SE504359C2

SE504359C2 - IC engine with variable compression ratio

Info

Publication number: SE504359C2
Application number: SE9501962A
Authority: SE
Inventors: Christer Lindstroem
Original assignee: Beta Maskin Ab
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1997-01-20
Also published as: SE9501962L; SE9501962D0

Abstract

The internal combustion (IC) engine is of the Otto or diesel type with one or more work cylinders with variable geometrical compression ratio, and incorporates, for each work cylinder, a combustion chamber formed between a work piston and a cylinder head with a movable wall for variation of the combustion chamber vol. The wall is formed by a second piston in a second cylinder communicating with the work cylinders. A drive unit is connected to the second piston, which via control components controls the second piston position in the second cylinder at least in relation to the engine crankshaft position and load. The drive unit comprises a hydraulic piston (8), which is connected with the second piston (5), and is accommodated in a hydraulic cylinder (9), which via a valve arrangement (13, 14, 15, 16) controlled by an electronic control unit (17) communicates with a pressure chamber (18) contg. hydraulic fluid and gas under excess pressure.

Description

10 15 20 25 30 35 504 359 2 arbetskolvens kompressionsslag stänga ventilanordningen, när den andra kolven befinner sig i ett läge, som bestäms av i styrenheten inmatade signaler representerande åtminstone vevaxelposition och belastning. 10 15 20 25 30 35 504 359 2 the working stroke of the working piston close the valve device, when the other piston is in a position determined by i the controller input signals representing at least crankshaft position and load.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan, med hänvisning till, på bifogade ritningar, visade utföringsexempel, där fig 1 visar ett tvärsnitt genom en schematisk framställning av en första utföringsform av en förbränningsmotor enligt uppfinningen, där motorn precis har avslutat en kompressionstakt under låg belastning fig 2 visar en motsvarande vy av en andra utföringsform.The invention is described in more detail below, with reference to, on attached drawings, shown embodiments, there Fig. 1 shows a cross section through a schematic representation of a first embodiment of an internal combustion engine according to the invention, where the engine has just completed one compression rate under low load Fig. 2 shows a corresponding view of a second embodiment.

Förbränningsmotorn enligt fig 1 visar en cylinder 1 med en kolv 2 som delar förbränningsrum 3 med en mindre cylinder 4 och dess kolv 5, vilken via en kolvstång 6,7 är förbunden med en hydraulkolv 8. Hydraulkolven 8 löper i en hydraulcylinder 9. Mellan cylindern 4 och hydraulcylindern 9 finns en öppning 10 varigenom kolvstången 6,7 löper. Kolvstången 6,7 har över en större del 6 av sin längd en väsentligt mindre diameter än öppning 10 och över en mindre del 7 av sin längd, närmast hydraulkolven 8, en diameter som obetydligt understiger öppningens 10 diameter. När hydraulkolven 8 närmar sig nedre dödpunkten bildas en pneumatisk dämpningszon ll i hydraulcylinderns 9 nedre del. I nedre ändläget av hydraulcylindern 9 finns en elastisk dämpningsring 12 för hydraulkolven 8 och i den övre änden en magnetventil, bestående av en elektromagnet 13, en ventiltallrik 14, ett ventilskaft 15 och ett ventilsäte 16 och som kontrolleras av en elektronisk styrenhet 17. Den elektroniska styrenheten 17 får information från ett antal avkännare, i likhet med ett modernt elektroniskt styrt bränsleinsprutningssystem.The internal combustion engine according to Fig. 1 shows a cylinder 1 with a piston 2 which divides the combustion chamber 3 with a smaller cylinder 4 and its piston 5, which is connected via a piston rod 6,7 to a hydraulic piston 8. The hydraulic piston 8 runs in a hydraulic cylinder 9. There is an opening between the cylinder 4 and the hydraulic cylinder 9 Whereby the piston rod 6.7 runs. The piston rod 6,7 has over a larger part 6 of its length a substantially smaller diameter than opening 10 and over a smaller part 7 of its length, nearest hydraulic piston 8, a diameter which is slightly less than the diameter of the opening 10. As the hydraulic piston 8 approaches lower at the dead center a pneumatic damping zone ll is formed in lower part of the hydraulic cylinder 9. In the lower end position of the hydraulic cylinder 9 has an elastic damping ring 12 for the hydraulic piston 8 and at the upper end a solenoid valve, consisting of an electromagnet 13, a valve plate 14, a valve stem 15 and a valve seat 16 and controlled by an electronic control unit 17. The electronic control unit 17 receives information from a number of sensors, similar to one modern electronically controlled fuel injection system.

Exempelvis kan information lämnas om vevaxelpositionen, motorns varvtal, då bränsleblandningen självantänder, mängden gaspådrag, totaltrycket i insugsröret, motorns kylvätsketemperatur etc. Magnetventilen 13,14,15,16 omges av en tryckkammare 18, som delvis är fylld med en hydraulvätska och delvis med en gas i övertryck. Från tryckkammare 18 10 15 20 25 30 35 504 359 3 mynnar ett utloppsrör 19 till ett kylsystem 20, från vilket en returledning 21, via en ventil 22, i form av en backventil, leder till hydraulcylindern 9. Ventilen 22 kan även vara elektroniskt styrd. Vid magnetventilens ventilskaft 15, finns ett hydrauliskt dämpningselement bestående av ett stationärt element 23 och en ansats 24. Det oljedimsfyllda utrymmet i cylindern 4 och hydraulcylindern 9 mellan kolven 5 och hydraulkolven 8 är via ett antal kanaler 25 förbundna med ett hålrumssystem 26, som i sin tur står i förbindelse med motorns vevhus via området runt motorns ventilmekanism. Fig 1 visar även en konventionell avgasventil 27 med en ventillyftare 28 och en kamkurva 29.For example, information can be provided about the crankshaft position, engine speed, when the fuel mixture self-ignites, the amount throttle, total pressure in the intake manifold, engine coolant temperature etc. The solenoid valve 13,14,15,16 is surrounded by a pressure chamber 18, which is partially filled with a hydraulic fluid and partly with a gas in overpressure. From pressure chamber 18 10 15 20 25 30 35 504 359 3 opens an outlet pipe 19 to a cooling system 20, from which a return line 21, via a valve 22, in the form of a non-return valve, leads to the hydraulic cylinder 9. The valve 22 can also be electronically controlled. At the solenoid valve valve stem 15, there is a hydraulic damping element consisting of one stationary element 23 and a shoulder 24. The oil mist filled the space in the cylinder 4 and the hydraulic cylinder 9 between the piston 5 and the hydraulic piston 8 are connected via a number of channels 25 a cavity system 26, which in turn communicates with the engine crankcase via the area around the engine valve mechanism. Fig. 1 also shows a conventional exhaust valve 27 with a valve lifter 28 and a cam curve 29.

Under insugstakten är magnetventilen 13,l4,l5,16 öppen och kolven 5 och hydraulkolven 8 finner sig i sina respektive nedre ändlägen. Den elektroniska styrenheten 17 beräknar vilket geometriskt kompressionsförhållande som är lämpligt för varje enskild kompressionstakt. Beräkningen är baserad på det program som finns i den elektroniska styrenheten 17 och på information som den elektroniska styrenheten 17 får från sina avkännare. På grund av det övertryck som bildas i cylindern 1 under kompressionstakten drivs kolven 5 och hydraulkolven 8 uppåt från sina nedre ändlägen och hydraulvätska strömmar ut ur hydraulcylindern 9 via magnetventilen l3,l4,l5,16 till tryckkammaren 18. Den elektroniska styrenheten 17 beräknar även när magnetventilen l3,l4,l5,16 skall avaktiveras och stänga för att kolven 5 skall förflytta sig den erforderliga sträckan i cylindern 4 som korresponderar mot det förut bestämda geometriska kompressionsförhållandet. magnetventilen l3,14,15,16 stänga efter det att bränsle/luftblandningen antänts.During the intake stroke, the solenoid valve 13, 14, 15, 16 is open and piston 5 and hydraulic piston 8 are located in their respective lower end positions. The electronic control unit 17 calculates which geometric compression ratio is appropriate for each individual compression rate. The calculation is based on the program contained in the electronic control unit 17 and on information that the electronic control unit 17 receives from their sensors. Due to the overpressure formed in the cylinder 1 during the compression stroke, the piston 5 and the hydraulic piston 8 upwards from its lower end positions and hydraulic fluid flows out of the hydraulic cylinder 9 via the solenoid valve l3, l4, l5,16 to the pressure chamber 18. The electronic control unit 17 also calculates when the solenoid valve l3, l4, l5,16 shall be deactivated and closed to the piston 5 shall move the required distance in the cylinder 4 which corresponds to the predetermined geometric the compression ratio. solenoid valve l3,14,15,16 close after that the fuel / air mixture ignites.

Under vissa betingelser kan Det hydrauliska dämpningselementet 23,24 ser till att magnetventilens 13,l4,15,l6 stängning får en uppbromsad avslutningsfas, dels för att skona ventiltallrikens 14 och sätets 16 tätningsytor och dels för att ge kolven 5 och hydraulkolven 8 en avvägd retardation. 10 15 20 25 30 35 504 359 4 Under arbetstakten förblir kolven 5 och hydraulkolven 8 låsta i sina tidigare positioner ända till dess att avgasventilen 27 öppnat och trycket i cylindern 1 sjunkit till en nivå, där det korresponderande trycket i hydraulcylindern 9 är marginellt lägre än det i tryckkamaren 18. Den elektroniska styrenheten 17 är programmerad för att då aktivera magnetventilen 13,14,l5,16, som öppnar förbindelsen mellan tryckkamaren 18 och hydraulcylindern 9. På grund av det övertryck som finns i tryckkamaren 18 flödar hydraulvätska över till hydraulcylindern 9 och därmed sätts kolven 5 och hydraulkolven 8 i rörelse mot sina nedre ändlägen. Trycket i cylindern 1 sjunker ytterligare och kolvens 5 och hydraulkolvens 8 acceleration ökar. Den elektroniska styrenheten 17 beräknar - främst beroende av från vilken position i cylindern 4 och hydraulcylindern 9 som kolven 5 och hydraulkolven 8 skall återgå - när ventilen 13,l4,15,16 skall stänga. När ventilen 13,l4,15,16 stängt, strömmar hydraulvätska via ledningen 19, den externa kylaren 20, ledningen 21 och ventilen 22 till hydraulcylindern 9.Under certain conditions can The hydraulic damping element 23,24 ensures that the closing of the solenoid valve 13, 14, 15, 16 is braked closing phase, partly to spare the valve plate 14 and the sealing surfaces of the seat 16 and partly to give the piston 5 and hydraulic piston 8 a balanced deceleration. 10 15 20 25 30 35 504 359 4 During the working stroke, the piston 5 and the hydraulic piston 8 remain locked in their previous positions until the exhaust valve 27 opened and the pressure in the cylinder 1 dropped to a level there the corresponding pressure in the hydraulic cylinder 9 is marginally lower than that in the pressure chamber 18. The electronic the control unit 17 is programmed to then activate the solenoid valve 13,14, 15,16, which opens the connection between the pressure chamber 18 and the hydraulic cylinder 9. Because of that overpressure present in the pressure chamber 18 flows hydraulic fluid over to the hydraulic cylinder 9 and thus the piston 5 and the hydraulic piston 8 in motion towards its lower end positions. The pressure in the cylinder 1 sinks further and the piston 5 and the acceleration of the hydraulic piston 8 increases. The electronic the control unit 17 calculates - mainly depending on from which position in the cylinder 4 and the hydraulic cylinder 9 as the piston 5 and the hydraulic piston 8 should return - when the valve 13, 14,15,16 shall close. When the valve 13, 14, 15, 16 is closed, flows hydraulic fluid via line 19, external radiator 20, the line 21 and the valve 22 to the hydraulic cylinder 9.

Flödeskapaciteten på denna slinga är betydligt lägre än den via magnetventilen 13,14,l5,16 och är kalibrerad för att avbryta den accelererande rörelsen hos hydraulkolven 8 som bromsas in och avstannar helt i den pneumatiska dämpningszonen 11 för att slutligen, i slutet på utblåstakten, bli vilande mot dämpningsringen 12. Den elektroniska styrenheten 17 aktiverar nu magnetventilen 13,l4,l5,l6, som öppnar.The flow capacity of this loop is significantly lower than that via the solenoid valve 13,14, 15,16 and is calibrated to interrupt the accelerating movement of the hydraulic piston 8 as brakes in and stops completely in the pneumatic attenuation zone 11 to finally, at the end of the blow-out rate, resting against the damping ring 12. The electronic control unit 17 now activates the solenoid valve 13, l4, l5, l6, which opens.

Den oljedima som finns innesluten i cylindern 4 och hydraulcylindern 9 mellan kolven 5 och hydraulkolven 8, flödar, på grund av kolvens 5 och hydraulkolvens 8 fram och återgående rörelser, genom ett antal kanaler 25 till och från hålrumssystemet 26. Detta i sin tur är förbundet med vevhuset via området runt motorns ventilmekanism. På detta sätt omsätts den oljedimma som smörjer, i första hand, cylindern 4 och kolven 5. Även ventillyftaren 28, genom dess påverkan av kamkurvan 29, bidrar med sina fram och återgående rörelser till att oljediman enligt ovan omsätts. 10 15 20 25 30 35 504 359 s Vid tomgång och motorbromsning är det lämpligt att man valt ett geometriskt kompressionsförhållande som korresponderar mot att kolven 5 inte aktiveras under kompressionstakten. Om motorn får arbeta en längre tid på tomgång aktiverar den elektroniska styrenheten 17 magnetventilen l3,l4,l5,l6 med jämna mellanrum, så att kolven 5 gör fullt slag, för att säkerställa fullgod funktion och tätning mellan dess kolvringar och cylindern 4 samt även omsätta hydraulvätska i hydraulcylindern 9 och kylsystemet 20.The oil mist contained in the cylinder 4 and the hydraulic cylinder 9 between the piston 5 and the hydraulic piston 8, flows, due to the front and rear of the piston 5 and the hydraulic piston 8 reciprocating movements, through a number of channels 25 to and from the cavity system 26. This in turn is connected to the crankcase via the area around the engine valve mechanism. In this way the oil mist which lubricates, in the first place, the cylinder 4 is reacted and the piston 5. Also the valve lifter 28, by its action of cam curve 29, contributes with its reciprocating movements to the oil mist as above. 10 15 20 25 30 35 504 359 s When idling and engine braking, it is advisable to choose a corresponding geometric compression ratio against the piston 5 not being activated during the compression stroke. If the engine is allowed to operate for a longer period of time at idle activates it electronic control unit 17 solenoid valve l3, l4, l5, l6 with at regular intervals, so that the piston 5 makes a full stroke, in order to ensure adequate function and sealing between it piston rings and cylinder 4 and also convert hydraulic fluid into the hydraulic cylinder 9 and the cooling system 20.

Det kan, i vissa fall, finnas behov av att blanda den inkomande luft/bränsleblandningen i motorn med restavgaser, för att ändra den kemiska samansättningen på motorns avgaser. Under sådana omständigheter kan man styra kolven 5, så att den, helt eller delvis, återgår till sitt nedre ändläge under insugstakten i stället för under utblåstakten.There may, in some cases, be a need to mix it incoming air / fuel mixture in the engine with residual exhaust gases, to change the chemical composition of the engine exhaust. In such circumstances, the piston 5 can be steered. so that it, in whole or in part, returns to its lower end position during the intake rate instead of during the exhaust rate.

Beroende på bland annat val av hydraulvätska, typ av gas i övertryck, det slutliga utförandet på tryckkamaren 18 och elektromagneten 13 samt driftsförhållanden i allmänhet, kan en icke önskvärd emulsion uppstå mellan hydraulvätskan och gasen. Detta kan förhindras, exempelvis genom att, enligt Fig 2, installera en rörlig skiljevägg mellan gasen och hydraulvätskan i form av en avtätad kolv 30 eller ett monterat membran. Som alternativ till, eller i kombination med, gasövertrycket kan en eller fler mekaniska fjädrar 31 anordnas så att dessa pressar kolven 30 mot hydraulvätskan och på så sätt försätter denna under tryck. En flercylindrig motor anordnas lämpligen så att både hydraulvätska och övertrycksgas delas gemensamt mellan enheterna i sama cylinderbank.Depending on, among other things, the choice of hydraulic fluid, type of gas in overpressure, the final design of the pressure chamber 18 and electromagnet 13 and operating conditions in general, can an undesirable emulsion occurs between the hydraulic fluid and gases. This can be prevented, for example by, according to Figs 2, install a movable partition between the gas and the hydraulic fluid in the form of a sealed piston 30 or a mounted membrane. As an alternative to, or in combination with, the gas overpressure can one or more mechanical springs 31 arranged so that they press the piston 30 against the hydraulic fluid and thus puts this under pressure. A multi-cylinder motor is suitably arranged so that both hydraulic fluid and overpressure gas is shared jointly between the units in the same cylinder bank.

För att undvika frekventa inspektioner av hydraulvätskenivåer och gasmängder i systemet, kan detta förses med automatisk påfyllning och nivåbevakning. Fig 2 visar en tryckgasbehållare 32 som, via ledningen 33, ansluter till tryckregulatorn 34. En ledning 35 leder vidare till en tank 36, med en avkännare 37 och en ledning 38, via en ventil 39 10 15 20 25 30 35 504 359 s till nedre delen av tryckkamaren 18. Från tryckregulatorn 34 leder även en ledning 40 till en ventil 41 och övre delen av tryckkammaren 18. En avkännare 42 är monterad i tryckkammaren 18 för att känna av kolvens 30 position. En tryckavkännare 43 är ansluten till tryckkammaren 18. Tryckregulatorn 34, avkännarna 37 och 42, ventilerna 39 och 41 samt tryckavkännaren 43, är samtliga anslutna till den elektroniska styrenheten 17.To avoid frequent inspections of hydraulic fluid levels and gas volumes in the system, this can be provided automatically replenishment and level monitoring. Fig. 2 shows a pressurized gas container 32 which, via line 33, connects to the pressure regulator 34. A line 35 leads on to a tank 36, with a sensor 37 and a conduit 38, via a valve 39 10 15 20 25 30 35 504 359 s to the lower part of the pressure chamber 18. From the pressure regulator 34 also leads a line 40 to a valve 41 and the upper part of the pressure chamber 18. A sensor 42 is mounted in the pressure chamber 18 to sense the position of the piston 30. A pressure sensor 43 is connected to the pressure chamber 18. The pressure regulator 34, sensors 37 and 42, valves 39 and 41 and the pressure sensor 43, are all connected to it electronic control unit 17.

Tryckgasbehållaren 32 har efter fyllning ett tryck som är betydligt högre än trycket i tryckkammaren 18. Gas strömar via ledningen 33 till tryckregulatorn 34, där trycket sjunker till en nivå något över trycket i tryckkammaren 18.The pressurized gas container 32 after filling has a pressure which is significantly higher than the pressure in the pressure chamber 18. Gas flows via line 33 to the pressure regulator 34, where the pressure drops to a level slightly above the pressure in the pressure chamber 18.

Gasen strömar vidare genom ledningen 35, till tanken 36, vilken delvis är fylld med hydraulvätska. Om den elektroniska styrenheten 17 får signal från avkännaren 42, om att G hydraulvätskenivån är för låg i tryckkamaren 18, aktiverar den ventilen 39, så att en avvägd mängd hydraulvätska strömar via ledningen 38 till tryckkamaren 18.The gas flows further through the line 35, to the tank 36, which is partially filled with hydraulic fluid. About the electronic the control unit 17 receives a signal from the sensor 42, that G the hydraulic fluid level is too low in the pressure chamber 18, activates the valve 39, so that a balanced amount of hydraulic fluid flows via line 38 to the pressure chamber 18.

Om gastrycket i tryckkamaren 18 sjunker under en förutbestämd nivå, lämnar tryckavkännaren 43 en signal till den elektroniska styrenheten 17 som aktiverar ventilen 41, varvid en avstämd mängd gas från tryckregulatorn 34 strömar via ledningen 40 och genom ventilen 41 till tryckkammaren 18.If the gas pressure in the pressure chamber 18 drops below one predetermined level, the pressure sensor 43 sends another signal the electronic control unit 17 which activates the valve 41, wherein a tuned amount of gas flows from the pressure regulator 34 via the line 40 and through the valve 41 to the pressure chamber 18.

I den elektroniska styrenheten 17 finns programerat hur frekvent hydraulvätska eller gas behöver fyllas i tryckkammaren 18. Överskrids denna frekvens, informerar på lämpligt vis den elektroniska styrenheten 17 om detta. Om hydraulvätskan i tanken 36 sjunker under en viss nivå, lämnar avkännaren 37 en signal till den elektroniska styrenheten 17, som på lämpligt sätt vidarebefordrar informationen. Om tryckgasbehållaren 32 har tömts på en tillräcklig mängd gas, lämnar tryckregulatorn 34 en signal till den elektroniska styrenheten 17, som på lämpligt sätt vidarebefordrar informationen.In the electronic control unit 17 there is programmed how frequent hydraulic fluid or gas needs to be filled pressure chamber 18. Exceeds this frequency, informs on suitably the electronic control unit 17 if this. If the hydraulic fluid in the tank 36 drops below a certain level, leaves the sensor 37 a signal to the electronic control unit 17, which appropriately forwards the information. If the pressurized gas container 32 has been emptied of a sufficient amount of gas, the pressure regulator 34 leaves a signal to the electronic one the control unit 17, which transmits in a suitable manner the information.

Claims

10 15 20 25 30 35 504 359 7 Patent claims

An Otto or Diesel type internal combustion engine with one or more working cylinders and with variable geometric compression ratio, comprising - for each working cylinder - a combustion chamber formed between a working piston and a cylinder head with a movable wall for varying the volume of the combustion chamber, which wall is formed by a second piston in a second cylinder communicating with the working cylinder, and drive means connected to the second piston, which are arranged via control means to control the position of the second piston in the second cylinder at least in relation to the engine crankshaft position and load, characterized in that said drive means comprises a hydraulic piston (8), which is connected to the second piston (5) and is accommodated in a hydraulic cylinder (9), which communicates via a valve device (13, 14, 15, 16) via an electronic control unit (17) with a pressure chamber ( 18) containing hydraulic fluid and gas under overpressure, and that the control unit (17) is arranged to comp under the working piston (2) close the valve device (13,14,15,16) when the second piston (5) is in a position determined by signals input to the control unit (17) representing at least crankshaft position and load.

Engine according to Claim 1, characterized in that the valve (13, 14, 15, 16) is an electromagnetically actuated poppet valve, the valve plate (14) of which, in the closed position of the valve, rests against a seat (16) facing the inner of the hydraulic cylinder (9). a passage between the pressure chamber (18) and the hydraulic cylinder (9).

Motor according to Claim 2, characterized in that the valve plate (14) is arranged at the end of a spindle (15) movable by the electromagnet (13), which at a distance from the plate (14) has a shoulder (24) which, in cooperation with a stationary element (23) is arranged to dampen the movement of the plate (14) against the seat (16). 10 15 20 25 30 35 504 359 8

Engine according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the pressure chamber (18) and the hydraulic cylinder (9) communicate with one another via at least one bypass line (19, 21) containing a cooling device (20) and a valve (22). which is arranged to prevent liquid flow from the hydraulic cylinder (9) to the pressure chamber (18).

Engine according to Claim 4, characterized in that the valve in the bypass line (19, 21) is a non-return valve (22).

Engine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the hydraulic piston (8) is connected to the second piston (5) via a piston rod (6, 7) which extends through an opening (opening in the cylinder of the second piston). 10) and which over the larger part (6) of its length has a substantially smaller diameter than the opening (10) and over a smaller part (7) of its length closest to the hydraulic piston (8) has a diameter which is insignificantly below the diameter of the opening (10) .

Engine according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the gas and the hydraulic fluid in the pressure chamber (18) are separated by a movable wall (30) accommodated in the pressure chamber (18).

Motor according to claim 7, characterized in that the movable wall (30) is coordinated with a sensor (42) arranged to sense the position of the wall (30) in the pressure chamber (18) and provide a signal to the electronic control unit (17), which controls a valve (39) in a conduit (38) between a hydraulic fluid accumulator tank (36) and the hydraulic fluid side of the pressure chamber (18).

Engine according to one of Claims 1 to 8, characterized in that a pressure sensor (43) accommodated in the pressure chamber (18) is arranged to sense the gas pressure in the pressure chamber (18) and emit a signal dependent thereon to the electronic control unit (17). which controls a valve (41) in a conduit (40) between a compressed gas tank (32) and the gas side of the pressure chamber (18).