DE10111612B4

DE10111612B4 - Device for changing the compression ratio in reciprocating engines

Info

Publication number: DE10111612B4
Application number: DE2001111612
Authority: DE
Inventors: Arnold Dipl.-Ing. Löbig
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2021-03-11
Also published as: DE10111612A1

Abstract

Einrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschinen, während des Betriebes, bei dem ein das Volumen eines mit dem Zylinderarbeitsraum verbundenen Nebenraumes (19) veränderbarer als seitlich neben dem Zylinderarbeitsraum angeordneter in einem Schiebergehäuse (6) verschiebbarer Schieber ausgebildeter Nebenkolben (18) mittels einer Verstellvorrichtung (20, 21) in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Hubkolbenmaschine verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebergehäuse (6), der Nebenraum (19) mit dem Nebenkolben (18) sowie die Verstellvorrichtung (20, 21) in einem zwischen der oberen Fläche (5) eines Zylinderkurbelgehäuses (1) und der unteren Fläche (16) eines Zylinderkopfes (9) eingefügten scheibenförmigem Modul angeordnet sind, in dem sich die Zylinderbohrung (2) aus dem Zylinderkurbelgehäuse (1) fortsetzt und der zwischen Zylinderkurbelgehäuse (1) und Zylinderkopf (9) von den Zylinderkopfschrauben kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten ist.Device for changing the compression ratio in reciprocating engines, in particular reciprocating internal combustion engines, during operation, in which a the side of the cylinder working space arranged adjacent to the side of the cylinder working space in a slide housing (6) slidable slide formed secondary piston (18 ) is adjustable by means of an adjusting device (20, 21) in dependence on state variables of the reciprocating piston engine, characterized in that the slide housing (6), the auxiliary space (19) with the secondary piston (18) and the adjusting device (20, 21) in one between the upper surface (5) of a cylinder crankcase (1) and the lower surface (16) of a cylinder head (9) inserted disc-shaped module are arranged, in which the cylinder bore (2) from the cylinder crankcase (1) continues and between the cylinder crankcase (1 ) and cylinder head (9) from the cylinder head screws is held positively and / or positively.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere Hubkolbenbrennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a device for varying the compression ratio in reciprocating engines, in particular reciprocating internal combustion engines, according to the generic term of claim 1.

Mit DE 33 09 714 C2 ist eine Einrichtung dieser Art beschrieben, bei welcher der Nebenkolben im Zylinderkopf platziert ist. Dies zerklüftet nicht nur den Verdichtungsraum, ein insbesondere bei Brennkraftmaschinen gravierender Nachteil, sondern es beeinträchtigt auch in hohem Maße die Gestaltungsmöglichkeit der Gaswechselkanäle sowie der Ein- und Auslassventile. Gegenüber einer herkömmlichen Hubkolbenmaschine ist eine vollkommen andere Zylinderkopfkonstruktion erforderlich.With DE 33 09 714 C2 a device of this type is described in which the slave piston is placed in the cylinder head. This not only ruptures the compression space, a serious disadvantage particularly in internal combustion engines, but it also greatly affects the design possibilities of the gas exchange ducts and the intake and exhaust valves. Compared to a conventional reciprocating engine, a completely different cylinder head construction is required.

Durch die DE 89 02 449 U1 und die US 2 381 895 A ist es bekannt, den Nebenkolben als Schieber in einem am oberen Teil des Zylinders befindlichen Schiebergehäuse auszubilden. Damit kann der Verdichtungsraum kompakter gestaltet werden. Der Zylinderkopf erfordert keine gravierenden Änderungen gegenüber üblichen Hubkolbenmaschinen. Allerdings muss der Zylinderblock zur Aufnahme des Schiebergehäuses in komplizierter Weise verändert werden.By the DE 89 02 449 U1 and the US 2 381 895 A It is known to form the slave piston as a slide in a located on the upper part of the cylinder slide housing. Thus, the compression chamber can be made more compact. The cylinder head requires no serious changes compared to conventional reciprocating engines. However, the cylinder block for receiving the valve body has to be changed in a complicated manner.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie ohne gravierende konstruktive Änderungen sowohl am Zylinderkopf als auch am Zylinderblock an bestehende Hubkolbenmaschinen anpassbar ist.Of the Invention is based on the object, a device of the The preamble of claim 1 mentioned type to that effect Improve that without serious structural changes both on the cylinder head and on the cylinder block to existing reciprocating engines is customizable.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.The Invention solves This object with the features of claim 1. The dependent claims have advantageous developments of the invention to the subject.

In dem das Schiebergehäuse mit dem darin befindlichen im Volumen veränderbaren Nebenraum und dem darin verschiebbaren als Schieber ausgebildeten Nebenkolben in einem scheibenförmigen Modul untergebracht sind, der auf die Oberseite des Zylinderblockes auflegbar ist, mit seiner Höhe die Zylinderbahn verlängert und von oben vom üblichen Zylinderkopf abgedeckt wird, machen sich gravierende Veränderungen gegenüber üblichen Gestaltungen von Zylinderkopf und Zylinderblock nicht erforderlich. Lediglich der Kolben bzw. der Kurbeltrieb der Hubkolbenmaschine sind um das Maß der Höhe des Moduls größeren Zylinderlängen anzupassen.In the slide housing with therein located variable in volume adjacent room and the slidable as a slide trained slave piston in one discoid Module are housed on the top of the cylinder block can be placed, with its height extended the cylindrical path and from the top of the usual Cylinder head is covered, make serious changes compared to usual Designs of cylinder head and cylinder block not required. Only the piston or the crank mechanism of the reciprocating engine are around the Measure of Height of Modules to adapt to larger cylinder lengths.

Es ist somit relativ einfach, eine bereits vorhandene Hubkolbenmaschine nachträglich mit veränderbarer Verdichtung auszurüsten. Dies gilt auch für Hubkolbenmaschinen mit mehreren Zylindern, da sich dann das Modul über alle Zylinder erstrecken kann, wobei für jeden der Zylinder die Zylinderbohrung enthalten ist und jedem Zylinder ein Nebenraum und ein verschiebbarer Nebenkolben zugewiesen ist.It is thus relatively simple, an existing reciprocating engine later with changeable Equip compaction. This also applies to Reciprocating engines with multiple cylinders, since then the module on all Cylinder can extend, wherein for each of the cylinder, the cylinder bore is included and each cylinder a side room and a sliding Secondary piston is assigned.

In vorteilhafter Weise ist die Versteileinrichtung zum Verschieben der Schieber in dem Schiebergehäuse sowie dessen als Verstellmotor ausgebildete Antriebseinrichtung Teil des Moduls und mit diesem vormontiert.In Advantageously, the adjusting device for moving the slider in the slider housing as well whose trained as adjusting motor drive means part of Module and pre-assembled with this.

Die Verstelleinrichtung kann bei einer Hubkolbenmaschine mit mehreren Zylindern gleichzeitig auf alle Nebenkolben einwirken und diese gleichzeitig und gleichsinnig betätigen. Dazu kann eine einzige Antriebseinrichtung, z. B. eine Hydraulikeinheit, dienen. Es entspricht jedoch auch der Erfindung, wenn jeder Zylindereinheit eine gesonderte Verstelleinrichtung mit gesonderter Antriebseinheit zugeordnet ist. Die gesonderten Antriebseinheiten können auch gesondert und in unterschiedlicher Weise angesteuert werden.The Adjustment can in a reciprocating engine with several Cylinders simultaneously act on all sub-piston and this operate simultaneously and in the same direction. This can be a single Drive device, for. B. a hydraulic unit serve. It corresponds However, also the invention, if each cylinder unit a separate Adjustment is associated with a separate drive unit. The separate drive units can also be separated and in be driven in different ways.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Einrichtung an einer Hubkolben-Brennkraftmaschine verwendbar, wobei eine ohnehin vorhandene elektronische Motorsteuerung so ausgelegt ist, dass sie die Antriebseinrichtung zum Antrieb der Versteileinrichtung in Abhängigkeit von Motorparametern ansteuert.Especially Advantageously, the device according to the invention on a reciprocating internal combustion engine usable, with an already existing electronic engine control is designed so that it the drive means for driving the Adjustment device in dependence of motor parameters.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigenOne embodiment The invention is described below with reference to a drawing. Show it

1 ein Schnittbild einer Hubkolben-Brennkraftmaschine im Bereich des Zylinderkopfes und des oberen Teils des Zylinderkurbelgehäuses; 1 a sectional view of a reciprocating internal combustion engine in the region of the cylinder head and the upper part of the cylinder crankcase;

2 eine perspektivische Ansicht eines für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine nach 1 verwendeten Schiebergehäuses; und 2 a perspective view of one for a four-cylinder internal combustion engine according to 1 used slide housing; and

3 Schieberkolben mit einer Verstellvorrichtung für das in 2 gezeigte Schiebergehäuse. 3 Spool with an adjusting device for the in 2 shown slide housing.

Ein Zylinderkurbelgehäuse 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine weist Zylinderbohrungen 2 auf, in denen jeweils ein Hubkolben 3 verschiebbar geführt ist. Der Hubkolben 3 ist in üblicher Weise mit einer Pleuelstange 4 an einer (hier nicht dargestellten) Kurbelwelle befestigt. Auf der oberen Fläche 5 des Zylinderkurbelgehäuses 1 liegt ein scheibenförmiges Schiebergehäuse 6 auf. Das Schiebergehäuse 6 ist mit Bohrungen 7 versehen, welche den Zylinderbohrungen 2 des Zylinderkurbelgehäuses 1 entsprechen. Bei einem Vierzylindermotor sind somit vier Bohrungen 7 vorgesehen (2). Weiterhin ist das Schiebergehäuse 6 mit Durchgängen 8 für die Kühlwasserführung vom Zylinderkurbelgehäuse 1 zu einem auf dem Schiebergehäuse 6 aufliegenden Zylinderkopf 9 und Schraubendurchgänge 10 für (hier nicht dargestellte) Zylinderkopfschrauben versehen. Wie mit der Abrundung 11 (1) angedeutet, kann die Form der Bohrung 7 auch zur Optimierung der Brennraumform herangezogen werden.A cylinder crankcase 1 a reciprocating internal combustion engine has cylinder bores 2 on, in each of which a reciprocating piston 3 slidably guided. The reciprocating piston 3 is in the usual way with a connecting rod 4 attached to a (not shown here) crankshaft. On the upper surface 5 of the cylinder crankcase 1 is a disk-shaped slide housing 6 on. The slide housing 6 is with holes 7 provided, which the cylinder bores 2 of the cylinder crankcase 1 correspond. In a four-cylinder engine thus four holes 7 intended ( 2 ). Furthermore is the slider housing 6 with passages 8th for the cooling water supply from the cylinder crankcase 1 to one on the slider housing 6 resting cylinder head 9 and screw passages 10 provided for (not shown here) cylinder head bolts. As with the rounding off 11 ( 1 ), the shape of the hole 7 also be used to optimize the combustion chamber shape.

Der Zylinderkopf 9 enthält in üblicher Weise die Gaswechselventile 12, die von den Gaswechselventilen 12 gesteuerten Gaswechselkanäle und Einrichtungen zur Ventilbetätigung, wie Nockenwellen 13, Kipphebel 14 und Ventilfedern 15. Der Zylinderkopf 9 verschließt mit seiner unteren Fläche 16 den bzw. die oberhalb des bzw. der Kolben 3 befindlichen Zylinderarbeitsräume.The cylinder head 9 Contains the gas exchange valves in the usual way 12 coming from the gas exchange valves 12 controlled gas exchange ducts and valve actuation devices, such as camshafts 13 , Rocker arm 14 and valve springs 15 , The cylinder head 9 closes with its lower surface 16 the one above the piston (s) 3 located cylinder workrooms.

Im Schiebergehäuse 6 sind seitlich zu jedem Zylinderarbeitsraum Führungen 17 vorgesehen, in denen jeweils ein schieberartiger Nebenkolben 18 verschiebbar und gasdicht eingepasst ist. Der Nebenkolben 18 bildet somit in den Führungen 17 einen mit dem Zylinderarbeitsraum verbundenen Nebenraum 19.In the slide housing 6 are side guides to each cylinder workspace 17 provided, in each of which a slide-like slave piston 18 slidable and gas-tight fitted. The secondary piston 18 thus forms in the guides 17 a side room connected to the cylinder working space 19 ,

Die Nebenkolben 18 sind über ein Gestänge 20 mit einem Verstellmotor 21 verbunden. Der Verstellmotor 21, der zum Beispiel als Hydraulikaggregat oder elektrischer Verstellmotor ausgebildet sein kann, ermöglicht über das Gestänge 20 ein Verschieben der Nebenkolben 18 in den Führungen 17, so dass damit das Volumen der Nebenräume 19 und damit auch das der Zylinderarbeitsräume veränderbar ist. Durch das Verändern des Volumens der Zylinderarbeitsräume wird gleichzeitig das Verdichtungsverhältnis der Hubkolben-Brennkraftmaschine verändert.The slave pistons 18 are over a linkage 20 with an adjusting motor 21 connected. The adjusting motor 21 , which may be formed, for example, as a hydraulic power unit or electric adjusting motor, made possible via the linkage 20 a displacement of the slave piston 18 in the guides 17 , thus allowing the volume of the side rooms 19 and thus also that of the cylinder workrooms is changeable. By changing the volume of the cylinder working spaces, the compression ratio of the reciprocating internal combustion engine is simultaneously changed.

Insbesondere bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen kann durch eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses wesentlicher Einfluss auf deren Betriebsverhalten ausgeübt werden. Dabei bietet es sich auch an, dass der Verstellmotor 21 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine von einer ohnehin vorhandenen elektronischen Motorsteuerung angesteuert wird.In particular, in reciprocating internal combustion engines can be exercised by changing the compression ratio significant impact on their performance. It also makes sense that the adjusting motor 21 is controlled by an already existing electronic engine control as a function of operating parameters of the internal combustion engine.

Das Schiebergehäuse 6 (und damit das gesamte Modul) ist kraftschlüssig zwischen dem Zylinderkurbelgehäuse 1 und dem Zylinderkopf 9 durch die Spannung der Zylinderkopfschrauben gehalten, wobei selbstverständlich seine Lage zum Beispiel auch durch Passstifte gesichert sein kann.The slide housing 6 (and thus the entire module) is frictionally between the cylinder crankcase 1 and the cylinder head 9 held by the tension of the cylinder head bolts, of course, its location can be secured, for example, by dowel pins.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die technischen Mittel zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine in einem scheibenförmigen Modul zusammenfassbar sind. Dieses Modul, bestehend aus dem Schiebergehäuse 6, den Nebenkolben 18 und der Verstellvorrichtung für die Nebenkolben 18 mit dem Gestänge 20 und dem Verstellmotor 21, kann als vorgefertigtes Bauteil in entsprechend vorbereitete Hubkolbenmaschinen eingefügt werden. Dabei bleibt der Änderungsumfang gegenüber üblichen Hubkolbenmaschinen relativ gering.The particular advantage of the invention is the fact that the technical means for changing the compression ratio of a reciprocating engine in a disc-shaped module are summarized. This module, consisting of the slide housing 6 , the slave piston 18 and the adjusting device for the slave piston 18 with the linkage 20 and the adjusting motor 21 , can be inserted as a prefabricated component in appropriately prepared reciprocating engines. The amount of change compared to conventional reciprocating engines remains relatively low.

11: Zylinderkurbelgehäusecylinder crankcase
22: Zylinderbohrungbore
33: Hubkolbenreciprocating
44: Pleuelstangeconnecting rod
55: Flächearea
66: Schiebergehäuseslide housing
77: Bohrungdrilling
88th: Durchgangpassage
99: Zylinderkopfcylinder head
1010: SchraubendurchgangScrew passage
1111: Abrundungrounding off
1212: GaswechselventilGas exchange valve
1313: Nockenwellecamshaft
1414: Kipphebelrocker arm
1515: Ventilfedervalve spring
1616: Flächearea
1717: Führungguide
1818: Nebenkolbenslave piston
1919: NebenraumOutbuildings
2020: Gestängelinkage
2121: Verstellmotoradjusting

Claims

Device for changing the compression ratio in reciprocating engines, in particular reciprocating internal combustion engines, during operation, in which a the volume of a side space connected to the cylinder working space ( 19 ) changeable than laterally arranged next to the cylinder working space in a slide housing ( 6 ) movable slide formed secondary piston ( 18 ) by means of an adjusting device ( 20 . 21 ) is adjustable in dependence on state variables of the reciprocating engine, characterized in that the slide housing ( 6 ), the adjoining room ( 19 ) with the secondary piston ( 18 ) as well as the adjusting device ( 20 . 21 ) in one between the upper surface ( 5 ) of a cylinder crankcase ( 1 ) and the lower surface ( 16 ) of a cylinder head ( 9 ) inserted disc-shaped module are arranged, in which the cylinder bore ( 2 ) from the cylinder crankcase ( 1 ) and between the cylinder crankcase ( 1 ) and cylinder head ( 9 ) is frictionally and / or positively held by the cylinder head bolts.

Device according to claim 1, characterized in that the disk-shaped module in a multi-cylinder reciprocating engine over extending all cylinder units and each of the cylinder units an ancillary room ( 19 ) and a secondary piston ( 18 ).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the adjusting device ( 20 . 21 ) for the secondary pistons ( 18 ) is connected to the module.

Device according to claim 2, characterized in that the secondary pistons ( 18 ) of all cylinder units by a common adjusting unit ( 20 ) operated by a common adjusting motor ( 21 ) is driven.

Device according to claim 2, characterized in that the secondary pistons ( 18 ) of each cylinder unit from its own adjustment unit ( 20 ) are actuated, each with its own drive unit ( 21 ) is driven.

Device according to claim 3, characterized in that the adjusting device ( 20 ) and its drive devices ( 21 ) are controlled with one of the state variables of the reciprocating engine controlling control unit.

Device according to claim 6, characterized that the reciprocating engine is a reciprocating internal combustion engine and the control unit an electronic engine control unit is.