DE2732063C2 - Arbeitskolben zur Veränderung der Kompression - Google Patents

Description

d) der Pumpenkolben ist in der Bohrung frei — auch unter Wirkung von Trägheitskräften verschieblich;

gekennzeichnet durch:

e) die Bohrung (90) ist au beiden Enden fest geschlossen;

f) der Pumpenkolben (94) folgt bei seinen Bewegungen allein den in Bohrungsrichtung liegenden Trägheitskräften;

g) der Druckkanal (110,65) steht mit dem unteren Bereich (102) der Bohrung (90) in Verbindung und führt Druckflüssigkeit, wenn sich der Pumpenkolben (94) infolge seiner Trägheit zum unteren Ende (102) der Bohrung (90) im wesentlichen am Ende des Abwärtshubs des Arbeitskolbens (10) bewegt;

h) der Saugkanal (58, 105) verbindet den unteren Bereich (102) der Bohrung (90) mit dem Schmiersystem der Brennkraftmaschine, wenn infolge der Trägheitsbewegung des Pumpenkolbens (94) sich dieser im wesentlichen am Ende des Aufwärtshubs dem oberen Ende (100) der Bohrung (90) nähert.

2. Arbeitskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (94) am oberen Ende (96) einen verringerten Durchmesser aufweist und daß das innere Kolbenteil (12) einen Lecköl-Auslaßkanal (98) aufweist, der das obere Ende (100) der Bohrung (90) mit dem Außenumfang des inneren Kolbenteils (12) verbindet ω

3. Arbeitskolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lecköl-Auslaßkanal (98) und das Ende (96) verringerten Durchmessers so zueinander angeordnet sind, daß der Pumpenkolben (94) den Lecköl-Auslaßkanal (98) in der Nähe des oberen Hubendes verschließt und dabei etwas Lecköl im oberen Ende (100) der Bohrung (90) einschließt.

4, Arbeitskolben nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Bohrung (90) mittels eines Stopfens (92) verschlossen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Arbeitskolben zur Veränderung der Kompression, insbesondere für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs L

In der US-PS 32 00 798 ist ein Arbeitskolben mit einer vom Pleuel betätigten Pumpe (Fig. 1, 2) sowie ein weiterer Kolben mit einer von einem Anschlag betätigten Pumpe (Fig. 3,4) beschrieben. Dieser Kolben wird über einen Kreuzkopf angetrieben, so daß in der Nähe des Arbeitskolbens genügend Raum zur Anordnung des Anschlags verbleibt Dieser wird beim Rückhub von einem Stößel der Pumpe getroffen, so daß der Pumpenkolben relativ zum Arbeitskolben verschoben wird, wobei die Förderung der Flüssigkeit in die Kammer zwischen dem äußeren und inneren Kolbenteil stattfindet Für den Pumpenkolben wird keine Rückführfeder benötigt, da die Trägheit der Flüssigkeit in den Kanälen dafür sorgt daß der Pumpenkolben in seine Ausgangslage zurückgeschoben wird, sobald die Anlage am Anschlag beendet ist

Nachteilig an diesem bekannten Pumpenkolben ist die eingeschränkte Verwendungsmöglichkeit nur für langsam laufende Maschinen und möglicherweise nur für Kreuzkopfmaschinen.

Bei einem Arbeitskolben mit den Merkmalen a) und b) tritt eine automatische Steuerung der Verschiebung der Kolbenteile auf, wobei sich das Kompressionsverhältnis der Maschine auf einen vorbestimmten Brennkammerdruck einstellt. Dies trifft vor allem für Viertakt-Brennkraftmaschinen zu, weil die Trägheitskräfte am Ende des Auslaßhubes und zu Beginn des nach unten gerichteten Einlaßhubes die beiden Kolbenteile so gegeneinander zu bewegen versuchen, daß die Kammer öl ansaugt und der Kolben so gewissermaßen für den nächstfolgenden Kompressionshub vorbereitet wird. Bei Zweitakt-Maschinen ist kein gesonderter Auslaßhub vorgesehen, so daß das äußere Kolbenteil nicht in der Lage ist, sich axial genügend weit zum inneren Kolbenteil zu verschieben und sich auf den nachfolgenden Kompressionshub der Maschine vorzubereiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zur Veränderung der Kompression zu schaffen, die insbesondere auch im Arbeitskolben einer Zweitakt-Maschine eingesetzt werden kann, wobei der Arbeitskolben leicht und relativ billig bleiben soll.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Arbeitskolben einer Zweitakt-Maschine in der einen Betriebslage; und F i g. 2 den Längsschnitt in der anderen Betriebslage.

Ein Arbeitskolben 10 einer Zweitakt-Maschine weist ein inneres Kolbenteil 12 mit einem Führungsteil 14 reduzierten Durchmessers sowie ein äußeres Kolbenteil 16 auf, welches auf dem Führungsteil 14 sitzt. Am äußeren Kolbenteil 16 ist in üblicher Weise ein Kolbenboden 18 vorgesehen, dessen Ausbildung entsprechend dem jeweiligen Verbrennungssystem gewählt ist. Der Kolbenboden 18 bildet die bewegliche

Wand der unteren Begrenzung des Verbrennungsraumes der nicht im einzelnen gezeigten Maschine, Das äußere Kolbenteil 16 ist in axialer Richtung auf dem Führungsteil 14 des inneren Kolbenteiles 12 geführt.

In dem Ausführungsbeispiel ist eine Platte 22 am oberen Ende des inneren Kolbenteiles 12 befestigt, und zwar vorzugsweise mittels Schrauben 23,23Λ und 232? angeschraubt Ein Ring 24 mit äußerem Gewinde 26 ist auf ein Gewinde 28 des änßeren Kolbenteils 16 an der Innenseite des unteren Bereichs eingeschraubt, und diese Verbindungsart stellt ebenfalls nur eine bevorzugte Art der Befestigung dar. Es braucht an sich nur die eine Befestigungsmethode — durch die Schrauben 23A oder die Schrauben 23ß — angewendet werden. Eine Sicherungseinrichtung, beispielsweise ein Riegelstift 30 verhindert die Drehung des Ringes 24 auf dem äußeren Kolbenteil 16 und'somit auch die axiale Verstellung. Am äußeren Umfang der Platte 22 ist eine Ringdichtung 32 und an dsm Führungsteil 14 eine weitere Ringdichtung 34 vorgesehen, welche den Spalt entlang der Gleitführung abdichten.

Zwischen der Platte 22 und der Innenseite des Kolbenbodens 18 liegt eine erste Kamme^r 36 und, eingeschlossen vom unteren Rand der Platte 22, dem äußeren Kolbenteil 16 und dem Ring 24 liegt eine zweite ringförmige Kammer 38, und zwar im Bereich der Nuten 37 der Kolbenringe. Die erste Kammer 36 wird deshalb als die kolbenbodenseitige und die zweite Kammer 38 als die kolbenringseitige Kammer bezeichnet Die beiden Kammern 36,38 sind über einen Kanal 40 miteinander verbunden. Der Kanal 40 ermöglicht den Flüssigkeitsaustausch, ohne daß unterschiedliche Drosseleinflüsse in den beiden Strömungsrichtungen auftreten wurden (wie dies bei einigen Arbeitskolben für Viertakt-Maschinen der Fall ist).

Das innere Kolbenteil 12 ist mit einem Pleuel 42 (oder ggf. einer Kolbenstange) über einen Kolbenbolzen 44 in der üblichen Weise verbunden. Ein im inneren Kolbenteil 12 vorgesehener Kanal 58 steht mit dem Schmiersystem der Maschine über entsprechende, nicht dargestellte, über das Pleuel 42 laufende Kanäle in Verbindung.

In noch zu beschreibender Weise gelangt öl über Kanäle 105,110,65 zu einem Ventil 60, welches in einem Hohlraum 62 der Platte 22 oder auch im inneren Kolbenteil 12 untergebracht ist Das Ventil 60 ist als Rückschlagventil ausgebildet so daO das Öl aus dem Kanal 65 in die Kammer 36 gelangen kann, und eine Kugel 68 in einem rohrförmigen Ventilraum 64 sperrt den Rückfluß durch Anlage auf einem Ventilsitz 70. Überdruck in dem Kan?) 65 und die Trägheitskräfte in bestimmten Abschnitten des Maschinentaktes öffnen das Ventil 60, so daß Flüssigkeit aus dem Kanal 65 in die Kammer 36 einströmt.

Das Ventil 60 ist auch als Druckbegrenzungsventil ausgebildet und weist hierzu ein zentrales Teil 72 auf, an dem sich verjüngende, federnde Ringplatten 74 (Belleville-Federn) angebracht sind. Von der kolbenbodenseitigen Kammer 36 führt ein Kanal 76 durch die Platte 22 hindurch zu einem Kanal 78 in dem inneren Kolbenteil 12, der in das Kurbelgehäuseinnere einmündet. Diese Auslaßverbindung der kolbenbodenseitigen Kammer 36 wird durch das Druckbegrenzungsventil 74 gesperrt

In dem inneren Kolbenteil 12 erstreckt sich ferner etwa in axialer Richtung eine zylindrische Bohrung 90, die am unteren Ende durch einen eingeschraubten Verschluß 92 verschlossen ist. Ein stößelartiger Kolben 94, vorzugsweise aus ziemlich schwerem Material, weist ein oberes Ende 96 reduzierten Durchmessers auf und kann sich in 4er Bohrung 90 infolge Gleitsitzes zwischen einer untaren (Fig. 1) und oberen (Fig,2) Lage bewegen. Am oberen Ende der Bohrung 90 ist ein Auslaßkanal 98 vorgesehen, der einen Auslaß für einen Raum 100 am oberen Ende der Bohrung 90 darstellt Solange der Kolben 94 nicht mit seinem Bereich größeren Durchmessers diesen Kanal 98 sperrt (F i g. 2), können öl und Gase des Kurbelraumes, die sich im Raum 100 befinden, in Richtung auf die Wandungen des Zylinders austreten, in dem der Arbeitskolben 10 geführt ist Am unteren Ende der Bohrung 90 ist ein Raum 102 zwischen dem Schraubverschluß 92 und dem unteren Ende des Kolbens 94 vorgesehen. Der Kanal 58 steht mit diesem Raum 102 über ein Rückschlagventil 104 und einem weiteren Kanal 105 in Verbindung. Das Rückschlagventil 104 weist eine Kugel 106 auf, die in der Sperrlage auf einem Sitz 108 ruht und den Rückfluß aus dem Raum 102 in den Kanal 58 sperrt. Der Raum 102 hat einen Auslaß 111, der über einen Verbindungskanal HO mit dem Kanal 65 verbünde . ist so daß eine Verbindung des Raumes 102 mit der kc'benbodenseiligen Kammer 36 über den Auslaß 111, die Kanäle 110 und 65 sowie das kombinierte Ventil 60 besteht

Das innere Kolbenteil 12 wird wegen der Verbindung mit dec: Pleuel 42 in üblicher Weise im Arbeitszylinder der Maschine innerhalb fester Grenzen hin- und herbewegt Dabei wird das äußere Kolbenteil 12 mitgenommen, kann sich aber in axialer Richtung des Kolbens innerhalb bestimmter Grenzen bewegen, die durch die Platte 22 als Anschlag für die Innenseite des Koibenbodens 18 und die Unterseite der Platte 22 als Anschlag für den Ring 24 gegeben sind.

Es sei angenommen, daß das äußere Kolbenteil 16 sich vom inneren Kolbenteil 12 entfernt, wenn der Arbeitskolben 10 sich dem oberen Totpunkt nähert Wegen der dabei auftretenden Trägheitskraft wandert der Kolben 94 axial nach oben (F i g. 2). Dadurch nimmt das Volumen des Raumes 102 zu und es wird Öl a^s dem Schmiersystem der Maschine über den Kanal 58, das Rückschlagventil 104 und den Kanal 105 in den Raum 1Oi angesaugt Wegen des Druckes in der kolbenbodenseitigen Kammer 36 ist das Rückschlagventil 68 geschlossen, d. h., es wird kein öl über die Kanäle 65,110 angesaugt Gleichzeitig verdeckt der Kolben 94 mit seinem Bereich größeren Durchmessers den Auslaßkanal 98, so daß etwas Öl und Gase des Kurbelraumes im Raum 100 als Dämpfungskissen für den sich nach aufwärtsbewegenden Kolben 94 wirken. Der Auslaßkanal 98 verhindert also, daß sich im Raum 100 ein zu großer Öldruck aufbaut

Während des Verbrennungstaktes wird der erhöhte Brennkammerdruck über den Kolbenboden 18 auf das öl ir. d»;r kolbenbodenseitigen Kammer 36 übertragen. Dieser Druck wirkt auf das Druckbegrenzungsventil 74, welches bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes öffnet und öl über die Kanäle 76,78 in den Kurbelraurn entläßt In dieser Weise wird ein vorbestimmter maximaler Verbrennungsdruck aufrechterhalten, wenn die Maschine diesen Druck durch stufenweise Verlängerung des Al beitskolbens 10 erreicht hat

Die dargestellte Ausbildung des kombinierter Ventils 60 und insbesondere des Druckbegrenzungsventil 74 ermöglicht eine flache Bauweise, so daß das Ventil günstig, H h., ohne viel zusätzliche Wandung, eingebaut werden kann. Das hohe Verhältnis »Fläche zu Gewicht« des Ventils 74 führt zu einer geringeren Beeinflussung

durch Trägheitskräfte und damit zu einer größeren Ansprechgenauigkeit für die Druckbegrenzung. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung des Druckbegrenzungsventils 74 zu einer besonders hohen Regelgeschwindigkeit der Regeleinrichtung führt. >

Nach der Verbrennung im Arbeitszylinder wird der Kolben 10 nach unten getrieben. Wenn sich der Arbeitskolben 10 seiner untersten Lage in dem Arbeitszylinder nähert, typischerweise innerhalb 110° vor unterem Totpunkt, bewegt sich der Kolben 94 κι infolge der Trägheitskraft axial nach unten auf den Verschluß 92 zu. Dadurch wird das in dem Raum 102 eingeschlossene öl über die Kanäle 110, 65 und das Rückschlagventil 68 in die kolbenbodenseitige Kammer 36 gefördert, wobei sich das äußere Kolbenteil 16 vom ι ■> inneren Kolbenteil 12 entfernt. Dabei ist das Rückschlagventil 104 infolge des erhöhten Druckes geschlossen, d. h., Rückfluß über die Kanäle 58 und 105 wird gesperrt.

Zwischen den beiden Kammern 36 und 38 liegt der :n Verbindungskanal 40. der eine Drossel darstellt, jedoch kein Ventil enthält, so daß das öl hin- und herströmen kann. Die Drosselwirkung des Kanals 40 führt aber dazu, daß die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch die Austauschmenge begrenzt wird. Hinzu kommt r> noch, daß das Öl in der kolbenringseitigen Kammer 38 der Trägheitskraft auf das äußere Kolbenteil 16 widerstrebt, und wegen der Drosselwirkung des Kanals 40 wird eine zu große Verschiebung des äußeren Kolbenteils pro Takt verhindert. jo

Es ist ersichtlich, daß der Kolben 94 mit den zugeordneten Baugruppen eine einfache, billige und trotzdem wirksame Pumpe zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem äußeren Kolbenteil 16 und dem inneren Kolbenteil 12 während jeder Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens 10 darstellt, so daß dieser Kolben speziell für eine Zweitakt-Maschine geeignet ist.

Ferner ist ersichtlich, daß die Verwendung von Material hoher spezifischer Masse für den Kolben 94 zu einem hohen Wert des Verhältnisses zwischen Masse und Bohrungsdurchmesser führt, wodurch der Arbeitskolben auch für niedrige Drehzahlen der Maschine geeignet wird, insbesondere wenn eine Hochdruckaufladung benutzt wird. Ohne den Kolben 94 würde im übrigen eine direkte Verbindung zwischen dem ölsystem unH. der kolbenbodenseitigen Kammer 36 bestehen, wodurch der Öldruck der Maschine beim Start und bei niedrigen Drehzahlen schädlich beeinflußt werden würde.

Die axial kurze Länge des äußeren Kolbenteils 16 ist nicht unbedingt erforderlich, vielmehr könnte das äußere Kolbenteil 16 eine dem inneren Kolbenteil entsprechende Länge aufweisen, wonach die zweite Kammer 38 als pleuelseitige Kammer anzusprechen wäre.

Zusammenfassend kann folgendes festgestellt werden: Der Arbeitskolben weist ein äußeres Kolbenteil 16 und ein inneres Kolbenteii 12 auf. Eine Platte 22 ist am Ende des inneren Kolbenteils 12 befestigt und nimmt den Durchlaß eines Einlaßventils und eines Auslaßventils für die obere, kolbenbodenseitige Kammer 36 auf, deren eine Begrenzung außerdem durch die Platte gebildet wird. Im inneren Kolbenteil ist eine Pumpe 94 angeordnet, die öl durch Zufuhrkanäle und das Ventil 68 direkt der kolbenbodenseitigen Kammer 36 zuführt. Die Pumpe bewirkt die notwendige Verschiebung des äußeren Kolbenteils 16 weg vom inneren Kolbenteil 12 für eine Zweitakt-Maschine.

Die Pumpe weist einen Kolben 94 auf, der sich in einer in etwa axial erstreckenden Bohrung 90 innerhalb des inneren Kolbenteils 12 befindet. Das untere Ende der Bohrung 90 steht sowohl mit dem Zufuhrventil 98 wie auch mit dem Ölversorgungssystem der Maschine über ein Rückschlagventil 104 in Verbindung. Wenn daher der Kolben 94 sich in der Bohrung 90 nach oben bewegt, wie dies während des Verbrennungshubes der Maschine infolge Trägheit geschieht, wird Öl über das Rückschlagventil 104 in das untere Ende 102 der Bohrung 90 gesaugt. Wenn sich der Kolben 94 in der Bohrung nach abwärts bewegt, wie dies am Ende des Kolbenhubes vorkommt, pumpt der Kolben 94 das Öl des Raumes 102 über ώε Verbindungskanäle und das Zuführungsventil 68 in d·-? obere Kammer 36, so daß sich das äußere Kolbenteil 16 vom inneren Kolbenteil 12 entfernt.

Das als Druckbegrenzungsventil ausgebildete Auslaßventil 74 sitzt in der Platte 12 und weist federnde, sich verjüngende Ringplatten auf, die sich infolge des Druckes beim Verbrennungstakt biegen, wenn sich der Kolben in Richtung der oberen Grenze bewegt, wobei die Ringe aus der geschlossenen Lage in die offene Ventillage umschnappen. Dabei wird die kolbenbodenseitige Kammer 36 mit dem Kurbelraum der Maschine verbunden und der Öldruck in der kolbenbodenseitigen Kammer wird entsprechend geregelt. Das Druckbegrenzungsventil 74 öffnet bei einem vorgegebenen Öldruck und ermöglicht so eine Volumenabnahme der Kammer 36. Da der Kolbenboden 18 dabei axial verstellt wird, wird auch der Verbrennungsdmck im Arbeitszylinder erniedrigt.

Die zweite Kammer 38 ist im Bereich der Kolbenringe angeordnet und wird durch die Platte 22, das innere Kolbenteii 12 und den Rückhaltering 24 an dem äußeren Kolbenteii begrenzt. Die untere Kammer 38 steht über den Kanal 40 in direkter Verbindung mit der oberen Kammer 36. Der Öldruck in der unteren Kammer 38 widerstrebt den Trägheitskräften ai Γ das äußere Kolbenteil 16. Der Kanal 40 ist genügend eng. daß keine zu große Verschiebung pro Hub des äußeren Kolbenteils 16 zustande kommt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. ArbeitShJlben zur Veränderung der Kompression in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit folgenden Merkmalen:

a) der Arbeitskolben weist ein inneres und ein äußeres Kolbenteil auf, welches teleskopartig auf dem inneren Kolbenteil sitzt und eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer einschließt, deren Volumen sich in Abhängigkeit von der Relativverschiebung der beiden Kolbenteile bzw. von der Änderung der Menge der eingeschlossenen Flüssigkeit ändert;

b) eine Zuführeinrichtung führt der Kammer Flüssigkeit aus dem Schmiersystem zu und weist Saug- und Druckkanäle, darin angeordnete Rückschlagventile und eine Pumpe auf, die im inneren Kolbenteil angeordnet ist und einen Pumpenkolben aufweist, der in einer Bohrung geführt ist;

c) die Bohrung ist im wesentlichen in axialer Richtung des Arbeitskolbens angeordnet, wobei der Saugkanal den unteren Bereich der Bohrung mit dem Schmiersystem der Brennkraftmaschine verbindet;