DE10304686A1

DE10304686A1 - Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE10304686A1
Application number: DE10304686A
Authority: DE
Inventors: Michael Prof. Dr.-Ing. Bargende; Uwe Dipl.-Ing. Kehn
Original assignee: Forschungsinstitut fur Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren; Forschungsinstitut fur Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
Current assignee: Forschungsinstitut fur Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren; Forschungsinstitut fur Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26

Abstract

Ein Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis weist einen zwischen einem Hubzapfen (2) einer Kurbelwelle (1) und dem Kolbenbolzen (9) eines zugehörigen Kolbens (4) angeordneten Pleuel (3) auf, dessen wirksame Länge zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses einstellbar ist. Zwischen dem Pleuelauge (10) des Pleuels (3) und dem Kolbenbolzen (9) und/oder dem Hubzapfen (5) ist eine Exzenterbuchse (5) eingefügt. Die Exzenterbuchse (5) trägt an ihrem Außenumfang einen im wesentlichen radial vorspringenden Stellkolben (6), der in einer eine Steuerkammer (8) bildenden Teil-Ringnut in der Innenoberfläche des Pleuelauges verstellbar ist. Die Enden der Steuerkammer (8) sind über Kanäle (7a, 7b) zur Drehverstellung der Exzenterbuchse (5) mit Hydraulikdruck beaufschlagbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors wird stark von der Höhe des Verdichtungsverhältnisses beeinflusst. Bei Ottomotoren wird eine weitere Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses dadurch begrenzt, dass sich das Frischgemisch selbst entzündet, bevor es von der eigentlichen – durch die Zündung gestarteten – Flammenfront erreicht wird (sogenannte „klopfende Verbrennung"). Diese Erscheinung tritt bei hoher Last und Volllast des Motors auf und führt zu einer mechanischen und thermischen Schädigung des Motors. Insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren muss daher das Verdichtungsverhältnis – im Vergleich zu Saugmotoren – sogar abgesenkt werden, um Klopfen sicher zu verhindern. Als Konsequenz daraus ist der Kraftstoffverbrauch in der Teillast von aufgeladenen Ottomotoren schlechter als der nicht aufgeladener Motoren.
Daher sind Konstruktionen bei Verbrennungsmotoren wünschenswert, die eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs des Motors ermöglichen.

Aus heutiger und insbesondere zukünftiger Sicht der Motorenentwicklung ist noch ein weiterer Aspekt zu nennen, der eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs wünschenswert erscheinen lässt. Dieser betrifft sowohl Otto-, als auch Dieselmotoren. Die Motorenentwicklung beschäftigt sich sehr intensiv mit den Möglichkeiten einer kontrollierten Selbstzündung eines komprimierten, homogenen, mageren Kraftstoff-Luftgemisches. Vorteil dieser Brennverfahren – die bei Ottomotoren als CAI (controlled autoignition) und bei Dieselmotoren als HCCI (homogeneous charge compression ignition) bezeichnet werden – ist ein nahezu Schadstoff freier Betrieb hinsichtlich Stickstoffoxid und Partikeln, bei bestem Wirkungsgrad, sofern es gelingt das Gemisch nahe des oberen Totpunktes des Kolbens zu zünden. Eine mögliche Steuerungsmöglichkeit zur Einleitung der Zündung ist dabei durch Verstellung des Verdichtungsverhältnisses gegeben. Allerdings werden hierzu relativ große Verstellbereiche benötigt.

Bekannte Konstruktionen bei Verbrennungsmotoren, die eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs des Motors ermöglichen, beruhen in vielen Fällen auf einer gesteuerten Änderung der wirksamen Länge der Pleuelstangen und/oder der wirksamen Höhe von Kolben von Verbrennungsmotoren.

Aus der DE-A1-3148193 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem eine Exzenterbuchse drehbar in dem kleinen Pleuelauge einer Kolbenstange befestigt und über einen Stellhebel verstellbar ist, der über eine in dem Schaft der Pleuelstange angeordnete Kolben-Zylinder-Anordnung betätigbar ist. Abgesehen von dem beschränkten Stellwinkel, der sich aufgrund der Anordnung des Stellhebels im Inneren der Kolbenschürze ergibt, führt diese Konstruktion zu einem erhöhten Gewicht des Pleuels, was unerwünscht ist.

Aus der EP-A1-0812 383 ist weiterhin ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Pleuelstange kurbelwellenseits über eine exzentrische Lagerschale auf dem Kurbelzapfen gelagert ist. Die Lagerschale ist über einen Zahnradantrieb verstellbar, um das Verdichtungsverhältnis sowie den Verlauf der Verdichtung bei einer Kurbelwellenumdrehung zu steuern. Die Konstruktion des Zahnradantriebes ist relativ aufwendig und weist einen hohen Raumbedarf auf, so dass eine Modifikation vorhandener Verbrennungsmotoren nicht ohne weiteres möglich ist.

Eine Konstruktion mit einem aus zwei teleskopartig axial gegeneinander verschiebbaren Teilen bestehenden Kolben ist aus der GB-A-2 370 315 bekannt. Zwischen den beiden Teilen sind eine Tellerfeder und/oder ein Elastomermaterial angeordnet, um eine elastische Zusammendrückung des Kolbens bei hoher Verdichtung und damit eine automatische Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hoher Last zu ermöglichen. Die bei jedem Kolbenhub auftretende Verformung der Tellerfeder dürfte zu einem schnellen Verschleiß der Flächen, an denen die Tellerfeder anliegt, führen, und die Verwendung eines Elastomermaterials in thermisch hoch beanspruchten Bereichen ist kritisch. Weiterhin ist eine gesteuerte Änderung des Verdichtungsverhältnisses nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses bei einfachem Aufbau ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades des Motors oder dessen Lebensdauer ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verbrennungsmotors wird eine einfache steuerbare Änderung des Verdichtungsverhältnisses bei einfacher und langlebiger Konstruktion ermöglicht, wobei vorhandene Verbrennungsmotoren und Serienteile ohne wesentliche Modifikation weiter verwendet werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet die Nachteile bekannter Konstruktionen und stellt hinsichtlich Gewicht und Bauraum ein Optimum für hydraulisch gesteuerte Verstellmechanismen dar. Es ist keine Brennraumveränderung erforderlich, und aufgrund der geringen Reibung ergibt sich ein hoher mechanischer Wirkungsgrad bei gutem Ansprechverhalten und hoher Betriebssicherheit Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors,
2 eine Längsschnitansicht der Ausführungsform nach 1,
3 - 5 die Ausführungsform nach den 1 und 2 bei unterschiedlichen Stellungen der Exzenterbuchse.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors lediglich schematisch dargestellt, soweit es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Hierbei ist lediglich ein einzelner Kolben ohne den zugehörigen Zylinder gezeigt, der von üblicher Konstruktion sein kann, da ein Vorteil der Erfindung gerade darin besteht, daß vorhandene Serienbauteile weitgehend unverändert übernommen weden können.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist eine Kurbelwelle 1 einen Hubzapfen 2 auf, auf dem das kurbelseitige Ende eines Pleuels 3 durch ein Gleitlager gelagert ist. Das kolbenseitige Ende des Pleuels weist ein Pleuelauge 10 auf, in das eine Exzenterbuchse 5 eingesetzt ist.
Die Exzenterbuchse 5 weist eine exzentrisch zu ihrem Umfang angeordnete Bohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 9 auf, an dem der Kolben 4 gehaltert ist.
Hierbei wird die zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erforderliche Längenänderung des Pleuels wird durch ein Verdrehen der Exzenterbüchse 5 gegenüber dem Pleuel 3 erreicht.
Die Verdrehung der Exzenterbüchse 5 erfolgt durch eine Hydraulikanordnung, die in die Exzenterbüchse 5 und das Pleuelauge eingearbeitet ist. Die Hydraulikanordnung umfaßt einen Stellkolben 6, der in einem radialen Schlitz in der Exzenterbüchse 5 geführt ist und in einer teilringförmigen Steuerkammer 8 beweglich ist, die in Form einer Ringnut mit einer dem gewünschten Verstellweg entsprechenden Winkelerstreckung in die Innenoberfäche des Pleuelauges 10 eingearbeitet ist. Die Hydraulikanordnung kann mit dem Schmieröl des Motors arbeiten.
Um die Exzenterbüchse einfach montieren zu können ist diese vorzugsweise zweiteilig ausgeführt und wird anschließend verpresst. Die zur Abdichtung der zwei Zylinderkammern notwendige Kraft wird von einer (nicht dargestellten) Feder oder durch Hydraulikdruck aufgebracht, welcher) von hinten auf den Stellkolben 6 wirkt.
Die Enden der Steuerkammer 8 dienen dem Stellkolben 6 als Anschlag und bestimmen damit die Endstellungen der Exzenterbuchse 5. Damit sich die Exzenterbuchse nicht ungewollt verstellen kann, liegt ein permanenter Öldruck an. Dieser wird über zwei Kanäle 7a, 7b, die am oberen Ende mit einem jeweiligen Ende der Steuerkammer verbunden sind, gesteuert aufgebaut.
Die unteren Enden der Kanäle 7a, 7b münden in das untere (kurbelwellenseitige) Pleuelauge 11 und stehen über eine Anordnung von Ringnuten und Bohrungen in dem Hubzapfen 2 und der Kurbelwelle 1 mit 2/3 – Wegeventilen in Verbindung, über die Drücke in der Steuerkammer steuerbar sind.
Die Ölversorgung des Pleuels 3 erfolgt vorzugsweise über drei Nuten, um eine symmetrische Kraftverteilung und einen symmetrischen Öldruck im unteren Pleuelauge 11 zu gewährleisten.
Der Stellkolben 6 wird wahlweise über einen der beiden Kanäle 7a, 7b mit Öldruck beaufschlagt. Wenn der Druck in dem Kanal 7b größer ist als der Druck in dem Kanal 7a, so ergibt sich die in 3 gezeigte Endstellung der Exzenterbuchse 5, in der ein niedriges Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
Wenn der Druck in dem Kanal 7b gleich dem Druck in dem Kanal 7a ist, so ergibt sich die in 4 gezeigte Mittelstellung der Exzenterbuchse 5, in der ein mittleres Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
Wenn der Druck in dem Kanal 7a größer ist als der Druck in dem Kanal 7b, so ergibt sich die in 5 gezeigte Endstellung der Exzenterbuchse 5, in der ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
Außer den Endstellungen nach den 3 und 5 können durch entsprechende Steuerung des Ventils beliebige gewünschte Zwischenstellungen des Stellkolbens zu beliebigen Zeit- und Betriebspunkten hydraulisch eingestellt werden.
Damit ist eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs des Motors in gewünschter Weise möglich.
Obwohl vorstehend der Einsatz einer Verstellvorrichtung für das obere (kolbenseitige) Pleuelauge beschrieben wurde, können die gleichen Konstruktionsprinzipien auch auf das untere (kurbelwellenseitige) Pleuelauge angewandt werden, wobei eine Exzenterbuchse zwischen diesem Pleuelauge und dem Hubzapfen eingefügt ist und der Stellkoben der Exzenterbuchse in einer teilringförmigen Steuerkammer beweglich ist, die in Form einer Ringnut mit einer dem gewünschten Verstellweg entsprechenden Winkelerstreckung in die Innenoberfäche des unteren Pleuelauges eingearbeitet ist.

Claims

Verbrennungsmotor mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis, mit einem zwischen einem Hubzapfen (2) einer Kurbelwelle (1) und dem Kolbenbolzen (9) eines zugehörigen Kolbens (4) ein Pleuel (3) angeordnet ist, dessen wirksame Länge zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pleuelauge (10) des Pleuels (3) und dem Kolbenbolzen (9) und/oder dem Hubzapfen (5) eine Exzenterbuchse (5) eingefügt ist, daß die Exzenterbuchse (5) an ihrem Außenumfang einen im wesentlichen radial vorspringenden Stellkolben (6) trägt, der in einer eine Steuerkammer (8) bildenden Teil-Ringnut in der Innenoberfläche des Pleuelauges verstellbar ist, und daß die Enden der Steuerkammer (8) über Kanäle (7a, 7b), zur Drehverstellung der Exzenterbuchse (5) mit Hydraulikdruck beaufschlagbar sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterbuchse (5) zwischen dem kolbenbolzenseitigen Pleuelauge (10) und dem Kolbenbolzen (9) eingesetzt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterbuchse (5) zwischen dem kurbelwellenseitigen Pleuelauge (11) und dem Hubzapfen (5) eingesetzt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (6) in einem radialen Schlitz in der Exzenterbuchse (5) geführt ist
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (6) in dem radialen Schlitz in der Exzenterbuchse (5) durch eine Feder radial nach außen vorgespannt ist
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (6) in dem radialen Schlitz in der Exzenterbuchse (5) durch Hydraulikdruck radial nach außen vorgespannt ist
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkammer (8) in Form einer Ringnut mit einer dem gewünschten Verstellweg der Exzenterbuchse (5) entsprechenden Winkelerstreckung in die Innenoberfäche des Pleuelauges (10) eingearbeitet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterbuchse (5) zweiteilig ausgeführt und verpresst ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Steuerkammer (8) ein permanenter Öldruck anliegt, der über die Kanäle (7a, 7b), die mit einem jeweiligen Ende der Steuerkammer (8) verbunden sind, gesteuert aufgebaut wird.