DE69618596T2

DE69618596T2 - Anordnung in einem zylinderkopf

Info

Publication number: DE69618596T2
Application number: DE69618596T
Authority: DE
Inventors: Lars Hedelin
Original assignee: Fanja Ltd
Current assignee: Fanja Ltd
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2016-07-06
Also published as: SE9502470D0; SE512190C2; KR19990028719A; ES2171690T3; AU6375496A; SE9502470L; BR9609456A; AU705508B2; EP0836675B1; JPH11508663A; WO1997002417A1; EP0836675A1; DE69618596D1; ATE212106T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zylinderkopf- Vorrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder. Für jeden Zylinder in der Maschine ist eine Brennkammer durch den Zylinderkopf zusammen mit der Zylinderwand und der Endfläche eines Kolbens in dem Zylinder festgelegt. Der Zylinderkopf für jeden Zylinder umfaßt erstens mindestens einen Einlaßkanal mit einem Einlaßventil zum Regulieren der Verbindung zwischen dem Einlaßkanal und der Brennkammer, zweitens mindestens einen Auslaßkanal mit einem Auslaßventil zum Regulieren der Verbindung zwischen der Brennkammer und dem Auslaßkanal, und drittens mindestens eine Zündkerze.
Zylinderköpfe der oben erwähnten Typen werden in fast allen Brennkraftmaschinen verwendet, die beispielsweise für den Einsatz in Motorfahrzeugen und dgl. hergestellt werden. Die Ventile weisen gewöhnlich die Form von Teller- oder Scheibenventilen (poppet or disc valves) auf, die zum Regulieren eines Gasaustauschs in der Maschine sehr wirksam sind.
Bei der Gestaltung von Brennkraftmaschinen ist es eine allgemeine Zielsetzung, den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen. Mit erhöhtem Wirkungsgrad ist es möglich, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und den Prozentsatz an schädlichen Emissionen im Abgasausstoß der Maschine zu verringern. Für Maschinen, die unter variierenden Betriebsbedingungen arbeiten, z. B. in Motorfahrzeugen, ist es eine Zielsetzung, die Maschinen besser an vorherrschende Betriebsbedingungen anzupassen. Um dies zu erreichen, ist vorgeschlagen worden, das Kompressionsverhältnis in den Motorzylindern zu verändern, die Kraftstoffzuführung und das Zündsystem zu verändern und die Ventilöffnungs- und -schließzeiten zu verändern. Diese Schritte können separat oder in verschiedenen Kombinationen vorgenommen werden.
Ein Verändern des Kompressionsverhältnisses in den Motorzylindern ist eine wirksame Maßnahme, um den Motor bzw. die Maschine an verschiedene Betriebsbedingungen anzupassen und dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrads zu erzielen. Verschiedene Vorrichtungen zum Erreichen einer Veränderung in dem Motor-Kompressionsverhältnis während des Betriebs sind vorbekannt, bestimmte dieser bekannten Vorrichtungen weisen jedoch eine komplizierte Gestaltung auf und sind daher teuer herzustellen und zu warten, während andere bekannte Gestaltungen in der Praxis keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern. Daher besteht ein Bedarf an einer einfachen Vorrichtung zum Verändern des Kompressionsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine während des Betriebs zur Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen.
Die DE-A-24 36 985 (Figuren, Ansprüche) offenbart einen Zylinderkopf 15 einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einer Brennkammer 1, die durch den Zylinderkopf zusammen mit der Zylinderwand und der Endfläche eines Kolbens 14 im Zylinder festgelegt ist, wobei der Zylinderkopf mindestens einen Einlaß- und Auslaßkanal mit jeweils einem Einlaß-/Auslaßventil 16/17 aufweist,
wobei der Zylinderkopf für jeden Zylinder mit einer Kammer gefertigt ist, die in Verbindung mit der Brennkammer steht, jede Kammer mit einem Kolben versehen ist, der zwischen einer ersten Position, in der er die Verbindung zwischen der Kammer und der Brennkammer unterbricht, und einer zweiten Position, in der die Kammer freie Verbindung mit der Brennkammer hat, verschiebbar ist, und das Ventil/der Kolben mit einem Halter 4 für eine Zündkerze ausgebildet ist, die sich durch den Kolben erstreckt und mit ihrem Ende in die Brennkammer oder die Kammer vorsteht.
Der Kolben ist mit einer Hülse für die Zündkerze ausgebildet, wobei die Hülse an ihrem Ende nahe der Brennkammer ein konisches Dichtungselement aufweist, das sich radial von der Hülse erstreckt und eine Kontaktfläche hat, die, wenn die Hülse sich in ihrer ersten Position befindet, mit einem Sitz im Zylinderkopf zwischen der Kammer und der Brennkammer zusammenwirkt.
Die vorliegende Erfindung ist daher dazu vorgesehen, eine Zylinderkopf-Vorrichtung einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, wobei die Vorrichtung eine Änderung des Kompressionsverhältnisses in den Motorzylindern während des Betriebs auf einfache und zuverlässige Art und Weise ermöglicht. Dies wird gemäß der Erfindung mittels einer Vorrichtung bewerkstelligt, die mit den Merkmalen versehen ist, welche in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 offenbart sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die schematische, teilweise weggeschnittene Ansichten des oberen Abschnitts einer Brennkraftmaschine zeigen, wobei bestimmte Bauteile weggelassen sind.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 entsprechende Schnittansichten der verschiedenen Bauteile im Zylinderköpf und dem oberen Abschnitt der Maschine bzw. des Motors in verschiedenen Positionen, und
Fig. 6a-i in extrem vereinfachter Form verschiedene vorstellbare Varianten eines Zylinderkopfs gemäß der Erfindung, von der Brennkammer aus betrachtet.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen einen Teil einer Brennkraftmaschine mit einem Motorblock 1 und einem Zylinderkopf 2. Ein Abschnitt eines Kolbens 3, der sich in einem Zylinder 4 hin und herbewegen kann, ist ebenfalls dargestellt. Die Wände des Zylinders 4 legen zusammen mit der Oberfläche des Zylinderkopfs 2, die dem Zylinder 4 und der Endfläche des Kolbens 3 zugewandt ist, eine Brennkammer 5 fest. Der Zylinderkopf 2 ist auch mit einem Einlaßkanal 6 versehen, in dem sich ein Einlaßventil 7 zum Regulieren der Verbindung zwischen dem Einlaßkanal 6 und der Brennkammer 5 befindet. Im Zylinderkopf 2 befindet sich auch ein Auslaßkanal 8 mit einem Auslaßventil 9 zum Regulieren der Verbindung zwischen der Brennkammer 5 und dem Auslaßkanal 8. Darüber hinaus ist eine Zündkerze 10 derart im Zylinder 32 angebracht, daß ihr Elektrodenende mindestens teilweise in die Brennkammer 5 vorsteht.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist die Zündkerze 10 in eine Hülse 11 eingeschraubt, die als Ventilmittel fungiert, wie im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Die Fig. 1 zeigt die Hülse 11 in einer ersten Position, in der ein Dichtungselement 12, das an der Hülse 11 angeordnet und der Brennkammer 5 am nächsten gelegen ist, mit einer Kontaktfläche 13 an einem Sitz 14 im Zylinderkopf 2 anliegt. Dies stellt eine Dichtung zwischen der Brennkammer 5 und einer Kammer 15 bereit, die im Zylinderkopf 2 ausgebildet ist und durch die sich die Hülse 11 in der in Fig. 1 gezeigten Position erstreckt.
Fig. 2 zeigt die Hülse 11 in einer zweiten Position, in der das Dichtungselement 12 mit einer zweiten Kontaktfläche 16 an einem zweiten Sitz 17 im Zylinderkopf 2 an dem von der Brennkammer 5 entfernten Ende der Kammer 15 anliegt. Dies bedeutet, daß die Kammer 15 in dieser Position freie Verbindung mit der Brennkammer 5 hat und praktisch ein Teil von dieser ist. Durch Bewegen der Hülse 11 zwischen der ersten Position gemäß Fig. 1 und der zweiten Position gemäß Fig. 2 ist es daher möglich, zwei verschiedene Kompressionsverhältnisse in dem Motor bzw. der Maschine vorzusehen, um die Maschine an verschiedene Betriebsbedingungen anzupassen.
Um das Ventilmittel oder die Hülse 11 zwischen den beiden Positionen zu bewegen, ist ein Betätigungszylinder 18 im Zylinderkopf 2 koaxial zur Hülse 11 angeordnet. An der Hülse 11 ist ein Betätigungskolben 19 befestigt. Der Betätigungskolben 19 ist im Betätigungszylinder 18 verschiebbar und dichtet gegen die Zylinderwand ab. Der Betätigungszylinder 18 ist auch mit einer Zwischenwand versehen, die feststehend ist und für einen Zweck vorgesehen ist, der im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Die Hülse 11 erstreckt sich durch die Zwischenwand 20.
Zwei Druckmediumkanäle 21 und 22 öffnen sich in den Betätigungszylinder 18 auf jeder Seite des Betätigungskolbens 19. Durch Zuführen des Druckmediums zu dem Betätigungszylinder 18 über einen oder den anderen der Druckmediumkanäle 21 oder 22 wird der Betätigungskolben 19 und dadurch auch die Hülse 11 mit ihm zwischen seinen/ihren zwei Positionen verschoben. Die Druckmediumkanäle 21 und 22 sind auf eine hier nicht im einzelnen dargestellte Art und Weise mit einem Druckmediumsystem (nicht dargestellt) mit einer Druckmediumquelle und den erforderlichen Ventilen zum Regulieren der Druckmediumströmung zu und von den Druckmediumkanälen 21 und 22 gekoppelt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das Einlaßventil 7, das gegen den Ventilsitz 23 im Zylinderkopf 2 geschlossen ist. Der Ventilsitz 23 ist an dem von der Brennkammer 5 entfernen Ende einer zweiten Kammer 24 gelegen. Die zweite Kammer bildet in dieser Position einen Teil der Brennkammer 5. Das Ventil 7 wird auf herkömmliche Weise mittels einer Nockenwelle 25 und einer Nockenerhebung 26 betätigt, die das Ventil 7 mittels eines Mitnehmers 27 betätigt. Eine Ventilfeder 28 belastet das Ventil 7 zu einer geschlossenen Position gegen den Sitz 23 vor. Fig. 3 zeigt das Ventil 7 in der offenen Position, die durch die Erhebung 26 der Nockenwelle 25 betätigt wird. Es ist auch klar, daß die zweite Kammer 4 hier einen erweiterten Abschnitt des Einlaßkanals 6 darstellt, so daß die Strömung um das Einlaßventil 7 nicht negativ beeinflußt wird.
In den Fig. 4 und 5 ist das Einlaßventil 7 in einer anderen Position dargestellt, in der es an einer Kontaktfläche 29 gegen einen Sitz 30 im Zylinderkopf 2 an der Verbindungsstelle zwischen der Brennkammer 5 und der zweiten Kammer 24 anliegt. Zum Bewegen des Ventils 7 zu der Position im Kontakt mit dem Sitz 30 ist ein Schwing- bzw. Kipphebel 31 schwenkbar an einer Welle 32 angebracht, die im Zylinderkopf 2 auf eine hier nicht im Detail dargestellte Art und Weise angebracht ist. Ein Arm 33 des Schwinghebels 31 betätigt den Mitnehmer 27, während der andere Arm 34 durch einen zweiten Betätigungskolben 35 betätigt wird, der verschiebbar im Betätigungszylinder 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenventils 20 in bezug auf den ersten Betätigungskolben 19 angeordnet ist. Der zweite Betätigungskolben 35 weist somit die Form eines Ringkolbens auf, und die Hülse 11 erstreckt sich durch mindestens einen Teil des zweiten Betätigungskolbens 35. An seinem von der Zwischenwand 20 entfernten Ende ist der Betätigungszylinder 18 mittels einer Endwand 36 mit einer Öffnung, durch die sich der zweite Betätigungskolben 35 erstreckt, abgedichtet.
Die beiden Druckmediumkanäle 37 und 38 öffnen sich in den Betätigungszylinder 18 auf jeder Seite des zweiten Betätigungskolbens 35 in dem Raum zwischen der Zwischenwand 20 und der Endwand 36. Durch Zuführen eines Druckmediums zu den Druckmediumkanälen 37 bzw. 38 kann der zweite Betätigungskolben 37 im Betätigungszylinder 18 zwischen der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Position, in der der Schwinghebel 31 nicht auf den Mitnehmer 27 einwirkt, und der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Position, in der der Arm 33 des Schwinghebels 31 über den Mitnehmer 27 das Einlaßventil 7 in Kontakt mit dem Sitz 30 drückt, verschoben werden. Die Druckmediumkanäle 37 und 38 sind mit einem Druckmediumsystem (nicht dargestellt) mit einer Druckmediumquelle sowie erforderlichen Ventilen für die Regulierung einer Druckmediumströmung zu bzw. von den betreffenden Druckmediumkanälen 37 bzw. 38 verbunden.
Indem gestattet wird, daß das Einlaßventil 7 als normales Einlaßventil gegen den Ventilsitz 23 arbeitet, oder das Einlaßventil 7 gegen den Sitz 30 geschlossen gehalten wird, ist es möglich, zwei verschiedene Kompressionsverhältnisse im Zylinder 4 der Maschine bzw. des Motors zu erzielen. Wenn das Einlaßventil 7 gegen den Sitz 30 geschlossen gehalten wird, muss es natürlich mindestens ein weiteres Einlaßventil für den Zylinder 4 geben. Es ist selbstverständlich auch vorstellbar, statt des oder zusätzlich zu dem Einlaßventil 7 ein Auslaßventil für entsprechende Zwecke zu benutzen, d. h., zu ermöglichen, daß ein Auslaßventil in einer Kammer auf die oben für das Einlaßventil 7 beschriebene Art und Weise arbeitet.
Durch Verwendung einer gemeinsam genutzten/isolierbaren Kammer mit einem Ventilmittel oder einer Ventilhülse, wie z. B. der Kammer 15 und der Hülse 11, und mindestens einer anderen Kammer mit einem Ventil, wie z. B. der Kammer 24 mit dem Ventil 7, ist es möglich, durch geeignete Dimensionierung der Kammern das Kompressionsverhältnis der Maschine schrittweise zu verändern, um es verschiedenen Betriebsbedingungen anzupassen. Um eine Anzahl möglicher Ausführungsformen zu veranschaulichen, zeigt Fig. 6 neun verschiedene Ausführungsformen in sehr schematischer Form. I bezeichnet Einlaß- und Auslaßventile vom herkömmlichen Typ, während II Ventilmittel in der Form einer Hülse mit einer Zündkerze bezeichnet, die der Hülse 11 mit der Zündkerze 10 entspricht, und III bezeichnet Ventile mit Kammern, die dem Ventil 7 und der Kammer 24 entsprechen. Es ist jedoch anzumerken, daß die Ventile 3 natürlich entweder Einlaß- oder Auslaßventile sein können. Es ist auch anzumerken, daß die in Fig. 6 gezeigten Ausführungsformen nur Beispiele sind und kein vollständiges Abbild aller denkbaren Varianten abgeben sollen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Vielmehr können Änderungen im Rahmen der folgenden Patentansprüche vorgenommen werden.

Claims

1. Zylinderkopf-(2)-Vorrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (4), wobei für jeden Zylinder (4) in der Maschine eine Brennkammer (5) durch den Zylinderkopf (2) zusammen mit der Zylinderwand und der Endfläche eines Kolbens (3) in dem Zylinder festgelegt ist, wobei der Zylinderkopf (2) für jeden Zylinder (4) umfaßt:

erstens, mindestens einen Einlaßkanal (6) mit einem Einlaßventil (7) zum Regulieren der Verbindung zwischen dem Einlaßkanal (6) und der Brennkammer (5),

zweitens, mindestens einen Auslaßkanal (8) mit einem Auslaßventil (9) zum Regulieren der Verbindung zwischen der Brennkammer (5) und dem Auslaßkanal (8), und

drittens, mindestens eine Zündkerze (10), wobei der Zylinderkopf (2) für jeden Zylinder (4) mit einer Kammer (15) ausgestattet ist, die in Verbindung mit der Brennkammer (5) steht, wobei jede Kammer (15) mit einer beweglichen Hülse (11) mit einem Halter für die Zündkerze (10) versehen ist, die sich durch die Hülse (11) erstreckt und mit ihrem Ende in die Brennkammer (5) oder die Kammer (15) vorsteht,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Hülse als Ventilmittel (11) ausgebildet ist, das Ventilmittel (11) an seinem benachbart der Brennkammer liegenden Ende mit einem Dichtungselement (12) versehen ist, das sich von der Hülse (15) radial nach außen angeordnet ist und das Ventilmittel (11) zu einer zweiten Position bewegbar ist, in der die Kammer (15) eine freie Verbindung mit der Brennkammer (5) hat.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (12) ein im wesentlichen radial nach außen gerichteter Flansch ist, der an dem Ende der Hülse (11) benachbart der Brennkammer (5) gelegen ist.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Betätigungsmittel (18, 19, 21, 22) im Zylinderkopf (2) angeordnet sind, um das Ventilmittel (11) zwischen seinen zwei Positionen zu bewegen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel einen am Ventilmittel (11) befestigten Betätigungskolben (19), wobei der Betätigungskolben in einem Betätigungszylinder (18) im Zylinderkopf (2) bewegbar ist, und einen Druckmittelkanal (21; 22), der sich auf einer Seite des Betätigungskolbens (19) zum Betätigungszylinder (18) hin öffnet, umfassen.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Druckmittelkanal (22; 21) hin auf der bezüglich des ersten Druckmittelkanals (21; 22) entgegengesetzten Seite des Betätigungskolbens (19) zum Betätigungszylinder (18) öffnet.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Druckmittelkanal (21, 22, 37, 38) mit einem Druckmittelsystem mit einer Druckmittelquelle und einem oder mehreren Ventil(en) zum Regeln einer Druckmittelströmung zu und von jedem Druckmittelkanal gekoppelt ist.