DE3444834C2

DE3444834C2 - Mehrteiliger Kolben zur Spitzendruckbegrenzung

Info

Publication number: DE3444834C2
Application number: DE19843444834
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. 7146 Tamm Vuckovic; Friedrich Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Wirbeleit
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-12-08
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE3444834A1

Description

(a) die Feder (12) greift an einem in dem Zwischenstück (3) axial über Dichtmittel (19) verschiebbaren l>ei entlasteter Feder an dem Kolbenoberteil (1) anliegenden Schieber (11) an,

(b) die in der senkrecht zur Kolbenachse liegenden Ebene der Kammer (5) ausgesetzte Querschnittsfläche des Schiebers (11) ist kleiner als die in der gleichen Ebene der Kammer (5) ausgesetzte Querschnittsfläche des Kolbenoberteils (1),

(c) die der Kammer (5) ausgesetzte Oberfläche des Schiebers (11) ist nur mit einem Teilbereich flächenschlüssig an das Kolbenoberteil (1) anlegbar.

2. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der SchieHr (11) zur Abfuhr der Flüssigkeit aus der Kammer (5) eine Drosselbohrung (13) aufnimmt, deren öffnung (20) bei der Axialbewegung des Schiebers durch eine Steuerkante (14) einer Aussparung (21) des Zwischenstückes (3) auf- und zusteuerbar ist, wobei die öffnung bei an dem Kolbenoberteil (1) anliegendem Schieber offen ist, der zur Schließung der öffnung erforderliche Weg des Schiebers einen Bruchteil des möglicher Gesamthubes des Schiebers ausmacht und nach der Zusteuerung der öffnung noch ein die Feder (12) spannender Verstellweg verbleibt

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben zur Spitzendruckbegrenzung, insbesondere für Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekanntermaßen führen hohe Verdichtungsverhältnisse bei Verbrennungsmotoren zu guten Wirkungsgraden- Diese hohen Verdichtungsverhältnisse haben jedoch, insbesondere im Bereich hoher Lasten, hohe Spitzendrücke verbunden mit hohen Spitzentemperaturen und somit hohe NO^-Emission zur Folge. Bei Dieselmotoren verursachen hohe Spitzendrücke eine hohe mechanische Festigkeitsbelastung und eine rauhe Ganghärte. Bei Ottomotoren tritt insbesondere das Problem der klopfenden Verbrennung auf.

Ein Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-PS 4 61 459 bekannt Zur Dämpfung der relativ zueinander axial verschiebbaren Kolbenteile ist die die Feder umgebende Kammer mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagbar. Diese Druckflüssigkeit bewirkt aber nur eine Dämpfung der Kolbenteile bei einer Relativbewegung in einer Richtung» nämlich dann, wenn die Feder gespannt wird. Bei der umgekehrten Bewegung — wenn die Feder sich entspannt — erfolgt jedoch keine Dämpfung durch die Druckflüssigkeit, da eine gezielt steuerbare Verbindung zwischen den beiden Kammern nicht vorhanden ist.

Aus der GB-PS 15 30 439 ist ein sogenannter VKH-Kolben (Kolben mit veränderlicher Kompressionshöhe) bekannt bei dem zwar eine Verbindung zwischen den beiden mit Druckflüssigkeit beaufschlagbaren Kammern zur Herbeiführung einer gegenseitig unterschiedlichen Stellung von Kolbenober- zu Kolbenunteneil vorhanden ist jedoch eine Einrichtung zur Spitzendruckbegrenzung fehlt

Ein ähnlicher VKH-Kolben ist aus der GB-PS 20 59 009 bekannt Dieser enthält Elemente in dem Kolbenunterteil, die an die Kammer zwischen Kolbenober- und -unterteil angrenzen und zur Kammer hin eine Querschnittsfläche in einer senkrecht zur Kolbenachse liegenden Ebene aufweist die kleiner als die in der gleichen Ebene dieser Kannner ausgesetzte Querschnittsfläche des Kolbenoberteils ist Es fehlt jedoch eine Feder, die die mit der Kammer beweglich in Verbindung stehenden Elemente des Kolbenunterteils direkt gegen das Kolbenoberteii spannen kann.

Ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik ist es Aufgafce der vorliegenden Erfindung, die Speicherung der bei der Spitzeildruckbegrenzung anfallenden Federarbeit so zu verbessern, daß insbesondere eine schwächere Feder verwendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung des Kolbens gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Das wesentliche Merkmal besteht bei dieser Lösung darin, daß die Feder an einem in dem Zwischenstück axial verschiebbaren Schieber angreift dessen in einer senkrecht zur Kolbenachse liegenden Ebene der Kammer ausgesetzte Querschnittsfläche kleiner ist als die ihr gegenüberliegende Querschninsfläcf f des Kolbenoberteils, wobei diese der Kammer ausgesetzte Oberfläche des Schiebers nur mit einem Teilbereich flächenschlüssig an dem Kolbenoberteil anliegt Hierdurch wird eine hydraulische Druckübersetzung erreicht die bewirkt, daß im Arbeitshub auch bei einer schwachen Feder die durch die Spitzendruckbegrenzung speicherbare Energie als Federarbeit in die Feder überführt wird, um sie anschließend wieder dem System zuführen zu können.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 enthalten, bei welcher der Schieber die zur Abfuhr der Flüssigkeit aus der Kammer dienende Drosselbohrung aufnimmt die so ausgebildet und angeordnet ist daß sie in Betriebszuständen, in denen der Schieber am Kolbenoberteil anliegt, offen ist und somit ein Durchfluß der Druckflüssigkeit gegeben ist, wodurch eine Kühlung der einzelnen Bauteile, insbesondere auch der Feder, gewährleistet ist.

Mit einem derartigen Kolben wird durch die Verringerung der Kompressionshöhe einerseits der durch die Zündung entstehende Spitzendruck abgebaut und andererseits ein Teil der dazu notwendigen Arbeit in der Feder gespeichert die anschließend im Arbeitshub im Bereich des maximalen Drehmomentes dem System wieder zugeführt wird.

Diese Energierückführung durch Vergrößern der Kompressionshöhe während der Expansion bewirkt eine Verbesserung der HC-Emissionswerte. Außerdem führt die Absenkung des Spitzendrucks und somit der Spitzentemperatur zu einer Reduktion der NOj-Anteile

im Abgas.

Die den Kolben gezielt durchströmende Flüssigkeit dient außer zur Dämpfung und Steuerung der sich relativ zueinander bewegenden Kolbenteile gleichzeitig zur Kühlung, insbesondere auch zur Kühlung der Feder.

Ausführungsbeispiele sind in den F i g. 1 und 2 der Zeichnung enthalten.

Die F i g. 3 und 4 zeigen skizzenhaft den Kräfteverlauf beim Verdichtüngs- und Arbeitshub.

Der mehrteilige Kolben mit Spitzendruckbegrenzung besteht aus einem die Kolbenringnuten und den Kolbenboden umfassenden Kclbenoberteil 1, das über einen Kolbenbolzen 2, an dem ein Zwischenstück 3 angelenkt ist, mit dem Kolbenschaft 4 als sogenannter Pendelschaftkolben in Verbindung steht Von dem Zwischenstück 3, dem Kolbenoberteil 1 und einem aus wärmebeständigem Material bestehenden Schieber 11₁ wird einerseits eine Kammer 5 und andererseits eine Dämpferkammer 6 begrenzt Die Zufuhr von Druckflüssigkeit in die Kammer 5, üblicherweise aus dem normalen Ölschmierkreislauf, erfolgt über den hohlen Kolbenbolzen 2 und eine mit einem Einwegeventil 7 versehen^ Bohrung 15 im Zwischenstück 3. Eine mit einem Einwegeventil 8 versehene Bohrung 16 im Zwischenstück 3 verbindet die Kammer 5 mit der Dämpferkammer 6 zur Zufuhr von Flüssigkeit, während die Abführung der Flüssigkeit aus der Dämpferkammer 6 zurück in die Kammer 5 über eine Drosselbohrung 9 erfolgt Die Rückführung der Flüssigkeit aus der Kammer 5 in den Kurbelgehäuseraum erfolgt durch die Drosselbohrung 13.

Eine zwischen dem Schieber 11 und dem Zwischenstück 3 liegende Feder 12 bewirkt in ihrem entspannten Zustand, daß ein am Kolbenoberteil 1 befestigter Anschlag 10 am Zwischenstück 3 so anliegt, daß ein VoIumen der Dämpferkammer 6 gleich NoIi ist

Zur Abdichtung der relativ zueinander verschiebbaren Kolbenteile sind Dichtungen 17—19 vorgesehen.

Der Schieber 11, an dem die an dem Zwischenstück 3 abgestützte Feaer 12 angreift, ist über eine Dichtung 19 axial verschiebbar in dem Zwischenstück 3 angeordnet und liegt bei entlasteter Feder 12 am Kolbenoberteil 1 an. Die in der senkrecht zur Kolbenachse liegenden Ebene der Kammer 5 ausgesetzte Querschnittsfläche des Schiebers 11 ist kleiner als die in der gleichen Ebene der Kammer 3 ausgesetzte Querschnittjfläche des Kolbenoberteils 1, so daß bei dem in bestimmten Betriebszuständen herrschenden, durch die Zündkraft hervorgerufenen Druck in der Kammer 5 aufgrund einer sogenannten hydraulischen Druckübersetzung der Schieber 11 sich axial entgegen der Richtung der Federwirkung nach unten bewegt und die Feder 12 weiter vorspannt Ausgelöst wird dieser Vorgang vor allem dadurch, daß die der Kammer 5 ausgesetzte Oberfläche des Schiebers 11 nur mit einem Teilbereich flächenschlüssig am KoI-benoberteil 1 anliegt. Außerdem muß dabei die im Schieber 11 zur Abführung der Flüssigkeit aus der Kammer 5 in den Kurbelgehäuseraum vorgesehene öffnung 20 der Drosselbohrung 13 geschlossen sein. Dies wird durch eine Steuerkante 14 einer Aussparung 21 des Zwischenstückes 3 erreicht, die je nach Stellung des Schiebers 11 — relativ zum Zwischenstück 3 — die öffnung 20 auf- und zusteuert.

Die Schließung der öffnung 20 soll unmittelbar nach Abheben des Schiebers 11 vom Kolbenoberteil 1 erfolgen.

Zur Funktion dieser Koiöenausführung während des Motorbeiriebes ist folgendes festzustellen:

Beim Ansaug- und Ausschubhub ist die Summe der Kräfte, die auf das Kolbenoberteil 1 in Richtung auf den Kolbenbolzen 2 wirken, kleiner als die Summe der Kräfte die diesen entgegenwirken — insbesondere die Federvorspannkraft —, so daß der Kolben die Stellung gemäß F i g. 1 rechte Hälfte einnimmt, d. h. der Kolben weist seine maximale Kompressionshöhe auf, das Volumen der Dämpferkammer 6 ist gleich Null und es Findet ein Flüssigkeitsaustausch durch Zuführen über die Bohrung 15 und Abführen über die Drosselbohrung 13 zur Kühlung des Kolbens und der Feder statt

Beim Verdichtungshub ist in einer 1. Phase A (siehe F i g. 3) die Summe der Kräfte zu einer Kompressionshöhen(KH)-Verkleinerung geringer als die Summe der umgekehrt wirkenden Kräfte — & h. insbesondere ist die Federvorspannkraft größer als die Verdichtungskraft —, so daß der Kolben wie im Ansaug- und Ausschubhub die Stellung gemäß F i g. 1 rechte Hälfte einnimmt und somit wie insbesondere die »Einzelheit X« zeigt, die Steuerkante 14 die öffnung 20 der Drosselbohrung 13 aufsteuert um einen Flüssio-^eitsaustausch der Kammer 5 zur Kühlung der einzelnen ilolbenteile zu gewährleisten.

In einer 2. Phase A' des Verdichtungshubes ist die Summe der Kräfte zur KH-Verkleinerung größer als die Summe de;· entgegengesetzt wirkenden Kräfte — d. h. insbesondere ist die Verdichtungskraft größer als die Federvorspannkraft —, so daß sich das Kolbenoberteil 1 mit dem an ihm anliegenden Schieber 11 relativ zum Zwischenstück 3 nach unten bewegt, die Feder 12 sich weiter spannt, das Einwegeventil 7 sich schließt, Flüssigkeit über das Einwegeventil 8 der Bohrung 16 in die Dämpferkammer 6 fließt und die Steuerkante 14 die Öffnung 20 der Drosselbohrung 13 allmählich verschließt Nach vollständigem Schließen der öffnung 20 der Drosselbohrung 13 reicht die verbleibende Verdichtungskraft nicht mehr aus, um eine weitere KH-Verkieinerung zu bewirken.

Eine derartig notwendige höhere Kraft stellt jedoch die Zündkraft im Arbeitshub dar, so daß in der 1. Phase B gem?J3 F i g. 3 eine weitere KH-Verkleinerung (Kurve D) eintritt, bei der das Kolbenoberteil 1 sich bis zum Anlegen an das Zwischenstück 3 nach unten bewegt Die noch weiter am Kolbenoberteil 1 anstehende hohe Zündkraft bewirkt nun entsprechend der inneren Fläche des Kolbenbodens eine Druckerhöhung in der Druckflüssigkeit der zwischen Schieber 11, Zwischenstück 3 und Kolbenoberteil 1 ausgebildeten Kammer 5, so daß auf den Schieber 11 aufgrund seiner dem Druck ausgesetzten geringeren Fläche als der des Kolbenoberteils 1 eine nach unten wirkende Kraftkomponente erhalten wird, die den Schieber 11 innerhalb des Zwischenstücks 3 weiter nach unten verschiebt, wodurch die Feder 12 sich weiter spannt und damit Energie zur späteren Abgabe an das System speichert. Hiermit wird also durch eine hydraulische Druckübersetzung trotz eifcer verhältnismäßig weichen Feder gewährleistet, daß die durch die Spitzendruckbegrenzung verringerte Energie gespeichert und som;·. dem System erhalten bleibt

In der 2. Phase ß'des Arbeitshubs ist die Summe der Kräfte zur Vergrößerung der Kompressionshöhe größer als die entgegengesetzt wirkenden Kräfte — d.h. Federkraft ist größer als die verbleibende Zündkraft —, so daß sich der Schieber 11 und das Kolbenoberteil 1 nach oben bewegen, wobei die Flüssigkeit aus der Dämpferkammer 6 über die Drosselbohrung 9 in die Kammer 5 und von dort nach Aufsteuerung der öffnung 20 der Drosselbohruiig 13 über diese in den Kurbeige-

häuseraum gelangt. Bei dieser KH-Vergrößerung wird die in der Feder gespeicherte Arbeit (schraffierte Fläche, Fig.3) wieder an das System zurückgegeben (punktierte Fläche).

Durch bestimmte Auslegung der Drosselbohrung 9 kann die Abgabe der gespeicherten Federarbeit gezielt in den maximalen Drehmomentbereich verlegt werden.

Der Kolben gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch, daß er keine Drosselbohrung zur Abführung der Flüssigkeit aus der Kammer 5 besitzt, wodurch die ganze Arbeit, die zur KH-Verkleinerung erforderlich ist, in Federarbeit gespeichert wird, so daß der beste Wirkungsgrad erreicht wird, da ein Verlust von Dämpfungsarbeit bezüglich der Drosselbohrung nicht vorhanden ist Dies bedingt die Verwendung einer luftfreien und thermisch hochbeständigen Flüssigkeit, da in dem geschlossenen System kein Flüssigkeitsai'stausch, sondern nur ein Ersetzen eventueller Leckageverluste erfolgt.

Die Funktion dieser Ausführung entspricht derjenigen gemäß F i g. 1 bei geschlossener Drosselbohrung, so daß sich ein Kräfteverlauf gemäß Diagramm F i g. 4 ergibt.

10

15

20

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

25

35

40

45

50 55 60 S5

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrteiliger Kolben zur Spitzendruckbegrenzung, insbesondere für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Kolbenunterteil (4) und einem axial verschiebbaren, über eine Feder (12) an einem mit dem Kolbenunterteil fest verbundenen Zwischenstück (3) abgestützten Kolbenoberteil (1), wobei eine die Feder umgebende Kammer (5) mit einer von außen zu- und abführbaren inkompressiblen Flüssigkeit beaufschlagt ist und eine zwischen dem Kolbenoberteil (1) und dem Zwischenstück (3) gelegene Dämpferkammer (6) mit der Kammer (5) in Verbindung steht, gekennzeichnet durch die Merkmale: