DE10311229B4

DE10311229B4 - Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE10311229B4
Application number: DE10311229A
Authority: DE
Inventors: Jörn Dr. Getzlaff; Torsten Semper
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-03-15
Also published as: DE10311229A1

Abstract

Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Hubventilsteuerung zum Öffnen und Schließen der Gaswechselventile des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer variablen Hubventilsteuerung eine Endstellung eines Ventiltellers (8) eines axial verschiebbaren Gaswechselventils (3) bei verschlossenem Gaswechselkanal (2) zwischen einem Ventilsitz (5), der innerhalb eines in dem Brennraum (4) des Verbrennungsmotors mündenden Gaswechselkanal (2), beabstandet von der Einmündung in den Brennraum (4), angeordnet ist, und der Einmündung des Gaswechselkanals (2) in den Brennraum (4) variabel einstellbar ist, wobei der Ventilteller (8) bei kleinstem Verdichtungsverhältnis an dem Ventilsitz (5) anliegt und bei größtem Verdichtungsverhältnis die Stirnfläche des Ventiltellers (8) mit einer giebelseitigen Wand (9) des Brennraums (4) in nahezu einer Ebene liegt und der Gaswechselkanal (2) im Bereich zwischen Ventilsitz (5) und dessen Einmündung in dem Brennraum (4) gegenüber dem Ventilteller (8) des axial verschiebbaren Gaswechselventils (3) eine dichtende Flächenpaarung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen.

Es ist bekannt, dass zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors und zum Reduzieren des Kraftstoffverbrauchs die Zylinderverdichtung an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine, insbesondere an die Last unter der die Maschine läuft, anzupassen ist. So soll bei niedriger Last die Zylinderverdichtung erhöht und bei Volllast verringert werden, um somit optimale Betriebsbedingungen für den Motor zu schaffen.

So ist aus der DE 35 26 961 C2 eine Vorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses an einer Brennkraftmaschine vorbekannt, bei der zwei Nebenkolben in den Verdichtungsraum der Verbrennungskraftmaschine verschiebbar angeordnet sind. Durch die Verschiebung der Nebenkolben wird das Volumen und somit das Verdichtungsverhältnis im Brennraum verändert. Die Nebenkolben werden durch einen mechanischen, elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb in die jeweils gewünschte Position verschoben.

Aus der DE 28 29 774 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis vorbekannt, bei dem im Zylinderkopf ein verschiebbarer Hilfskolben mit Kolbenstange angeordnet ist. Durch entsprechendes Verschieben des Hilfskolbens wird das Brennraumvolumen und damit die Verdichtung vergrößert oder verkleinert. Die Verstellung des Hilfskolbens erfolgt abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors.

Nachteilig bei der Verwendung von Neben- oder Hilfskolben zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ist, dass diese Lösungen eine aufwendige Zylinderkopfgestaltung erfordern und eine zusätzliche Steuerung zum Betätigen der Kolben benötigen. Außerdem sind die Platzverhältnisse bei modernen Motoren durch die Anordnung von mehreren Ein- und Auslassventilen im Zylinderkopf stark eingeschränkt, so dass eine zusätzliche Anordnung von Kanälen und den dazugehörigen Kolben zur effektiven Veränderung des Verdichtungsverhältnisses kaum bzw. nicht möglich ist.

Aus der EP 0 330 638 A1 ist eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Verstelleinrichtung zur Verdichtungsänderung eine im Zylinderkopf schiebebeweglich geführte Hülse und dem darin angeordneten Hubventil umfasst. Bei durch das Hubventil geschlossener Hülse bildet diese Einheit einen Kolben, mittels dessen variabler Possition ein Verdichtungsvolumen im Verbrennungsraum des Zylinders betriebspunktabhängig veränderbar ist. Das Hubventil und die Hülse werden über jeweilige Kurvenscheiben betätigt, die auf einer gemeinsamen Steuerwelle angeordnet sind.

Aus der DE 196 42 469 C1 ist eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis vorbekannt, bei der die Verdichtungsänderung durch Verschieben der im Zylinderkopf angeordneten Hülse mit dem darin befindlichen Hubventil erfolgt. Zur Entkopplung der Verstellung des Hubventiles und der verschiebbaren Hülse steht das Hubventil mit einem in der Hülse angeordnetem Aktuator in Verbindung während die Hülse über eine betriebspunktabhängige gesteuerte Kurvenscheibe gesondert im Zylinderkopf zur Verdichtungsänderung verschoben wird.

Die Verdichtungsänderung durch das Verschieben der im Zylinderkopf angeordneten Hülse stellt, insbesondere bei Verwendung von zwei separaten Steuerungseinrichtungen für die Hülse und für das Hubventil, eine kostenaufwendige und komplizierte Lösung dar.

In der DE 36 07 798 C2 wird eine Ventilanordnung einer Brennkraftmaschine beschrieben, mit der ein variables Verdichtungsverhältnis erzielt wird. Durch Verdrehen eines Hubventils, dessen elliptischer Ventilteller gegenüber dem Ventilschaft einen spitzen Winkel bildet, werden im Zylinderkopf angeordnete Nebenkammern verschlossen oder geöffnet. Bei durch den Ventilteller verschlossenen Nebenkammern wird der Brennraum verkleinert und somit das Verdichtungsverhältnis erhöht. Die Teilkreisdrehung des Ventils zum Öffnen und verschließen der Nebenkammern erfolgt mittels rechnergesteuertem Stellglied.

Nachteile bei dieser Lösung sind einerseits in einer komplizierten und aufwendigen Technologie und andererseits in der Platzbegrenzung im Zylinderkopf zu sehen.

Durch die gering zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse ist es kaum möglich, im Zylinderkopf die für die Verdichtungsänderung benötigten Nebenkammern anzuordnen.

Aus der DE 696 18 596 T2 ist ein Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis vorbekannt, bei dem der Verbrennungsraum durch Freigabe von zusätzlichen Kammern erweitert werden kann. Dabei wird eine Kammer durch Verschieben einer Hülse mittels eines druckmittelbetätigten Betätigungskolbens geöffnet bzw. verschlossen. Durch einen Kipphebel wird ein Gaswechselventil in zwei unterschiedliche Positionen verschoben, wobei durch Freigabe bzw. Verschließen einer weiteren Kammer das Volumen des Verbrennungsraums verändert werden kann.

Nachteilig ist ein hoher konstruktiver Aufwand zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses sowie eine aufwendige Steuerung zum Öffnen und Schließen der jeweiligen Kammer zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses. Außerdem kann durch das Öffnen und Verschließen von einzelnen Kammern das Verdichtungsverhältnis nur auf vorbestimmte Werte eingestellt werden. Ein variables Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist nicht möglich.

Aus der DE 43 27 490 C2 ist eine Vorrichtung zur Gaswechselsteuerung einer Brennkraftmaschine vorbekannt, wobei als Gaswechselventile Kolbenschieber eingesetzt werden. Zur Veränderung des Kompressionsvolumens werden die beiden Endlagen des Kolbenschiebers durch verschiedene Nockensteuerungskurven oder durch einen Kipphebel eingestellt.

Nachteilig bei dieser Lösung ist ebenfalls eine aufwendige Steuerung zur Einstellung des jeweiligen Verdichtungsverhältnisses sowie der zusätzlich benötigte Bauraum zum Verstellen der Steuernocken.

Die Steuerung zum Öffnen und Schließen der Gaswechselventile der Verbrennungsmotoren erfolgt in letzter Zeit vielfach mittels an sich bekannten variablen Ventiltrieben, bei dem der Ventilhub stufenlos variabel einstellbar ist. Beispielsweise werden variable Ventiltriebe entsprechend der DE 100 61 618 A1 , DE 197 08 484 A1 und der DE 101 23 186 A1 genannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit geringen technischen Aufwand und bei einem geringen Platzbedarf eine variable Veränderung des Verdichtungsverhältnisses bei einer Brennkraftmaschine zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen betriebenen Brennkraftmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Nutzung einer an sich bekannten variablen Hubventilsteuerung zum variablen Einstellen der Endstellung eines Ventiltellers eines Gaswechselventils bei einem verschlossenen Gaswechselkanals innerhalb des Gaswechselkanals im Bereich zwischen der Einmündung des Gaswechselkanals in einen Brennraum des Verbrennungsmotors und einem beabstandet von der Einmündung in den Brennraum angeordneten Ventilsitz wird der in seiner Größe veränderbare Raum des Gaswechselkanals zwischen der Außenfläche des Ventiltellers bis zur Einmündung des Gaswechselkanals in den Brennraum zur Veränderung und zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses genutzt. Der Gaswechselkanal im Bereich zwischen der Einmündung in dem Brennraum und dem im Gaswechselkanal angeordneten Ventilsitz ist dabei gegenüber dem Ventilteller, des axial verschiebbaren Gaswechselventils, als eine dichtende Flächenpaarung ausgebildet.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Nutzung der Ventilhubverstellung des variablen Ventiltriebs zur Realisierung der variablen Verdichtung keine zusätzlichen Verstellmechanismen benötigt werden. Außerdem werden aufgrund des verhältnismäßig großen Durchmessers der Gaswechselventile zur Einstellung von relevanten Verdichtungsänderungen nur geringe Stellhubänderungen der Gaswechselventile benötigt. Das hat zur Folge, dass zur Hubänderung nur geringe Verstellkräfte und Verstellleistungen aufgebracht werden müssen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors im Querschnitt mit geöffnetem Einlassventil,
2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors im Querschnitt mit verschlossenen Gaswechselkanälen bei einem minimal eingestellten Verdichtungsverhältnis,
3: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors im Querschnitt mit verschlossenen Gaswechselkanälen bei einem maximal eingestellten Verdichtungsverhältnis,
4: eine schematische Darstellung des Gaswechselventils als Einzelheit.
In der 1 ist mit 1 ein Kolben und mit 4 ein Brennraum einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine bezeichnet. In den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine münden an sich bekannte Gaswechselkanäle 2 die durch Ventilteller 8 der Gaswechselventile 3 zum Ladungswechsel der den Brennraum 4 zu- bzw. abgeführten Medien geöffnet und geschlossen werden. Die Gaswechselkanäle 2 sind dabei als Einlasskanal 7 und als Auslasskanal 6 ausgebildet. Die Betätigung der Gaswechselventile 3 und damit die Schließung und Öffnung der Gaswechselkanäle 2 erfolgt über einen nicht dargestellten bekannten variablen Hubventiltrieb. In der 1 ist ein durch ein Gaswechselventil 3 geöffneter Einlasskanal 7 und ein durch ein Gaswechselventil 3 verschlossener Auslasskanal 6 dargestellt.
Innerhalb der Gaswechselkanäle 2 sind Ventilsitze 5 beabstandet von der Einmündung in den Brennraum 4 angeordnet. Der Bereich des Gaswechselkanals 2 zwischen dessen Einmündung in den Brennraum 4 und dem Ventilsitz 5 ist gegenüber dem Ventilteller 8 des axial verschiebbaren Gaswechselventils 3 als eine dichtende Flächenpaarung ausgebildet.
Erfindungsgemäß erfolgt die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Brennraum 4 der Brennkraftmaschine mittels der variablen Hubventilsteuerung, mit der eine Endstellung des Ventiltellers 8 bei verschlossenem Gaswechselkanal 2 im Bereich zwischen Ventilsitz 5 und Einmündung des Gaswechselkanals 2 in den Brennraum 4 einstellbar ist. Zur Einstellung des kleinsten Verdichtungsverhältnisses liegt der Ventilteller 8 des Gaswechselventils 3 an dem innerhalb des Gaswechselkanals 2 angeordneten und von der Einmündung des Gaswechselkanals 2 in den Brennraum 4 beabstandeten Ventilsitz 5 an. In der 2 ist ein Verbrennungsmotor mit einem minimal eingestellten Verdichtungsverhältnis dargestellt. Der Raum des Gaswechselkanals 2 zwischen Stirnfläche des Ventiltellers 8 und der Einmündung des Gaswechselkanals 2 in den Brennraum 4 wird dabei als zusätzlicher Brennraum 4 genutzt, so dass das Verdichtungsverhältnis reduziert wird.
In 3 ist der Verbrennungsmotor mit einem maximal eingestellten Verdichtungsverhältnis dargestellt. Dabei wird mittels der variablen Hubventilsteuerung die Endstellung des Ventiltellers 8 des Gaswechselventils 3 bei verschlossenen Gaswechselkanal 3 derart eingestellt, dass die Stirnfläche des Ventiltellers 8 mit einer giebelseitigen Wand 9 des Brennraums 4 in nahezu einer Ebene liegt.
Zur Einstellung eines gewünschten Verdichtungsverhältnisses kann der Ventilteller 8 jede beliebige Stellung im Gaswechselkanal 2 im Bereich zwischen Ventilsitz 5 und der Einmündung des Gaswechselkanal 2 in den Brennraum 4 einnehmen. Die jeweilige Endstellung des Gaswechselventils 3 bei verschlossenen Gaswechselkanal 2 wird dabei durch eine verstellbare Hubnullpunktregelung des an sich bekannten variablen Hubventiltriebs eingestellt. Bei den an sich bekannten variablen Hubventiltrieben erfolgt eine Einstellung des verstellbaren variablen Hubs vom Nullhub bis zu einem maximalen Hub durch ein im Hubventiltrieb angeordneten Zwischenhebel, wie es beispielsweise in der DE 100 61 618 A1 beschriebenen wurde. Um eine verstellbare Hubnullpunktregelung zu erreichen, ist es erforderlich, die Verstellkurve des Zwischenhebels zur Hubverstellung derart zu gestalten, dass damit eine variable Hubverstellung erfolgen kann.
Um eine bessere Führung des Ventiltellers 8 des Gaswechselventils 3 beim Verschließen des Gaswechselkanals 2 aus der geöffneten Ventilstellung im Gaswech selkanal 2 zu erreichen, ist der Gaswechselkanal 2 im Bereich der Einmündung in den Brennraum 4 mit einer ersten Fase 11 und die Stirnseite des in Richtung Gaswechselkanal 2 zeigenden Ventiltellers 8 mit einer zweiten Fase 10 versehen.
Eine weitere Variante sieht vor das Gaswechselventil 3 mit einem Kolbenschieber als Schließelement auszubilden. Diese Art von Gaswechselventilen, die sich durch eine gute Abdichtungswirkung auszeichnen, sind beispielsweise aus der DE 42 10 765 C2 bekannt. Das Öffnen und Verschließen des Gaswechselkanals 2 erfolgt mittels eines zylindrigen Schieberteils und einer das Schieberteil teilweise umschließenden Gleithülle. Durch den Einsatz derart ausgebildeter Gaswechselventile entfällt das Einfädeln des Ventiltellers 8 in den Gaswechselkanal 2 beim Übergang von einem geöffneten zu einem verschlossenen Gaswechselkanals 2.
Die erfindungsgemäße Lösung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors kann in einem als Einlasskanal 7 und/oder als Auslasskanal 6 ausgebildeten Gaswechselkanal 3 eingesetzt werden. Dabei besteht auch die Möglichkeit zur weiteren variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in dem die Endstellung des Ventiltellers 8 bei verschlossenem Gaswechselkanal 2 im Einlasskanal 7 und im Auslasskanal 6 variabel eingestellt wird.

1: Kolben
2: Gaswechselkanal
3: Gaswechselventil
4: Brennraum
5: Ventilsitz
6: Auslasskanal
7: Einlasskanal
8: Ventilteller
9: giebelseitige Wand des Brennraums 4
10: Fase
11: Fase

Claims

Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Hubventilsteuerung zum Öffnen und Schließen der Gaswechselventile des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer variablen Hubventilsteuerung eine Endstellung eines Ventiltellers (8) eines axial verschiebbaren Gaswechselventils (3) bei verschlossenem Gaswechselkanal (2) zwischen einem Ventilsitz (5), der innerhalb eines in dem Brennraum (4) des Verbrennungsmotors mündenden Gaswechselkanal (2), beabstandet von der Einmündung in den Brennraum (4), angeordnet ist, und der Einmündung des Gaswechselkanals (2) in den Brennraum (4) variabel einstellbar ist, wobei der Ventilteller (8) bei kleinstem Verdichtungsverhältnis an dem Ventilsitz (5) anliegt und bei größtem Verdichtungsverhältnis die Stirnfläche des Ventiltellers (8) mit einer giebelseitigen Wand (9) des Brennraums (4) in nahezu einer Ebene liegt und der Gaswechselkanal (2) im Bereich zwischen Ventilsitz (5) und dessen Einmündung in dem Brennraum (4) gegenüber dem Ventilteller (8) des axial verschiebbaren Gaswechselventils (3) eine dichtende Flächenpaarung aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der an sich bekannte variable Hubventiltrieb eine verstellbare Hubnullpunktregelung aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenhebel des variablen Hubventiltriebs derart ausgebildet ist, dass die Endstellung des Ventiltellers (8) bei verschlossenen Gaswechselkanal (2) zwischen Ventilsitz (5) und Einmündung des Gaswechselkanals (2) in den Brennraum variabel einstellbar ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechselkanal (2) im Bereich der Einmündung in den Brennraum (4) mit einer ersten Fase (11) versehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Gaswechselkanal (2) zeigende Stirnseite des Ventiltellers (8) mit einer zweiten Fase (10) versehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (3) mit einem Kolbenschieber als Schließelement ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechselkanal (2) ein Einlasskanal (7) und/oder ein Auslasskanal (6) des Verbrennungsmotors ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstellung des Ventiltellers (8) bei verschlossenem Gaswechselkanal (2) im Einlasskanal (7) und im Auslasskanal (6) variabel unterschiedlich einstellbar ist.