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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenbrennkraftmaschine
mit verstellbarem Kolbenhub und verstellbarem Verdichtungsverhältnis sowie ein
Verfahren für
den Betrieb einer Axialkolbenbrennkraftmaschine mit den in den Oberbegriffen
der Patentansprüche
genannten Merkmalen.
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Vorbekannt
aus der
DE 2 61 754
C2 ist eine Regelungsvorrichtung für Axialkolbenbrennkraftmaschinen.
Mit dieser Vorrichtung ist es möglich,
das Verdichtungsverhältnis
und den Kolbenhub einer Axialkolbenbrennkraftmaschine unabhängig voneinander
zu verstellen. Zu diesem Zweck wird eine die Antriebswelle mitnehmende
Schrägscheibe
beliebig längs
der Achse der Antriebswelle verschoben und mehr oder weniger geneigt
um eine Querachse eingestellt. Die Übertragung der dafür erforderlichen Stellbewegungen
erfolgt über
eine Anordnung von Handrädern,
ineinander eingeschraubten Hülsen, Lagerungselementen,
Muffen, Gelenkzapfen und Gelenkstangen.
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Nachteilig
bei dieser gezeigten Lösung
ist, dass die Übertragung
der Stellbewegungen und -kräfte
durch eine Anordnung mehrerer toleranzbehafteter und den verschiedensten
Belastungen ausgesetzter Konstruktionselemente erfolgt. Das heißt, es ist
zu erwarten, dass keine reproduzierbare Einstellung des Kolbenhubes
und des dazugehörigen optimalen
Verdichtungsverhältnisses,
insbesondere über
der Standzeit der Axialkolbenbrennkraftmaschine möglich sein
wird. Folglich wird ein Teil der durch die unabhängige Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
und des Kolbenhubes gewonnenen Flexibilität durch vorzusehende Sicherheiten
aufgezehrt. Eine zügige
Verstellung des Kolbenhubes und des dazugehörigen optimalen Verdichtungsverhältnisses bei
einem Betriebspunktwechsel ist mit dieser Anordnung nicht realisierbar.
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In
der
DE 23 45 225 C2 ist
eine Axialkolbenbrennkraftmaschine mit veränderlichem Kolbenhub und konstanter
Verdichtung beschrieben. Der dort dargestellten Lösung liegt
die Aufgabe zu Grunde, das Verdichtungsverhältnis an den jeweils eingestellten Kolbenhub
derart anzupassen, dass bei allen Betriebszuständen ein nahezu konstantes
Verdichtungsverhältnis
vorliegt. Erreicht wird dies dadurch, dass zwischen dem Maschinengehäuse und
dem Zylinderblock ein den Zylinderblock umgebender Ringkolben vorgesehen
ist. Durch die hydraulische Beaufschlagung des Ringkolbens wird
der Zylinderblock relativ zum Maschinengehäuse in Hauptwellenachsrichtung
verschoben und somit das Verdichtungsverhältnis verändert. Über ein mit dem Zylinderblock
verbundenes Hebelgestänge,
welches mit einer Stellwelle in Verbindung steht, wird entsprechend dieser
Verschiebung eine Änderung
der Winkelstellung der Schrägscheibe
und somit des Kolbenhubes erreicht.
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Ein
konstantes Verdichtungsverhältnis
im gesamten Betriebsbereich ist hinsichtlich des optimalen Betriebes
einer Brennkraftmaschine nicht zwingend erforderlich. Vielmehr ist
es anzustreben, für
jeden Betriebspunkt individuelle Einstellungen des Kolbenhubes und
des Verdichtungsverhältnisses
unter Berücksichtigung
von Randbedingungen wie beispielsweise dem verwendeten Kraftstoff
oder einer möglichen
Menge an rückgeführtem Abgas
vornehmen zu können.
Das kann beispielsweise ein höchstmögliches
Verdichtungsverhältnis
in einem Teillastbetriebspunkt oder ein der verwendeten Kraftstoffsorte
bzw. deren Klopffestigkeit angepasstes maximales Verdichtungsverhältnis in
einem Betriebspunkt nahe Volllast sein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen robusten Mitteln
eine Möglichkeit
zu schaffen, den Kolbenhub und das Verdichtungsverhältnis reproduzierbar
und unabhängig
voneinander für
jeden Arbeitspunkt einer Axialkolbenbrennkraftmaschine anpassen
zu können
und die Anpassung des Kolbenhubes und des Verdichtungsverhältnisses in
Abhängigkeit
von Betriebsparametern einer Axialkolbenbrennkraftmaschine durchzuführen.
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Lösung
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass zur Verstellung des Kolbenhubes einer Axialkolbenbrennkraftmaschine
ein Konturelement, welches den maximalen und den minimalen Kolbenhub
einer Axialkolbenbrennkraftmaschine abbildet, mit einem ortsfest, jedoch
drehbar in dem Maschinengehäuse
angeordneten Grundkörper
und einer daran schwenkbar, jedoch drehfest angeordneten Schrägscheibe
in Kontakt steht. Das Konturelement ist unterhalb der Schrägscheibe
gegenüber
einer schwenkbaren Verbindung zwischen Schrägscheibe und dem Grundkörper im
rechten Winkel zur Drehachse des Grundkörpers als Teil einer Verstellwelle
ortsfest, jedoch drehbar gelagert angeordnet. Diese Verstellwelle weist
auf der einen Seite das Konturelement und auf der der Drehachse
des Grundkörpers
zugewandten Seite ein Kegelrad auf. Das Kegelrad steht mit einem weiteren
Kegelrad als Teil einer weiteren Welle in Eingriff, welche im rechten
Winkel zu der Verstellwelle koaxial zur Drehachse des Grundkörpers angeordnet
ist und den Grundkörper
durchdringt. An dieser weiteren Welle ist ein geeigneter Aktuator
zur Verstellung des Konturelementes und somit des Kolbenhubes angeordnet.
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Für eine vom
Kolbenhub unabhängige
Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
ist der Zylinderblock relativ zum feststehenden Maschinengehäuse positionierbar
ausgelegt. Die Positionierung wird formschlüssig beispielsweise durch die
Steigung eines umlaufenden Kugelgewindetriebes ermöglicht, welcher
zwischen dem Zylinderblock, dem Maschinengehäuse und einem Übertragungselement
gebildet wird. Durch die Ansteuerung eines am Maschinengehäuse angeordneten
Aktuators, welcher mit dem Übertragungselement
in geeigneter Weise gekoppelt ist, wird definiert durch die Steigung
der Kugelgewindekontur eine Änderung
des Relativabstandes von Zylinderblock zu Maschinengehäuse und
somit eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses der
Axialkolbenbrennkraftmaschine erreicht.
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Bei
dem Betrieb der Axialkolbenbrennkraftmaschine werden für jeden
Betriebspunkt individuelle Einstellungen des Kolbenhubes und des
Verdichtungsverhältnisses
unter Berücksichtigung
von Betriebsparametern der Axialkolbenbrennkraftmaschine vorgenommen.
Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine können die
Drehzahl, der Fahrpedalwinkel, der Zylinderdruck, der Umgebungsdruck,
der Zündzeitpunkt,
der Ladedruck, die Ansauglufttemperatur, die Kühlmitteltemperatur, die Klopfstärke/-intensität, die angesaugte
Luftmenge/-masse, die eingespritzte Kraftstoffmenge/-masse, die
aktuellen Informationen über
Kolbenhub/Verdichtungsverhältnis
und/oder die Menge an rückgeführtem Abgas
sein. Die Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine werden
mittels geeigneter Sensorik erfasst und/oder auf Basis eines Modells in
einer elektronischen Motorsteuerung ermittelt. Es erfolgt eine Weiterverarbeitung
der Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine mittels
der elektronischen Motorsteuerung und es werden Stellinformationen
sowie die notwendige Stellenergie zur Ansteuerung der verwendeten
Aktuatorik von der elektronischen Motorsteuerung bereitgestellt.
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Vorteile
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Es
ist von Vorteil, dass die zur Verstellung des Kolbenhubes miteinander
in Kontakt stehenden Konstruktionselemente Grundkörper, Schrägscheibe und
Konturelement beim Betrieb der Axialkolbenbrennkraftmaschine eine
robuste Einheit bilden, welche einem geringen Verschleiß unterliegt
und eine gute Reproduzierbarkeit von Verstellbewegungen sicherstellt.
Die axialen Belastungen, welche beim Betrieb der Axialkolbenbrennkraftmaschine
auftreten, werden auf den Umfang des Maschinengehäuses am Übergang
zum Zylinderblock gleichmäßig verteilt, was
sich günstig
hinsichtlich des Verschleißes
und der Reproduzierbarkeit von Verstellbewegungen auswirkt. Es können für jeden
Betriebspunkt der Axialkolbenbrennkraftmaschine individuelle Einstellungen
des Kolbenhubes und des Verdichtungsverhältnisses unter Berücksichtigung
von einer Vielzahl von Randbedingungen vorgenommen werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben,
sie werden zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft
wird hier die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des Verfahrens beschrieben.
In den dazugehörigen
Figuren zeigen:
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1:
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
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1a:
Darstellung einer ersten Ausführungsform
des Konturelementes,
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1b:
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
des Konturelementes,
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2:
Detaildarstellung des Übertragungsringes,
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3:
schematische Darstellung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
erfindungsgemäße Axialkolbenbrennkraftmaschine
ist, wie in 1 gezeigt, aus einem Zylinderblock 1 und
einem Maschinengehäuse 2 zusammengesetzt.
Um die Längsachse
des Zylinderblockes 1 sind radial die einzelnen Zylinder 3 angeordnet.
Der Zylinderblock 1 wird entlang seiner Längsachse
von einer längenverstellbaren
Nebenwelle 4 zum Antrieb eines mit der Nebenwelle 4 drehfest
verbundenen Zahnrades 5 durchdrungen. Das Zahnrad 5 bildet
mit zwei Planetenrädern 6 und
einem Hohlrad 7 ein Planetengetriebe, welches eine Übersetzung
der Drehzahl zwischen Nebenwelle 4 und einer an dem Hohlrad 7 drehfest
verbundenen Nockenwelle 8 ermöglicht. Der Zylinderblock 1 wird von
einem Zylinderkopf 9 abgeschlossen. In dem Zylinderkopf 9 sind
neben dem Planetengetriebe die Ansaug- und Abgaskanäle 10, 11 der
einzelnen Zylinder 3, deren Ladungswechselorgane 12 sowie
nicht weiter beschriebene Mittel zur Übertragung der auf der Nockenwelle 8 abgebildeten
Hubbewegungen auf die Ladungswechselorgane 12 angeordnet.
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An
der dem Zylinderkopf 9 gegenüberliegenden Seite des Zylinderblockes 1 ist
das Maschinengehäuse 2 der
erfindungsgemäßen Axialkolbenbrennkraftmaschine
formschlüssig
mit dem Zylinderblock 1 verbunden. Dieser Formschluss wird
durch einen umlaufenden Kugelgewindetrieb ermöglicht. Dazu ist ein U-förmiger Übertragungsring 13 zwischen
dem Zylinderblock 1 und dem Maschinengehäuse 2 angeordnet.
Wie in 2 gezeigt, weist der U-förmige Übertragungsring 13 an
der zu der Axialkolbenbrennkraftmaschine gewandten Seite, an dessen
Innenumfang A, Konturen zur Aufnahme von Kugeln 14 auf.
Diese Konturen sind ebenfalls am Zylinderblock 1 an der
von der Axialkolbenbrennkraftmaschine abgewandten Seite an dessen
Außenumfang D
vorgesehen. Durch die Aufnahme von Kugeln 14 in den Konturen
im Zylinderblock 1 und im U-förmigen Übertragungsring 13 werden
der Zylinderblock 1 und der U-förmige Übertragungsring 13 miteinander formschlüssig, jedoch
drehbar zueinander verbunden. Weiterhin sind an dem von der Axialkolbenbrennkraftmaschine
abgewandten Innenumfang B des Übertragungsringes 13 Konturen
zur Aufnahme von Kugeln 14 vorgesehen. Das Maschinengehäuse 2 ist
an dem zum Zylinderblock 1 gewandten Innenumfang C ebenfalls
mit Konturen zur Aufnahme von Kugeln 14 versehen. Durch
die Aufnahme von Kugeln 14 zwischen den Konturen des von
der Axialkolbenbrennkraftmaschine abgewandten Innenumfanges B des Übertragungsringes 13 und
der Konturen des zum Zylinderblock 1 gewandten Innenumfanges C
des Maschinengehäuses 2 werden
nunmehr der Zylinderblock 1, der U-förmige Ü bertragungsring 13 und
das Maschinengehäuse 2 miteinander
formschlüssig,
jedoch drehbar zueinander verbunden.
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Der
U-förmige Übertragungsring 13 ist
an dem von der Axialkolbenbrennkraftmaschine abgewandten Außenumfang
E mit einer umlaufenden Zahnkontur 15 versehen. Diese Zahnkontur 15 steht im
Eingriff mit einem Schneckenrad 17, welches an der Abtriebswelle
eines am Maschinengehäuse 2 fest
angeordneten Stellmotors 16 vorgesehen ist.
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Bei
der Ansteuerung des Stellmotors 16 wälzt das Schneckenrad 17 auf
der umlaufenden Zahnkontur 15 ab und vorgegeben durch die
Steigung des umlaufenden Kugelgewindetriebes wird eine Änderung
des Relativabstandes von Zylinderblock 1 zum feststehenden
Maschinengehäuse 2 und somit
eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses der
Axialkolbenbrennkraftmaschine erreicht.
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Zur
Verstellung des Kolbenhubes der Axialkolbenbrennkraftmaschine ist,
wie in 1 und 1a gezeigt, ein Konturelement 18 vorgesehen, welches
den maximalen und den minimalen Kolbenhub der Axialkolbenbrennkraftmaschine
abbildet und mit dem ortsfest, jedoch drehbar in dem Maschinengehäuse 2 angeordneten
Grundkörper 19 und
einer daran schwenkbar, jedoch drehfest angeordneten Schrägscheibe 20 in
Kontakt steht. Das Konturelement 18 ist unterhalb der Schrägscheibe 20 gegenüber der
schwenkbaren Verbindung zwischen Schrägscheibe 20 und dem
Grundkörper 19 im
rechten Winkel zur Drehachse des Grundkörpers 19 als Teil
einer Verstellwelle 21 ortsfest, jedoch drehbar gelagert
angeordnet. Diese Verstellwelle 21 weist auf der einen Seite
das Konturelement 18 und auf der der Drehachse des Grundkörpers 19 zugewandten
Seite ein Kegelrad 22 auf. Das Kegelrad 22 steht
mit einem weiteren Kegelrad 23, als Teil einer weiteren
Welle 24 in Eingriff, welche im rechten Winkel zu der Verstellwelle 21,
koaxial zur Drehachse des Grundkörpers 19 angeordnet
ist und den Grundkörper 19 durchdringt. An
dieser weiteren Welle 24 ist ein geeigneter Aktuator F
zur Verstellung des Konturelementes 18 und somit des Kolbenhubes
der Axialkolbenbrennkraftmaschine angeordnet.
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Bei
der Ansteuerung des Aktuators F werden über die weitere Welle 24,
die Kegelräder 22, 23 und die
Verstellwelle 21, das daran drehfest angeordnete Konturelement 18 verdreht
und durch die Kontur des Konturelementes 18 der Kolbenhub
der Axialkolbenbrennkraftmaschine verändert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Konturelement 18 in geeigneter Weise formschlüssig mit
der Schrägscheibe 20 jedoch
relativ zur Schrägscheibe 20 drehbar
verbunden. Diese Ausführungsform
stellt den Zusammenhalt der Schrägscheibe 20 und
des Grundkörpers 19 bei
hohen Drehzahlen der Axialkolbenbrennkraftmaschine sicher.
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In 1b ist
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
des Konturelementes 18 zur Vermeidung von Halteenergien
dargestellt. Dazu sind Abstufungen in Form einer beliebigen Anzahl
von Kontaktflächen
G am Umfang des Konturelementes 18 vorgesehen. Bei der
Ansteuerung des Aktuators F wird auf diese Weise der Kolbenhub der
Axialkolbenbrennkraftmaschine stufenweise verändert.
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Wie
in 3 dargestellt, werden bei dem Betrieb der Axialkolbenbrennkraftmaschine
für jeden Betriebspunkt
individuelle Einstellungen des Kolbenhubes und des Verdichtungsverhältnisses
unter Berücksichtigung
von Betriebsparametern der Axialkolbenbrennkraftmaschine vorgenommen.
Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine können die
Drehzahl, der Fahrpedalwinkel, der Zylinderdruck, der Umgebungsdruck,
der Zündzeitpunkt,
der Ladedruck, die Ansauglufttemperatur, die Kühlmitteltemperatur, die Klopfstärke/-intensität, die angesaugte
Luftmenge/ -masse, die eingespritzte Kraftstoffmenge/-masse, die
aktuellen Informationen über
Kolbenhub/Verdichtungsverhältnis
und/oder die Menge an rückgeführtem Abgas
sein. Die Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine werden
mittels geeigneter Sensorik erfasst oder auf Basis eines Modells
in einer elektronischen Motorsteuerung ermittelt. Es erfolgt eine
Weiterverarbeitung der Betriebsparameter der Axialkolbenbrennkraftmaschine
mittels der elektronischen Motorsteuerung und es werden Stellinformationen
sowie die notwendige Stellenergie zur Ansteuerung der verwendeten
Aktuatorik von der elektronischen Motorsteuerung bereitgestellt.
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So
kann beispielsweise entsprechend einem Klopfintensitätswert an
einem Betriebspunkt nahe Volllast ein optimales Verdichtungsverhältnis eingestellt
werden. Der Klopfintensitätswert
kann auf dem Signal eines Klopfsensors und einer Weiterverar beitung
in der elektronischen Motorsteuerung basieren oder in sonstiger
geeigneter Art und Weise eine klopfende Verbrennung beschreiben.
Es ist weiterhin möglich,
an einem derartigen oder an jedem beliebigen Betriebspunkt durch
Verkleinerung des Kolbenhubes die angesaugte Luftmasse/-menge zu
verringern und somit eine vorhandene Klopfneigung zu vermindern.
Auch eine Kombination der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
und des Kolbenhubes sowie weiterer Betriebsparameter ist möglich. Auf diese
Weise kann für
jeden Betriebspunkt die optimale Kombination aus angesaugter Luftmasse/-menge, Verdichtungsverhältnis und
beispielsweise des Zündzeitpunktes
dargestellt werden. Als Maß für eine derartige
optimale Kombination der genannten Größen können beispielsweise aus dem
Zylinderdruck abgeleitete Kennwerte, welche Aufschluss über den
Effizienz des im jeweiligen Betriebspunkt vorherrschenden Verbrennungsvorgangs
geben, zu Grunde gelegt werden.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die dieser
Erfindung zu Grunde liegenden Vorrichtungen und das Verfahren ebenso
für eine
Axialkolbenbrennkraftmaschine, welche entsprechend dem 4-Takt-Prinzip
als auch dem 2-Takt-Prinzip arbeitet, für ein otto- oder dieselmotorisches
Brennverfahren angewendet werden können.
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- 1
- Zylinderblock
- 2
- Maschinengehäuse
- 3
- Zylinder
- 4
- Nebenwelle
- 5
- Zahnrad
- 6
- Planetenräder
- 7
- Hohlrad
- 8
- Nockenwelle
- 9
- Zylinderkopf
- 10
- Ansaugkanal
- 11
- Abgaskanal
- 12
- Ladungswechselorgane
- 13
- Übertragungsring
- 14
- Kugeln
- 15
- Zahnkontur
- 16
- Stellmotor
- 17
- Schneckenrad
- 18
- Konturelement
- 19
- Grundkörper
- 20
- Schrägscheibe
- 21
- Verstellwelle
- 22
- Kegelrad
- 23
- Kegelrad
- 24
- weitere
Welle
- A
- Innenumfang
des Übertragungsringes 13 an der
zu der Axialkolbenbrenn
-
- kraftmaschine
gewandten Seite
- B
- Innenumfang
des Übertragungsringes 13 an der
von der Axialkolbenbrenn
-
- kraftmaschine
abgewandten Seite
- C
- Innenumfang
des Maschinengehäuses 2 an der
zum Zylinderblock 1 gewand
-
- ten
Seite
- D
- Außenumfang
des Zylinderblockes 1 an der von der Axialkolbenbrennkraftma
-
- schine
abgewandten Seite
- E
- Außenumfang
des Übertragungsringes 13 an der
von der Axialkolbenbrenn
-
- kraftmaschine
abgewandten Seite
- F
- Aktuator
- G
- Kontaktflächen am
Umfang des Konturelementes 18