichtungsverhältnis wird in allen anderen Betriebs zuständen an den jeweiligen Optimierungsparametern angepaßt. Der Zielkonflikt zwischen NOx und Partikeln kann vermindert werden. Die Inertgas-Verträglichkeit wird verbessert. Die mechanischen Belastungen des Triebwerks und die Schwingungsanregungen werden ver mindert. Der Aufladegrad kann erhöht werden.

Bezugszeichenliste

2

Motorgehäuse

4

Zylinder

6

Kolben

8

Pleuel

10

Kurbelwelle

12

Zylinderkopf

14

Brennraum

16

Exzenter

18

Exzenterscheibe

20

Loch

22

Kolbenbolzen

24

Exzenterschwinge

26

Stellkoppel

28

Stellglied

30

Antriebseinheit

32

Steuergerät

34

Verstellager

36

Arm

38

Welle

Claims

1. Vorrichtung zum Verändern der Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrenn kraftmaschine mit einem Kolben (6), an dem ein Ende eines Pleuels (8) gelagert ist, dessen anderes Ende an einer Kurbelwelle (10) gelagert ist, wobei das Pleuel (8) an dem Kolben (6) über einen Exzenter (16) gelagert ist und die Drehstellung des Exzenters zur Veränderung der Verdichtung veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Exzenter (16) starr mit einer verschwenk baren Exzenterschwinge (24) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Stelleinrichtung (26, 28) zum Verschwen ken der Exzenterschwinge (24) derart mit der Exzenterschwinge verbunden ist, daß die Ex zenterschwinge während der Hubbewegung des Kolbens (6) ihre Drehstellung relativ zur Bewegungsrichtung des Kolbens im wesentlichen beibehält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Stelleinrichtung eine Stellkoppel (26) enthält, die gelenkig mit der Exzenterschwinge (24) verbunden ist und an einem am Motor gehäuse angebrachten Verstellager (34) gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Stellkoppel (26) derart angeordnet ist, daß sie während einer Hubbewegung des Kolbens (6) um eine etwa senkrecht zur Bewegungs richtung des Kolbens gerichtete Mittellage hin- und herschwingt und das Stellager (34) zum Verändern der Verdichtung etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens verstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hubkolbenbrennkraft maschine mehrere Zylinder mit Kolben (6) aufweist, an denen das zugehörige Pleuel (8) über einen Exzenter (16) gelagert ist und eine Einrichtung (36, 38) vorgesehen ist, mit der die Drehstellung der Exzenter verschiedener Kolben gleichzeitig veränderbar ist.