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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, einem mit dem Hubkolben
verbundenen Kurbeltrieb, so dass vom Hubkolben im Zylinder eine
oszillierende Bewegung ausführbar ist und wenigstens einen eine
Formgedächtnislegierung umfassenden Aktor zum temperaturabhängigen
Einstellen des Verdichtungsverhältnisses mittels einer
Formänderung des wenigstens Aktors.
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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.
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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 integrierten 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.
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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.
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In
der
JP 60-022030 A wird
eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 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.
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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
temperaturabhängig eingestellt werden kann, um in allen Betriebszuständen über
ein optimales Verdichtungsverhältnis zu verfügen.
Des Weiteren soll die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine kostengünstig
in der Herstellung sein.
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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 eine
Formgedächtnislegierung umfassenden Aktor zum temperaturabhängigen
Einstellen des Verdichtungsverhältnisses mittels einer
Formänderung des Aktors, wobei das Einstellendes Verdichtungsverhältnisses
mittels einer Translationsbewegung des wenigstens einen Aktors ausführbar
ist. Die Translationsbewegung des Aktors kann mit sehr einfachen mechanischen
Mitteln zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses genutzt
werden, so dass ein geringer konstruktiver Aufwand notwendig ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine Aktor in einem
oder mehreren bewegten Teilen, insbesondere dem Hubkolben, einem
Kolbenbolzen, weiteren Teilen des Hubkolbens oder einem Kurbeltrieb,
der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine integriert. Der Einbau des
Aktors in diese Teile ermöglicht es, den Aktor mit einem
besonders geringen mechanischen bzw. konstruktiven Aufwand in die
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zu integrieren.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform 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.
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Vorzugsweise
ist der wenigstens eine Aktor in die Pleuelstange integriert, um
die Länge der Pleuelstange einstellen zu können.
Die Pleuelstange besteht ganz oder teilweise aus einer Formgedächtnislegierung,
so dass der konstruktive Aufwand zur Integration des Aktors sehr
gering ist.
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In
einer zusätzlichen Ausgestaltung 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.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Einstellen des Verdichtungsverhältnisses
mittels einer ausschließlichen Translationsbewegung des
wenigstens einen Aktors ausführbar ist.
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Insbesondere
ist das Einstellen des Verdichtungsverhältnisses mittels
eines Dehnens bzw. Zusammenziehens des wenigstens einen Aktors ausführbar.
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In
einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
ein Dieselmotor.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform ist das Verdichtungsverhältnis
zwischen 14 und 23 einstellbar. Damit können sämtliche
relevanten Verdichtungsverhältnisse für Dieselmotoren
eingestellt werden.
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Zweckmäßig
ist bei einem Überschreiten einer oder mehrerer Temperaturschwellen
des wenigstens einen Aktors eine Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses
bewirkbar ist und umgekehrt. Ein Dieselmotor kann somit beim Kaltstart
mit einem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben werden,
so dass die Kaltstartsicherheit dadurch erheblich verbessert wird.
Nach Warmlaufende kann das thermodynamisch optimale Verdichtungsverhältnis,
z. B. 15, eingestellt werden. Mehrere Temperaturschwellen ermöglichen
es, während des Erwärmens in Abhängigkeit
vom aktuellen Temperaturwert das optimale Verdichtungsverhältnis
einzustellen.
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Im
Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
in einem ersten Ausführungsbeispiel bei einer größtmöglichen
Ausdehnung eines in einem Hubkolben integrierten Aktors,
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2 einen
schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
gemäß 1 bei einer kleinstmöglichen
Ausdehnung des in dem Hubkolben integrierten Aktors,
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3 einen
schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Zylinderkopfmembran
und
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4 einen
schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
in einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem in einem
Zylinderkopf integrierten Stellkolben.
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In 1 ist
eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 in einem ersten
Ausführungsbeispiel als Dieselmotor 3 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.
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Der
Hubkolben 5 ist mit einem Aktor 15 aus einer Formgedächtnislegierung 16 bzw.
SMA (= Shape Memory Alloy) zwischen Kolbenboden 9 und Kolbenbolzen 8 versehen.
Formgedächtnislegierungen 16 bzw. SMAs zeigen
eine temperaturabhängige Formänderung. Dieser
Formgedächtnis-Effekt beruht auf einer martensitischen
Phasenumwandlung zwischen den geordneten Gitterstrukturen der Hochtemperaturphase
(Austenit) und der Niedertemperaturphase (Martensit).
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Der
Aktor 15 umfasst eine Formgedächtnislegierung 16.
Ein Überschreiten einer spezifischen und einstellbaren
Temperaturschwelle bewirkt ein Zusammenziehen des Aktors 15 um
mehr als 6%. Umgekehrt führt ein Unterschreiten der spezifischen und
einstellbaren Temperaturschwelle zu einem Ausdehnen des Aktors 15 um
mehr als 6%.
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Am
Aktor 15 ist an der oberen Seite der Kolbenboden 9 und
an der unteren Seite mittels einer Verbindungseinheit 2 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 einer am Aktor 15 einwirkenden
Temperaturabsenkung unterhalb der Temperaturschwelle bewirkt somit, dass
sich der Kolbenboden 9 nach oben bewegt, d. h. das Verdichtungsverhältnis
der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 wird erhöht.
Umgekehrt bewirkt eine Temperaturerhöhung oberhalb der
Temperaturschwelle am Aktor 15 ein Zusammenziehen des Aktors 15,
so dass das Verdichtungsverhältnis reduziert wird. Diese
temperaturabhängigen Bewegungen des Aktors 15 ermöglichen
es, das Verdichtungsverhältnis zwischen 14 und 23 einstellen
zu können.
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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.
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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 Länge
der Pleuelstange 6 kann aufgrund einer am Aktor 15 einwirkenden Temperaturänderungen
variiert werden, so dass das Verdichtungsverhältnis analog
zum ersten Ausführungsbeispiel einstellbar ist. Die Pleuelstange 6 besteht
ganz oder teilweise aus einer Formgedächtnislegierung 16 Lediglich
Bereiche mit besonders hohen mechanischen Beanspruchungen, z. B.
im Bereich der Pleuelaugen, können aus anderen Materialien bestehen.
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3 zeigt
einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Zylinderkopfmembran 18. Zwischen
der Zylinderkopfinembran 18 und dem Zylinderkopf 13 ist
der oben beschriebene Aktor 15 angeordnet. Aufgrund einer
Dehnung oder eines Zusammenziehens des Aktors 15 wird das
Verdichtungsverhältnis temperaturabhängig gesteuert.
Die Zylinderkopfinembran 18 stellt somit ein Zusatzmittel 17 zum
Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses ergänzend
zum Aktor 15 dar. Die Funktionsweise ist analog zum ersten
Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt
einen schematischen ausschnittsweisen Vertikalschnitt einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 in
einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem in den Zylinderkopf 13 integrierten
Stellkolben 19. Der Stellkolben 19 wird in dem
Stellzylinder 20, der zum Verbrennungsraum 11 hin
offen ist, geführt. Der Aktor 15 kann die Position des
Stellkolbens 19 einstellen und damit das Volumen des Stellzylinders 20,
das zum Verbrennungsraum 11 hin zugänglich ist,
variieren. Dies bewirkt die Steuerung des Verdichtungsverhältnisses.
Der Stellkolben 19 stellt somit ein Zusatzmittel 17 zum
Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses ergänzend
zum Aktor 15 dar. Die Funktionsweise ist analog zum ersten
Ausführungsbeispiel.
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Neben
einer Formgedächtnislegierung 16 bzw. SMA können
in der oben beschriebenen Weise auch flüssige Materialien
eingeschlossen werden, die bei einer bestimmten Temperaturschwelle
ihren Aggregatzustand ändern und dadurch eine große
Volumenveränderung bewirken.
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Insgesamt
betrachtet können mit der vorliegenden Erfindung bei Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen 1 als
Dieselmotor 3, die insbesondere in Personen- und Lastkraftwagen
eingesetzt werden, erhebliche Verbrauchssenkungen nach Warmlaufende,
Reduzierungen der Schadstoffemissionen, insbesondere NOx-Emissionen,
eine höhere Kaltstartsicherheit und eine höhere
Aufladung für mehr Drehmoment ohne Überschreitung
des zulässigen Spitzendruckes im Verbrennungsraum 11 erreicht
werden. Die Betriebszustände Kaltstart und Warmlaufende
eines Dieselmotors 3 werden damit thermodynamisch optimiert.
Der konstruktive und mechanische Aufwand ist bei einer Integration
des Aktors 15 aus einer Formgedächtnislegierung 16 insbesondere
in den Hubkolben 5 oder in die Pleuelstange 6 sehr
gering, so dass erfindungsgemäße Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen 1 erhebliche
Vorteile im Betrieb bei sehr geringen zusätzlichen Kosten
in der Herstellung aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4040274
C2 [0004]
- - JP 60-022030 A [0005]