DE4211589A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit veränderbarer Verdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit veränderbarer Verdichtung.

Um den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen insbesondere im Teillastbereich zu verbessern, ist es bekannt, u. a. eine variable Verdichtung der Verbrennungsluft oder ei­ nes Brennstoff-Luftgemisches zu steuern. Dabei gibt es viele Vorschläge, die entweder die rotierenden und/oder oszillierenden Massen des Kurbeltriebes erhöhen oder verkomplizieren oder die ungünstige, zerklüftete Brenn­ räume (Nebenkolben) verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gat­ tungsgemäßen Art vorzuschlagen, die die o.a. Beeinträch­ tigungen nicht aufweist, die robust und zuverlässig ist und die besonders kompatibel mit begleitenden Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung und/oder Abgasentgiftung einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaf­ te und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß ist ein Zylinderkopf mit Gaswechselven­ tilen mit einem Zylindergehäuse verbunden, bevorzugt verschraubt, und das Zylindergehäuse im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine axial verschiebbar geführt. Zy­ lindergehäuse und Zylinderkopf sind von einer Verstell­ vorrichtung gehalten, die von einem Steuergerät ange­ steuert die Verdichtungsänderung abhängig von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellt. Somit bleiben als eine Einheit das Kurbelgehäuse mit Kurbeltrieb und als zweite Einheit der Brennraum (Ver­ dichtungsraum) mit Gaswechselventilen unverändert, wäh­ rend über die Führungen und die Verstellvorrichtungen die Gaskräfte abgestützt werden und der Brennraum bzw. das Verdichtungsverhältnis im gewünschten Maße (z. B. zwischen 10 und 20) veränderbar ist.

Die Verstellvorrichtung kann gemäß Anspruch 2 durch mehrere im Kurbelgehäuse geführte Schieber mit Schräg­ führungen gebildet sein, die mit Gleitsteinen an dem Zylindergehäuse oder am Zylinderkopf zusammenwirken.

Diese Schieber ermöglichen ein feinfühlige, durch das gewählte Kraftwegverhältnis leichtgängige Verstellung und bilden eine auf Dauer spielfreie Abstützung der Gas­ kräfte und der auftretenden Schwingungen.

Die Schieber können elektromotorisch, pneumatisch, be­ vorzugt jedoch hydraulisch betätigt sein, wobei deren Ansteuerung durch zumindest ein elektrisches Steuerven­ til bewirkt ist. Eine derartige Steuerung ermöglicht eine schnell ansprechende und exakte Verstellung.

Durch die Merkmale des Patentanspruches 4 wird ein zu­ verlässiges Starten der Brennkraftmaschine und eine zuverlässige Notlauffunktion bei defekter Steuerung der Verstellvorrichtung sichergestellt.

Die Patentansprüche 5 und 6 beschreiben eine leichte und trotzdem spiel freie sowie herstellungstechnisch einfache Gestaltung der Führungen und der Verstellvorrichtung zwischen Kurbelgehäuse und Zylindergehäuse.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine könnte insgesamt ölgekühlt sein, wobei diese Kühlung über das Schmieröl im Kurbelgehäuse bewirkt werden könnte. Bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, zumindest den Zylinderkopf, ggf. jedoch Zylinderkopf und Zylindergehäuse mit Wasser zu kühlen, wobei die ggf. vorhandene Wasserpumpe an den Zy­ linderkopf angebaut bzw. in diesen integriert sein könn­ te.

Besonders vorteilhaft kann die Verstellvorrichtung zu­ mindest einen Positionsgeber aufweisen, der zur Bildung einer Regelschleife mit dem Steuergerät verbunden ist, so daß eine genaue Verdichtungssteuerung gegeben ist. Da­ bei können in dem Steuergerät Kennlinien über der Last und der Drehzahl und ggf. der Temperatur der Brennkraft­ maschine abgelegt sein, die hinsichtlich des Abgasver­ haltens und des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine optimiert sind und die elektronisch entsprechend ver­ knüpft eingesteuert bzw. abgefahren werden. Das Steuer­ gerät kann dabei in ein zentrales Steuergerät für das Motormanagement und die Antriebsteuerung integriert sein.

Gleiches gilt für die Steuerung der Gaswechselventile, die ggf. pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch ausgeführt sein kann. Bei einer mechanischen Ventilsteu­ erung mit einer drehbar gelagerten Nockenwelle im Zylin­ derkopf wird vorgeschlagen, daß im Antrieb der Nocken­ welle eine Phasenverstellvorrichtung und ebenfalls ein Positionsgeber angeordnet sind, so daß eine entsprechende Verarbeitung im Steuergerät und eine entsprechende Aus­ steuerung die Phasenabweichungen aufgrund von Verdich­ tungsänderungen kompensierbar sind. So kann der Antrieb der zumindest einen Nockenwelle über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette erfolgen und es kann im Antriebs­ trum des Zugmittels eine Umlenkrolle vorgesehen sein, die hydraulisch verstellbar ist und die zur Kompensation der Phasenabweichungen das Antriebstrum mehr oder minder verkürzt. Es sind jedoch auch andere Phasenverstellvor­ richtungen aus dem Stand der Technik anwendbar.

Es versteht sich, daß über diese Phasenverstellvorrich­ tung oder über eine weitere zusätzliche Verstellvorrich­ tung variable Steuerzeiten der Gaswechselventile nach Maßgabe der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine aber auch nach Maßgabe der eingestellten Verdichtung steuerbar sind.

Gemäß Patentanspruch 11 können die Verdichtung und die Ventilsteuerzeiten sowie alle weiteren den Wirkungsgrad und die Abgaszusammensetzung beeinflussenden Einrichtun­ gen der Brennkraftmaschine oder ggf. des gesamten An­ triebsaggregates über ein zentrales kennfeldgesteuertes Motormanagement gesteuert sein mit einem entsprechenden Feedback zur Überwachung all dieser Funktionen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schemati­ sche Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2 durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Verdichtungsänderung;

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II der Fig. 1 durch die Brennkraftmaschine;

Fig. 3 einen weiteren Schnitt gemäß Linie III-III der Fig. 2 durch die Verstellvorrichtung zur Ver­ dichtungsänderung;

Fig. 4 eine Ansicht gemäß Pfeil X der Fig. 2 auf den stirnseitigen Nockenwellenantrieb der Brenn­ kraftmaschine.

Die Fig. 1, 2 und 4 zeigen den oberen Abschnitt einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine (10) in Reihenbauart mit vier Zylindern 1, 2, 3 (Zylinder 4 ist nicht dargestellt), die sich im wesentlichen zusammen­ setzt aus einem Kurbelgehäuse (12), einem Zylindergehäu­ se (14) und einem Zylinderkopf (16).

Das Kurbelgehäuse (12) ist soweit nicht dargestellt her­ kömmlicher Bauart, d. h. daß die Kurbelwelle und deren Lagerung, die Pleuel und die Kolben entsprechend dem Stand der Technik ausgebildet sind. Davon abweichend sind jedoch im Kurbelgehäuse (12) keine Zylinderlaufbah­ nen ausgebildet, sondern nach oben ragende glattflächi­ ge, im wesentlichen Rechteck bildende Seitenwände (18, 20) und Stirnwände (22) vorgesehen.

Innerhalb dieser Wände (18, 20, 22) ist mit einem gering­ fügigen Umfangspalt (s) das Zylindergehäuse (14) axial verschiebbar eingesetzt, wobei in seitlichen und stirn­ seitigen Abschnitten axial verlaufende Gleitschienen (24, 26) aus einem geeigneten Lagermaterial (z. B. Mess­ ing) vorgesehen sind. Die Gleitschienen (24, 26) sind in stufenförmig zurückgesetzte Führungsabschnitte (28, 30) des Kurbelgehäuses (12) bzw. der umlaufenden Wände (18, 20, 22) eingesetzt und werden von ihrer Rückseite her mit unter Druck stehendem Schmieröl der Brennkraftma­ schine beaufschlagt. Dabei sorgen Ölbohrungen (32) für einen allseitigen Schmierölfilm an den Gleitschienen.

Das Zylindergehäuse (14) ist in an sich bekannter Weise mit dem Zylinderkopf (16) der Brennkraftmaschine mittels entsprechender, nicht dargestellter Zylinderkopfschrau­ ben verschraubt. Zwischen Zylinderkopf (16) und Zylin­ dergehäuse (14) ist eine Flachdichtung (34) eingelegt, an die eine umlaufende, temperaturbeständige Ringman­ schette (36) angeformt ist, die an den umlaufenden Wän­ den (18, 20, 22) des Kurbelgehäuses (12) dichtend festge­ legt ist. Die Ringmanschette (36) dichtet somit das Kur­ belgehäuse (12) nach oben gegen austretendes Schmieröl oder Kurbelgehäusedämpfe ab.

Diametral gegenüberliegend ist im Übergangsbereich zwi­ schen Seitenwand (18) und stirnseitiger Wand (22) des Kurbelgehäuses (12) je eine Verstellvorrichtung (38) (vgl. Fig. 2) vorgesehen, die aus einem in dem Wandbe­ reich (40) des Kurbelgehäuses (12) senkrecht zur Zylin­ derachse verstellbaren Schieber (42) besteht, der über eine hydraulische Kolben-Zylindereinheit (44) verstell­ bar ist. Der Schieber (42) weist eine Schrägführung (46) auf, die mit einem an das Zylindergehäuse (14) angegos­ senen Gleitstein (48) zusammenwirkt. Zur Spielfreiheit des Gleitsteines (48) ist dem Schieber (42) gegenüber­ liegend ein Nachstellkeil (50) in der Wand (40) ver­ schiebbar geführt, der sich über eine Druckfeder (52) mit einer definierten Vorspannung am Schieber (42) ab­ stützt. In der Kolben-Zylindereinheit (44) ist eine weitere Druckfeder (54) vorgesehen, die den Kolben (56) innerhalb des Zylindergehäuses (58) in die Richtung vorspannt, die dem niedrigsten Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine (=niedrigste Eintauchtiefe des Zylindergehäuses (14) in das Kurbelgehäuse (12)) ent­ spricht. Umgekehrt sollte die Druckfeder (54) den Kolben (56) in die der höchsten Verdichtung entsprechende Posi­ tion vorspannen, wenn die Brennkraftmaschine nach dem Diesel-Prinzip arbeitet.

Die Kolben-Zylindereinheit (44) wird über ein schema­ tisch angedeutetes elektrisches Taktventil (60) mit einem unter Druck stehenden Hydraulikmedium versorgt, während andererseits der Zylinderraum (61) über eine kalibrierte Bohrung (62) mit einer stets offenen Rück­ laufleitung (64) verbunden ist. Bei geschlossenem Takt­ ventil (60) nimmt somit der Kolben die der niedrigsten Verdichtung entsprechende Stellung ein, hingegen kann bei geöffnetem Taktventil (60) Hydraulikmedium einge­ steuert werden, bis der Kolben (56) und damit verbunden der Schieber (42) eine auf der Zeichnung rechte Endposi­ tion erreicht haben, die der höchsten Verdichtung ent­ spricht.

Der die Brennräume (66) (siehe Fig. 1) abdeckende Zylin­ derkopf (16) weist je Brennraum in bekannter Weise Gas­ wechselventile (68, 70) auf, die die Einlaßkanäle (72) für Verbrennungsluft und die Auslaßkanäle (74) für das Abgas steuern. Die Gaswechselventile (68, 70) werden über eine nicht dargestellte Ventilsteuerung mit einer Noc­ kenwelle (76) betätigt. Die Nockenwelle und die Ventil­ steuerung können herkömmlicher Bauart sein und sind des­ halb nicht mehr gezeigt.

Der Antrieb der Nockenwelle (76) (vgl. Fig. 4) erfolgt von der Stirnseite der Brennkraftmaschine her über einen Zahnriemen (78), der von einem nicht dargestellten Zahn­ riemenrad auf der Kurbelwelle angetrieben ist und das Nockenwellenrad (80) mit der üblichen Übersetzung für 4-Takt-Brennkraftmaschinen antreibt. Der Zahnriemen (78) wird auf dem Antriebstrum (82) über eine erste Spannrol­ le (84) verstellt, wobei die Spanneinrichtung über eine hydraulische Stelleinheit (86) betätigt ist.

Ein zweites Spannrad (88) wirkt auf das Abtriebstrum (90), wobei dieses auf einem verschwenkbaren Hebel (92) gelagert und durch eine Feder (94) derart vorgespannt ist, daß an dem Zahnriemen eine gleichbleibende Vorspan­ nung vorherrscht.

Während das Spannrad (88) dementsprechend für eine defi­ nierte Zahnriemenvorspannung sorgt, wird über das Spann­ rad (84) in Verbindung mit der hydraulischen Stellein­ heit (86) eine Phasenverstellung der Nockenwelle (76) bewirkt, über die bei einer Verschiebung des Zylinder­ kopfes (16) mit dem Zylindergehäuse (14) relativ zum Kurbelgehäuse (12) eine gleichbleibende Steuerzeit bzw. Phasenübereinstimmung zwischen Kurbelwelle und Nocken­ welle (76) erzielbar ist. Ferner kann über die Stellein­ heit (86) auch unabhängig von einer Verdichtungsänderung eine Steuerzeitenänderung der Gaswechselventile (68, 70) durchgeführt werden.

Das hydraulische Stellelement (86) ist über ein nur schematisch angedeutetes elektromagnetischen Taktventil (96) entweder an eine Druckmittelquelle anschließbar oder mit mit einer Rücklaufleitung verbindbar. Somit können über das Taktventil (96) definierte Positionen des Stellelementes (86) bzw. des Spannrades (84) ange­ fahren werden.

Im Zylinderkopf (16) und im Zylindergehäuse (14) sind in an sich bekannter Weise Kühlmittelkanäle (98, 100) einge­ formt, die miteinander korrespondieren und in denen über eine nicht dargestellte Wasserpumpe im Zylinderkopf (16) Kühlmittel umwälzbar ist. Die Wasserpumpe kann dabei von dem freien Ende der Nockenwelle her angetrieben sein. Im übrigen ist der Zylinderkopf (16) soweit nicht beschrie­ ben herkömmlicher Bauart.

Der nicht dargestellte Ansaugkrümmer sowie der Auspuff­ krümmer können entweder unmittelbar an den Zylinderkopf (16) angebaut sein, wobei der Auspuffkrümmer bzw. die daran anschließende Abgasleitung zum Ausgleich der axi­ alen Bewegung bei Verdichtungsänderungen ein flexibles Leitungsteil aufweisen muß. Abweichend dazu könnten je­ doch auch Auspuffkrümmer und Ansaugkrümmer am Kurbel­ gehäuse (12) befestigt sein, wobei dann flexible Verbin­ dungen unmittelbar im Bereich des Zylinderkopfes vorzu­ sehen wären.

Das Taktventil (60) für die hydraulischen Verstellvor­ richtungen (38) und das Taktventil (96) zur Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle (76) sind an ein elektro­ nisches Steuergerät (102) für das Motormanagement ange­ schlossen, über welches in nicht dargestellter Weise die Zündung der Brennkraftmaschine, die Brennstoffzumessung und weitere Funktionen gesteuert werden. In dem Steuer­ gerät (102) werden nach Maßgabe zumindest der Last und der Drehzahl und der Temperatur der Brennkraftmaschine auch die Verdichtungsänderung durch Ansteuerung des Taktventiles (60) und die Steuerung der Phasenlage der Nockenwelle (76) durch Ansteuerung des Taktventiles (96) gesteuert. Dabei werden dem Steuergerät (102) über einen ersten Geber (104) an der Stellvorrichtung (38) im Be­ reich des Schiebers (42) und über einen weiteren Posi­ tionsgeber (106) an der hydraulischen Stelleinheit (86) die Ist-Werte der Verstellvorrichtungen eingegeben und mit den in Kennfeldern abgelegten Soll-Werten verglichen und bei Abweichungen die Verstelleinheiten entsprechend angesteuert.

So wird beispielsweise bei einem Verschieben der Schie­ ber (42) die Baueinheit Zylindergehäuse (14) mit Zylin­ derkopf (16) auf der Zeichnung Fig. 1 nach oben oder unten verschoben und dabei die Verdichtungsräume bzw. Brennräume (26) bei einem räumlich unveränderlichen oberen Totpunkt der Kolben vergrößert oder verkleinert. Zugleich dabei über die hydraulische Stelleinheit (86) das Spannrad (84) so verfahren, daß die Phasenlage der Nockenwelle (76) unverändert bleibt. Überlagert dazu werden variable Steuerzeiten zur Optimierung des Wir­ kungsgrades und der Abgasentgiftung gesteuert.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt. So kann beispielsweise die Verstellvorrichtung (38′) auch so ausgebildet sein, wie dies auf der linken Seite in Fig. 1 der Zeichnung unter (38′) ausgeführt ist. Dabei sind an dem Zylinderkopf (16) Stellarme (110) angeformt, die die Gleitsteine (48′) tragen. Die Gleitsteine (48′) wiederum wirken wie vorstehend beschrieben mit den Schiebern (42) mit Schrägführung und den Nachstellkeilen (50) zusammen. Dazu ist zusätzlich eine Abdichtmanschette (112) er­ forderlich, die eine Leckage zwischen Stellarmen (110) und Kurbelgehäuse (12) bzw. den Umfangswänden (18, 20, 22) ausschließen, wobei eine Nocken­ welle die Einlaßventile und die zweite Nockenwelle die Auslaßventile antreibt. Dabei kann auch eine zweite Pha­ senverstellvorrichtung vorgesehen sein, die dann unab­ hängig von der Stelleinheit (86) zur Kompensation der Phasenlage bei Verdichtungsänderung die Steuerzeiten der Einlaß-Nockenwelle verstellt. Diese Phasenverstellvor­ richtung kann wiederum bekannter Bauart sein.

Claims (11)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit veränderbarer Ver­ dichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Merk­ male:

• - ein Zylindergehäuse (14) ist mit einem Zylin­ derkopf (16) mit Gaswechselventilen (68,70) verbunden,
• - das Zylindergehäuse (14) ist im Kurbelgehäuse (12) axial verschiebbar geführt,
• - es ist eine Verstellvorrichtung (38) vorgese­ hen, die von einem Steuergerät (102) gesteuert ist,
• - das Steuergerät (102) steuert die Verdichtungs­ änderung abhängig von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine (10).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellvorrichtung (38) durch einen oder mehrere im Kurbelgehäuse (12) geführte Schieber (42) mit Schrägführungen (46) gebildet ist, die mit Gleitsteinen (48) am Zylindergehäuse (14) bzw. Zylinderkopf (16) zusammenwirken.

3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schieber (42) hydrau­ lisch über Kolben-Zylinder-Einheiten (44) betätigt sind, wobei die Ansteuerung durch zumindest ein elektrohydraulisches Steuerventil (60) bewirkt ist.

4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (42) durch Federn (54) in eine Endposition vorgespannt sind, die bei Fremdzündung der Position mit der niedrig­ sten Verdichtung und bei Selbstzündung der Position mit der höchsten Verdichtung entspricht.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schieber (42) und Gleitsteine (48) jeweils durch einen federnd vorgespannten Nachstellkeil (50) spielfrei gehalten sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (24, 26) zwischen Kurbelgehäuse (12) und Zylinderge­ häuse (14) an das Druckumlauf-Schmierölsystem der Brennkraftmaschine (10) angeschlossen und nach auß­ en abgedichtet sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylin­ derkopf (16) und/oder das Zylindergehäuse (14) was­ sergekühlt sind und mit entsprechenden Kühlkanälen (98, 100) miteinander korrespondieren, wobei die Kühlwasserzu- und -abfuhr über den Zylinderkopf (16) erfolgt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellvorrichtungen (38) zumin­ dest einen Positionsgeber (104) aufweisen, der zur Bildung einer Regelschleife mit dem Steuergerät (102) verbunden ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung der Gaswechselventile (68, 70) über zumindest eine dreh­ bar gelagerte Nockenwelle (76) im Zylinderkopf (16) erfolgt, die trieblich mit der Kurbelwelle im Kur­ belgehäuse (12) verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß im Antrieb der Nockenwelle (76) eine Pha­ senverstellvorrichtung (84, 86) vorgesehen ist, die die Phasenabweichungen bei Verdichtungsänderungen kompensiert.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasenverstellvorrichtung (84, 86) oder eine weitere Verstellvorrichtung ferner varia­ ble Steuerzeiten der Gaswechselventile (68, 70) ab­ hängig von der Drehzahl n und/oder der Last α und/ oder der eingestellten Verdichtung der Brennkraft­ maschine (10) steuert.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasenverstellvorrichtungen (84, 86) für die Nockenwelle (76) mit einem Posi­ tionsgeber (106) kombiniert sind, der mit dem Steuergerät (102) verbunden ist.