DE3107244A1

DE3107244A1 - Verbrennungsmotor mit lastregelung durch aenderung des kolbenhubs

Info

Publication number: DE3107244A1
Application number: DE19813107244
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. 7000 Stuttgart Dinkelacker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1982-09-16

Description

Stand der Technik

Verbrennungskraftmaschinen arbeiten mit einem der jeweiligen Anwendung angepassten Hubvolumen. Dieses wird auf Grund der jeweils erforderlichen Maximalleistung festgelegt. Diese Maximalleistung wird bei vollgeöffneter Drosselklappe d. h. bei maximaler Füllung der Zylinder erreicht. 3ei Motoren iiii t nicht konstantem Leistungsbedarf muß eine entsprechende Lei stuni'srepplunf erfolgen. Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt.

Beim Dieselmotor wird z. B. die Gemischregelung angewendet. Die angesaugte Luftmenge bleibt im gesamten Betriebsbereich des Motors im wesentlichen gleich. Bei Laständerung wird lediglich die eingespritzte Kraftstoffmenge verändert. Diese Gemischänderung beeinflußt die Verbrennung beim Dieselmotor nicht.

Beim Verbrennungsmotor mit Fremdzündung (Ottomotor) muß das Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft in engen Grenzen und zwar nahe beim stöchiometrischen Verhältnis gehalten werden.Nur dann ist das Gemisch zündfühig und ergibt eine einwandfreie Verbrennung. Zur Anpassung der Motorleistung an die jeweils erforderliche Last ist daher die Menge des Gemisches mit nahezu konstantem Mischungsverhältnis zu verändern. Dies bewirkt eine Änderung der Füllung der Zylinder, man spricht deshalb von Füllungsregelung.

Diese beiden Lastregelungsverfahren weisen einige Unterschiede hinsichtlich des internen Motorwirkungsgrades auf. Bei der Gemischregelung bleiben die LadungswechselVerluste im ganzen Lastbereich nahezu konstant. Durch den zunehmenden Luftüberschuß nimmt jedoch bei abnehmender Last der interne Wirkungsgrad etwas ab.Bei der Füllungsregel.ung entstehen bei abnehmender Last d. h. bei zunehmender Drosselung des Ansaugkanals stark wachsende Ansaugverluste. Sie bewirken bei nahezu gleichbleibenden Reibungsverlusten eine deutliche . Verringerung des mechanischen Wirkungsgrades. Bei abnehmender Füllung verringert sich gleichzeitig der Verdichtungsdruck und während der Verbrennung sehr stark der Verbrennungs-

druck, was gemeinsam zu einer starken Einbuße des thermodynamischen Wirkungsgrades führt. Die Füllungsregelung hat daher bei Teillast einen wesentlich schlechteren Gesarntwirkungsgrad als die Gemischregelung. Dies aber führt beim Ottomotor zu dem bekannt höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch gegenüber dem Dieselmotor.

Es sind verschiedene Maßnahmen zur Beseitigung dieser Nachteile bekannt geworden. So wurden z. B. Versuche durchgeführt einen Teil der Zylinder während des Betriebs außer Funktion zu bringen.Werden die Kolben der nicht mitarbeitenden Zylinder mitgeschleppt, so treten die Reibungsverluste und die Gaswechselverluste voll in Erscheinung. Wird jedoch Abgas der arbeitenden Zylinder über die nicht arbeitenden geführt, so entsteht ein Rückstau der Abgase, der den Wirkungsgrad der arbeitenden Zylinder reduziert. Die Leistuntrsreduktion nach dieser Methode kann aus Gründen der Laufruhe in einer oder höchstens in zwei Sttifpn erfolgen.

Ferner ist ein Verfahren bekanntgeworden ( Deutsche Offenlegungsschrift 2%515l6 ), das eine Verbesserung der Ausnutzung der Verbrennungsgase am Bnde des Arbeitstriktes bei Verbrennungsmotoren zum Ziele hat. Die Massnahmen dieses Verfahrens beziehen sich aber nur auf die bessere Ausnutzung der Restenergie der Gase im Bereich kurz vor der Auslassphase. Zu diesem Zweck wird nur während des Arbeitstaktes und unabhängig von der Lastregelung der Hub vergrößert, die Verbrennungsgase weiter entspannt und damit das Arbeitsdiagramm des Motors einseitig etwas erweitert. Dabei bleibt der Ansaughub konstant und die Nachteile der Verringerung des Wirkungsgrades bei geringer Füllung im Teillastbereich bleiben erhalten.

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Vorteile der Erfindung

Die Erfindungsgemäße Ausführung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, daß der Motor in allen Betriebszuständen volle Füllung des jeweiligen Hubraums hat, dessen Größe zur Leistungsregelung verwendet wird. Damit wird bei jedem der jeweiligen Leistung zugeordneten Betriebszustände der gleiche Kompressionsdruck bzw. Verdichtungsdruck, der gleiche Mitteldruck und damit der gleiche thermodynatnisohe Wirkungegrad beibehalten wie bei Maximal leistung. Außerdem werden die Droaselverluste bei Teillast beseitigt und die Reibungsverluste nehmen mit kleiner werdendem Hub ab, was auch gegenüber einem vergleichbaren Dieselmotor Vorteile bringt. Dies bedeutet, daß auch der mechanische Wirkungsgrad erhalten bleibt und dem bei Maximalleiβtung entspricht.

Ein Motor mit dieser Hubraumregelung arbeitet in einem breiten Betriebsbereich mit voller Füllung.-Hierdurch und durch die erfindungsgemäße Einhaltung eines annähernd gleichen Verdichtungsdrucks in allen Lastbereichen kann die lastabhängige Zündzeitpunktverstellung entfallen. Außerdem wird in allen Lastbereichen eine gleich gute Zündung und Entflammung des Gemisches und eine wesentlich gleichmäßigere Verbrennungsgeschwindigkeit erzielt· Dies hat eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads zur Folge. Als Summe der erwähnten vorteilhaften Eigenschaften resultiert als weiterer ganz wichtiger Vorteil eine wesentliche Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die gleichbleibende Leistungsdichte im oberen Brennraum wesentlich konstantere thermische Bedingungen über den ganzen Lastbereich entstehen, als dies bei der Füllungsregelung üblich war. Dies verringert die Empfindlichkeit des Motors gegen Ablagerungen im oberen Br*xmc*um, an Ventilen und Zündkerzen und damit auch die Klopfneigung. Der erforderliche Wärmewertbereich der Zündkerzen wird eingeschränkt.

Bei Verwendung von Einspritzpumpen ist es zweckmäßig Einspritzmenge oder Einspritzzeit vom Hubvolumen abzuleiten·
Die zusätzliche Verwendung der Füllungsregelung besonders im Bereich zwischen kleinstmöglichern Hub und Leerlauf hat den
Vorteil der guten Leerlaufanpassung·

Die gemäß Fig 1-3 dargestellte Lösung führt zu einer vorteilhaft schmalen Bauausführung, da die Aggregate sehr nahe um die durch die Zylinderachsen (37) gehende Mittelebene angeordnet sind. Die Ausführung nach Fig 4-6 dagegen ergibt eine sehr kompakte Anordnung·

Beschreibung der Erfindung

In Fig 1-3 ist ein Beispiel für einen erfindungsgemäß :
gestalteten Motor schematisch dargestellt und zwar in drei
verschiedenen Lastzuständen· Die im Kolben 1 mittels des
Kolbenbolzens 43 drehbar gelagerte Schubstange 2 bildet mit dem freien Ende einer Koppelstange 3 und der Pleuelstange 4 ein Gelenk 17· Die im Verbrennungsraum entstehenden Gaskräfte werden vom Kolben 1 über ein Gestänge, da« durch die Schubstange 2 und die Pleuelstange 4 gebildet wird, auf die Kurbelwelle 5 übertragen· Das Gelenk 17 wird dabei auf einem Kreisbogen um den Drehpunkt 6 der Koppelstange in Stellung 7 (Fig l) zwangsgeführt. Dies führt bei voller Kurbelwellenumdrehung
zu dem Maximalhub 8« In dem dargestellten Beispiel stellt
dies das kleinste mögliche Hubvolumen dar.
Wird gemäß Fig 2 das Gelenk 6 auf der im Motorgehäuse 44
festgelegten Bahn 9 in Stellung 10 gebracht, so entspricht
einer Kurbelwellenumdrehung der Hub 11, der ein mittleres
Arbeitsvolumen des Motors darstellt. Schließlich zeigt Fig die Endstellung 12 des Gelenks 6 auf der Führungsbahn 9· in dieser Stellung entsteht der Hub 13« der dem Maximalvolumen des Motors entspricht und zu der Maximalleistung führt. Die Führungsbahn 9 ist hierbei so ausgeführt, daß der obere Totpunkt (l4, 15, l6) des Kolbens 1 in den verschiedenen Stellungen des Gelenks 6 jeweils so gelegt ist, daß der zugehörige Verdichtungsdruck mindestens annähernd konstant gehalten wird.

Die Bahn 9 kann ζ. B. als Kreisbahn ausgebildet sein wie in Fig 1 angedeutet. Hierbei ist der Drehpunkt 6 der Koppelstange 3 mxt einer Führungsstange 40 gelenkig verbunden· Die Hubverstellung zur Lastanpassung erfolgt dann dadurch, daß die Führungsstange 4θ um den Drehpunkt 4l geschwenkt wird, wobei der Punkt 6 auf der Bahn 9 verläuft. Zur Veränderung des Verdichtungsdrucks ist dabei noch eine Exzenterbüchse 42 vorgesehen mit der das Drehlager 4l der Führungs· stange 40 in einem entsprechenden Bereich verstellt werden kann. Die Verstellung des Punkte 6 auf der Bahn 9 soll dabei grundsätzlich auch kontinuierlich während des Betriebs erfolgen können.

Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors ist in Fig 4-6 dargestellt. Hierbei ist der Drehpunkt 20 der Koppelstange 19 im Motorgehäuse 36 gelagert bzw. in seiner Lage nur wenig veränderbar angeordnet. Die mit der Kurbelwelle 24 verbundene Pleuelstange 22 ist am einen Ende der zweiarmigen Koppelstange 19 angelenkt. Über den anderen Arm der Koppelstange ist eine verschiebbare Muffe 21 geschoben, an der die Schubstange l8 angelenkt ist. Schubstange und Pleuelstange 22 stellen dabei in Verbindung mit der Koppelstange 19 das Gestänge dar, welches gemäß Hauptanspruch die Gaskräfte vom Kolben 25 auf die Kurbelwelle 24 überträgt. Die auf der Koppelstange 19 befindliche Muffe 21 bildet dabei das Mittel, das bei Verschiebung auf der Koppelstange den Kolbenhub ändert. Der Stellung 26 der Muffe 21 entspricht der Kolbenhub 29 wie in Fig 4 dargestellt. Fig 5 zeigt die mittlere Stellung 27 der Muffe die zu dem Hub 30, einem mittleren Arbeitsvolumen des Motors führt. In Fig 6 ist der größtmögliche Hub 31 darstellt,der dem Maximalvolumen entspricht und die Maximalleistung eines solchen Motors bestimmt.

Die Lage des Gelenks 20 der Koppelstange bestimmt die Lage des oberen Totpunkt· (32, 33» 34) des Motors in den verschiedenen Stellungen (26, 27, 28) der Muffe 21, die so gewählt .sind, daß der jeweilige Verdichtungsdruck annähernd gleich wird. Eine geringe Lageveränderung des Lagers 20 z. B. durch

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eine Exzenterbüchse 35 ermöglicht eine entsprechende Veränderung dee Verdichtungsdrucks während des Betriebs. Eine solche Veränderung kann z. B. zur Anpassung des Motors an verschiedene Kraftstoffqualitäten herangezogen werden.

Es ist auch bei dieser Ausführung vorgesehen, die Veränderung des Hubs durch Verschiebung der Muffe auf der Koppelstange kontinuierlich während des Betriebs durchführen zu können. Zu diesem Zweck ist es z. B. vorgesehen, die Jeweiligen Mittel zur Verstellung des Hubs in geeigneter Weise mit dem Gaspedal zu koppeln.

Die Leistungsregelung im Bereich zwischen Leerlauf und kleinstem einstellbarem Hub wird durch eine zusätzliche Füllungsregelung bewirkt. Auf diese Weise wird der Tatsache Rechnung getragen, daß die motorinternen Verluste immer Exemplar·!» Streuungen aufweisen und auch bei einem einzelnen Motor zeitliche Änderungen auftreten können. Die genannte Maßnahme ermöglicht eine einfache Anpassung an einwandfreie Leerlaufbedingungen. Da es sich hier um einen sehr kleinen Betriebsbereich handelt, wird der sehr gute Gesamtwirkungsgrad eines solchen Motors nicht beeinträchtigt, wohl aber ein sehr guter Übergang im Leerlaufgebiet geschaffen.

Claims

Walter Dinkelacker 23. 2. 198I

Dipl. Physiker
Innsbruckerβtr· 46
7OOO Stuttgart 6l

Ansprüche

Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und mit einer Einrichtung zur Lastregelung sowie mit einem die Kraft vom Kolben (l, 25) auf die Kurbelwelle (5, 24) übertragenden Gestänge (2, 4 und l8_t 19, 22) dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gestänge Mittel (3» 9_t 19» 26) in Wirkverbindung stehen, die zur Lastregelung den Kolbenhub verändern.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Regelbereich bei kleinem Kolbenhub zusätzlich Füllungsregelung verwendet wird.
5· Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (2, 4, l8, 19, 22) mechanisch ausgebildet ist.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge aus mindestens 2 Teilen besteht, die gelenkig miteinander in Wirkverbindung stehen und einen stumpfen Winkel einschließen.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet,

daß das Gestänge Teil eines Koppelgetriebes ist, das aus einer mit dem Kolben (l) am Kolbenbolzen (43) verbundenen Schubstange (2) besteht, sowie einer Koppelstange (3) und einer mit der Kurbelwelle (5) verbundenen Pleuelstange (4), wobei die freien Enden von Schub- und Pleuelstange im Gelenk (17) gelenkig verbunden sind und das andere Ende (6) der Kuppelstange auf einer im Motorgehäuse (44) fest vorgegebenen Bahn (9) verschiebbar geführt wird.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahn (9) des Endes (6) der Koppelstange ein Kreisbogen ist, und daß die Führung auf dieser Bahn durch eine Führungsstange (40) übernommen wird, die einseitig im Motorgehäuse (lA) drehbar gelagert ist.
7· Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenklager (kl) der Führungsstange (kO) aus seiner gehäusefesten Lage heraus in einem kleinen Bereich verschiebbar ist.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnetγ daß diese kleine Verschiebung des Schwenklagers mit Hilfe der Exzenterbüchse (42) erfolgt.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (l8, 22) Teil eines Koppelgetriebes ist, bei dem die Schubstange (l8) und die Pleuelstange (22) mit den beiden Armen einer zweiarmigen Koppelstange (19) in Wirkverbindung stehen, die in ihrem mittleren Bereich im Motorgehäuse (36) drehbar gelagert ist.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (l8) mit ihrem dem Kolben (25) abgewandten Ende mit einer Muffe (21) gelenkig in Wirkverbindung steht, die auf der Koppelstange (19) verschiebbar geführt ist«
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstange (19) im wesentlichen gestreckt ausgebildet und Schub- und Pleuelstange auf der gleichen Seite der Koppelstange angeordnet sind.
12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9-11 dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstange (19) zur Achse (37) des zugeordneten Motorzylinder· so geneigt ist, daß der

Verdichtungsdruck bei jeder Hubgröße konstant oder annähernd konstant ist.

13· Verbrennungsmotor nach Anspruch 9-12 dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenklager (20) der Koppelstange (19) aus seiner gehäusefesten Lage heraus in einem kleinen Bereich verschiebbar ist.

lk» Verbrennungsmotor nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Schwenklagers (20) mit Hilfe der Exzenterbüchse (35) erfolgt.

15· Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 - lk dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Kolbenhubs zur Lastregelung kontinuierlich erfolgt.