DE102018210265B4 - Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben - Google Patents

Abstract

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden (2) mit einer Mulde (3) aufweist, wobei der Kolben (1)- zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum (10) eines zugehörigen Zylinders mit ausbildet,- unter Verwendung eines Kolbenbolzens (4) mit einem Ende (5a) einer Pleuelstange (5) gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (5) zur Koppelung des Kolbens (1) mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,- bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse (6) oszilliert,- modular aus mindestens zwei Segmenten (1a, 1b) aufgebaut ist, wobei ein die Mulde (3) umfassendes erstes Kolbensegment (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) - zwischen einem unteren Anschlag (7a) und einem oberen Anschlag (7b) - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment (1b) gelagert ist, und- mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung (8) zum Verschieben des ersten Kolbensegments (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) ausgestattet ist,dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstelleinrichtung (8)- eine erste Kammer (8a) umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem unteren Anschlag (7a) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via eine Zuführleitung (9a) mit Öl beaufschlagbar ist, und- eine zweite Kammer (8b) umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem oberen Anschlag (7b) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via einer Rückführleitung (9b) mit einem Ölkreislauf (9) zumindest verbindbar ist, und- der Kolben mit einer Ölkühlung (14) ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal (14a) umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment (1b) erstreckt und das erste Kolbensegment (1a) umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung (9b) in den mindestens einen Kühlkanal (14a) der Ölkühlung (14) mündet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden mit einer Mulde aufweist, wobei der Kolben
• - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum eines zugehörigen Zylinders mit ausgebildet,
• - unter Verwendung eines Kolbenbolzens mit einem Ende einer Pleuelstange gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange zur Koppelung des Kolbens mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,
• - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert,
• - modular aus mindestens zwei Segmenten aufgebaut ist, wobei ein die Mulde umfassendes erstes Kolbensegment entlang der Kolbenlängsachse - zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist, und
• - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse ausgestattet ist.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben.
• Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise in der DE 40 05 903 A1 beschrieben und als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
• Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d.h. der Brennräume, miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock dient regelmäßig als obere Kurbelgehäusehälfte zur Lagerung der Kurbelwelle und zur Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe.
• Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet. Der Betätigungsmechanismus einschließlich des zugehörigen Ventils wird als Ventiltrieb bezeichnet.
• Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird regelmäßig ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist häufig Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.
• Die Pleuelstange einer Brennkraftmaschine ist nach dem Stand der Technik mit einem kleinen Pleuelauge an einem Ende und einem großen Pleuelauge am anderen Ende versehen, wobei die Pleuelstange über einen in dem kleinen Pleuelauge angeordneten Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Mit dem großen Pleuelauge ist die Pleuelstange auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert.
• Der Kolben dient dabei der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Die Gaskräfte, mit denen der Kolben beaufschlagt wird, werden auf diese Weise über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und von dieser auf die Kurbelwelle übertragen.
• Durch die beschriebene Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange und Kurbelwelle wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Pleuelstange bewegt sich dabei abgesehen von einem geringen rotatorischen Anteil überwiegend oszillierend in Richtung Zylinderrohrlängsachse.
• Die Gaskräfte drücken den Kolben in Richtung Zylinderlängsachse nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt dem Kolben durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung aufgezwungen wird. Der Kolben, der mit seiner nach unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muss bei dieser abwärts gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben die auf ihn wirkenden Gaskräfte über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und versucht diese nach unten zu beschleunigen. Nähert sich der Kolben dem unteren Totpunkt wird dieser mitsamt der Pleuelstange verzögert, um dann im unteren Totpunkt eine Bewegungsumkehr zu vollziehen. Die Wegstrecke, die der Kolben auf seinem Weg zwischen dem oberen Totpunkt und dem unterem Totpunkt im Zylinderrohr zurücklegt, wird als Kolbenhub s bezeichnet.
• Das Hubvolumen V_h eines Zylinders ergibt sich aus der Kolbenfläche A_K und dem Kolbenhub s zu: V_h = A_K · s. Das Zylindervolumen bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben wird als Kompressionsvolumen V_C bezeichnet. Das Zylindervolumen im unteren Totpunkt des Kolbens ergibt sich aus der Summe von Hubvolumen V_h und Kompressionsvolumen V_c.
• Für das geometrische Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine gilt: $$\epsilon =l+V_h/V_c$$

  

  Während Dieselmotoren prinzipbedingt mit sehr hohen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, um eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten, ist bei Ottomotoren das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis ε_max wegen der Klopfneigung im Volllastbetrieb, d.h. der Neigung zu Selbstzündungen im noch unverbrannten Gemisch, auf vergleichsweise niedrige Verdichtungsverhältnisse von beispielsweise ε ≈ 10 bei Saugmotoren zu begrenzen.
• Bei aufgeladenen Motoren, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, muss das geometrische Verdichtungsverhältnis für eine klopffreie Verbrennung weiter abgesenkt werden, beispielsweise auf ε ≈. 8 ... 9 begrenzt werden.
• Nachteilig sind die relativ kleinen Verdichtungsverhältnisse des Ottomotors insbesondere im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, d.h. im Hinblick auf den Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad η nimmt mit abnehmendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls ab. D.h. im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses sollte die Zylinderfrischladung möglichst hoch verdichtet werden, was auch aus den oben genannten Gründen, insbesondere der Klopfneigung des Ottomotors nahe der Volllast, nicht uneingeschränkt durchführbar ist.
• Ein konstruktiver Ansatz zur Auflösung dieses Konfliktes besteht darin, die Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ε auszustatten und zwar in der Art, dass das Verdichtungsverhältnis ε mit abnehmender Last, d.h. ausgehend von der Volllast in Richtung Teillast, erhöht wird. Auf diese Weise könnte ein grundlegender, teillastspezifischer Nachteil von Ottomotoren gegenüber Dieselmotoren zumindest teilweise kompensiert werden.
• Aufgrund der Tatsache, dass eine Brennkraftmaschine überwiegend im Teillastbereich betrieben wird, bietet dies im Hinblick auf die erzielbare Kraftstoffersparnis ein hohes Potential. Eine wirkungsgradoptimierte Veränderung, d.h. Anpassung, des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Betriebspunkt erlaubt auch bei Ottomotoren im Teillastbereich Verdichtungsverhältnisse ε ≈ 14 ... 15 und damit eine signifikante Verbrauchsreduzierung.
• 1 zeigt am Beispiel eines Saugmotors die Verbesserung des Wirkungsgrades, die sich mittels eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε erzielen ließe. Dabei ist der thermische Wirkungsgrad η_th über der auf die Volllast bezogenen Last aufgetragen, wobei der Kurve A ein konstantes Verdichtungsverhältnis ε = 9 und der Kurve B ein variables Verdichtungsverhältnis ε zugrunde liegt.
• Wird die Brennkraftmaschine im Teillastbereich betrieben, beispielsweise mit 20% der Volllast, kann der Wirkungsgrad durch Anpassung des Verdichtungsverhältnisses, beispielsweise ε ≈ 14, um etwa 12 % erhöht werden. Hin zu hohen Lasten nimmt dieses Potential stetig ab, so dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit 80% der Volllast mittels variabler Verdichtung nur noch Wirkungsgradverbesserungen von etwa 3% realisierbar sind.
• Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze zur Realisierung eines veränderbaren Verdichtungsverhältnisses ε bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine bekannt, von denen beispielhaft nur drei kurz vorgestellt werden sollen.
• Eine Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange als zweiteilige Pleuelstange auszuführen. Dabei umfasst die Pleuelstange ein oberes Pleuel, das mit dem Kolben gelenkig verbunden ist, und ein unteres Pleuel, das an der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das obere Pleuel und das untere Pleuel ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sind, um auf diese Weise gegeneinander verschwenkt werden zu können. Damit handelt es sich um eine Pleuelstange, die entlang einer gedachten Linie L, welche die beiden Enden der Pleuelstange miteinander verbindet, in der Länge veränderbar ist. Die gedachte Linie L verläuft dabei einerseits durch das Lager, in dem das obere Pleuel mit dem Kolben drehbar verbunden ist, d.h. durch das kleine Pleuelauge, und andererseits durch das Lager, in dem das untere Pleuel auf der Kurbelwelle aufgenommen wird, d.h. durch das große Pleuelauge. Wird der Abstand dieser beiden Lager entlang ihrer Verbinnungslinie L als die Länge der Pleuelstange verstanden, kann diese Länge durch Verschwenken des oberen und des unteren Pleuels gegeneinander, d.h. durch ein mehr oder weniger starkes Knicken der zweiteiligen Pleuelstange verändert werden.
• Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt dabei mittels einer Anlenkstange, die gelenkig mit dem oberen Pleuel verbunden ist und drehbar auf einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle aufgenommen wird. Durch ein Verdrehen der Exzenterwelle und der sich daraus ergebenden Veränderungen der Kolbentotpunktlagen kann das Verdichtungsverhältnis in weiten Grenzen, beispielweise zwischen ε_min ≈ 8 bis 15 ε_max ≈ 15, variiert werden.
• Diese mechanische Verstellvorrichtung ist auch gleichzeitig der größte Nachteil des beschriebenen Lösungsansatzes zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses, denn ein beachtlicher Teil der Verstellvorrichtung, insbesondere der Anlenkstange, nimmt an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teil.
• Die oszillierende Bewegung des Kolbens und der Pleuelstange zusammen mit den Bauteilen der Verstellvorrichtung führt zu hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, die mit dem Quadrat der Kurbelwellendrehzahl zunehmen und entsprechend hohe dynamische Trägheitskräfte verursachen. Diese dynamischen Trägheitskräfte belasten den Kurbeltrieb erheblich und spielen bei der Auslegung der Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit eine maßgebliche Rolle.
• Es ist daher grundsätzlich ein Ziel der Konstrukteure, die oszillierenden Massen möglichst gering zu halten und die Bauteile materialsparend auszulegen, wobei die erforderliche Festigkeit der Bauteile dieser Vorgehensweise Grenzen setzt. Der Einsatz einer mechanischen Verstellvorrichtung, die an der oszillierenden Bewegung teilnimmt, steht damit dem Ziel, die oszillierenden Massen zu reduzieren, entgegen.
• Eine andere Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange aus mehreren Pleuelstangenstücken aufzubauen, die teleskopartig ineinander verschiebbar angeordnet sind. Die Variation der Pleuellänge erfolgt durch ein Zusammenschieben oder Auseinanderziehen der Pleuelstangenstücke. Hierzu ist wiederum eine mechanische Verstellvorrichtung erforderlich, die prinzipbedingt, wie die zuvor beschriebene Verstellvorrichtung, mechanisch mit der Pleuelstange gekoppelt sein muss, wodurch ein Teil dieser Verstellvorrichtung wiederum an der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Kurbeltriebes teilnimmt. Die Nachteile sind die oben bereits Genannten.
• Darüber hinaus führen die aus dem Stand der Technik bekannten in der Länge veränderbaren Pleuelstangen per se schon zu einer Zunahme der oszillierenden und rotierenden Massen gegenüber einer herkömmlichen Pleuelstange, was die beschriebenen nachteiligen Effekte noch verstärkt.
• Aus dem Stand der Technik sind auch Lösungsansätze bekannt, bei denen im kleinen oder großen Pleuelauge eine Exzenterbuchse als Zwischenelement der Lagerung vorgesehen wird. Die Exzenterbuchse ist verdrehbar, beispielsweise zwischen verschiedenen Arbeitspositionen stufig schaltbar, wobei die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse ε aus den verschiedenen Totpunktlagen in den verschiedenen Arbeitspositionen der Exzenterbuchse resultieren.
• Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 44 669 A1 beschreibt eine Pleuelstange, bei der eine Exzenterbuchse im großen Pleuelauge angeordnet ist. Um die Exzenterbuchse zu arretieren bzw. freizugeben, ist ein Verriegelungselement einer Verriegelungsvorrichtung vorgesehen, welches mit der Buchse in Eingriff gebracht werden kann. Die Steuerung, d.h. Betätigung, der mechanischen Verriegelungseinrichtung umfassend einen Zylinder und einen in diesem Zylinder verschiebbaren Kolben kann hydraulisch mittels Drucköl aus dem Motorschmierölkreislauf oder mittels Druckluft erfolgen. Eine Vorrichtung, mit der die entriegelte Exzenterbuchse gezielt in eine vorgebbare Position verdreht wird bzw. verdreht werden kann, offenbart die DE 199 44 669 A1 nicht. Dies ist ein grundsätzliches Defizit der im Stand der Technik beschriebenen Konzepte zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε.
• Soweit im Stand der Technik Lösungsansätze beschrieben werden, die sich durch den Einsatz einer Exzenterbuchse auszeichnen, erschöpfen sich die vorgeschlagenen Konzepte in der Regel in Vorrichtungen und Verfahren zur Arretierung bzw. Freigabe der Buchse. Die einmal freigegebene Exzenterbuchse wird sich selbst überlassen, d.h. auf den Verdrehvorgang der Buchse selbst wird kein Einfluss genommen.
• Die DE 38 07 244 C1 beschreibt einen Kolben mit veränderbarer Kompressionshöhe. Die Änderung der Kompressionshöhe erfolgt temperaturabhängig unter Verwendung von zwei Steuerkammern eines Hydrauliksystems. Dabei sind die Steuerkammern via einer Überströmleitung hydraulisch miteinander verbunden.
• Die EP 2 184 496 A1 beschreibt eine hydraulische Spaltdichtung zwischen Kolben und Zylinderbuchse, die als Ringspalt ausgeführt ist.
• Die DE 10 2009 048 172 A1 beschreibt einen modular aufgebauten Kolben mit veränderbarer Kompressionshöhe, wobei der Kolben mit einer integrierten Kolbenkühlung ausgestattet ist.
• Obwohl Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomotoren mit höheren Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, besteht auch bei Dieselmotoren Bedarf für ein variables Verdichtungsverhältnis. So wäre bei einem Kaltstart regelmäßig ein hohes Verdichtungsverhältnis ε anzustreben, um die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei noch kaltem Dieselmotor zu gewährleisten, wohingegen bei auf Betriebstemperatur erwärmten Dieselmotor ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis Vorteile bei den Emissionen haben kann.
• Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit dem eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.
• Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben aufzuzeigen.
• Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden mit einer Mulde aufweist, wobei der Kolben
• - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum eines zugehörigen Zylinders mit ausgebildet,
• - unter Verwendung eines Kolbenbolzens mit einem Ende einer Pleuelstange gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange zur Koppelung des Kolbens mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist,
• - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert,
• - modular aus mindestens zwei Segmenten aufgebaut ist, wobei ein die Mulde umfassendes erstes Kolbensegment entlang der Kolbenlängsachse - zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist, und
• - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse ausgestattet ist,
und dadurch gekennzeichnet ist, dass die hydraulische Verstelleinrichtung
• - eine erste Kammer umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment und dem unteren Anschlag des zweiten Kolbenträgersegments ausbildbar ist und via eine Zuführleitung mit Öl beaufschlagbar ist, und
• - eine zweite Kammer umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment und dem oberen Anschlag des zweiten Kolbenträgersegments ausbildbar ist und via einer Rückführleitung mit einem Ölkreislauf zumindest verbindbar ist, und
• - der Kolben mit einer Ölkühlung ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment erstreckt und das erste Kolbensegment umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung in den mindestens einen Kühlkanal der Ölkühlung mündet.
• Der erfindungsgemäße Kolben ist mehrteilig und umfasst mindestens zwei gegeneinander bewegliche Segmente, wobei diese Segmente als solche auch wieder modular aufgebaut sein können; beispielsweise um eine Montage zu ermöglichen bzw. zu vereinfachen.
• Die mindestens zwei Segmente des erfindungsgemäßen Kolbens sind entlang der Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag relativ zueinander verschiebbar, wobei ein die Kolbenmulde umfassendes erstes Kolbensegment in einem zweiten Kolbenträgersegment gelagert ist.
• Das erste Kolbensegment kann mitsamt Kolbenmulde in Richtung des Zylinderkopfes, d.h. in Richtung des Brennraumdaches in den Brennraum hinein verschoben werden, um das Verdichtungsverhältnis ε zu erhöhen. Der Verschiebweg in diese Richtung wird durch einen oberen Anschlag begrenzt, an welchem das erste Segment zur Anlage gebracht wird. Wird das erste Kolbensegment in entgegen gesetzter Richtung verschoben, d.h. in Richtung des Kolbenbolzens bzw. der Pleuelstange, lässt sich das Verdichtungsverhältnis ε absenken. Der Verschiebweg in diese Richtung wird durch einen unteren Anschlag begrenzt, an welchem das erste Segment wiederum zur Anlage gebracht wird.
• Erfindungsgemäß ist eine hydraulische Verstelleinrichtung zum Verschieben des ersten Kolbensegments entlang der Kolbenlängsachse vorgesehen, die im Gegensatz zu einer mechanischen Verstellvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Vielzahl von Vorteilen aufweist, insbesondere in Bezug auf den Raumbedarf, das Gewicht und die Komplexität. Insbesondere wird eine ungewollte Erhöhung der rotierenden, aber auch der oszillierenden Massen des Kurbeltriebes weitestgehend vermieden.
• Darüber hinaus kann eine hydraulische Verstelleinrichtung von einem Ölkreislauf partizipieren, über den jede Brennkraftmaschine regelmäßig verfügt.
• Die erste und die zweite Kammer sind erfindungsgemäß Kammern, die sich erst im Rahmen der Verschiebebewegung des ersten Kolbensegments teilweise oder vollständig ausbilden und in Abhängigkeit von der Position des ersten Kolbensegments auch vollständig verschwinden können; beispielsweise wenn das erste Kolbensegment im unteren oder oberen Anschlag zur Anlage kommt.
• Die erste Kammer wird mittels Zuführleitung mit Öl versorgt. Die zweite Kammer ist mittels Rückführleitung mit einem Ölkreislauf zumindest verbindbar, um Öl aus der zweiten Kammer abführen zu können. Der Begriff zumindest verbindbar deutet an, dass die Verbindung entweder eine dauerhafte Verbindung ist oder aber eine Verbindung, die zumindest zeitweise, beispielsweise unter Verwendung eines Absperrelementes, unterbrochen werden kann.
• Die Hauptströmungsrichtung des Öls, d.h. der Öldurchfluss bzw. die Ölförderung durch die Kammern und die Verbindungsleitungen ist vorzugsweise ausgehend von der Zuführleitung durch die Kammern und via Rückführleitung in den Ölkreislauf zurück.
• Erfindungsgemäß ist der Kolben mit einer Ölkühlung ausgestattet, wobei die Ölkühlung mindestens einen Kühlkanal umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment erstreckt und das erste Kolbensegment umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt.
• Dann kann die Rückführleitung in vorteilhafter Weise in die Ölkühlung münden, wodurch das Leitungssystem der hydraulischen Verstelleinrichtung vereinfacht, insbesondere verkürzt wird.
• Erfindungsgemäß mündet daher auch die Rückführleitung in den mindestens einen Kühlkanal der Ölkühlung.
• Mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und mit dem eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε in einfacher Weise realisiert werden kann.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die erste Kammer und die zweite Kammer via einer Überströmleitung hydraulisch miteinander verbunden sind. Die zweite Kammer wird von der ersten Kammer via Überströmleitung mit aus der ersten Kammer stammendem Öl versorgt.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Überströmleitung als Ringspalt zwischen dem ersten Kolbensegment und dem zweiten Kolbenträgersegment ausgebildet ist, der sich entlang der Kolbenlängsachse erstreckt. Der Ringspalt wird vorzugsweise als Drossel ausgelegt, so dass ein Überströmen erschwert bzw. verzögert wird.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen in der Zuführleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer zulässt und einem Ölabfluss aus der ersten Kammer entgegenwirkt. Diese Ausführungsform gewährleistet, dass die Hauptströmungsrichtung des Öls, wie vorstehend bereits dargelegt, ausgehend von der ersten Kammer via Überströmleitung in die zweite Kammer und von der zweiten Kammer via Rückfuhrleitung in den Ölkreislauf gerichtet ist bzw. führt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Zuführleitung sich im Kolben und/oder im Kolbenbolzen und/oder in der Pleuelstange erstreckt. Die Ölversorgung der ersten Kammer kann vorliegend von der Hauptölgalerie der Kurbelwelle bzw. über die Kurbelwelle selbst erfolgen, wobei der erforderliche Öldruck zur Förderung des Öls, insbesondere zum Öffnen eines vorgesehenen Rückschlagventils, unter Verwendung einer im Ölkreislauf vorgesehenen Ölpumpe aufgebaut bzw. bereitgestellt werden kann.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen in der Rückfuhrleitung eine weitere Kammer angeordnet ist. Die weitere Kammer dient der Bereitstellung einer minimalen Ölmenge, um sicherzustellen, dass bei leichtem Pumpen des Kolbens die zweite Kammer immer mit Öl gefüllt ist und keine Luft in die zweite Kammer gelangt.
• Der Abschnitt der Rückführleitung zwischen der weiteren Kammer und der zweiten Kammer wird vorzugsweise als Drossel ausgelegt. Die Verschiebegeschwindigkeit der Kolbenmulde wird vom bereitgestellten Öldruck beeinflusst, aber auch entscheidend über die Dimensionierung der Kammern und der einzelnen Verbindungsleitung festgelegt bzw. konstruktiv eingestellt.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen des Kolbens, bei denen ein Abschnitt der Rückführleitung zwischen der weiteren Kammer und der zweiten Kammer als Drosselelement ausgebildet ist.
• Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Kolbensegment unter Verwendung der hydraulischen Verstelleinrichtung entlang der Kolbenlängsachse verschoben wird, um das Verdichtungsverhältnis ε zu variieren.
• Das bereits für den erfindungsgemäßen Kolben Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
• Zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε bei einem Kaltstart und/oder in der Warmlaufphase erhöht wird. Diese Vorgehensweise stellt eine Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch bei noch kalter bzw. nicht auf Betriebstemperatur erwärmter Brennkraftmaschine sicher.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε nach einem Kaltstart und/oder nach der Warmlaufphase verringert wird, um das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
• Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε der fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit abnehmender Last erhöht wird.
• Vorteilhaft können ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Verdichtungsverhältnis ε der fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit zunehmender Last verringert wird.
• Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten tragen sowohl dem Umstand Rechnung, dass im Bereich hoher Lasten ein Klopfen durch Beschränken bzw. Verkleinern des Verdichtungsverhältnisses ε sicher zu verhindern ist, als auch dem Umstand, dass im Teillastbereich der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtungsverhältnisse ε verbessert werden kann, ohne dass Selbstzündungen des Kraftstoff-Luftgemisches, d.h. ein Klopfen, zu befürchten wäre.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
• 1 den thermischen Wirkungsgrad η_th eines Saugmotors über der bezogenen Last für ein unveränderliches Verdichtungsverhältnis ε einerseits (Kurve A) und für ein variables Verdichtungsverhältnis ε andererseits (Kurve B), und
• 2a schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform des Kolbens mit einem ersten Kolbensegment im oberen Anschlag, und
• 2b schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den in 2a dargestellten Kolben mit dem ersten Kolbensegment im unteren Anschlag.
• 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erörtert, weshalb auf diese Ausführungen Bezug genommen wird.
• 2a zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform des Kolbens 1 mit einem ersten Kolbensegment 1a im oberen Anschlag 7b, d.h. in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse 6 und senkrecht zur Kurbelwelle. Die Drehachse der Kurbelwelle steht senkrecht auf der Zeichenebene. Eine auf der Kurbelwelle drehbar gelagerte Pleuelstange 5 ist mittels Kolbenbolzen 4 beweglich mit dem Kolben 1 verbunden. Bei umlaufender Kurbelwelle oszilliert der Kolben entlang der Kolbenlängsachse 6.
• 2b zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den in 2a dargestellten Kolben 1 mit dem ersten Kolbensegment 1a im unteren Anschlag 7a.
• Das seitlich angeordnete Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens 1 im Zylinderrohr und der Aufnahme von Kolbenringen zur Abdichtung des Brennraums 10 gegenüber dem Kurbelgehäuse und umgekehrt. Der Kolbenboden 2 des Kolbens 1 verfügt über eine omegaförmige Kolbenmulde 3.
• Der Kolben 1 ist modular aus zwei Segmenten 1a, 1b aufgebaut, wobei ein die Mulde 3 umfassendes erstes Kolbensegment 1a beweglich in einem zweiten Kolbenträgersegment 1b gelagert ist. Dabei ist das erste Kolbensegment 1a entlang der Kolbenlängsachse 6 zwischen einem unteren Anschlag 7a (siehe 2b) und einem oberen Anschlag 7b (siehe 2a) verschiebbar im zweiten Kolbenträgersegment 1b gelagert.
• Zum Verschieben des ersten Kolbensegments 1a ist eine hydraulische Verstelleinrichtung 8 vorgesehen. Die hydraulische Verstelleinrichtung 8 umfasst zwei Kammern 8a, 8b, wobei das Befüllen einer ersten Kammer 8a mit Öl das erste Kolbensegment 1a zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε in Richtung des Brennraums 10 verschiebt und das Befüllen einer zweiten Kammer 8b mit Öl das erste Kolbensegment 1a zur Verringerung des Verdichtungsverhältnisses ε in entgegen gesetzter Richtung, nämlich in Richtung des Kolbenbolzens 4 verschiebt.
• Die erste Kammer 8a wird bei Zufuhr von Öl zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem unteren Anschlag 7a des zweiten Kolbenträgersegments 1b ausgebildet und via einer Zuführleitung 9a mit Öl versorgt. In der Zuführleitung 9a ist ein Rückschlagventil 11 angeordnet, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer 8a zulässt und einen Ölabfluss aus der ersten Kammer 8a verhindert. Vorliegend verläuft die Zuführleitung 9a durch die Pleuelstange 5 und den Kolbenbolzen 4 bis in den Kolben 1 und zur der ersten Kammer 8a.
• Die zweite Kammer 8b wird bei Zufuhr von Öl zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem oberen Anschlag 7b des zweiten Kolbenträgersegments 1b ausgebildet und ist via einer Überströmleitung 9c hydraulisch mit der ersten Kammer 8a verbunden. D.h. die zweite Kammer 8b wird via Überströmleitung 9c mit aus der ersten Kammer 8a stammendem Öl versorgt.
• Die Überströmleitung 9c ist als Ringspalt 9c' zwischen dem ersten Kolbensegment 1a und dem zweiten Kolbenträgersegment 1b ausgebildet, der sich entlang der Kolbenlängsachse 6 erstreckt.
• Darüber hinaus ist die zweite Kammer 8b via einer Rückführleitung 9b mit einem Ölkreislauf 9 verbunden. Die Rückführleitung 9b mündet in den Kühlkanal 14a einer Ölkühlung 14, der sich im zweiten Kolbenträgersegment 1b erstreckt und das erste Kolbensegment 1a umfänglich umschließt.
• Der Abschnitt 9b' der Rückführleitung 9b zwischen einer weiteren Kammer 12 und der zweiten Kammer 8b ist als Drosselelement 13 ausgebildet, um den Ölfluss von der zweiten Kammer 8b zur weiteren Kammer 12 zu drosseln und zwar in der Weise, dass aus der zweiten Kammer 8b weniger Öl abfließen kann als via Überströmleitung 9c aus der ersten Kammer 8a zuströmt. Die weitere Kammer 12 dient der Bereitstellung einer minimalen Ölmenge, um sicherzustellen, dass bei leichtem Pumpen des Kolbens 1 die zweite Kammer 8b immer mit Öl gefüllt ist und keine Luft in die zweite Kammer 8b gelangt.
• Zum Ausfahren des ersten Kolbensegments 1a wird der Zuführkanal 9a unter Verwendung einer Ölpumpe mit einem Öldruck von beispielsweise 5 bar beaufschlagt und zwar vorzugsweise, wenn der Kolben 1 sich nach unten, d.h. in Richtung des unteren Totpunktes, bewegt und die Massenkräfte entgegen der Bewegungsrichtung nach oben wirken. Falls keine hohen Druckkräfte infolge Verbrennung am ersten Kolbensegment 1a angreifen, reicht der angelegte Druck aus, um das Rückschlagventil 11 zu öffnen, so dass Öl in die erste Kammer 8a fließt. Dabei wird das erste Kolbensegment 1a solange nach oben verschoben bis der obere Anschlag 7b erreicht wird oder die nach unten wirkenden Kräfte auf das erste Kolbensegment 1a derart anwachsen, dass der Druck in der ersten Kammer 8a soweit ansteigt und das Rückschlagventil 11 geschlossen wird. Eine Rückverdrängung des Öls in den Zuführkanal 9a wird unterbunden. Es erfolgt lediglich ein geringer Ölfluss über den gedrosselten Ringspalt 9c' in die zweite Kammer 8b. Die zweite Kammer 8b steht weiterhin über eine gedrosselte Verbindung 9b' und die weitere Kammer 12 via der Rückführleitung 9b mit dem Ölkreislauf 9 in Verbindung. Das Verschieben kann regelmäßig mehrere Kurbelumdrehungen erfordern und schrittweise erfolgen.
• Zum Einfahren des ersten Kolbensegments wird der Öldruck in der Zuführleitung 9a soweit abgesenkt, dass kein bzw. nur wenig Öl in die erste Kammer 8a gefördert wird bzw. fließt. Die auf den Kolbenboden 2 und das erste Kolbensegment 1a wirkenden Gaskräfte verdrängen bei jedem Verbrennungszyklus Öl aus der ersten Kammer 8a via Überströmleitung 9c in die zweite Kammer 8b. In jedem Fall mehr Öl als in die erste Kammer 8a nachfließen kann. Da immer mehr Öl aus ersten Kammer 8a abfließt als die zweite Kammer 8b benötigt bzw. aufnehmen kann, ist die zweite Kammer 8b immer mit Öl gefüllt, wobei sich ein Ölabfluss über die weitere Kammer 12 in den Kolbenkühlkanal 14a einstellt.
• Bezugszeichenliste

1

Kolben

1a

erstes die Mulde umfassendes Kolbensegment

1b

zweites Kolbenträgersegment

2

Kolbenboden

3

Mulde

4

Kolbenbolzen

5

Pleuelstange

5a

einem Ende der Pleuelstange, kleines Pleuelauge

6

Kolbenlängsachse

7a

unterer Anschlag

7b

oberer Anschlag

8

hydraulische Verstelleinrichtung

8a

erste Kammer

8b

zweite Kammer

9

Ölkreislauf

9a

Zuführleitung

9b

Rückführleitung

9b'

Abschnitt der Rückführleitung

9c

Überströmleitung

9c'

Ringspalt

10

Brennraum

11

Rückschlagventil

12

weitere Kammer

13

Drosselelement

14

Ölkühlung

14a

Kühlkanal

ε

Verdichtungsverhältnis

εmax

maximal zulässiges Verdichtungsverhältnis

η

Wirkungsgrad

ηth

thermischer Wirkungsgrad

s

Hub

Vc

Kompressionsvolumen

Vh

Hubvolumen eines Zylinders

Claims (9)

1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ε, der einen Kolbenboden (2) mit einer Mulde (3) aufweist, wobei der Kolben (1) - zusammen mit einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf einen Brennraum (10) eines zugehörigen Zylinders mit ausbildet, - unter Verwendung eines Kolbenbolzens (4) mit einem Ende (5a) einer Pleuelstange (5) gelenkig verbindbar ist, wobei die Pleuelstange (5) zur Koppelung des Kolbens (1) mit einer Kurbelwelle mit einem anderen Ende mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gelenkig verbindbar ist, - bei umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse (6) oszilliert, - modular aus mindestens zwei Segmenten (1a, 1b) aufgebaut ist, wobei ein die Mulde (3) umfassendes erstes Kolbensegment (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) - zwischen einem unteren Anschlag (7a) und einem oberen Anschlag (7b) - verschiebbar in einem zweiten Kolbenträgersegment (1b) gelagert ist, und - mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung (8) zum Verschieben des ersten Kolbensegments (1a) entlang der Kolbenlängsachse (6) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstelleinrichtung (8) - eine erste Kammer (8a) umfasst, welche zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem unteren Anschlag (7a) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via eine Zuführleitung (9a) mit Öl beaufschlagbar ist, und - eine zweite Kammer (8b) umfasst, die zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem oberen Anschlag (7b) des zweiten Kolbenträgersegments (1b) ausbildbar ist und via einer Rückführleitung (9b) mit einem Ölkreislauf (9) zumindest verbindbar ist, und - der Kolben mit einer Ölkühlung (14) ausgestattet ist, die mindestens einen Kühlkanal (14a) umfasst, der sich im zweiten Kolbenträgersegment (1b) erstreckt und das erste Kolbensegment (1a) umfänglich zumindest abschnittsweise umschließt, wobei die Rückführleitung (9b) in den mindestens einen Kühlkanal (14a) der Ölkühlung (14) mündet.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (8a) und die zweite Kammer (8b) via einer Überströmleitung (9c) hydraulisch miteinander verbunden sind.
3. Kolben ( 1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (9c) als Ringspalt (9') zwischen dem ersten Kolbensegment (1a) und dem zweiten Kolbenträgersegment (1b) ausgebildet ist, der sich entlang der Kolbenlängsachse (6) erstreckt.
4. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (9a) ein Rückschlagventil (11) angeordnet ist, welches einen Ölzufluss zur ersten Kammer (8a) zulässt und einem Ölabfluss aus der ersten Kammer (8a) entgegenwirkt.
5. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (9b) eine weitere Kammer (12) angeordnet ist.
6. Kolben (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (9b') der Rückführleitung (9b) zwischen der weiteren Kammer (12) und der zweiten Kammer (8b) als Drosselelement (13) ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kolbensegment (1a) unter Verwendung der hydraulischen Verstelleinrichtung (8) entlang der Kolbenlängsachse (6) verschoben wird, um das Verdichtungsverhältnis ε zu variieren.
8. Verfahren nach Anspruch 7 zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε bei einem Kaltstart und/oder in der Warmlaufphase erhöht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε nach einem Kaltstart und/oder nach der Warmlaufphase verringert wird.

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