AT506470A2

AT506470A2 - Einrichtung zur modifikation der kolbenkinematik einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT506470A2
Application number: AT6572009A
Authority: AT
Inventors: Kurt Dr Salzgeber
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2009-09-15
Also published as: DE112010001815A5; AT506470B1; WO2010124971A1; CN102439272A

Description

55866

Die Erfindung betrifft Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, welcher über einen Kolbenbolzen schwenkbar mit einer Pleuelstange verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager des Kolbens, als auch in einem Pleuellager der Pleuelstange gelagert ist, wobei der Kobenbolzen in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers und/oder des Pleuellagers einen Exzenter aufweist, und wobei der Kolbenbolzen durch eine Drehvorrichtung drehbar ist.

Brennkraftmaschinen mit grossen Spreizungen in den Leistungsanforderungen haben das Problem, dass bei einem konventionellen Kurbeltrieb das starre Verdichtungsverhältnis zu einer grossen Spreizung des Spitzendruckes zwischen Teillast und Nennlast führt. Dies führt dazu, dass vor allem Dieseltriebwerke sehr hohen Spitzendruckanforderungen genügen müssen, was zu erhöhten Reibungsverlusten führt.

Aus der DE 10 2005 055 199 AI ist eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines Verstellmechanismus bekannt, der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels umfasst. Entlang eines Verstellweges ist der Exzenter mittels durch eine Bewegung des Pleuels hervorgerufenen Drehmomentes bewegbar. Die Verstellung des Exzenters erfolgt dabei über eine Verstellvorrichtung.

Die DE 348 555 A offenbart eine verstellbare Kolbenbolzenlagerung für Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Buchse, in welcher der Kolbenbolzen exzentrisch befestigt ist, in einer zweiten Buchse exzentrisch drehbar und feststellbar gelagert ist. Eine ähnliche Konstruktion ist auch der GB 412 781 A bekannt.

Weitere Einrichtungen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mit exzentrischen Lagerbuchsen für Kolbenbolzen sind aus der DE 3 108 486 AI, der JP 58-067937 A2, der JP 62-035 034 A2, der US 4 721 073 A, der DE 3 818 357 AI, der EP 0 297 904 A2 oder der WO 95/08705 AI bekannt.

Bekannte Einrichtungen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses haben den Nachteil, dass sie eigene Verstellmechanismen benötigen, um eine Verdrehung des Exzenters herbeizuführen. Dadurch sind diese Einrichtungen sehr aufwendig. Weiters ist aus der DE 40 40 274 AI ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit temperaturabhängig sich verstellenden Totpunkt bekannt, wobei der Kolbenbolzen im Bereich des Pleuelauges relativ zu seinen daraus hervorragenden Enden eine Exzentrizität aufweist. Der im Kolben gelagerte Kolbenbolzen ist mit einem Torsionselement starr verbunden, das wiederum mit dem Kolben in starrer Verbindung steht. Dieses Torsionselement besteht aus einem Memory-Metall. Dadurch wird eine temperaturabhängige Verdrehung des Kolbenbolzens und durch dessen Exzentrizität eine relative Verschiebung zwischen Pleuelstange und Kolben bewirkt.

Zur Begrenzung des Spitzendruckes im Zylinderraum ist diese Versteileinrichtung nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einer Brennkraftmaschine eine Begrenzung des Spitzendruckes zu ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder gebildet ist und dass der Kolbenbolzen entgegen der Kraft der Drehfeder aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist, wobei vorzugsweise der Exzenter im Bereich des Pleuellagers angeordnet ist.

Zur Reproduzierbarkeit des Ausgangsverdichtungsverhältnisses ist es vorteilhaft, wenn ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag in der Ruhelage an einem kolbenfesten Verdrehanschlag anliegt.

Dies ermöglicht eine genaue Definition der Drehlage des Kolbenbolzens.

Um ein rasches Ansprechen der Einrichtung durch den Gasdruck zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn eine federbelastete Rasteinrichtung zumindest in der Ruhelage auf einen kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag einwirkt, so dass der Kolbenbolzen in der Ruheposition gehalten wird, wobei vorzugsweise die Rasteinrichtung durch einen durch eine Druckfeder radial gegen den kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag gepressten Rastschieber gebildet ist, wobei vorzugsweise die Vorspannkraft der Druckfeder einstellbar ist. Der Rastschieber kann dabei zumindest eine Anlauframpe aufweisen, welche vom kolbenfesten Verdrehanschlag bei Verdrehung des Kolbenbolzens überfahren wird.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren ist vorgesehen, dass der in einem Lagerbereich zumindest einen Exzenter aufweisende, sowohl im Kolben, als auch in einer Pleuelstange drehbar gelagerte Kolbenbolzen durch eine Drehfeder in einer Ruhelage gehalten wird und bei Überschreiten eines definierten Zylinderdruckes entgegen der Kraft der Drehfeder in eine Druckbegrenzungslage zur Verminderung des Verdichtungsverhältnisses verdreht wird. Über die Vorspannung der Drehfeder wird einerseits die Verdrehung des exzentrischen Kolbenbolzens bis zu einem festgelegten Zylinderdruck unterdrückt. Andererseits unterstützt sie die Rückstellung des Kolbenbolzens in die Anschlagposition nach Unterschreiten des Brennraumdrucks unter ein zweites festzulegendes Niveau.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemässen Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik in einem Schnitt in der Kolbenachse, Fig. 2 diesen Kolben in einem Schnitt quer zur Kolbenachse, Fig. 3 den Kolben in einem Schnitt gemäss der Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 die Drehfeder der Einrichtung in einer Schrägansicht und Fig. 5 einen Kolbenbolzen in einer Schrägansicht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kolben 1 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher über einen in einem Pleuellager 3 einer Pleuelstange 2 gelagerten Kolbenbolzen 4 schwenkbar mit der Pleuelstange 2 verbunden ist. Der Kolbenbolzen 4 ist auf dem Kolben 1 drehbar über Kolbenbolzenlager 5 verbunden und weist im Bereich der Pleuelbuchse 3 einen Exzenter 6 auf, dessen Mittelachse 6a von der Achse der Kolbenbolzenlager 5a beabstandet ist. Diese Exzentrizität ist in den Fig. mit e bezeichnet.

Durch eine Drehfeder 7 wird der hohl ausgeführte Kolbenbolzen 4 in eine Ruhelage gedrückt, wobei ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag 8 auf einem kolbenfesten Verdrehanschlag 9 anliegt. Mit Bezugszeichen 7a ist ein kolbenfester Schenkel der Drehfeder 7, und mit Bezugszeichen 7b ein kolbenbolzenfester Schenkel der Drehfeder 7 bezeichnet. Der kolbenbolzenfeste Schenkel 7b ist dabei in einer Aufnahme 10 des Kolbenbolzens 4 eingesetzt.

In der Ruhelage wird weiters der Kolbenbolzen 4 durch einen Rastschieber 11 aufweisende Rasteinrichtung 12 gehalten. Der Rastschieber 11 wird dabei durch eine über eine Schraube 13 einstellbare Druckfeder 14 an den kolbenbolzenfesten Anschlag 8 gedrückt. Der Rastschieber 11 weist eine Anlauframpe 15 auf, die bei Verdrehung des Kolbenbolzens 4 vom kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag 8 überfahren werden kann.

Der als Exzenterwelle ausgeführte Kolbenbolzen 4 ist während der Kompressionsphase des Zylinders über den kolbenfesten Verdrehanschlag 9 und die Rasteinrichtung 12 kolbenfest in der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Winkellage [phi]0 orientiert. Die Exzentrizität e übt über die Gaskräfte ein Moment Md-Gas auf den Exzenter 6 gemäss der Gleichung Md-Gas = FGas - e - s [phi]0 (1)

aus.

Diesem Moment Md-Gas sind die Reibungsmomente Md-R-K im Kolbenbolzen 4 überlagert. Für das Auslösemoment Md-A gilt:

Md.A = Md_Gas + [sum]Md_R_[kappa] (2)

Während der Kompressionstakte der Brennkraftmaschine wird der Kolbenbolzen 4 durch die Vorspannung der Drehfeder 7 und durch die Keilwirkung der federbelasteten Rasteinrichtung 12 gegen den kolbenbolzenfesten Anschlag 9 gedrückt. Das Rückstell moment Md-rüCk setzt sich dabei aus der Vorspannung Md-dreh und dem Moment Md-rast der federbelasteten Rasteinrichtung 12 zusammen:

<M>d-mck = Md_dreh + Md_rast (3)

Steigt nun während der Verbrennung das dem Brennraumdruck nahezu direkt proportionale Auslösemoment Md-A über das Haltvermögen der Rückstellmomente Md-rück/ so dreht sich der Kolbenbolzen 4 entgegen der Kraft der Drehfeder 7, bis sich ein neues Momentengleichgewicht in der ausgelegten Lage einstellt. Durch diese Drehung ergibt sich ein relativer Kolbenhub he von

he = e - (cos [phi]0 - cos [phi]) . (4)

Dieser relative Kolbenhub he verursacht näherungsweise eine adiabate Expansion im Brennraum, wodurch der Brennraumdruck gegenüber einem Triebwerk mit zentrischem Kolbenbolzen reduziert wird.

Fällt nun der Brennraumdruck während der Expansionsphase wieder ab, so führt das Rückstellmoment Md-dreh der Drehfeder 7 dazu, dass sich der Kolbenbolzen 4 in Richtung des kolbenfesten Anschlages 9 verdreht, bis die federbelastete Rasteinrichtung 12 wieder einrastet und der Ursprungszustand wieder erreicht wird.

Durch Abstimmung der Parameter Md-A und Md-rüc kann der gewünschte Auslösedruck (z.B. 120 bar) eingestellt werden.

Der maximal zu erwartende relative Kolbenhub he beträgt dabei

Ae_max = e -(cos^0 +l). (5)

Über diese Beziehung (5) kann das Druckabsenkungspotential der ausgelenkten Lage bestimmt werden. Diese mechanische Spitzendruckbegrenzung erlaubt es, die Brennkraftmaschine auf dass im Teillastbetrieb thermodynamisch optimale Verdichtungsverhältnis ([epsilon]=17 bis 20) auszulegen. Die Systemauslegung erfolgt nun derart, dass im Teillastbetrieb das Auslösemoment Md.A kleiner ist als das Rückstellmoment Md-rück. Im Hochlastbetrieb überschreitet der Zylinderdruck während der Verbrennung den Auslösedruck. Entsprechend der vorliegenden Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik wird ein Zusatzvolumen im Brennraum geschaffen, wodurch eine näherungsweise adiabate Expansion hervorgerufen wird. Für he = 1 bis 3 mm ergibt sich beispielsweise ein Druckabsenkungspotential von etwa 20 bis 50 %, wodurch der maximal auftretende Spitzendruck begrenzt wird.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E

1. Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), welcher über einen Kolbenbolzen (4) schwenkbar mit einer Pleuelstange (2) verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen (4) drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager (5) des Kolbens (1), als auch in einem Pleuellager

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (6) im Bereich des Pleuellagers (3) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag (8) in der Ruhelage an einem kolbenfesten Verdrehanschlag (9) anliegt.

(3) der Pleuelstange (2) gelagert ist, wobei der Kobenbolzen (4) in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers (5) und/oder des Pleuellagers (3) einen Exzenter (6) aufweist, und wobei der Kolbenbolzen (4) durch eine Drehvorrichtung drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder (7) gebildet ist und dass der Kolbenbolzen (4) entgegen der Kraft der Drehfeder (7) aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist.

(4) überfahrbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine federbelastete Rasteinrichtung (12) zumindest in der Ruhelage auf einen kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) einwirkt, so dass der Kolbenbolzen (4) in der Ruheposition gehalten wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasteinrichtung (12) durch einen durch eine Druckfeder (14) radial gegen den kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) gepressten Rastschieber (11) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Vorspannkraft der Druckfeder (14) einstellbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastschieber (11) zumindest eine Anlauframpe (15) aufweist, welche vom kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) bei Verdrehung des Kolbenbolzen

7. Verfahren zur Modifikation der Kolbenkinematik bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), welcher über einen sowohl im Kolben (1), als auch in einer Pleuelstange (2) drehbar gelagerte Kolbenbolzen (4) mit einer Pleuelstange (2) verbun - 7 - < >

den ist, dadurch gekennzeichnet, dass der in einem Lagerbereich zumindest einen Exzenter (6) aufweisende Kolbenbolzen (4) durch eine Drehfeder (7) in einer Ruhelage gehalten wird und bei Überschreiten eines definierten Zylinderdruckes entgegen der Kraft der Drehfeder (7) in eine Druckbegrenzungslage zur Verminderung des Verdichtungsverhältnisses verdreht wird.

2009 04 29 PatentanwaJt

Fu/Dh Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeju

A-1150 Wl.n, Mar hilfer -[beta][beta]rttT<*>ä>17