DE1751703B2 - Regeleinrichtung im arbeitskolben einer brennkraftmaschine zur veraenderung der kompression - Google Patents

Description

Bei einer bekannten Regeleinrichtung mit den Merkmalen a) und b) des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DT-PS 1 062981) ist in dem Arbeitskolben ein mit einem Rückschlagventil bestückter Kanal zur Zufuhr von Druckmittel in die erste Kammer, ein Druckbegrenzungsventil zur Ableitung von Druckmittel aus der ersten Kammer und ein Verbindungskanal zur Leitung von Druckmittel in die zweite Kammer vorgesehen, die einen Drosselauslaß aufweist. Die Anordnung ist aber so getroffen, daß das durch Ringplatten gebildete Druckbegrenzungsventil in den Kurbelraum öffnet, der Verbindungskanal also nicht von dem Druckbegrenzungsventil zur zweiten Kammer führt. Das Druckmittel wird vielmehr parallel, wenn auch gegenläufig, den beiden Kammern zu- bzw. abgeführt. Die Summe beider Druckmittelströme muß von einer Pumpe bereitgestellt werden, die demnach eine gewisse Größe aufweisen muß.

Bei einer weiteren bekannten Regeleinrichtung mit den Merkmalen a) und c) des Oberbegriffs des An- ·"· Spruchs 1 (US-PS 3205878) wird das aus der ersten Kammer stammende Druckmittel der zweiten Kammer zugeführt, die genügend groß sein muß, die aus der ersten Kammer entlassene Druckmittelmfingi; aufzunehmen. Deshalb wird der Querschnitt der pleuelseitigenzweiten Kammer vorzugsweise dem der ersten Kammer gleichgemacht. Dies ist aber mit erheblichen konstruktiven Schwierigkeiten verbunden, da die pleuelseitige Kammer Ringform aufweist, während die erste Kammer am Kolbenboden angeordnet

'■"> ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung im Arbeitskolben einer Brennkraftmaschine zur Veränderung der Kompression so auszubilden, daß eine rasche Anpassung an geänderte

-'" Betriebsverhältnisse möglich ist, ohne daß mit erheblichen konstruktiven Schwierigkeiten zur Unterbringung der Druckmittelräume gerechnet werden muß, wobei ferner mit relativ geringen Ölmittelmengen auszukommen ist.

-'5 Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der im Anspruch 1 umrissenen Kombination gelöst und durch die Maßnahmen der weiteren Ansprüche ausgestaltet und weitergebildet.

Die neue Regeleinrichtung kommt mit verhältnis-

K) mäßig einfachen Ventilen aus, ohne daß diese Vereinfachung auf Kosten der Zuverlässigkeit und des gewünschten Betriebsverhaltens des Arbeitskolbens geht. Durch die Verwendung des Druckmittels nacheinander in der ersten, kolbenbodenseitigen Kammer

i) und der zweiten, pleuelseitigen Kammer kommt man mit einer relativ kleinen Ölpumpe aus. Da die zweite Kammer relativ klein sein kann, wird die Masse des Arbeitskolbens entsprechend klein gehalten.

Zwei Ausführungsbeispiele werden an Hand der

w Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt des Arbeitskolbens,
Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1,
Fig. 3 eine abgewandelte Einzelheit und
Fig. 4 eine weitere abgewandelte Einzelheit, insbesondere passend zur Einzelheit nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Arbeitskolben 10 einer Brennkraftmaschine mit veränderbarem Kompressionsverhältnis dargestellt. Der Arbeitskolben 10 umfaßt ein äußeres Kolbenteil 12 und ein inneres Kolbenteil 14.

ίο Das äußere Kolbenteil 12 besitzt einen Kolbenboden 16, der die untere Begrenzung des Verbrennungsraumes des Motors bildet. Das innere Kolbenteil 14 ist in dem äußeren Teil 12 und zu diesem axial verschiebbar angeordnet, und es sind Abdichtringe 18, 20, 22 zwischen diesen Teilen vorgesehen. Das innere Kolbenteil 14 ist an einer Kurbelwelle 24 in bekannter Weise mit Hilfe eines Pleuels 26 und eines Kolbenbolzens 28 angelenkt. Das innere Kolbenteil 14 wird zwischen einer oberen und unteren Grenze in der Weise eines üblichen Kolbens axial verschoben, während das äußere Kolbenteil 12 axial nach oben und nach unten relativ zum inneren Kolbenteil 14 verschoben wird, um zu dem gewünschten Kompressionsverhältnis zu gelangen.

b5 Zwischen dem inneren Kolbenteil 14 und dem Kolbenboden 16 liegt eine erste, obere Kammer 30 und pleuelseitig eine zweite, untere Kammer 32. Hierzu sind eine ringförmige Aussparung am unteren Ende

des inneren Kolbenteils 14 und ein Ring 34 vorgesehen, der an dem äußeren Kolbenteil 12 befestigt ist und einen Dichtungsring 36 trägt.

Der Ring 34 und die Unterseite des Kolbenbodens 16 steilen Anschläge dar und bilden die Grenzen der axialen Verschiebung des äußeren Kolben'eils 12 relativ zum inneren Kolbenteil 14. Infolge dieser relativen Verschiebung wird ein sich ändernder Abstand von der Mitte des Kolbenbolzens 28 zum Kolbenboden 16 und dabei ein variables Kompressionsverhältnis des Motors erzielt.

Die Verschiebung des äußeren Kolbenteils 12 relativ zum inneren Kolbenteil 14 wird durch ein zu- und abfließendes inkompressibles Medium - Öl - in und aus den Kammern 30, 32 automatisch gesteuert. Das Öl wird dem Kolben 10 über einen Kanal 38 in der Kurbelwelle 24 und einen Kanal 40 im Pleuel 26 zugeführt. In dem Kopf des Pleuels 26 am Kanaleingang 40 ist ein Rückschlagventil 39 angeordnet. Der Kanal 40 steht mit einer Ringnut 42 in Verbindung, die den Kolbenbolzen 28 umgibt und führt zu einem Auslaß 44, der mit einem Hohlraum 46 im inneren Kolbenteil 14 in Verbindung steht. Ein Ölsammler 47 weist eine Kappe 48 auf, die in dem Hohlraum 46 sitzt und von einer Feder 50 gegen das rund gedrehte Pleuel 26 gedrängt wird, so daß in allen vorkommenden Winkelstellungen das Öl durch den Auslaß 44 in das Innere der Kappe 48 geleitet wird. In der Kappe 48 ist eine Öffnung 51 vorgesehen, durch die Öl in einen Kanal 52, einen weiteren Kanal 54 und in eine ringförmige Kühlkammer 56 am Außenumfang des inneren Kolbenteils 14 gelangt. Der Kanal 54 steht mit der oberen Kammer 30 über ein Rückschlagventil 58 in Verbin dung.

Die Verbindung zwischen der oberen Kammer 30 und der unteren Kammer 32 erfolgt über einen Kanal 60, ein Druckbegrenzungsventil 62 sowie einen Verbindungskanal 64. Vor der unteren Kammer 32 ist ein Rückschlagventil 66 angeordnet. Ein drosselndes Druckbegrenzungsventil 68 ist in dem Verbindungskanal 64 zwischen dem Druckbegrenzungsventil 62 und dem Rückschlagventil 66 vorgesehen.

Das Rückschlagventil 39 umfaßt eine Kugel 70, einen konischen Sitz 72 und Einlaßdurchgänge 74. Die Trägheitskräfte, die zu der Aufwärtsbewegung des äußeren Kolbenteils 12 führen und somit die Kammer 30 zu vergrößern suchen, führen außerdem zur Öffnung des Rückschlagventils 39 im richtigen Augenblick.

Das Rückschlagventil 66 ist gleichartig ausgebildet, wird aber in umgekehrter Richtung durchflossen. Das Ventil 66 umfaßt eine Kugel 76, einen konischen Sitz 78 und Durchlässe 80. Die Trägheitskräfte, die den Kolben 10 zu verlängern suchen, haben das Bestreben, das Ventil 66 zu schließen.

Das Rückschlagventil 58 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 82, das in den Kanal 54 eingeschraubt ist und eine innere Kammer 84 besitzt, die mit dem Kanal 54 über einen axialen Durchgang 86 in Verbindung steht. In der Kammer 84 ist eine Ventilplatte 38 angeordnet, die normalerweise den axialen Durchgang 86 quer abschließt. Ein Einsatz 90 ist in das Gehäuse 82 eingeschraubt und mit einem axialen Durchgang 92 versehen, der die Kammer 30 mit der inneren Kammer 84 verbindet. Ein zylindrischer Kragen 94 mit Querdurchlässen ist am Übergang zwischen dem Durchgang 92 und der Kammer 84 vorgesehen. Das Rückschlagventil 58 ermöglicht den Ölf luß zur oberen

Kammer 30, aber sperrt den Rückfluß.

Das Druckbegrenzungsventil 62, wie am besten aus Fig. 2 zu entnehmen, umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 96, das in den Kanal 60 eingeschraubt ist und einen inneren axialen Hohlraum 98 besitzt. Ein Federhalter 100 in dem Hohlraum 98 stützt oas eine Ende einer Feder 102, die eine abgeschrägte Fläche 104 eines hohlen Ventilgliedes 106 gegen einen Sitz 107 drängt. Ein axialer Durchgang 108 in dem Gehäuse 96 stellt eine Verbindung zwischen einer ringförmigen Kammer 110 und dem Verbindungskanal 64 her, der normalerweise durch das Ventilglied 106 geschlossen ist. Eine Vielzahl von ringförmig im Abstand voneinander axial sich erstrekkenden Durchgängen 112 in dem Gehäuse 96 stellen eine dauernde Verbindung zwischen der oberen Kammer 30 und der ringförmigen Kammer 110 her. In dem Ende des hohlen Ventilgliedes 106 ist ein Durchgang 114 zum Inneren vorgesehen. Der Druck in der Kammer 110 wirkt in ihrem Bereich auf die abgeschrägte Fläche 104, und wenn dieser Druck einen vorbestimmten Wert erreicht, wird die Federkraft 102 überwunden, das Ventil 106 öffnet und Öl fließt aus der Kammer 30 über die Durchgänge 112, die Kammer 110 und vorbei an dem offenen Ventil 106 in den Verbindungskanal 64.

Das drosselnde Druckbegrenzungsventil 68 ist vorzugsweise als Nadelventil ausgebildet, dessen Nadel 116 in einer Drosselbohrung 118 sitzt, die den Verbindungskanal 64 mit dem drucklosen Kurbelgehäuseinnern verbindet. Die Nadel 116 sitzt auf einer Platte 120, die in einer Bohrung 122 axial verschiebbargelagert ist und von einer Feder 124 in Schließstellung gedrängt wird. Das Nadelventil spricht auf einen Druckanstieg an, der auf die Platte 120 wirkt, um die Nadel 116 in eine mehr oder weniger offene Stellung zu bewegen, wobei ein zweiter Abfluß von dem Verbindungskanal 64 über die Drosselbohrung 118 geöffnet wird.

Das innere Kolbenteil 14 ist mit einer schräg nach oben weisenden Drosselbohrung 126 versehen, die den Ölabfluß aus der unteren Kammer 32 bestimmt.

Ein Kanal 128 verbindet eine Öisammelkammer 130 mit dem Kurbelgehäuseinnern.

Wenn der Verbrennungskammerdruck niedriger als der vorbestimmte normale Maximalwert ist und beide Kammern 30, 32 mit Öl gefüllt sind, wandert während des letzten Teils eines jeden aufwärts gerichteten Auspuffhubs des Kolbens 10 und des ersten Teils eines jeden abwärts gerichteten Ansaughubs das äußere Kolbenteil 12 relativ zum inneren Kolbenteil 14 infolge der Trägheitskräfte nach oben, wobei der Öldruck in der unteren Kammer 32 ansteigt und das Rückschlagventil 66 geschlossen wird. Dabei wird Öl aus der Kammer 32 in einem kontrollierten Ausmaß über die Drosselbohrung 126 abgelassen, d. h., das Volumen der Kammer 32 nimmt allmählich und zyklisch ab. Die gesteuerte Verminderung des Volumens der Kammer 32 und die damit einhergehende Vergrößerung des Volumens der Kammer 30 isi gleichbedeutend mit der Relativverschiebung zwischen dem äußeren Kolbenteil 12 und dem inneren Kolbenteil 14. Wenn die obere Kammer 30 sich ausdehnt, wird Öl aus dem Schmiersystem des Motors über das Ventil 39, den Sammler 46 und das Ventil 58 nachgesaugt.

Der gesteuerte Abfluß des Öls aus der unteren Kammer 32 über die Drosselbohrung 126 führt dazu, daß das äußere Kolbenteil 12 sich nach oben um einen

sehr kleinen Betrag in bezug auf das innere Kolbenteil 14 bei jedem Zyklus des Motorbetriebs bewegt, solange ein vorbestimmter Verbrennungskammerdruck nicht überschritten wird. Während des Kompressionshubes und des Expansionshubes wirkt der erhebliche Gasdruck der Massenträgheit des äußeren Kolbenteils 12 entgegen, so daß während dieser Hube des Motorzyklus fast keine Relativverschiebung zwischen dem inneren und äußeren Kolbenteil stattfindet. Das Rückschlagventil 58 schließt das Öl in der oberen Kammer 30 ein, solange der Druck in der Kammer 30 kleiner als der Ansprechdruck des Druckbegrenzungsvcntils 62 ist. Auf diese Weise kann eine Aufwärtsbewegung des äußeren Kolbenteils 12 relativ zum inneren Kolbenteil 14 für verschiedene Takte in Erscheinung treten, wobei das Kompressionsverhältnis des Motors erhöht wird, bis der Druck in der Verbrennungskammer das vorbestimmte normale Maximum erreicht.

Wenn der Verbrennungskammerdruck über diesen vorbestimmten Wert ansteigt, wirkt er sich (nach Übersetzung) in den Durchgängen 112 und der Kammer 108 aus, das Ventilglied 106 wird geöffnet und Öl strömt über den Verbindungskanal 64 und das offene Rückschlagventil 66 in die untere Kammer 32. Bei normalem Betrieb stellt sich ein Zustand relativen Ausgleichs ein, bei dem das äußere Kolbenteil 12 sich um geringe Beträge nach oben und unten relativ zum inneren Kolbenteil 14 bei jedem Maschinenlakt bewegt, wobei die hauptsächliche Lage von dem normalen maximalen Verbrennungskammerdruck, d. h., durch die Einstellung des Druckbegrenzungsventils 62, vorbestimmt ist. Bei einem solchen normalen Betrieb kommt nur sehr geringe Ölpumptätigkeit vor.

Wenn der Verbrennungskammerdruck plötzlich durch Öffnen der Motordrossel oder durch Erhöhung der Last an der Maschine steigt, dann wird das äußere Kolbentcil 12 rasch nach unten relativ zum inneren Kolbentcil 14 bewegt, wobei das Zylindervolumen ansteigt und der Verbrennungskammerdruck auf den gewünschten maximalen Wert innerhalb ein paar Takte des Kolbens 10 absinkt. Hierbei strömt Öl über das drosselnde Druckbegrenzungsventil 68 b?:w. dessen Auslaß 118 ab. Dieser zweite Abflußweg ist vorgesehen, da die Volumenabnahme der Kammer 30 größer als die Volumenzunahme der Kammer 32 ist.

In den Fig. 3 und 4 sind abgewandelte Elemente gezeigt, und zwar ist das Druckbegrenzungsventil 62, das drosselnde Druckbegrenzungsventil 68 und das Rückschlagventil 66 kombiniert, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieses kombinierte Ventil 200 wird in die Bohrung 60 eingeschraubt und umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 202, das eine innere Zylinderkamnier 204 besitzt, die an ihrem unteren Ende in einem kegelstumpfartigcn Ventilsitz 206 endet und eine im wesentlichen ringförmige Kammer 208 über dem Ventilsitz 206 aufweist. Die Kammer 208 steht zu jeder Zeit mit der oberen Kammer 30 über eine Vielzahl axial sich erstreckender, ringförmig im Abstand voneinander angeordneter Durchgänge 210 in Verbindung, die im Gehäuse 202 ausgebildet sind. In dem Gehaust 202 ist ein hohles Federwidcrlager 212 befestigt unt bildet den Sitz für das eine Ende einer Feder 214 die ein hohles zylindrisches Ventilglied 216 in Beruhrung mit dem Ventilsitz 206 drängt. Das Vcntilgliec 216 ist mit einer ringförmigen Schulter 218 versehen die in der Kammer 208 angeordnet ist. Eine axiale Öffnung 220 bildet eine Verbindung zwischen dem Inneren des Ventilgliedes 216 und einem Durchgang 222 zu einem Rückschlagventil 224. Das Rückschlagventil 224 umfaßt eine Platte 226 mit Stegen 228, die normalerweise die Platte 226 auf einem Ringeinsats 230 zur Auflage bringen, der an einem Ende des Gehäuses 202 befestigt ist. In dem Ringeinsatz 230 isi eine Öffnung 232 vorgesehen, die zu dem Verbindungskanal 64 fluchtet. Rückströmendes Öl aus derr Vcrbindungskanal 64 hebt die Platte 226 gegen einer Ventilsitz 234 und sperrt den Durchgang 222. Ein ir dem Gehäuse 202 vorgesehener radialer Kanal 23f verbindet den Durchgang 222 mit einem Kanal 238 der in dem inneren Kolbenteil 14 ausgebildet ist unc zu dem Kurbelgehäuse des Motors öffnet. Wie Fig. 4 zeigt, ist das innere Kolbenteil 14 mit einer Drosse 240 versehen, die mit dem Verbindungskanal 64 ir Verbindung steht, der in dieser Ausführungsform direkt in die untere Kammer 32 öffnet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Abwandlung erzeugt das gleiche Ergebnis, wie es mit den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 erzielt wird, jedoch mit einer einfacheren Konstruktion. Wie oben untei Bezugnahme auf das Druckbegrenzungsventil 62 beschrieben, wird das Ventilglied 216 des kombinierter Ventils 200 bei erhöhter Druckdifferenz in der ringförmigen Kammer 208 geöffnet, die auf die Schultei 218 wirkt, um das Ventilglied 216 nach oben zu drängen und die Verbindung zwischen der Kammer 30 unc dem Durchgang 222 zu öffnen. Solange der Drucl in dem Durchgang 222 den in der Kammer 32 überschreitet, ist die Ventilplatte 226 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung, und Öl fließt von der Kammer 3( in die Kammer 32. Wenn der Verbrennungsdruck der vorbestimmten maximalen Wert in einem solcher Ausmaß überschreitet, daß die Kammer 32 nicht ir der Lage ist, das zu ihr geleitete Öl aufzunehmen, wire einiges von dem in den Durchgang 222 eintretender Öl durch den seitlichen Kanal 236 und in den diagona laufenden Kanal 238 direkt in das Kurbelgehäuse des Motors abgeleitet. Wenn der Druck in der Kammei 32 den in der Kammer 30 übersteigt oder wenn eine Tendenz für das Öl besteht, in umgekehrter Richtung von der Kammer 32 zur Kammer 30 zu fließen, wire die Ventilplatte 226 nach oben gegen den Ventilsit/ 234 bewegt, wobei der Durchgang 222 von dem Verbindungskanal 64 abgeschlossen wird. Das hinder natürlich das äußere Kolbenteil 12 daran, sich zi schnell in die obere Extremlage zu bewegen, d. h., die relative Bewegung der Teile entspricht dem Betrag der durch die Drossel 240 abfließenden Öimcngc, ir eier gleichen Weise, wie beim ersten Ausführungsbci spiel beschrieben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung im Arbeitskolben einer Brennkraftmaschine zur Veränderung der Kompression, mit folgenden Merkmalen:

a) ein äußeres Kolbenteil (12) und ein darin eingefügtes inneres Kolbenteil (14) sind zueinander verschieben ausgebildet und umschließen eine in der Nähe des Kolbenbodens (16) angeordnete erste Kammer (30) sowie eine pleuelseitige zweite Kammer (32);

b) bei einer Verschiebung der Kolbenteile (12, 14) ändert sich das Volumen der ersten Kammer (30) rascher als das der zweiten Kammer (32) und entgegengesetzt zu dieser;

c) in dem Kolben ist ein mit einem Rückschlagventil (58) bestückter Kana¹ (51,54) zur Zufuhr von Druckmittel in erste Kammer (30), ein Druckbegrenzungsventil (62) zur Ableitung von Druckmittel aus der ersten Kammer (30) und ein stromab an das Druckbegrenzungsventil angeschlossener Verbindungskanal (64) zur Leitung von Druckmittel in die zweite Kammer (32) vorgesehen, die einen Drosselauslaß (126, 240) aufweist;

d) der Verbindungskanal (64) weist einen zusätzlichen Auslaß (68; 236,238) auf, der bei Überschreiten einer bestimmten Druckzunahme in der ersten Kammer (30) und der damit in Verbindung stehenden Ableitung einer vergrößerten Druckmittelmenge wirksam wird und wenigstens einen Teil dieser Druckmittelmenge vor Erreichen der zweiten Kammer (32) abzweigt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungskanal (64) ein Rückschlagventil (66, 224) vorgesehen ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Auslaß (68) als drosselndes Druckbegrenzungsventil ausgebildet ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das drosselnde Druckbegrenzungsventil (68) als Nadelventil (116, 118) ausgebildet ist.