DE102011114259A1

DE102011114259A1 - Reciprocating internal combustion engine e.g. petrol engine, has cylinder head which is provided with additional cylinder having auxiliary piston

Info

Publication number: DE102011114259A1
Application number: DE102011114259A
Authority: DE
Inventors: Paul Breidenbach
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-28

Abstract

The combustion engine (1) has a cylinder head (4) and a reciprocating piston (5). The compression chamber volume (6) in the cylinder head is maintained constantly per work cycle of reciprocating piston. The cylinder head is provided with an additional cylinder (7) having an auxiliary piston (8). The compression chamber volume is varied with respect to the additional volume (9). The compression ratio of compression chamber volume is set in the range of 8-16. An independent claim is included for method for operating reciprocating internal combustion engine.

Description

Es wird ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung und ein Verfahren zum Betreiben desselben beschrieben. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung weist mindestens einen Zylinderkopf und mindestens einen Hubkolben auf. Ein konstantes Verdichtungsraumvolumen ist in dem Zylinderkopf pro Arbeitszyklus des Hubkolbens vorgesehen.A variable displacement type reciprocating internal combustion engine and a method of operating the same will be described. The reciprocating internal combustion engine with variable compression has at least one cylinder head and at least one reciprocating piston. A constant compression volume is provided in the cylinder head per cycle of the reciprocating piston.

Aus der Druckschrift DE 10 2007 017 153 A1 ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung bekannt. Der bekannte Hubkolben-Verbrennungsmotor weist eine um eine Achse drehbare Kurbelwelle, ein in einem Pleuelzapfen der Kurbelwelle schwenkbar gelagertes Pleuel und einen in einem Zylindergehäuse befindlichen, mit dem Pleuel schwenkbar verbundenen Hubkolben auf.From the publication DE 10 2007 017 153 A1 is known a reciprocating internal combustion engine with variable compression. The known reciprocating internal combustion engine has a crankshaft rotatable about an axis, a connecting rod pivotably mounted in a connecting rod of the crankshaft, and a piston located in a cylinder housing and pivotally connected to the connecting rod.

Die Lagerachse des Pleuelzapfens zur Drehachse der Kurbelwelle ist zur Einstellung einer variablen Verdichtung geneigt angeordnet und das Pleuel auf dem Pleuelzapfen ist in Längsrichtung des Pleuelzapfens relativ zum Pleuelzapfen verschiebbar. Durch eine axiale Verschiebung der Kurbelwelle in den Kurbelwellenlagerungen kann somit das an sich konstante Verdichtungsraumvolumen pro Arbeitszyklus vergrößert oder verkleinert werden. Dazu sind jedoch erhebliche Massen, wie die Masse der Kurbelwelle, in axialer Richtung zu verschieben und deutliche Vergrößerungen des Raumbedarfs für die Kurbelwelle im Kurbelwellengehäuse erforderlich. Außerdem können die Verdichtungsverhältnisse nur gemeinsam in gleicher Größe in allen Zylindern eines Hubkolben-Verbrennungsmotors gleichzeitig variiert werden.The bearing axis of the connecting rod to the axis of rotation of the crankshaft is arranged inclined to set a variable compression and the connecting rod on the connecting rod is displaceable relative to the connecting rod in the longitudinal direction of the connecting rod. As a result of an axial displacement of the crankshaft in the crankshaft bearings, the compression space volume per cycle, which is constant per se, can thus be increased or decreased. However, this considerable masses, such as the mass of the crankshaft to move in the axial direction and significant increases in space required for the crankshaft in the crankshaft housing. In addition, the compression ratios can only be varied simultaneously in the same size in all cylinders of a reciprocating internal combustion engine.

Eine Aufgabe ist es, einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung zu schaffen sowie ein Verfahren zum Betreiben des Hubkolben-Verbrennungsmotors anzugeben, bei dem nur minimale Eingriffe in die Struktur eines Hubkolben-Verbrennungsmotors vorzusehen sind. Ferner sollen Verfahrensvarianten durchführbar werden, die mit den bisher bekannten Lösungen für Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit variabler Verdichtung nicht realisierbar sind.An object is to provide a reciprocating internal combustion engine with variable compression and to provide a method for operating the reciprocating internal combustion engine, in which only minimal intervention in the structure of a reciprocating internal combustion engine are provided. Furthermore, process variants are to be feasible, which are not feasible with the previously known solutions for reciprocating internal combustion engines with variable compression.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject matter of independent claim 1. Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Mit einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung und ein Verfahren zum Betreiben desselben geschaffen. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung weist mindestens einen Zylinderkopf und mindestens einen Hubkolben auf. Ein konstantes Verdichtungsraumvolumen ist in dem Zylinderkopf pro Arbeitszyklus des Hubkolbens vorgesehen. Der Zylinderkopf weist einen Zusatzzylinder mit einem Zusatzkolben auf, der ausgebildet ist, das Verdichtungsraumvolumen um ein Zusatzvolumen zu variieren.One embodiment of the invention provides a variable compression piston engine and method of operating the same. The reciprocating internal combustion engine with variable compression has at least one cylinder head and at least one reciprocating piston. A constant compression volume is provided in the cylinder head per cycle of the reciprocating piston. The cylinder head has an additional cylinder with an additional piston, which is designed to vary the compression chamber volume by an additional volume.

In diesem Zusammenhang ist unter Verdichtung das Verdichtungsverhältnis ε zu verstehen, welches das Volumenverhältnis des gesamten Verbrennungsraumvolumens eines Zylinders zum Verdichtungsraumvolumen angibt. Bei Verkleinerung des Verdichtungsraumvolumens wird somit das Verdichtungsverhältnis ε größer und bei Vergrößerung des Verdichtungsraumvolumens wird das Verdichtungsverhältnis ε kleiner. Thermodynamisch von Bedeutung ist es, durch ein möglichst großes Verdichtungsverhältnis einen möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad zu erreichen, bei dem der Hubraum-Verbrennungsmotor noch nicht beschädigt wird.In this context, by compression is meant the compression ratio ε, which indicates the volume ratio of the total combustion chamber volume of a cylinder to the compression chamber volume. When the compression space volume is reduced, the compression ratio ε thus becomes greater, and as the compression space volume increases, the compression ratio ε becomes smaller. Thermodynamically important is to achieve the highest possible thermodynamic efficiency by the largest possible compression ratio, in which the displacement engine is not damaged.

Das höchstmögliche Verdichtungsverhältnis muss unterhalb der Grenze zu einer explosionsartigen Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in Teilbereichen des Verdichtungsraumvolumens bleiben, da sonst klopfende Verbrennungsgeräusche entstehen. Bei Überschreitung dieser so genannten Klopfgrenze ist eine Beschädigung des Hubkolben-Verbrennungsmotors nicht auszuschließen. Da diese Klopfgrenze jedes einzelnen Zylinders eines Hubkolben-Verbrennungsmotors von der Zylinderkopftemperatur abhängt und diese Zylinderkopftemperatur für einen mehrzylindrigen Hubkolben-Verbrennungsmotor abhängig vom Kühlsystem unterschiedlich sein kann, ist es von Vorteil, dass bei dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 das Verdichtungsverhältnis jedes einzelnen Zylinders durch den am Zylinderkopf angeordneten Zusatzzylinder mit Zusatzkolben variiert werden kann.The highest possible compression ratio must remain below the limit for explosive combustion of the air-fuel mixture in partial areas of the compression chamber volume, as otherwise knocking combustion noises occur. Exceeding this so-called knock limit damage to the reciprocating internal combustion engine can not be excluded. Since this knock limit of each individual cylinder of a reciprocating internal combustion engine depends on the cylinder head temperature and this cylinder head temperature may be different for a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine depending on the cooling system, it is advantageous that in the subject matter of independent claim 1, the compression ratio of each cylinder by the arranged on the cylinder head additional cylinder can be varied with additional piston.

Ein weiterer Vorteil für den Fachmann offensichtlicher Vorteil ist, dass bei größerer Last das Verdichtungsverhältnis durch das Zusatzvolumen des Zusatzzylinders vergrößert werden kann und damit das Verdichtungsverhältnis auch bei größerer Last in der Nähe der Klopfgrenze, aber noch unterhalb der Klopfgrenze eingestellt werden kann. Das Gleiche ist möglich für die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an die Motordrehzahl, so dass auch die Gefahr des Beschleunigungsklopfens und des Hochgeschwindigkeitsklopfens vermindert werden kann und dennoch bei hoher Drehzahl das höchstmögliche Verdichtungsverhältnis gefahren werden kann.Another advantage for the expert obvious advantage is that at higher load, the compression ratio can be increased by the additional volume of the additional cylinder and thus the compression ratio can be adjusted even at higher load near the knock limit, but still below the knock limit. The same is possible for the adjustment of the compression ratio to the engine speed, so that the risk of acceleration knocking and high-speed knocking can be reduced and still at high speed the highest possible compression ratio can be driven.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein maximales Zusatzvolumen des Zusatzzylinders eine Größe bis zu der Größe des Verdichtungsraumvolumens aufweisen und der Zusatzkolben das Verdichtungsverhältnis ε zwischen 6 ≤ ε ≤ 16 variieren. Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, der beispielsweise auf ein konstantes Verdichtungsraumvolumen in dem Zylinderkopf auf ein Verdichtungsverhältnis ε von 10 festgelegt war, kann mit dieser Ausführungsform der Erfindung bei hoher Last bis auf ein Verdichtungsverhältnis von 6 reduziert werden. Bei geringer Last im Betrieb des Hubkolben-Verbrennungsmotors kann in dieser Ausführungsform der Erfindung das Verdichtungsverhältnis ε bis zu einer Große von 16 angehoben werden. Damit wird es in vorteilhafter Weise möglich den thermischen Wirkungsgrad eines derartigen Hubkolben-Verbrennungsmotors zu erhöhen und den Brennstoffbedarf in einem mindestens einstelligen Prozentbereich zu vermindern.In a further embodiment of the invention, a maximum additional volume of the additional cylinder may have a size up to the size of the compression space volume and the additional piston the compression ratio ε between 6 ≤ ε ≤ 16 vary. A reciprocating internal combustion engine, for example, set to a constant compression volume in the cylinder head to a compression ratio ε of 10 can be reduced with this embodiment of the invention at high load to a compression ratio of 6. At low load in the operation of the reciprocating internal combustion engine, the compression ratio ε can be raised to a size of 16 in this embodiment of the invention. This makes it possible in an advantageous manner to increase the thermal efficiency of such a reciprocating internal combustion engine and to reduce the fuel demand in an at least single-digit percentage range.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass das maximale Zusatzvolumen des Zusatzzylinders eine Größe bis zu 75% der Größe des Verdichtungsraumvolumens aufweist. Dadurch kann der Zusatzkolben das Verdichtungsverhältnis ε zwischen 8 ≤ ε ≤ 14 variieren. Bei dieser geringfügig verminderten Variationsbreite ergeben sich gegenüber einem konstanten Verdichtungsraumvolumen in dem Zylinderkopf pro Arbeitszyklus noch erhebliche Vorteile, wenn beispielsweise der herkömmliche Hubkolben-Verbrennungsmotor durch sein konstantes Verdichtungsraumvolumen in dem Zylinder lediglich ein konstantes Dichtungsverhältnis von beispielsweise 10 einhalten muss.Furthermore, it is provided that the maximum additional volume of the additional cylinder has a size of up to 75% of the size of the compression space volume. As a result, the additional piston can vary the compression ratio ε between 8 ≦ ε ≦ 14. With this slightly reduced range of variation, there are still considerable advantages over a constant compression chamber volume in the cylinder head per working cycle, for example if the conventional reciprocating internal combustion engine only has to maintain a constant sealing ratio of, for example, 10 due to its constant compression volume in the cylinder.

Selbst dann, wenn das Verdichtungsverhältnis wie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in seiner Variationsbreite dadurch vermindert ist, weil das maximale Zusatzvolumen nur noch bis zu 50% der Größe des Verdichtungsraumvolumens aufweist und somit der Zusatzkolben das Verdichtungsverhältnis ε nur noch zwischen 8 ≤ ε ≤ 12 variieren kann, ist dieses noch immer ein deutlicher Gewinn, durch die Möglichkeit einer begrenzten Optimierung und Anpassung der thermodynamischen Verhältnisse im Verdichtungsraumvolumen an reale Betriebszustände des Hubkolben-Verbrennungsmotors.Even if the compression ratio is reduced as in a further embodiment of the invention in its range of variation, because the maximum additional volume only up to 50% of the size of the compression chamber volume and thus the additional piston compression ratio ε only between 8 ≤ ε ≤ 12th can vary, this is still a significant gain, by the possibility of limited optimization and adaptation of the thermodynamic conditions in the compression chamber volume of real operating conditions of the reciprocating internal combustion engine.

Um die Änderung bzw. Variation des Verdichtungsverhältnisses ε mithilfe des Zusatzzylinders an dem Zylinderkopf zu erreichen, weist eine weitere Ausführungsform der Erfindung einen Aktuator auf, der mit dem Zusatzkolben kinematisch und mit einem Steuergerät elektrisch in Verbindung steht. Während das Steuergerät die Signale über Betriebszustände wie Lastwechsel, Drehzahlwechsel, Temperaturänderungen im Zylinderkopf und Signale, die von Klopfsensoren kommen, auswertet, reagiert der Aktuator auf entsprechende Einstellvorgaben des Steuergeräts für eine Optimierung des Verdichtungsverhältnisses unterhalb der so genannten Klopfgrenze.In order to achieve the change or variation of the compression ratio ε with the aid of the additional cylinder on the cylinder head, a further embodiment of the invention has an actuator, which is kinematically in electrical connection with the additional piston and with a control device. While the control unit evaluates the signals via operating conditions such as load changes, speed changes, temperature changes in the cylinder head and signals coming from knock sensors, the actuator reacts to corresponding setting specifications of the control unit for optimizing the compression ratio below the so-called knock limit.

Dazu kann der Aktuator ausgebildet sein, in Zusammenwirken mit dem Steuergerät bei erhöhtem Lastbetrieb oder bei verminderter Motordrehzahl das Verdichtungsverhältnis ε zu vermindern. Außerdem kann der Zusatzzylinder genutzt werden, um in einer Ladephase bzw. in einem Ansaugtakt für Vergasermotoren das Ladevolumen zu vergrößern oder zu verkleinern, um anschließend im Zündzeitpunkt auf die vorgesehene Position eines Zusatzvolumens für ein optimales Verdichtungsverhältnis vom Steuergerät über den Aktuator eingestellt zu werden.For this purpose, the actuator can be designed to reduce the compression ratio ε in cooperation with the control unit during increased load operation or at reduced engine speed. In addition, the additional cylinder can be used to increase or decrease in a loading phase or in a Ansaugakt for carburetor engines, the loading volume to then be set in the ignition on the intended position of an additional volume for optimal compression ratio from the controller via the actuator.

Auch kann mithilfe des Zusatzvolumens eine im Zylinderkopf verbleibende, mit dem Frischgas zu vermischende Abgasmenge pro Arbeitszyklus eingestellt bzw. variiert werden. In dieser Ausführungsform verbleibt der Aktuator nicht in einer vorgegebenen Stellung für das optimierte Verdichtungsverhältnis, sondern wird während eines Arbeitszyklus von dieser Stellung aus in der entsprechenden Ladephase oder der entsprechenden Abgasphase zusätzlich variiert bzw. verstellt. Dieses kann der Aktuator erreichen, da er relativ geringe Massen in Form des Zusatzkolbens zu bewegen hat und nicht die Lage einer massiven Kurbelwelle ändern muss.Also, with the aid of the additional volume, an exhaust gas quantity remaining in the cylinder head and to be mixed with the fresh gas per working cycle can be set or varied. In this embodiment, the actuator does not remain in a predetermined position for the optimized compression ratio, but is additionally varied or adjusted during a work cycle from this position in the corresponding charging phase or the corresponding exhaust gas phase. This can be achieved by the actuator because it has relatively small masses to move in the form of the auxiliary piston and does not have to change the position of a massive crankshaft.

Ferner ist der Aktuator in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgebildet, den Zusatzkolben in Zusammenwirken mit dem Steuergerät in einem geöffneten Zustand eines Einlassventils mit mindestens einer Halbperiode um ein vorbestimmtes Verdichtungsverhältnis ε schwingen zu lassen. Dieses hat den Vorteil, dass beim Einströmen eines Brennstoffgemisches eines Vergasermotors die Vermischung der Ladung intensiviert werden kann.Furthermore, in another embodiment of the invention, the actuator is designed to oscillate the auxiliary piston in cooperation with the control unit in an open state of an inlet valve with at least one half period by a predetermined compression ratio ε. This has the advantage that when a fuel mixture of a gasoline engine flows in the mixing of the charge can be intensified.

Auch ist es möglich, anstelle einer mindestens halbperiodischen Schwingung den Zusatzkolben vibrieren zu lassen, um eine höhere Turbolenz und damit eine verbesserte Durchmischung des Brennstoffgemisches beim Ladevorgang zu erreichen.It is also possible to vibrate the auxiliary piston instead of an at least semi-periodic oscillation in order to achieve a higher turbulence and thus an improved mixing of the fuel mixture during the charging process.

Wird der Aktuator in dieser Weise auch in einer Verdichtungsphase von dem Steuergerät angeregt, so kann auch die Durchmischung bei Einspritzmotoren kurz vor dem Erreichen des Zündzeitpunktes von Vorteil sein. Dieses erfordert jedoch eine extreme Schwing- oder Vibrationsmöglichkeit des Zusatzkolbens in Verbindung mit dem Aktuator.If the actuator is excited in this way in a compression phase of the control unit, then the mixing of injection engines shortly before reaching the ignition point may be beneficial. However, this requires an extreme vibration or vibration possibility of the additional piston in conjunction with the actuator.

Weiterhin kann der Aktuator ausgebildet sein, durch den Zusatzkolben in einer Ladephase eines Arbeitszyklus ein Ladevolumen oder in einer Ausstoßphase eines Arbeitszyklus ein verbliebenes Restgasvolumen zu vergrößern, wie es bereits oben im Detail erläutert wurde.Furthermore, the actuator may be configured to increase a charge volume through the additional piston in a charge phase of a duty cycle or to increase a remaining residual gas volume in a discharge phase of a duty cycle, as has already been explained in detail above.

Ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, der am Zylinderkopf einen Zusatzzylinder mit Zusatzkolben und Zusatzvolumen aufweist, kann mit dem Verfahrensschritt eines Vergrößerns des Verdichtungsverhältnisses ε bei vermindertem Lastbetrieb eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Hubkolben-Verbrennungsmotors erreichen. Auch ist es vorgesehen, dass das Verfahren bei einem Betrieb mit erhöhter Drehzahl das Verdichtungsverhältnis ε vergrößert.A method for operating a reciprocating internal combustion engine, which has an additional cylinder with additional piston and additional volume on the cylinder head, can with the method step an increase in the compression ratio ε at reduced load operation to achieve an improvement in the efficiency of the reciprocating internal combustion engine. It is also provided that the method increases the compression ratio ε in an operation with increased speed.

Darüber hinaus können mit dem neuen Hubkolben-Verbrennungsmotor Verfahren durchgeführt werden, bei denen ein Schwingen des Zusatzkolbens in einem geöffneten Zustand eines Einlassventils mit mindestens einer Halbperiode um ein vorbestimmtes Verdichtungsverhältnis ε erfolgt oder ein Vibrieren des Zusatzkolbens möglich ist. Die Vorteile eines solchen Verfahrens wurden bereits oben näher erläutert, so dass auf eine Wiederholung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Ferner ist eine Verfahrensvariante vorgesehen, bei der ein Vergrößern eines Ladevolumens durch den Zusatzkolben in einer Ladephase eines Arbeitszyklus durchgeführt wird.In addition, methods can be performed with the new reciprocating internal combustion engine, in which a swinging of the additional piston in an open state of an intake valve with at least one half period by a predetermined compression ratio ε or a vibration of the additional piston is possible. The advantages of such a method have already been explained in more detail above, so that a repetition can be dispensed with at this point. Furthermore, a method variant is provided in which an increase in a loading volume is performed by the additional piston in a loading phase of a working cycle.

Schließlich ist auch ein Verfahrensschritt mit dem neuen Hubkolben-Verbrennungsmotor möglich, bei dem eine Variation des verbleibenden Restgasvolumens durch den Zusatzkolben in einer Abgasphase eines Arbeitszyklus durchgeführt werden kann, um die verbleibende Restgasmengen Zylinder zu variieren, damit die Ladungswechsel reduziert werden.Finally, a process step with the new reciprocating internal combustion engine is possible in which a variation of the remaining residual gas volume can be performed by the additional piston in an exhaust phase of a duty cycle to vary the remaining amounts of residual gas cylinder so that the charge changes are reduced.

Ausführungsformen werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.Embodiments will now be described with reference to the accompanying figures.

1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einer ersten Ausführungsform; 1 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine of a first embodiment;

2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einer zweiten Ausführungsform; 2 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine of a second embodiment;

3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einer dritten Ausführungsform; 3 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine of a third embodiment;

4 zeigt eine Prinzipskizze eines Verdichtungsraumvolumens mit einer Stellung des Zusatzkolbens bei maximalem Verdichtungsverhältnis; 4 shows a schematic diagram of a compression chamber volume with a position of the additional piston at maximum compression ratio;

5 zeigt eine Prinzipskizze eines Verdichtungsraumvolumens mit einer Stellung des Zusatzkolbens bei einer Verminderung des Verdichtungsverhältnisses; 5 shows a schematic diagram of a compression chamber volume with a position of the auxiliary piston with a reduction of the compression ratio;

6 zeigt eine Prinzipskizze einer Variation des Verdichtungsraumvolumens zum Vergrößern der verbliebenen Abgasrestmenge pro Arbeitszyklus; 6 shows a schematic diagram of a variation of the compression chamber volume to increase the remaining amount of exhaust gas per cycle;

7 zeigt eine Prinzipskizze eines Hubkolben-Verbrennungsmotors in einer Ladephase unter Vergrößern des Ladevolumens; 7 shows a schematic diagram of a reciprocating internal combustion engine in a loading phase while increasing the loading volume;

8 zeigt eine Prinzipskizze eines Hubkolben-Verbrennungsmotors in einer Ladephase unter Verkleinern des Ladevolumens; 8th shows a schematic diagram of a reciprocating internal combustion engine in a charging phase with decreasing the loading volume;

9 zeigt eine Prinzipskizze eines Hubkolben-Verbrennungsmotors in einer Verdichtungsphase eines Arbeitszyklus bei geschlossenem Ventil und Durchmischungshüben des Zusatzkolbens. 9 shows a schematic diagram of a reciprocating internal combustion engine in a compression phase of a duty cycle with the valve closed and mixing strokes of the additional piston.

1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors 1, wobei sich die Teilansicht auf einen der Zylinder 21 des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 beschränkt. In dem Zylinder 21 ist ein Hubkolben 5 angeordnet, der in Zusammenwirken mit einem Zylinderkopf 4 durch das Verbrennen von Brenngasen bei geschlossenem Einlassventil 12 in einem Arbeitstakt in 1 nach unten bewegt wird und dabei über eine Pleuelstange 19, die auf einem Pleuelzapfen 18 gelagert ist, eine Kurbelwelle 17 um eine Kurbelwellenachse 20 in Pfeilrichtung A in einem Kurbelwellengehäuse 16 dreht. 1 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine 1 , where the partial view of one of the cylinders 21 the reciprocating internal combustion engine 1 limited. In the cylinder 21 is a reciprocating piston 5 arranged in cooperation with a cylinder head 4 by burning fuel gases with the intake valve closed 12 in a working stroke in 1 is moved down while using a connecting rod 19 on a crankpin 18 is stored, a crankshaft 17 around a crankshaft axis 20 in the direction of arrow A in a crankcase 16 rotates.

Der Hubkolben 5 ist in der gezeigten Position gerade über seinem oberen Todpunkt hinaus und wird in Pfeilrichtung B nach unten durch einen Druckaufbau beim Verbrennen der Brenngase im Zylinder 21 gedruckt, wobei sich der Verbrennungsraum bis zu einem unteren Todpunkt des Hubkolbens 5 unter Drehung der Kurbelwelle 17 um die Kurbelwellenachse 20 in Pfeilrichtung A ausdehnt.The reciprocating piston 5 is in the position shown just above its top dead center and is in the direction of arrow B down by a pressure build-up when burning the fuel gases in the cylinder 21 printed, with the combustion chamber up to a lower dead center of the reciprocating piston 5 with rotation of the crankshaft 17 around the crankshaft axis 20 in the direction of arrow A expands.

Mit seinem oberen Todpunkt begrenzt der Hubkolben 5 ein im Wesentlichen im Zylinderkopf 4 ausgebildetes Verdichtungsraumvolumen 6. Dieses Verdichtungsraumvolumen 6 kann, wie 1 zeigt, mithilfe eines Zusatzzylinders 7 und eines Zusatzkolbens 8, der sich in dem Zusatzzylinder 7 bewegt, um das Zusatzvolumen 9 variiert werden. Der Zusatzkolben 8 kann das Verdichtungsraumvolumen 6 um das Zusatzvolumen 9 vergrößern, um damit das Verdichtungsverhältnis für diesen Zylinder 21 zu variieren.With its upper dead center, the reciprocating piston limits 5 essentially in the cylinder head 4 trained compression space volume 6 , This compression space volume 6 can, how 1 shows, with the help of an additional cylinder 7 and an additional piston 8th that is in the auxiliary cylinder 7 moved to the extra volume 9 be varied. The additional piston 8th can the compression space volume 6 around the additional volume 9 to increase the compression ratio for this cylinder 21 to vary.

In der in 1 gezeigten maximalen Stellung für das Zusatzvolumen 9 kann das Verdichtungsverhältnis ε beispielsweise zwischen 8 und 16 variiert werden, wenn das Zusatzvolumen 9 die gleiche Größe aufweist wie das Verdichtungsraumvolumen 6. In einem solchen Fall kann beispielsweise das Verdichtungsverhältnis von 8 ≤ ε ≤ 16 mit Hilfe des Zusatzvolumens 9 variiert werden.In the in 1 shown maximum position for the additional volume 9 For example, the compression ratio ε between 8th and 16 be varied when the additional volume 9 the same size as the compression space volume 6 , In such a case, for example, the compression ratio of 8 ≦ ε ≦ 16 with the aid of the additional volume 9 be varied.

Ist das Zusatzvolumen 9 lediglich 75% des Verdichtungsraumvolumens 6, so kann ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 ≤ ε ≤ 14 erreicht werden. Schließlich ist es auch möglich, ein Zusatzvolumen zu schaffen, das in seiner Größe bis zu der Größe von 50% die Größe des Verdichtungsraumvolumens 6 erreicht. In diesem Fall kann ein Verdichtungsverhältnis ε zwischen 8 ≤ ε ≤ 12 variieren.Is the additional volume 9 only 75% of the compaction volume 6 , so a compression ratio between 8 ≤ ε ≤ 14 can be achieved. Finally, it is also possible to create an additional volume, the size of the compression space volume in size up to the size of 50% 6 reached. In this case, a compression ratio ε can vary between 8 ≦ ε ≦ 12.

Da der Zusatzzylinder 7 ein deutlich kleineres Zylindervolumen aufweist, als der Hubzylinder eines Hubkolben-Verbrennungsmotors kann die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an die Belastung des Motors oder an die Drehzahl des Motors schneller angepasst werden als bei bekannten Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit variabler Verdichtung. Wie bereits oben erwähnt, ist die Klopfgrenze eine obere Grenze für das Verdichtungsverhältnis, zumal das Verdichtungsverhältnis gerade so einzustellen ist, dass die Klopfgrenze noch nicht erreicht wird bzw. eine Selbstzündung des Brennstoffgemisches in Teilbereichen des Verdichtungsraumvolumens noch nicht erfolgt, denn nur die Selbstzündung der Gaspartikel bevor die Flammenfront sie erreicht hat, verursacht eine explosionsartige Verbrennung des Gases und kann dabei den Motor schädigen. Since the additional cylinder 7 has a significantly smaller cylinder volume, as the lifting cylinder of a reciprocating internal combustion engine, the adjustment of the compression ratio to the load of the engine or to the speed of the engine can be adjusted faster than in known reciprocating internal combustion engines with variable compression. As already mentioned above, the knock limit is an upper limit for the compression ratio, especially since the compression ratio is just to be set so that the knock limit is not reached or auto-ignition of the fuel mixture in partial areas of the compression chamber volume is not yet done, because only the self-ignition of the gas particles Before the flame front has reached it causes an explosive combustion of the gas and can damage the engine.

Die in 1 gezeigte Vergrößerung des Verdichtungsraumvolumens 6 um das Zusatzvolumen 9 kann das Auslösen des Klopfzustands verhindern. Dazu kann der hier gezeigte mechanische Aktuator 10 durch Drehen in Pfeilrichtung C den Zusatzkolben 8 auf ein angepasstes Zusatzvolumen 9 für ein optimales Verdichtungsverhältnis einstellen. Dabei kann der in 1 gezeigte mechanische Aktuator 10 durch Drehen um eine Exzenterachse in Pfeilrichtung C jede beliebige Stellung des Zusatzkolbens 8 fixieren. Diese Stellung kann von einem hier nicht gezeigten Steuergerät, das den Betriebszustand des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 erfasst, für ein optimales Verdichtungsverhältnis vorgegeben werden.In the 1 shown enlargement of the compression space volume 6 around the additional volume 9 can prevent the triggering of the knocking condition. For this purpose, the mechanical actuator shown here 10 by turning in the direction of arrow C the additional piston 8th to an adjusted additional volume 9 set for optimum compression ratio. Here, the in 1 shown mechanical actuator 10 by turning about an eccentric axis in the direction of arrow C any position of the auxiliary piston 8th fix. This position can be controlled by a control unit, not shown here, the operating state of the reciprocating internal combustion engine 1 recorded, be specified for an optimal compression ratio.

2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser zweiten Ausführungsform wird anstelle eines mechanischen Aktuators wie in 1 ein Solenoidstab 22 eingesetzt, der über eine Spule 23 den Zusatzhubkolben 8 in eine durch ein Steuergerät 11 definierte Stellung für ein an die Betriebszustände des Motors angepasstes Verdichtungsverhältnis verschieben kann. 2 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine 2 a second embodiment of the invention. In this second embodiment, instead of a mechanical actuator as in 1 a solenoid rod 22 used that over a coil 23 the additional lifting piston 8th in one through a control unit 11 defined position for a adapted to the operating conditions of the engine compression ratio can move.

3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Hubkolben-Verbrennungsmotors 3 einer dritten Ausführungsform, die sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass hydraulisch oder pneumatisch die Stellung des Zusatzkolbens 8 definiert wird. Dazu ist eine Kolbenstange 24 des Zusatzkolbens 8 mit einem Antriebskolben 25 in einem Antriebszylinder 26 verbunden. Der Antriebskolben 25 in dem Antriebszylinder 26 kann hydraulisch oder pneumatisch über Medienleitungen 27, 28 mit einem elektrisch betriebenen Steuerventil 29 verbunden sein, wobei das Steuerventil 29 von dem Steuergerät 11 des Hubkolben-Verbrennungsmotors 3 gesteuert wird. Zur Versorgung des Steuerventils 29 ist in dieser Ausführungsform eine Medien-Druckpumpe 30 eingesetzt, die einen Druckbehälter 31 mit dem notwendigen Mediendruck für das Steuerventil 29 und die Medienleitungen 27 und 28 versorgt. 3 shows a schematic partial view of a reciprocating internal combustion engine 3 a third embodiment, which differs from the preceding embodiments in that hydraulically or pneumatically the position of the auxiliary piston 8th is defined. This is a piston rod 24 of the additional piston 8th with a drive piston 25 in a drive cylinder 26 connected. The drive piston 25 in the drive cylinder 26 can be hydraulically or pneumatically via media lines 27 . 28 with an electrically operated control valve 29 be connected, the control valve 29 from the controller 11 the reciprocating internal combustion engine 3 is controlled. To supply the control valve 29 in this embodiment is a media pressure pump 30 used a pressure vessel 31 with the necessary media pressure for the control valve 29 and the media lines 27 and 28 provided.

4 zeigt eine Prinzipskizze eines Verdichtungsraumvolumens 6 mit einer Stellung des Zusatzkolbens 8 bei einem maximalen Verdichtungsverhältnis dieses Hubkolben-Verbrennungsmotors 1. Wie bereits oben beschrieben, kann dieses maximale Verdichtungsverhältnis durch ein Minimum des Verdichtungsraumvolumens 6 erreicht werden. Dieses maximale Verdichtungsverhältnis ist so eingestellt, dass der Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 bei geringster Last und maximaler Drehzahl die Klopfgrenze bei gemessener Zylinderkopftemperatur nicht überschreitet. 4 shows a schematic diagram of a compression space volume 6 with a position of the additional piston 8th at a maximum compression ratio of this reciprocating internal combustion engine 1 , As already described above, this maximum compression ratio can be determined by a minimum of the compression chamber volume 6 be achieved. This maximum compression ratio is set to the reciprocating internal combustion engine 1 at lowest load and maximum speed the knock limit does not exceed at measured cylinder head temperature.

Erhöht sich bei Betrieb die Zylinderkopftemperatur, so kann durch Verschieben des Zusatzkolbens 8 das Verdichtungsverhältnis verringert werden, um die Klopfgrenze nicht zu überschreiten und, wie 5 zeigt, zu einem niedrigerem Verdichtungsverhältnis übergegangen werden. Erhöht sich nicht nur die Zylinderkopftemperatur bei warmlaufendem Motor, sondern auch die Last durch Anfahren, Beschleunigen oder Bergauffahren so kann, wie in 5 gezeigt, das Zusatzvolumen 9 im Zusatzzylinder 7 durch Verschieben des Zusatzkolbens 8 in Pfeilrichtung F weiter vergrößert werden, um ein niedrigeres und an die Belastung, die Zylindertemperatur und die Drehzahl angepasstes Verdichtungsverhältnis einzustellen.Increases during operation, the cylinder head temperature, so by moving the additional piston 8th the compression ratio can be reduced so as not to exceed the knock limit and how 5 shows to move to a lower compression ratio. Not only does the cylinder head temperature increase with the engine warming up, but also the load by starting, accelerating or driving uphill can, as in 5 shown the additional volume 9 in the additional cylinder 7 by moving the additional piston 8th in the direction of arrow F to set a lower and adjusted to the load, the cylinder temperature and the speed compression ratio.

Neben der Variation des Verdichtungsverhältnisses, wie es die vorhergehenden Figuren zeigen, ermöglicht der Zusatzzylinder 7 mithilfe des Zusatzkolbens 8 auch ein Vergrößern des verbleibenden Abgasrestvolumens 14 im Verdichtungsraumvolumen, indem beim Öffnen des Auslassventils 15 wie es 6 zeigt der Zusatzkolben 8 gleichzeitig in Pfeilrichtung F zur Vergrößerung des Zusatzvolumens 9 gefahren wird, während sich der Hubkolben 5 noch im Bereich des oberen Todpunktes befindet.In addition to the variation of the compression ratio, as shown in the preceding figures, allows the additional cylinder 7 using the auxiliary piston 8th also increasing the residual exhaust gas remaining volume 14 in the compression chamber volume, by opening the exhaust valve 15 like it 6 shows the additional piston 8th simultaneously in the direction of arrow F to increase the additional volume 9 is driven while the reciprocating 5 still in the area of the top dead center.

7 zeigt eine Prinzipskizze des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 in einer Ladephase unter Vergrößern des Ladevolumens 13, indem in dieser Ladephase bei geöffnetem Einlassventil 12 der Zusatzkolben 8 in Pfeilrichtung F verschoben wird. Bei der nachfolgenden Verdichtung kann der Hubkolben 8 auf die vorher festgelegte Stellung eines optimalen Verdichtungsverhältnisses zurückgefahren werden. 7 shows a schematic diagram of the reciprocating internal combustion engine 1 in a loading phase while increasing the loading volume 13 , by in this loading phase with opened inlet valve 12 the additional piston 8th in the direction of arrow F is moved. In the subsequent compression, the reciprocating piston 8th be reduced to the predetermined position of an optimal compression ratio.

Andererseits ist es auch möglich, das Ladevolumen 13 zu verringern, wie es 8 zeigt, wenn in der Ladephase bei geöffnetem Einlassventil 12 der Zusatzkolben 8 aus einer optimalen Stellung für ein optimales Verdichtungsverhältnis in Pfeilrichtung E lediglich für die Ladephase verschoben wird.On the other hand, it is also possible, the loading volume 13 how to reduce it 8th shows when in the loading phase with the inlet valve open 12 the additional piston 8th is moved from an optimal position for an optimum compression ratio in the direction of arrow E only for the loading phase.

Schließlich ist es auch möglich, wie es 9 zeigt, dass im Verdichtungstakt, wenn das Einlassventil 12 bereits wieder geschlossen ist, der Zusatzkolben 8 mindestens eine Halbperiode um ein vorbestimmtes Verdichtungsverhältnis schwingt oder vibriert und dadurch das Brenngas während des Verdichtungsvorgangs stärker durchmischt wird und somit die Ladung in Bewegung gehalten wird, wie es die Pfeilrichtungen E und F für den Zusatzkolben 8 und die Pfeilrichtungen K und L für die Durchmischung der Ladung während des gezeigten Verdichtungstaktes bei geschlossenem Einlassventil 12 in 9 zeigen. Finally, it is also possible, as is 9 shows that in the compression stroke when the inlet valve 12 already closed again, the additional piston 8th vibrates or vibrates for a predetermined compression ratio and at least one half-period is more mixed during the compression process and thus the charge is kept in motion, as the arrow directions E and F for the additional piston 8th and the arrow directions K and L for the mixing of the charge during the compression stroke shown with the inlet valve closed 12 in 9 demonstrate.

Um die den 6 bis 9 gezeigten Verfahrensvarianten durchzuführen zu können weist der Zusatzkolben 8 des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 bis 3 eine geringe Masse und der Aktuator eine entsprechend hochfrequente und präzise Verstellbarkeit auf, so dass Variationen der Stellungen des Zusatzkolbens 8 innerhalb einen Arbeitszyklustaktes wiederholt durchgeführt werden können.To the the 6 to 9 To be able to perform shown process variants, the additional piston 8th the reciprocating internal combustion engine 1 to 3 a low mass and the actuator have a correspondingly high-frequency and precise adjustability, allowing variations of the positions of the auxiliary piston 8th can be repeatedly performed within a working cycle cycle.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Hubkolben-Verbrennungsmotor (1. Ausführungsform)Reciprocating internal combustion engine (1st embodiment)
22: Hubkolben-Verbrennungsmotor (2. Ausführungsform)Reciprocating internal combustion engine (2nd embodiment)
33: Hubkolben-Verbrennungsmotor (3. Ausführungsform)Reciprocating internal combustion engine (3rd embodiment)
44: Zylinderkopfcylinder head
55: Hubkolbenreciprocating
66: VerdichtungsraumvolumenCompression chamber volume
77: Zusatzzylinderadditional cylinder
88th: Zusatzkolbenadditional piston
99: Zusatzvolumenadditional volume
1010: Aktuatoractuator
1111: Steuergerätcontrol unit
1212: Einlassventilintake valve
1313: Ladevolumenloading volume
1414: RestgasvolumenResidual gas volume
1515: Auslassventiloutlet valve
1616: Kurbelwellengehäusecrankcase
1717: Kurbelwellecrankshaft
1818: Pleuelzapfenconnecting rod journals
1919: Pleuelstangeconnecting rod
2020: Kurbelwellenachsecrankshaft axis
2121: Zylindercylinder
2222: Solenoidstabsolenoid rod
2323: SpuleKitchen sink
2424: Kolbenstangepiston rod
2525: Antriebskolbendrive piston
2626: Antriebszylinderdrive cylinder
2727: Medienleitungmedia line
2828: Medienleitungmedia line
2929: Steuerventilcontrol valve
3030: MediendruckpumpeMedia pressure pump
3131: Druckbehälterpressure vessel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007017153 A1 [0002]

Claims

Reciprocating internal combustion engine with variable compression comprising: - at least one cylinder head ( 4 ); At least one reciprocating piston ( 5 ); A constant compression volume ( 6 ) in the cylinder head ( 4 ) per working cycle of the reciprocating piston ( 5 ), wherein the cylinder head ( 4 ) an additional cylinder ( 7 ) with an additional piston ( 8th ), which is formed, the compression space volume ( 6 ) by an additional volume ( 9 ) to vary.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 1, wherein a maximum additional volume ( 9 ) of the additional cylinder ( 7 ) a size up to the size of the compression space volume ( 6 ) and the auxiliary piston ( 8th ) the compression ratio ε varies between 8 ≦ ε ≦ 16.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 2, wherein the maximum additional volume ( 9 ) of the additional cylinder ( 7 ) is up to 75% of the size of the compaction volume ( 6 ) and the auxiliary piston ( 8th ) the compression ratio ε varies between 8 ≦ ε ≦ 14.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 2 or claim 3, wherein the maximum additional volume ( 9 ) of the additional cylinder ( 7 ) a size of up to 50% of the size of the compaction volume ( 6 ) and the auxiliary piston ( 8th ) the compression ratio ε varies between 8 ≦ ε ≦ 12.

Reciprocating internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, wherein an actuator ( 10 ) with the additional piston ( 8th ) kinematically and with a control device ( 11 ) is electrically connected.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 5, wherein the actuator ( 10 ) is formed, in cooperation with the control unit ( 11 ) to reduce the compression ratio ε at increased load operation or at reduced engine speed.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 5 or claim 6, wherein the actuator ( 10 ) is formed, the auxiliary piston ( 8th ) in cooperation with the control unit ( 11 ) in an opened state of an intake valve ( 12 ) with at least one half period to vibrate a predetermined compression ratio ε.

Reciprocating internal combustion engine according to claim 7, wherein the actuator ( 10 ) is formed, the auxiliary piston ( 8th ) in cooperation with the control unit ( 11 ) in an opened state of the inlet valve ( 12 ) to vibrate a predetermined compression ratio ε.

Reciprocating internal combustion engine according to one of claims 5 to 8, wherein the actuator ( 10 ) is formed by the additional piston ( 8th ) in a loading phase of a work cycle a loading volume ( 13 ) or in a discharge phase of a work cycle a remaining residual gas volume ( 14 ) to enlarge.

Method for operating a reciprocating internal combustion engine ( 1 . 2 . 3 ) with variable compression according to one of the preceding claims, wherein the method comprises the step of: increasing the compression ratio ε under reduced load operation.

The method of claim 10, wherein the method comprises the step of: Increasing the compression ratio ε when operating at increased speed.

A method according to claim 10 or claim 11, wherein the method comprises the step of: oscillating the auxiliary piston ( 8th ) in an opened state of an intake valve ( 12 ) with at least one half period around a predetermined compression ratio ε.

Method according to one of claims 10 to 12, wherein the method comprises the Verfahrensschrat: vibrating the auxiliary piston ( 8th ) in an opened state of an intake valve ( 12 ) by a predetermined compression ratio ε.

The method of any one of claims 10 to 13, wherein the method comprises the step of: increasing a loading volume ( 13 ) by the additional piston ( 8th ) in a loading phase of a work cycle.

Method according to one of claims 10 to 14, wherein the method comprises the step of: increasing the remaining volume of residual gas ( 14 ) by the additional piston ( 8th ) in an exhaust phase of a work cycle.