DE3902920C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Zylinder eines Verbrennungs­ motors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die bisher üblichen Zylinder von Verbrennungsmotoren haben einen Zylinderraum konstanter Größe, so daß zwi­ schen der oberen Totpunktlage des Kolbens und dem Zy­ linderkopf mit gegebenenfalls zugehörigen Ventilen ein unveränderbarer Verdichtungsraum liegt. Dies hat zur Folge, daß die Verdichtung des im Zylinderraum befind­ lichen Kraftstoff-Luft-Gemischs nicht den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden kann, um eine hochgradige Verbrennung zu erreichen, sondern in einer vorgegebenen, unveränderbaren Größenordnung liegt.

Aus der DE-AS 11 23 512 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsraum bekannt, in deren Zylinderkopf ein Kolben angeordnet ist, der mittels einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung verstellbar ist, die ihrerseits mit dem Gashebel der Brennkraft­ maschine verbunden ist. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine der Zylinderkopfkolben nach unten gedrückt wird, wodurch der Verdichtungsraum des Zylinders verkleinert wird, während der Zylinderkopfkolben beim größten Ausschlag des Gaspedals hingegen in seine höchste Stellung bewegt wird, in der der Verdichtungsraum seine maximale Größe erhält. Demnach erfolgt bei der bekannten Brennkraft­ maschine bei Vollgas, d.h. bei maximalem Brennstoffge­ misch-Zutritt, die niedrigste Verdichtung, was zur Folge hat, daß das Brennstoffgemisch nur sehr unvollständig verbrannt wird, so daß der Kraftstoffverbrauch der vor­ bekannten Brennkraftmaschine hoch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder eines Verbrennungsmotors so weiterzuentwickeln, daß jeweils die optimale Verdichtung des Brennstoff/Luft-Gemisches zur Erzielung einer hochgradigen Verbrennung erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kenn­ zeichen des Patentanpruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Zylinder wird die Position des Einsatzes des Zylinderkopfs derart über einen Mikro­ prozessor in Verbindung mit einer Lambdasonde gesteuert, daß für die jeweilige Drehzahl des Verbrennungsmotors und den jeweils dazu gemessenen CO-Wert die zugehörige optimale Verdichtung des Brennstoffgemisches hervorge­ rufen wird, bei der eine hochgradige Verbrennung erfolgt.

Diese Werte können für jeden Motortyp in einer Versuchs­ anlage ermittelt sein und im Mikroprozessor in Form eines Festprogramms vorliegen, mit dem im Betrieb des Motors die jeweilige Position der Einsätze der Zylinder­ köpfe gesteuert wird.

Der Einsatz ist vorzugsweise in axialer Richtung des Zylinders, d.h. in der mit der Bewegungsrichtung des Kolbens übereinstimmenden Richtung, bewegbar angeordnet, jedoch kann die Bewegungsrichtung auch von der Axialen abweichen, da es lediglich wesentlich ist, den Verdich­ tungsraum des Zylinders variabel zu gestalten.

Wie bereits erwähnt, ist die Position des Einsatzes und damit die Größe der jeweils hervorgerufenen Verdichtung über einen Mikroprozessor in Verbindung mit einer Lambda­ sonde steuerbar. Entsprechend können über den Mikropro­ zessor die Einspritzmenge des Kraftstoffes, der Zeitpunkt des Einspritzens, die Luftmenge und damit auch der Zünd­ zeitpunkt gesteuert werden. Im Betriebszustand des Ver­ brennungsmotors ist somit zu jeder Zeit die Verdichtung auf den optimalen Wert einstellbar, wobei die optimale Verdichtung für jeden Verbrennungsmotor vorgegeben ist.

Alternativ zu dem Vorstehenden kann die Position des Einsatzes auch manuell einstellbar sein.

Im einzelnen wird vorgeschlagen, in einer ringförmigen Bohrung des Motorblocks, die über eine Druckleitung mit einer Hydraulikflüssigkeit in Verbindung steht, einen ringförmigen Hydraulikkolben anzuordnen, auf dem der Einsatz aufruht, der durch Zufuhr zusätzlicher Hydraulik­ flüssigkeit in die Bohrung angehoben wird, um den Ver­ dichtungsraum zu vergrößern. Eine weitere Druckleitung sollte in den oberhalb des Einsatzes befindlichen, an­ sonsten geschlossenen Raum der Bohrung einmünden, wobei die hier zugeführte Hydraulikflüssigkeit auf die Ober­ seite des Einsatzes einwirkt, um bei entsprechenden Druckverhältnissen den Einsatz abzusenken und den Ver­ dichtungsraum entsprechend zu verkleinern. Hierzu ist der Einsatz selbstverständlich gegenüber der Innenwand der Bohrung mit geeigneten Dichtungen abgedichtet, was auch in allen übrigen Bereichen der Fall ist, in denen anderenfalls eine Leckage auftreten könnte.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Einsatz auf mehreren getrennten Hydraulikkolben anstelle eines ring­ förmigen Hydraulikkolbens aufruhen kann.

Damit der Bewegungsbereich des Einsatzes exakt definiert ist, wird vorgeschlagen, einen unteren und einen oberen Anschlag für den Einsatz auszubilden. Als unterer Anschlag kann die Oberkante der Zylinderwand dienen, an die sich eine entsprechende Schulter des Einsatzes in der untersten Position des Einsatzes, d.h. in der Position maximaler Verdichtung, anlegt, während im oberen Bereich der Bohrung eine ringförmige Abstufung ausgebildet sein kann, an der ein entsprechender Abschnitt der Oberseite des Einsatzes in dessen oberster Position - der Position minimaler Ver­ dichtung - in Anlage gerät.

Der Bewegungsbereich des Einsatzes sollte 0 bis 20 mm, vorzugsweise 0 bis 5 mm betragen, so daß für die jeweilige Drehzahl des Motors und den jeweils gemessenen CO-Wert die optimale Verdichtung eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, daß als Ein­ laß- und Auslaßventil bzw.-ventile Schieber angeordnet sind, die zwischen einer zurückgezogenen Öffnungsstellung und einer vorgeschobenen Schließstellung bewegber sind. Diese Schieber sollten in Aussparungen des Einsatzes ge­ führt und gegen diese abgedichtet sein, während sie Aus­ sparungen des den Einsatz umgreifenden Zylinderkopfs durch­ greifen, die das erforderliche Bewegungsspiel der Schieber mit dem Einsatz zulassen.

Da die Position der Ventilschieber zusammen mit der­ jenigen des Einsatzes variabel ist, können Nockenwellen, die zur Betätigung der Schieber vorgesehen sein können, so angeordnet sein, daß ihre Position entsprechend ver­ änderbar ist. Mit großem Vorteil wird jedoch vorgeschlagen, deß jeder Schieber mit einem ringförmigen Betätigungshebel ein­ stückig verbunden ist, der einen Öffnungsnocken und wenigstens einen, vorzugsweise zwei Schließnocken umgreift, die dem­ nach sowohl die Öffnungsbewegung als auch die Schließbe­ wegung der Ventilschieber zwangsweise steuern, und daß der ringförmige Betätigungshebel eine derartige Form hat, daß in jeder Position des Einsatzes die Nockenwelle bei unveränderter Lage eine einwandfreie Öffnungs- und Schließ­ bewegung der Ventilschieber hervorruft. Dies kann durch eine entsprechende Formgebung des Betätigungshebels er­ reicht werden, der im wesentlichen eine rechteckige Form haben kann, mit zwei verhältnismäßig langgestreckten Stegen, auf die die Öffnungs- bzw. Schließnocken in jeder Lage des Einsatzes und damit des ringförmigen Betätigungs­ hebels in gleicher Weise einwirken, so daß stets eine ein­ wandfreie Öffnungs- und Schließbewegung der Schieber statt­ findet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Bereich eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes,

Fig. 2 u. Fig. 3 verschiedene Dichtungen der Ventilschieber und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Ventilschiebers.

In der Fig. 1 ist ein Kolben 1 in der oberen Totpunktlage dagestellt. Über dem Kolben 1 befindet sich der verbleiben­ de Verdichtungsraum 2, der seitlich von der Zylinderwand 3 des Motorblocks 4 und oben von einem bewegbaren Einsatz 5, einem Einlaßventilschieber 6 und einem Auslaßventilschieber 7 begrenzt ist, die beide in der geschlossenen Stellung abgebildet sind. Der Einsatz 5 ist in Richtung der Pfeile 8, d.h. in axialer Richtung des Zylinders bewegbar und ruht hierzu mit einem unteren ringförmigen Ansatz 9 auf einem ebenfalls ringförmigen Hydraulikkolben 10 auf, der in einer ringförmigen Bohrung 11 des Motorblocks 4 sitzt. In den Boden der ringförmigen Bohrung 11 mündet eine Druck­ leitung 12, die mit einer Hydraulikflüssigkeitsquelle (nicht dargestellt) in Verbindung steht, so daß bei Zufuhr von Drucköl der ringförmige Kolben 10 angehoben wird, wo­ durch der Verdichtungsraum 2 größer wird. Der ringförmige Hydraulikkolben 10 ist mit Hydraulikdichtungen 13 gegen­ über den Innenwänden der ringförmigen Bohrung 11 abgedich­ tet, während der ringförmige Ansatz 9 mit metallischen Ring­ dichtungen 14 gegenüber den anliegenden Wandflächen der Zylinderwand 3 und des Hydraulikkolbens 10 abgedichtet ist.

Eine weitere mit einer Hydraulikflüssigkeitsquelle ver­ bundene Druckleitung 15 mündet von oben in die Bohrung 16 des Zylinderkopfs 17 ein, in der der Einsatz 5 ver­ schieblich sitzt, der mittels metallischer Ringdichtungen 18 gegenüber der anliegenden Innenwandfläche des Zylinderkopfs 17 abgedichtet ist. Bei Zufuhr von Hydrauliköl in die obere Kammer der im Grundriß kreisrunden Bohrung 16 wird der Einsatz 5 nach unten bewegt, wobei selbstverständlich gleichzeitig Drucköl aus der ringförmigen Bohrung 11 ab­ fließt, wodurch der Verdichtungsraum 2 verkleinert wird.

Die Ventilschieber 6 und 7 durchgreifen verschieblich formschlüssige Bohrungen 19, 20 des Einsatzes 5 und sind auf weiter unten beschriebene Weise gegen diese abgedichtet. Die Ven­ tilschieber 6 und 7 durchgreifen ferner entsprechende Ausnehmungen 21 und 22 des Zylinderkopfes, wobei diese Ausnehmungen 21 und 22 die axiale Verstellbarkeit der Ventilschieber 6 und 7 zusammen mit dem Einsatz 5 zu­ lassen.

Die Ventilschieber 6 und 7 sind an ihrem rückwärtigen freien Ende mit einem Betätigungsring 23 versehen, ob­ wohl in der Figur nur einer dieser Ringe dargestellt ist. Der Betätigungsring 23 hat im wesentlichen eine recht­ eckige Form mit zwei im wesentlichen parallelen Stegen 24 und 25, auf die ein Öffnungsnocken 26 sowie zwei Schließnocken 27 einer Nockenwelle 28 einwirken. Die Stege 24 und 25 haben einen solchen Verlauf, daß bei Verlagerung des Einsatzes 5 und damit des Ventilschiebers 8 bzw. 7 mit dem zugehörigen Betätigungsring 23 bei kon­ stanter Lage der Nockenwelle 28 eine einwandfreie Öff­ nungs- und Schließbewegung hervorgerufen wird.

Die Zufuhr des Druckfluids durch die Druckleitungen 12 und 15 wird über einen Mikroprozessor in Verbindung mit einer Lambdasonde gesteuert. Die in der Figur darge­ stellte unterste Position des Einsatzes 5 (maximale Verdichtung) wird durch einen Anschlag 29 begrenzt, der durch die Oberkante der Zylinderwand 3 gebildet ist, während die oberste Position des Einsatzes 5 durch eine ringförmige Abstufung 30 in der Bohrung 16 definiert ist. Der dem Anschlag 29 gegenüberliegende Wandabschnitt 31 des Einsatzes 5 verläuft im spitzen Winkel zu dem Anschlag 29, damit die unterste Position des Einsatzes 5 nicht durch dazwischen abgelagerte feste Verbrennungsrückstände verändert und damit der Verbrennungsraum ungewollt ver­ größert wird.

Die oberhalb des Einsatzes 5 befindliche Hydraulikkammer ist mittels Hydraulikdichtungen 32 abgedichtet. Außerdem ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, daß die Schieber 6, 7 an der dem Brennraum zugewandten Fläche eine gering­ fügige Vertiefung 33 aufweisen, die die festen Verbren­ nungsrückstände derart aufnehmen, daß die Abdichtung der Schieber gegenüber dem Einsatz nicht durch die Hin- und Herbewegung der Schieber beeinträchtigt wird.

In den Fig. 2 und 3 sind mehrere Ausführungsformen er­ findungsgemäßer Dichtungen für die Ventilschieber darge­ stellt, mit denen diese gegenüber dem bewegbaren Einsatz 5 abgedichtet werden können. Die Draufsichten der Fig. 2 zeigen zwei Dichtungen 34 und 35, die die Ein- und Aus­ laßöffnungen des Zylinderkopfs zu beiden Seiten der Ven­ tilschieber 6 und 7 umgreifen, wobei die Dichtung 34 ein­ teilig aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff hergestellt ist, während die Dichtung 35 aus zwei Teilen zusammengesetzt ist.

Die Dichtungen 34 bzw. 35 sitzen in entsprechenden Nuten entweder des Einsatzes 5 oder der Schieber 6 bzw. 7, wobei im Nutboden eine oder mehrere wellenförmige Federn 36 an­ geordnet sind, um den erforderlichen Anpreßdruck der darüber befindlichen Dichtungen 34 bzw. 35 hervorzurufen.

Wie die Querschnitte A-A und A-B in Fig. 2 zeigen, ist in der Oberseite der Dichtungen 34 bzw. 35 eine Nut 37 aus­ gebildet, die einen Ölraum zur Aufnahme eingespritzten Schmieröls bildet. Die jeweils rechte Querschnittsdar­ stellung zeigt, daß die Dichtungen 34 bzw. 35 auch je­ weils aus zwei Querschnittsabschnitten zusammengesetzt sein können.

Die in Fig. 3 dargestellte Dichtung 38 umschließt nicht die Ein- bzw. Auslaßöffnung des Zylinderkopfes, sondern den Schieber 6 bzw. 7 und sitzt zweckmäßigerweise in entsprechenden Nuten der Schieber, wobei hier wiederum am Nutboden wellenförmige Federn 39 zum Hervorrufen des erforderlichen Anpreßdrucks angeordnet sind. Alternativ hierzu kann diese Dichtung 38 auch in Nuten des Einsatzes 5 angeordnet sein und auf diese Weise den Ventilschieber 6 bzw. 7 dicht umschließen. In der Ansicht A der Fig. 3 sind ein Kompressionsring und ein Ölabstreifer angedeutet.

Fig. 4 zeigt wiederum auf rein schematische Weise einen alternativen Ventilschieber 40, der einstückig mit einem Betätigungsring 41 versehen ist. Der Betätigungsring 41 ist wiederum von der Nockenwelle und den zugehörigen Öff­ nungs- und Schließnocken durchgriffen und ist an der von dem Zylinderkopf abgewandten Seite mit einem gehärteten Einsatz 42 versehen, der ebenso wie der gegenüberliegende Einsatz 43 eine Abflachung 44 aufweist, so daß in jeder axialen Position des Ventilschiebers 40 (der zusammen mit dem Einsatz 5 in axialer Richtung verstellbar ist), eine einwandfreie Öffnungs- und Schließbewegung des Schiebers 40 erfolgt.

Der Einsatz 43 ist beweglich in dem Betätigungsring 41 gelagert und sitzt mit einem kolbenförmigen Ansatz 45 in einer Zylinderbohrung 46, die über eine Ölbohrung 47 mit einer Druckölquelle in Verbindung steht. Hierdurch ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein hydraulischer Ventilspielausgleich bewerkstellig. Selbstverständlich ist der kolbenförmige Ansatz 45 mittels geeigneter Dichtungen gegenüber der Innenwand des Zylinders 46 abgedichtet.

Claims (17)

1. Zylinder eines Verbrennungsmotors, mit einem Zylinderkopf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, in der ein entsprechend geformter, den Zylinderraum be­ grenzender Einsatz angeordnet ist, und wobei der mittels Ringdichtungen gegenüber der Innenwandung der Zylinder­ kopfbohrung abgedichtete Einsatz hydraulisch oder mecha­ nisch anhebbar oder bis zu einem unteren Anschlag ab­ setzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Einsatzes (5) über einen Mikropro­ zessor in Verbindung mit einer Lambdasonde derart steuer­ bar ist, daß dadurch die jeweils optimale Verdichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches für die jeweilige Drehzahl des Verbrennungsmotors und den jeweils dazu gemessenen CO-Wert eingestellt wird.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (16) kreisrund ist.

3. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) auf einem ringförmigen Hydraulikkolben (10) aufruht, der in einer ringförmigen Bohrung (11) des Motorblocks (4) sitzt, die über eine Druckleitung (12) mit einer Druckflüssig­ keitsquelle in Verbindung steht.

4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz einen unteren ringförmigen Ansatz (9) aufweist, der in eine ringför­ mige Ausnehmung des Hydraulikkolbens (10) eingreift.

5. Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des ringförmigen Ansatzes (9) des Einsatzes (5) größer ist als der Innendurchmesser des Zylinders.

6. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere mit der Druck­ flüssigkeitsquelle verbundene Druckleitung (15) in den oberhalb des Einsatzes (5) befindlichen Raum der Bohrung (16) einmündet.

7. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als unterer Anschlag (29) für den Einsatz (5) die Oberkante der Zylinderwand (3) dient.

8. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Bohrung (16) eine ringförmige Abstufung (30) ausgebildet ist, die als oberer Anschlag für den Einsatz (5) dient.

9. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Ansatz (9) des Einsatzes (5) mittels metallischer Ringdichtungen (14) gegenüber der anliegenden Fläche der Zylinderwand (3) und der anliegenden Fläche des ringförmigen Hydraulik­ kolbens (10) abgedichtet ist.

10. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich des Einsatzes 0 bis 20 mm, vorzugsweise 0 bis 5 mm beträgt.

11. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Einlaß- und Auslaßventile jeweils ein Schieber (6, 7) angeordnet ist, der zwischen einer zurückgezogenen Öffnungsstellung und einer vorge­ schobenen Schließstellung bewegbar ist.

12. Zylinder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (6, 7) in Aus­ sparungen (19, 20) des Einsatzes (5) geführt und gegen diese abgedichtet sind und daß die Schieber (6, 7) Aus­ sparungen (21, 22) des Zylinderkopfs (17) so durch­ greifen, daß die axiale Verstellung des Einsatzes (5) mit den Schiebern (6, 7) ermöglicht ist.

13. Zylinder nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schieber (6, 7) mit einem Betätigungsring (23) versehen ist, der einen Öff­ nungsnocken (27) und wenigstens einen, vorzugsweise zwei Schließnocken (26) einer Nockenwelle (28) um­ greift.

14. Zylinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsring (23) durch eine entsprechende Abflachung eine derartige Form hat, daß in jeder axialen Position des Einsatzes (5) ohne Änderung der Lage der Nockenwelle (28) eine einwandfreie Öffnungs- und Schließbewegung der Schieber (6, 7) erfolgt.

15. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (6, 7) an der dem Brennraum zugewandten Fläche eine geringfügige Ver­ tiefung zur Aufnahme der festen Verbrennungsrückstände aufweisen, damit die Dichtleisten durch die Hin- und Her­ bewegung der Schieber nicht beeinträchtigt werden.

16. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Einsatzes (5) über einen Meßfühler ermittelt und von einem Anzeige­ gerät angezeigt wird.

17. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz auf mehreren getrennten Hydraulikkolben aufruht.