DE10026634A1

DE10026634A1 - Device to modify compression of cylinder in piston engine; has connecting rod mounted to piston by eccentric element rigidly fixed to oscillating element to alter position of eccentric element

Info

Publication number: DE10026634A1
Application number: DE2000126634
Authority: DE
Inventors: Peter Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10026634C2

Abstract

The device has a connecting rod (8) mounted to a piston (6) at one end and to a crankshaft (10) at the other end. The connecting rod is mounted on the piston by an eccentric element (16), to which an oscillating element (24) is rigidly fixed. The oscillating element is connected to an adjusting device (26) to pivot the oscillating element, so that the rotational position of the eccentric element can be altered to modify the compression.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern der Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.The invention relates to a device for changing the compression of a cylinder a reciprocating internal combustion engine.

Seit es Hubkolbenbrennkraftmaschinen gibt, besteht der Wunsch, deren Verdichtung, das ist das Verhältnis des Volumens des Brennraums im unteren Totpunkt des Kolbens zum Volu men des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens, zu verändern. Bei Ottomotoren ist die maximale Verdichtung im wesentlichen durch die Klopfneigung bei Vollast gegeben, so daß bei Teillast verbrauchsmindernd ein Betrieb mit höherer Verdichtung möglich ist. Bei Diesel motoren ist eine besonders hohe Verdichtung zum Anlassen erforderlich, so daß im normalen Betrieb verbrauchs- und geräuschmindernd mit niedrigerer Verdichtung gefahren werden könnte.Since there have been reciprocating internal combustion engines, there has been a desire to compress them, that is the ratio of the volume of the combustion chamber at the bottom dead center of the piston to the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston. For petrol engines that is maximum compression given essentially by the tendency to knock at full load, so that operation with higher compression is possible at partial load to reduce consumption. With diesel engines a particularly high compression is required for starting, so that in normal Operation to reduce consumption and noise with lower compression could.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die in zuverlässiger Weise eine Veränderung der Verdichtung ermöglicht, ohne die sonstige Hubkolbenbrenn kraftmaschine unnötig zu verkomplizieren oder ihre Eigenschaften in merklich nachteiliger Weise zu beeinflussen.The invention has for its object to provide a device that is reliable Way allows a change in compression without the other reciprocating combustion to unnecessarily complicate the engine or its properties in a markedly disadvantageous manner Way to influence.

Eine Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.A solution to the above object is achieved with the features of claim 1.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.The subclaims relate to advantageous developments and embodiments of the invention device directed.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is described below with reference to schematic drawings, for example and with explained further details.

Es stellen dar:They represent:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, Fig. 1 shows a schematic cross section through a cylinder of a reciprocating internal combustion engine,

Fig. 2 den Zylinder gemäß Fig. 1 mit einer anderen Stellung des Kolbens, Fig. 2 shows the cylinder of FIG. 1 with a different position of the piston,

Fig. 3 den Zylinder gemäß Fig. 1 mit zwei unterschiedlichen Kolbenstellungen, Fig. 3 shows the cylinder of FIG. 1 with two different piston positions,

Fig. 4 ein Pleuel mit Kolben zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung, Fig. 4 a connecting rod with pistons for explaining the operation of the invention,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Kolben in einer den Kolbenbolzen enthaltenden Mittelebene und Fig. 5 shows a cross section through a piston in a central plane containing the piston pin and

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Fig. 6 is a view similar to Fig. 1 of a modified embodiment of a reciprocating internal combustion engine.

Gemäß Fig. 1 weist eine Brennkraftmaschine ein Motorgehäuse 2 mit einem oder mehreren Zylindern 4 auf, in denen ein Kolben 6 beweglich geführt ist. Der Kolben 6 ist über ein Pleuel 8 mit einer Kurbelwelle 10 verbunden, deren Kurbelkreis strichpunktiert dargestellt ist. Über dem Kolben 6 ist vom Kolben, dem Zylinder 4 und einem Zylinderkopf 12 ein Brennraum 14 begrenzt.Referring to FIG. 1, an internal combustion engine, a motor housing 2 with one or more cylinders 4, in which a piston is movably guided. 6 The piston 6 is connected via a connecting rod 8 to a crankshaft 10 , the crank circle of which is shown in broken lines. A combustion chamber 14 is delimited above the piston 6 by the piston, the cylinder 4 and a cylinder head 12 .

Arbeitsweise und Funktion solcher Brennkraftmaschinen, die als Fremdzünder oder Selbst zünder nach dem Zwei-Takt-Verfahren oder Vier-Takt-Verfahren oder sonstwie arbeiten können, sind an sich bekannt und werden daher nicht erläutert.Operation and function of such internal combustion engines as spark detonators or self igniter work according to the two-stroke process or four-stroke process or otherwise can, are known per se and are therefore not explained.

Im Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen ist das Pleuel 8 im Kolben 6 nicht unmittelbar dadurch gelagert, daß ein Pleuelauge konzentrisch einen im Kolben befestigten Kolbenbolzen aufnimmt, sondern mit Hilfe eines insgesamt mit 16 bezeichneten Exzenters, der eine im Pleuel 8 um eine Achse A drehbar gelagerte Exzenterscheibe 18 aufweist, welche Exzenterscheibe 18 mit einem exzentrisch zu A angeordneten Loch 20 ausgebildet ist, in dem ein am Kolben befestigter Kolbenbolzen 22 um eine Achse B drehbar gelagert ist. Die kolbenfeste Achse B findet sich vorzugsweise in der Mittelebene des Kolbens 6. In contrast to conventional internal combustion engines, the connecting rod 8 is not directly supported in the piston 6 in that a connecting rod eye concentrically receives a piston pin fastened in the piston, but with the aid of an eccentric, designated overall by 16, which has an eccentric disk rotatably mounted in the connecting rod 8 about an axis A. 18 , which eccentric disc 18 is formed with a hole 20 arranged eccentrically to A, in which a piston pin 22 attached to the piston is rotatably mounted about an axis B. The piston-fixed axis B is preferably located in the center plane of the piston 6 .

Mit der Exzenterscheibe 18 ist starr bzw. drehfest eine Exzenterschwinge 24 verbunden, deren Ende mit einer Stellkoppel 26 verbunden ist, die wiederum gelenkig mit einem Stell glied 28 verbunden ist, das von einer am Motorgehäuse 2 befestigten Antriebseinheit 30 in Richtung des in Fig. 1 eingetragenen Doppelpfeils verstellbar ist. Zur Steuerung der An triebseinheit 2 ist ein Steuergerät 32 versehen, das beispielsweise ein elektronisches Motor steuergerät sein kann, dessen Eingängen 34 von Sensoren Betriebsparameter des Motors bzw. des gesamten Fahrzeugs zugeführt werden, aufgrund derer Steuergrößen berechnet werden. Aufbau und Funktion solcher Motorsteuergeräte sind an sich bekannt.With the eccentric disc 18 , an eccentric rocker arm 24 is rigidly or non-rotatably connected, the end of which is connected to an actuating coupling 26 , which in turn is connected in an articulated manner to an actuating member 28 , which is driven by a drive unit 30 fastened to the motor housing 2 in the direction of FIG. 1 registered double arrow is adjustable. To control the drive unit 2 , a control unit 32 is provided, which can be, for example, an electronic motor control unit, the inputs 34 of which are fed by sensors to operating parameters of the engine or of the entire vehicle, on the basis of which control variables are calculated. The structure and function of such engine control units are known per se.

Die Anordnung der Exzenterschwinge 24 ist vorteilhafterweise derart, daß sie in der Mitte des durch den Doppelpfeil angegebenen Verstellwegs des Stellgliedes 28 etwa senkrecht nach unten gerichtet ist und die Achse B in waagerechter Richtung von der Achse A entfernt ist. Die Stellkoppel 26 ist vorteilhafterweise derart angeordnet, daß sie sich in etwa waage rechter Stellung befindet, wenn der Kolben 6 sich etwa mittig zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt befindet. Das Stellglied 28 ist in etwa waagerechter Richtung verschiebbar, so daß die gelenkige Verbindung zwischen dem Stellglied 28 und der Stell koppel 26, die ein Verstellager 34 bildet, entsprechend waagerecht verschiebbar ist.The arrangement of the eccentric rocker arm 24 is advantageously such that it is directed approximately vertically downwards in the middle of the adjustment path of the actuator 28 indicated by the double arrow and the axis B is removed from the axis A in a horizontal direction. The adjusting coupling 26 is advantageously arranged such that it is approximately in the horizontal position when the piston 6 is approximately in the middle between the top dead center and the bottom dead center. The actuator 28 is approximately horizontally displaceable, so that the articulated connection between the actuator 28 and the actuating coupling 26 , which forms an adjustment bearing 34 , is correspondingly horizontally displaceable.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1 in der unteren Totpunktstellung des Kolbens. Fig. 2 shows the arrangement of Fig. 1 in the bottom dead center position of the piston.

Fig. 3 verdeutlicht die Schwenkbewegung, die die Stellkoppel 26 um einen Winkel γ aus führt, wenn bei festgehaltenem Stellager 34 der Kolben 6 sich zwischen dem oberen Tot punkt und dem unteren Totpunkt hin und her bewegt. Es versteht sich, daß, wenn die Stell koppel 26 im Verlauf des Kolbenhubs ihre Schwenkbewegung um den Winkel γ ausführt, die Exzenterschwinge 24 ebenfalls um einen bestimmten Schwenkwinkel verschwenkt wird. Da durch entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Kolben 6 und dem Pleuel 8, die zwar die Bewegungszuordnung zwischen Kolben und Kurbelwelle ändert, jedoch ansonsten keine Auswirkungen hat, insbesondere wenn die Verschwenkung der Stellkoppel 26 um den Win kel γ insgesamt symmetrisch zur Waagerechten ist. Fig. 3 illustrates the pivoting movement that the adjusting coupling 26 leads through an angle γ when, when the setting bearing 34 is held, the piston 6 moves back and forth between the upper dead center and the lower dead center. It is understood that when the actuating coupling 26 executes its pivoting movement by the angle γ in the course of the piston stroke, the eccentric rocker arm 24 is also pivoted by a certain pivoting angle. As a result of a relative movement between the piston 6 and the connecting rod 8 , which changes the movement assignment between the piston and the crankshaft, but otherwise has no effect, in particular if the pivoting of the adjusting coupling 26 by the angle γ is symmetrical to the horizontal overall.

Anhand der Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 1 wird im folgenden die Funktion zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erläutert:The function for adjusting the compression ratio is explained below with reference to FIG. 4 in conjunction with FIG. 1:

In Fig. 4, in der die Exzenterschwinge 24 der Übersichtlichkeit halber nicht eingetragen ist, ist mit I die gemäß Fig. 1 linke Stellung des Verstellagers 34 bezeichnet. Wie ersichtlich, befindet sich die Achse B dabei links oberhalb der Achse A. Der Abstand zwischen der Achse A und der Lagerachse C des Pleuels an der Kurbelwelle 10 (Fig. 1), d. h. die effektive Pleuellänge, ist in der Stellung I maximal; entsprechend ist das Verdichtungsverhältnis maxi mal. Wenn das Verstellager 34 in die Stellung II bewegt wird, wird die Exzenterscheibe 18 um den Winkel α in Gegenuhrzeigerrichtung in die Stellung II gedreht, so daß die Achse B gemäß Fig. 4 links unterhalb der Achse A zu liegen kommt und der Abstand zwischen der Achse B und der Achse C minimal wird, d. h. das Verdichtungsverhältnis ebenfalls minimal wird.In FIG. 4, in which the eccentric rocker 24 is not entered for the sake of clarity, I denotes the left position of the adjustment bearing 34 according to FIG. 1. As can be seen, the axis B is on the left above the axis A. The distance between the axis A and the bearing axis C of the connecting rod on the crankshaft 10 ( FIG. 1), ie the effective connecting rod length, is maximum in position I; accordingly the compression ratio is maxi times. When the adjustment bearing 34 is moved into the position II, the eccentric disc 18 is rotated by the angle α in the counterclockwise direction into the position II, so that the axis B according to FIG. 4 comes to lie on the left below the axis A and the distance between the axes B and the axis C becomes minimal, ie the compression ratio also becomes minimal.

Auf diese Weise kann durch Verstellen des Verstellagers 34 mittels der Antriebseinheit 30 unter Steuerung des Steuergeräts 32 die Verdichtung des Zylinders und damit der Brennkraft maschine in zweckentsprechender Weise verändert werden. Es versteht sich, daß bei mehr zylindrigen Brennkraftmaschinen die beschriebene Vorrichtung vorteilhafterweise an jedem der Zylinder eingesetzt wird.In this way, by adjusting the adjustment bearing 34 by means of the drive unit 30 under control of the control unit 32, the compression of the cylinder and thus the internal combustion engine can be changed appropriately. It is understood that in the case of more cylindrical internal combustion engines, the device described is advantageously used on each of the cylinders.

Fig. 5 zeigt, wie die in dem Pleuel 8 gelagerte Exzenterscheibe 18 vorteilhafterweise einteilig mit der Exzenterschwinge 24 ausgebildet ist und der Kolbenbolzen 22 durch das exzentrisch zur Achse A (Fig. 4) angeordnete Loch 20 hindurchgeführt ist. Fig. 5 shows how the bearing in the connecting rod 8 eccentric disc 18 is advantageously integral with the Exzenterschwinge 24 is formed and the gudgeon pin is passed 22 through the eccentric to the axis A (Fig. 4) arranged hole 20.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden zwar bewegte Massen einer Brennkraft maschine etwas vergrößert; die Bauteile können jedoch so leicht ausgeführt werden, daß sie die Drehzahlfestigkeit nicht maßgeblich beeinflussen. Des weiteren sind durch die erzielte Veränderbarkeit der Verdichtung Gewichtserleichterungen möglich.The device according to the invention does indeed move moving masses of an internal combustion engine machine slightly enlarged; however, the components can be made so light that they do not significantly affect the speed stability. Furthermore, are achieved by the Changeability of the compression.

Die beispielhaft beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden, wobei die nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten nur beispielhaft aufgeführt sind: The device described by way of example can be modified in many ways, the options described below are only given as examples:

Der Exzenter kann unmittelbar den Kolbenbolzen tragen bzw. einteilig mit ihm ausgebildet sein.The eccentric can carry the piston pin directly or can be formed in one piece with it his.

Der Antrieb 30 kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder sonstwie arbeiten. Damit die Drehstellung der Exzenterschwinge 24 während der Hubbewegung des Kolbens unverändert bleibt, kann ein am Ende der Exzenterschwinge 24 anstelle der gelenkigen Verbindung mit der Stellkoppel 26 ausgebildeter Zapfen sich in einem Führungsteil (nicht dargestellt) senk recht auf und abwärts bewegen, welches Führungsteil mittels des Antriebs 30 in waage rechter Richtung verstellbar ist. Die sich mit dem Kolben mitbewegende Stellkoppel 26 kann dann entfallen.The drive 30 can operate electrically, hydraulically, pneumatically or otherwise. So that the rotational position of the eccentric rocker 24 remains unchanged during the stroke movement of the piston, a pin formed at the end of the eccentric rocker 24 instead of the articulated connection with the adjusting coupling 26 can move vertically up and down in a guide part (not shown), which guide part by means of the Drive 30 is adjustable in the horizontal direction. The adjusting coupling 26 moving with the piston can then be omitted.

Alternativ kann anstelle der Verschiebung des Stellagers 34 die Länge der Stellkoppel 26 verändert werden, indem die Stellkoppel teleskopisch ausgebildet wird und zur gegenseitigen Verschiebung der teleskopischen Teile ein hydraulischer Stelltrieb oder ein Gewindeeingriff mit einem elektromotorischen Antrieb verwendet wird.Alternatively, instead of shifting the positioning bearing 34, the length of the adjusting coupling 26 can be changed by making the adjusting coupling telescopic and using a hydraulic actuator or a thread engagement with an electromotive drive for mutual displacement of the telescopic parts.

In einer abgeänderten Ausführungsform könnte der Exzenter auch über eine unmittelbar in das Pleuel integrierte Hydraulik oder Elektrik verdreht werden.In a modified embodiment, the eccentric could also directly in the connecting rod integrated hydraulics or electrics are rotated.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine, die sich von der der Fig. 1 da durch unterscheidet, daß das Verstellager am Ende eines Arms 36 abgeordnet ist, der drehfest mit einer Welle 38 verbunden ist, die mit einem nicht dargestellten Antrieb zur Veränderung der Verdichtung verdrehbar ist. Die Welle 38 kann sich durch eine gesamte Zylinderbank eines mehrzylindrischen Motors hindurcherstrecken, wobei jedes Pleuel der einzelnen Zylin der eine Exzenterschwinge trägt und alle Exzenterschwingen über ihnen zugeordnete, mit der Welle 38 verbundene Arme gleichzeitig verstellbar sind. Auf diese Weise wird eine gleich zeitige Verstellbarkeit der Verdichtung mehrerer Zylinder mittels eines einzigen Antriebs er zielt. Fig. 6 shows an embodiment of the internal combustion engine, which differs from that of Fig. 1 by that the adjustment bearing is arranged at the end of an arm 36 which is rotatably connected to a shaft 38 , which with a drive, not shown, for changing the Compression is rotatable. The shaft 38 can extend through an entire cylinder bank of a multi-cylinder engine, each connecting rod of the individual cylinders carrying an eccentric rocker arm and all the eccentric rocker arms above them, connected to the shaft 38 being simultaneously adjustable. In this way, a simultaneous adjustability of the compression of several cylinders by means of a single drive, he aims.

Mit der erfindungsgemäßen Verstellung des Verdichtungsverhältnisses lassen sich zahlreiche Vorteile erzielen, von denen im folgenden einige beispielhaft aufgeführt werden: With the adjustment of the compression ratio according to the invention, numerous Get benefits, some of which are listed below:

Beim Kaltstart und Teillast hat eine Verdichtungserhöhung den Vorteil geringerer zyklischer Schwankungen und führt somit zu einem komfortableren Motorlauf. Bei Teillast ergibt sich durch eine Verdichtungserhöhung ein geringerer Kraftstoffverbrauch und eine verbesserte Inertgas-Verträglichkeit. Auch bei Vollast nimmt durch eine angepaßte Verdichtung der Kraftstoffverbrauch bei günstigem Abstand zur Klopfgrenze ab und ergibt sich eine gute Verträglichkeit von Abgasgegendrücken.For cold starts and part loads, increasing the compression has the advantage of being less cyclical Fluctuations and thus leads to a more comfortable engine running. At partial load it results due to an increase in compression, lower fuel consumption and improved Inert gas compatibility. Even at full load, the compression increases Fuel consumption at a favorable distance from the knock limit and results in a good one Compatibility of exhaust back pressure.

Die Schadstoffemissionen werden durch eine angepaßte Verdichtung in allen Betriebszustän den vermindert. In der Warmlaufphase wird zusätzlich die Abgastemperatur erhöht, was eine raschere Aufheizung des Katalysators ergibt.The pollutant emissions are due to an adapted compression in all operating states that diminishes. In the warm-up phase, the exhaust gas temperature is also increased, which is a results in faster heating of the catalyst.

Aufgeladene Motoren können durch angepaßte Verdichtung in allen Last- und Drehzahlen verbrauchsgünstiger betrieben werden, wobei der Aufladegrad gesteigert werden kann und bei Vollast ein ausreichender Abstand zur Klopfgrenze möglich ist, wodurch eine Anfettung unterbleiben kann.Supercharged engines can be adapted to all loads and speeds by means of adapted compression operated more economically, the degree of charging can be increased and at full load, a sufficient distance to the knock limit is possible, which makes an enrichment can be omitted.

Diesel engine

Das für den Kaltstart benötigte hohe Verdichtungsverhältnis wird in allen anderen Betriebs zuständen an den jeweiligen Optimierungsparametern angepaßt. Der Zielkonflikt zwischen NOx und Partikeln kann vermindert werden. Die Inertgas-Verträglichkeit wird verbessert. Die mechanischen Belastungen des Triebwerks und die Schwingungsanregungen werden ver mindert. Der Aufladegrad kann erhöht werden. The high compression ratio required for the cold start is used in all other operations conditions adapted to the respective optimization parameters. The conflict of goals between NOx and particles can be reduced. The inert gas compatibility is improved. The mechanical loads on the engine and the vibrations are ver diminishes. The degree of charging can be increased.

Reference list

22

Motorgehäuse
Motor housing

44

Zylinder
cylinder

66

Kolben
piston

88th

Pleuel
Connecting rod

1010th

Kurbelwelle
crankshaft

1212th

Zylinderkopf
Cylinder head

1414

Brennraum
Combustion chamber

1616

Exzenter
eccentric

1818th

Exzenterscheibe
Eccentric disc

2020th

Loch
hole

2222

Kolbenbolzen
Piston pin

2424th

Exzenterschwinge
Eccentric swing arm

2626

Stellkoppel
Stellkoppel

2828

Stellglied
Actuator

3030th

Antriebseinheit
Drive unit

3232

Steuergerät
Control unit

3434

Verstellager
Adjustable bearing

3636

Arm
poor

3838

Welle
wave

Claims

1. Device for changing the compression of a cylinder of a reciprocating internal combustion engine with a piston ( 6 ) on which one end of a connecting rod ( 8 ) is mounted, the other end of which is mounted on a crankshaft ( 10 ), the connecting rod ( 8 ) being on the piston ( 6 ) is mounted via an eccentric ( 16 ) and the rotary position of the eccentric can be changed to change the compression.

2. Device according to claim 1, wherein the eccentric ( 16 ) is rigidly connected to a pivotable eccentric rocker ( 24 ).

3. Apparatus according to claim 2, wherein an adjusting device ( 26 , 28 ) for pivoting the eccentric rocker arm ( 24 ) is connected to the eccentric rocker arm such that the ex central rocker arm during the lifting movement of the piston ( 6 ) its rotational position relative to the direction of movement of the piston in essentially maintains.

4. The device according to claim 3, wherein the actuating device contains an actuating coupling ( 26 ) which is articulated to the eccentric rocker arm ( 24 ) and is mounted on an adjustment bearing ( 34 ) attached to the motor housing.

5. The device according to claim 4, wherein the adjusting coupling ( 26 ) is arranged such that it swings back and forth during a stroke movement of the piston ( 6 ) about an approximately perpendicular to the direction of movement of the piston and the adjusting bearing ( 34 ) for changing the compression is adjustable approximately perpendicular to the direction of movement of the piston.

6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the reciprocating internal combustion engine has a plurality of cylinders with pistons ( 6 ), on which the associated connecting rod ( 8 ) is mounted via an eccentric ( 16 ) and a device ( 36 , 38 ) is provided , with which the rotational position of the eccentrics of different pistons can be changed simultaneously.