DE2632440C2

DE2632440C2 - Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis

Info

Publication number: DE2632440C2
Application number: DE2632440A
Authority: DE
Inventors: Alexander P. Broomfield Hills Brouwers; Alfred M. Muskegon Karaba; Thomas J. Grand Haven Mich. Pearsall
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1975-09-10
Filing date: 1976-07-19
Publication date: 1982-07-08
Also published as: FR2323882A1; GB1566571A; DE2632440A1; US4016841A; GB1566572A; CA1056733A; FR2323882B1

Description

ίο Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (US-PS 36 56 412) ander' sich die Relativbewegung des inneren und äußeren Kolbenkörpers das Kompressionsverhältnis des jeweiligen Zylinders, in dem sich der Kolben bewegt. Zwischen den oberen und unteren Enden der inneren und äußeren Kolbenkörper bilden sich dabei obere und untere Kammern, deren Volumina sich entsprechend der Kolbenbewegung ändern. Den Kammern wird ein inkompressibles Fluid, beispielsweise ein Schmieröl, zugeführt, um das Kompressionsverhältnis allmählich solange zu ändern, bis sich ein bestimmter Verbrennungsdruck eingestellt hat. Das Hydrauliksystem verändert dann die Bewegung der Kolbenkörper mit dem Ziel, einen einheitlichen, maximalen Verbrencungskammerdruck aufrechtzuerhalten. Dabei hängt die Kraft zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen den Kolbenkörpern von der

Massenträgheit, dem Öldruck und dem Zylinderdruck ab. Die Trägheitskräfte vergrößern sich proportional mit dem Quadrat der Motordrehzahl, so daß bei hohen Drehzahlen die Arbeitsweise des Druckentlastungsventils infolge der auf die Ventilteile einwirkenden Trägheitskräfte so stark beeinträchtigt wird, daß ein größerer Druck erforderlich ist, um das Einwegeinlaßventil bei hohen Motordrehzahlen zu öffnen.

Bei der bekannten Konstruktion ist nun zwischen den beiden Kammern ein Verbindungskanal vorgesehen, der zwar ventillos ist und somit das Problem des Öffnens und Schließens des Ventils bei hohen Drehzahlen vermeidet, der jedoch eine einen Öffnungsstopfen bildende Einschnürung aufweist Ein zweiter Kanal innerhalb des Kolbens besitzt an Stelle eines Stopfens

ein Rückschlagventil.

Auch bei der aus der US-PS 34 50 111 bekanntgewordenen Brennkraftmaschinenkonstruktion sind die Strömungsmittelkarnmern verbindenden Kanäle ventilgesteuert, so daß auch hier eine Beeinträchtigung des Ventilbetriebs durch einwirkende Trägheitskräfte nicht verhindert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 auf einfache Art so auszubilden, daß die Wirkungen der Trägheitskräfte auf das Austragsventil bei der zwischen den beiden Kolbenteilen stattfindenden Relativbewegung reduziert werden, um ein schnelleres Ansprechen der Maschine auf Belastungsänderungen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungssgemäß dadurch gelöst, daß der zweite Kanal nicht verengt ist und daß sich in dem einen der beiden Kolbenträger ein die Kammer mit dem Kurbelgehäuse verbindender Austragskanal befindet, in dem ein normalerweise geschlossenes Ventil angeordnet ist, welches bei einem bestimmten Strömungsmitteldruck in der Kammer öffnet und den Austritt einer Strömungsmittelmenge aus der Kammer in das Kurbelgehäuse ermöglicht, und

daß das Ventil einen abgeschrägten Dichtungsring aufweist, dessen radialer Rand sich in einer Lage befindet, in der der Durchfluß durch den Kanal gesperrt ist und der bei einer bestimmten Druckbeaufschlagung aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung biegbar ist, in der das Strömungsmittel rund um den radialen Rand ausströmt

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachfolgend des an Hand in der to Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Längsquerschnittansicht einer Kolbenanordnung in einer bestimmten Betriebsstellung,

F i g. 2 eine der Fig.! ähnliche Ansicht der Kolbenanordnung, jedoch in einer anderen Betriebsstellung,

F i g. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 1, und

F i g. 4 eine Querschnittsansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 2.

In der Zeichnung ist ein Kolben 10 für ein variables Kompressionsverhältnis dargestellt, der einen inneren Körper 12 mit einem in radialer Richtung recfuzierten oberen Teil 14 aufweist Auf der äußeren Oberfläche des reduzierten Teils 14 ist ein äußerer Körper 16 gelagert

Der äußere Körper 16 weist eine Krone 18 auf, die als Kopf des Kolbens 10 dient und eine bewegliche untere Wand der Verbrennungskammer der Maschine bildet. Der äußere Körper 16 ist in axialer Richtung auf der äußeren Oberfläche des Teils 14 des inneren Körpers 12 gleitend gelagert

Oben auf dem inneren Körper 12 ist vorzugsweise mit Schrauben 23 (F i g. 3) eine Platte 22 befestigt, und ein Ring 24, der mit einem Außengewinde 26 versehen ist, ist auf das Gewinde 28 auf der inneren Oberfläche des unteren Teils des äußeren Körpers 16 aufgeschraubt, wobei jedoch die Gewindeverbindung 24, 16 nur eine bevorzugte Form der Befestigung sein soll. Ein Verriegelungselement beispielsweise ein Verriegelungsstift 30, hält den Ring 24 an Ort und Stelle. Eine Dichtung 32, die von der Platte 22 getragen wird, berührt die innere Oberfläche der Krone 18, während eine Dichtung 34, die von dem reduzierten Teil 14 des inneren Körpers 12 getragen wird, mit dem Ring 24 in Berührung rteht um zwischen den Körpern im Bereich ihrer gleitenden Berührung eine Strömungsmitteldichtung bilden.

Eine obere Kammer 36 ist zwischen der Platte 22 und der inneren Oberfläche der Krone 18 ausgebildet, während eine untere ringförmige Kammer 38 zwischen dem unteren Rand der Platte 22, dem äußeren Körper 16 und dem Ring 24 ganz in der Nähe des Ringnutenbereiches 37 des Kolbens 10 vorgesehen ist.

Der Dichtungsring 34 dient dazu, ölleckage aus der unteren Kammer zu verhindern, ausgenommen das durch den Kanal 40 austretende öl. Der Kana! 40, der in der Platte 22 ausgebildet ist verbindet die obere Kammer 36 mit der unteren Kammer 38.

Der innere Körper 12 ist über einen Kolbenzapfen 44 mit einer Verbindungsstange 42 verbunden, so wie dies in der üblichen Weise beim Anschließen von Motorkolben an eine Pleuelstange geschieht Eine ölsammleranordnung, die allgemein mit 46 bezeichnet ist, wird in einem Teil 48 des inneren Körpers 12 getragen, der sich abwärts erstreckt und mit der Oberseite der Verbindungsstange 42 in Elerüiin.ng steht Die Sammleranordnung 46 weist vorzugsweise einen inneren Kernkörper 50 auf, der in einer Aussparung 52 des inneren Kolbenkörpers 12 gleitend getragen wird und einen unteren Rand aufweist, welcher seiner Form nach an d;e Oberseite der Verbindungsstange 42 angepaßt ist, so daß dann, wenn die Verbindungsstange.42 sich auf dem Zapfen in bezug auf den inneren Kolbenkörper 12 dreht sich die untere Oberfläche des Kernkörpers 50 dicht an die Oberseite der Verbindungsstange 42 anlegt Eine in der Aussparung 52 getragene Feder 54 drückt den Kernkörper 50 nach außen und bringt ihn dadurch mit der Verbindungsstange 42 in Berührung.

Der Kernkörper 50 ist mit einer zentralen öffnung 56 versehen, die mit einem Austrittskanal 58 in der Verbindungsstange 42 fluchtet Der Kanal 58 ist durch nichtdargestellte Mittel an das Schmiersystem der Maschine angeschlossen.

In einer Kammer 62, die in der Platte 22 ausgebildet ist, sitzt eine Ventilanordnung 60. Diese Ventilanordnung weist einen mittleren, im wesentlichen rohrförmigen Teil 64 auf, der sich mit seinem unteren Ende durch den oberen Teil des inneren Körpers 12 erstreckt um mit der Aussparung 52 zu fluchten. Das obere Ende erstreckt sich dutch die Platte 22 hindurch und hat einen Kanal 66, der sich in die obere Kammer 36 hinein öffnet. Eine Kugel 68 wird in dem rohrförmigen Teil 64 getragen und befindet sich normalerweise auf einem Sitz 70, um dadurch den Strömungsmittelfluß durch den rohrförmigen Teil 64 zum Kanal 66 zu blockieren, wird aber unter Druck- und Trägheitskrafteinwirkung in eine Lage bewegt in der der Strömungsmittelfiuß durch die öffnung freigegeben ist

Ein sich in radialer Richtung erstreckender mittlerer Teil 72 der Ventilanordnung ist so ausgebildet, daß er ein Austragsventil 74 in Form einer konischen Unterlegscheibe oder Tellerfeder trägt Dieses Austragsventil 74 blockiert in seiner geschlossenen Stellung die Strömung aus einem Kanal 76, der über die Platte 22 mit der oberen Kammer 36 und einem Kanal 78 verbunden ist, welcher durch den inneren Körper 12 mit dem nicht dargestellten Kurbelgehäuse der Maschine in Verbindung steht.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der innere Körper 12, der mit der Verbindungsstange 42 in üblicher Weise verbunden ist, sich in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine innerhalb festliegender Grenzen wie ein herkömmlicher Kolben aufwärts und abwärts bewegt. Der äußere Körper 16 bewegt sich innerhalb des Zylinders in den axialen Grenzen hin und her, wobei die untere Grenze dann gegeben ist, wenn die Krone 18 die Oberseite der Platte 22 berührt, und die obere Grenze dann gegeben ist, wenn die Oberseite des Rings 24 den unteren Rand der Platte 22 berührt. Wenn sich also der Kolben 10 hin- und herbewegt ist der äußere Körper 16 bestrebt, sich unter der Wirkung der Trägheitskraft in Richtung auf seine äußerste oberste Stellung und seine äußerste untere Stellung zu bewegen. Das den Kammern 36 und 38 zugeführte Schmiermittel steuert jedoch diese Bewegung so, daß die Maschine ein höheres Kompr^sionsverhältnis erhält, während gleichzeitig ein bestimmter maximaler Verbrennungskammerdruck aufrechterhalten wird, der durch die Öffnungsdruckeinstellung des Ventils 74 fjegeben ist.

Dies wird durch die Trägheitskraft und den Öldruck erreicht, die auf den äußeren Körper 16 an dem oberen Ende des Ausstoßhi>s einwirken sowie im ersten Teil des abwärts gerichteten Ansaughubs, wodurch der äußere Körper 16 sich von dem inneren Körper 12 trennt. Wenn sich die Körper trennen, vergrößert sich

die obere Kammer 36. und die Kugel 68, die als Einwegventil arbeitet, bewegt sich in einer Lage, in der öl aus dem Kanal 66 in die sich vergrößernde obere Kammer 36 gelenkt werden kann. Die Kugel 68 verhindert, daß das öl aus der oberen Kammer 36 beim Abwärtshub des Kolbens in die Lieferventilanordnung 60 zurückströmt.

Fig. 1 zeigt die Kolbenanordnung 10 in der ausgefahrenen oder Hochkompressionsstellung. In dieser Stellung ist die Kammer 36 mit öl gefüllt. F i g. 2 zeigt die Kolbenanordnung 10 in der Niederkompressionsstellung. wenn die Maschine gerade angefahren wurde, oder das Ventil 74 das öl gerade aus der oberen Kammer 36 entleert hat.

Die obere Kammer 36 ist durch den Kanal 40 direkt mit der unteren Kammer 38 verbunden. In dem Kanal 40 befindet sich kein Ventil, so daß öl zwischen den Kammern 36 und 38 hin- und herströmen kann. Eine

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begrenzt jedoch die Geschwindigkeit bzw. Menge der Strömung aus der unteren Kammer 38 in die obere Kammer 36. Das in der unteren Kammer 38 befindliche Öl hebt die Trägheitskraft auf, die auf den äußeren Körper 16 einwirkt, und durch die zwischen den Kammern 36 und 38 vorhandene verengte Verbindung wird eine zu starke Kolbenbewegung pro Hub vermieden.

Diese Betriebsweise weicht erheblich von den bisherigen Betriebsarten ab. die zur Steuerung bzw. Regelung des Ausfahrens von mit einem \ariablen Kompressionsverhältnis arbeitenden Kolbenanordnungen angewendet wurden. Bei solchen bekannten Konstruktionen wird das öl von der Verbindungsstange sowohl zu der oberen als auch zu der unteren Kammer geliefert und wird aus der unteren Kammer durch eine verengte öffnung ausgetragen.

Der Abstand des inneren Körpers 12 vom äußeren Körper 16 wird während jedes Betriebszyklus der Maschine in kleinen Abschnitten gesteigert, bis ein vorbestimmter Verbrennungskammerdruck erreicht ist. Wenn dieser erreicht ist, wird der Druckanstieg in der Verbrennungskammer durch die Krone 18 auf das in der Kammer 36 befindliche öl übertragen, um dadurch auf

ίο das Ventil 74 einzuwirken und es abwärtszuschnappen, wodurch ein Kanal geöffnet wird, der ermöglicht, daß sich die Kammer 36 verkleinert und die Körper 12 und 16 näher zusammenrücken.

Die konische Feder, die hier als Austragsventil 74

is verwendet wird, erzeugt eine schnellere Dämpfung, als sie bisher erreicht wurde. Sie ermöglicht außerdem, daß die Höhe der Ventilanordnung 60 und damit der Kolbenanordnung 10 erheblich reduziert wird, so daß ΝΊ2'£Γί2!Ι"^£ί£ϊί sin^ss^sri *.veriicM können Obgleich dieses Ventil ein großes Verhältnis von Fläche zu Gewicht hat. ermöglicht es eine genauere Steuerung und ist weniger trägheitsempfindlich und auch weniger drehzahlempfindlich als die bekannten mit einem variablen Kompressionsverhältnis arbeitenden Kolbenanordnungen.

Die besondere Konstruktion schafft eine Anordnung, bei der die Länge des äußeren Körpers 16 gegenüber den bi\.innten Konstruktionen dieser Art erheblich verkürzt ist. Dadurch werden Gewicht und Kosten in erheblichem Umfang eingespart. Ferner wird dadurch erreicht, daß die untere Kammer 38 nahe an dem Ringnutbereich 37 des Kolbens ?.<i liegen kommt, so daß das in der Kammer 38 befindliche Öl eine Kühlwirkung ausübt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis, mit einem Kolben, der einen inneren Körper aufweist, sowie einen äußeren Körper, welcher teleskopartig über dem inneren Körper angeordnet ist, wobei die beiden Körper auf Grund der Hin- und Herbewegung des Kolbens in bezug auf eine Verbrennungskammer der Maschine beweglich sind, ferner mit einer ersten Strömungskammer und einer zweiten Strömungskammer, deren Volumina sich in Abhängigkeit von der genannten Relativbewegung sowie in Abhängigkeit von den Änderungen der in ihnen befindlichen Strömungsmittel ändern, und mit Strömungsmittelzufuhrelementen zu den beiden Kammern, die einen ersten Kanal innerhalb des Kolbens bilden, der mit der ersten Strömungsmittelkammer verbunden ist und in dem sich ein Einwegeinlaßventil befindet, sowie einen zweiten Kanal innerhalb des Kolbens, der die erste Kammer direkt mit der zweiten Kammer verbindet, nicht ventilgesteuert ist und das einzige Verbindungselement zwischen den beiden Kammern bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (40) nicht verengt ist und daß sich in dem einen der beiden Kolbenkörper (14, 16) ein die Kammer (36) mit dem Kurbelgehäuse verbindender Austragskanal (76,78) befindet, in dem ein normalerweise geschlossenes Ventil (74) angeordnet ist, welches bei einem bestimmten Strömungsmiueldruck in der Kammer (36) öffnet und den Austritt einer Ström>-.igsmittelmenge aus der Kammer in das Kurbelgehäuse ermöglicht, und daß das Ventil einen abgeschräf "en Dichtungsring aufweist, dessen radialer Rand sich in einer Lage befindet, in der der Durchfluß durch den Kanal (76) gesperrt ist und der bei einer bestimmten Druckbeaufschlagung aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung biegbar ist, in der das Strömungsmittel rund um den radialen Rand ausströmt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des inneren Kolbenkörpers (14) in an sich bekannter Weise einen reduzierten Durchmesser aufweist, und daß nur dieser Kolbenkörperteil von dem äußeren Kolbenkörper (16) umgeben ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kolbenkörper (16) in an sich bekannter Weise einen Ringnutbereich (37) aufweist, und daß diesem die zweite Strömungskammer (38) benachbart ist, welche durch den zweiten Kanal (40) mit der ersten Strömungskammer (36) verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strömungskammer (36) in an sich bekannter Weise in der Mitte zwischen dem oberen Ende des inneren Kolbenkörpers (14) und dem oberen Ende des äußeren Kolbenkörpers (16) ausgebildet ist, und daß sich die zweite Strornungskammer (38) neben dem reduzierten Durchmesserteil des inneren Kolbenkörpers (14) befindet.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das normalerweise geschlossene Ventil (74) eine konische Unterlegscheibe ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das normalerweise geschlosse

ne Ventil (74) eine Tellerfeder ist

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Platte (22) zwischen dem oberen Ende des inneren Kolbenkörpers (14) und der inneren Stirnseite des äußeren Kolbenkörpers (16).