DE102019112296A1 - Reciprocating engine with variable compression ratio Reciprocating engine with variable compression ratio - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine (10), insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, und einen Pleuel (18) für eine solche Hubkolbenmaschine (10). Die Hubkolbenmaschine umfasst eine Kurbelwelle (14), mindestens einen von der Kurbelwelle (14) bewegbaren Pleuel (18), der einen Pleuelschaft (26) aufweist, einen von dem Pleuel (18) getragenen Verdichtungskolben (34), vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters (38) und eines Verstellmechanismus (42) verstellbar ist, wobei der Verstellmechanismus (42) mindestens einen in einem Stützzylinder (46, 48) des Pleuels (18) verfahrbaren Stützkolben (50, 52) aufweist, der in einem in dem Pleuelshaft (26) befindlichen Stützzylinder (46, 48) angeordnet ist, und ein mechanisches Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) mit welchem eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels (18) vor Erreichen einer Endlage reduzierbar ist.

Figure DE102019112296A1_0000
The invention relates to a reciprocating piston engine (10), in particular an internal combustion engine, with a variable compression ratio, and a connecting rod (18) for such a reciprocating piston engine (10). The reciprocating piston engine comprises a crankshaft (14), at least one connecting rod (18) movable by the crankshaft (14) and having a connecting rod shank (26), a compression piston (34) carried by the connecting rod (18), preferably a combustion chamber piston an eccentric (38) and an adjusting mechanism (42) is adjustable, wherein the adjusting mechanism (42) at least one in a support cylinder (46, 48) of the connecting rod (18) movable support piston (50, 52), in one in the Pleuelshaft (26) located support cylinder (46, 48) is arranged, and a mechanical means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) with which an adjustment speed of the connecting rod (18) is reduced before reaching an end position.
Figure DE102019112296A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis und einen Pleuel für eine solche Hubkolbenmaschine.The invention relates to a reciprocating engine with a variable compression ratio and a connecting rod for such a reciprocating engine.

Aus der US 2017/0082021 A1 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt, bei welcher mittels eines Exzenters der Verdichtungskolben über zwei in einem Pleuel verfahrbaren Stützkolben verstellbar ist, so dass ein Verdichtungsverhältnis veränderbar ist.From the US 2017/0082021 A1 is a reciprocating engine is known in which by means of an eccentric compression piston via two movable in a connecting rod support piston is adjustable, so that a compression ratio is variable.

Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, umfassend eine Kurbelwelle, mindestens einen von der Kurbelwelle bewegbaren Pleuel, der einen Pleuelschaft aufweist, einen von dem Pleuel getragenen Verdichtungskolben, vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters und eines Verstellmechanismus verstellbar ist, wobei der Verstellmechanismus mindestens einen in einem Stützzylinder des Pleuels verfahrbaren Stützkolben aufweist, der in einem in dem Pleuelshaft befindlichen Stützzylinder angeordnet ist, und ein mechanisches Mittel mit welchem eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels vor Erreichen einer Endlage reduzierbar ist.Reciprocating piston engine, in particular an internal combustion engine, with a variable compression ratio comprising a crankshaft, at least one crankshaft movable connecting rod having a connecting rod shank, carried by the connecting rod compression piston, preferably a combustion chamber piston, which is adjustable by means of an eccentric and an adjusting mechanism, wherein the adjusting mechanism has at least one support piston movable in a support cylinder of the connecting rod, which is arranged in a support cylinder located in the connecting rod, and a mechanical means with which an adjustment speed of the connecting rod before reaching an end position can be reduced.

Dadurch wird die Geschwindigkeit des Kolbens kurz vor dem Auftreffen auf den Boden des Stützzylinders, durch welchen die Verstellbewegung des Kolbens in der Regel durch einen „harten“ metallischen Endanschlag begrenzt wird reduziert, so dass eine mechanische Belastung im System weiter minimiert werden kann. Dadurch können im Gegenzug die Verstellzeiten weiter verkürzt und damit die Verstell- und Auftreffgeschwindigkeiten weiter gesteigert werden, ohne das System derart mechanisch zu belasten, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit signifikant erhöht wird.As a result, the speed of the piston is reduced shortly before hitting the bottom of the support cylinder, by which the adjustment of the piston is usually limited by a "hard" metallic end stop, so that a mechanical load in the system can be further minimized. As a result, in turn, the adjustment can be further shortened and thus the adjustment and Auftreffgeschwindigkeiten be further increased without burdening the system so mechanically that the probability of failure is significantly increased.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel eine Feder. Als Feder wird dabei ein Bauteil verstanden, bei welchem durch elastische Verformung eine Energie speicherbar ist. Eine Feder hat den Vorteil, dass sie ein einfaches Bauteil ist, welches kostengünstig herstellbar ist. Dadurch kann auf einfache und wirtschaftliche Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden.In a preferred embodiment of the invention, the means is a spring. As a spring while a component is understood in which by elastic deformation energy can be stored. A spring has the advantage that it is a simple component, which is inexpensive to produce. This can be solved in a simple and economical manner, the object underlying the invention.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Feder eine lineare, progressive oder degressive Federkennlinie auf. Dadurch kann entsprechend der gewünschten Anwendung eine passende Feder gewählt werden, so dass ein optimales Ergebnis erzielt wird.In a further preferred embodiment, the spring has a linear, progressive or degressive spring characteristic. Thereby, a suitable spring can be selected according to the desired application, so that an optimum result is achieved.

Alternativ ist das Mittel ein Elastomer. Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, welche durch eine elastische Verformung Energie speichern können. Elastomere haben den Vorteil, dass diese mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Elastizitäten und Materialien verfügbar sind. Dadurch können die Eigenschaften der Elastomere optimal auf den benötigten Einsatz abgestimmt werden. Zudem können Elastomere temperaturabhängige Eigenschaften haben, welche für den Einsatz von Vorteil sein können. Darüber hinaus sind Elastomere kostengünstig, so dass eine wirtschaftliche Herstellung einer solchen Hubkolbenmaschine möglich ist.Alternatively, the agent is an elastomer. Elastomers are dimensionally stable, but elastically deformable plastics, which can store energy through elastic deformation. Elastomers have the advantage that they are available with a variety of different elasticities and materials. As a result, the properties of the elastomers can be optimally matched to the required use. In addition, elastomers may have temperature-dependent properties, which may be advantageous for use. In addition, elastomers are inexpensive, so that an economic production of such a reciprocating engine is possible.

In einer weiteren Alternative ist das Mittel ein Balg. Dieser Balg ist vorzugsweise als Balgfeder ausgebildet. Der Vorteil eines Balges oder einer Balgfeder ist, dass zusätzlich zu eine Reduzierung der Verstellgeschwindigkeit des Pleuels eine Dämpfung erzielt wird. Darüber hinaus weist ein solcher Balg bei einer hohen axialen Tragfähigkeit eine gute radiale Formstabilität auf.In another alternative, the agent is a bladder. This bellows is preferably designed as a bellows spring. The advantage of a bellows or a bellows spring is that in addition to a reduction of the adjustment speed of the connecting rod damping is achieved. In addition, such a bellows at a high axial load capacity on a good radial dimensional stability.

Vorzugsweise ist das Mittel in wenigstens einem Stützzylinder angeordnet. Eine Anordnung des Mittels ist dadurch ohne konstruktive Änderungen des Gesamtsystems möglich, so dass das Mittel kostengünstig eingebaut werden kann und in bestehende System nachrüstbar ist.Preferably, the means is arranged in at least one support cylinder. An arrangement of the agent is thereby possible without structural changes in the overall system, so that the agent can be installed inexpensively and can be retrofitted into existing system.

Vorteilhafterweise ist das Mittel zwischen dem Verdichtungskolben und dem Verstellmechanismus angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Mittel leichter und damit kostengünstiger einbaubar und wartbar ist.Advantageously, the means between the compression piston and the adjusting mechanism is arranged. This has the advantage that the agent is easier and thus cheaper to install and maintain.

Besonders bevorzugt ist das Mittel zwischen dem Verdichtungskolben und dem Exzenter angeordnet. Dabei kann das Mittel vorzugsweise direkt an dem Exzenter oder alternativ an einem formschlüssig mit dem Exzenter verbundenen Exzenterhebel angreifen. Dies hat den Vorteil, dass ein Drehmoment, das auf den Exzenter wirkt noch genauer einstellbar ist.Particularly preferably, the means between the compression piston and the eccentric is arranged. In this case, the means may preferably act directly on the eccentric or alternatively on a form-fitting connected to the eccentric eccentric lever. This has the advantage that a torque acting on the eccentric is even more precisely adjustable.

Die Erfindung umfasst zusätzlich einen Pleuel mit einem Stützzylinder und einem mechanischen Mittel für eine Hubkolbenmaschine. Mittels eines solchen Pleuels können die zu der Hubkolbenmaschine genannten Vorteile erzielt werden.The invention additionally comprises a connecting rod with a support cylinder and a mechanical means for a reciprocating engine. By means of such a connecting rod, the advantages mentioned for the reciprocating piston engine can be achieved.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt

  • 1 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 4 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Further advantages of the invention will become apparent from the following description of the figures of the preferred embodiments. It shows
  • 1 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a first embodiment of the invention,
  • 2 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a second embodiment of the invention,
  • 3 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a third embodiment of the invention, and
  • 4 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a fourth embodiment of the invention.

1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hubkolbenmaschine 10 umfasst eine Kurbelwelle 14 und einen von der Kurbelwelle 14 bewegbaren Pleuel 18. Der Pleuel 18, welcher an einem Pleuelfuß 22 an der Kurbelwelle 14 befestigt ist, weist einen Pleuelshaft 26 auf. An einem Pleuelkopf 30 trägt der Pleuel 18 einen Verdichtungs- beziehungsweise Brennkammerkolben 34, mit welchem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer (nicht gezeigt) für einen Brennvorgang komprimiert werden kann. Die Hubkolbenmaschine 10 weist zusätzlich einen Exzenter 38 auf, welcher an dem Pleuelkopf 30 über einen Kolbenbolzen 40 mit dem Verdichtungskolben 34 verbunden ist. Mittels des Exzenters 38 und eines Verstellmechanismus 42 ist ein Verdichtungsverhältnis des Verdichtungskolbens 34 verstellbar. Der Verstellmechanismus 42 weist zwei Stützzylinder 46, 48 auf, welche in dem Pleuelshaft 26 angeordnet sind. Die Stützzylinder 46, 48 können dabei einen gleichen oder einen unterschiedlichen Durchmesser D1 , D2 aufweisen. In jedem Stützzylinder 46, 48 ist ein Stützkolben 50, 52 verschiebbar angeordnet. Die Stützkolben 50, 52 sind über Stützstangen 54, 58 außermittig mit einem Exzenterhebel 62 verbunden, welcher formschlüssig über eine Verzahnung 64 mit dem Exzenter 38 verbunden ist. Dadurch wird der Exzenterhebel 62 und damit der Exzenter 38 bei einer Verschiebung der Stützkolben 50, 52 rotiert. In den Stützzylindern 46, 48 sind Federn 66, 68 angeordnet, welche vor Erreichen einer Endlage des Stützkolbens 50, 52 in Kontakt mit diesen kommen und eine Kraft entgegen einer Bewegungsrichtung des Stützkolbens 50, 52 aufbringen, so dass eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels 18 vor Erreichen einer Endlage reduziert wird. Die Federn 66, 68 können dabei lineare, progressive oder degressive Federkennlinie aufweisen. Dadurch hinsichtlich des zu erzielenden Effektes eine Feder 66, 68 gewählt werden mit welcher ein optimales Ergebnis erzielt wird. 1 shows a reciprocating engine 10 with a variable compression ratio according to a first embodiment of the invention. The reciprocating engine 10 includes a crankshaft 14 and one from the crankshaft 14 movable connecting rod 18 , The connecting rod 18 , which is attached to a connecting rod 22 on the crankshaft 14 attached, has a Pleuelshaft 26 on. At a connecting rod 30 carries the connecting rod 18 a compression or combustion chamber piston 34 with which a fuel-air mixture can be compressed in a combustion chamber (not shown) for a combustion process. The reciprocating engine 10 also has an eccentric 38 on, which at the connecting rod 30 via a piston pin 40 with the compression piston 34 connected is. By means of the eccentric 38 and an adjustment mechanism 42 is a compression ratio of the compression piston 34 adjustable. The adjustment mechanism 42 has two support cylinders 46 . 48 on which in the Pleuelshaft 26 are arranged. The support cylinders 46 . 48 can have the same or a different diameter D 1 . D 2 respectively. In every support cylinder 46 . 48 is a support piston 50 . 52 slidably arranged. The support pistons 50 . 52 are over support rods 54 . 58 off-center with an eccentric lever 62 connected, which positively via a toothing 64 with the eccentric 38 connected is. This will cause the eccentric lever 62 and thus the eccentric 38 at a displacement of the support piston 50 . 52 rotates. In the support cylinders 46 . 48 are springs 66 . 68 arranged, which before reaching an end position of the support piston 50 . 52 come in contact with these and a force against a direction of movement of the support piston 50 . 52 Apply, so that an adjustment speed of the connecting rod 18 is reduced before reaching an end position. The feathers 66 . 68 can have linear, progressive or declining spring characteristic. As a result, in terms of the effect to be achieved a spring 66 . 68 be chosen with which an optimal result is achieved.

2 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle der Federn 66, 68, Elastomere 70, 72 in den Stützzylindern 46, 48 angeordnet sind. Die Stützkolben 50, 52 kommen dabei kurz vor Erreichen einer Endlage mit diesen Elastomeren 70, 72 in Kontakt. Durch eine elastisch Kompression der Elastomere 70, 72 wird eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels 18 vor Erreichen einer Endlage reduziert. 2 shows a reciprocating engine 10 with a variable compression ratio according to a second embodiment of the invention. The second embodiment differs from the first embodiment in that instead of the springs 66 . 68 , Elastomers 70 . 72 in the support cylinders 46 . 48 are arranged. The support pistons 50 . 52 arrive shortly before reaching an end position with these elastomers 70 . 72 in contact. Due to an elastic compression of the elastomers 70 . 72 becomes an adjustment speed of the connecting rod 18 reduced before reaching an end position.

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle von Federn 66, 68, Balge 74, 76 in den Stützzylindern 46, 48 angeordnet sind. Vor Erreichen einer Endlage kommen die Stützkolben 50, 52 mit dem entsprechenden Balg 74, 76 in Kontakt. Durch eine elastische Kompression des Balges 74, 76 wird die Verstellgeschwindigkeit des Pleuels 18 vor Erreichen einer Endlage reduziert. Die Bewegung der Stützkolben 50, 52 wird dabei gleichzeitig gedämpft.In 3 is a third embodiment of the reciprocating engine 10 shown with a variable compression ratio. This embodiment differs from the first embodiment in that instead of springs 66 . 68 , Bellows 74 . 76 in the support cylinders 46 . 48 are arranged. Before reaching an end position come the support piston 50 . 52 with the appropriate bellows 74 . 76 in contact. By elastic compression of the bellows 74 . 76 is the adjustment speed of the connecting rod 18 reduced before reaching an end position. The movement of the support pistons 50 . 52 is dampened at the same time.

4 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das Mittel 78, 80, welches hier in Form eines Elastomers dargestellt ist, zwischen dem Verdichtungskolben 34 und dem Exzenter 38 angeordnet ist. Kurz vor Erreichen einer Endlage kommt der Exzenterhebel 62 in Kontakt mit dem entsprechenden Elastomer 78, 80, welcher an einer Unterseite 84 des Verdichtungskolbens 34 angeordnet ist. Dadurch wird eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels 18 vor Erreichen einer Endlage reduziert. 4 shows a reciprocating engine 10 with a variable compression ratio according to a fourth embodiment of the invention. The difference to the first embodiment is that the means 78 . 80 , which is shown here in the form of an elastomer, between the compression piston 34 and the eccentric 38 is arranged. Shortly before reaching an end position comes the eccentric lever 62 in contact with the corresponding elastomer 78 . 80 , which at a bottom 84 of the compression piston 34 is arranged. As a result, an adjustment of the connecting rod 18 reduced before reaching an end position.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2017/0082021 A1 [0002]US 2017/0082021 A1 [0002]

Claims (9)

Hubkolbenmaschine (10), insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, umfassend -eine Kurbelwelle (14), -mindestens einen von der Kurbelwelle (14) bewegbaren Pleuel (18), der einen Pleuelschaft (26) aufweist, -einen von dem Pleuel (18) getragenen Verdichtungskolben (34), vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters (38) und eines Verstellmechanismus (42) verstellbar ist, -wobei der Verstellmechanismus (42) mindestens einen in einem Stützzylinder (46, 48) des Pleuels (18) verfahrbaren Stützkolben (50, 52) aufweist, der in einem in dem Pleuelshaft (26) befindlichen Stützzylinder (46, 48) angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein mechanisches Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) mit welchem eine Verstellgeschwindigkeit des Pleuels (18) vor Erreichen einer Endlage reduzierbar ist.Reciprocating piston engine (10), in particular an internal combustion engine with a variable compression ratio, comprising - a crankshaft (14), - at least one of the crankshaft (14) movable connecting rod (18) having a connecting rod shank (26), one of the connecting rod (18) carried compression piston (34), preferably a combustion chamber piston which is adjustable by means of an eccentric (38) and an adjusting mechanism (42), -wobei the adjusting mechanism (42) at least one in a support cylinder (46, 48) of the connecting rod (18 ) movable support piston (50, 52) disposed in a in the Pleuelshaft (26) located support cylinder (46, 48), characterized by a mechanical means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80 ) with which an adjustment speed of the connecting rod (18) can be reduced before reaching an end position. Hubkolbenmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Feder (66, 68) ist.Reciprocating engine (10) after Claim 1 , characterized in that the means is a spring (66, 68). Hubkolbenmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (66, 68) eine lineare, progressive oder degressive Federkennlinie aufweist.Reciprocating engine (10) after Claim 2 , characterized in that the spring (66, 68) has a linear, progressive or degressive spring characteristic. Hubkolbenmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Elastomer (70, 72) ist.Reciprocating engine (10) after Claim 1 , characterized in that the means is an elastomer (70, 72). Hubkolbenmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Balg (74, 76) ist.Reciprocating engine (10) after Claim 1 , characterized in that the means is a bellows (74, 76). Hubkolbenmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) in wenigstens einem Stützzylinder (46, 48) angeordnet ist.Reciprocating piston engine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) in at least one support cylinder (46, 48) is arranged. Hubkolbenmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) zwischen dem Verdichtungskolben (34) und dem Verstellmechanismus (42) angeordnet ist.Reciprocating piston engine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) between the compression piston (34) and the adjusting mechanism (42) is arranged. Hubkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) zwischen dem Verdichtungskolben (34) und dem Exzenter (38) angeordnet ist.Reciprocating piston engine (10) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) is disposed between the compression piston (34) and the eccentric (38). Pleuel (18) mit einem Stützzylinder (46, 48) und einem mechanischen Mittel (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche.Connecting rod (18) with a support cylinder (46, 48) and a mechanical means (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) according to one of the preceding claims.
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