DE10227769A1 - Vorrichtung zur variablen Änderung der Verdichtung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur variablen Änderung der Verdichtung einer Brennkraftmaschine, welche wenigstens einen Zylinder mit einem zugeordneten Kolben und einem zugeordneten Brennraum aufweist, weist wenigstens ein Gaswechselventil, welches eine oszillierende Bewegung ausführt, und wenigstens ein Steuerelement auf, welches unabhängig von der Stellung der Gaswechselventile derart verschieblich gelagert ist, daß eine Verschiebung desselben zu einer Änderung der Verdichtung führt. Das Steuerelement ist koaxial zu einem der Gaswechselventile angeordnet und bildet einen Ventilsitz für dasselbe. Die Verschiebungsrichtung des Steuerelements entspricht im wesentlichen der Richtung der oszillierenden Bewegung des Gaswechselventils, dem das Steuerelement zugeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Änderung der Verdichtung einer wenigstens einen Brennraum aufweisenden Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
• Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der US 4,890,585 bekannt. Dabei geht von dem Brennraum der Brennkraftmaschine ein zusätzlicher Raum aus, in dem ein Steuerelement verschieblich angeordnet ist.
• Derartige Anordnungen erzeugen jedoch sehr große Schad- bzw. Toträume innerhalb der Brennräume der Brennkraftmaschine, die nicht für andere Elemente der Brennkraftmaschine, wie z.B. weitere Gaswechselventile, genutzt werden können und darüber hinaus den Ablauf der Verbrennung verschlechtern. Des weiteren ist die Ansteuerung und die Verstellung dieses Steuerelements sehr aufwendig, was dazu geführt hat, dass derartige Vorrichtungen üblicherweise nicht bei Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
• Die US 4,905,635 beschreibt eine Brennkraftmaschine, bei der zum Zwecke der Verringerung des CO- und HC-Ausstosses die Größe des Brennraums periodisch während einer Umdrehung der Kurbelwelle verändert wird. Eine variable, also von der Stellung des Gaswechselventils unabhängige Änderung der Verdichtung ist dabei jedoch nicht vorgesehen bzw. nicht möglich.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Änderung der Verdichtung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welcher die Verdichtung variabel, also unabhängig von der Stellung der Gaswechselventile bzw. des Kolbens, geändert werden kann, wobei die Vorrichtung einen möglichst einfachen Aufbau aufweisen und keine nachteiligen Wirkungen für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit sich bringen soll.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Durch das koaxial zu dem Gaswechselventil angeordnete Steuerelement, dessen Verschiebungsrichtung im wesentlichen der Richtung der Oszillationsbewegung des Gaswechselventils entspricht, kann das Steuerelement unabhängig von der Bewegung des Gaswechselventils verstellt werden, so dass eine variable Änderung der Verdichtung problemlos möglich ist. Mit dem Begriff der gleichen Richtung ist in diesem Fall selbstverständlich auch die Gegenrichtung gemeint, da es sich ja um oszillierende Bewegungen handelt, die durchaus auch entgegengesetzt zueinander sein können.
• Der erfindungsgemäße Ventilsitz, den das Steuerelement für das Gaswechselventil bietet, ermöglicht vorteilhafterweise bei einer gemeinsamen Verschiebung des Gaswechselventils und des zugehörigen Steuerelements in jedem Zustand ein normaler Betrieb der Brennkraftmaschine.
• Durch die koaxiale Anordnung des Steuerelements zu. dem Gaswechselventil benötigt das Steuerelement keinerlei Bauraum innerhalb des Brennraums, so dass derselbe im Prinzip nicht verändert wird und sich keine nachteiligen Wirkungen für die Brennkraftmaschine ergeben.
• Eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Anspruch 9 angegeben.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend an Hand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Antriebseinrichtung für das Steuerelement in einer ersten Ausführungsform;
• 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Antriebseinrichtung für das Steuerelement in einer zweiten Ausführungsform; und
• 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Antriebseinrichtung für das Steuerelement in einer dritten Ausführungsform.
• 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2 und einem Kurbelgehäuse 3. Die Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder 4 auf, von denen im vorliegenden Fall lediglich einer dargestellt ist. Innerhalb des Zylinders 4 ist ein Kolben 5 angeordnet, der dort in an sich bekannter weise eine Oszillationsbewegung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt ausführt und dabei einen Brennraum 6 des Zylinders 4 vergrößert bzw. verkleinert.
• Wenn sich der Kolben 5 in seinem unteren Totpunkt befindet, nimmt die Größe des Brennraums 6 ein Maximum ein, wohingegen ein Minimum der Größe des Brennraums 6 entsteht, wenn sich der Kolben 5 in seinem oberen Totpunkt befindet. Das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Volumen des Brennraums 6 wird üblicherweise als die Verdichtung ε der Brennkraftmaschine 1 bezeichnet, die im Regelfall bei sämtlichen Zylindern 4 gleich ist.
• Innerhalb des Zylinderkopfes 2 befindet sich ein gasführender Kanal, im vorliegenden Fall ein Einlaßkanal 7. In nicht dargestellter Weise könnte es sich bei dem gasführenden Kanal jedoch auch um einen Auslaßkanal des Zylinderkopfes 2 handeln. In dem Einlaßkanal 7 ist eine Vorrichtung 8 angeordnet, die, wie nachfolgend beschrieben, in der Lage ist, die Verdichtung ε zu ändern.
• Hierzu weist die Vorrichtung 8, ein Gaswechselventil, im vorliegenden Fall ein Einlaßventil 9, und ein Steuerelement 10 auf. Das Steuerelement 10 besitzt einen Steuerkörper 11 und eine Führungshülse 12 mit einer zentralen Bohrung 13, innerhalb welcher das Einlaßventil 9 geführt ist und welches selbst gegenüber dem Zylinderkopf 2 in einer Bohrung 14 des Zylinderkopfes 2 geführt ist. Gegenüber dem Zylinderkopf 2 ist das Steuerelement 10 mittels eines Dichtungselements 15, das im vorliegenden Fall als am Umfang des Steuerkörpers 11 angebrachter Dichtungsring ausgebildet ist, abgedichtet. In diesem Zusammenhang kann jeder der Zylinder 4 eine Vorrichtung 8 aufweisen, so daß die Verdichtung ε für einzelne Zylinder 4 auch unterschiedlich groß sein kann.
• In an sich bekannter Weise führt das Einlaßventil 9 eine oszillierende Bewegung gemäß dem Pfeil A zwischen einer Offenstellung und einer in 1 und 2 dargestellten Geschlossenstellung aus, um dem Brennraum 6 über den Einlaßkanal 7 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, oder, im Fall einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1, Luft zuzuführen. Der Steuerkörper 11 des Steuerelements 10 bildet an seiner dem Brennraum 6 zugewandten Seite einen Ventilsitz 16 für das Einlaßventil 9, an dem dieses in seiner Geschlossenstellung anliegt. Ruf diese Weise können bisher erforderliche Ventilsitzringe oder dergleichen an dem Zylinderkopf 2 entfallen. Das Steuerelement 10 oder lediglich der Steuerkörper 11 bzw. bestimmte Bereiche desselben können hierzu aus einem ausreichend harten Material bestehen, um den Anforderungen gerecht zu werden, die an Bauteile gestellt werden, die den Belastungen durch auf dieselben einwirkende Gaswechselventile ausgesetzt sind. Bei einer eventuellen Beschädigung des Ventilsitzes 16 könnte dann das Steuerelement 10 ausgetauscht werden anstatt der aufwendigen Nachbearbeitung des Zylinderkopfes, wie dies bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen erforderlich wäre.
• Um die Verdichtung ε ändern zu können, kann das Steuerelement 10 in der Richtung der oszillierenden Bewegung des Einlaßventils 9 bzw. in der Gegenrichtung, also in axialer Richtung, verschoben werden, was durch den Pfeil B angedeutet ist. Es wird deutlich, dass eine Bewegung des Steuerelements 10 aus dem Brennraum 6 heraus bzw. weiter in den Einlaßkanal 7 hinein das minimale und das maximale Volumen des Brennraums 6 vergrößern und somit zu einer geringeren Verdichtung ε führen. Demgegenüber führt eine Bewegung des Steuerelements 10 in den Brennraum 6 hinein zu einer Verringerung des minimalen und des maximalen Volumens des Brennraums 6 und somit zu einer Erhöhung der Verdichtung ε. Mit der Vorrichtung 8 ist eine solche Änderung der Verdichtung ε unabhängig von der Stellung des Einlaßventils 9 bzw. des Kolbens 5 möglich.
• Eine Verringerung der Verdichtung ε kann beispielsweise erwünscht sein, um den Startvorgang der Brennkraftmaschine 1 zu erleichtern. Demgegenüber kann es zum Erzielen einer hohen Leistung der Brennkraftmaschine 1 sinnvoll sein, die Verdichtung ε zu erhöhen. Des weiteren beeinflußt die Größe der Verdichtung ε den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 und bestimmt die Auslegung von Verdichtungsprozessen, die den Abläufen innerhalb des Brennraums 6 vorgelagert sein können, wie beispielsweise die Anwendung von Turboladern oder Kompressoren.
• Wird zum Erhöhen oder Verringern der Verdichtung ε das Steuerelement 10 gemäß dem Pfeil B verschoben, so ändert sich selbstverständlich auch die Position des Ventilsitzes 16 für das Einlaßventil 9, was zu längeren bzw. kürzeren Ventilöffnungszeiten führen kann. Um diese Änderung der Ventilöffnungszeiten zu vermeiden, kann zusätzlich die relative Position des Einlaßventils 9, also dessen Nullage, verschoben werden. Wenn diese beiden Bewegungen gleichzeitig stattfinden, wird der Oszillationsbewegung des Einlaßventils 9 eine globale Verschiebung der beiden Bauteile 9 und 10 überlagert, so daß die Verschiebebewegung des Steuerelements 10 und die oszillierende Bewegung des Gaswechselventils 9 aufeinander abgestimmt sind.
• Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 8 gemäß 2 ist das Dichtungselement 15 als Gewinde zwischen dem Steuerkörper 11 des Steuerelements 10 und dem Einlaßkanal 7 ausgebildet. Diese ebenfalls für die notwendige Dichtheit des Steuerelements 10 gegenüber dem Brennraum 6 bzw. dem Einlaßkanal 7 sorgende Ausführungsform des Dichtungselements 15 trägt außerdem dazu bei, dass die durch das Einlaßventil 9 übertragene Gaskraft nicht über das gesamte Steuerelement 10 geleitet wird.
• 3 zeigt eine Möglichkeit zum Antrieb der Vorrichtung 8, der dafür sorgt, daß das Steuerelement 10 die axiale Bewegung gemäß dem Pfeil B ausführt. Das Steuerelement 10 ist dazu mit einer Antriebseinrichtung 17 versehen, die im vorliegenden Fall einen Elektromotor 18 aufweist, der über einen Schneckentrieb 19 mit der Führungshülse 12 des Steuerelements 10 zusammenarbeitet, wobei für die Umsetzung der Rotationsbewegung des Elektromotors 18 bzw. des Schneckentriebs 19 in die Translationsbewegung des Steuerelements 10 eine geeignete, nicht dargestellte Einrichtung vorgesehen sein kann, deren Aufbau für den Fachmann in einfacher Weise nachvollziehbar ist.
• Gleiches gilt auch für die Ausführungsform der Vorrichtung 8 gemäß 4, bei welcher die Antriebseinrichtung 17 wiederum den Elektromotor 18 aufweist. Allerdings ist zur Verbindung des Elektromotors 18 mit der Führungshülse 12 des Steuerelements 10 eine Stirnradpaarung 20 vorgesehen. Alternativ wäre auch der Einsatz eines Hydraulikmotors oder eines Linearantriebs denkbar.
• Eine mechanische Ausführungsform der Antriebseinrichtung 17 zum Antrieb der Vorrichtung 8 zeigt 5. Hierbei ist eine Nockenwelle 21 vorgesehen, welche über einen ersten Kipphebel 22 das Einlaßventil 9 und über einen zweiten Kipphebel 23 das Steuerelement 10 gemäß den Pfeilen A und B bewegt. Die Nockenwelle 21 ist mit einem konventionell ausgeführten Nocken 24 zur Steuerung des Einlaßventils 9 über den ersten Kipphebel 22 und mit einem rund ausgebildeten Nocken 25 zur Steuerung des Steuerelements 10 über den zweiten Kipphebel 23 versehen.
• Um die axiale Verschiebung des Steuerelements 10 auf die oszillierende Bewegung des Einlaßventils 9 abzustimmen, sind des weiteren nicht dargestellte hydraulische Elemente, wie z.B. Hydraulikzylinder, vorgesehen, um die Nockenwelle 21 derart zu verstellen, dass der zweite Kipphebel 23 für eine axiale Bewegung des Steuerelementes 10 sorgt. Diese Verstellung, die beispielsweise in Richtung des Pfeils C erfolgen kann, sorgt gleichzeitig auch für eine Verstellung der neutralen Lage des Einlaßventils 9, da die Verschiebung der Nockenwelle 21 auf den ersten Kipphebel 22 selbstverständlich die gleiche Auswirkung hat wie auf den zweiten Kipphebel 23.
• Um die Strömung innerhalb des Einlaßkanals 7 nicht zu behindern, weist der Steuerkörper 11 mehrere Ausnehmungen 26 auf, die nur bei der Ausführungsform gemäß 5 zu erkennen, bei den anderen Ausführungsformen allerdings ebenfalls vorhanden sind.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur variablen Änderung der Verdichtung einer Brennkraftmaschine, welche wenigstens einen Zylinder mit einem zugeordneten Kolben und einem zugeordneten Brennraum aufweist, mit wenigstens einem Gaswechselventil, welches eine oszillierende Bewegung ausführt, und mit wenigstens einem Steuerelement, welches unabhängig von der Stellung der Gaswechselventile derart verschieblich gelagert ist, daß eine Verschiebung desselben zu einer Änderung der Verdichtung führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (10) koaxial zu einem der Gaswechselventile (9) angeordnet ist und einen Ventilsitz (16) für dasselbe bildet, wobei die Verschiebungsrichtung des Steuerelements (10) der Richtung der oszillierenden Bewegung des Gaswechselventils (9) im wesentlichen entspricht, dem das Steuerelement (10) zugeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebebewegung des Steuerelements (10) und die oszillierende Bewegung des Gaswechselventils (9) aufeinander abgestimmt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinrichtung (17) zur Herstellung der Verschiebebewegung des Steuerelements (10) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (17) einen Elektromotor (18) und eine die Rotationsbewegung des Elektromotors (18) in eine Linearbewegung des Steuerelements (10) umwandelnde Einrichtung aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die Antriebseinrichtung (17) eine Nockenwelle (21) aufweist, durch welche die Bewegungen des Steuerelements (10) und des Gaswechselventils (9) gemeinsam steuerbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (10) einen Steuerkörper (11) und eine Führungshülse (12) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (12) eine Führung für das Gaswechselventil (9) bietet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilsitz (16) an dem Steuerkörper (11) befindet.
9. Brennnkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.