DE3108486A1 - Einrichtung zur steuerung des verdichtungsverhaeltnisses einer otto-hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zur steuerung des verdichtungsverhaeltnisses einer otto-hubkolben-brennkraftmaschine

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DE3108486A1
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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Description

31 O8A86
V O L K S W A G E N V/ E R K AKTIENGESELLSCHAFT
5180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 5065
1702pt-we-sch
Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gemischverdichtende, fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschinen (Otto-Motoren) arbeiten bekanntlich mit Füllungs- oder Drosselregelung. Hierbei wird im Teillastgebiet der Brennkraftmaschine durch Drosselung auf der Ansaugseite das Füllungsgewicht des angesaugten Kraftstoff-Luft-Gemisches bei etwa gleichbleibendem Kraftstoff-Luft-Verhältnis gegenüber dem Vollastzustand stark herabgesetzt. Infolge der geringeren Füllung verringert sich bei konstantem Brennraumvolumen auch der am Ende des Verdichtungstaktes eich ergebende Verdichtungsenddruck, so daß nach den bekanntenihermodynamischen Zusammenhängen der im wesentlichen von diesem Druck abhängende innere Wirkungsrad bei Teillast stark abfällt, was einen Anstieg des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine zur Folge hat.
Nun ist es bereits bekannt, diesen durch die Füllungsregelung sich ergebenden Nachteil dadurch zu vermeiden, daß das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine durch Veränderung des Brennraumvoluaens
in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine εο gesteuert wird, daß sich bei jedem lastzustand der Brennkraftmaschine in etwa der gleiche Verdichtungsenddruck einstellt.
Dazu kann im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ein Steuerkolben angeordnet werden, der in einer zylindrischen, mit dem Hauptbrennraum verbundene Bohrung verstellt werden kann. Die Verstellung des Steuerkolbens erfolgt dann in der Regel so, daß er bei Vollast das größtmögliche Nebenraumvolumen freigibt, bei Teillast oder Leerlauf dagegen entsprechend weniger.
Andererseits ist es auch möglich und auch schon vorgeschlagen worden, das Brennraumvolumen im oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine durch eine in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine erfolgende Verstellung der oberen Totpunktlage der Kolben zu verändern. So sind Ausführungen bekannt, bei denen im Bereich der Böden der Kolben durch hydraulische Beaufschlagung verstellbare Steuerkolben angeordnet sind, die mit fallender Belastung der Brennkraftmaschine in Rieh- „ tung auf den Zylinderkopf verstellt werden, um so das Brennraum volumen im oberen Totpunkt zu verringern. Solche Ausführungen erfordern jedoch einen relativ großen zusätzlichen Aufwand, unter anderem auch für die Zuführung und Steuerung des hydraulischen Druckmittels.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die abweichend von den bisher bekannten Ausführungen ausgebildet ist und mit geringerem Aufwand auskommt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 . Dadurch, daß die Kolben mit den zugeordneten Pleuelstangen über verstellbare Exzenteranordnungen verbunden sind, ergibt sich die Möglichkeit, die obere Totpunktlage des Kolbens zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses zu verändern. Dabei bleibt der Aufwand relativ gering und es lassen sich möglicherweise auch bereits vorhandene Brennkraftmaschinen noch nachträglich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausrüsten, was bei den bisher bekannten Verdichtungssteuerung-
3108Α86
einrichtungen nicht ohne weiteres möglich war.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den TTnteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in teils schematischer Darstellungsweise in
Figur 1 einen Längsschnitt durch den Kolben einer mit einer erfindungsgemäßen Verdichtungssteuereinrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine,
Figur 2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß den Schnittlinien II-II nach Figur 1 und
Figur 3 eine schematische Gesamtansicht der Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Kolben der in dem Ausführungsbeispiel vierzylindrigen Viertakt-Otto-Hubkolbenbrennkraf tmaschine angedeutet, dessen Pleuelstange mit 2 angegeben ist. 5 stellt einen in einer Querbohrung 9 des Kolbens 1 drehbar gehaltenen hohlen Kolbenbolzen dar, auf dem eine Exzenterbuchse 4> beispielsweise durch Aufschrumpfen starr befestigt ist. Erst auf diese Exzenterbuchse 4 ist das an dem kolbenseitigen Ende der Pleuelstange 2 angebrachte Pleuelauge 8 drehbar gehalten. Allerdings weist das Pleuelauge 8 einen im wesentlichen radial gerichteten Zapfen 6 auf, der mit seinem radial inneren, in die Pleuelaugenbohrung hineinragenden Ende in eine an dem Mantel der Exzenterbuchse 4 angebrachte schräg zur Achsrichtung verlaufende Nut 5 mit relativ engem Spiel eingreift. Die Exzenterbuchse 4 ist über zwei an beiden Stirnseiten angeordnete Anlaufscheiben 7 nahezu ohne Axialspiel im Kolben 1 eingepaßt.
Durch eine Verstellung der Pleuelstange in Richtung der in der Zeichnung eingetragenen Pfeile, nämlich in Richtung der Achse der Kurbelvielle j ergibt sich nun über den Zapfen 6 eine Axialkraft auf die Schrägnut 5 der Exzenterbuchse 4» die infolge der Schrägstellung der Schrägnut eine Verdrehung der Exzenterbuchse verursacht. Diese Verdrehung
wird unterstützt durch das überlagerte Wechselmoment, das aus der Pleuelschwenkbewegung während der Auf- und Abbewegung des Kolbens 1 resultiert. Durch eine Verdrehung der Exzenterbuchse, deren Exzentrizität in der Figur 2 mit e bezeichnet ist, ergibt sich dann eine Veränderung der oberen Totpunktlage des Kolbens 1 bezüglich des Zylinderkopf es und damit eine Veränderung des Brennraumvolumens. In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist eine Stellung gezeigt, die etwa in der Mitte des Verdichtungsverstellbereiches liegt. Bet einer Verdrehung der Exzenterbuchse 4 im Uhrzeigersinn, was durch eine in der Figur 1 nach rechts gerichtete Axialkraft auf die Pleuelstange bewirkt würde, ergibt sich eine Absenkung der Lage des oberen Totpunkts., des Kolbens 1 und damit eine Vergrößerung des Brennraumvolumens, was bei steigender Belastung der Brennkraftmaschine erforderlich ist. Eine Verstellung der Exzenterbuchse 4 in der Figur 2 entgegen dem Uhrzeigersinn hebt dagegen die Lage des oberen Totpunktes des Kolbens 1 an und verringert damit das Brennraumvolumen, so daß auch bei niedrigeren Lasten trotz Füllungsdrosselung ein etwa gleichbleibender Verdichtungsenddruck erreicht wird.
Die für die Verdrehung der Exzenterbuchse 4 notwendige axiale Verschiebung der Pleuelstange 2 kann durch eine entsprechende Axialverstellung der Kurbelwelle 11 (Figur 3) erreicht werden, wofür abhängig von der Ausführungsform und insbesondere von der Steigung der Schrägnut 5 in der Exzenterbuchse 4> sowie von der Exzentrizität und dem geforderten Verstellbereich entsprechende Axialspiele erforderlich sind.
In der Figur 5 ist eine Möglichkeit angedeutet, wie eine Axialverstellung der Kurbelwelle erreicht werden kann. In dieser Figur ist die Brennkraftmaschine insgesamt mit 10 bezeichnet, während mit 12 ein am vorderen Motorgehäuse angeordneter Schwenkhebel angegeben ist, der ein Kurbelwellenhauptlager 18 enthält. Dieser Schwenkhebel 12 ist dabei nach Art einer Schraubverbindung so am Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 gehalten, daß er bei einer Schwenkbewegung um die Achse der Kurbelwelle 11 über das Kurbelwellenlager 18 eine Axialverstellung auf die Kurbelwelle 11 ausübt.
Der Schwenkhebel 12 ist, um eine lastabhängige Verstellung zu erreichen, über ein Gestänge I4 mit dem Fahrpedal 1 3 verbunden, so daß in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals, das die Last der Brennkraftmaschine vorgibt, die Kurbelwelle 11 axial verstellt wird, wodurch auf die zuvor beschriebene Weise die Lage dee oberen Totpunkts der Kolben der Brennkraftmaschine verändert wird. An dem Gestänge ist auch ein Verstellhebel I5 zur Verstellung der in dem Saugrohr 17 der Brennkraftmaschine 10 angeordneten Drosselklappe angedeutet, so daß die Füllungsänderung der Brennkraftmaschine gleichseitig mit der Verstellung der Totpunktlage der Kolben erfolgt.
Eine optimale Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an die Belastung der Brennkraftmaschine bzw. die Zylinderfüllung wäre durch Verwendung des Saugrohrdruckes als Stellsignal möglich. Bei einer derartigen Lösung könnte ein vom Saugrohrdruck beaufschlagter pneumatischer Stellmotor die Schwenkhebelverstellung vornehmen. Auch wäre es möglich, einen direkt auf das vordere Kurbelvellenende wirkenden Stellmotor vorzusehen, der beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagbar ist und beispielsweise wiederum direkt oder indirekt von dem Unterdrück des Saugrohrs gesteuert wird.
Generell sind aber auch Koppelsysteme denkbar, bei denen die Last- und Verdichtungsveretellung zeitlich versetzt derart abläuft, daß das Auftreten klopfender· Verbrennung weitgehend ausgeschlossen ist. Hierfür müßte bei einer Lasterhöhung der Brennkraftmaschine zunächst durch Verstellung des oberen Totpunktes des Kolbens die Verdichtung abgesenkt und erst anschließend die Lasifcerhöhung durch entsprechende Öffnung der Drosselklappe vorgenommen werden, während bei einer Lastabsenkung erst die Drosselklappe geschlossen und anschließend das Verdichtungsverhältnis erhöht wird.
Für anzustrebende Verdichtungsänderungen im Bereich zwischen £ = 9 und C =15 wäre abhängig von der Exzentrizität der Exzenterbuchse und der Steigung der Schrägnut eine Axialverschiebung der Kurbelwelle bzw. der Pleuelstangen in der Größenordnung von ca. - 2,5 mm erforderlich. Selbstverständlich müßten die Nebenwellenantriebe der Brennkraftmaschine sowie die K-applungsbetätigung auf eine solche Axialverschieb-
barkeit der Kurbelwelle eingerichtet sein.
Abweichend von der in der Zeichnung gezeigten und beschriebenen Ausführung wäre es im übrigen auch möglich, die Exzenterbuchse 4 nicht fest, sondern drehbar auf dem Kolbenbolzen 3 anzubringen. In diesem Fall könnte sich eine leichtere Verdrehung der Exzenterbuchse bei einer Laständerung ergeben, da die träge Masse des KoI-benbolzens nicht mitgedreht werden muß.
Leerseite

Claims (7)

  1. V OLKSWAGE K W E R K
    AKTlENOf SEILSCHAFT
    31BO Wolfsburg
    , · η τ™. 0^MSra1981
    unsere Zeichen: K 3065
    1702pt-we-sch
    ANSPRÜCHE
    1 J Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit jedem Zylinder zugeordneten, jeweils einen Arbeitsraum veränderlichen Volumens gegenüber einem Zylinderkopf einschließenden Kolben, die über Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle in Antriebsverbindung stehen, und mit Mitteln zur Veränderung der oberen Totpunktlage der Kolben in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (1) über verstellbare Exzenteranordnungen (4 - 6) mit den Pleuelstangen (2) verbunden sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit jeweils einem in einer Querbohrung jedes Kolbens drehbar gehaltenen Kolbenbolzens, auf dem die Pleuelstange mit einem an ihrem kolbenseitigen Ende angebrachten Auge gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelauge (8) auf einer auf dem Kolbenbolzen (3) befindlichen Exzenterhülse (4) gelagert ist.
  3. 3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelauge (θ) einen Zapfen (6) aufweist, der in eine schräg zur Längsrichtung verlaufende Nut (5) der Exzenterbuchse (4) eingreift, und daß zur Verdrehung der Exzenterbuchse die Pleuelstange (2) in Längsrichtung der Kurbelwelle (11) verstellbar ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstellantrieb (12, I4) zur axialen Verstellung der Kurbelwelle (11) in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine (1O) vorgesehen ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellantrieb (12, 14) einen ein Hauptlager (8) der Kurbelwelle (11) aufnehmenden Schwenkhebel (12) aufweist, der gegenüber dem feststehenden Gehäuse der Brennkraftmaschine (1O) derart gehalten ist, daß er bei einer Verschwenkung um die Achse der Kurbelwelle eine Axialverstellung der Kurbelwelle nach Art einer Schraubbewegung ausführt.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellantrieb (12, I4) von dem Fahrpedal (13) und/oder dem Leistungssteuerglied (16) der Brennkraftmaschine (1O) betätigbar ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellantrieb in Abhängigkeit von dem im Saugrohr (17) der Brennkraftmaschine (1O) auftretenden Unterdruck betätigbar ist.
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