DE2937619A1

DE2937619A1 - Einrichtung zur lastabhaengigen steuerung des verdichtungsverhaeltnisses einer 4-takt-hubkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2937619A1
Application number: DE19792937619
Authority: DE
Inventors: Panagiotis Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Adamis
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1981-04-02

Description

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Volfsburg
- 3 -

Unsere Zeichen: K 2788
-We-ja

Einrichtung zur lastabhängigeη Steuerung des Verdichtungsverhältnisses eirier 4-Takt-Eubkolben-Brennkraftaaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer 4-Takt-Hubkolben-Erennkraftmaschine mit einen jeden Zylinder zugeordneten, das Volumen eines mit dein Zylinderarbeitsraun verbundenen Nebenbrennraums verändernden Nebenkolben.

Es ist bereits bekannt, die sich als Polge der Drosselregelung bei Otto-Motoren im Teillastbetrieb einstellenden Wirkungsgradeinbußen durch Veränderung der Größe des Kompressionsraumes und damit der Verdichtung auszugleichen, so daß infolgedessen der Kraftstoffverbrauch bei Teillast und die Schadstoffemissionen gesenkt werden können.Optimale Ergebnisse werden dabei dann erreicht, wenn der Verdichtungsenddruck bzv. der Verbrennungsspitzendruck unabhängig von der jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine in etwa konstant gehalten wird. Die für eine derartige stufenlose

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Regelung des Verbrennungsspitzendruckec bzw. des Verdichtungsverhältnisses erforderliche Steuerung bzw. Regelung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, so daß bisher derartig gesteuerte Brennkraftmaschinen nicht zum Einsatz gekommen sind.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine kompakte und einfache Bauweise sowie durch schnelles Ansprechverhalter, auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Nebenkolben mit einem in einem hydraulischen Zylinder gleitenden Verstellkolben verbunden ist und daß die den beiden Stirnseiten des Verstellkolbens zugeordneten Arbeitsräunie des hydraulischen Zylinders miteinander durch von einer: Steuerventil steuerbare Leitungen verbunden sind. Weitere zv:eck:nü2i~:e Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung ergibt sich eine verhältnismäßig einfach und kompakt bauende hydraulische Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei der mittels des Steuerventils die die beiden Arbeitsräunie des hydraulischen Zylinders miteinander verbindenden Leitungen in jedem Verdichtungstakt dann geschlossen werden, wenn der in Abhängigkeit von der geforderten Leistung sich ergebende Sollwert des Nebenkolbenweges erreicht ist. Durch Änderung des Sollwertes kann dabei in einfacher Weise auch eine Anpassung an die jeweils vorhandene Kraftstoffqualität, die unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse fordern kann, erreicht werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Steuerung des Verdichtungsverhältnisses,

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Figur 2 das Schaltbild der Vorrichtung zur Ansteuerung des

Steuerventils und
Figur 3 ein Pulsdiagramm/aie in dieser Schaltung verwendeten Elemente über dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine.

In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist mit 1 die Brennkraftmaschine insgesamt, mit 2 einer der Hauptzylinder und mit 3 ein darin gleitender Hauptkolben bezeichnet, der gegenüber einem Zylinderkopf 6 einen Hauptbrennraum 4 begrenzt. Dieser Hauptbrennraum 4 steht mit einem in dem Zylinderkopf 6 liegenden Nebenbrennraum 5 in Verbindung, dessen Volumen durch einen in dem entsprechenden Nebenzylinder 6a gleitenden Nebenkolben 7 in Abhängigkeit von der geforderten Leistung der Brennkraftmaschine veränderbar ist. Dieser Nebenkolben 7 steht über eine Kolbenstange 8 mit einem Verstellkolben 9 in Verbindung, der seinerseits in einem hydraulischen Zylinder 10 gleitet. Mit 16 ist eine den ITebenkolben 7 in Richtung auf eine Verkleinerung des Volumens des ITebenbrennraums 5 belastende Feder bezeichnet. In dem hydraulischen Zylinder 10 werden beiderseits des Verstellkolbens 9 hydraulische Arbeitsräume 11 und 12 gebildet die über Leitungen 13 und 14 miteinander verbunden sind. Zwischen diesen Verbindungsleitungen 13 und I4 befindet sich ein Steuerventil 15» das die Verbindung der beiden Leitungen und damit die Bewegung des Verstellkolbens 9 in dem hydraulischen Zylinder 10 steuert.

Das als Magnetventil ausgebildete Steuerventil 15 wird nun in der Weise angesteuert, daß es während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine geöffnet ist, so daß der Verstellkolben 9 zusammen mit dem ITebenkolben 7 unter der Einwirkung der Feder 16 und des sich in dem Arbeitsraum 4, 5 ergebenden Unterdruckes in Richtung auf eine Verkleinerung des ITebenbrennraumes 5 verstellt wird. Beim anschließenden Kompressionstakt erfolgt eine ständige Messung des Weges des unter dem Eindruck des sich erhöhenden Arbeitsraumdruckes zurückweichenden Nebenkolbens 7» und das Steuerventil I5 wird zur'Schließung der Verbindung zwischen den Leitungen 13 und I4 beaufschlagt, wenn ein in Abhängigkeit von der geforderten Leistung sich ergebender Sollwert

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des Kolbensweges erreicht ist» Nach Schließung des Steuerventils ist eine weitere Verstellung der beiden Kolben 7 und J wegen der Inkompressibilität des in den Arbeitsräumen 11 und 12 vorhandenen hydraulischen Arbeitsmittels nicht mehr möglich. Am Ende des Verdichtungstaktes wird damit ein in Abhängigkeit von der Stellung des Nebenkolbens 7 und der Füllung des Zylinderarbeitsraums 4» 5 sich ergebender Verdichtungsenddruck erreicht, der, um einen guten Wirkungsgrad auch im Teillastgebiet zu erreichen, möglichst auf konstanter Höhe liegen soll.

Die Ansteuerung des Steuerventils erfolgt dabei mit Hilfe einer in der Figur 2 schematisch gezeigten Steuerschaltung. Diese Steuerschaltung weist zunächst einen Weggeber 21 zur Erfassung des Istwertes der Stellung des Nebenkolbens 7 auf, dessen Meßwert über einen Verstärker 22 einem Komparator 23 zugeführt wird. In diesem Komparator wird der Istwert des Nebenkolbenweges mit einem von ^nem Sollwertgeber 25 über einen Verstärker 26 an den anderen Eingang des Komparators 25 gelieferten Wert verglichen. Dabei liefert der Sollwertgeber 25 den Sollwert entsprechend der geforderten Leistung der Brennkraftmaschine, bei Kraftfahrzeugen beispielsweise also in Abhängigkeit von der Stellung des von dem Fahrzeugführer willkürlich betätigten Gaspedals 24. Sobald der von dem Weggeber 21 erfaßte Istwert den von dem Sollwertgeber 25 gelieferten Sollwert erreicht, gibt der Komparator 23 eine Spannung ab, die über einen Flip-Flop 27 sowie einen weiteren Verstärker 28 das Steuerventil 15 beaufschlagt und beispielsweise zu einer Verstellung in Schließrichtung des Ventils führt.

Das Flip-Flop 27 wird in den Ausgangszustand zurückgesetzt, wenn von den Taktgebern 29 und 30 ein Puls geliefert wird, der den Ansaugvorgang der Kolbenbrennkraftmaschine anzeigt. In diesem Moment wird das Steuerventil 15 in Öffnungsrichtung beaufschlagt, so daß der Nebenkolben wieder in Richtung auf eine Verkleinerung de-s Nebenbrennraums 5 verstellt werden kann. Dies führt dazu, daß auch der Komparator 23 aus dem Gleichgewicht gebracht wird und der Arbeitszyklus wieder von vorn beginnen kann.

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In der Figur 2 ist noch die Möglichkeit einer Korrigierung des Sollwertes in Abhängigkeit von der Qualität des verwendeten Brennstoffes, beispielsweise also von dessen Oktanzahl, angedeutet. Dazu erfolgt eine Dateneingabe 32 in einen Bordkomputer 31, der den Sollwertgeber 25 und den Taktgeber 30 ansteuert.

In der Figur 3 schließlich ist ein Pulsdiagramm der in der Figur 2 gezeigten Steuerschaltung angegeben, bei dem über dem Kurbelwellenwinkel der Impulszustand der einzelnen, in der Steuerschaltung verwendeten Schaltglieder eingetragen ist. So ist mit 33 das PulBdiagramm des Taktgebers 30 eingetragen, der jeweils bei Erreichen des oberen Totpunktes des Hauptkolbens 3 in dem Zylinder 2 einen Bechteckimpuls abgibt. Mit 34 ist der Impulsverlauf des Taktgebers 29 angedeutet, dessen Eechteckimpulse nur jeweils bei Beginn des Ansaugtaktes abgegeben werden. Es wird also jeder zweite Impuls des Taktgebers 30 unterbunden und zwar jeweils derjenige, der am Verdichtungs-OT abgegeben wird. Mit 35 ist der Impulszustand des Komparators 23 und mit 36 derjenige des Flip-Flops 27 bezeichnet, während der Linienzug 37 den Schließzustand des Steuerventils 15 darstellt. Gemäß diesem in der Figur 3 gezeigten Pulsdiagramms wird also das Steuerventil 15 bei Beginn des Ansaugtaktes durch den bei Vorliegen des Impulses des Taktgebers 29 zurückgesetzten Flip-Flop 27 zur Öffnung beaufschlagt, bis der Komparator 23 an einer von der Stellung des Gaspedals abhängigen Stelle innerhalb des Verdichtungstaktes einen Schließimpuls abgibt, der auch zur Umschaltung des Flip-Flops 27 führt. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel der Komparator etwa gegen Ende des zweiten Drittels des Verdichtungstaktes zu einer Umschaltung des Flip-Flops und zum Schließen des Steuerventile I5 kommt, was einem relativ großen Volumen des Nebenbrennraums 5» damit also einer relativ hohen Lastanforderung der Brennkraftmaschine entspricht. Um dagegen bei niedrigen Teillasten ebenfalls ein hohes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, würde das Steuerventil schon früher im Verlauf des Verdichtungstaktes geschlossen werden müssen. Im Extremfall ergibt sich das geringste Nebenbrennraumvolumen und damit entsprechend das höchste Verdichtungsverhältnis beim Schließen

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des Steuerventils unmittelbar am Ende des Ansaugtaktes bzw. bei Beginn des Verdichtungstaktes, während das kleinste Verdichtungsverhältnis mit dem größten Nebenbrennraumvolumen sich dann einstellt, wenn das Steuerventil erst am Ende des Verdichtungstaktes geschlossen wird. Zwischen diesen beiden Grenzwerten kann die Steuervorrichtung also das Schließen des Steuerventils bestimmen, wobei mit steigender Belastung der Brennkraftmaschine, das heißt mit stärkerem Durchtreten des Gaspedals, das Ventil mehr gegen Ende des Verdichtungstaktes dagegen mit kleineren Teillasten gegen Anfang des Verdichtungstaktes geschlossen wird. Auch die Qualität des Kraftstoffes kann, wie oben bereits angedeutet, auf den Schließzeitpunkt des Steuerventils Einfluß nehmen, indem bei höheren Oktanzahlen eine Verschiebung des Schließzeitpunktes zu höheren Verdichtungsverhältnissen, also mehr zum Beginn des Verdichtungstaktes hin vorgenommen wird.

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Claims

( y Einrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem jedem Zylinder zugeordneten, das Volumen eines mit dem Zylinderarbeitsraum verbundenen Nebenbrennraumes verändernden Nebenkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (7) mit einem in einem hydraulischen Zylinder (10) gleitenden Verstellkolben (9) verbunden ist, und daß die den beiden Stirnseiten des Verstellkolbens zugeordneten Arbeitsräume (11, 12) des hydraulischen Zylinder miteinander durch von einem Steuerventil (15) steuerbare Leitungen (13, I4) verbunden sind.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (7) von einer Feder (16) in Sichtung auf eine Verkleinerung des Nebenbrennraums (5) belastet ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (15) als Magnetventil ausgebildet ist, das von einer die Iststellung des Nebenkolbens (7) mit einem in Abhän-

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Vorsitzender Verstand: Tor¹ Sc"T.j:»er, .'es ::er.cer ■ Kerl-He;n: et:c- ■ ^erct. Dr. lecin. Ernst F;iie ■ Dr. jur. Feier Frerk

gigkeit von der Leistung sich ergebenden Sollwert vergleichenden Steuervorrichtung (20 - J1) in der Weise ansteuerbar ist, daß das Steuerventil (15) während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine in Öffnungsrichtung und während des Kompressionstaktes bei Erreichen des vorgegebenen Sollwertes des !Tebenkol- benweges in Schließrichtung beaufschlagt ist.

Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Nebenkolbenweges in Abhängigkeit von der Kraft stoffqualität veränderbar ist.

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