DE102007040699A1

DE102007040699A1 - Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102007040699A1
Application number: DE102007040699A
Authority: DE
Inventors: Udo Schulz; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Bei einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1) mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, umfassend wenigstens einen Zylinder (4), wenigstens einen Hubkolben (5), der in dem wenigstens einen Zylinder (4) gleitend führbar ist, einen mit dem Hubkolben (5) verbundenen Kurbeltrieb (14), so dass vom Hubkolben (5) im Zylinder (4) eine oszillierende Bewegung ausführbar ist und wenigstens einen Aktor (15) zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, soll mit einem geringen konstruktiven bzw. mechanischen Aufwand ein variables Verdichtungsverhältnis eingestellt werden können, um in allen Betriebszuständen über ein optimales Verdichtungsverhältnis zu verfügen. Des Weiteren soll die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1) kostengünstig in der Herstellung sein. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Aktor (15) magnetostriktives Material (16) umfasst, eine Einrichtung (17) zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes vorhanden ist und das von der Einrichtung (17) erzeugte veränderliche magnetische Feld im wenigstens einen Aktor (15) auftritt, so dass mittels der Veränderung des magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor (15) das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, umfassend wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen Hubkolben, der in dem wenigstens einem Zylinder gleitend führbar ist, einen mit dem Hubkolben verbundenen Kurbeltrieb, so dass vom Hubkolben im Zylinder eine oszillierende Bewegung ausführbar ist und wenigstens einen Aktor zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses.
Ottomotoren werden im Allgemeinen auf das notwendige Verdichtungsverhältnis im Volllastbereich ausgelegt, um Zündungsklopfen, d. h. ein unkontrolliertes Selbstzünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt bei Volllast, zu vermeiden. Zündungsklopfen führt zu hohen mechanischen und thermischen Überbeanspruchungen von Bauteilen, z. B. Kolben und Lager. Ottomotoren mit unveränderlichem Verdichtungsverhältnis weisen im Teillastbetrieb aufgrund der verringerten Füllung einen geringeren Verdichtungsdruck und damit einen kleineren thermodynamischen Wirkungsgrad auf, so dass der spezifische Kraftstoffverbrauch größer wird. Zur Serienanwendung in Kraftfahrzeugen weisen Ottomotoren ein Verdichtungsverhältnis von ungefähr 12 auf, obwohl im Teillastbereich ein deutlich höheres Verdichtungsverhältnis im Bereich von 18 thermodynamisch besser wäre.
Das Verdichtungsverhältnis wird bei Dieselmotoren durch die Kaltstartfähigkeit bestimmt. Zur Sicherung eines zuverlässigen Kaltstartvermögens ist ein relativ großes Verdichtungsverhältnis von mehr als 20, bei Pkw-Dieselmotoren zwischen 21 bis 23, erforderlich. Das thermodynamisch optimale Verdichtungsverhältnis bei Normalbetrieb für einen Dieselmotor liegt im Bereich von 15. Dieselmotoren zur Serienanwendung in Kraftfahrzeugen weisen deshalb Kompromisswerte für das Verdichtungsverhältnis zwischen 17 und 19 auf, die jedoch thermodynamisch nicht optimal sind.
Im Stand der Technik gibt es zur Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile zahlreiche Systeme zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses für Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen. Beispielsweise einen verschwenkbaren Zylinder, eine zweigeteilte Pleuelstange mit einer Anlenkstange, einen in einem Zylinderkopf integrierter kleinen, zum Verbrennungsraum offenen Zylinder mit Hubkolben, eine zwischen Zylinderwand und Kolben angeordnete Zylinderbuchse, die axial im Zylinder verschiebbar geführt ist. Als Aktoren werden bei diesen Systemen beispielsweise Elektromotoren eingesetzt. Diese Systeme erfordern einen erheblichen mechanischen Aufwand und sind damit mit sehr hohen Kosten bei der Herstellung von Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine verbunden.
Aus der DE 40 40 274 C2 ist eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei der mit einem Memory-Metall der Totpunkt des Kolbens temperaturabhängig verändert werden kann. Hierzu weist der Kolbenbolzen eine Exzentrizität auf. Der Kolbenbolzen, der das Pleuelauge der Pleuelstange durchgreift, ist im Kolben gelagert und mit einem Torsionselement starr verbunden. Das Torsionselement besteht aus einem Memory-Metall, so dass der Kolbenbolzen bei Erreichen einer bestimmten Sprungtemperatur gedreht wird. Aufgrund der Exzentrizität des Kolbenbolzens ist der Totpunkt des Kolbens und damit das Verdichtungsverhältnis temperaturabhängig steuerbar. Nachteiligerweise ist ein erheblicher mechanischer Bauaufwand notwendig. Des Weiteren ist eine temperaturunabhängige Steuerung des Verdichtungsverhältnisses nicht möglich.
Ferner wird in der JP 60-022030 A eine Hubkolben-Verbrennungskraft-maschine offenbart, bei der zwischen dem Zylinderblock und dem Kurbelwellengehäuse ein Memory-Metall angeordnet ist. Eine Temperaturerhöhung oberhalb einer kritischen Temperatur bewirkt deshalb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses. Die bewegliche Führung des Zylinderblocks und des Kurbelwellengehäuses ist konstruktiv aufwendig und damit teuer und das Verdichtungsverhältnis wird nur in Abhängigkeit der Temperatur eingestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei der mit einem geringen konstruktiven bzw. mechanischen Aufwand ein variables Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann, um in allen Betriebszuständen über ein optimales Verdichtungsverhältnis zu verfügen. Des Weiteren soll die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine kostengünstig in der Herstellung sein.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, umfassend wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen Hubkolben, der in dem wenigstens einem Zylinder gleitend führbar ist, einen mit dem Hubkolben verbundenen Kurbeltrieb, so dass vom Hubkolben im Zylinder eine oszillierende Bewegung ausführbar ist und wenigstens einen Aktor zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses vorhanden ist, wobei der wenigstens eine Aktor magnetostriktives Material umfasst, eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes vorhanden ist und das von der Einrichtung erzeugte veränderliche magnetische Feld im wenigstens enen Aktor auftritt, so dass mittels der Veränderung des magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist. Der Aktor kann somit an einer beliebigen Stelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen technischen Aufwand eingebaut werden, weil die Steuerung des Aktors mittels des veränderlichen magnetischen Feldes ausführbar ist.
Insbesondere ist der wenigstens eine Aktor in einem oder mehreren bewegten Teilen, insbesondere dem Hubkolben, einem Kolbenbolzen, anderen Teilen des Hubkolbens oder einem Kurbeltrieb, der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine integriert, so dass der mechanische bzw. konstruktive Aufwand zum Einbau des Aktors besonders gering ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine Aktor in den Hubkolben, insbesondere zwischen einem Kolbenbolzen und einem Kolbenboden, integriert, um den Abstand zwischen Kolbenbolzen und Kolbenboden einstellen zu können. Der Einbau des Aktors zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses erfordert somit nur einen geringen konstruktiven und mechanischen Aufwand. Des Weiteren benötigt der Aktor keinen zusätzlichen Platz im Motorraum.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der wenigstens eine Aktor in die Pleuelstange integriert, um die Länge der Pleuelstange einstellen zu können. Die Pleuelstange besteht ganz oder teilweise aus magnetostriktiven Material, so dass der konstruktive Aufwand zur Integration des Aktors sehr gering ist.
Zweckmäßig ist wenigstens ein Zusatzmittel, insbesondere eine Zylinderkopfmembran oder ein in einen Zylinderkopf integrierter Stellkolben, zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ausgebildet, welches mit dem wenigstens einen Aktor in Wirkverbindung steht.
Vorzugsweise steht zum Austausch von Daten, insbesondere Steuerungsdaten für den wenigstens einen Aktor, die Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor mit einer Steuerungseinheit der Hubkolben-Verbrennungs-kraftmaschine in Verbindung. Der Aktor kann damit von der Steuerungseinheit gesteuert und in das Motormanagement integriert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Verdichtungsverhältnis, beispielsweise zwischen 7 und 15 bei Ottomotoren und zwischen 14 und 23 bei Dieselmotoren, von der Steuerungseinheit in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, z. B. Motortemperatur, Drehmoment, Drehzahl, Leistung, und/oder Last, steuerbar.
Zweckmäßig ist eine Zusatzeinrichtungen zur Messung eines veränderlichen magnetischen Feldes am wenigstens einen Aktor aufgrund einer unterschiedlichen mechanischen Belastung des wenigstens einen Aktors, insbesondere aufgrund des Druckes im Verbrennungsraum, vorhanden, die mit der Steuerungseinheit der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in Verbindung steht zum Austausch von Daten, insbesondere Messdaten aus einer Druck- und/oder Kraftmessung des wenigstens einen Aktors. Der Aktor wirkt damit als Sensor zur Messung des Druckes in der Verbrennungskammer; diese Messdaten können von der Steuerungseinheit ausgewertet werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Verdichtungsverhältnis, beispielsweise zwischen 7 und 15 bei Ottomotoren und zwischen 14 und 23 bei Dieselmotoren, von der Steuerungseinheit in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des wenigstens einen Aktors steuerbar, wobei dies insbesondere während eines Arbeitstaktes ausführbar ist. Der Verdichtungsverlauf während eines Arbeits- bzw. Verbrennungstaktes wird erfasst, von der Steuerungseinheit ausgewertet und in Abhängigkeit von den Messdaten des Aktors das Verdichtungsverhältnis gesteuert.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtungen zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor eine elektrische Spule und/oder das von der Spule erzeugte magnetisches Feld entweder direkt zum wenigstens einen Aktor leitbar ist oder indirekt mittels magnetischer Materialien, z. B. Eisen oder Eisenlegierungen, zum wenigstens einen Aktor leitbar.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer HubkolbenVerbrennungskraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel bei einer größtmöglichen Ausdehnung eines in einen Hubkolben integrierten Aktors,
2 einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß 1 bei einer kleinstmöglichen Ausdehnung des in den Hubkolben integrierten Aktors,
3 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Datenaustausches zwischen einer Einrichtung zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes, einer Zusatzeinrichtung zur Messung eines veränderlichen magnetischen Feldes und einer Steuerungseinheit,
4 einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Zylinderkopfmembran und
5 einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem in einem Zylinderkopf integrierten Stellkolben.
In 1 ist eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Es kann sich um einen Ottomotor 2 oder um einen Dieselmotor 3 handeln. Aus Vereinfachungsgründen ist eine für den Ottomotor 2 notwendige Zündeinrichtung nicht dargestellt. In einem Zylinder 4 ist ein Hubkolben 5 gleitend geführt, welcher mit einem Kurbeltrieb 14 verbunden ist, so dass der Hubkolben 5 im Zylinder 4 eine oszillierende Bewegung ausführt. Der Kurbeltrieb 14 besteht im Wesentlichen aus einer Pleuelstange 6 und einer Kurbelwelle 7, d. h. verfügt über bewegte Teile 10. Die Pleuelstange 6 ist mit einem Kolbenbolzen 8 am Hubkolben 5 befestigt. Der Hubkolben 5 befindet sich in der Darstellung in 1 im Zylinder 4 im oberen Totpunkt aufgrund der Stellung der Kurbelwelle 7. Als Kurbeltriebe 14 könnten auch abweichend hiervon beispielsweise ein Kreuzkopf-, ein Taumelscheiben- oder ein Exzenterantrieb eingesetzt werden (nicht dargestellt). Ein Verbrennungsraum 11 wird am unteren Ende vom oszillierenden Kolbenboden 9 begrenzt. Ventile 12 im Zylinderkopf 13 dienen dem Ladungswechsel. Der Hubkolben 5 ist mit einem Aktor 15 aus einem magnetostriktiven Material 16 bzw. MSMA (= Magnetic Shape Memory Alloy) zwischen Kolbenboden 9 und Kolbenbolzen 8 versehen. Unter einem magnetostriktiven Material 16 bzw. einem MSMA werden Stoffe verstanden, die bei einer Veränderung eines angelegten magnetischen Feldes ihre Form bzw. Gestalt oder ihr Volumen ändern.
Am Zylinder 4 ist eine Einrichtung 17 zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes im Aktor 15 angeordnet. Die Einrichtung 17 ist als elektrische Spule 19 ausgebildet und erzeugt beim Anlegen eines elektrischen Stromes an die Spule 19 ein magnetisches Feld. Es kann sich auch um einen Magneten handeln (nicht dargestellt). Das magnetische Feld kann durch eine unterschiedliche Stromrichtung und durch eine variable Stromstärke verändert werden. Das von der Spule 19 erzeugte magnetische Feld wird durch magnetisches Material 20, z. B. Eisen oder Eisenlegierungen, zum Aktor 15 geleitet. Abweichend hiervon kann das elektrische Feld aus der elektrischen Spule 19 auch direkt ohne magnetisches Material 20 zum Aktor 15 gelangen, wenn die elektrische Spule 19 ausreichend nahe am Aktor 15 positioniert ist (nicht dargestellt).
Der aus magnetostriktiven Material 16 bestehende Aktor 15 dehnt sich beim Anlegen eines magnetischen Feldes um mehr als 6% aus. Am Aktor 15 ist an der oberen Seite der Kolbenboden 9 und an der unteren Seite mittels einer Verbindungseinheit 30 der Kolbenbolzen 8 und damit die Pleuelstange 6 befestigt. Die Verbindung des Aktors 15 mit dem Hubkolben 5 ist derart ausgelegt, dass eine Bewegung des Aktors 15 im Hubkolben 5 möglich ist. Eine Dehnung des Aktors 15 aufgrund eines am Aktor 15 einwirkenden magnetischen Feldes bewirkt somit, dass sich der Kolbenboden 9 nach oben bewegt, d. h. das Verdichtungsverhältnis der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 wird erhöht. Umgekehrt bewirkt eine Veränderung des magnetischen Feldes, z. B. eine Reduzierung der magnetischen Feldstärke oder eine Veränderung der magnetischen Feldrichtung, am Aktor 15 ein Zusammenziehen des Aktors 15, so dass das Verdichtungsverhältnis reduziert wird. Diese steuerbaren Bewegungen des Aktors 15 ermöglichen es, bei dem Ottomotor 2 das Verdichtungsverhältnis beispielsweise zwischen 7 und 15 und bei dem Dieselmotor 3 das Verdichtungsverhältnis beispielsweise zwischen 14 und 23 einstellen zu können.
In 2 ist die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel mit minimalem Verdichtungsverhältnis, d. h. einem zusammengezogenen Aktor 15, dargestellt. Im Übrigen entspricht die 2 der 1.
Des Weiteren ist am Zylinder 4 eine Zusatzeinrichtung 18 zur Messung eines veränderlichen magnetischen Feldes ausgebildet. Der aus dem magnetostriktiven Material 16 bzw. MSMA bestehende Aktor 15 ist unterschiedlichen Druckbeanspruchungen und mechanischen Spannungen aufgrund von Druckveränderungen im Verbrennungsraum 11, insbesondere wegen der dort ablaufenden Explosionen, ausgesetzt. Dies führt zu Änderungen der magnetischen Eigenschaften bzw. Magnetisierung des Aktors 15, d. h. einer inversen Magnetostriktion, die von der Zusatzeinrichtung 18 erfasst werden können. Der Aktor 15 dient damit als Drucksensor.
In einem zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor 15 in die Pleuelstange 6 zwischen Kolbenbolzen 8 bzw. Pleuelauge und der Lagerung der Pleuelstange 6 an der Kurbelwelle 7 eingebaut oder integriert. Die Pleuelstange 6 besteht ganz oder teilweise aus magnetostriktiven Material 16. Lediglich Bereiche mit besonders hohen mechanischen Beanspruchungen, z. B. im Bereich der Pleuelaugen, können aus anderen Materialien bestehen. Die Länge der Pleuelstange 6 kann aufgrund eines am Aktor 15 einwirkenden veränderlichen magnetischen Feldes variiert werden, so dass das Verdichtungsverhältnis analog zum ersten Ausführungsbeispiel eingestellt werden kann.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Datenaustausches zwischen der Einrichtung 17 zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes, der Zusatzeinrichtung 18 zur Messung eines veränderlichen magnetischen Feldes und einer Steuerungseinheit 25, die mit einer Datenleitung 29 zur Übermittlung von Daten 26 miteinander verbunden sind. Die Steuerungseinheit 25 ist eine Steuerungselektronik für das Motormanagement in einem Personenkraftfahrzeug. Die Parameter der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1, beispielsweise Motortemperatur, Drehmoment, Zündzeitpunkt, Drehzahl, Leistung und/oder Last, werden von entsprechenden Sensoren erfasst und die Messdaten an die Steuerungseinheit 25 übermittelt (nicht dargestellt). Darüber hinaus empfängt die Steuerungseinheit 25 die Messdaten 27 von der Zusatzeinrichtung 18 zum Parameter Druck im Verbrennungsraum 11. Aus den der Steuerungseinheit 25 zu Verfügung stehenden Parametern wird das optimale Verdichtungsverhältnis berechnet. Beispielsweise sind hierzu in der Steuerungseinheit 25 entsprechende aus Versuchen ermittelte Funktionen hinterlegt. Dies ermöglicht es für einen Ottomotor 2 im Teillastbereich ein hohes (optimales) Verdichtungsverhältnis mittels des Aktors 15 anzusteuern und im Volllastbereich ein geringes (optimales) Verdichtungsverhältnis einzustellen. Insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren 2 können damit erhebliche Verbrauchseinsparungen von bis zu 30% erreicht werden. Dieselmotoren 3 können bei geringen Motortemperaturen nach einem Kaltstart mit einem hohen (optimalen) Verdichtungsverhältnis und bei normalen Motortemperaturen mit einem geringen (optimalen) Verdichtungsverhältnis betrieben werden. Die stufenlose und optimale Steuerung des Verdichtungsverhältnisses erhöht den Wirkungsgrad und senkt die Emissionen, insbesondere NO_x-Emissionen, von Ottomotoren 2 und Dieselmotoren 3. Darüber hinaus wird bei Dieselmotoren 3 die Kaltstartsicherheit verbessert.
Der Aktor 15 kann sich sehr schnell aufgrund einer Änderung des magnetischen Feldes ausdehnen und zusammenziehen sowie wegen Druckänderungen im Verbrennungsraum 11 seine magnetischen Eigenschaften ändern. Ergänzend kann somit die Zusatzeinrichtung 18 den Verdichtungs- bzw. Druckverlauf in dem Verbrennungsraum 11 erfassen und die Messdaten 27 hierzu an die Steuerungseinheit 25 ermitteln. Aus diesen Messdaten 27 kann die Steuerungseinheit das optimale Verdichtungsverhältnis während eines Arbeitstaktes berechnen und die hierfür notwendigen Steuerungsdaten 28 an die Einrichtung 17 übermitteln, so dass der Aktor 15 in sehr kurzer Zeit innerhalb eines Arbeitstaktes, insbesondere eines Arbeitstaktes mit Verbrennung, das Verdichtungsverhältnis aufgrund des aktuellen Druckverlaufes anpasst. Hohe Druckspitzen, die insbesondere bei modernen Dieselmotoren 3 und Benzinmotoren 2 mit HCCl-Brennverfahren (engl. Homogeneous Charge Compression Ignition; Konzept für einen Motor, bei dem die Verbrennung eines homogenen Gemisches gleichzeitig im gesamten Verbrennungsraum 11 beginnt) auftreten, können abgeschwächt werden. Die mechanischen Belastungen, insbesondere an Hubkolben 5 und Lagern (nicht dargestellt), können reduziert werden.
4 zeigt einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Zylinderkopfmembran 22. Zwischen der Zylinderkopfmembran 22 und dem Zylinderkopf 13 ist der oben beschriebene Aktor 15 angeordnet. Aufgrund einer Dehnung oder eines Zusammenziehens des Aktors 15 wird das Verdichtungsverhältnis gesteuert. Die Zylinderkopfmembran 22 stellt somit ein Zusatzmittel 21 zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses ergänzend zum Aktor 15 dar. Die Einrichtung 17 und die Zusatzeinrichtung 18 sind nicht dargestellt. Die Funktionsweise ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel.
5 zeigt einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 in einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem in den Zylinderkopf 13 integrierten Stellkolben 23. Der Stellkolben 23 wird in dem Stellzylinder 24, der zum Verbrennungsraum 11 hin offen ist, geführt. Der Aktor 15 kann die Position des Stellkolbens 23 einstellen und damit das Volumen des Stellzylinders 24, das zum Verbrennungsraum 11 hin zugänglich ist, variieren. Dies bewirkt die Steuerung des Verdichtungsverhältnisses. Der Stellkolben 23 stellt somit ein Zusatzmittel 21 zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses ergänzend zum Aktor 15 dar. Die Einrichtung 17 und die Zusatzeinrichtung 18 sind nicht dargestellt. Die Funktionsweise ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel.
Neben magnetostriktiven Material 16 bzw. MSMA kann in der oben beschriebenen Weise auch piezoelektrisches Material für einen Aktor 15 eingesetzt werden. Hierzu sind am Aktor 15 entsprechende Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, z. B. eine Induktionsspule, erforderlich. Aufgrund des inversen Piezoeffekts können derartige Aktoren 15 auch als Drucksensoren fungieren. Hierzu kann beispielsweise die vom Aktor 15 erzeugte elektrische Spannung mit schnurlosen Übertragungsmittel zu einer Steuerungseinheit Messdaten leiten.
Insgesamt betrachtet können mit der vorliegenden Erfindung bei Hubkolben Verbrennungskraftmaschinen 1, die insbesondere in Personen- und Lastkraftwagen eingesetzt werden, erhebliche Verbrauchssenkungen und Reduzierungen der Schadstoffemissionen bei geringen konstruktiven Aufwand preiswert erreicht werden. Die Integration des nunmehr einstellbaren Parameters Verdichtungsverhältnis in das elektronische Motormanagement erlaubt eine weitergehende Optimierung und insbesondere Abstimmung mit den anderen Parametern eines Ottomotors 2 und Dieselmotors 3. Darüber hinaus ist ergänzend auch eine Messung des aktuellen Druckes im Verbrennungsraum 11 kostengengünstig möglich, so dass auch der Parameter Druck im Verbrennungsraum 11 in das Motormanagement einfließen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4040274 C2 [0005]
- JP 60-022030 A [0006]

Claims

Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1) mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, umfassend – wenigstens einen Zylinder (4), – wenigstens einen Hubkolben (5), der in dem wenigstens einem Zylinder (4) gleitend führbar ist, – einen mit dem Hubkolben (5) verbundenen Kurbeltrieb (14), so dass vom Hubkolben (5) im Zylinder (4) eine oszillierende Bewegung ausführbar ist und – wenigstens einen Aktor (15) zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aktor (15) magnetostriktives Material (16) umfasst, eine Einrichtung (17) zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes vorhanden ist und das von der Einrichtung (17) erzeugte veränderliche magnetische Feld im wenigstens einen Aktor (15) auftritt, so dass mittels der Veränderung des magnetischen Feldes im wenigsten einen Aktor (15) das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aktor (15) in einem oder mehreren bewegten Teilen (10), insbesondere dem Hubkolben (5), einem Kolbenbolzen (8) oder einem Kurbeltrieb (14), der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1), integriert ist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aktor (15) in dem Hubkolben (5), insbesondere zwischen einem Kolbenbolzen (8) und einem Kolbenboden (9), integriert ist, um den Abstand zwischen Kolbenbolzen (8) und Kolbenboden (9) einstellen zu können.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aktor (15) in die Pleuelstange (6) integriert ist, um die Länge der Pleuelstange (6) einstellen zu können.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zusatzmittel (21), insbesondere eine Zylinderkopfmembran (22) oder ein in einen Zylinderkopf (13) integrierter Stellkolben (23), zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ausgebildet ist, welches mit dem wenigstens einen Aktor (15) in Wirkverbindung steht.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor (15) mit einer Steuerungseinheit (25) der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1) in Verbindung steht zum Austausch von Daten (26), insbesondere Steuerungsdaten (28) für den wenigstens einen Aktor (15).
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis, beispielsweise zwischen 7 und 15 bei Ottomotoren (2) und zwischen 14 und 23 bei Dieselmotoren (3), von der Steuerungseinheit (25) in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1), z. B. Motortemperatur, Drehmoment, Zündzeitpunkt, Drehzahl, Leistung, und/oder Last, steuerbar ist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzeinrichtungen (18) zur Messung eines veränderlichen magnetischen Feldes am wenigstens einen Aktor (15) aufgrund einer unterschiedlichen mechanischen Belastung des wenigstens enen Aktors (15), insbesondere aufgrund des Druckes im Verbrennungsraum (11), vorhanden ist, die mit der Steuerungseinheit (25) der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine (1) in Verbindung steht zum Austausch von Daten (26), insbesondere Messdaten (27) aus einer Druck- und/oder Kraftmessung des wenigstens einen Aktors (15).
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis, beispielsweise zwischen 7 und 15 bei Ottomotoren (2) und zwischen 14 und 23 bei Dieselmotoren (3), von der Steuerungseinheit (25) in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des wenigstens einen Aktors (15) steuerbar ist, wobei dies insbesondere während eines Arbeitstaktes ausführbar ist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) zur Erzeugung eines veränderlichen magnetischen Feldes im wenigstens einen Aktor (15) eine elektrische Spule (19) ist und das von der elektrischen Spule (19) erzeugte magnetisches Feld entweder direkt zum wenigstens einen Aktor (15) leitbar ist oder indirekt mittels magnetischer Materialien (20), z. B. Eisen oder Eisenlegierungen, zum wenigstens einen Aktor (15) leitbar ist.