DE4040274C2 - Hubkolben-Verbrennungsmotor mit temperaturabhängig sich verstellendem Totpunkt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbren­ nungsmotor mit temperaturabhängig sich verstellen­ dem Totpunkt mit Kolben und jeweils einem Kolben­ bolzen, der das Pleuelauge der Pleuelstange durch­ greift.

Hubkolben-Verbrennungsmotoren der gattungsgemäßen Art sind zum Antrieb stationärer und mobiler Ma­ schinen in unzähligen Bauarten und verschiedenen Varianten und in höchst unterschiedlichen Größen weit verbreitet. Sie werden nach dem Zweitakt- oder Viertakt-Arbeitsprinzip als Diesel- oder als Otto­ motor ausgeführt. Das Verdichtungsverhältnis ist bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren bestimmt durch das Verhältnis des Zylinderinhaltes bei der Kolben­ stellung am unteren Totpunkt zum Zylinderinhalt bei Stellung des Kolbens am oberen Totpunkt. Dieses Verdichtungsverhältnis oder kürzer die Verdichtung eines Motors ist vor allem bei Dieselmotoren eine für die Motorfunktion wesentliche Größe. Vor allem bei Dieselmotoren ist für die Zündung des in die Zylinder eingebrachten Gemisches eine bestimmte Kompression dieses Gemisches erforderlich, deren Größe zum Verdichtungsverhältnis unter idealen Be­ dingungen proportional ist. Bei zu geringer Kom­ pression des im Zylinder befindlichen Kraftstoff- Luft-Gemisches wird ein Dieselmotor - vor allem im kalten Zustand - nicht zünden. Gleichartige Pro­ bleme treten auch - wenn auch in geringerem Ausmaß - bei Ottomotoren auf. In warmem Zustand des Motors ist eine derartig hohe Kompression dagegen nicht erforderlich. Sie kann vielmehr schädlich sein, da sie bei Ottomotoren zu unerwünschten Frühzündungen führen kann. Frühzündungen, also Zündungen die ein­ setzen, bevor der Kolben die vom Motorkonstrukteur vorberechnete Position erreicht hat, sind wegen der dann unkontrolliert ablaufenden Verbrennungspro­ zesse der Funktion und Lebensdauer der gattungsge­ mäßen Hubkolben-Verbrennungsmotoren äußerst abträg­ lich.

Aus der Offenlegungsschrift DE 38 18 357 A1 ist es be­ kannt, das Verdichtungsverhältnis eines Motors durch Drehung eines exzentrischen Lagers am Kolben­ bolzen zu verändern. Zu diesem Zweck werden Bloc­ kierstifte, die eine Drehung des Lagers freigeben oder verhindern, durch Kanäle in der Pleuelstange mittels Öldruck betätigt. Damit wird eine flexible, lastabhängige Regelung der Verdichtung ermöglicht, die jedoch einen sehr aufwendigen Aufbau von Lagern und Pleuelstangen voraussetzt.

Um das Verdichtungsverhältnis bei Hubkolben-Ver­ brennungsmotoren der im Motorinneren herrschenden Temperatur anzupassen, damit günstige Kaltstartei­ genschaften mit einem guten Warmlaufverhalten des Motores einhergehen, ist in der Druckschrift JP 60- 22030 (A) vorgeschlagen worden, Zylinderblock und Kurbelgehäuse durch ein Element aus Memory-Metall zu verbinden. Bei Temperaturerhöhung über einen Grenzwert hinweg vergrößert sich der Abstand zwi­ schen Zylinderblock und Kurbelgehäuse mit der Folge, daß das Verdichtungsverhältnis sinkt. Als nachteilig ist dabei jedoch die Notwendigkeit der Unterteilung des Motorblocks anzusehen.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung zur Auf­ gabe gemacht, einen Hubkolben-Verbrennungsmotor zu schaffen, der bei stark verbesserten Kaltstartei­ genschaften auch ein gutes Warmlaufverhalten auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenbolzen im Bereich des Pleuelauges re­ lativ zu seinen daraus hervorragenden Enden eine Exzentrität aufweist und daß der Kolbenbolzen, der im Kolben gelagert ist, mit einem Torsionselement starr verbunden ist, das wiederum mit dem Kolben starr verbunden ist, wobei das Torsionselement aus Memory-Metall besteht.

Entscheidender Gedanke und Vorteil der Erfindung ist, daß auf diese Weise eine bezogen auf die Längsachse des Zylinders stattfindende Relativver­ schiebung zwischen Pleuelstange und Kolben und da­ mit eine Veränderung der sog. "Totpunkte" des Kol­ bens möglich ist. Durch diese Relativverschiebung ist gleichzeitig eine Veränderung des Verdichtungs­ verhältnisses erzielbar. Durch Verdrehen des Kol­ benbolzens relativ zu Kolben und Pleuelauge wird aufgrund der Exzentrität des Kolbenbolzens im Be­ reich des Pleuelauges der Kolben relativ zum Pleuel verschoben. Bei einer Verschiebung vom unteren Ende der Pleuelstange weg steigt das Verdichtungsver­ hältnis, bei der umgekehrten Verschiebung sinkt es. Die Drehung des Kolbenbolzens wird nun durch das erfindungsgemäße Torsionselement bewirkt, das mit einem Ende am Kolben, mit dem anderen Ende am Kol­ benbolzen starr befestigt ist. Die Torsion des Tor­ sionselementes hat daher eine Drehung des Kolben­ bolzens und mithin die beschriebene Verschiebung des Kolbens relativ zur Pleuelstange zur Folge. Entscheidend ist weiter, daß das erfindungsgemäße Torsionselement aus einem sog. Memory-Metall be­ steht. Memory-Metalle sind bestimmte Legierungen, in erster Linie aus Nickel und Titan (Nitinol) aber auch aus Kupfer, Zink und Aluminium. Diese Legie­ rungen haben die Eigenschaft, sich an bestimmte Formen zu "erinnern". Es ist dazu erforderlich, die aus solchen Legierungen bestehenden Gegenstände zunächst in die Form zu bringen, an die später "erinnert" werden soll. Dann sind diese Gegenstände so lange zu erhitzen, bis ihre Kristallstruktur in eine Hochtemperatur-Konfiguration übergeht, die man als Beta- oder Matrix-Phase bezeichnet. Danach sind sie abzuschrecken, so daß sich die Metallatome in der Kristallstruktur eines Martensits neu ordnen. Jetzt kann man die so behandelten Gegenstände be­ liebig verformen. Erhöht man ihre Temperatur an­ schließend wieder auf einen bestimmten Wert, bei dem das Kristallgefüge aus der Martensit- in die Beta-Phase übergeht, so kehrt die ursprüngliche Ge­ stalt zurück. Diese Temperatur wird allgemein als Sprungtemperatur bezeichnet. Sie hängt von der ge­ wählten Legierung und dem darin herrschenden Mi­ schungsverhältnis der legierten Metalle ab. Wesent­ licher Gedanke der Erfindung ist nun, das Torsions­ element aus solchen Memory-Metallen herzustellen. Das derart ausgeführte Torsionselement wird sich bei Erreichen einer bestimmten Sprungtemperatur im Motor in sich selbst verdrehen und damit den Kol­ benbolzen in Drehung versetzen und die oben be­ schriebene Relativbewegung des Kolbens zur Pleuel­ stange auslösen. Damit ändert sich das Verdich­ tungsverhältnis des Motors in Abhängigkeit von der Motortemperatur, was die oben bereits beschriebenen Vorteile zeitigt.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß der Kolbenbolzen eine bezogen auf seine äußeren Enden mittig durch seine Längsachse verlau­ fende Bohrung aufweist, die von einem als Torsions­ stange ausgebildeten Torsionselement als Memory-Me­ tall durchgriffen ist, deren eines in dem mit dem Kolben und deren anderes Ende mit dem Kolbenbolzen verbunden ist.

Es ist evident, daß die insgesamt mögliche Torsion des Torsionselementes von dessen Länge abhängt. Um eine hohe Torsionsfähigkeit - also etwa eine Tor­ sion um 180° Grad - zu ermöglichen, ist es daher erforderlich, das Torsionselement möglichst lang auszuführen. Die hier vorgeschlagene Ausbildung der Erfindung trägt dem dadurch Rechnung, daß das Tor­ sionselement in Form einer Torsionsstange quer im Kolben nahezu über dessen gesamten Durchmesser an­ geordnet ist, wodurch eine maximale Torsionsfähig­ keit sichergestellt wird. Die Torsion dieser Torsi­ onsstange bewirkt so eine große Drehung des Kolben­ bolzens, wodurch dessen Exzentrität maximal ausge­ nutzt werden kann. Das Maß dieser Exzentrität be­ stimmt die Relativverschiebung des Kolbens gegen­ über der Pleuelstange.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß das Memory-Me­ tall, aus dem das Torsionselement besteht, mehrere Sprungtemperaturen aufweist, die innerhalb des bei Kolbenmotoren vorkommenden Temperaturintervalles liegen, wobei die Torsion bei Erreichen der jeweils nächsthöheren Sprungtemperatur um einen vordefi­ nierten Winkel zunimmt.

Grundgedanke dieser Abwandlung der Erfindung ist es, durch die mehrfach fortgesetzte Torsion des Torsionselementes bei Erreichen aufeinanderfolgen­ der Sprungtemperaturen eine annähernd kontinuierli­ che Abnahme des Verdichtungsverhältnisses bei stei­ gender Motortemperatur zu erreichen. Memory-Metalle können auch "lernen", sich bei zwei oder mehr ver­ schiedenen Temperaturen anderer "Gestalten" zu er­ innern. Man muß sie dazu wiederholt unter die kri­ tische Temperatur der Martensit-Umwandlung abkühlen und anschließend wieder bis zur Bildung der Beta- Phase aufwärmen. Bei Verwendung eines derartigen Memory-Metalls ist es möglich, die verschiedenen Sprungtemperaturen so zu wählen, daß sie innerhalb des bei Kolbenmotoren vorkommenden Temperaturinter­ valles liegen. Die Verdrehung des Torsionselementes kann dann in - kleineren - Stufen erfolgen, so daß eine nahezu kontinuierliche Abnahme der Verdichtung bei steigender Temperatur erzielt werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird. Dabei ist zu beachten, daß zur Vereinfa­ chung lediglich der Kolben des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit Pleuel, Pleuelauge und Kol­ benbolzen dargestellt ist. Auf eine Darstellung des Zylinders und der weiteren Teile wurde verzichtet.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Kolben im Querschnitt von der Seite

Fig. 2 einen Kolben im Querschnitt von oben

Fig. 3 einen Kolben im Querschnitt von der Seite.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt, das den Merkmalen des Anspruches 2 entspricht. Es ist zu beachten, daß in der Zeich­ nung mit den beiden gegeneinander verschobenen Längshälften des Kolbens (1) die Verschiebung die­ ses Kolbens (1) relativ zur Pleuelstange (3) darge­ stellt ist. In der Zeichnung ist zu erkennen, daß der Kolbenbolzen (2) im Bereich des Pleuelauges (4) eine Exzentrität aufweist. Bei Drehung dieses Kol­ benbolzens verschiebt sich aufgrund dieser Exzen­ trität der Kolben (1) relativ zur Pleuelstange (3). Diese Verschiebung wird durch ein Torsionselement bewirkt, das hier als Torsionsstange (8) ausgeführt ist und in einer bezogen auf die äußeren Enden des Kolbenbolzens (5, 6) mittig in seiner Längsachse an­ gebrachten Bohrung (7) verläuft. Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Torsi­ onselement auf der linken Seite fest mit dem Kolben (1) verbunden, auf der rechten Seite dagegen mit dem Kolbenbolzen (6). Aus dieser Zeichnung wird be­ reits unschwer deutlich, daß eine In-sich-Verdre­ hung des Torsionselementes (8) eine Drehung des Kolbenbolzens (2) bewirkt. Das Maß der Exzentrität dieses Kolbenbolzens (2) bestimmt die relative Ver­ schiebung von Pleuelstange (3) und Kolben (1), wie in der Zeichnung durch die zeichnerisch gegeneinan­ der verschobenen Kolbenhälften leicht erkennbar ist.

In Fig. 2 ist ein Aufsicht-Querschnitt durch einen Kolben (1) des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors dargestellt. Auch hier sind die Torsionsstange (8), der Kolbenbolzen (2), das Pleuelauge (4) sowie die beiden äußeren Enden des Kolbenbolzens (5, 6) er­ kennbar.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen Kolben (1) des erfindungsgemäßen Motors. Die Schnittebene liegt hier allerdings quer zu Kolben­ bolzen (2) und Pleuelauge (4). Auch hier ist durch eine zeichnerische Zweiteilung und Verschiebung des Kolbens (1) entlang seiner Längsachse das Arbeits­ prinzip und der Grundgedanke der Erfindung heraus­ gestellt. Durch die Exzentrität des Kolbenbolzens (2) wird die Verschiebung zwischen Kolben (1) und Pleuelstange (3) bewirkt. Die Drehung des Kolben­ bolzens (2) wird durch das in der Bohrung (7) ver­ laufende Torsionselement bewirkt, das als Torsions­ stange (8) ausgeführt ist.

Claims (3)

1. Hubkolben-Verbrennungsmotor mit temperaturabhän­ gig sich verstellendem Totpunkt mit Kolben (1) und jeweils einem Kolbenbolzen (2), der das Pleuelauge (4) der Pleuelstange (3) durchgreift, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (2) im Bereich des Pleuelauges (4) relativ zu seinen daraus her­ vorragenden Enden (5,6) eine Exzentrität aufweist und daß der Kolbenbolzen (2), der im Kolben (1) gela­ gert ist, mit einem Torsionselement starr verbunden ist, das wiederum mit dem Kolben (1) starr verbun­ den ist, wobei das Torsionselement aus Memory-Metall besteht.

2. Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (2) eine bezogen auf seine äußeren Enden mittig durch seine Längsachse verlaufende Bohrung (7) aufweist, der von einer Torsionsstange (8) aus Memory-Metall durchgriffen ist, deren eines Ende mit dem Kolben (1) und deren anderes Ende mit dem Kolbenbolzen (2) verbunden ist.

3. Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Memory-Metall mehrere Sprungtemperaturen aufweist, die innerhalb des bei Kolbenmotoren vorkommenden Temperaturinter­ valles liegen, wobei die Torsion bei Erreichen der jeweils nächsthöheren Sprungtemperatur um einen vordefinierten Winkel zunimmt.