WO2010124971A1 - Einrichtung zur modifikation der kolbenkinematik einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for modifying the piston kinematics of an internal combustion engine with at least one reciprocating piston in a cylinder, which is connected via a piston pin pivotally connected to a connecting rod, wherein the piston pin rotatably in at least one piston pin bearing of the piston, as well as in a connecting rod bearing the connecting rod is mounted, wherein the Kobenbolzen in at least one bearing portion of the piston pin bearing and / or the connecting rod bearing has an eccentric, and wherein the piston pin is rotatable by a rotating device.
  • a reciprocating internal combustion engine with at least one adjustable variable compression ratio by means of an adjusting mechanism which comprises at least one arranged in a connecting rod eye or a Hublagerauge a connecting rod eccentric for changing an effective length of the connecting rod.
  • the eccentric is movable by means of a movement of the connecting rod caused by the torque. The adjustment of the eccentric takes place via an adjusting device.
  • DE 348 555 A discloses an adjustable piston pin bearing for internal combustion engines, wherein the socket, in which the piston pin is mounted eccentrically, is rotatably mounted eccentrically and lockable in a second socket.
  • a similar construction is also known from GB 412 781 A.
  • a reciprocating internal combustion engine with temperature-dependent adjusting dead center wherein the piston pin has an eccentricity in the region of the connecting rod relative to its protruding ends thereof.
  • the piston pin mounted in the piston is rigidly connected to a torsion element, which in turn is in rigid connection with the piston.
  • This torsion element consists of a memory metal.
  • the object of the invention is to allow as simple as possible in an internal combustion engine, a limitation of the peak pressure.
  • the rotating device is formed by a torsion spring and that the piston pin against the force of the torsion spring from a rest position in at least one pressure limiting position is rotatable, wherein preferably the eccentric is arranged in the region of the connecting rod bearing.
  • a spring-loaded latching device acts on a piston pin fixed rotational stop at least in the rest position, so that the piston pin is held in the rest position, wherein preferably the latching device by a radially by a compression spring is formed against the piston pin fixed rotation stop locking slide, wherein preferably the biasing force of the compression spring is adjustable.
  • the locking slide can have at least one start-up ramp, which is run over by the piston-fixed rotational stop upon rotation of the piston pin.
  • At least one eccentric having, both in the piston, and in a connecting rod rotatably mounted piston pin is held by a torsion spring in a rest position and at a defined cylinder pressure is exceeded is rotated against the force of the torsion spring in a pressure limiting position to reduce the compression ratio.
  • the rotation of the eccentric piston pin is suppressed up to a specified cylinder pressure.
  • it supports the return of the piston pin in the stop position after falling below the combustion chamber pressure below a second level to be determined.
  • FIG. 1 shows a piston of an internal combustion engine with a device according to the invention for the modification of the piston kinematics in a section in the piston axis.
  • Figure 2 shows this piston in a section transverse to the piston axis.
  • Figure 3 shows the piston in a section along the line III-III in Fig. 1.
  • 4 shows the torsion spring of the device in an oblique view; and
  • FIG. 5 shows a piston pin in an oblique view.
  • FIGS. 1 and 2 show a piston 1 of a reciprocating internal combustion engine, which is pivotably connected to the connecting rod 2 via a piston pin 4 mounted in a connecting rod bearing 3 of a connecting rod 2.
  • the piston pin 4 is rotatably connected to the piston 1 via piston pin bearing 5 and has in the region of the connecting rod bushing 3 an eccentric 6, whose central axis 6a is spaced from the axis of the piston pin bearing 5a. This eccentricity is denoted by e in the figures.
  • a torsion spring 7 By a torsion spring 7, the hollow executed piston pin 4 is pressed into a rest position, wherein a piston pin fixed rotation stop 8 rests on a piston-fixed rotational stop 9.
  • Reference numeral 7a denotes a piston-fixed leg of the torsion spring 7
  • reference numeral 7b denotes a piston pin-fixed leg of the torsion spring 7.
  • the piston pin-fixed leg 7b is inserted in a receptacle 10 of the piston pin 4.
  • the piston pin 4 In the rest position, the piston pin 4 is further held by a locking slide 11 having latching device 12.
  • the locking slide 11 is pressed by an adjustable by a screw 13 compression spring 14 to the piston pin fixed stop 8.
  • the locking slide 11 has a starting ramp 15, which can be run over by the piston pin fixed rotational stop 8 upon rotation of the piston pin 4.
  • the piston pin 4 designed as an eccentric shaft is oriented in a piston-tight manner during the compression phase of the cylinder via the piston-fixed rotational stop 9 and the latching device 12 in the angular position ⁇ o shown in FIGS. 2 and 3.
  • the eccentricity e exerts on the gas forces a moment M d - GaS on the eccentric 6 according to the equation
  • M a - gas F gas - e - sin ⁇ 0 (1) off.
  • M d _ A M d _ gas + ⁇ M d _ R _ ⁇ (2)
  • the restoring moment M d-ruC k is in this case composed of the preload M d-dre h and the moment M d-ras t of the spring-loaded latching device 12:
  • This relative piston stroke causes approximately an adiabatic expansion in the combustion chamber, whereby the combustion chamber pressure is reduced compared to a central piston engine.
  • the desired release pressure (eg 120 bar) can be set.
  • the system design is now carried out in such a way that in partial load operation, the tripping torque M dA is smaller than the restoring torque M d-jerk.
  • the cylinder pressure during combustion exceeds the trigger pressure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), welcher über einen Kolbenbolzen (4) schwenkbar mit einer Pleuelstange (2) verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen (4) drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager (5) des Kolbens (1), als auch in einem Pleuellager (3) der Pleuelstange (2) gelagert ist, wobei der Kobenbolzen (4) in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers (5) und/oder des Pleuellagers (3) einen Exzenter (6) aufweist, und wobei der Kolbenbolzen (4) durch eine Drehvorrichtung drehbar ist. Um auf möglichst einfache Weise den Spitzendruck zu begrenzen ist vorgesehen, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder (7) gebildet ist und dass der Kolbenbolzen (4) entgegen der Kraft der Drehfeder (7) aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist.

Description

Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, welcher über einen Kolbenbolzen schwenkbar mit einer Pleuelstange verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager des Kolbens, als auch in einem Pleuellager der Pleuelstange gelagert ist, wobei der Kobenbolzen in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers und/oder des Pleuellagers einen Exzenter aufweist, und wobei der Kolbenbolzen durch eine Drehvorrichtung drehbar ist.
Brennkraftmaschinen mit großen Spreizungen in den Leistungsanforderungen haben das Problem, dass bei einem konventionellen Kurbeltrieb das starre Verdichtungsverhältnis zu einer großen Spreizung des Spitzendruckes zwischen Teillast und Nennlast führt. Dies führt dazu, dass vor allem Dieseltriebwerke sehr hohen Spitzendruckanforderungen genügen müssen, was zu erhöhten Reibungsverlusten führt.
Aus der DE 10 2005 055 199 Al ist eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines Verstellmechanismus bekannt, der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels umfasst. Entlang eines Verstellweges ist der Exzenter mittels durch eine Bewegung des Pleuels hervorgerufenen Drehmomentes bewegbar. Die Verstellung des Exzenters erfolgt dabei über eine Verstellvorrichtung.
Die DE 348 555 A offenbart eine verstellbare Kolbenbolzenlagerung für Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Buchse, in welcher der Kolbenbolzen exzentrisch befestigt ist, in einer zweiten Buchse exzentrisch drehbar und feststellbar gelagert ist. Eine ähnliche Konstruktion ist auch der GB 412 781 A bekannt.
Weitere Einrichtungen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mit exzentrischen Lagerbuchsen für Kolbenbolzen sind aus der DE 3 108 486 Al, der JP 58-067937 A2, der JP 62-035 034 A2, der US 4 721 073 A, der DE 3 818 357 Al, der EP 0 297 904 A2 oder der WO 95/08705 Al bekannt.
Bekannte Einrichtungen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses haben den Nachteil, dass sie eigene Verstellmechanismen benötigen, um eine Verdre- hung des Exzenters herbeizuführen. Dadurch sind diese Einrichtungen sehr aufwendig.
Weiters ist aus der DE 40 40 274 Al ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit temperaturabhängig sich verstellenden Totpunkt bekannt, wobei der Kolbenbolzen im Bereich des Pleuelauges relativ zu seinen daraus hervorragenden Enden eine Exzentrizität aufweist. Der im Kolben gelagerte Kolbenbolzen ist mit einem Torsionselement starr verbunden, das wiederum mit dem Kolben in starrer Verbindung steht. Dieses Torsionselement besteht aus einem Memory-Metall. Dadurch wird eine temperaturabhängige Verdrehung des Kolbenbolzens und durch dessen Exzentrizität eine relative Verschiebung zwischen Pleuelstange und Kolben bewirkt. Zur Begrenzung des Spitzendruckes im Zylinderraum ist diese Verstelleinrichtung nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einer Brennkraftmaschine eine Begrenzung des Spitzendruckes zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder gebildet ist und dass der Kolbenbolzen entgegen der Kraft der Drehfeder aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist, wobei vorzugsweise der Exzenter im Bereich des Pleuellagers angeordnet ist.
Zur Reproduzierbarkeit des Ausgangsverdichtungsverhältnisses ist es vorteilhaft, wenn ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag in der Ruhelage an einem kolbenfesten Verdrehanschlag anliegt.
Dies ermöglicht eine genaue Definition der Drehlage des Kolbenbolzens.
Um ein rasches Ansprechen der Einrichtung durch den Gasdruck zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn eine federbelastete Rasteinrichtung zumindest in der Ruhelage auf einen kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag einwirkt, so dass der Kolbenbolzen in der Ruheposition gehalten wird, wobei vorzugsweise die Rasteinrichtung durch einen durch eine Druckfeder radial gegen den kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag gepressten Rastschieber gebildet ist, wobei vorzugsweise die Vorspannkraft der Druckfeder einstellbar ist. Der Rastschieber kann dabei zumindest eine Anlauframpe aufweisen, welche vom kolbenfesten Verdrehanschlag bei Verdrehung des Kolbenbolzens überfahren wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der in einem Lagerbereich zumindest einen Exzenter aufweisende, sowohl im Kolben, als auch in einer Pleuelstange drehbar gelagerte Kolbenbolzen durch eine Drehfeder in einer Ruhelage gehalten wird und bei Überschreiten eines definierten Zylinderdruckes entgegen der Kraft der Drehfeder in eine Druckbegrenzungslage zur Verminderung des Verdichtungsverhältnisses verdreht wird.
Über die Vorspannung der Drehfeder wird einerseits die Verdrehung des exzentrischen Kolbenbolzens bis zu einem festgelegten Zylinderdruck unterdrückt. Andererseits unterstützt sie die Rückstellung des Kolbenbolzens in die Anschlagposition nach Unterschreiten des Brennraumdrucks unter ein zweites festzulegendes Niveau.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik in einem Schnitt in der Kolbenachse;
Fig. 2 diesen Kolben in einem Schnitt quer zur Kolbenachse; Fig. 3 den Kolben in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1; Fig. 4 die Drehfeder der Einrichtung in einer Schrägansicht; und Fig. 5 einen Kolbenbolzen in einer Schrägansicht.
Die Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen Kolben 1 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher über einen in einem Pleuellager 3 einer Pleuelstange 2 gelagerten Kolbenbolzen 4 schwenkbar mit der Pleuelstange 2 verbunden ist. Der Kolbenbolzen 4 ist auf dem Kolben 1 drehbar über Kolbenbolzenlager 5 verbunden und weist im Bereich der Pleuelbuchse 3 einen Exzenter 6 auf, dessen Mittelachse 6a von der Achse der Kolbenbolzenlager 5a beabstandet ist. Diese Exzentrizität ist in den Fig. mit e bezeichnet.
Durch eine Drehfeder 7 wird der hohl ausgeführte Kolbenbolzen 4 in eine Ruhelage gedrückt, wobei ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag 8 auf einem kolbenfesten Verdrehanschlag 9 anliegt. Mit Bezugszeichen 7a ist ein kolbenfester Schenkel der Drehfeder 7, und mit Bezugszeichen 7b ein kolbenbolzenfester Schenkel der Drehfeder 7 bezeichnet. Der kolbenbolzenfeste Schenkel 7b ist dabei in einer Aufnahme 10 des Kolbenbolzens 4 eingesetzt.
In der Ruhelage wird weiters der Kolbenbolzen 4 durch einen Rastschieber 11 aufweisende Rasteinrichtung 12 gehalten. Der Rastschieber 11 wird dabei durch eine über eine Schraube 13 einstellbare Druckfeder 14 an den kolbenbolzenfesten Anschlag 8 gedrückt. Der Rastschieber 11 weist eine Anlauframpe 15 auf, die bei Verdrehung des Kolbenbolzens 4 vom kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag 8 überfahren werden kann. Der als Exzenterwelle ausgeführte Kolbenbolzen 4 ist während der Kompressionsphase des Zylinders über den kolbenfesten Verdrehanschlag 9 und die Rasteinrichtung 12 kolbenfest in der in den Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Winkellage φo orientiert. Die Exzentrizität e übt über die Gaskräfte ein Moment Md-GaS auf den Exzenter 6 gemäß der Gleichung
M ä -Gas = F Gas - e - sin φ0 ( 1) aus.
Diesem Moment Md-Gas sind die Reibungsmomente Md-R-κ im Kolbenbolzen 4 überlagert. Für das Auslösemoment Md-A gilt:
Md_A = Md_Gas + ∑Md_R_κ (2)
Während der Kompressionstakte der Brennkraftmaschine wird der Kolbenbolzen 4 durch die Vorspannung der Drehfeder 7 und durch die Keilwirkung der federbelasteten Rasteinrichtung 12 gegen den kolbenbolzenfesten Anschlag 9 gedrückt. Das Rückstellmoment Md-ruCk setzt sich dabei aus der Vorspannung Md-dreh und dem Moment Md-rast der federbelasteten Rasteinrichtung 12 zusammen :
Md-ruck = Md-dreh + Md-raSt ( 3)
Steigt nun während der Verbrennung das dem Brennraumdruck nahezu direkt proportionale Auslösemoment Md-A über das Haltvermögen der Rückstellmomente Md-rUck, so dreht sich der Kolbenbolzen 4 entgegen der Kraft der Drehfeder 7, bis sich ein neues Momentengleichgewicht in der ausgelegten Lage einstellt. Durch diese Drehung ergibt sich ein relativer Kolbenhub he von he = e - (cos φ0 - cos φ) . (4)
Dieser relative Kolbenhub he verursacht näherungsweise eine adiabate Expansion im Brennraum, wodurch der Brennraumdruck gegenüber einem Triebwerk mit zentrischem Kolbenbolzen reduziert wird.
Fällt nun der Brennraumdruck während der Expansionsphase wieder ab, so führt das Rückstellmoment Md-dreh der Drehfeder 7 dazu, dass sich der Kolbenbolzen 4 in Richtung des kolbenfesten Anschlages 9 verdreht, bis die federbelastete Rasteinrichtung 12 wieder einrastet und der Ursprungszustand wieder erreicht wird.
Durch Abstimmung der Parameter Md-A und Md-ruCk kann der gewünschte Auslösedruck (z.B. 120 bar) eingestellt werden.
Der maximal zu erwartende relative Kolbenhub he beträgt dabei he _max = e - (cosφϋ + l). (5)
Über diese Beziehung (5) kann das Druckabsenkungspotential der ausgelenkten Lage bestimmt werden.
Diese mechanische Spitzendruckbegrenzung erlaubt es, die Brennkraftmaschine auf dass im Teillastbetrieb thermodynamisch optimale Verdichtungsverhältnis (ε= 17 bis 20) auszulegen. Die Systemauslegung erfolgt nun derart, dass im Teillastbetrieb das Auslösemoment Md-A kleiner ist als das Rückstellmoment Md-ruck. Im Hochlastbetrieb überschreitet der Zylinderdruck während der Verbrennung den Auslösedruck. Entsprechend der vorliegenden Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik wird ein Zusatzvolumen im Brennraum geschaffen, wodurch eine näherungsweise adiabate Expansion hervorgerufen wird. Für he = 1 mm bis 3 mm ergibt sich beispielsweise ein Druckabsenkungspotential von etwa 20% bis 50%, wodurch der maximal auftretende Spitzendruck begrenzt wird.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), welcher über einen Kolbenbolzen (4) schwenkbar mit einer Pleuelstange (2) verbunden ist, wobei der Kolbenbolzen (4) drehbar sowohl in zumindest einem Kolbenbolzenlager (5) des Kolbens (1), als auch in einem Pleuellager (3) der Pleuelstange (2) gelagert ist, wobei der Kobenbolzen (4) in zumindest einem Lagerbereich des Kolbenbolzenlagers (5) und/oder des Pleuellagers (3) einen Exzenter (6) aufweist, und wobei der Kolbenbolzen (4) durch eine Drehvorrichtung drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung durch eine Drehfeder (7) gebildet ist und dass der Kolbenbolzen (4) entgegen der Kraft der Drehfeder (7) aus einer Ruhelage in zumindest eine Druckbegrenzungslage verdrehbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (6) im Bereich des Pleuellagers (3) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kolbenbolzenfester Verdrehanschlag (8) in der Ruhelage an einem kolbenfesten Verdrehanschlag (9) anliegt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine federbelastete Rasteinrichtung (12) zumindest in der Ruhelage auf einen kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) einwirkt, so dass der Kolbenbolzen (4) in der Ruheposition gehalten wird.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasteinrichtung (12) durch einen durch eine Druckfeder (14) radial gegen den kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) gepressten Rastschieber (11) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Vorspannkraft der Druckfeder (14) einstellbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastschieber (11) zumindest eine Anlauframpe (15) aufweist, welche vom kolbenbolzenfesten Verdrehanschlag (8) bei Verdrehung des Kolbenbolzen (4) überfahrbar ist.
7. Verfahren zur Modifikation der Kolbenkinematik bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), welcher über einen sowohl im Kolben (1), als auch in einer Pleuelstange (2) drehbar gelagerte Kolbenbolzen (4) mit einer Pleuelstange (2) verbun- den ist, dadurch gekennzeichnet, dass der in einem Lagerbereich zumindest einen Exzenter (6) aufweisende Kolbenbolzen (4) durch eine Drehfeder (7) in einer Ruhelage gehalten wird und bei Überschreiten eines definierten Zylinderdruckes entgegen der Kraft der Drehfeder (7) in eine Druckbegrenzungslage zur Verminderung des Verdichtungsverhältnisses verdreht wird.
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