DE102009048172A1 - Piston for internal combustion engine of motor vehicle, has switchable valve device arranged at inner side at piston skirt and adjusting volume of pressurized medium in chamber, where valve device is designed as shut-off valve - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisende Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a piston for a variable compression ratio internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Derartige Kolben sind hinlänglich bekannt. Die
Die
Aus der
Die
Die
Die durch die genannten Druckschriften gezeigten Kolben weisen allesamt den Nachteil auf, dass sich ein durch sie änderbares Kompressionsvolumen lediglich in Abhängigkeit eines Brennraumdrucks einstellt. Ein davon unabhängiger Zustand zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses ist nicht möglich, wodurch sich die Vorteile eines variablen Kompressionsverhältnisses nicht auf alle Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine anwenden lassen.All of the pistons shown by the cited documents have the disadvantage that a volume of compression which can be changed by them only sets as a function of a combustion chamber pressure. An independent state for setting a compression ratio is not possible, whereby the advantages of a variable compression ratio can not be applied to all operating ranges of the internal combustion engine.
Die
Aus der
Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass sie einen großen Bauraum beansprucht. Außerdem geschieht durch sie ein massiver Eingriff in die Ölversorgung von Hauptlagern und Pleuellagern der Brennkraftmaschine.This device has the disadvantage that it requires a large amount of space. In addition, it is a massive intervention in the oil supply of main bearings and connecting rod bearings of the internal combustion engine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolben der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher geringe Kosten und einen geringen Bauraumbedarf aufweist. It is therefore an object of the present invention to provide a piston of the type mentioned, which has low cost and low space requirement.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für eine ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisende Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a piston for a variable compression ratio having internal combustion engine with the features of claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine ein veränderbares Kompressionsverhältnis aufweisende Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kolbenteil und mit einem zweiten Kolbenteil, welche unter Ausbildung zumindest einer ersten, mit einem Druckmedium, insbesondere einem Druckfluid, beaufschlagbaren und in ihrem Volumen veränderbaren Kammer relativ zueinander bewegbar gekoppelt sind, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine schaltbare Ventileinrichtung innenseitig an einem Kolbenhemd des Kolbens angeordnet ist, mittels welcher ein Volumen des Druckmediums in der ersten Kammer einstellbar ist.An inventive piston for a changeable compression ratio having internal combustion engine with a first piston part and a second piston part, which are coupled to form at least a first, with a pressure medium, in particular a pressurized fluid, acted upon and variable in volume chamber relative to each other movable, characterized characterized in that at least one switchable valve device is arranged on the inside on a piston skirt of the piston, by means of which a volume of the pressure medium in the first chamber is adjustable.
Der erfindungsgemäße Kolben birgt dabei zum einen den Vorteil, dass durch die schaltbare Ventileinrichtung zumindest zwei Verdichtungsverhältnisse der Brennkraftmaschine durch zumindest zwei unterschiedliche Positionen der Kolbenteile darstellbar sind, und das unabhängig von einem herrschenden Brennraumdruck. Damit sind die Vorteile des veränderbaren Kompressionsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine in allen Betriebsphasen derselbigen nutzbar, da die Einstellung des Kompressionsverhältnisses von dem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine entkoppelt ist.The piston according to the invention has the advantage that, due to the switchable valve device, at least two compression ratios of the internal combustion engine can be represented by at least two different positions of the piston parts, independently of a prevailing combustion chamber pressure. Thus, the advantages of the variable compression ratio of the internal combustion engine in all operating phases derselbigen be used because the setting of the compression ratio of the current operating point of the internal combustion engine is decoupled.
Durch den Einsatz zumindest einer schaltbaren Ventileinrichtung ist die Einstellung des Kompressionsverhältnisses zudem äußerst kostengünstig darstellbar, was sich positiv auf die Gesamtkosten der Verbrennungskraftmaschine auswirkt.The use of at least one switchable valve device, the setting of the compression ratio is also extremely inexpensive to represent, which has a positive effect on the total cost of the internal combustion engine.
Die Anordnung der Ventileinrichtung innenseitig an dem Kolbenhemd schafft darüber hinaus den Vorteil, dass der Kolben selbst sowie Einrichtungen zur Druckerzeugung und zur Versorgung des Kolbens mit dem Druckmedium einen äußerst geringen Bauraum beanspruchen. Die gegebenen Platzverhältnisse sind somit optimal genutzt, was Package-Probleme in einem besonders platzkritischen Bereich wie dem Motorraum vermeidet.The arrangement of the valve device on the inside of the piston skirt also provides the advantage that the piston itself and devices for generating pressure and for supplying the piston with the pressure medium require an extremely small installation space. The given space conditions are thus used optimally, which avoids package problems in a particularly space-critical area such as the engine compartment.
Des Weitern ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der schaltbaren Ventileinrichtung eine besonders gute Zugänglichkeit zu dieser, was insbesondere in einem Servicefall, also bei einem Austausch oder bei einer Reparatur der schaltbaren Ventileinrichtung, von Vorteil ist. Dies geht einher mit einer schnelleren Reparatur bzw. einem schnelleren Austausch, was die Reparaturkosten in einem geringen Rahmen hält.Furthermore, the inventive arrangement of the switchable valve device allows a particularly good accessibility to this, which is particularly advantageous in a service case, ie when replacing or repairing the switchable valve device. This is accompanied by a faster repair or a faster replacement, which keeps the repair costs in a small frame.
Die schaltbare Ventileinrichtung kann dabei beispielsweise in Strömungsrichtung des Druckmediums vor der Kammer angeordnet sein. Das bedeutet also, dass der Kammer das Druckmedium über die schaltbare Ventileinrichtung zuführbar ist. Allerdings kann ebenso vorgesehen sein, dass die schaltbare Ventileinrichtung nach der ersten Kammer angeordnet ist. In jedem Falle ist das Volumen des Druckmediums in der ersten Kammer mittels der Ventileinrichtung einstellbar. Weiterhin ist es möglich eine Mehrzahl von schaltbaren Ventileinrichtungen vorzusehen, die vor und/oder nach der ersten Kammer angeordnet sind.The switchable valve device can be arranged, for example, in the flow direction of the pressure medium in front of the chamber. This means that the chamber, the pressure medium via the switchable valve device can be fed. However, it can also be provided that the switchable valve device is arranged after the first chamber. In any case, the volume of the pressure medium in the first chamber by means of the valve device is adjustable. Furthermore, it is possible to provide a plurality of switchable valve devices, which are arranged before and / or after the first chamber.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die schaltbare Ventileinrichtung also zwischen zumindest zwei Zuständen schaltbar ist, wobei es sich also um eine nicht-eigenmediumbetätigte Ventileinrichtung handelt. Die Ventileinrichtung ist dabei beispielsweise als mechanisch, elektrisch bzw. elektronisch oder magnetisch schaltbares Schaltelement ausgebildet und auf die erfindungsgemäße Art und Weise angeordnet. Die Anordnung erfolgt dabei beispielsweise auf Höhe eines Kolbenbolzens des erfindungsgemäßen Kolbens, was die beschriebene gute Zugänglichkeit gewährleistet und die schaltbare Ventileinrichtung vor gegebenenfalls störenden Einflüssen aus dem Brennraum schützt.It should be noted at this point that the switchable valve device can therefore be switched between at least two states, which means that it is a non-intrinsically-medium-actuated valve device. The valve device is designed, for example, as a mechanically, electrically or electronically or magnetically switchable switching element and arranged in the manner according to the invention. The arrangement is carried out, for example, at the height of a piston pin of the piston according to the invention, which ensures the described good accessibility and protects the switchable valve device from any disturbing influences from the combustion chamber.
Die Einstellung des Kompressionsverhältnisses durch ein Einstellung der Kolbenhöhe erfolgt also im motorischen Betrieb durch die schaltbare Ventileinrichtung, wodurch entweder bei einer Verringerung des Kompressionsverhältnisses das Druckmedium aus der ersten Kammer, die auch als Arbeitsvolumen oder als Steuerkammer zu bezeichnen ist, in ein Nebenvolumen geleitet bzw. gepresst wird. Bei einer entsprechenden Erhöhung des Kompressionsverhältnisses und/oder bei einem Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine wird das Druckmedium aus dem Nebenvolumen in die erste Kammer geleitet bzw. gepresst.The adjustment of the compression ratio by an adjustment of the piston height thus takes place in the engine operation by the switchable valve device, whereby either with a reduction in the compression ratio, the pressure medium from the first chamber, which is also referred to as a working volume or as a control chamber, passed into a secondary volume or is pressed. With a corresponding increase in the compression ratio and / or when switching off the internal combustion engine, the pressure medium from the secondary volume is passed or pressed into the first chamber.
Versorgt wird der Kolben bzw. die Steuerkammer beispielsweise über eine Druckmediumsversorgung, beispielsweise in Form einer Ölversorgung der Verbrennungskraftmaschine, über einen Versorgungskanal in einem Pleuelschaft eines dem Kolben zugeordneten Pleuels.The piston or the control chamber is supplied, for example via a pressure medium supply, for example in the form of an oil supply to the internal combustion engine, via a supply channel in a connecting rod shank of a connecting rod assigned to the piston.
Im Vergleich zum Stand der Technik bedeutet dies, dass insbesondere nicht massiv in ein Ölversorgung von Hauptlagern und/oder Pleuellagern der Verbrennungskraftmaschine eingegriffen wird und somit die Schmierung der Hauptlagern und der Pleuellager in allen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine sicher gewährleistet ist.Compared to the prior art, this means that in particular is not massively intervened in an oil supply of main bearings and / or connecting rod bearings of the internal combustion engine and Thus, the lubrication of the main bearings and the connecting rod bearing is guaranteed safe in all operating phases of the internal combustion engine.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung als Absteuerventil ausgebildet ist, mittels welchem ein kontinuierlicher Druckmediumsfluss in die erste Kammer sowie ein Volumen des Druckmediums in dieser einstellbar sind.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the valve device is designed as a shut-off valve, by means of which a continuous flow of pressure medium in the first chamber and a volume of the pressure medium in this are adjustable.
Das bedeutet also, dass ständig Druckmedium, beispielsweise Öl, gefördert wird und überflüssiges Druckmedium zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks abgesteuert und vorteilhafter Weise über einen Kühlkanal des Kolbens in ein Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine abgeführt wird. Somit ist ein ständiger Druckmediumskreislauf bzw. Schmierölkreislauf sowie eine ständige Kühlung, insbesondere des Kolbens, realisiert, was eine sichere Schmierung entsprechender Lagerstellen sowie eine optimale Wärmeabfuhr von dem Kolben sicherstellt, und zwar in allen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine.This means that constantly pressure medium, such as oil, is promoted and superfluous pressure medium to maintain a certain pressure is controlled and advantageously discharged via a cooling passage of the piston in a crankcase of the internal combustion engine. Thus, a constant Druckmediumskreislauf or lubricating oil circuit and a constant cooling, in particular of the piston, realized, which ensures a safe lubrication of corresponding bearings and optimal heat dissipation from the piston, in all operating phases of the internal combustion engine.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben zumindest eine zweite, mit dem Druckmedium beaufschlagbare und in ihrem Volumen, insbesondere in Abhängigkeit des Volumens bzw. der Volumenänderung der ersten Kammer, veränderbare Kammer, welche mit der ersten Kammer über zumindest eine einstellbare Drosseleinrichtung fluidisch gekoppelt ist. Die einstellbare Drosseleinrichtung ermöglicht also eine Einstellung eines Massendurchsatzes von Druckmedium durch ihren Strömungsquerschnitt, wobei also vorgesehen sein kann, dass die Drosseleinrichtung in ihrem Strömungsquerschnitt veränderbar ist.In an advantageous embodiment of the invention, the piston has at least one second, which can be acted upon by the pressure medium and in its volume, in particular as a function of the volume or the volume change of the first chamber, variable chamber, which fluidly coupled to the first chamber via at least one adjustable throttle device is. The adjustable throttle device thus makes it possible to set a mass flow rate of pressure medium through its flow cross section, it being thus possible for the throttle device to be variable in its flow cross section.
Dies erlaubt einen Austausch von Druckmedium zwischen der ersten und der zweiten Kammer, wodurch ein Pumpen von Druckmedium zwischen den Kammern realisiert ist. Dies ist insofern vorteilbehaftet, als dadurch eine Schmierung sowie eine Kühlung des Kolbens sowie ein gedämpfter Übergang von einer eingestellten Kolbenhöhe (Kompressionsverhältnis) zu einer anderen Kolbenhöhe (Kompressionsverhältnis) ermöglicht ist. Somit ist ein Kreislauf geschlossen, der eine thermische Überalterung des Druckmediums, insbesondere des Öls, vermeidet.This allows an exchange of pressure medium between the first and the second chamber, whereby a pumping of pressure medium between the chambers is realized. This is advantageous in that it allows lubrication and cooling of the piston as well as a damped transition from a set piston height (compression ratio) to another piston height (compression ratio). Thus, a cycle is closed, which avoids thermal overaging of the pressure medium, in particular of the oil.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine weitere Kammer in einem Hohlraum des Kolbenbolzens vorgesehen, welche zumindest mit der ersten Kammer fluidisch gekoppelt ist, und in welcher ein mit einer Federkraft zumindest eines Federelements beaufschlagter, verschiebbar gehaltener Schieber angeordnet ist, mittels welches das Volumen der weiteren Kammer veränderbar ist.In a particularly advantageous embodiment of the invention, at least one further chamber is provided in a cavity of the piston pin, which is fluidically coupled at least to the first chamber, and in which a with a spring force of at least one spring element acted upon, slidably held slide is arranged, by means of which Volume of the other chamber is changeable.
Diese weitere Kammer stellt somit ein zusätzliches Druckmediumsvolumen im Kolbenbolzen dar, der eine besonders hohe Dynamik bei einem Umschalten zwischen zwei Kolbenhöhen (Kompressionsverhältnissen) gewährleistet. Dieses Umschalten kann damit besonders schnell und innerhalb weniger Kurbelwellenumdrehungen erfolgen, wodurch also die Kolbenhöhe und damit das Kompressionsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine schnell und effizient auf Betriebspunktänderungen der Verbrennungskraftmaschine einstellbar ist. Derartige Betriebspunktänderungen können beispielsweise aus einer Änderung einer Verkehrsituation resultieren, in welcher sich ein Kraftwagen mit dem erfindungsgemäßen Kolben bzw. der Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Kolben befindet.This additional chamber thus represents an additional pressure medium volume in the piston pin, which ensures a particularly high dynamics when switching between two piston heights (compression ratios). This switching can thus be done very quickly and within a few crankshaft revolutions, so that the piston height and thus the compression ratio of the internal combustion engine can be adjusted quickly and efficiently to operating point changes of the internal combustion engine. Such operating point changes can result, for example, from a change in a traffic situation in which a motor vehicle with the piston according to the invention or the internal combustion engine with the piston according to the invention is located.
Sind die Kolbenteile über zumindest ein Federelement gekoppelt, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine automatische Feder-Rückstellung von einer in eine andere Kolbenhöhe ermöglicht ist. Die Kraft des Federelements verbringt also die Kolbenteile relativ zueinander in eine Position, in welcher ein Kräftegleichgewicht bezüglich des Federelements bzw. dessen Federkraft erreicht ist.If the piston parts are coupled via at least one spring element, this has the advantage that an automatic spring return from one to another piston height is thereby made possible. Thus, the force of the spring element spends the piston parts relative to each other in a position in which a balance of power with respect to the spring element or its spring force is achieved.
Abschließend kann gesagt werden, dass durch den erfindungsgemäßen Kolben eine Verbrennungskraftmaschine mit einem veränderbaren Kompressionsverhältnis auf äußerst kostengünstige Art und Weise darstellbar ist, insbesondere wenn es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um eine Verbrennungskraftmaschine in V-Bauweise handelt. Gerade in einem solchen Fall sind zusätzliche, aufwändige Triebwerks-Kinematiken obsolet.Finally, it can be stated that an internal combustion engine with a variable compression ratio can be produced in a very cost-effective manner by the piston according to the invention, in particular if the internal combustion engine is a V-type internal combustion engine. Especially in such a case, additional, complex engine kinematics are obsolete.
Aufgrund der Schaltbarkeit der Ventileinrichtung, wodurch also zumindest eine Zwei-Punkt-Kolbenhöhenverstellung geschaffen ist, ist ein großer Nutzen bei gleichzeitig niedrigem Applikationsaufwand ermöglicht, was die Kosten des erfindungsgemäßen Kolbens und damit der Verbrennungskraftmaschine um ein weiteres Maß reduziert.Due to the switchability of the valve device, which thus at least a two-point piston height adjustment is created, a great benefit at the same time low application cost is possible, which reduces the cost of the piston according to the invention and thus the internal combustion engine by a further measure.
Gleichzeitig ist jedoch eine Einstellbarkeit des Kompressionsvolumens in einem breiten Bereich ermöglicht, wobei eine Verstellung des Kompressionsverhältnisses im Bereich von einschließlich 5 bis einschließlich 6 Einheiten darstellbar ist.At the same time, however, an adjustability of the compression volume is made possible in a wide range, with an adjustment of the compression ratio in the range of 5 inclusive to 6 units can be displayed.
Nichtsdestoweniger ist eine optimale Schmierung sowie eine optimale Kühlung insbesondere des Kolbenbodens erreicht, was die Belastung des Kolbens reduziert.Nevertheless, optimum lubrication and optimum cooling, in particular of the piston crown, are achieved, which reduces the load on the piston.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of several embodiments and with reference to the drawings. The features mentioned above in the description and Feature combinations as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnungen zeigen in:The drawings show in:
Die
Zur Darstellung einer großen Kolbenhöhe smax wird das Drucköl in die erste Kammer
Bei der schaltbaren Ventileinrichtung
Gespeist wird der Kolben
Der Kolben
Durch dieses zusätzliche Druckölvolumen ist eine hohe Dynamik des Kolbens
Wie insbesondere anhand der
Außerdem ermöglicht diese Anordnung eine optimale Zugänglichkeit für die schaltbare Ventileinrichtung
In Zusammenhang mit den
Die
Neben der Kammer
Wie der
Den Kammern
Die Ventileinrichtung
Die Zuführung bzw. die Abführung von Drucköl über die Drosseleinrichtung
Eine solche Zirkulation ist auch durch eine weitere schaltbare Drosseleinrichtung
Analog dazu sind die entsprechenden hydraulischen Komponenten in dem unteren Schaltbild geschaltet zur Darstellung einer maximalen Kolbenhöhe und damit eines maximalen Kompressionsverhältnisses. Die Ventileinrichtung
Die unterschiedlichen Anordnungen des Federelements
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Kolbenpiston
- 1212
- Kolbenteilpiston part
- 1414
- Kolbenteilpiston part
- 16, 16'16, 16 '
- Kammerchamber
- 1818
- Federelementspring element
- 2020
- Ventileinrichtungvalve means
- 2222
- Kolbenhemdskirt
- 2424
- Kühlkanalcooling channel
- 2626
- Zuführkanalfeed
- 2828
- Pleuelpleuel
- 3030
- Kolbenbolzenpiston pin
- 3232
- Hohlkammerhollow
- 3434
- Schottwandbulkhead
- 3636
- Schieberpusher
- 3838
- Kammerchamber
- 4040
- Sicherungsringcirclip
- 4141
- Federelementspring element
- 4242
- Drosseleinrichtungthrottling device
- 44, 44'44, 44 '
- Ventileinrichtungvalve means
- 46, 46'46, 46 '
- Rückschlagventilcheck valve
- 48, 48'48, 48 '
- Drosseleinrichtungthrottling device
- 5050
- Brennraumcombustion chamber
- 5252
- hydraulische Anschlüssehydraulic connections
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 4038549 C1 [0009] DE 4038549 C1 [0009]
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