DE10157047B4

DE10157047B4 - Verfahren und System zur variablen Verdichtung bei Verbrennungsmotoren, sowie Nachrüstbausatz hierfür

Info

Publication number: DE10157047B4
Application number: DE2001157047
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Löbig Arnold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: DE10157047A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren (1) für Kraftfahrzeuge, wobei eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird, wobei das Zylindervolumen mittels einer sich seitlich am Zylinder (6, 6') durch eine Öffnung (16, 16') im Zylinderumfang (32) anschließenden Ausnehmung (34) und einen diese Ausnehmung (34) freigebenden oder verschließenden, tangential oder sekantial zum Zylinderumfang (32) beweglichen Schieber (14, 14', 14'', 14''') verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zylinderblock (4, 4') und Zylinderkopf (2, 2') ein Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') eingefügt wird, das eine Zylinderbohrung (30) pro Zylinder aufweist, wobei sich die Ausnehmung (34) seitlich an diese Zylinderbohrung (30) anschließt und wobei die Zylinderbohrungsumfangswand (34) die durch den Schieber (14, 14', 14'', 14''') verschließbare Öffnung (16, 16') zur Verbindung mit der Ausnehmung (34) aufweist, wobei der Schieber (14, 14', 14'', 14''') tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich geführt wird, und wobei das Volumen der Zylinderbohrung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zur variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, sowie einen Nachrüstbausatz hierfür.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Kraftstoffersparnis, günstiger Abgaswerte, einer Leistungssteigerung ohne Mehrverbrauch oder dergleichen wird bei heutigen Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge ein sehr hoher Entwicklungsaufwand in der Automobilindustrie getrieben. Ein großes Entwicklungspotential und damit einen vielversprechenden Ansatzpunkt für Weiterentwicklungen bietet hierbei die variable Verdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum. Eine variable Verdichtung bietet die Chance zur Optimierung der Verhältnisse sowohl für den Teillastbereich als auch für den Volllastbereich sowie der dazwischenliegenden Lastbereiche eines Verbrennungsmotors, ohne die bekannten Nachteile bei einem Kompromiss einer einheitlichen Verdichtung klassischer Hubkolbenmotoren hinnehmen zu müssen. Dieses hohe Entwicklungspotential einer variablen Verdichtung kommt insbesondere bei turbogeladenen Motoren besonders ausgeprägt zur Entfaltung.
Neben drehbaren Exzentern zur Variation des Kolbenhubs, Kolben mit hydraulisch veränderbarer Höhe oder im Zylinderkopf gelagerten verschieblichen Kolben ist aus der DE 89 02 449 U1 eine weitere Variante einer Vorrichtung zur variablen Verdichtung bei Verbrennungsmotoren bekannt geworden. Dort wird ein Schieber im oberen Teil eines Zylinders in einem Schiebergehäuse geführt, der den halben Zylinderumfang umfasst. Auf diese Weise kann das Volumen im Verbrennungsraum mittels des Schiebers verändert werden. Nachteilig ist, dass der volle Druck, der im Brennraum bei der Entzündung und der nachfolgenden Explosion des Luft-Kraftstoff-Gemisches herrscht, auf den Schieber und damit auf die nachgeordneten Stellelemente durchschlägt, die entsprechend massiv dimensioniert sein müssen. Zudem ist für eine variable Verdichtung bei einem Motor mit einer Mehrzahl von Zylindern ein erheblicher Aufwand zu treiben, um alle Schieber aller Zylinder mit entsprechenden Gestängen, Stellmotoren und Regeleinrichtungen anzutreiben, anzusteuern und zu synchronisieren. Diese Nachteile haben wohl dazu geführt, dass die aus der DE 89 02 449 U1 bekannte Vorrichtung in der Praxis keine Beachtung gefunden hat.
Zufriedenstellende Lösungen für eine variable Verdichtung sind auch nicht im aus der Praxis bekannten Stand der Technik zu finden. Eine Ursache hierfür kann der große bauliche Aufwand sein. Denn zur Realisierung einer variablen Verdichtung sind häufig viele zusätzliche Bauteile erforderlich. Dabei müssen diese zusätzlichen Bauteile oftmals rotierende Bewegungen ausführen, so dass diese entsprechend zu schmieren sind, was schlussendlich in weiter nachteilhafter Weise einen zusätzlichen Ölkreislauf notwendig macht. Zudem verschlechtern sich die Massenkräfte 2. Ordnung in aller Regel aufgrund dieser zusätzlichen Bauteile, wie z. B. ein im kleinen Pleuelauge eingearbeiteter Exzenter. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil bisheriger Lösungen ist der extrem hohe Entwicklungsaufwand, der getrieben werden muss, um den Motorblock oder den Zylinderkopf umzukonstruieren. Zudem entsteht dabei häufig nicht nur ein erhebliches Mehrgewicht, sondern es entstehen auch beachtliche zusätzliche Kosten.
Als besonders nachteilig stellte sich heraus, dass sich bei verschiedenen bekannten Lösungen der gesamte Zylinderkopf mit den sich daran anschließenden Krümmern bewegt, was eine äußerst komplizierte Abdichtung dieses Systems erforderlich macht. Zudem weisen solche Motoren häufig viele Teilebenen auf, die wiederum zusätzliche Passungen erforderlich machen, was schlussendlich zu kaum beherrschbaren Problemen bei der Abdichtung des Zylinderkopfs gegenüber dem Zylinderblock oder gar des gesamten Motors führt.
Schlussendlich münden all diese Nachteile in einer gegenüber herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotoren vergleichsweise teuren Herstellung. Es muss zusätzlich ein hoher Aufwand bei der Bearbeitung auf der Transferstraße getrieben werden und es gibt keine Umrüstmöglichkeiten für andere Motoren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches, unkompliziertes und kostengünstiges Verfahren als auch System zur variablen Verdichtung bei Verbrennungsmotoren vorzuschlagen. Ferner soll ein Nachrüstbausatz angegeben werden, mit dem Motoren umgerüstet werden können.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, als auch in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 6 sowie des Anspruchs 17 gelöst.
Dabei schlägt die vorliegende Erfindung erstmals ein Verfahren zur Steuerung einer variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge vor, bei dem eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird, wobei das Zylindervolumen mittels einer sich seitlich am Zylinder durch eine Öffnung im Zylinderumfang anschließenden Ausnehmung und einen diese Ausnehmung freigebenden oder verschließenden, tangential oder sekantial zum Zylinderumfang beweglichen Schieber verändert wird.
Hierbei wird vorteilhaft der Effekt ausgenutzt, dass bereits geringe Volumenänderungen des Brennkammervolumens im Bereich des Kolbendoms eine starke Veränderung der Verdichtung nach sich ziehen können. Dabei ist weiter von Vorteil, dass das erfindungsgemäß veränderbare Brennkammervolumen im Bereich des Kolbendoms in einem Stück innerhalb des Zylinders ausgebildet sein kann.
Weiterhin kann bei einer Mehrzahl von Zylindern bereits mit einem einzigen Stellelement vorteilhaft eine Veränderung des Zylindervolumens jeden Zylinders und damit eine Variation des Verdichtungsverhältnisses im jeweiligen Verbrennungsraum erreicht werden. Die Verwendung nur eines Stellelements bietet den weiteren Vorteil, dass zu dessen Antrieb lediglich ein Stellmotor benötigt wird, was den weiteren Vorteil bringt, dass zu dessen Ansteuerung bzw. Regelung wiederum eine dementsprechend geringe Anzahl an Steuerelementen gebraucht werden. Dies führt schlussendlich dazu, dass das erfindungsgemäße Verfahren als auch das erfindungsgemäße System einfach aufgebaut werden können, einfach zu warten sind und somit sowohl bei der Herstellung als auch im laufenden Betrieb kostengünstig sind.
Die aus dem vorstehend erwähnten Stand der Technik bekannten komplexen Gestänge für die Betätigung von Schiebern oder Nebenkolben, die damit verbundene Verkantungsgefahr, die damit einhergehende aufwendige Abdichtung und Einpassung der Schieber oder Nebenkolben können beim erfindungsgemäßen Verfahren als auch beim System in vorteilhafter Weise vollständig entfallen.
Demgegenüber kann der Schieber, der tangential zum Zylinderumfang bewegt wird, in einer bevorzugten Ausführungsform einstückig ausgebildet sein. Ferner kann er direkt von einem Stellelement, wie beispielsweise einem Stellmotor oder einer Stellhydraulik angetrieben werden. Dies bietet eine weitestmögliche Vereinfachung der Handhabung bei der Montage sowie einen besonders einfachen Aufbau, was schlussendlich wieder hilft, Kosten zu senken.
Darüber hinaus kann das Stellelement, wie beispielsweise der Stellmotor oder die Stellhydraulik klein dimensioniert werden, da zur Betätigung des Schiebers beim erfindungsgemäßen System nur geringe Kräfte benötigt werden. Denn im Gegensatz zur aus der DE 89 02 449 bekannten Vorrichtung braucht der erfindungsgemäße Schieber nicht dem gesamten, im Verbrennungsraum herrschenden Explosionsdruck standzuhalten, da der Schieber im Gegensatz zum radial geführten Schieber der DE 89 02 449 tangential bzw. sekantial zum Zylinderumfang geführt ist. Damit wird in vorteilhafter Weise der im Verbrennungsraum herrschende hohe Brennkammerdruck direkt durch die Zylinderwand radial abgeleitet und in jenem Bereich, in dem das Fenster bzw. die Öffnung im Zylinderumfang liegt, die eine Veränderung des Volumens und damit der Verdichtung mittels des Schiebers erlaubt, wird der Druck ebenso radial über die Zylinderumfangswandung quer durch den Schieber hindurch auf die dahinter liegende Wand des Zylinderkopfs abgeleitet. Eine Krafteinleitung in Bewegungsrichtung des Schiebers ist in vorteilhafter Weise ausgeschlossen.
Darüber hinaus lässt sich dieses neue erfindungsgemäße System in vorteilhafter Weise besonders klein bauen. Es ermöglicht eine optimale Abdichtung aller Bauteile im Zylinderkopf. Die bei bestehenden Motoren bereits vorgegebenen Geometrien hinsichtlich Verschraubung und Abdichtung des Zylinderkopfs mit dem Zylinderblock können problemlos beibehalten oder mit geringen Aufwand angepasst bzw. modifiziert werden. Darüber hinaus kann dieses neue System problemlos auf vorhandene handelsübliche Motoren nicht nur bei der Anmelderin sondern auch bei deren Wettbewerbern eingebaut und auf die unterschiedlichsten Brennraumformen angepasst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer bevorzugten Ausführungsform dahingehend durchgebildet, dass zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf ein Verdichtungsvariationsmodul eingefügt wird, welches eine Zylinderbohrung pro Zylinder aufweist. Die Ausnehmung schließt sich seitlich an diese Zylinderbohrung an und die Zylinderbohrungsumfangswand weist die durch den Schieber verschließbare Öffnung zur Verbindung mit der Ausnehmung auf. Das Volumen der Ausnehmung wird zur Variation des Brennkammervolumens herangezogen. Hierfür wird der Schieber tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich geführt, so dass das Volumen der Ausnehmung und mithin das Brennkammervolumen bzw. das Volumen der Zylinderbohrung im Verdichtungsvariationsmodul durch diese Längsbewegung des Schiebers verändert werden kann.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind alle Zylinder eines Zylinderblocks einer einheitlichen Variation der Verdichtung mit einem gemeinsamen Schieber unterworfen. Auf diese Weise kann die Steuerung und Regelung des Systems aufgrund einer einzigen, zu regelnden Komponente, relativ einfach gehalten und damit Kosten gesenkt werden.
Sofern eine optimale Einstellung der Verdichtung für jeden einzelnen Zylinder, beispielsweise bei Hochleistungsmotoren, gewünscht wird, ist in einer weiter bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass bei jedem Zylinder eines Zylinderblocks mittels eines dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Einzelschiebers oder eines mehrteiligen bzw. mehrlagigen Gesamtschiebers eine eigenständige, zylinderspezifische Variation der Verdichtung vorgenommen werden kann.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Schieber mittels eines Stellelements, vorzugsweise mittels einer Stellhydraulik, eines Stellmotors oder eines druckluftbetriebenen Stellglieds betätigt. Auf diese Weise kann eine besonders feine Abstimmung bei der Volumenveränderung und damit eine besonders feinfühlige Variation der Verdichtung erzielt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Schieber mittels eines Steuerelements, vorzugsweise mittels einer entsprechend programmierbaren Steuerelektronik in Abhängigkeit vom vorliegenden Lastbereich beim Betrieb des Hubkolben-Verbrennungsmotors zur Einstellung einer bestimmten Verdichtung um eine vorbestimmte Wegstrecke bewegt. Aus diese Weise können für alle Lastfälle die notwendigen Regelungen vorgenommen werden. Zudem kann die Regelung aufgrund der programmierbaren Steuerelektronik alle erdenklichen Schieberprofile berücksichtigen, so dass immer eine optimale Verdichtung für den jeweiligen Lastfall beim jeweiligen Motor eingestellt bzw. automatisch im Betrieb erzielt werden kann.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 7 bzw. des Anspruchs 17 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schlägt hierfür erstmals ein System zur variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge vor, wobei eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird. Hierbei ist eine Ausnehmung seitlich am Zylinder vorgesehen, die durch eine Öffnung im Zylinderumfang mit dem Zylinder verbunden ist. Das veränderbare Volumen der Ausnehmung wird im Zusammenspiel mit dem Brennkammervolumen genutzt, um die gewünschte Verdichtung einzustellen. Hierfür ist ein tangential oder sekantial zum Zylinderumfang bewegbarer Schieber vorgesehen, mittels dem diese Ausnehmung vollständig freigebbar oder beliebig weit verschließbar ist.
Damit werden die bereits vorstehend diskutierten Vorteile erzielt. Insbesondere werden beim erfindungsgemäßen System deutlich weniger zusätzliche Teile benötigt, als bei herkömmlichen Vorrichtungen für eine variable Verdichtung. Es ist kein zusätzlicher Konstruktionsaufwand sowohl beim Zylinderkopf als auch beim Zylinderblock notwendig. Es tritt keine Bewegung des Systems nach außen auf, was dessen Abdichtung drastisch vereinfacht. Es sind keine zusätzlichen rotierenden Teile innerhalb des Motors vorhanden. Damit sind in weiter vorteilhafter Weise nur sehr wenige zusätzliche Passungen erforderlich. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Abdichtung aus, die auch aus dieser Sicht einfach gehalten werden kann. Es tritt zudem eine sehr geringe Beeinflussung der Massenkräfte zweiter Ordnung auf, so dass deren Beeinflussung durch das erfindungsgemäße System vernachlässigbar klein ist. Ebenso fällt das Mehrgewicht beim erfindungsgemäßen System so gering aus, dass es nicht als störend empfunden wird. Insbesondere das Stellelement kann sehr klein dimensioniert werden, unabhängig davon, ob als Stellelement ein Stellmotor, eine Stellhydraulik oder ein druckluftbetriebenes Stellglied zum Einsatz gelangt. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Systems ist wesentlich günstiger, als bei bekannten Systemen. Zudem ist in vorteilhafter Weise ein Komplettmodul mit dem Schieber und dem Stellelement sehr einfach herstellbar. Es entsteht kein zusätzlicher Aufwand bei der Bearbeitung auf der Transferstraße. Es ist eine relativ einfache Umrüstung anderer Motoren möglich, denn das erfindungsgemäße System kann an die unterschiedlichsten Brennraumformen angepasst werden. Es ist deshalb für alle Verbrennungsmotoren mit unterschiedlichen Zylinderzahlen, Zwei- und Mehrventiltrieb geeignet, wobei es besonders geeignet ist bei aufgeladenen Motoren, aber auch bei GDI-Motoren.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Systems ist ein Verdichtungsvariationsmodul zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet. Das Verdichtungsvariationsmodul weist eine Zylinderbohrung pro Zylinder auf, die vorzugsweise an die entsprechende Zylinderbohrung im Zylinderblock angepasst ist. Dabei schließt sich die Ausnehmung seitlich an die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung an, wobei die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung die durch den Schieber verschließbare Öffnung in der Zylinderbohrungsumfangswand aufweist. Dabei ist der Schieber tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich gelagert und das Volumen der Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung ist durch eine Längsbewegung des Schiebers veränderbar.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weisen die Zylinder eines Zylinderblocks wenigstens einen gemeinsamen Schieber auf. Sofern größere Volumenänderungen des Brennkammervolumens vorgenommen werden sollen, können auch zwei Schieber gleichzeitig vorgesehen werden. Diese können gemeinsam von einer Seite oder getrennt von zwei Seiten angesteuert werden. In einer alternativen Ausführungsform weisen die Zylinder eines Zylinderblocks jeweils einen eigenen Einzelschieber auf bzw. sind durch einen mehrteiligen Gesamtschieber jeweils eigenständig ansteuerbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Stellelement zur Betätigung eines Schiebers vorgesehen, das vorzugsweise eine Stellhydraulik oder ein Stellmotor sein kann. Ferner ist in einer weiter bevorzugten Ausführungsform ein Steuerelement zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen, das vorzugsweise als Steuerelektronik durchgebildet sein kann.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist der Schieber Ausnehmungen auf, die mit den Montagebohrungen im Zylinderkopf korrespondieren. Damit kann der Schieber in die bereits bestehende Motorblockgeometrie eingefügt werden, ohne dass die für eine optimale Abdichtung und Verbindung des Zylinderkopfs mit dem Zylinderblock aufgefundene Position der Montagebohrungen verändert werden müsste.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist der Schieber im Bereich der in der Zylinderbohrungsumfangswand des Verdichtungsvariationsmodul angeordneten Öffnung längs seines Bewegungsweges eine Kontur auf, welche in vorbestimmter Weise unterschiedlich weit in die Zylinderbohrung hineinragt. Damit ist eine einfache Regelung bzw. Veränderung des Volumens durch die Vorgabe der geometrischen Verhältnisse möglich. Mit einer konstanten Kontur wird bei gleichbleibender Bewegung des Schiebers eine konstante Zu- oder Abnahme des betreffenden Teilvolumens erreicht. Folgt die Kontur einer Kurve, können bei gleichbleibender Bewegung des Schiebers nichtlineare Volumenveränderungen realisiert werden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist diese Kontur in Form einer Nase ausgebildet. Damit lassen sich die vorstehend genannten Vorteile einer Anpassung an die vorhandene Geometrie in Bezug auf Montagebohrungen und dergleichen als auch der Vorteil einer geometrischen Regelung besonders gut verbinden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die der Zylinderbohrung zugewandte Flanke der Nase hinsichtlich deren Flankenverlauf und/oder Oberflächenbeschaffenheit an den zugeordneten Brennraum angepasst. Damit wird sichergestellt, dass der, insbesondere bei bereits bestehenden Motoren, an und für sich optimierte Brennraum für einen hervorragenden Verbrennungsprozess optimiert bleibt. Zudem lassen sich darüber hinaus positive Effekte, wie eine verbesserte Verwirbelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches oder eine bessere Durchmischung und Entzündung desselben erreichen.
Die vorliegende Erfindung schlägt darüber hinaus erstmals einen Nachrüstbausatz für ein System, wie vorstehend diskutiert, vor. Dieser Nachrüstbausatz enthält ein Verdichtungsvariationsmodul mit dem darin verschieblich gelagerten Schieber. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Bausatz weiterhin ein Stellelement und/oder ein Steuerelement auf. Ferner können einem Zylinder auch zwei Ausnehmungen und dementsprechend zwei Schieber zugeordnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erste Variante eines Motorblocks im Schnitt mit dem erfindungsgemäßen System für eine variable Verdichtung;
2 eine zweite Variante eines Motorblocks mit dem erfindungsgemäßen System ebenfalls im Schnitt;
3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichtungsvariationsmoduls in schräger Draufsicht mit einem daneben dargestellten Schieber und angelenktem Stellelement;
4 zwei nebeneinander dargestellte Verdichtungsvariationsmodule im Zustand a) maximaler und b) minimaler Verdichtung; und
5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichtungsvariationsmoduls in schräger Draufsicht mit zwei bereits integrierten Schiebern mit daran angelenkten Stellelementen.
In 1 ist eine erste Variante eines Motorblocks im Schnitt mit dem erfindungsgemäßen System für eine variable Verdichtung veranschaulicht. Der hier im Schnitt dargestellte Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 weist einen Zylinderkopf 2 und einen Zylinderblock 4 auf. Im Zylinderblock 4 ist der Zylinder 6 im Schnitt erkennbar.
Zwischen dem Zylinderkopf 2 und dem Zylinderblock 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichtungsvariationsmoduls 8 angeordnet. Zur Verbesserung der Passgenauigkeit weist das Verdichtungsvariationsmodul 8 entsprechende Fasen 10 und 12 auf, die zum Zylinderkopf 2 bzw. zum Zylinderblock 4 orientiert sind. Das Verdichtungsvariationsmodul 8 ist an den Zylinderblock 4 mit einem entsprechenden Zylinderdurchmesser angepasst. Durchlässe für eine Kühlung, für Ölkanäle und/oder Zentrierlöcher sind in dieser Darstellung nicht näher gezeigt. Der Schieber 14, mit dem die Öffnung 16 zur Verbindung mit der vom Schieber ausgefüllten Ausnehmung verschlossen wird, ist im Schnitt erkennbar.
In 2 ist eine andere Alternative eines Motorblocks im Schnitt dargestellt. Im Prinzip ist diese Variante aufgebaut, wie die in 1 veranschaulichte Variante. Der hier im Schnitt dargestellte Hubkolben-Verbrennungsmotor 1' weist einen Zylinderkopf 2' und einen Zylinderblock 4' auf. Im Zylinderblock 4' ist der Zylinder 6' im Schnitt erkennbar. Zwischen dem Zylinderkopf 2' und dem Zylinderblock 4' ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichtungsvariationsmoduls 8' angeordnet. Zur Verbesserung der Passgenauigkeit weist das Verdichtungsvariationsmodul 8' entsprechende Fasen 10' und 12' auf. Durchlässe für die Kühlung, für die Ölkanäle oder für Zentrierlöcher sind nicht näher dargestellt. Der Schieber 14', mit dem die Öffnung 16' zur Verbindung mit der vom Schieber ausgefüllten Ausnehmung verschlossen wird, ist wiederum im Schnitt erkennbar.
Anstelle der Zylinderbohrung im Verdichtungsvariationsmodul 8 gemäß 1 ist beim Verdichtungsvariationsmodul 8' gemäß 2 eine optimierte Brennraumform 18' gezeigt. Bei dieser Variante entfällt das klassische Brennraumvolumen im Zylinderkopf 2' und der Aufbau ähnelt eher dem eines Dieselmotors mit stehenden Einlassventilen 20' und stehenden Auslassventilen 22'. Dabei wird das im Zylinderkopf 2' fehlende Brennraumvolumen vom Verdichtungsvariationsmodul 8' zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann der Kolbendom 24' des Kolbens 26' wesentlich kleiner aus- oder ganz entfallen. Der Schieber 14', die nicht näher dargestellten Gestänge und Stellelemente sind wie bei der in 1 gezeigten Version 1 durchgebildet, insoweit sind ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet worden, wobei die Bezugszeichen um einen Strich ergänzt sind.
Der besondere Vorteil der in 2 dargestellten Variante ist, dass man selbst in der Entwicklungsphase mit geringem baulichen Aufwand verschiedene Brennräume testen und optimieren kann, ohne wie bislang erforderlich, bei jedem Testdurchlauf einen kompletten Zylinderkopf zu erneuern oder abändern zu müssen.
In 3 ist in einer schrägen Ansicht von oben eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichtungsvariationsmoduls 8 neben einem zugehörigen Schieber 14 veranschaulicht. Der Durchmesser des Zylinders 30 bzw. der Zylinderbohrung 30 ist an den hier nicht näher dargestellten Zylinderblock angepasst. In der Zylinderbohrungsumfangswand 32 ist die durch den Schieber 14 verschließbare Öffnung 16 gut erkennbar. Die Öffnung 16 verbindet die Zylinderbohrung 30 mit der hier ebenso gut erkennbaren Ausnehmung 34. Weiterhin ist im Verdichtungsvariationsmodul 8 eine entsprechend ausgebildete Längsnut 36 erkennbar, in der der Schieber 14 geführt ist. Durch die Öffnung 38 kann das am Schieber 14 angelenkte Gestänge 40 hindurchtreten und damit den Schieber 14 mit dem Stellelement 42 verbinden.
Im Verdichtungsvariationsmodul 8 sind Öffnungen für eine Kühlung 44 sowie Ölkanäle 46, 48 und 50 erkennbar. Ferner sind Zentrierlöcher 52 und 54 im Verdichtungsvariationsmodul 8 enthalten, um ein optimales Fluchten des Zylinderkopfs bzw. Zylinderblocks mit dem Verdichtungsvariationsmodul 8 bei der Montage zu gewährleisten. Das Verdichtungsvariationsmodul 8 wird mit nicht näher dargestellten Zylinderkopfschrauben in den Durchgangslöchern 56 an dessen Unterseite 58 mit dem nicht näher dargestellten Zylinderblock und an der Deckfläche 60 mit dem nicht näher dargestellten Zylinderkopf verspannt.
Weiterhin hat das Verdichtungsvariationsmodul 8 eine für die unterschiedlichen Anforderungen in der Form optimierbare Aussparung bzw. Längsnut 36 für den Schieber 14. Der Schieber 14 weist seinerseits entsprechend optimierte Übergänge 62 an den Flanken 64 auf, die an den hier nicht näher dargestellten Brennraum entsprechend angepasst sind. Der Schieber 14 besitzt je nach Zylinderzahl entsprechende Nasen 66, die in der Form ähnlich wie Kolbendome ausgebildet sind und in der hier dargestellten Ausfuhrungsform einstückig mit der Leiste 68 zur Ausbildung des Schiebers 14 verbunden sind. Weiterhin weist der Schieber 14 zwischen den Flanken 64 der Nasen 66 und der Leiste 68 Aussparungen 70 auf, mit denen die hier nicht näher dargestellten Zylinderkopfschrauben umgangen werden können.
Der Schieber 14 bewirkt beim Betätigen eine Brennraumvergrößerung oder -verkleinerung und kann mit den unterschiedlichsten Fertigungsverfahren für die jeweiligen Bedürfnisse optimal hergestellt werden. Der vorher in die Aussparung bzw. Längsnut 36 des Moduls 8 eingelegte Schieber 14 hat am Ende in der hier dargestellten Ausführungsform eine Gewindebohrung 72, in der das Gestänge 40 befestigt ist, welches vorher durch die entsprechend abgedichtete Bohrung 38 des Moduls 8 hindurch geschoben wird. Somit ergibt sich eine einwandfreie Abdichtung des Moduls 8 auch nach oben zum Zylinderkopf hin. Das Gestänge 40 wird von dem Stellelement 42, das beispielsweise als Stellmotor oder hydraulisches Steuerelement ausgestaltet sein kann, betätigt. Liegt der Schieber 14 mit seiner Stirnfläche 74 an der Anschlagfläche 76 der Längsnut 36 an, ergibt sich die niedrigste bzw. minimalste Verdichtung. Liegt die Fläche 78 des Schiebers 14 an der Fläche 80 an, so ergibt sich die höchste bzw. maximale Verdichtung; dazwischen ist die Verdichtung variabel.
Diese Version eignet sich insbesondere für bereits produzierte, vorhandene Motoren zur Umstellung auf eine variable Verdichtung.
In 4 ist in zwei nebeneinander angeordneten Darstellungen zur weiteren Veranschaulichung in 4a der Zustand der maximalen bzw. höchsten Verdichtung und in 4b der Zustand der minimalsten bzw. niedrigsten Verdichtung gezeigt.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht. Diese ähnelt den in 1 und 2 erläuterten Ausführungsformen. Allerdings sind bei der hier dargestellten Ausführungsform im Modul 8'' sowohl krümmereinlassseitig als auch krümmerauslassseitig Aussparungen bzw. Längsnuten 36'' bzw. 36''' vorhanden. Darin sind zwei Schieber 14'' bzw. 14''' gleitend gelagert. Deren zugeordnete Gestänge 14'' bzw. 14''' und Steuerelemente 42'' bzw. 42''' dienen jeweils zum Antrieb des entsprechenden Schiebers 14'' bzw. 14'''. Diese Variante eignet sich besonders gut für eine sehr hohe Brennraumvolumenänderung. Zusätzlich ist es möglich, die Schieber 14'' bzw. 14''' unabhängig voneinander für eine Feinabstimmung bei hohen Verdichtungsänderungen zu betätigen. Die Steuerelemente 42'' bzw. 42''' können beidseitig an der Stirnfläche 58'' des Moduls 8'' oder auch der entgegengesetzten Fläche 82'' angebracht sein. Ebenso kann auch je ein Steuerelement, z. B. 42'', an der Stirnfläche 58'' und das andere, z. B. bzw. 42''', an der Fläche 82'' angebracht sein, je nachdem wie es die Einbauverhältnisse im Motorenraum erlauben oder erforderlich machen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit bei Betätigung zweier Schieber 14'' bzw. 14''', die beide nebeneinander an der Stirnfläche 58'' bzw. an der entgegengesetzten Fläche 82'' angebracht sind, diese beiden Schieber gemeinsam über eine Leiste (hier nicht näher dargestellt) anzusteuern, so dass man nur einen einzigen Stellmotor für beide Schieber 14'' bzw. 14''' zu verwenden braucht.
Bei einer nicht näher dargestellten vierten Ausführungsform kann der Schieber 14 komplett in das Modul 8 eingebettet werden, so dass die Deckfläche 60 des Moduls geschlossen ist. Der Schieber 14 wird seitlich in einer Aussparung bzw. Längsnut an den geebneten Seitenflächen 84 und/oder 86 (vgl. 3) eingelegt und mit einer entsprechend angepassten Leiste mit darauf abgestimmten Verschraubungen gasdicht befestigt. Der besondere Vorteil hierbei liegt in der besonders einfachen Abdichtung der Deckfläche 60 des Moduls 8 gegenüber der Unterseite des Zylinderkopfes aufgrund der vollständigen Integration des Schiebers 14 in das Modul 8.
Gemäß einer fünften Alternative ist – ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen vierten Alternative – der Schieber 14 ebenfalls in dem Modul 8 eingebettet. Bei dieser fünften Ausführungsvariante entfallen in vorteilhafter Weise die seitlichen Aussparungen des Moduls 8 mit den zusätzlichen Leisten und Befestigungselementen nebst der gasdichten Abdichtung. Eine Öffnung zum Einführen des Schiebers 14 besteht beispielsweise an der Stirnseite 58 und/oder an der gegenüber liegenden Seite 82. Hierbei kann der Schieber 14 aus einer separaten Leiste 68 bestehen, an der die dann ebenfalls separaten Nasen 66 je nach Zylinderzahl, mit der Leiste 68 verschraubt oder anderweitig verbunden werden. Die Leisten 68 werden vor der Endmontage stirnseitig oder gegenüberliegend in die Aussparung des Moduls 8 eingeschoben, die Nasen 66 in die Öffnungen 16 bzw. dahinter liegenden Aussparungen 34 innerhalb der Zylinderbohrungen 30 eingelegt und abschließend mit der Leiste 68 verschraubt. In einer weiteren Ausbildung der Leiste ist es denkbar, die Leiste 68 mehrlagig aufzubauen, so dass im Prinzip jeder Nase 66 eine Teil-Leiste zugeordnet wird und damit eine gezielte Ansteuerung jeder einzelnen Ausnehmung 34 eines jeden Zylinders erzielt werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft damit erstmals ein Verfahren zur Steuerung einer variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, wobei eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird. Hierbei wird das Zylindervolumen mittels einer sich seitlich am Zylinder durch eine Öffnung im Zylinderumfang anschließenden Ausnehmung und einen diese Ausnehmung freigebenden oder verschließenden, tangential oder sekantial zum Zylinderumfang beweglichen Schieber verändert. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein zur Anwendung des vorgenannten Verfahrens geeignetes System, das in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Verdichtungsvariationsmodul aufweist, welches zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet ist. Das Verdichtungsvariationsmodul weist eine Zylinderbohrung pro Zylinder auf, die an die entsprechende Zylinderbohrung im Zylinderblock angepasst ist, wobei sich die Ausnehmung seitlich an die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung anschließt und wobei die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung hier durch den Schieber verschließbare Öffnung in der Zylinderbohrungsumfangswand aufweist. Hierbei wird der Schieber tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich gelagert. Das Volumen der Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung kann durch eine Längsverschiebung des Schiebers verändert werden. Ferner schafft die vorliegende Erfindung erstmals einen Nachrüstbausatz für das vorstehend erläuterte System, mit dem bestehende Motoren nachgerüstet werden können.
Bezugszeichenliste

1 bzw. 1': Hubkolben-Verbrennungsmotor
2 bzw. 2': Zylinderkopf
4 bzw. 4': Zylinderblock
6 bzw. 6': Zylinder
8 bzw. 8': Verdichtungsvariationsmodul
10 bzw. 10': Fase
12 bzw. 12': Fase
14 bzw. 14': Schieber
16 bzw. 16': Öffnung
18': Brennraumform
20': Einlaßventil
22': Auslaßventil
24': Kolbendom
26': Kolben
28
30: Zylinderbohrung
32: Zylinderbohrungsumfangswand
34: Ausnehmung
36: Längsnut
38: Öffnung
40: Gestänge
42: Stellelement
44: Kühlung
46, 48, 50: Ölkanäle
52, 54: Zentrierlöcher
56: Durchgangslöchern
58: Unterseite
60: Deckfläche
62: Übergänge bzw. Konturen
64: Flanken
66: Nasen
68: Leiste
70: Aussparung
72: Gewindebohrung
76: Anschlagfläche
78: Fläche
80: Fläche

Claims

Verfahren zur Steuerung einer variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren (1) für Kraftfahrzeuge, wobei eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird, wobei das Zylindervolumen mittels einer sich seitlich am Zylinder (6, 6') durch eine Öffnung (16, 16') im Zylinderumfang (32) anschließenden Ausnehmung (34) und einen diese Ausnehmung (34) freigebenden oder verschließenden, tangential oder sekantial zum Zylinderumfang (32) beweglichen Schieber (14, 14', 14'', 14''') verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zylinderblock (4, 4') und Zylinderkopf (2, 2') ein Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') eingefügt wird, das eine Zylinderbohrung (30) pro Zylinder aufweist, wobei sich die Ausnehmung (34) seitlich an diese Zylinderbohrung (30) anschließt und wobei die Zylinderbohrungsumfangswand (34) die durch den Schieber (14, 14', 14'', 14''') verschließbare Öffnung (16, 16') zur Verbindung mit der Ausnehmung (34) aufweist, wobei der Schieber (14, 14', 14'', 14''') tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich geführt wird, und wobei das Volumen der Zylinderbohrung (30) im Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') durch eine Längsbewegung des Schiebers (14, 14', 14'', 14''') verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zylinder (6, 6') eines Zylinderblocks (4, 4') mit einem gemeinsamen Schieber (14, 14', 14'', 14''') einer einheitlichen Variation der Verdichtung unterworfen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Zylinder (6, 6') eines Zylinderblocks (4, 4') mittels eines dem jeweiligen Zylinder (6, 6') zugeordneten Einzelschiebers (14, 14', 14'', 14''') oder eines mehrteiligen Gesamtschiebers (14, 14', 14'', 14''') eine eigenständige Variation der Verdichtung vorgenommen werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (14, 14', 14'', 14''') mittels eines Stellelement (42, 42'', 42'''), vorzugsweise einer Stellhydraulik oder eines Stellmotors betätigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (14, 14', 14'', 14''') mittels eines Steuerelements, vorzugsweise einer Steuerungselektronik in Abhängigkeit vom vorliegenden Lastbereich beim Betrieb des Hubkolben-Verbrennungsmotors (1) zur Einstellung einer bestimmten Verdichtung um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.
System zur variablen Verdichtung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren (1) für Kraftfahrzeuge, wobei eine Veränderung im Verdichtungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels Variation des Zylindervolumens realisiert wird, wobei seitlich am Zylinder (6, 6') eine Ausnehmung (34) vorgesehen ist, die durch eine Öffnung (16, 16') im Zylinderumfang (32) mit dem Zylinder (6, 6') verbunden ist, wobei ein tangential oder sekantial zum Zylinderumfang (32) bewegbarer Schieber (14, 14', 14'', 14''') vorgesehen ist, mittels dem diese Ausnehmung (34) freigebbar oder verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') zwischen dem Zylinderblock (4, 4') und dem Zylinderkopf (2, 2') angeordnet ist, welches eine Zylinderbohrung (30) pro Zylinder aufweist, die an die entsprechende Zylinderbohrung (30) im Zylinderblock (4, 4') angepasst ist, wobei sich die Ausnehmung (34) seitlich an die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung (30) anschließt, und wobei die Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung (30) die durch den Schieber (14, 14', 14'', 14''') verschließbare Öffnung (16, 16') in der Zylinderbohrungsumfangswand (34) aufweist, wobei der Schieber (14, 14', 14'', 14''') tangential oder sekantial zum Zylinderrand verschieblich gelagert ist, und wobei das Volumen der Verdichtungsvariationsmodul-Zylinderbohrung (30) durch eine Längsbewegung des Schiebers (14, 14', 14'', 14''') veränderbar ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (6, 6') eines Zylinderblocks (4, 4') einen gemeinsamen Schieber (14, 14', 14'', 14''') aufweisen.
System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (6, 6') eines Zylinderblocks (4, 4') jeweils einen eigenen Einzelschieber (14, 14', 14'', 14''') oder einen mehrteiligen Gesamtschieber (14, 14', 14'', 14''') aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung eines Schiebers (14, 14', 14'', 14''') ein Stellelement (42, 42'', 42'''), vorzugsweise eine Stellhydraulik oder ein Stellmotor vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses ein Steuerelement, vorzugsweise eine Steuerelektronik vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (14, 14', 14'', 14''') Ausnehmungen (70) aufweist, die mit Montagebohrungen im Zylinderkopf (2, 2') korrespondieren.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (14, 14', 14'', 14''') im Bereich der in der Zylinderbohrungsumfangswand (34) des Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') angeordneten Öffnung (16, 16') längs dessen Bewegungsweg eine Kontur (62) aufweist, welche in vorbestimmter Weise unterschiedlich weit in die Zylinderbohrung (30) hinein ragt.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur in Form einer Nase (66) ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die der Zylinderbohrung (30) zugewandte Flanke (64) der Nase (66) hinsichtlich deren Flankenverlauf und/oder Oberflächenbeschaffenheit an den zugeordneten Brennraum angepasst ist.
Nachrüstbausatz für ein System nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Verdichtungsvariationsmodul (8, 8', 8'') mit dem darin verschieblich gelagerten Schieber (14, 14', 14'', 14''') aufweist.
Nachrüstbausatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Stellelement (42, 42'', 42''') und/oder ein Steuerelement aufweist.
Nachrüstbausatz nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch wenigstens eines der Merkmale nach einem der Ansprüche 8 bis 16.