DE1809160B2 - Ventilanordnung in einem arbeitskolben einer hubkolben-brennkraftmaschine mit selbsttaetig veraenderbarem kompressionsverhaeltnis - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

1.mc uci ill ligc uci\»niiiic nnui uiuiug [uo-i .3 3 Oj B31) besteht aus /wci Ventilen, die im Kolben in der Nähe ihrer zugeordneten Druckmitlclkamniern angeordnet smil und jeweils eine Ventilfeder aufweisen.

die das zugeordnete Ventilglied auf den Ventilsitz preßt. Zwischen beiden Ventilen erstreckt sich ein etwa in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufender Kanal, der mit öl gefüllt ist, und die Trägheitskraft dieses Öls wirkt jeweils auf das eine Ventilglied im Öffnungssinne, welches in gleicher Richtung durch die eigene Trägheitskraft beaufschlagt ist. Jedoch stehen die Ventilglieder noch unter der Vorspannkraft ihrer Federn und reagieren somit ein wenig verzögert.

Ventile ohne Ventilfeder in einem Arbeitskolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sind an sich bekannt (US-PS 32 00 798), jedoch in Verbindung mit einer in dem Arbeitskolben vorgesehenen Pumpe, deren Saug- und Druckhub von dem federlosen Ventil gesteuert wird.

Der Erfndung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der oberbegrifflichen Art als zusammengesetztes Ventil auszugestalten, welches beide Ventilglieder enthält und welches eine einfachere Anordnung als bisher bekannt darstellt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe mit Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergibt sich aus den Ansprüchen.

Die neue Ventilanordnung hat den besonderen Vorzug, daß sie weniger kompliziert ist als bekannte Anordnungen, geringere Kosten verursacht, weniger zu Betriebsstörungen neigt und leichter ein- und ausgebaut werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsquerschnitt durch einen Kolben mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Ventilanordnung nach F i g. 1,

Fig.3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 nach F i g. 1 in etwas vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 eine Ansicht, ähnlich der nach Fig. 2. einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in F i g. 4,

Fig. 6 eine Ansicht, ähnlich der nach Fig. 2, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die in Fig. 6 gezeigte Konstruktion.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann zusammenfassend wie folgt beschrieben werden: Ein zweiteiliger Kolben 10 für ein veränderbares Kompressionsverhältnis besitzt ein äußeres Teil 14, das relativ zu einem inneren Teil 12 bewegbar ist, und ein hydraulisches System zum automatischen Steuern der Relativbewegung dieser Teile, um einen vorbestimmten maximalen Brennkammerdruck aufrechtzuerhalten. Das hydraulische System umfaßt eine obere und eine untere Druckmittelkammer 30 bzw. 32, die sich bei einer relativen Bewegung der Kolbenteile gegensinnig ausdehnen und zusammenziehen, sowie eine Vorrichtung zum Zuführen und Ablassen eines inkompressiblen Druckmittels zu und von diesen Kammern 30 bzw. 32 in einer Weise, daß allmählich das Kompressionsverhältnis der Maschine steigt, bis ein vorbestimmter maximaler Brennkammerdruck erreicht ist. und daß danach tendenziell der maximale Brennkammerdruck aufrechterhalten wird. Das Druckmittel besteht vorzugsweise aus dem Öl des Schmiersystems der Maschine und wiiü dein Kulbcil i0 düTCh die ricücisiiüigc 26 zugeführt. Das hydraulische System besitzt eine neuartige Ventilanordnung, die das öl den beiden Kammern 30 b/w. 32 zuführt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das innere Teil 12 des Kolbens 10 über einen Bolzen 28 mit der Pleuelslunge 26 verbunden und trägt an seinen Außenflächen das äußere Teil 14 gleich einem Mantel. Da-, äußere Teil 14 besitzt einen Kopf 16, der als Kolbenboden dient und die bewegbare Wand der Brennkammer des Motors bildet. Das innere Teil 12 ist relativ zu dein äußeren Teil 14 axial verschiebbar und ist mit Ringen !8, 20 und 22 versehen, die an der Innenflache des äußeren Teils 14 anliegen v-v.d das Druckmittel zwischen beiden Kam- ι mcrn 30.32 abdichten.

Das innere Teil 12 wird axial zwischen festgelegten oberen und unteren Stellungen mittels der Pleuelstange 26 bewegt, während sich das äußere Teil 14 axial nach oben und unten relativ zum Innenteil 12 innerhalb von ι Grenzen, die noch beschrieben werden sollen, bewegen kann. Dabei verändert sich das Volumen der beiden Druckmittelkammern 30 bzw. 32, die sie*¹ im Bereich des Kolbenbodens 16 bzw. am pleuelseitigen Kolbenrand befinden. Die untere Druckmittelkammer 32 befindet _: sich in einer ringförmigen Ausnehmung am unteren Ende des Teils 12 und wird von einem Ring 34 mit Dichtring 36 begrenzt, die an dem Teil 14 befestigt sind. Eine Drosselbohrung 37 läuft durch den Ring 34 und stellt eine Verbindung zwischen der Kammer 32 und dem Kurbelgehäuse der Maschine her.

Der Ring 34 und die untere Fläche des Kolbenbodens 16 bilden Anschläge für die axiale Bewegung des Teils J4 relativ zum Teil 12 und bestimmen somit die Grenzen der variablen Höhe des Kolbens 10, gemessen von der Mitte des Kolbenbolzens 28 zu der Oberseite des Kolbenbodens 16. Diese Bewegung des Teils 14 relativ zum Teil 12 wird durch das zugeführte inkompressible Druckmittel in und aus den Kammern 30 und 32 automatisch gesteuert. Das Druckmittel — vorzugsweise Öl — wird über einen Kanal 38 in der Pleuelstange 26, eine ringförmige Nut 40 in dem Kolbenbolzen 28 und einen Auslaß 42 einem ölsammler 46 zugeführt, der auf der Pleuelstange 26 gleitet, in einer Aussparung 48 des Teiles 12 angeordnet ist und eine Kappe 49 sowie eine Feder 50 aufweist. Die Kappe 49 ist mit einer axialen öffnung 51 versehen, durch die das öl in den Hohlraum 48 gelangt. Von dort gelangt das öl in einen Kanal 52, der zu einer Ventilanordnung 54 führt. Ein im Teil 12 vorgesehener Kanal 56 verbindet das untere Ende der Ventilanordnung 54 mit der unteren Kammer 32, während deren oberes Ende unmittelbar mit der oberen Kammer 30 verbunden ist.

Öl wird von der oberen Kammer 30 in das drucklose Kurbelgehäuse über ein Druckbegrenzungsventil 58 abgelassen. Dieses ist in einer Abflußbohrung angeordnet und hebt von dem Sitz 60 ab, wenn der über Kanäle 61 dem Ventilkegel 62 zugeführte Öldruck in der oberen Kammer 30 einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Die Ventilanordnung 54, wie am besten aus F i g. 2 zu ersehen ist, umfaßt ein Gehäuse 66, das in einer Bohrung

63 in Richtung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 10 angeordnet ist und Anschläge 68 an jedem Ende aufweist. Die Lage in der Bohrung 63 wird durch eine Abstandshülse 72 und einen Haltering 74 gesichert. Die Abstandshülse 72 liegt gegen eine Schulter am Ende

64 der Bohrung 63 an. Die Bohrung 63 steht am oberen F.nde mit der oberen Kammer 30 und am unteren Ende 64 mit dem Kanal 56 in Verbindung. Das Gehäuse 66 isi mit einer äußeren ringförmigen Nut 76 verschen, die mit dem Kanal 52 fluchtet und mit einem Innenraum 78 über eine Vielzahl von am Umfang verteilten Öffnungen 80 in Verbindung steht. An beiden Enden des Innenraumes 78 ist jeweils ein Ventilsitz 82 für jeweils eine Ventilplalie 84 vorgesehen. An den hülsenartigen Enden 86 des Gehäuses 66 sitzen die Ansehläge 68 und grenzen eine Kammer 88 an jedem Ende des Gehäuses 66 ab, in denen die jeweilige Ventilplatte 84 beherbergt wird und sich frei /wischen einer den Kanal 78 abschließenden Stellung und einer Öffnungss'.ellu.ig bewegen kann, in der die jeweilige Ventilplatte 84 mit dem zugehörigen ο Anschlag 68 in Berührung steht.

Wie am besten Fig. 3 zeigt, haben die Ventilplatten 84 die Form von flachen runden Scheiben mit sehnenartig (89) entfernten Teilen, so daß sie eine etwa dreieckige Gestalt in der Draufsicht haben. Diese Gestalt wird wegen der guten Zentrierung der Platten und als Vorkehrung gegenüber Verklemmen der Ventilplatten 84 an den hülsenartigen Enden 86 bevorzugt. Die Anschläge 68 haben außerdem einen größeren Durchmesser als die Ventilplatte» 84 und >u weisen radial sich erstreckende Zungen 90 auf, so daß das Öl durch die Zwischenräume zwischen den Zungen 90 fließen kann, wenn sich die Ventilplatte 84 in der Öffnungsstellung an dem Anschlag68 befindet.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung if, soll angenommen werden, daß der Brennkammerdruck unter dem vorbestimmten Maximalwert liegt, für den der Kolben 10 mit veränderbarem Kompressionsverhältnis ausgelegt ist, und daß die obere und die untere Kammer 30 bzw. 32 beide mit Öl gefüllt sind. Während ίο des letzten Teils eines jeden Aufwärtshubs des Kolbens 10 am Ende des Auspuffhubs und des ersten Teils eines jeden nach unten gerichteten Ansaughubs hat infolge der Massenträgheit das äußere Teil 14 die Neigung, sich nach oben relativ zum inneren Teil 12 zu bewegen und dabei die obere Kammer 30 zu vergrößern und die unlere Kammer 32 zu verkleinern. Der sich ergebende Anstieg des Öldrucks in der unteren Kammer 32 sowie die Massenträgheit der Ventilplatten 34 bewirken, daß die untere Ventilplatte 84 sich nach oben gegen den unteren Ventilsitz 82 in die in Fig. 2 dargestellte Schließstellung bewegt, d. h., den Kanal 52 zur unteren Kammer 32 sperrt. Auf diese Weise werden die Teile 12 und 14 aufgrund des in der unteren Kammer 32 enthaltenen Öls hydraulisch verriegelt, so daß während eines jeden Kolbenhubes höchstens eine relativ geringe Aufwärtsbewegung des äußeren Teiles 14 in bezug auf das innere Teil 12 stattfindet, wie sie durch den Austritt von öl aus der unteren Kammer 32 durch die Drosselbohrung 37 erlaubt wird. Die Vergrößerungstendenz der oberen Kammer 30 und die Massenträgheit der oberen Ventilplatte 84 bringt diese nach oben in die in F i g. 2 dargestellte Öffnungsstellung in Anlage an den Anschlag 68, so daß Öl zur oberen Kammer 30 strömt und diese mit öl gefüllt hält.

Der von der unteren Kammer 32 durch die Drosselbohrung 37 gesteuerte Abfluß erlaubt so ein allmähliches zyklisches Abnehmen des Volumens der unteren Kammer 32 und somit ein entsprechendes Ansteigen des Volumens der oberen Kammer 30. um do eine relative Aufwärtsbewegung zwischen dem äußeren Teil 12 und dem inneren Teil 14 zu ermöglichen. Wie die obere Kammer 30 ihr Volumen vergrößert, wird Öl von dem Schmiersystem durch die Ventilanordnung 54 zu der oberen Kammer geleitet, um diese in gefülltem ds Zustand /u halten.

Während des Verdichtungs- und Arbeitshubs wird der auf den Kolbenboden 16 wirkende Gasdruck auf das Teil 12 über das Öl in der oberen Kammer M)

übertragen, wobei ein hoher Öldruck in der Kammer 30 entsteht. Wenn dieser (und damit der Gasdruck) eine vorbestimmte obere Grenze überschreitet, öffnet das Druckbegrenzungsventil 58 und läßt etwas Öl aus der Kammer 30 ab, so daß das Teil 14 sich relativ zum Teil 5 12 nach unten bewegen kann und somit das Kompressionsverhältnis des Motors verringert wird. Die nach unten gerichtete relative Bewegung des Außenteils 12 vergrößert die Kammer 32 und die untere Vcniilplatte 84 der Ventilanordnung 54 wird in die in Fig. 1 dargestellte Öffnungsstellung gegen den unteren Anschlag 68 bewegt, um die untere Kammer 32 zum Kanal 52 zu öffnen, so daß Öl in die untere Kammer 32 einströmt. In dieser Situation bewirken der Druck in der Kammer 30 sowie die Massenträgheit der oberen Ventilplatte 84, daß sich diese in die in Fig. 1 gezeigte Stellung bewegt und den ölfluß von der Ventilanordnung 54 zur oberen Kammer 30 abschließt.

Der aus der oberen Kammer 30 während des Kompressionshubs abgelassene Ölbetrag hängt von dem Drucküberschuß und der Zeitspanne ab, während welcher der Zylindergasdruck den Ansprechdruck des Druckbegrenzungsventils 62 überschreitet. Die Ventilfedereinstellung und die Dauer des Gasdrucküberschusses bestimmen die Abwärtsbewegung des Teils 14 2s relativ zum Teil 12. Auf der anderen Seite ist die relative Aufwärtsbewegung bei jedem Auspuff- und Ansaughub die gleiche und wird von der Größe der Drosselbohrung 37 bestimmt. Wenn die relative Aufwärts- und Abwärtsbewegung gleich ist, wie im Fall, wenn der Motor unter einer konstanten Last läuft, bleibt das Kompressionsverhältnis unverändert. Wenn die Last sich erhöht, überwiegen die Abwärtsbewegungen so lange, bis das Kompressionsverhältnis ausgeglichen ist. Wenn umgekehrt die Last sich verringert, erfolgt eine is Verschiebung der Teile, bis das Kompressionsverhältnis zu einem neuen Gleichgewicht angestiegen ist.

Die Vorteile der Ventilanordnung 54 der vorliegenden Erfindung gegenüber bekannten Einlaßventilen besteht in der einheitlichen Konstruktion, d. h., zwei Einlaß-Rückschlagventile sind in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Bisher umfaßten die beiden Einlaßventile eine Anzahl von Teilen an unterschiedlichen Stellen des Teiles 12. Die Ventile waren schwer einzustellen und zu prüfen. )e ein Einlaßventil mit gesondertem Gehäuse — die letzte Entwicklung auf diesem Gebiet — war für jede Kammer erforderlich. Die vorliegende Ventilanordnung besteht aus verhältnismäßig wenig Teilen, die unter der Einwirkung der Trägheitskräfte sowie der Drucke arbeiten, die während so des Betriebs des Motors erzeugt werden, ohne daß Federn erforderlich sind. Es treten weniger Fchlfunktioncn als bei bisher bekannten Ventilen auf.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform 154 der erfindungsgemäßen Ventilanordnung. Die Ventilanordnung 154 (Fig. 4) ist in einer Bohrung 163 des Teils 12 untergebracht, umfaßt ein Gehäuse 166, Abstandshülsen 172 und Anschläge 168 an jedem Ende und wird in der Bohrung 163 durch Halteringe 174 gehalten. Das Gehäuse 166 ist mit einer ringförmigen Nut 176 versehen, die zu dem Kanal 52 fluchtet und mit dem Gehäuseinneren 178 über eine Reihe von am Umfang verteilten Bohrungen 180 in Verbindung steht. Ventilsitze 182 sind an jedem Ende des Gehäuseinneren 178 ausgebildet und dazu bestimmt, mit Ventilplatten 184 zusammenzuarbeiten, die gleichartig zu den Vcntilplattcn 84 der ersten Ausführungsform sind.

Die Abstandshülsen 172 sind zylindrisch und sitzen in ringförmigen Ausnehmungen 186 des Gehäuses 166, so daß jeweils eine Kammer 188 zu den Anschlägen 168 gebildet wird.

Wie am besten F i g. 4 zeigt, weisen die Anschläge 168 nach oben bzw. unten reichende Lappen 168/4 bzw. 168ß auf, die durch radiale Schnitte in einem runden Teil und Umbiegen hergestellt werden und den Durchfluß von öl auch dann ermöglichen, wenn die zugehörige Ventilplatte 184 aufliegt.

In den F i g. 6 und 7 ist eine weitere Ventilanordnung 254 dargestellt, die ein Gehäuse 256 aufweist, das in einer Bohrung 262 untergebracht ist, deren oberer Abschnitt Gewinde 264 trägt. Das Gehäuse 256 weist ein sich axial erstreckendes Inneres 266 mit kammerartigen Erweiterungen 268 bzw. 270 an jedem Ende auf. Der Kanal 52 mündet in eine Ringnut 272 zwischen Gehäuse und Wand der Bohrung 262 und wird durch O-Ringdichtungen 274 abgedichtet. Die Ringnut 272 steht mit dem Gehäuseinneren 266 über Querbohrungen 276 in Verbindung. An der Übergangsstelle zwischen den Abschnitten 266 und 268 bzw. 270 des Gehäuseinneren sind Ventilsitze 278 bzw. 280 für kugelförmige Ventilglieder 282 vorgesehen. Quer sich erstreckende Stifte als Anschläge 284 begrenzen die Bewegung der kugelförmigen Ventilglieder 282.

Die Ventilanordnung 254 arbeitet etwa wie die bereits beschriebenen Ausführungsformen. Die Kugeln 282 bewegen sich unter dem Einfluß des Druckes in der Kammern 30 und 32 und der während des Betriebs de> Motors auftretenden Trägheitskräftc relativ zu den Ventilsitz 278 bzw. 280 derart, daß der Zufluß von öl zi den Kammern 30 und 32 in einer Weise gesteuert wird daß diese Kammern mit Öl gefüllt bleiben und Öl vor den Kammern nur über das Druckbegrenzungsventil 5J und die Drossclbohrung 37 entweicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Ventilanordnung in einem Arbeitskolben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit selbsttätig ver- s änderbarem Kompiessionsverhältnis, wobei der Kolben zwei in Richtung seiner Hin- und Herbewegung relativ zueinander bewegbare Teile aufweist, von welchen eines den Arbeitsraum der Maschine begrenzt und das andere mit dem Pleuel verbunden ist, zwischen beiden zwei Druckmittelkammern gebildet sind, deren Volumina gegensinnig in Abhängigkeit von den aus der Hin- und Herbewegung des Kolbens resultierenden Massenkräften und vom Druck des hydraulischen Druckmittels veränderbar sind, die Ventilanoidnung zwei in Öffnungsund Scliiießrichtung den aus der Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens resultierenden Massenkräften unterworfene bewegliche Ventilglieder aufweist, von welchen je eines die Druckmittelzufuhr zu einer der beiden Kammern derart beherrscht, daß es im Schließsinn vom jeweils in der ihm zugeordneten Kammer herrschenden Druckmitteldruck beaufschlagt ist, während im Öffnungssinn der Druck des Druckmittels wirkt, das von einer Druckmittelquelle her einem in einem der beiden Kolbenteile gebildeten Raum zugeführt wird, an dessen sich gegenüberliegenden Enden der Ventilsitz für je eines der Ventilglieder angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum durch ein in dem einen Kolbenteil (12) befestigtes Gehäuse (66, 166, 256) gebildet ist, das in seinem radial und axial inneren Bereich die beiden Ventilsitze (82; 182; 278, 280) für die vorspannungslos beweglichen Ventilglieder (84,184,282) bildet und in seinem radial und axial äußeren Bereich je einen Anschlag (68; 168; 284) zur Begrenzung der Ventiiöffnungsbewegung aufnimmt bzw. festlegt.
2. 2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (84,184) als eine etwa runde Platte mit sehnenartig (89) entfernten Teilen ausgebildet ist.
3. 3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (282) als Kugel ausgebildet ist.
4. 4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (68) als runde Platten mit radialen Zungen (90) und sektorartigen Ausschnitten ausgebildet sind.
5. 5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (284) als Stifte ausgebildet sind, die sich quer zur örtlichen Fließrichtung erstrecken.
6. 6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (168) als runde Platte mit zentraler Aussparung und nach oben und unten umgebogene Lappen (168/4, 168ß;ausgebildetsind.