DE2719043A1

DE2719043A1 - Kolben fuer eine brennkraftmaschine mit veraenderbarem kompressionsverhaeltnis

Info

Publication number: DE2719043A1
Application number: DE19772719043
Authority: DE
Inventors: Alexander P Brouwers; Albert M Karaba; Thomas J Pearsall
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1978-11-02
Also published as: DE2719043C2

Description

DIPLOM-ING BN I BTJH

KARL-HEINZ SCHAUMBURG

PATENTANWALT 2 7 1 9 0 A

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Teledyne Industries Inc.

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1901 Avenue of the Stars 987531

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Los Angeles / California

USA 28.April 1977

3T4 1177

Kolben für eine Brennkraftmaschine mit veränderbarem Kompressionsverhältnis

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit veränderbarem Kompressionsverhältnis, bestehend aus einem Innenteil und einem daran teleskopisch gehaltenen Außenteil, die während der Arbeitsbewegung des Kolbens relativ zueinander bewegbar sind, mit einer ersten und einer zweiten Steuerkammer, deren Volumen abhängig von der Relativbewegung und von einer in ihnen vorhandenen inkompressiblen Flüssigkeitsmenge veränderbar ist und denen die inkompressible Flüssigkeit über einen ersten, ein Einwegventil enthaltenden Kanal bzw. über einen zweiten, von der ersten zur zweiten Steuerkammer verlaufenden Kanal zuführbar ist.

Ein derartiger Kolben ist mit seinem Innenteil in der üblichen Art mit einer Pleuelstange verbunden und trägt den Außenteil, der den Kolbenboden bildet, an

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seinem oberen Ende. Durch die Relativbewegung beider Teile zueinander wird das Kompressionsverhältnis des Zylinders verändert, in dem der Kolben geführt ist. Zwischen dem oberen Ende des Innenteils und dem unteren Ende des Außenteils sind Abstandsräume gebildet, die eine obere und eine untere Steuerkammer eingrenzen, deren Volumen abhängig von der Relativbewegung der beiden Kolbenteile zueinander gegensinnig veränderbar ist. Eine inkompressible Flüssigkeit wie z.B. Schmieröl wird den Kammern derart zugeführt, daß eine automatische Bewegungsregelung der beiden Kolbenteile zur allmählichen Änderung des Kompressionsverhältnisses erfolgt, bis ein vorbestimmter Kompressionsdruck erreicht ist. Das hydraulische System der Brennkraftmaschine ändert dann die Bewegung der beiden Kolbenteile derart, daß ein maximaler Kompressionsdruck gleichmäßig beibehalten wird.

Nach diesem Prinzip arbeitende Kolben wurden bereits in einer leichten und kostensparenden Konstruktion verwirklicht, wodurch die Auswirkungen der Massenträgheit auf das Austrittsventil minimal gehalten werden und ein schnelles Ansprechen auf Änderungen der Maschinenbelastung gewährleistet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Kolbenkonstruktion dadurch weiter zu verbessern, daß sich eine noch genauere Regulierung der Flüssigkeitsströmung zwischen den beiden Steuerkammern ohne zusätzlichen Aufwand ergibt.

Diese Aufgabe wird für einen Kolben eingangs genannter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Innenteil eine ein Dichtungselement enthaltende Dichtungsnut vorgesehen ist, daß der zweite Kanal durch die Dichtungsnut verläuft und daß das Dichtungselement als Ventil zur Regulierung der Flüssigkeitsströmung zwischen den beiden Steuerkammern dient.

Bei einem Kolben nach der Erfindung verläuft also

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ein Kanal zwischen einer z.B. unteren Steuerkammer und einer oberen Steuerkammer durch eine Dichtungsnut, in der ein Dichtungsring angeordnet ist. Der Dichtungsring erfüllt zusätzlich zu seiner normalen Dichtungsfunktion die Funktion eines Einwegventils, welches die Flüssigkeitsströmung von der oberen Steuerkammer zur unteren Steuerkammer so reguliert, daß das Kompressionsverhältnis der Maschine allmählich ansteigt, bis ein vorbestimmter maximaler Druck in der Verbrennungskammer erreicht ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 den Längsschnitt eines Kolbens nach der Erfindung in einer ersten Betriebsstellung, Fig. 2 den Längsschnitt des in Fig. 1 gezeigten Kolbens

in einer weiteren Betriebsstellung, Fig. 3 den Schnitt 3-3 aus Fig. 1, Fig. 4 den Schnitt 4-4 aus Fig. 2 und Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des in Fig. 1 und 2 gezeigten Kolbens.

Der in den Figuren dargestellte Kolben 10 umfaßt einen Innenteil 12 mit einem oberen Abschnitt 14 verringerten Durchmessers. Ein Außenteil 16 ist auf der Außenfläche des Abschnitts 14 befestigt.

Der Außenteil 16 hat eine Deckfläche 18, die als Kolbenboden des Kolbens 10 dient und eine bewegliche Wandung am unteren Ende der Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine bildet. Der Außenteil 16 ist in axialer Richtung auf die Außenfläche des Abschnitts 14 des Innenteils 12 aufgeschoben.

Am oberen Ende des Innenteils 12 ist vorzugsweise mit Schraubbolzen 23 (Fig. 3) eine Platte 22 befestigt, und am Außenteil 16 ist ein Ring 24 mit seinem Außengewinde in ein Innengewinde des Außenteils 16 eingeschraubt.

Diese Verbindungsart der beiden Teile 24 und 16 ist nur

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als Beispiel genannt. Ein Fixierstift 30 hält den Ring 24 in seiner durch die Einschraubung erreichten Lage fest. Ein Dichtungsring 32 ist an der Platte 22 vorgesehen, und ein Dichtungsring 34 am Abschnitt 14 des Innenteils 12 wirkt auf den Ring 24 ein und bildet eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den beiden Kolbenteilen im Bereich ihrer Gleitverbindung.

Eine obere Steuerkammer 16 ist zwischen der Platte 22 und der Innenfläche des Kolbenbodens 18 gebildet, und eine untere, ringförmige Steuerkammer 38 ist zwischen der Unterkante der Platte 22, dem Außenteil 16 und dem Ring 24 nahe dem Kolbenringabschnit.; 37 des Kolbens 10 gebildet.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist ein Kanal 40 in der Platte 22 gebildet und verbindet die obere Steuerkammer mit einer Nut 33, die den Dichtungsring 32 aufnimmt. Ein Kanal 41 ist gegenüber dem Kanal 40 leicht versetzt vorgesehen und verbindet die Nut 33 mit der unteren Steuerkammer 38. Der Dichtungsring 32 ist in der Nut 33 angeordnet und unter dem Einfluß der Massenträgheit in noch zu beschreibender V/eise bewegbar. Diese Bewegung erfolgt aus der in Fig. 5 gezeigten Stellung, in der eine Flüssig keitsverbindung zwischen den Kanälen 40 und 41 besteht, in eine Stellung, in der der Ring 32 an der oberen Fläche der Nut 33 anliegt und die Flüssigkeitsströmung durch den Kanal 40 hindurch sperrt.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist der Innenteil 12 des Kolbens 10 mit einer Pleuelstange 42 über einen Kolbenbolzen 44 in üblicher Weise verbunden. Ein Ölsammler 46 ist in einem Teil 48 des Innenteils 12 angeordnet, und er steht mit dem oberen Ende der Pleuelstange 42 in Verbindung. Der Ölsammler 46 ist vorzugsweise ein hohles Element 50, das in einer Aussparung 52 im Innenteil 12 verschiebbar geführt ist und dessen Unterkante so ausgebildet ist, daß sie der oberen Fläche der Pleuelstange 42 angepaßt

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ist, so daß bei Schwenkung der Pleuelstange 42 auf dem Kolbenbolzen 44 bzw. relativ zum Innenteil 12 die untere Fläche des Elements 50 fest auf der oberen Fläche der Pleuelstange 42 aufsitzt. Eine Feder 54 in der Aussparung 52 drückt das Element 50 gegen die Pleuelstange 42.

Das Element 5o hat die Form einer Kappe. Es ist mit einer zentralen öffnung 56 versehen, die auf einen Austrittskanal 58 in der Pleuelstange 42 ausgerichtet ist. Der Kanal 58 ist mit dem Schmiersystem der Brennkraftmaschine in nicht dargestellter Weise verbunden.

Eine Ventilanordnung 60 ist in einer Kammer 62 vorgesehen, die in der Platte 22 ausgebildet ist. Sie umfaßt einen zentralen, rohrförmigen Teil 64, dessen unteres Ende durch den oberen Teil des Innenteils 12 verläuft und auf die Aussparung 52 ausgerichtet ist. Ein oberes Ende verläuft durch die Platte 22 und enthält einen Kanal 66, der in die obere Steuerkammer 36 mündet. Eine Kugel 68 ist in dem Rohrteil 64 geführt und befindet sich normalerweise auf einem Sitz 70, so daß Flüssigkeitsströmung durch den rohrförmigen Teil 64 zum Kanal 66 gesperrt ist. Die Kugel 68 kann jedoch durch Druckeinwirkung und Massenträgheit in eine solche Stellung gebracht werden, daß eine Flüssigkeitsströmung möglich ist.

Ein radial verlaufender mittlerer Teil 72 der Ventilanordnung 60 trägt ein Austrittsventil 74 in Form einer Schrägscheibe oder einer Belleville-Feder, das in seiner Schließstellung eine Strömung von einem Kanal 76, der von der oberen Steuerkammer 36 durch die Platte 22 führt, zu einem Kanal 78 sperrt, der durch den Innenteil 12 zu dem nicht dargestellten Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine führt.

Der Innenteil 12, der in üblicher V/eise mit einer Pleuelstange 42 verbunden ist, bewegt sich im Zylinder einer Brennkraftmaschine wie ein normaler Kolben zwischen festen GrenzStellungen aufwärts und abwärts. Der Außen-

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teil 16 bewegt sich innerhalb des Zylinders zwischen einer unteren Grenzstellung, die dadurch bestimmt ist, daß der Kolbenboden 18 die Oberseite der Platte 22 berührt, und einer oberen Grenzstellung, die dadurch bestimmt ist, daß die Oberseite des Ringes 24 die untere Fläche der Platte 22 berührt. Während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 10 zeigt also der Außenteil 16 unter dem Einfluß der Massenträgheit die Neigung, sich zur extremen obersten und zur extremen untersten Grenzstellung hin zu bewegen. Das den Steuerkammern 36 und 38 zugeführte Schmiermittel reguliert diese Bewegung jedoch so , daß ein erhöhtes Kompressionsverhältnis für die Brennkraftmaschine erzeugt und gleichzeitig ein vorbestimmter maximaler Brennkammerdruck beibehalten wird, bestimmt durch die Einstellung des Öffnungsdrucks des Ventils 74.

Dies erfolgt durch die Massenträgheit und die Einwirkung des Öldrucks auf den Außenteil 16 am oberen Ende des Auspuffhubes und während des ersten Teils des nach unten gerichteten Ansaughubes, wodurch der Außenteil 16 von dem Innenteil 12 getrennt wird. Bei der Trennung der Teile wird die obere Steuerkammer 36 vergrößert, und die Kugel 68, die als ein Einweg-Eintrittsventil dient, bewegt sich in eine solche Stellung, daß der sich ausdehnenden Steuerkammer 36 aus dem Kanal 66 Öl zugeführt werden kann. Die Kugel 68 verhindert einen Rückfluß des Öls in die Ventilanordnung 60 von der oberen Steuerkammer 36 beim Abwärtshub des Kolbens.

Wenn sich der Kolben abwärts bewegt, wird in ähnlicher Weise der Dichtungsring 32 in die in Fig. 5 gezeigte Position gebracht, in der Öl von der oberen Steuerkammer 36 zur unteren Steuerkammer 38 fließen kann. Ein Rückfluß wird jedoch während des Aufwärtshubes des Kolbens verhindert, da die Massenträgheit den Dichtungsring 32 in eine Position bewegt, in der die Flüssig-

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keitsströmung durch den Kanal 40 gesperrt ist.

Das Ergebnis besteht darin, daß der Kolben 10 allmählich vergrößert wird, bis ein vorbestimmter Brennkammerdruck erreicht ist. Dies ergibt sich aus dem mit zunehmender Kolbenlänge abnehmenden Brennkammervolumen.

Wenn der Brennkammerdruck den vorbestimmten Wert erreicht hat, wird er auf die Flüssigkeit in der oberen Steuerkammer 36 übertragen und öffnet das Ventil 23, so daß
das in der Steuerkammer 36 vorhandene öl in das Kurbelgehäuse geführt wird.

Im Bereich des Dichtungsringes 32 ist ausreichend
Raum vorhanden, damit das Öl aus der unteren Steuerkammer 38 austreten kann. Eine nicht dargestellte kleine Öffnung kann gegebenenfalls vorgesehen sein, um den Ölaustritt aus der unteren Steuerkammer 38 zu steuern.

Der Dichtungsring 32 stellt also ein billiges Einwegventil zur Regulierung der Ölströmung von der oberen Steuerkammer 36 zur unteren Steuerkammer 38 dar.

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Leerseite

Claims

Teledyne Industries Inc. 2719043 Avenue of the Stars
Los Angeles / California

USA 28.April 1977 3T4 1177

Patentansprüche

Kolben für eine Brennkraftmaschine mit veränderbarem Kompressionsverhältnis, bestehend aus einem Innenteil und einem daran teleskopisch gehaltenen Außenteil, die während der Arbeitsbewegung des Kolbens relativ zueinander bewegbar sind, mit einer ersten und einer zweiten Steuerkammer, deren Volumen abhängig von der Relativbewegung und von einer in ihnen vorhandenen inkompressiblen Flüssigkeitsmenge veränderbar ist und denen die inkompressible Flüssigkeit über einen ersten, ein Einwegventil enthaltenden Kanal bzw. über einen zweiten, von der ersten zur zweiten Steuerkammer verlaufenden Kanal zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenteil (12) eine ein Dichtungselement (32) enthaltende Dichtungsnut (33) vorgesehen ist, daß der zweite Kanal (40, 41) durch die Dichtungsnut (33) verläuft und daß das Dichtungselement (32) als Ventil zur Regulierung der Flüssigkeitsströmung zwischen beiden Steuerkammern (36, 38) dient.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (32) in der Dichtungsnut (33) durch Massenträgheit zwischen einer Position, in der der zweite Kanal (40, 41) geöffnet ist, und einer Position, in der der zweite Kanal (40, 41) geschlossen ist, bewegbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (16) den Innenteil (12) an dessen oberem Ende umgibt.
4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil (12) einen oberen Abschnitt (14) verringerten Durchmessers aufweist, auf den der Außenteil (16) aufgeschoben ist.
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (16) mit einer die Dichtungsnut (33) bildenden Ringnut versehen ist und daß die zweite Steuerkammer (38) nahe der Ringnut angeordnet ist.
6. Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerkammer (36) zwischen dem oberen Ende des Innenteils (12) und dem oberen Ende des Außenteils (16) und die zweite Steuerkammer (38) in dem Abschnitt (14) verringerten Durchmessers des Innenteils (12) gebildet ist.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen von der ersten Steuerkammer (36) zum Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine führenden dritten Kanal (76, 78), in dem ein normalerweise geschlossenes Ventil (74) angeordnet ist, das unter Einwirkung eines vorbestimmten Drucks in der ersten Steuerkammer (36) geöffnet wird.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem dritten Kanal (76, 78) vorgesehene Ventil (74) ein Schrägscheibenventil ist.

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9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem dritten Kanal (76, 78) angeordnete Ventil (74) ein Belleville-Scheibenventil ist.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine am oberen Ende des Innenteils (12) vorgesehene Platte (22), in der eine Ventilanordnung (60) zur Zuführung von inkompressibler Flüssigkeit in die erste Steuerkammer (36) vorgesehen ist.

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