DE2909926A1

DE2909926A1 - Mehrzylindrige hubkolben-brennkraftmaschine mit geregelter verdichtung

Info

Publication number: DE2909926A1
Application number: DE19792909926
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Krueger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1979-03-14
Publication date: 1980-09-25

Description

AKTIENGESELLSCHAFT

5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: Z 2701
1702pt-we-Ja

Mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit geregelter Verdichtung

Sie Erfindung bezieht sich auf eine mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit geregelter Verdichtung, wobei jedem Zylinderarbeitsraum ein durch einen hydraulisch beaufschlagbaren Steuerkolben im Volumen veränderbarer Nebenraum zugeordnet ist.

Es ist bereits bekannt, durch Veränderung der Größe des Kompressionsraumes die bei Otto-Motoren infolge der Füllung- oder Drosselungsregelung bei Teillast abfallende Verdichtung den jeweiligen Lastanforderungen so anzupassen, daß sich immer etwa ein konstanter Verbrennungsenddruck einstellt. Dadurch kann der Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastgebiet verbessert und als Folge davon der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen des Motors gesenkt werden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine mit hydraulischen Mitteln arbeitende Einrichtung zur Regelung der Verdichtung einer mehrzylindrigen Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, die im Aufbau möglichst einfach

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Vorsitzender Vorttand: Toni Schmlidcer, Vorsitzender . Horst Bacfcsmenn ■ Prol. Dr. fectm. Ernst Fiele - Dr. jur. Peter Frork

das Auf «Iditsralt: Günter Hartwich · Horst Müiuner ■ Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thorn*»

Hans Blrnbeum Sitz der Gasallschaft: Wolfsburg * Amtsgericht Wolfsburg HRB

ist und die möglichst selbsttätig arbeitet.

Sie Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß jedem Steuerkolben ein das Überschreiten eines vorgegebenen Spitzendruckes in dem dem Steuerkolben zugeordneten hydraulischen Sruckbeaufschlagungsraum verhinderndes Druckbegrenzungsventil zugeordnet ist. Dieses Druckbegrenzungsventil sorgt dabei dafür, daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Verbrennungsspitzendruckes in dem Zylinderarbeitsraum aus dem dem Steuerkolben zugeordneten Druckmittelbeaufschlagungsraum selbsttätig Druckmittel zur Vergrößerung des Kompressionsvolumens des Nebenraums : abgeleitet wird. Wird dagegen in dem Druckbeaufschlagungsraum der dem Verbrennungsspitzendruck entsprechende Enddruck nicht erreicht, dann verhindert das Druckbegrenzungsventil eine Abführung von Druckmittel, so daß infolge der während der Ansaug- und der Ausschubtakte erfolgenden ständigen Druckmittelzufuhr das Volumen des dem Steuerkolben zugeordneten Druckbeaufschlagungsraumes vergrößert und somit durch Verringerung des mit dem Zylinderarbeitsraum verbundenen Nebenraumes das Kompressionsvolumen-, des Motors so lange verkleinert«, wird, bis der vorgegebene Verbrennungsspitzendruck im oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes des Arbeitskolbens erreicht wird.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß das Druckbegrenzungsventil entweder direkt in der Druckmittelzulaufleitung, und zwar parallel zu einem die Druckmittelzufuhr steuernden Bückschlagventil, oder aber direkt in dem Steuerkolben angeordnet ist, wobei im letzteren Fall das Druckmittel in einen mit dem Druckmittelsammelraum verbundenen Leckager abfließt, der zwischen der von dem hydraulischen Druckmittel beaufschlagten Stirnseite und der dem Nebenraum zugewandten Stirnseite des Steuerkolbens angeordnet ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.

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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Sarstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. Sie einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen jeweils Längsschnitte durch einen Zylinder einer mehr· zylindrigen Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den zur Verdichtungsregelung vorgesehenen Nebenräumen sowie dem zugeordneten Steuerungssystem.

Dabei sind in den einzelnen Figuren der Zeichnung für gleiche Bauteile gleiche,gegebenenfalls mit einem oder zwei Strichen versehene Bezugszeichen verwendet worden. So ist mit 1 ein Zylinder einer mehrzylindrigen Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine und mit 2 der in dem Zylinder gleitende Kolben bezeichnet, der gegenüber einem Zylinderkopf J einen Arbeitsraum 4 mit veränderlichem Volumen begrenzt« In diesen Arbeitsraum 4t der bei der hier gezeigten Stellung des Kolbens 2 sein kleinstes Volumen einnimmt, münden die Gaswechselventile ein, von denen hier nur das mit 5 bezeichnete Einlaßventil dargestellt ist, das die Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Ansaugkanal 6 steuert.

Ser Arbeitsraum 4 steht mit einem Hebenraum 7 in ständiger Verbindung, dessen Größe zur Regelung der Gesamtverdichtung der Brennkraftmaschine veränderbar ist. Sazu dient ein in dem Zylinder 9 verstellbarer Steuerkolben 8, der an seiner dem Hebenraum 7 abgewandten Stirnseite 8b mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Sazu steht der dieser Stirnseite zugeordnete Druckbeaufschlagungsraum 10 mit einer Sruckmittelzulaufleitung 12 über ein als Kugelventil ausgebildetes Rückschlagventil 13 in Verbindung.

Sas Rückschlagventil 13 sorgt nun dafür, daß eine Druckmittelzufuhr zu dem Sruckbeaufschlagungsraum 10 nur während der Perioden geringer Gasdrücke, beispielsweise also nur während des Ansaug- und Ausschubtaktes des Arbeitskolbens 2, erfolgen kann. Dadurch kann die für die Regelung der Verdichtung aufzuwendende Verstellenergie klein gehalten werden, indem ein vergleichsweise geringer Öldruck zur Verstellung des Steuerkolbens ausreicht. Dies hat zur Folge,

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daß als hydraulisches Druckmittel auch das von der Schmierölpumpe geforderte Motorschmieröl verwendet werden kann und daß die gesamte Steuerung des Verdichtungsverhältnisses in den Motorschmierölkreis integriert werden kann.

In dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nun das Rückschlagventil 13 in dem größeren Ventilkörper 17 eines Druckbegrenzungsventil s angeordnet, das den Abfluß ι des Druckmittels aus dem Druckbeaufschlagungsraum 10 selbsttätig steuern soll. Dazu wird dieser in einem Einsatz 23 verschiebbar gehaltene Ventilkörper 17 von einer Feder 18 belastet, so daß er einen in die Zulaufleitung 12 führenden Abflußquerschnitt 11 versperrt. Der Zutritt des Druckmittels aus der Zulaufleitung 12 in den Druckbeaufschlagungsraum 10 erfolgt dagegen über die wesentlich kleineren öffnungen I4 und 1$, von denen die Öffnung I4 durch das Bückschlagventil 13 absperrbar ist.

Der Steuerkolben 8 kann an seiner dem Nebenraum 7 abgewandten Stirnseite 8b noch zusätzlich von'einer Feder 16 belastet werden, die den Kolben in Richtung auf eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses verstellt.

Am Umfang des Steuerkolbens sind Dichtungen 19 und 20 vorgesehen, die den Durchtritt von Druckmittel aus dem Druckbeaufschlagungsraum 10 bzw. von Arbeitegas aus dem Arbeitsraum 4 bzw. dem Nebenraum 7 weitgehend unterbinden soll. Zwischen den beiden Dichtungen ist ein Solbenabsatz 21 vorgesehen, der in axialer Richtung des Steuerkolbens 8 so groß ist, daß er bei jeder möglichen Stellung des Steuerkolbens mit einer zum ölsammelraum führenden Leitung 22 in Verbindung steht, um auf diese Weise die an den beiden Dichtungen 19 und 20 durchtretenden Leckagemengen sicher abführen zu können.

Die in der Zeichnung gezeigte Einrichtung wirkt nun in der Weise, daß während der Ausschub- und Ansaugtakte des Arbeitskolbens 2, wenn also in dem Arbeitsraum 4 ungefähr Atmosphärendruck herrscht, unter Druck stehendes Druckmittel aus der Druckmittelzulaufleitung

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über das geöffnete Bückschlagventil 13 und die Öffnungen 14 und 15 in dem Ventilkörper 17 in den !Druckbeaufschlagungsraum 10 zugeführt wird. Bei Beginn des Verdichtungstaktes, wenn der sich in dem Arbeitsraum 4 und in dem damit verbundenen Nebenraum 7 einstellende Druck, der über den Steuerkolben 8 auch auf den Druckbeaufschlagungsraum 10 übertragen wird, über dem Druck der Druckmittelzulaufleitung 12 liegt, schließt das Rückschlagventil und sperrt somit die Druckmittelzufuhr ab. Wenn nun gegen Ende des Verdichtungstaktes der Verdichtungsenddruck in dem Arbeitsraum 4 und dem Nebenraum größer wird als der zur Vermeidung des Klopfens des Kraftstoffes vorgegebene Höchstwert, dann öffnet das Druckbegrenzungsventil 17, so daß über die relativ große Auslaßöffnung 11 Druckmittel aus dem Druckarbeitsraum 10 abfließen kann. Ein solches schnelles .Abfließen von Druckmittel aus dem Druckbeaufschlagungsraum 10 bewirkt eine Vergrößerung des Nebenraumes 7 und damit eine Verkleinerung des Verdichtungsverhältnisses.

Wird dagegen am Ende des Verdichtungstaktes der vorgegebene Verdichtungsenddruck nicht erreicht, weil beispielsweise die Gemischzufuhr entsprechend einer fallenden Lastanforderung stärker gedrosselt wird, so bleibt das Druckbegrenzungsventil 17 über mehrere Takte des Arbeitskolbens 2 geschlossen, so lange bis durch die ständige Druckmittelzufuhr während der Ansaug- und Ausschubtakte der Steuerkolben 8 eine solche Stellung erreicht hat, bei der durch Verringerung des Nebenraumvolumens wieder der vorgegebene Verdichtungsenddruck erreicht wird.

Der vorgegebene Verdichtungsenddruck kann dabei durch entsprechende Einstellung der den Ventilkörper I7 des Druckbegrenzungsventils belastenden Feder 13 eingestellt werden.

In der Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gezeigt, bei der im Unterschied zu der Ausführung nach Figur 1 das Druckbegrenzungsventil direkt im Steuerkolben 8· untergebracht ist. Während das Rückschlagventil 13'

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in einem am Ende des Nebenraumzylinders 9 befestigten Einsatz 23' untergebracht ist, wobei mittels eines Stopfens 24 die Feder des Rückschlagventils 13' eingestellt werden kann, wird das Druckbegrenzungsventil durch einen Ventilkörper 26 gebildet, der von einer Feder 27 belastet ist und eine von einem Innenraum 28 des Steuerkolbens 8* zu dem Druckbeaufschlagungsraum 10 des Steuerkolbens führende Durchtrittsöffnung 25 verschließt. Der Innenraum 28 ist über eine Querbohrung 29 mit dem von dem Kolbenabsatz 21 gebildeten Leckageraum verbunden, der seinerseits über die Abflußleitung mit dem hier nicht weiter gezeigten Druckmittelsammelraum verbunden ist. Hierbei erfolgt also die Ableitung von Druckmittel aus dem Druckmittelbeaufschlagungsraum 10 über den Kolben 8¹ und den Leckageraum 21 in die Abflußleitung 22. Im übrigen ist die Funktion der gezeigten Einrichtung derjenigen der Figur 1 analog.

In der Figur 3 schließlich wird eine Ausführung gezeigt, bei der die den Verstellweg des Steuerkolbens 8'· begrenzenden Anschläge nicht im Brennraumbereich, wie bei den Ausführungen der Figuren 1 und 2, sondern durch Ausbildung von ringförmigen Stufenflächen 30 und 31 an dem Außenmantel des Steuerkolbens 6*' bzw. des diesen führenden Zylinders 9¹ vorgesehen sind. Weiterhin ist eine Möglichkeit einer Dämpfung des Anschlags des Steuerkolbens 8'* in seiner oberen Endstellung angedeutet, indem der Steuerkolben an seiner den Nebenraum 7 abgewandten Stirnseite einen ringförmigen Vorsprung 33 aufweist, der in eine ringförmige Ausnehmung 32 des Einsatzes 23* eingreift. Bei diesem Eingriff ergibt sich eine hydraulische Dämpfung durch das in der Ausnehmung eingeschlossene Druckmittel, das durch einen definierten engen Spalt zwischen den Wänden der Ausnehmung 32 und dem Vorsprung 33 herausgequetscht werden muß, bevor der Kolben an seinem oberen Anschlag zur Anlage kommen kann. Anstelle solcher Quetschflächen könnte auch eine Drosselstelle zwischen dem von dem Vorsprung 33 eingeschlossenen Volumen der Ausnehmung 32 und dem übrigen Teil des Druckbeaufschlagungsraums 10 vorgesehen sind.

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Claims

VOLK S WAG E N WE R K AKTIENGESELLSCHAFT 2909926 3180 Wolfsburg Unsere Zeichen: K 2701 1702pt-we-jä 12, Hf"1:' 1979 ANSPRÜCHE

1.jMehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit geregelter Verdichtung, wobei jedem Zylinderarbeitsraum ein durch einen hydraulisch beaufschlagbaren Steuerkolben im Volumen veränderbarer Nebenraum zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steuerkolben (8) ein das Überschreiten eines vorgegebenen Spitzendruckes in dem dem Steuerkolben zugeordneten hydraulischen Druckbeaufschlagungsraum (10) verhinderndes Druckbegrenzungsventil (17, 18; 26, 27) zugeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (17» 18) in der Druckmittelzulaufleitung (12) parallel zu einem die Druckmittelzufuhr steuernden Rückschlagventil (13) angeordnet ist.

3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (26, 27) in dem Steuerkolben (δ¹, β¹¹) angeordnet ist und das Druckmittel in einen mit dem Druckmittelsammeiraum verbundenen Leckageraum (21) ablaufen läßt, der zwischen der von dem hydraulischen Druck-

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmlicker, Vorsitzender · Horst Badesmann ■ Prof.Dr. tedin. Ernst Fiale · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hanwich · Hortt Münzner ■ Or. rer.pol. Werner P. Schmidt Gottlieb W. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gasellschaft: Wolfsbure , Amtsgericht Woifsburg HRB

mittel beaufschlagten Stirnseite (8b) und der dem Nebenraum (7) zugewandten Stirnseite (8a) des Steuerkolbens angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Druckbegrenzungsventil (17» 18; 26, 27) zugeordnete Druckmittelrücklaufquerschnitt größer bemessen ist als der Druckmittelzulaufquerschnitt.

5· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Hubweges des Steuerkolbens (8") ringförmige Stufenflächen (JO, 31) an dem Steuerkolben und dem umgebenden zylindrischen Mantel (9¹) vorgesehen sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (32, 33) zur hydraulischen Dämpfung des Anschlags des Steuerkolbens (8") vorgesehen sind.

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