DE1808762C3 - Ventil in einem Arbeitskolben einer Hubkolben-Brennmaschine mit selbsttätig veränderbarem Kompressionsverhältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein bekanntes Ventil dieser Art (US-PS 33 U 096) weist ein Druckbegrenzungsventil auf, dessen Ventilglied über einen zweiarmigen Hebel von der Ventilfeder im Schließsinne beaufschlagt wird, wobei der eine Hebelarm durch die Massenkräfte, die beim Verzögern des Arbeitskolbens vor oberem Totpunkt auftreten, entgegen der Kraft der Feder beaufschlagt wird, so daß ein« gewisse Kompensation von auf das Ventilglied wirkenden Massenkräften erfolgt. Ein derart ausgebildetes Ventilglied ist jedoch kompliziert und insofern störanfällig und teuer.

LIm das Ventilglied weitgehend frei von den Maiisenkräften des hin- und hergehenden Arbeitskolbens zu halten, ist es ferner bekannt (US-PS 31 85 138), das Ventilglied bezüglich seiner Lage und Bewegung quer zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens anzuordnen. Es ist ferner nicht mehr neu, das Ventilgüed durch seine Bewegung in Richtung der Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens auf die Druckmittelkammer zu öffnen zu lassen (US-PS 33 03 831). Hierbei handelt es sich um das Einlaßventil zu der Druckmittelkammer, und dieses Einlaßventil wird durch die Massenkräfte des zuströmenden Öls beaufschlagt, während das in gleicher Richtung öffnende Druckbegrenzungsventil von diesen Massenkräften des zuströmenden Öls weitgehend freigehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der oberbegrifflichen Art so auszubilden, daß eine weitgehende Kompensation der Massenkräfte erfolgt: bzw. sich diese nicht schädlich auswirken.

Die Lösung der gestellten Aufgabe mit Ausgestaltungen sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsquerschnitt durch einen Arbeitskolben,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus F i g. 1,

F i g. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig.5 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform.

Ein zweiteiliger Arbeitskolben 10 für ein variables Kompressionsverhältnis besitzt ein Außenteil 14, das relativ zu einem inneren Teil 12 bewegbar ist, um das Kompressionsverhältnis einer Brennkraftmaschine zu verändern, und ein hydraulisches System, das zum automatischen Steuern der Relativbewegung der Teile mit Öl von dem Schmiersystem des Motors gespeist wird, um einen vorbestimmten maximalen Brennkammerdruck aufrechtzuerhalten. Das hydraulische System umfaßt eine obere und eine untere Kammer 30 bzw. 32, die sich aufgrund der Relativbewegung der Kolbenteile gegensinnig ausdehnen und zusammenziehen, und Ventile 56,58,60 zum Zuführen und Ablassen von öl zu und von diesen Kammern 30 bzw. 32 in einer Weise, daß sich das Kompressionsverhältnis der Maschine allmählich erhöht, bis ein vorbestimmter maximaler Brennkammerdruck erreicht ist, und daß der maximale Brennkammerdruck aufrechterhalten wird, nachdem er erreicht worden ist. Das hydraulische System weist ein Druckbegrenzungsventil 60 auf, welches öl aus der oberen Kammer 30 zum Kurbeigehäuse der Maschine bei einem vorbestimmten Druckanstieg abläßt. Das Druckbegrenzungsventil 60 weist eine hohle, kugelartige Ausbildung des Ventilgliedes 86,286 auf.

Der Kolben 10 ist im einzelnen in F i g. 1 bis 3 dargestellt, und zwar trägt das innere Teil 12 an seiner Außenfläche das äußere Teil 14 gleich einem Mantel. Das Außenteil 14 besitzt eine Wand 16, die als Kolbenboden dient und die untere Begrenzung der Brennkammer des Motors bildet. Das Innenteil 12 ist in bezug auf das Außenteil 14 axial verschiebbar angeordnet, und an dem oberen und unteren Ende des Innenteils 12 sind Dichtungen 18 und 2Ö vorgesehen.

Das innere Teil 12 ist mit einer Pleuelstange 22 über einen Kolbenbolzen 24 verbunden. Am unteren inneren Rand des Außenteils 14 ist ein Ring 26 befestigt, der an einer axialen Ringfläche 28 des Innenteils 12 mit einer Dichtung 64 anliegt. Die innere Fläche des Kolbenbo-

iens 16 und die obere Fläche des Innenteils 12 bilden Anschläge und begrenzen so die Abwärtsbewegung des AuQenteils 14 relativ zum Innenteil IZ Die obere Fläche des Ringes 26 und die benachbarte Fläche des Innenteils 12 bilden Anschläge und begrenzen so die Aufwärtsbewegung des äußeren Teils 14 relativ zum Innenteil 12, Das Innenteil 12 wird, wie üblich, innerhalb fester Grenzen auf und ab bewegt und nimmt das Außenteil 14 mit, welches sich zusätzlich infolge der Trägheitskräfte innerhalb der axialen Grenzen, die durch den Kolbenboden 16 und den Ring 26 bestimmt sind, bewegen könnte, wenn kein inkompressibles Druckmittel in den Kammern 30 und 32 vorhanden wäre. Dieses wird dem Kolben 10 durch einen axialen Kanal 34 in der Pleuelstange 22, eine Ringnut 36 um den Kolbenbolzen 24 und einen Auslaßdurchgang 38 zugeführt

Ein ölsammler 40 weist eine Kappe 42 in einer Ausnehmung 44 des Innenteils 12 auf und besitzt einen unteren Rand in Anpassung an das Pleuel 22, so daß beim Verschwenken des Pleuels 22 in bezug auf das Innenteil 12 das öl sicher aufgenommen wird. Das obere Ende der Ausnehmung 44 ist eine Federkammer 46, in der eine Feder 48 sitzt, die die Kappe 42 in Berührung mit der Oberfläche des Pleuels 22 hält. Die Kap;-s 42 ist mit einer mittigen öffnung 50 versehen, durch die das gesammtelte öl zur Federkammer 46 gelangt

Ein seitlicher Kanal 52 verbindet die Federkammer 46 mit einem etwa senkrecht verlaufenden Kanal 54. Der Kanal 54 mündet an seinem oberen Ende in die obere Kammer 30 über ein Rückschlagventil 56 und an seinem unteren Ende in die untere Kammer 32 über ein weiteres Rückschlagventil 58 ein. Aus der oberen Kammer 30 kann Öl in das druckiose Kurbelgehäuse über ein Druckbegrenzungsventil 60 gelangen, wenn der Öldruck in der Kammer 30 einen vorbestimmten Wert überschreitet

Öl wird über den Kanal 54 und das Rückschlagventil 58 zur unteren Kammer 32 zugeführt und es kann aus der Kammer 32 in vorbestimmter Menge durch eine Drosselbohrung 62 in dem Ring 26 entweichen.

Wie am besten F i g. 3 zeigt, umfaßt das Druckbegrenzungsventil 60 :in Gehäuse 66, das in einer angesenkten Gewindebohrung 68 im Innenteil 12 sitzt Das Gehäuse 66 weist einen Flansch 70 mit Radialschlitzen 71 (F i g. 2) zum Einschrauben auf. Die Gewindebohrung 68 ist angesenkt und in der Einsenkung 72 bzw. einer Nut 76 liegt eine Dichtung 74.

Ein Ventilführungsgehäuse 78 ist in einer teilweise mit Innengewinde versehenen Bohrung 80 im Gehäuse 66 eingeschraubt und eine Dichtung 79 sitzt zwischen dem Gehäuse 66 und dem Ventilführungsgehäuse 78. Das innere Ende des Ventilführungsgehäuses 78 ist hohl und öffnet sich in das untere Ende der Bohrung 80 mit Abstand von dessen Boden. Ein rohrförmigen Anschlag 82 ist in dem Ventilführungsgehäuse 78 eingeschraubt. Darauf sitzt eine Feder 84, die ein hohles kugelartiges Ventilglied 86 gegen einen Ventilsitz 90 drängt. An diesem mündet ein Durchgang 91 in dem unteren Ende des Gehäuses 66 koaxial zur Bohrung 68. Der Durchgang 91 fluchtet mit einem Kanal 92 im Innenteil 12, der auf einen Querkanal 94 trifft. Wie am besten F i g. 2 zeigt, ist das Innenteil 12 mit einem senkrechten Kanal 96 versehen, der die obere Kammer 30 mit dem Querkanal 94 verbindet und damit mit der unteren Seite des Ventilgliedes 86. Das Gehäuse 66 ist mit einer Vielzahl von etwa radial sich erstreckender Bohrungen 98 versehen, die das Innere des Gehäuses 66 mit einer ringförmigen Ausnehmung 100 verbinden. Kanäle 102 und 104 in dem Innenteil 12 verbinden die ringförmige Ausnehmung 100 mit dem drucklosen Kurbelgehäuse bzw, mit einer Kühlkammer 106, wie am besten aus Fig, I zu entnehmen ist. Die Kühlkammer 106 umgibt

ι das Innentei! 12 in dem Ringnutbereich des Außenteils 14 und ist mit einer Ausnehmung 108 verbunden, die mit dem Kurbelgehäuse über einen schräg laufenden Kanal 110 in Verbindung steht

Es ist augenscheinlich, daß die Feder 84 normalerwei-

m se die hohle Ventilkugel 86 gegen den Ventilsitz 90 drängt und dabei den Druckmittelstrom von der oberen Kammer 30 in das Innere des Gehäuses 66 abschließt. Wenn jedoch der Druckanstieg in der Kammer 30 genügend hoch ist, wird die von der Feder 84 ausgeübte

< ^r> Kraft überwunden, die Ventilkugel 86 gelangt nach oben gegen den Anschlag 82, es fließt öl in das Innere des Gehäuses 66 und wird durch die Bohrungen 98 und die ringförmige Ausnehmung 100 in das Kurbelgehäuse oder durch den Kanal 102 oder über die Kühlkammer

•ι) 106 durch den Kanal 104 abgelassen.

Wie bereits erläutert, soll das öl zur oberen Kammer 30 gepumpt werden, um den Kolben 10 zu expandieren und dabei das Kompressionsverhältnis =der Maschine zu erhöhen. Das wird durch die Massenträgheit erreicht,

y> die auf das Außenteil 14 am oberen Ende des Auspuffhubes und während des ersten Teils des lach unten gerichteten Ansaughubs wirkt, wobei das Außenteil 40 sich von dem Innenteil 12 um das Ausmaß trennt, wie es der über die Drosselbohrung 62

π abgelassenen Ölmenge aus der unteren Kammer 32 entspricht Wenn die Teile sich trennen, dehnt die obere Kammer 30 sich aus und das Einlaßventil 56 öffnet, so daß öl aus dem Kanal 54 zuströmt. Das Einlaßventil 58 ist aufgrund des Druckes in der Kammer 32 zu dieser

i") Zeit geschlossen, jedoch kann Öl durch die Drosselbohrung 62entweichen. Auf diese Weise wird die Trennung der Teile während eines jeden Arbeitstaktes der Maschine in kleinen Stufen erhöht, bis ein vorbestimmter Druck in der Verbrennungskammer erreicht wird.

4(i Überdruck wirkt sich im Öffnungssine auf das Ventilglied 86 aus und der Druck in der Kammer 30 wird entspannt, so daß eine relative Kontraktion zwischen den Teilen 12 und 14 erzielt werden kann. Dabei wird aber das Einlaßventil 56 infolge der Druckdifferenz

4", zwischen Kammer 30 und Kanal 54 geschlossen gehalten. Das Einlaßventil 58 jedoch wird durch die Druckdifferenz zwischen Kanal 54 und Kammer 32 geöffnet, so daß sich diese mit öl füllen kann.

Bei bekannten Druckbegrenzungsventilen sind

■>n Schwierigkeiten aufgetreten, weil die Trägheitskräfte, die auf das Ventil einwirken, meist unbeachtet geblieben sind. Die Trägheitskräfte erhöhen sich im Verhältnis zum Quadrat der Maschinendrehzahl, d. h., bei hohen Maschinendrehzahlen stellen diese Kräfte einen bedeu-

V) tenden Faktor dar. Wenn das Ventilglied nach unten, gesehen von der oberen Kammer 30, öffnet, wird dieses Öffnen verzögert, weil zu diesem Zeitpunkt die Trägheitskraft des Ventilgliedes nach oben gegen den Ventilsitz drängt. Dieses Problem ist in der vorliegenden

Mi Anordnung überwunden worden, indem das Ventilglied 86 nach oben öffr^t, so daß die Trägheitskraft das Öffnen unterstützt anstatt es zu hindern. Um die Wirkung der Trägheitskraft auf das Ventilglied auf ein Mindestmaß zu verringern, ist dieses iedoch hohl

ir, gemacht und besteht aus einem solchen Material, daß das spezifische Gewicht des Ventilgliedes etwa gleich dem des Öles ist Somi< ist die Wirkung der Trägheitskraft auf das Ventiiglied nicht größer als die

auf das Öl.

F i g. 4 zeigt ein Druckbegrenzungsventil 160. bei dem ein Anschlag 182 anstelle des Anschlages 82 relativ zu dem Ventilführungsgehäiise 78 bewegbar ist. Die Ventilfeder 84 ist in dem Anschlag 182 untergebracht und drängt gegen den Ventilsitz 90. Ein nach unten sich erstreckender Fortsatz 200 umgibt teilweise das Ventilglied 86 und verhindert dessen Ausweichen. In einer Querwand 201. die als Widerlager der Feder 84 und des Ventilgliedes 86 dient, sind Öffnungen 202 zum Durchtritt des Öls vorgesehen. Diese Konstruktion hat den Vorteil, sich selbst zu zentrieren, und benötigt keine spezielle Anpassung der untersten Federwindung an das kugelförmige Ventilglied 86.

F i g. 5 zeigt ein weiteres Druckbegrenzungsventil 260. bei dem jedoch ein hohles kugelförmiges Ventilglied 286 in seine Offenstellung gegen die Kraft einer Feder 284 nach unten bewegbar ist. Das Gehäuse 266 ist in einer Bohrung 268 eingeschraubt und weisi eine eingeschraubte Ventilführung 278 auf. Die Fedei 284 stützt sich an der oberen Fläche der Ventilführung 278 ab und drängt einen Halter 282 der Ventilkugel 28f nach oben, so daß das Ventil einen Kanal 2% schließt der in die obere Kammer 30 einmündet. Seitliche öffnungen 298 stellen eine Verbindung zwischen dei Kammer 30 und dem Kanal 104 her, wenn das Ventil 28( geöffnet ist.

Die hohlen Ventilglieder können mit Luft gefüllt seir oder auch ein Vakuum enthalten. Auch eine Füllung mi einem Gas. leichter als Luft, z. B. Helium, kanr Verwendung finden. Weiter können dit: Ventilgliedei durchgehend aus Material mit einem spezifischer Gewicht, etwa des Öls, bestehen. Außerdem können di( Ventilglieder auch andere als kugeliirtige Former aufweisen.

Hierzu .( blatt Zcichnunccn

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Ventil in einem Arbeitskolben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit selbsttätig veränderbarem Kompressionsverhältnis, wobei der Kolben zwei in Richtung seiner Hin- und Herbewegung relativ zueinander bewegbare Teile aufweist, von welchen eines den Arbeitsraum der Maschine begrenzt und das andere mit dem Pleuel verbunden ist, zwischen beiden Teilen zwei Druckmittelkammern gebildet sind, deren Volumen in Abhängigkeit von den aus der Hin- und Herbewegung des Kolbens resultierenden Massenkräften und vom Druck des hydraulischen Druckmittels veränderbar ist, und ferner das in Richtung der Hin- und Herbewegung des Kolbens bewegbare Ventilglied des Ventils einen der einen Kammer zugeordneten Auslaßdurchgang in dem Sinne beherrscht, daß der in dieser Kammer herrschende Druckmitteldruck das Ventil gegen Vorspannungskraft zu öffnen sucht und eine Kompensation von auf das Ventilglied wirkenden Massenkraft«¹ erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (86, 2t«) weitgehend von dem Druckmittel umgeben ist und die spezifische Masse des Ventilgliedes etwa gleich der des Druckmittels ist

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (86, 286) ein hohles sphärisches Glied ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (86„ 286) eine Hohlkugel ist.

4. Ventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewcgung des Ventilgliedes (86) in Richtung a J die Druckmittelkammer (30) erfolgt.

5. Ventil nach einem der Ar; prüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Verzögern des Arbeitskolbens (10) vor oberem Totpunkt auf das Ventilglied (86) wirkenden Massenkräfte seiner Schließrichtung entgegengerichtet sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Vorspannungskraft aufbringende Ventilfeder (84) unmittelbar am hohlen sphärischen Ventilglied (86) anliegt.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (84) die Vorspaninungskraft über ein FUhrungsgiied (182, 282) auf das hohle Ventilgüed (86) aufbringt.