DE3801102A1 - Vorrichtung fuer eine hubkolbenmaschine mit variablem brennraum - Google Patents

Vorrichtung fuer eine hubkolbenmaschine mit variablem brennraum

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einem Ottomotor wird die maximal zulässige Verdichtung durch die Klopfgrenze bei Vollast bestimmt. Bei Teillast und Drosselung des quantitätsgesteuerten Motors lassen sich nur niedrige Ver­ dichtungsdrücke erreichen, so daß hier mit dem Ziel der Verbrauchs­ und Leistungsverbesserung eine Erhöhung der Verdichtung ohne Klopfgefahr möglich ist.
Anders verhält es sich bei hochaufgeladenen Dieselmotoren, wo diese Erfindung auch zur Spitzendruckbekämpfung eingesetzt werden kann.
Um eine optimale Verdichtung in sämtlichen Drehzahl- und Last­ bereichen zu erreichen, ist bei dieser Erfindung eine Nebenkammer (1) Fig. 3 im Zylinderkopf (2) angeordnet, welche durch einen hydraulisch betätigten Nebenkolben (4), in dem das Einlaßventil (5) integriert ist, das Volumen des Brennraumes (3) in seiner Größe je nach Position des Nebenkolbens (4) bestimmt.
Durch die V-förmige Anordnung des integrierten Einlaßventils (5) in dem Nebenkolben (4), sowie des Auslaßventils (5) ist es möglich, einen großen Durchmesser des Nebenkolbens (4) zu erreichen. Dadurch erzielt man einen kurzen Hubweg des Nebenkolbens (4) der z.B. in dem unteren Teillastbereich auch in den Hauptbrennraum (3) überstehen kann und bei Vollast ist die Tiefe der Nebenkammer (1) nicht allzu groß. Somit wird der Brennraum (3) wenig zerklüftet bzw. verändert.
Die Einlaßventileinheit ist komplett in dem Nebenkolben (4) integriert. Im Verdichtungshub ist das Einlaßventil (5) geschlossen. Somit übt der Nebenkolben (4) seine volle Funktion aus.
Mit den Hubbewegungen des Nebenkolbens (4) wandert das auf dem Schwenkhebel (10) gelagerte Kipphebellager mit, indem die Klauen (11) des Nebenkolbens (4) die Kontaktfläche bilden z.B. für Halbrollen oder Halbkugeln (12), welche wiederum in einer Art Pfannen (14) des Schwenkhebels (10) gelagert sind. Somit ist der Schwenkhebel (10) mit dem Nebenkolben (4) formschlüssig. Auf der Gegenseite hat der Schwenkhebel (10) seinen Drehpunkt mit der Nockenwelle (7) und ist in einem Halblager (13) auf dieser gelagert. So wird der Kipphebel (8) mit seinem Drehpunkt im Kipphebellager (9) auf dem Schwenkhebel (10) dem Nebenkolben (4) nachgeschwenkt. Hierdurch bleibt der Bewegungsablauf bzw. die Bewegungsgeometrie von der Nockenwelle (7) über den Kipphebel (8) zum Einlaßventil (5) erhalten.
Durch die Verschiebung der Öffnungs- und Schließzeiten des Einlaßventiles (5), welche durch die Schwenkung des Kipphebel­ drehpunktes (9) entsteht, muß die Nockenwelle (7) einer radialen Korrektur unterzogen werden, z.B. bei negativen Ergebnissen je nach Drehrichtung, so daß sie in die richtige Position kommt. Wenn für das Einlaßventil (5) und das Auslaßventil (6) nur eine Nockenwelle (7) ist, muß man einen Kompromiß mit den Steuerzeiten schließen.
Der Nebenkolben (4) und das Saugsystem, welches am Zylinderkopf (2) befestigt ist, wird mit einem Zwischenstück (15) verbunden, welches an seinen Enden z.B. kugelförmige Ringe (16) besitzt, die sich im Nebenkolben (4) sowie auf der Gegenseite schwenken und so die Bewegungen des Nebenkolbens (4) ausgleichen.
Die Hubbewegungen des Nebenkolbens (4) sollten möglichst mit Selbstregelung oder mit geringer Leistungsaufnahme erfolgen. So sind verschiedene Hydrauliksysteme zu erproben, um zu einer realisierbaren Konstruktion zu kommen.
Bei der Variante 1 Fig. 6, ist eine Flächendifferenz zwischen dem größeren Ölraum (17) und dem kleineren Ölraum (18) vorhanden. Somit ist der größere Ölraum bei gleichem Öldruck der dominierende. Die beiden Ölräume (17 und 18) sind miteinander über eine Drossel verbunden, welche den Öldurchfluß zwischen den Ölräumen (17 und 18) und zu der Ölquelle regelt. Dies ist bestimmend für die Hub­ geschwindigkeit des Nebenkolbens (4). Die Ölleitung, welche die Ölräume (17 und 18) mit der Ölquelle verbindet, ist durch ein 2/2 Wegeventil nur bei dem Verdichtungstakt geöffnet. Der Ver­ dichtungsdruck, welcher durch den Arbeitskolben (19) aufgebaut wird, ist durch Drosselung der Luftzufuhr und je nach Belastung des Motors verschieden. Ist der Verdichtungsdruck im Brennraum (3) nieder, wandert der Nebenkolben (4) durch den konstanten Öldruck von der Ölquelle gegen den Brennraum (3) und erhöht den Ver­ dichtungsdruck bis dieser mit dem Öldruck von der Ölquelle sich über den Nebenkolben (4) ausgleicht, so daß der Nebenkolben (4) zum Stillstand kommt. Wird der Verdichtungsdruck im Brennraum (3) höher, bewegt sich der Nebenkolben (4) zurück bis zu der Position, wo sich wiederum Verdichtungsdruck und Öldruck die Waage halten. Somit ist der Verdichtungsdruck in sämtlichen Drehzahl- und Last­ bereichen optimal.
Bei der Variante 2, Fig. 7, wird der Verdichtungsdruck über einen PI-Regler geregelt. Dabei wird z.B. die Position des Nebenkolbens (4) als Ist-Wert für das Verdichtungsverhältnis erfaßt und mit dem Soll-Wert, der sich aus der Drosselklappenstellung ergibt, verglichen. Die sich einstellende Abweichung beider Werte bewirkt eine Verände­ rung der Nebenkolbenposition, so lange bis der Ist-Wert dem Soll- Wert entspricht und das dem entsprechenden Lastpunkt zugeordnete Verdichtungsverhältnis erreicht ist.
Bei diesem System sperrt ein 2/2 Wegeventil in beiden Richtungen den Durchfluß zwischen dem Ölraum (17) und der Ölquelle in den Motortakten "Verdichten", "Verbrennen" und "Auspuffen". Somit ist der Nebenkolben (4) in den Arbeitstakten, wo er vom Verbrennungs­ raum (3) her unter Druck steht, blockiert.
Das 2/2 Wegeventil ist bei dem Motortakt "Ansaugen" geöffnet, der Nebenkolben (4) vom Verbrennungsraum her druckfrei. Bei dieser Position wird ein zusätzliches 4/3 Wegeventil, wenn der Ist-Wert mit dem Soll-Wert übereinstimmt, durch ein Signal vom PI-Regler gesperrt, wobei die Ölräume (17 oder 18) mit der Ölquelle und der Rückleitung getrennt werden. Stimmt der Ist- Wert mit dem Soll-Wert nicht überein, so öffnet das 4/3 Wege­ ventil zwischen der Ölquelle und jenem Ölraum am Nebenkolben (4), in dem dann der Öldruck den Nebenkolben (4) in die ihm zuge­ ordnete Position bewegt. Aus dem gegenüberliegenden Ölraum kann das verdrängte Öl über das 4/3 Wegeventil durch die Rückleitung abfließen. Somit ist der Verdichtungsdruck, wie bei Variante 1, in sämtlichen Drehzahl- und Lastbereichen optimal.
 1 Nebenkammer
 2 Zylinderkopf
 3 Brennraum
 4 Nebenkolben
 5 Einlaßventil
 6 Auslaßventil
 7 Nockenwelle
 8 Kipphebel
 9 Lager und Drehpunkt des Kipphebels
10 Schwenkhebel
11 Klauen des Nebenkolbens
12 Halbrollen oder Halbkugeln
13 Halblager des Schwenkhebels
14 Pfannen des Schwenkhebels
15 Zwischenstück des Ansaugkanals
16 Kugelförmiger Ring
17 Oberer Ölraum
18 Unterer Ölraum
19 Arbeitskolben
20 Kolbenringe für Nebenkolben
21 Dichtringe für hydraulischen Teil des Nebenkolben
22 Zylinderblock
23 Nocken- und Kipphebelwellenlagerbock
24 Oberer Ölraumdeckel

Claims (17)

1. Vorrichtung für Hubkolbenmaschine, bei der während des Betriebes das Volumen des Brennraumes in seiner Größe veränderlich ist.
2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Brennraum aus einem Hauptbrennraum (3) und einem Nebenbrennraum (1) besteht, in welchem ein hydraulisch betätigter Nebenkolben (4) eingebaut ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (4) in dem Nebenbrennraum (1) hydraulisch so bewegt werden kann, bis der Nebenbrennraum (1) aufgehoben ist und der Nebenkolben (4) eventuell noch in den Hauptbrenn­ raum (3) übersteht.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Nebenkolben (4) das Einlaßventil (5) integriert ist und somit in geschlossenem Zustand den Neben­ kolben (4) seine Funktion zur variablen Verdichtung ausführen läßt.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Öffnen und Schließen des Einlaßventiles (5) von der Nockenwelle (7) über einen Kipphebel (8) erfolgt, der mit seinem Drehpunkt (9) auf einem Schwenkhebel (10) gelagert ist und den Hubbewegungen des Nebenkolbens (4) folgt.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (10) seinen Drehpunkt mit der Nockenwelle (7) gemeinsam hat und in einem Halblager (13) auf dieser gelagert ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegungen über die Klauen (11) des Nebenkolben (4), auf denen z.B. Halbrollen (12) oder Halbkugeln formschlüssig sind, auf den Schwenkhebel (10), in dem die Halbrollen oder Halbkugeln (12) wiederum in Pfannen (14) an den Enden des Schwenkhebels (10) gelagert sind, übertragen werden.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (15) des Ansaug­ kanales, mit den Bewegungen des Nebenkolben (4) und dem z.B. an dem Zylinderkopf (2) angebrachten Saugsystem beweglich ist, in dem das Zwischenstück (15) an seinen Enden kugelförmige Ringe besitzt, welche im Nebenkolben (4) sowie auf der Gegen­ seite sich schwenken.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei System 1, Fig. 6, der größere Ölraum (17) gegenüber dem kleineren Ölraum (18) bei gleichem Öldruck der dominantere ist (Flächendifferenz).
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen den Ölräumen (17 und 18) eine Drossel ist, welche die Hubgeschwin­ digkeit des Nebenkolbens (4) mitbestimmt.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu- bzw. Abfluß von den Ölräumen (17 und 18) durch ein 2/2 Wegeventil bei den Motor­ takten "Verbrennung", "Auspuffen" und "Ansaugen" unterbrochen ist und die Ölleitung beim Motortakt "Verdichten" öffnet und somit mit dem Öldruck von der Ölquelle verbunden ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast sowie Drosselung der Luftzufuhr der Verdichtungsdruck, den der Arbeitskolben (4) im Brennraum (3 und 1) aufbaut, unterschied­ lich ist. Dadurch auf den optimalen und konstanten Verdich­ tungsdruck gebracht wird, in dem der Öldruck im Ölraum (17) mit dem auf den Nebenkolben (4) wirkenden Verdichtungsdruck die Waage hält, wobei der Nebenkolben (4) in die ihm zuge­ ordnete Position wandert.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Variante 2, Fig. 7, die Position des Nebenkolbens (4) durch einen PI-Regler und ein 2/2 Wegeventil und ein 4/3 Wegeventil gesteuert wird.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das 2/2 Wege­ ventil zwischen dem Ölraum (17) und der Ölquelle den Durchfluß in den Motortakten "Verdichten", "Verbrennen", "Auspuffen" gesperrt ist und im Ansaugtakt geöffnet ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das 4/3 Wege­ ventil die Ölräume (17 und 18) zu der Ölquelle und dem Ölrück­ fluß sperrt, wenn der Ist-Wert mit dem Soll-Wert übereinstimmt. Stimmt der Ist-Wert mit dem Soll-Wert nicht überein, so öffnet das 4/3 Wegeventil zwischen der Ölquelle und jenem Ölraum am Nebenkolben (4) in dem dann der Öldruck den Nebenkolben (4) in die ihm zugeordnete Position bewegt. Aus dem gegenüberliegenden Ölraum kann das verdrängte Öl über das 4/3 Wegeventil durch die Rückleitung abfließen.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (4) zum Beispiel auch ohne integriertes Ventil seine Funktion ausüben kann.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ventilanordnung mit zwei Auslaßventilen (6) und einem integrierten Einlaßventil (5) im Nebenkolben (4) der Durchmesser des Nebenkolbens vergrößert werden kann.
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