DE102018132778A1 - Internal combustion engine - Google Patents
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- F02D15/00—Varying compression ratio
- F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit variablem Verdichtungsverhältnis mit zumindest einem Zylinder, insbesondere genau einem Zylinder, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Zylinderblock (B), einen Zylinderkopf (K), ein mit dem Zylinderkopf (K) fest verbundenes Führungselement sowie zumindest eine Hebevorrichtung (2) aufweist, wobei die zumindest eine Hebevorrichtung (2) zwischen Zylinderkopf (K) und Zylinderblock (B) angeordnet ist, um den Abstand zwischen Zylinderkopf (K) und Zylinderblock (B) zu verändern. Die Erfindung betrifft außerdem ein dazugehöriges Verfahren. Aufgabe der Erfindung ist es eine robuste Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, deren Verluste reduziert sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hebevorrichtung (2) um eine Zylinderkopfschraube (15) angeordnet ist. The invention relates to an internal combustion engine (1) with a variable compression ratio with at least one cylinder, in particular exactly one cylinder, the internal combustion engine (1) a cylinder block (B), a cylinder head (K), a guide element fixedly connected to the cylinder head (K) and at least one lifting device (2), wherein the at least one lifting device (2) between the cylinder head (K) and cylinder block (B) is arranged to change the distance between the cylinder head (K) and cylinder block (B). The invention also relates to an associated method. The object of the invention is to provide a robust internal combustion engine with a variable compression ratio, the losses are reduced. This object is achieved in that the lifting device (2) is arranged around a cylinder head screw (15).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis mit zumindest einem Zylinder, insbesondere genau einem Zylinder, wobei die Brennkraftmaschine einen Zylinderblock, einen Zylinderkopf, ein mit dem Zylinderkopf fest verbundenes Führungselement sowie zumindest eine Hebevorrichtung aufweist, wobei die zumindest eine Hebevorrichtung zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock angeordnet ist, um den Abstand zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock zu verändern.The invention relates to an internal combustion engine having a variable compression ratio with at least one cylinder, in particular exactly one cylinder, wherein the internal combustion engine has a cylinder block, a cylinder head, a guide element fixedly connected to the cylinder head and at least one lifting device, wherein the at least one lifting device arranged between the cylinder head and cylinder block is to change the distance between the cylinder head and cylinder block.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock.In addition, the invention relates to a method for realizing a variable compression ratio of an internal combustion engine having a cylinder head and a cylinder block.
Das Verdichtungsverhältnis ist dabei definiert als das Verhältnis aus dem Hubraum mit dem Restvolumen zum Restvolumen (Kompressionsvolumen) eines Zylinders.The compression ratio is defined as the ratio of the displacement with the residual volume to the residual volume (compression volume) of a cylinder.
Ein festes Verdichtungsverhältnis ist nicht für alle Betriebszustände optimal. Für den Start und den Teillastbereich ist beispielsweise ein hohes Verdichtungsverhältnis vorteilhaft, bei Volllast sollte das Verdichtungsverhältnis niedrig sein, um die mechanische Belastung für die Bauteile zu begrenzen. Ein variables Verdichtungsverhältnis bringt Vorteile im Verbrauch eines Motors sowie die Möglichkeit der Abgasemissionsoptimierung.A fixed compression ratio is not optimal for all operating conditions. For example, a high compression ratio is advantageous for the start and the partial load range, at full load the compression ratio should be low in order to limit the mechanical load on the components. A variable compression ratio brings advantages in the consumption of an engine as well as the possibility of exhaust emission optimization.
Zu Forschungszwecken werden verschiedenste Motoren eingesetzt und zur Untersuchung von Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis gibt es unterschiedliche Ideen zur Realisierung. In einer Variante wird die Kurbeltriebgeometrie variabel gestaltet, was allerdings mit großen Reibungsverlusten verbunden ist.For research purposes, a variety of engines are used and for the investigation of engines with variable compression ratio, there are different ideas for the realization. In one variant, the crank drive geometry is variable, but this is associated with large friction losses.
Eine weitere Möglichkeit stellt ein zweiteiliger Zylinderkopf dar, wobei das Volumen der Brennkammer durch ein Verschieben der beiden Zylinderkopfteile zueinander verändert wird. Diese Möglichkeit wird beispielsweise in der
Im Stand der Technik sind zahlreiche weitere Ansätze für die Umsetzung eines variablen Verdichtungsverhältnisses bekannt, wie zum Beispiel das Kippen des Zylinderblocks relativ zum Zylinderkopf oder die Veränderung der Länge der Pleuelstange. Diese Lösungen sind aber oft nicht ausreichend hoch belastbar, hohe Zünddrücke - wie sie zunehmend bei Hochleistungsmotoren auftreten können - sind nur eingeschränkt oder gar nicht möglich oder die Lösungen weisen Nachteile im Reibungsverhalten des Motors auf.Numerous other approaches to the implementation of a variable compression ratio are known in the art, such as tilting the cylinder block relative to the cylinder head or changing the length of the connecting rod. However, these solutions are often not sufficiently high load, high ignition pressures - as they can increasingly occur in high-performance engines - are limited or not possible or the solutions have disadvantages in the friction behavior of the engine.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es diese Nachteile zu verhindern und eine robuste Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen.The object of the present invention is to prevent these disadvantages and to provide a robust internal combustion engine with a variable compression ratio.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs erwähnte Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hebevorrichtung um eine Zylinderkopfschraube angeordnet ist. Dadurch entsteht eine möglichst einfache Konstruktion.This object is achieved by an internal combustion engine mentioned above, the invention that the lifting device is arranged around a cylinder head bolt. This creates the simplest possible construction.
Weiters wird diese Aufgabe mit dem oben genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Schraubenlänge der Zylinderkopfschraube mit einer Messvorrichtung zur Messung der Schraubenlänge gemessen wird und somit die Dehnung der Zylinderkopfschraube bestimmt wird. Dadurch kann auf einfache Weise die Dehnung überwacht werden.Furthermore, this object is achieved with the above method in that the screw length of the cylinder head bolt is measured with a measuring device for measuring the screw length and thus the elongation of the cylinder head bolt is determined. As a result, the strain can be monitored in a simple manner.
Es ist günstig, wenn der Kolben innerhalb des Führungselementes hin- und herbewegbar angeordnet ist und/oder wenn das Führungselement eine Laufbuchse ist, die im Wesentlichen als Zylindermantelschale ausgebildet ist. Dadurch kann die Dichtheit des Systems hinsichtlich von Austritten von Betriebsmitteln aus dem Zylinder sehr leicht garantiert werden.It is favorable if the piston is arranged to be movable back and forth within the guide element and / or if the guide element is a bushing, which is designed essentially as a cylinder jacket shell. This makes it very easy to guarantee the tightness of the system in terms of discharging resources from the cylinder.
Um ein möglichst günstiges Reibungsverhalten zu erreichen, ist in einer günstigen Ausführungsform vorgesehen, dass das Führungselement an einer Außenseite eine Führungsfläche aufweist, wobei das Führungselement entlang einer Gleitfläche des Zylinderblocks innerhalb des Zylinderblocks verschiebbar angeordnet ist.In order to achieve the best possible friction behavior, it is provided in a favorable embodiment that the guide element has on an outer side a guide surface, wherein the guide element is slidably disposed along a sliding surface of the cylinder block within the cylinder block.
Bei einer Bewegung vom Zylinderkopf relativ zum Zylinderblock ist der Bewegungsraum bei einem am Zylinderblock fixierten Zylinderkopf gering, da der Bewegungsspielraum von der Dehnbarkeit der Zylinderkopfschrauben abhängt. Es ist daher günstig, wenn je eine Zylinderkopfschraube eine Schraubenspannvorrichtung aufweist, da über diese Schraubenspannvorrichtung ein Lösen und Spannen der Zylinderkopfschraube möglich ist.In a movement of the cylinder head relative to the cylinder block, the movement space is low in a cylinder head fixed to the cylinder head, since the range of motion depends on the extensibility of the cylinder head bolts. It is therefore advantageous if ever a cylinder head screw has a screw tensioning device, as this screw tensioning device loosening and tensioning the cylinder head bolt is possible.
Es ist besonders günstig, wenn die Zylinderkopfschraube innerhalb einer inneren Mantelfläche der Hebevorrichtung verschiebbar angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders genaue Führung des Zylinderkopfes hinsichtlich der Relativbewegung zum Zylinderblock möglich. It is particularly advantageous if the cylinder head screw is slidably disposed within an inner circumferential surface of the lifting device. As a result, a particularly accurate guidance of the cylinder head with respect to the relative movement to the cylinder block is possible.
Um die Dehnung zu überwachen ist es vorteilhaft, wenn die Zylinderkopfschraube mit einer Messvorrichtung zur Messung der Schraubenlänge verbunden ist und somit die Dehnung der Zylinderkopfschraube bestimmt werden kann.In order to monitor the elongation, it is advantageous if the cylinder head screw is connected to a measuring device for measuring the screw length and thus the elongation of the cylinder head screw can be determined.
Dies ist besonders einfach möglich, wenn die Hebevorrichtung über eine zentrale Motorsteuerung gesteuert wird und/oder wenn die zentrale Motorsteuerung die Schraubenlänge sowie die Spannungsgrenzwerte überwacht und Schraubenspannvorrichtung und Hebevorrichtung in Abhängigkeit dieser Werte steuert.This is particularly easily possible if the lifting device is controlled by a central motor control and / or if the central motor control monitors the screw length and the voltage limits and controls the screw tensioning device and lifting device in dependence on these values.
Eine robuste und einfache Brennkraftmaschine ergibt sich, wenn die Hebevorrichtung eine hydraulische Hebevorrichtung ist. Mit einer möglichst geringen Anzahl von Bauteilen lässt sich die Hebevorrichtung realisieren, wenn diese als doppelt wirkender Hydraulikzylinder ausgeführt ist.A robust and simple internal combustion engine results when the lifting device is a hydraulic lifting device. With a minimum number of components, the lifting device can be realized if this is designed as a double-acting hydraulic cylinder.
Um die Ventilbetätigung leicht zu ermöglichen, ist es günstig, wenn eine Stoßstange von einer Nockenwelle zu einem Kipphebel ein Längenausgleichselement aufweist.In order to easily enable the valve actuation, it is advantageous if a bumper from a camshaft to a rocker arm has a length compensation element.
In einer günstigen Anordnung für einen Versuchsmotor ist ein Zylinder vorgesehen, wobei vier Zylinderkopfschrauben Zylinderkopf und -block miteinander verbinden und jeder Zylinderkopfschraube eine Schraubenspannvorrichtung und eine Hebevorrichtung zugeordnet sind. Ein-Zylinder-Motoren haben den Vorteil, dass die zu entwickelnden Komponenten nur für einen Zylinder bestückt werden müssen, was einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber der Entwicklungsarbeit auf einem Mehrzylindermotor mit beispielsweise 16 Zylindern darstellt.In a favorable arrangement for a test engine, a cylinder is provided with four cylinder head bolts connecting the cylinder head and block together and each cylinder head bolt associated with a bolt tensioning device and a lifting device. Single-cylinder engines have the advantage that the components to be developed only need to be equipped for one cylinder, which represents a considerable cost advantage over the development work on a multi-cylinder engine with, for example, 16 cylinders.
Um ein Bauteilversagen der Zylinderkopfschrauben zu verhindern, ist es günstig, wenn eine Zylinderkopfmutter durch eine Schraubenspannvorrichtung nach dem Verschiebevorgang gelockert wird und danach die Spannung in der Zylinderkopfschraube mit der Schraubenspannvorrichtung angepasst wird, so dass ein Spannungsgrenzwert nicht erreicht wird.In order to prevent a component failure of the cylinder head bolts, it is favorable if a cylinder head nut is loosened by a bolt tensioning device after the sliding operation and then the tension in the cylinder head bolt is adjusted with the bolt tensioning device, so that a voltage limit is not reached.
Um Verluste möglichst gering zu halten und die Brennkraftmaschine in Teillastbereichen schnell in einen Bereich eines besseren Wirkungsgrades zu bringen, ist es vorteilhaft, wenn die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.In order to keep losses as low as possible and to bring the internal combustion engine in partial load ranges quickly in a range of better efficiency, it is advantageous if the change in the compression ratio during operation of the internal combustion engine is performed.
Die Erfindung wird in der Folge anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; -
2 eine Detailansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und -
3 eine Detailansicht analog zu2 einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
-
1 a side view of an internal combustion engine according to the invention; -
2 a detailed view of a first embodiment of an internal combustion engine according to the invention; and -
3 a detailed view analogous to2 a second embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
In
Mit dem Zylinderkopf
Die Laufbuchse
Die Brennkraftmaschine
Ein Rädertrieb
Am Zylinderkopf
Über dem Zylinderkopf
Die Zylinderkopfschraube
Die Hebevorrichtung
Die Kolbenflächen
Die Hebevorrichtung
Die Hebevorrichtung
Die Druckkammern
Mit Füllung der dritten Druckkammer
Während die erfindungsgemäße Vorrichtung nur im Zusammenhang mit einer Zylinderkopfschraube
Die Schraubenlänge der Zylinderkopfschrauben
In
Die Brennkraftmaschine
Wird der Zylinderkopf
Durch das Heben und Absenken des Zylinderkopfes
Der Hub der Nockwelle
Durch die spezielle Ausführung der Brennkraftmaschine
Einzelzylinderköpfe wie bei dem gezeigten Ein-Zylindermotor sind für Großmotoren üblich. Unter Großmotor verstehen sich hier Motoren, bei denen die Zylinderbohrung einen Durchmesser von 150 mm übersteigt.Single cylinder heads as in the single-cylinder engine shown are common for large engines. Under large engine here are understood engines in which the cylinder bore exceeds a diameter of 150 mm.
Bei der vorliegenden Lösung ist der gesamte Zylinderkopf
Bei der Montage des Zylinderkopfes
Die Zylinderkopfschraube
Zum Lösen der Zylinderkopfmutter
Um beim Betätigen der Hebevorrichtung
Es sind alternative Ausführungen mit mehreren Zylindern und dementsprechend mehreren Zylinderkopfschrauben
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015211019 A1 [0006]DE 102015211019 A1 [0006]
- DE 102006018946 A1 [0008]DE 102006018946 A1 [0008]
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- EP 2871347 A1 [0008]EP 2871347 A1 [0008]
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