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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Verbrennungsmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors
wird stark von der Höhe
des Verdichtungsverhältnisses
beeinflusst. Bei Ottomotoren wird eine weitere Erhöhung des
Verdichtungsverhältnisses
dadurch begrenzt, dass sich das Frischgemisch selbst entzündet, bevor
es von der eigentlichen – durch
die Zündung
gestarteten – Flammenfront
erreicht wird (sogenannte „klopfende
Verbrennung"). Diese
Erscheinung tritt bei hoher Last und Volllast des Motors auf und
führt zu
einer mechanischen und thermischen Schädigung des Motors. Insbesondere
bei aufgeladenen Ottomotoren muss daher das Verdichtungsverhältnis – im Vergleich
zu Saugmotoren – sogar
abgesenkt werden, um Klopfen sicher zu verhindern. Als Konsequenz
daraus ist der Kraftstoffverbrauch in der Teillast von aufgeladenen
Ottomotoren schlechter als der nicht aufgeladener Motoren.
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Daher sind Konstruktionen bei Verbrennungsmotoren
wünschenswert,
die eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs des Motors
ermöglichen.
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Bekannte Konstruktionen bei Verbrennungsmotoren,
die eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs des Motors
ermöglichen,
beruhen in vielen Fällen
auf einer Änderung der
wirksamen Länge
der Pleuelstangen und/oder der wirksamen Höhe von Kolben von Verbrennungsmotoren.
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Aus der
DE-A1-3148193 ist ein Verbrennungsmotor
bekannt, bei dem eine Exzenterbuchse drehbar in dem kleinen Pleuelauge
einer Kolbenstange befestigt und über einen Stellhebel verstellbar
ist, der über
eine in dem Schaft der Pleuelstange angeordnete Kolben-Zylinder-Anordnung
betätigbar
ist. Abgesehen von dem beschränkten
Stellwinkel, der sich aufgrund der Anordnung des Stellhebels im
Inneren der Kolbenschürze
ergibt, führt
diese Konstruktion zu einem erhöhten
Gewicht des Pleuels, was unerwünscht
ist.
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Aus der
EP-A1-0812 383 ist weiterhin
ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Pleuelstange kurbelwellenseits über eine
exzentrische Lagerschale auf dem Kurbelzapfen gelagert ist. Die
Lagerschale ist über
einen Zahnradantrieb verstellbar, um das Verdichtungsverhältnis sowie
den Verlauf der Verdichtung bei einer Kurbelwellenumdrehung zu steuern.
Die Konstruktion des Zahnradantriebes ist relativ aufwendig und
weist einen hohen Raumbedarf auf, so dass eine Modifikation vorhandener
Verbrennungsmotoren nicht ohne weiteres möglich ist.
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Eine Konstruktion mit einem aus zwei
teleskopartig axial gegeneinander verschiebbaren Teilen bestehenden
Kolben der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus
der
GB-A-2 370 315 bekannt.
Zwischen den beiden Teilen sind eine Tellerfeder und/oder ein Elastomermaterial
angeordnet, um eine elastische Zusammendrückung des Kolbens bei hoher
Verdichtung und damit eine automatische Verringerung des Verdichtungsverhältnisses
bei hoher Last zu ermöglichen.
Die bei jedem Kolbenhub auftretende Verformung der Tellerfeder dürfte zu
einem schnellen Verschleiß der
Flächen,
an denen die Tellerfeder anliegt, führen, und die Verwendung eines Elastomermaterials
in thermisch hoch beanspruchten Bereichen ist kritisch. Weiterhin
ergibt sich aufgrund der Reibung zwischen der Tellerfeder und deren
Anlageflächen
und/oder der Alterung des Elastomermaterials kein definiertes Ansprechverhalten, und
die Endlagen des Kolbens sind weder im zusammengedrückten noch
im entspannten Zustand des Kolbens einwandfrei definiert. Schließlich ist
der Verstellbereich des Verdichtungsverhältnisses relativ gering.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art zu schaffen,
bei dem eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses
bei einfachem Aufbau ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades des
Motors oder dessen Lebensdauer ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Verbrennungsmotors wird eine einfache und selbstätige Änderung des Verdichtungsverhältnisses bei
einfacher und langlebiger Konstruktion ermöglicht, wobei vorhandene Verbrennungsmotoren
ohne weitere Modifikation weiter verwendet werden können.
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Die Führungsbolzen ergeben eine definierte Führung der
beiden Kolbenteile zueinander, so dass ein Kolbenklemmen sicher
vermieden wird.
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Da Schraubendruckfedern selbst nach
langer Betriebszeit nur geringe Änderungen
der Federkennung aufweisen, ergibt sich ein konstantes Betriebsverhalten,
und die Schraubendruckfedern ermöglichen
weiterhin einen sehr großen
Verstellbereich.
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Dadurch, dass sowohl für den entspannten als
auch für
den zusammengedrückten
Zustand des Kolbens Anschläge
vorgesehen sind, ergibt sich ein definierter Verstellbereich, und
die Federvorspannung im entspannten Zustand ist einstellbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
ergibt sich eine vollständig
selbstregelnde Betriebsweise, die durch den Brennraumdruck angesteuert
wird. Das heißt,
dass sowohl die Stellung für ein
hohes Verdichtungsverhältnis
als auch die Stellung für
ein niedriges Verdichtungsverhältnis
stufenlos durch den momentanen Brennraumdruck im Zylinder und durch
das Arbeitsspiel individuell eingestellt wird. Die Regelung arbeitet
sofort mit Start des Motors, was verglichen mit hydraulischen Betätigungseinrichtungen,
die erst ab einer bestimmten Öltemperatur
(Viskosität!)
betätigt
werden können,
vorteilhaft ist. Weiterhin sind sehr große Änderungen des Verdichtungsverhältnisses
erreichbar, wie sie mit keinem anderen Verfahren möglich sind.
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Durch die Rücknahme des Verdichtungsverhältnisses
sinken Druck und Temperatur im Brennraum und eine Selbstzündung des
noch unverbrannten Gemisches (Klopfen) wird vermieden. Gleichzeitig
wird Energie in der Feder gespeichert. Während der Expansion sinkt der
Brennraumdruck wieder und die Feder drückt das Kolbenoberteil wieder
nach oben. Damit wird die gespeicherte Energie dem Prozess wieder
zugeführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
einer ersten Ausführungsform
des zweiteiligen Kolbens,
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2 eine
Querschnittansicht der ersten Ausführungsform des Kolbens nach 1,
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3 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des Kolbens nach
den 1 und 2 bei entspannter Feder,
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4 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des Kolbens nach
den 1 und 2 bei komprimierter Feder,
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5 eine
Draufsicht auf den unteren Teil des Kolbens nach 3 ohne den oberen Teil und die Feder,
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6 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform des
Kolbens bei entspannter Feder,
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7 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des Kolbens nach 6 bei komprimierter Feder,
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8 eine
Draufsicht auf den unteren Teil des Kolbens nach 6 ohne den oberen Teil und die Feder,
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9 eine
Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Kolbens,
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1 eine
Längsschnittansicht
der Ausführungsform
des Kolbens nach 9.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
des zweiteiligen Kolbens gezeigt, der einen Kolbenunterteil 1 und
einen Kolbenoberteil 2 aufweist, die entlang einer Achse
A-A gegeneinander verschiebbar sind. Der Kolbenunterteil 1 ist
mit einer Bohrung 4 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens versehen.
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Zwischen den beiden Teilen 1, 2 ist
eine Feder 3 angeordnet, die die beiden Teile 1, 2 voneinander
fort vorspannt.
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Die Vorspannung der Feder ist dabei
so zu bemessen, dass durch die von der Motordrehzahl und der Masse
des Kolbenoberteils abhängigen Massenkräfte bis
zur maximalen Motordrehzahl nicht in der Lage sind, das Kolbenoberteil
aus der Stellung „hohes
Verdichtungsverhältnis" heraus zu bewegen.
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Dadurch kann die Verdichtung um mehrere Einheiten
vollautomatisch verstellt werden.
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Der Kolbenoberteil 2 ist
mit dem Kolbenunterteil 1 über vier Führungsbolzen 5 und
die vorgespannte Schraubenfeder 3 verbunden.
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Die Grundeinstellung des Kolbens
lässt sich sowohl
durch die Federvorspannung als auch durch die Höhe der Verdichtungsänderung
verändern.
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Die Federvorspannung kann durch Einstellscheiben
variiert werden; die Höhe
der Verdichtungsänderung
durch Einstellscheiben 6, die die maximale Entspannung
festlegen.
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In 3 ist
die gegenseitige Stellung der beiden Teile bei hohem Verdichtungsverhältnis gezeigt, während sie
in 4 bei niedrigem Verdichtungsverhältnis gezeigt
ist. Zwischen den beiden Teilen sind Anschläge für eine Begrenzung der maximalen
Zusammendrückung
des Kolbens vorgesehen, die durch Anschlagflächen an den beiden Teilen gebildet sein
können.
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Die Verdichtungsänderung wird damit durch eine
Veränderung
des Abstandes der beiden Teile 1, 2 und damit
der Kompressionshöhe
erreicht. Die Feder 3 ist derart vorgespannt, dass erst
mit Überschreiten
eines bestimmten Brennraumdrucks während der Verbrennung (z.B.
30 bar) die Feder 3 zusammengedrückt wird und damit das Verdichtungsverhältnis abgesenkt
wird. Bis zu diesem Brennraumdruck arbeitet der Motor mit dem gewünschten
hohen Verdichtungsverhältnis.
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Damit ergibt sich eine vollständig selbstregelnde
Betriebsweise, die stufenlos durch den momentanen Brennraumdruck
angesteuert wird.
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Weiterhin sind sehr große Änderungen
des Verdichtungsverhältnisses
erreichbar, die lediglich von dem Abstand der beiden Teile 1, 2
im entspannten Zustand der Feder(n) 3 abhängen
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Im Kolben ist ein maximaler Verstellweg
vorgesehen, der bei einem bestimmten Brennraumdruck erreicht wird.
Das damit vorgegebene „niedrige
Verdichtungsverhältnis" ist dabei so bemessen,
dass durch Regelung des Zündzeitpunktes „Klopfen" sicher vermieden
werden kann. Durch Dimensionierung der vier Parameter: „hohes
Verdichtungsverhältnis", Vorspannung der
Feder (=Brennraumdruck, bei dem die Verstellung beginnt), maximaler
Verstellweg (=Brennraumdruck bei dem dieser erreicht wird) und „niedriges
Verdichtungsverhältnis" lässt sich
das System an jede Motorkonfiguration konstruktiv anpassen.
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Bei der Ausführungsform nach den 1 bis 5 ist eine einzige Feder 3 vorgesehen,
die in Ausnehmungen 7, 8 der Unterseite der Kolbenbodens
des Kolbenoberteils 2 bzw. eines Federtellers 9 (5)des Kolbenunterteils 1 gehaltert
ist. Dieser Federteller ist lediglich über Stege 10 mit der
Umfangswand des Kolbenunterteils 1 verbunden, so dass das
Gewicht des Kolbens nicht wesentlich vergrößert wird.
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Bei der Ausführungsform nach den 6 bis 8 sind vier Federn 3 vorgesehen,
die jeweilige Führungsstifte 5 umgeben.
Hierbei können
die einzelnen Federn schwächer
und kleiner ausgebildet sein, und es ergibt sich eine verbesserte
Führung
der Teile relativ zueinander.
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Die 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform,
bei welcher der Kolben (20) in seiner Außenkontur
unverändert
bleibt. Die Kolbenbolzenlager sind dabei Bestandteil einer im Kolben
befindlichen Platte 21, welche die Führungsbolzen (22)
aufnimmt. In diesem Falle sind vier vorgespannte Federn 23 vorgesehen,
die – wie
oben beschrieben – den
Kolben bis zu einem voreingestellten Brennraumdruck im oberen Verdichtungsverhältnis halten. Diese
Variante hat die Vorteile, dass Kolbenoberteil und Kolbenhemd ein
Bauteil bleiben und erlaubt bei optimaler konstruktiver Auslegung
eine niedrigere Bauhöhe,
als die Ausführungsformen
nach den 1 bis 8.