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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis, und insbesondere eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis zur Steuerung der Variation des Kompressionsverhältnisses eines Verbrennungsmotors.
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Im Allgemeinen wird der thermische Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen erhöht, wenn das Kompressionsverhältnis hoch ist. Im Falle eines Ottomotors wird dessen thermischer Wirkungsgrad erhöht, wenn der Zündzeitpunkt auf ein bestimmtes Niveau vorgerückt wird. Jedoch kann, wenn der Zündzeitpunkt eines Ottomotors auf ein hohes Kompressionsverhältnis vorgerückt wird, eine abnormale Verbrennung auftreten, wodurch der Motor beschädigt wird. Daher gibt es eine Begrenzung in dem Maß, in dem der Zündzeitpunkt vorgerückt werden kann, und die entsprechende Herabsetzung der Leistung müsste toleriert werden.
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Eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis (VCR) dient dazu, das Kompressionsverhältnis des Gasgemisches in Abhängigkeit von dem Betriebszustand eines Motors zu verändern. Die Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis verbessert die Kraftstoffeffizienz durch Erhöhen des Kompressionsverhältnisses des Gasgemisches, wenn die Belastung des Motors gering ist. Ferner verhindert die Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis das Auftreten des Klopfens und verbessert die Motorleistung durch Reduzieren des Kompressionsverhältnisses des Gasgemisches, wenn die Belastung der Motors hoch ist.
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Eine herkömmliche Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis verändert das Kompressionsverhältnis durch Ändern der Länge einer Pleuelstange, welche einen Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, Jedoch wird, da die Verbindungsstruktur zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle mehrere Verbindungsglieder aufweist, die Struktur der Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis kompliziert, die Trägheitsmasse wird erhöht, und das Volumen der Einheit wird vergrößert.
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Die
DE 37 14 762 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis, aufweisend einen Plunger, welcher derart konfiguriert ist, dass er sich in Reaktion auf die Drehung einer Kurbelwelle aufwärts und abwärts bewegt, einen Kolben, der eine darin ausgebildete Kammer aufweist, in welche der Plunger eingesetzt ist, und welcher derart konfiguriert ist, dass er sich mit dem Plunger aufwärts und abwärts bewegt, wobei die Kammer eine obere Kammer, die über dem Plunger ausgebildet ist, und eine untere Kammer aufweist, die unter dem Plunger ausgebildet ist, ein Schieberventil, das derart konfiguriert ist, dass es der oberen Kammer oder der unteren Kammer wahlweise Öl zuführt, und eine Steuereinrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Schieberventil derart steuert, dass sich der Kolben in Bezug auf den Plunger aufwärts und abwärts bewegt, wobei der Plunger einen Plungerkopf aufweist, der in die Kammer derart eingesetzt ist, dass er sich in der Kammer aufwärts und abwärts bewegt.
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Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis geschaffen, welche die Variation des Kompressionsverhältnisses eines Verbrennungsmotors durch Einstellen der Höhe eines Kolbens mittels Hydraulikdruck ohne Verwendung eines Verbindungsmechanismus steuern kann.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis vorgesehen, aufweisend einen Plunger, welcher derart konfiguriert ist, dass er sich in Reaktion auf die Drehung einer Kurbelwelle aufwärts und abwärts bewegt, einen Kolben, der eine darin ausgebildete Kammer aufweist, in welche der Plunger eingesetzt ist, und welcher derart konfiguriert ist, dass er sich mit dem Plunger aufwärts und abwärts bewegt, wobei die Kammer eine obere Kammer, die über dem Plunger ausgebildet ist, und eine untere Kammer aufweist, die unter dem Plunger ausgebildet ist, ein Schieberventil, das derart konfiguriert ist, dass es der oberen Kammer oder der unteren Kammer wahlweise Öl zuführt, und eine Steuereinrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie das Schieberventil derart steuert, dass sich der Kolben in Bezug auf den Plunger aufwärts und abwärts bewegt.
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Das Schieberventil kann eine erste Öffnung, die über eine erste Ölleitung mit der oberen Kammer verbunden ist, eine zweite Öffnung, die über eine zweite Ölleitung mit der unteren Kammer verbunden ist, und eine Zuführöffnung aufweisen, die mit einer Ölpumpe verbunden ist.
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Die Steuereinrichtung kann das Schieberventil derart steuern, dass die Zuführöffnung mit der ersten Öffnung in Verbindung steht, um den Kolben aufwärts zu bewegen.
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Die Steuereinrichtung kann das Schieberventil derart steuern, dass die Zuführöffnung mit der zweiten Öffnung in Verbindung steht, um den Kolben abwärts zu bewegen.
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Der Plunger weist einen Plungerkopf auf, der in die Kammer eingesetzt ist, um sich in der Kammer aufwärts und abwärts zu bewegen, wobei der Plungerkopf eine Breite, die gleich einer Breite der Kammer ist, und eine Höhe haben kann, die geringer als eine Höhe der Kammer ist.
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Die Kammer weist Kollisionsverhinderungsvorsprünge auf, die entlang den Umfängen einer Oberseite und einer Unterseite der Kammer nach innen vorstehen, und der Plungerkopf weist Kollisionsverhinderungsausnehmungen auf, die entlang den Umfängen einer Oberseite und einer Unterseite des Plungerkopfes ausgebildet sind und eine Form haben, die mit einer Form der Kollisionsverhinderungsvorsprünge korrespondiert.
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Die Steuereinrichtung kann das Schieberventil mittels eines Ölsteuerventils steuern.
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Die Steuereinrichtung kann das Schieberventil mittels eines Solenoidventils steuern.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Ansicht einer Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs eines Schieberventils, wenn ein Kolben derart gesteuert wird, dass er sich aufwärts bewegt; und
- 3 eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs des Schieberventils, wenn der Kolben derart gesteuert wird, dass er sich abwärts bewegt.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Mit Bezug auf 1 weist eine Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen Plunger 100, welcher derart konfiguriert ist, dass er sich in Reaktion auf die Drehung einer Kurbelwelle aufwärts und abwärts bewegt, einen Kolben 200, der eine darin ausgebildete Kammer 210 aufweist, in welche der Plunger 100 eingesetzt ist, und welcher derart konfiguriert ist, dass er sich mit dem Plunger 100 aufwärts und abwärts bewegt, ein Schieberventil 300, das derart konfiguriert ist, dass es einer oberen Kammer 213 der Kammer 210 oder einer unteren Kammer 215 der Kammer 210 wahlweise Öl zuführt, und eine Steuereinrichtung 400 auf, die derart konfiguriert ist, dass sie das Schieberventil 300 derart steuert, dass sich der Kolben 200 in Bezug auf den Plunger 100 aufwärts und abwärts bewegen kann.
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Das eine Ende des Plungers 100 ist in den Kolben 200 eingesetzt, und das andere Ende des Plungers 100 ist mit einer Pleuelstange verbunden und bewegt sich daher in Reaktion auf die Drehung der Kurbelwelle aufwärts und abwärts. Der Kolben 200 erfährt eine lineare Hin- und Herbewegung in dem Zylinder, indem er sich mit dem darin eingesetzten Plunger 100 aufwärts und abwärts bewegt.
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Ferner kann sich, da der Plunger 100 in die in dem Kolben 200 ausgebildete Kammer 210 eingesetzt ist, der Kolben 200 getrennt von dem in die Kammer 210 eingesetzten Plunger 100 aufwärts und abwärts bewegt, wodurch die Höhe des Kolbens 200 variiert wird.
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Im Detail weist der Plunger 100 einen Plungerkopf 110 auf, der in die Kammer 210 eingesetzt ist. Die obere Kammer 213 ist über dem Plungerkopf 110 ausgebildet, und die untere Kammer 215 ist unter dem Plungerkopf 110 ausgebildet. Wenn der oberen Kammer 213, die über dem Plungerkopf 110 ausgebildet ist, mittels des Schieberventils 300 Öl zugeführt wird, bewegt sich der Kolben 200 aufwärts. Umgekehrt, wenn der unteren Kammer 215, die unter dem Plungerkopf 110 ausgebildet ist, mittels des Schieberventils 300 Öl zugeführt wird, bewegt sich der Kolben 200 abwärts. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung 400 die Höhe des Kolbens 200 durch Steuerung des Betriebs des Schieberventils 300 variieren.
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Wie oben beschrieben, wird, wenn sich der Kolben 200 aufwärts bewegt, die Höhe des Kolbens 200 erhöht, und das Motorkompressionsverhältnis wird erhöht. Wenn sich der Kolben 200 abwärts bewegt, wird die Höhe des Kolbens 200 verringert, und das Motorkompressionsverhältnis wird verringert. Als solches kann das Motorkompressionsverhältnis durch Einstellen der Höhe des Kolbens 200 in Abhängigkeit von der Fahrumgebung und den Fahrbedingungen variiert werden, wodurch die Kraftstoffeffizienz und die Motorleistung verbessert werden.
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Das Schieberventil 300 kann eine erste Öffnung 310, die über eine erste Ölleitung 315 mit der oberen Kammer 213 verbunden ist, eine zweite Öffnung 320, die über eine zweite Ölleitung 325 mit der unteren Kammer 215 verbunden ist, und eine Zuführöffnung 330 aufweisen, die mit einer Ölpumpe 500 verbunden ist.
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Die Ölpumpe 500 ist derart konfiguriert, dass sie Öl von einer Ölwanne über das Schieberventil 300 in die Kammer 210 zuführt. Das Öl kann der oberen Kammer 213 oder der unteren Kammer 215 wahlweise zugeführt werden, indem das Schieberventil 300 derart gesteuert wird, dass die Zuführöffnung 330 mit der ersten Öffnung 310 oder der zweiten Öffnung 320 in Verbindung steht.
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Zum Beispiel steuert, um den Kolben 200 aufwärts zu bewegen, die Steuereinrichtung 400 das Schiebeventil 300 derart, dass die Zuführöffnung 330 mit der ersten Öffnung 310 in Verbindung steht.
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Mit Bezug auf 2 wird der Betrieb des Schieberventils 300 beschrieben, wenn der Kolben 200 derart gesteuert wird, dass er sich aufwärts bewegt. Wenn das Schieberventil 300 derart gesteuert wird, dass die Zuführöffnung 330 und die erste Öffnung 310 miteinander in Verbindung stehen, wird der oberen Kammer 213 mittels der Ölpumpe 500 Öl zugeführt, und das in der unteren Kammer 215 verbleibende Öl wird über die zweite Öffnung 320 an die Ölwanne abgeführt. Dementsprechend bewegt sich, während die obere Kammer 213 mit dem Öl gefüllt wird, der Kolben 200 in Bezug auf den Plunger 100 aufwärts, und daher wird die Höhe des Kolbens 200 erhöht.
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Umgekehrt, um den Kolben 200 abwärts zu bewegen, steuert die Steuereinrichtung 400 das Schieberventil 300 derart, dass die Zuführöffnung 330 mit der zweiten Öffnung 320 in Verbindung steht.
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Mit Bezug auf 3 wird der Betrieb des Schieberventils 300 beschrieben, wenn der Kolben 200 derart gesteuert wird, dass er sich abwärts bewegt. Wenn das Schieberventil 300 derart gesteuert wird, dass die Zuführöffnung 330 und die zweite Öffnung 320 miteinander in Verbindung stehen, wird der unteren Kammer 215 mittels der Ölpumpe 500 Öl zugeführt, und das in der oberen Kammer 213 verbleibende Öl wird über die erste Öffnung 310 an die Ölwanne abgeführt. Dementsprechend bewegt sich, während die untere Kammer 215 mit dem Öl gefüllt wird, der Kolben 200 in Bezug auf den Plunger 100 abwärts, und daher wird die Höhe des Kolbens 200 verringert.
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Als solches steuert die Steuereinrichtung 400 den Betrieb des Schieberventils 300 derart, dass die Höhe des Kolbens 200 geändert wird, wodurch das Motorkompressionsverhältnis variiert.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist das Schieberventil 300 außer der ersten Öffnung 310, der zweiten Öffnung 320 und der Zuführöffnung 330 zwei zusätzliche Öffnungen auf. Diese zusätzlichen Öffnungen dienen zum Abführen des Öls, welches von der Kammer 210 über die erste Öffnung 310 oder die zweite Öffnung 320 abgeführt wurde, an die Ölwanne.
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Das Verfahren zur Steuerung des Schieberventils 300 ist wie folgt. In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 400 das Schieberventil 300 mittels eines Ölsteuerventils (OCV) steuern. Das OCV kann zwischen dem einen Ende des Schieberventils 300 und der Ölpumpe 500 angeordnet sein. Wenn das OCV von der Steuereinrichtung 400 geöffnet wird, wird dem einen Ende des Schieberventils 300 Öl zugeführt, und ein Schieber wird durch Hydraulikdruck zu dem anderen Ende des Schieberventils 300 bewegt. Umgekehrt, wenn das OCV von der Steuereinrichtung 400 geschlossen wird, wird der Schieber durch die Rückstellkraft einer Feder zu dem einen Ende des Schieberventils 300 zurück bewegt. Das Öffnen/Schließen des Schieberventils 300 kann wie oben beschrieben gesteuert werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 400 das Schieberventil 300 mittels eines Solenoidventils steuern. Das Solenoidventil kann zwischen dem einen Ende des Schieberventils 300 und der Ölpumpe 500 angeordnet sein. Wenn das Solenoidventil ein elektrisches Signal von der Steuereinrichtung 400 empfängt, wird das Ventil geöffnet, um dem einen Ende des Schieberventils 300 Öl zuzuführen, und der Schieber wird zu dem anderen Ende des Schieberventils 300 bewegt. Umgekehrt, wenn die Steuereinrichtung 400 kein elektrisches Signal überträgt, wird die Zufuhr von Öl zu dem einen Ende des Schieberventils 300 gestoppt, und der Schieber wird durch die Rückstellkraft einer Feder zu dem einen Ende des Schieberventils 300 zurück bewegt.
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Der Plunger 100 weist den Plungerkopf 110 auf, der in die Kammer 210 derart eingesetzt ist, dass er sich in der Kammer 210 aufwärts und abwärts bewegt. Der Plungerkopf 110 kann eine Breite, die gleich der Breite der Kammer 210 ist, und eine Höhe haben, die geringer als die Höhe der Kammer 210 ist.
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Da die Breite des Plungerkopfes 110 gleich der Breite der Kammer 210 ist, bewegt sich der Kolben 200 genau entlang dem Plungerkopf 110 aufwärts und abwärts, ohne sich nach links und nach rechts zu bewegen, wodurch eine Schrägstellung des Kolbens 200 verhindert wird.
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Wie oben beschrieben, kann, da die Kammer 210 durch den Plungerkopf 110 in die obere Kammer 213 und die untere Kammer 215 geteilt ist, denen wahlweise Öl zugeführt wird, eine Variation in der Höhe des Kolbens 200 erzielt werden.
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Die Kammer 210 kann Kollisionsverhinderungsvorsprünge 217 aufweisen, die entlang den Umfängen der Oberseite und der Unterseite der Kammer 210 nach innen vorstehen. Der Plungerkopf 110 kann Kollisionsverhinderungsausnehmungen 113 aufweisen, die entlang den Umfängen der Oberseite und der Unterseite des Plungerkopfes 110 ausgebildet sind und eine Form haben, die mit der Form der Kollisionsverhinderungsvorsprünge 217 korrespondiert.
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Zum Beispiel kann, wenn der Kolben 200 von der Steuereinrichtung 400 derart gesteuert wird, dass er sich abwärts bewegt, das Risiko einer Kollision zwischen der Oberseite des Plungerkopfes 110 und der Oberseite der Kammer 210 auftreten. Zu diesem Zeitpunkt wird, während sich der Kolben 200 abwärts bewegt, zwischen dem Kollisionsverhinderungsvorsprung 217 an der Oberseite der Kammer 210 und der Kollisionsverhinderungsausnehmung 113 an der Oberseite des Plungerkopfes 110 ein Raum gebildet, in welchem Öl eingeschlossen ist. Der schraffierte Abschnitt in 3 stellt den Raum dar, in welchem Öl eingeschlossen ist. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Kolben 200 abwärts bewegt, wird durch den Widerstand reduziert, der erzeugt wird, wenn das Öl aus dem Raum abgeführt wird, wodurch eine Kollision zwischen dem Plungerkopf 110 und der Kammer 210 verhindert wird.
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Umgekehrt, wenn sich der Kolben 200 aufwärts bewegt, wird, wie durch den schraffierten Abschnitt in 2 dargestellt ist, zwischen dem Kollisionsverhinderungsvorsprung 217 an der Unterseite der Kammer 210 und der Kollisionsverhinderungsausnehmung 113 an der Unterseite des Plungerkopfes 110 ein Raum gebildet, in welchem Öl eingeschlossen ist. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Kolben 200 aufwärts bewegt, wird durch den Widerstand reduziert, der erzeugt wird, wenn das Öl aus dem Raum abgeführt wird, wodurch eine Kollision zwischen dem Plungerkopf 110 und der Kammer 210 verhindert wird.
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Daher können ein erhöhtes Geräusch und eine verringerte Haltbarkeit, die der Kollision zwischen dem Plunger 100 und dem Kolben 200 zurechenbar sind, verhindert werden.
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Außerdem kann, wie in den 1 bis 3 gezeigt, zwischen der Ölpumpe 500 und dem Schieberventil 300 ein Rückschlagventil vorgesehen sein, um zu verhindern, dass das Öl zu der Ölpumpe 500 zurück strömt. Ebenso kann zwischen dem Rückschlagventil und dem einen Ende des Schieberventils 300 ein Ventil, welches als ein OCV oder ein Solenoidventil ausgeführt ist, vorgesehen sein und von der Steuereinrichtung 400 gesteuert werden.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, kann die Vorrichtung mit variablem Kompressionsverhältnis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Variation des Motorkompressionsverhältnisses durch Einstellen der Höhe des Kolbens ohne Verwendung eines Verbindungsmechanismus steuern, wodurch eine Erhöhung des Volumens und des Gewichts der Einheit minimiert wird.
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Ferner können die Kraftstoffeffizienz, die Leistung und das Drehmoment eines Verbrennungsmotors durch Variation des Motorkompressionsverhältnisses verbessert werden.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung und genauen Definition der beigefügten Ansprüche werden die Begriffe „oben“, „unten“, „innen“ und „außen“ verwendet, um die Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen in Bezug auf die Positionen dieser Merkmalen in den Figuren zu beschreiben.
