DE102008005333B4

DE102008005333B4 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältniss

Info

Publication number: DE102008005333B4
Application number: DE102008005333A
Authority: DE
Inventors: Suheyla Lemoure
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: DE102008005333A1

Abstract

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine wenigstens einen Zylinder mit Einlass- und Auslassventilen umfasst, wobei in dem Zylinder ein Kompressionsvolumen gebildet ist, wobei das Kompressionsvolumen variiert werden kann dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassventile (25, 26) oberhalb von ihrem Ventilsitz (28) mit Ventilschaftdurchmesser (27) und Ventilschafthöhe (29) zylinderförmig ausgeführt sind und zugehörige Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) entsprechend der Ventilgeometrie geformt sind und dass durch eine Verschiebung der zylinderförmig ausgestalteten Bereiche der Einlass- und Auslassventile (25, 26) in das Kompressionsvolumen (V_c) hinein das Verdichtungsverhältnis (ε) veränderbar ist.

Description

Stand der Technik
Das Verdichtungsverhältnis ist ein wichtiger Parameter im Hinblick auf die Erhöhung des Prozesswirkungsgrads des Motors. Grundsätzlich gilt: je höher das Verdichtungsverhältnis desto effizienter ist die Energieumsetzung. Dessen maximal zulässige Grenze wird von der Klopfgrenze bei Volllast bestimmt. Ein zu hoch gewähltes Verdichtungsverhältnis kann zu unkontrollierte Verbrennung und damit zu Beschädigung des Motors führen. Vor diesem Hintergrund wird das maximale Verdichtungsverhältnis unter Volllastbetrieb festgelegt. Dieses so bei konventionellen Motoren festgelegte Verdichtungsverhältnis bleibt in allen Betriebspunkten, unabhängig von den vielen Betriebszuständen des Motors, unverändert. Um den Motor an die jeweiligen Betriebsanforderungen anpassen zu können, ist der Einsatz einer variablen Verdichtung notwendig.
Aus der Literatur sind die Möglichkeiten wie z. B. exzentrische Verstellung der Kurbelwellenlagerung [MTZ 12/2001], Neigen des Zylinderkopfs zum Kurbelgehäuse über eine hydraulische Verstelleinrichtung [MTZ 6/2001] oder Kolbenkurbel-Mechanismus mit Mehrfachverbindungsstangen [ DE 601 25 431 T2 ] bekannt. Weitere Lösungsmöglichkeiten sind Kolben mit variabler Bauhöhe [0 289 872 B1, 0 219 634 oder 0 082 996].
Darüber hinaus gibt es noch die Möglichkeit durch Zu- bzw. Abschaltung von Zusatzvolumina zum Brennraum das Verdichtungsverhältnis zu steuern. Diese Zusatzvolumina sind in einem Schieber mit Umfangsvertiefungen integriert, die je nach Stellung des Schiebers in dem Brennraum einer Verdichtungssteuerung ermöglichen [ DE 44 17 309 A1 ].
Alle bisher bekannten Verfahren zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses sind hinsichtlich Konstruktion, Kosten, Brennraumgeometrie, Bauaufwand, Massenkräfte und Regelbarkeit äußerst aufwändig und nur unter in Kaufnahme eines inakzeptablen Kosten-Nutzenverhältnisses umsetzbar.
Vorteile der Erfindung
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein variables Verdichtungsverhältnis mit einfachen und kostengünstigen Maschinenelementen zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung einer Hubkolben- Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis greift im wesentlichem auf die bereits in den herkömmlichen Ventiltriebe zum Einsatz kommenden Komponenten, wie hier beispielsweise auf einen erfindungsgemäß modifizierten Ventiltrieb mit Schlepphebel, zurück. Hierbei wird der Ventiltrieb mit Schlepphebel mit zusätzlichen Komponenten wie Verstellwellen (21, 22), Zahnräder (15, 17, 19, 16, 18, 22), Exzenter-Wellen (1, 2), exzentrisch gelagerte Rollen (3, 4), Schlepphebeln (5, 6) und Stellmotoren (13, 14) ergänzt. Darüber hinaus sind die Einlass- und Auslassventile (25, 26) im Bereich oberhalb des Ventilsitzes (28) zylinderförmig (27, 29, 35, 36) sowie mit Zinnen (39) ausgeführt und die Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) entsprechend der Einlass- und Auslassventile (25, 26) ebenfalls zylindrisch (35, 36) geformt.
Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine (Drehzahl und Last) kann das gewünschte Verdichtungsverhältnis (ε) über Stellmotoren (13, 14), Verstellwellen (21, 22), Zahnräder (15, 17, 19, 16, 18, 22) und somit die Exzenter-Wellen (1, 2) verstellt und hierbei die gewünschte Position der Rollen (3, 4) an den Schlepphebeln (5, 6) verändert werden. Diese exzentrische Positionsänderung der Rollen (3, 4) um die Exzenter-Achse (37) führt durch Abstützen/Abrollen der Rollen (3, 4) auf die jeweils zugehörigen Nockenwellenzapfen (7, 8) zu Auslenkung der Schlepphebel (5, 6) um den Schlepphebel-Winkel (α bzw. β) = arcsin{eingestellte Exzentrizität (30)/Exzenter-Abstand zu Rollen-Mittelpunk (31 bzw. 32)} und damit zu Hubänderung (h_e) der Einlass- und Auslassventile (25, 26) in Richtung der Zylinderachse (38). Je größer die Exzenter-Wellen (1, 2) verstellt und damit die Rollen (3, 4) exzentrisch verstellt werden, umso größer ist die entsprechende Hubänderung (h_e) der Einlass- und Auslassventile (25, 26). Aufgrund der erfindungsgemäßen zylindrischen Form (27, 29) der Einlass- und Auslassventile (25, 26) sowie der zylindrischen Form (23, 24, 35, 36) der Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) führt diese Hubänderung (h_e) jedoch nicht zum Öffnen der Einlass- und Auslassventile (25, 26). Denn die Abdichtung des Kompressionsvolumens (V_c) gegenüber den Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) erfolgt bei Ventilhub kleiner als Hubänderung (h_e) hierbei über die zylindrische Mantelfläche der Einlass- und Auslassventile (25, 26) in Verbindung mit den entsprechend geformten Einlass- und Auslasskanäle (23, 24). Während der Hubänderung (h_e) zu Variation des Verdichtungsverhältnisses (ε) werden die Einlass- und Auslassventile (25, 26) in den Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) über die Ventilführung (41) zentriert und geführt. Hierbei ist ein ausreichend kleiner Spiel zwischen Einlass- und Auslassventile (25, 26) und Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) zu effektiven Abdichtung des Brennraumes notwendig. Vor allem während der Ansteuerung der Einlass- und Auslasstakte sind die Zinnen (39) zu Zentrierung der Einlass- und Auslassventile (25, 26) notwendig. Darüber hinaus kann die Form der Zinnen (39) zu Erzeugung einer Drallströmung zu besseren Zerstäubung des Kraftstoffes genutzt werden. Während der Variation des gewünschten Verdichtungsverhältnisses (ε) über die Hubänderung (h_e) wird die konstruktiv vorgehaltene Ventilschafthöhe (29) nicht überschritten und die Durchgänge zwischen Brennraum und den Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) bleiben hierbei verschlossen. Erst wenn die Hubänderung (h_e) größer als die Ventilschafthöhe (29) ist sind die Durchgänge zwischen Brennraum und den Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) geöffnet. Eine Hubänderung (h_e), die größer ist als die Ventilschafthöhe (29), sollte in erster Linie über die Nockenwellen (9, 10) zur Regelung der Einlass- und Auslasstakte eingestellt werden.
Sobald die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Berennraum begonnen hat, können die Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) gegen den hohen Verbrennungsdruck über den herkömmlichen Ventilsitz (28) abgedichtet werden. Denn nach erfolgter Zündung/Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wird die Temperatur im Brennraum primär von der Verbrennung und nicht mehr vom eingestellten Verdichtungsverhältnis (ε) bestimmt. Vor diesem Hintergrund kann die vorgenommene Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile (25, 26) und damit die Hubänderung (h_e), kurz nach erfolgter Zündung/Verbrennung, wieder zurückgesetzt werden, um den Brennraum bzw. die Verbrennungsdrücke bestmöglich über die Ventilsitze (28) abzudichten.
Die erfindungsgemäße Hubänderung (h_e) kann sich bei Bedarf mit der Ansteuerung des Ventiltriebs zu Regelung der Einlass- und Auslasstakte über die Nockenwelle (9, 10) bzw. Nockenwellenzapfen (7, 8) überlagern. Dadurch wird der über den Nockenwellenzapfen (7, 8) für die Einlass- und Auslasstakte vorgesehene maximale Ventilhub um die Hubänderung (h_e) vergrößert. Sollten z. B. in einem Volllastbetriebspunkt die Einlass- und Auslassventile (25, 26) und damit die Hubänderung (h_e) zu Veränderung des Verdichtungsverhältnisses (ε) nicht angesteuert werden, so sind für solche Betriebspunkte der Nockenhub der Nockenwellenzapfen (7, 8) ausreichend groß zu dimensionieren, um mindestens die Ventilschafthöhe (29) zu überwinden sowie die Einlass- und Auslasstakte ungedrosselt auszuführen. Kompressionsraum und Kolbenfläche sind in der Konstruktionsphase einer Hubkolben-Brennkraftmaschine so zu konfigurieren, dass ausreichend Hub-Raum zur Verstellung der Einlass- und Auslassventile (25, 26) im oberen Totpunkt des Kolbens gegeben ist.
Das Verdichtungsverhältnis (ε) herkömmlicher Hubkolben-Brennkraftmaschinen ist definiert als (Gleichung 1):
V_h entspricht hierbei dem Hubraum eines Zylinders und dieser errechnet sich aus dem Produkt Kolbenfläche (A_K) mal Kolbenhub (s). Das Kompressionsvolumen (V_c) wird als Konstruktionsmaß festgelegt. Bei der hier vorliegende Erfindung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis wird durch das Einschieben der Einlass- und Auslassventile (25, 26) in den Kompressionsraum das Kompressionsvolumen (V_c) um den Volumenanteil der Ventilgeometrie (V_v) vermindert. Dieser setzt sich aus dem Produkt Anzahl (n) der Einlass- und Auslassventile (25, 26), ausgeführte Hubänderung (h_e) und dem Ventilquerschnittsfläche (A_v) zusammen. Das Verdichtungsverhältnis (ε) wird aufgrund dieser erfindungsgemäßen Änderung des Kompressionsvolumens (V_c) in Abhängigkeit von der Hubänderung (h_e) der Einlass- und Auslassventile (25, 26) variabel und nachfolgend als variables Verdichtungsverhältnis ε(h_e) bezeichnet. Erfindungsgemäß gelten bezüglich Verdichtungsverhältnisses ε(h_e) nun folgende Zusammenhänge (Gleichung 2):
Variables Kompressionsvolumen V_c(h_e) errechnet sich aus:

– Kompressionsvolumen (V_c)
– Hubänderung (h_e)
– Ventilquerschnittsfläche (A_v)
– Anzahl der ansteuerbaren Ventile (n)

Vc(he) = Vc – Av·he·n = Vc – Vv(he)

Substitution des Kompressionsvolumens (V_c) in Gleichung 1 durch das variable Kompressionsvolumen V_c(h_e) folgt die Gleichung 2 des variablen Verdichtungsverhältnisses ε(h_e) in Abhängigkeit von der Hubänderung (h_e) (Gleichung 3):
Als Ausführungsbeispiel werden folgende Parameter beispielhaft zur Grunde gelegt:

– Kompressionsvolumens (V_c) = 30.000 mm³
– Hubraum eines Zylinders V_h = 500.000 mm³
– Ventilschaftdurchmesser (27) = 30 mm
– Ventilquerschnittsfläche (A_v) = π·(30 mm)²/4 ≈ 707 mm²
– Hubänderung (h_e) von 0 bis 2 mm
– Anzahl der ansteuerbaren Ventile (n) = 4

Verdichtungsverhältnisses ε(h_e = 0 mm):
Verdichtungsverhältnisses ε(h_e = 2 mm):
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Erfindungswesentlich sind dabei alle bezeichneten Merkmale. Es zeigen:
1 Prinzipdarstellung das erfindungsgemäß modifiziertem Ventiltrieb mit Schlepphebel in Seitenansicht dargestellt.
2 Das erfindungsgemäß modifiziertem Ventiltrieb mit Schlepphebel mit Prinzipdarstellung des Zylinderkopfs in der Oben-Ansicht. Hierbei ist Nockenwelle (9, 10) gemäß 1 zwecks Übersichtlichkeit nicht mit abgebildet.
3 Das erfindungsgemäßer Ventiltrieb mit Zylinderkopf und Kurbelgehäuse mit Kolben im oberen Totpunkt bei einer Hubänderung (h_e) = 0 mm. Das Verdichtungsverhältnis ε(h_e = 0 mm) erreicht hierbei ein Minimum.
4 Das erfindungsgemäßer Ventiltrieb mit Zylinderkopf und Kurbelgehäuse mit Kolben im oberen Totpunkt bei einer Hubänderung (h_e) = 2 mm. Das Kompressionsvolumen (V_c) ist hierbei um die Ventilgeometrie (V_v) reduziert und das Verdichtungsverhältnis ε(h_e = 2 mm) erreicht dabei ein Maximum.
5 Die erfindungsgemäßen Exzenter-Wellen (1, 2) und Rollen (3, 4).
6 Den erfindungsgemäßen Einlass- und Auslassventile (25, 26) in Oben- und Seiten-Ansicht.
7 Die Variation des Verdichtungsverhältnisses ε(h_e) in Abhängigkeit von Hubänderung (h_e).
Diese Erfindung greift Vorteilhafterweise auf bekannte, zuverlässige sowie auf im Wesentlichem im Ventiltrieb bereits vorhandenen Komponenten zurück. Die Erfindung zeichnet sich durch äußerst geringen Platzbedarf, keine Änderung bezüglich Massenkräfte und Kurbeltrieb-Mechanik und benötigt keine große Verstellkräfte sowie durch sehr gute Regelbarkeit aus und hat aufgrund des einfachen Aufbaus ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Claims

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine wenigstens einen Zylinder mit Einlass- und Auslassventilen umfasst, wobei in dem Zylinder ein Kompressionsvolumen gebildet ist, wobei das Kompressionsvolumen variiert werden kann dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassventile (25, 26) oberhalb von ihrem Ventilsitz (28) mit Ventilschaftdurchmesser (27) und Ventilschafthöhe (29) zylinderförmig ausgeführt sind und zugehörige Einlass- und Auslasskanäle (23, 24) entsprechend der Ventilgeometrie geformt sind und dass durch eine Verschiebung der zylinderförmig ausgestalteten Bereiche der Einlass- und Auslassventile (25, 26) in das Kompressionsvolumen (V_c) hinein das Verdichtungsverhältnis (ε) veränderbar ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile (25, 26) zur Variation des Kompressionsvolumens (V_c) konstruktiv, wie hier beispielhaft über Stellmotoren (13, 14), Verstellwellen (21, 22), Zahnräder (11, 15, 17, 19, 12, 16, 18, 20) und Exzenter-Wellen (1, 2), Rollen (3, 4), Tassenstößel (42) und Schlepphebeln (5, 6) dargestellt, beliebig wählbar ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollen (3, 4) auf den Exzenter-Wellen (1, 2) gelagert sind und dass die Positionen der Rollen (3, 4) über Einstellung der jeweiligen Exzenter-Wellen (1, 2) jeweils beliebig verstellbar ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung und Zentrierung die Einlass- und Auslassventile (25, 26) beliebige Anzahl an Zinnen (39) aufweisen, dass die Zinnen (39) oberhalb vom Ventilsitz (28) auf den zylinderförmig ausgestalteten Bereich der Einlass- und Auslassventile (25, 26), welcher durch den Ventilschaftdurchmesser (27) und die Ventilschafthöhe (29) gebildet wird, angeordnet sind, dass die Zinnen (39) gemeinsam mit der Ventilschafthöhe (29) eine entsprechende Ventilführung (41) bilden und dass ihre Form und Anordnung jeweils beliebig wählbar sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung, Größe, Anzahl und Form aller in dieser Erfindung gekennzeichnete Bauteile beliebig wählbar sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (30) der Exzenter-Wellen (1, 2) jeweils beliebig wählbar ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassventile (25, 26) jeweils unabhängig von einander ansteuerbar sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konstruktive Gestaltung einer Schnittstelle zwischen Schlepphebeln (5, 6) und Einlass- und Auslassventile (25, 26), wie hier beispielhaft als Tassenstößel (42) dargestellt, beliebig wählbar ist.