DE19858245A1 - Kolben mit variabler Kompressionshöhe für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Für einen Kolben mit variabler Kompressionshöhe für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, wird für jeden Kolben ein geschlossenes Hydrauliksystem derart vorgeschlagen, daß eine rheologische Flüssigkeit von konstanter Menge in einem im Kolben vorgesehenen kommunizierenden Kammer-System bevorratet ist, wobei das System die Steuerkammer und eine im Innenkolben ausgebildete, mit der Steuerkammer über eine Durchbrechung im Kolbenboden des Innenkolbens verbundene Speicherkammer umfaßt, aus der in die Steuerkammer über Kolbenbewegungen eine der jeweiligen Kompressionshöhe entsprechend zugeführte Teilmenge der rheologischen Flüssigkeit mittels feldgesteuert veränderlicher Viskosität bevorratet gehalten ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf einen Kolben mit variabler Kompressionshöhe für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, umfassend einen mit einem Hubtriebwerk verbundenen Innen­ kolben und einen relativ zu diesem gesteuert verstellbaren, in einem Hubzylinder einen Arbeitsraum begrenzenden Außenkolben, dessen einer jeweiligen Kom­ pressionshöhe entsprechender Abstand relativ zum Innenkolben mittels einer ge­ steuerten/geregelten Flüssigkeitsmenge in einer zwischen Innen- und Außen-Kolben angeordneten Steuerkammer einstellbar ist.

Ein derartiger Kolben ist beispielsweise aus der DE 40 38 549 C1 bekannt, wobei jeder Kolben einer Brennkraftmaschine über ein hydraulisches Drucksystem mit in Teilen des Hubtriebwerkes angeordneten Druckleitungen von einer Hochdruck­ pumpe versorgt ist. Eine derartige, von außen gesteuerte Kompressionshöhe jedes Kolbens ist in erheblichem Maß bauaufwendig und bezüglich einer betriebspunkt­ abhängigen Einstellung der Kompressionshöhe relativ träge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben mit va­ riabler Kompressionshöhe derart weiterzubilden, daß selektiv für alle Betriebspunkte jeweils eine optimale Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erzielt ist.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst. Diese Lösung sieht vor, daß eine rheologische Flüssigkeit von konstanter Menge in einem im Kolben vorgesehe­ nen kommunizierenden Kammer-System bevorratet ist, wobei das System die Steuerkammer und eine im Innenkolben ausgebildete, mit der Steuerkammer über eine Durchbrechung im Kolbenboden des Innenkolbens verbundene Speicher­ kammer umfaßt, aus der in die Steuerkammer über Bewegungen des Kolbens die rheologische Flüssigkeit zugeführt und eine der jeweiligen Kompressionshöhe ent­ sprechende Teilmenge mittels feldgesteuert veränderbarer Viskosität bevorratet gehalten ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß für jeden Kolben zur Erzielung einer ent­ sprechenden Kompressionshöhe für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraft­ maschine ein in sich geschlossenes Einstellsystem geschaffen ist, das in weiterer Ausgestaltung je Zylinder über eine stationäre, ansteuerbare Stromspule über eine im Kolben vorgesehene Induktionsspule induktiv angesteuert und mit Induktions­ spannungen beaufschlagt ist. Mit dem Einsatz einer rheologischen Flüssigkeit mit durch ein elektrisches oder magnetisches Feld veränderbarer Viskosität in Richtung hoher Zähflüssigkeit kann die Kompressionshöhe des Außenkolbens relativ zum Innenkolben auf induktive Weise über ein Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine selektiv und rasch eingestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Beispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1, 1a und 1b den Kolben mit variabler Kompressionshöhe in seinem erfindungs­ gemäßen Aufbau und

Fig. 2 mit 5 das Funktionsprinzip der Einstellung einer variablen Kompressions­ höhe des Kolbens.

Ein Kolben 1 mit variabler Kompressionshöhe für eine nicht näher dargestellte Hub­ kolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, umfassend einen mit einem nicht gezeigten Hubtriebwerk über eine Bohrung 4 für einen nicht gezeigten Kolben­ bolzen verbundenen Innenkolben 3 und einen relativ zu diesem gesteuert verstell­ baren, in einem Hubzylinder 13 einen Arbeitsraum 17 begrenzenden Außenkolben 2, dessen einer jeweiligen Kompressionshöhe entsprechender Abstand relativ zum Innenkolben 3 mittels einer gesteuerten/geregelten Flüssigkeitsmenge in einer zwi­ schen Innenkolben 3 und Außenkolben 2 angeordneten Steuerkammer 9 einstellbar ist.

Um zu erreichen, daß selektiv für alle Betriebspunkte jeweils eine optimale Einstel­ lung des Verdichtungsverhältnisses erreicht ist, wird erfindungsgemäß vorgeschla­ gen, daß eine rheologische Flüssigkeit von konstanter Menge in einem im Kolben 1 vorgesehenen kommunizierenden Kammer-System bevorratet ist, wobei das Kam­ mer-System die Steuerkammer 9 und eine im Innenkolben 3 ausgebildete, mit der Steuerkammer 9 über eine Durchbrechung 8 im Kolbenboden des Innenkolbens 3 verbundene Speicherkammer 7 umfaßt, aus der in die Steuerkammer 9 die rheolo­ gische Flüssigkeit zugeführt und eine der jeweiligen Kompressionshöhe entspre­ chende Teilmenge mittels feldgesteuert veränderbarer Viskosität bevorratet gehal­ ten ist.

Wie aus den Fig. 1, 1a und 1b näher hervorgeht, sind in den die Steuerkammer 9 begrenzenden Wandabschnitten des Außenkolbens 2 und/oder in den die Spei­ cherkammer 7 begrenzenden Wandungen des Innenkolbens 3 jeweils Einrichtungen 10, 10', 10" zur Erzeugung elektrischer und/oder magnetischer Felder angeordnet. Die Einrichtungen 10, 10', 10" sind für elektrische Felder als Kondensatorplatten und für magnetische Felder als Spulen gestaltet. Eine besonders vorteilhafte Ausgestal­ tung der Erfindung ist hierbei dadurch erreicht, daß die Einrichtungen 10, 10', 10" induktiv angesteuert und mit Induktionsspannungen beaufschlagt sind.

Für eine vorteilhafte Ausgestaltung ist hierfür vorgeschlagen, daß jeder Hubzylinder 13 mit einer stationär angeordneten, ansteuerbaren Stromspule 14 ausgerüstet ist, der im Kolben 1 des jeweiligen Hubzylinders 13 eine Induktionsspule 12 zugeordnet ist, die mit den jeweiligen Einrichtungen 10, 10', 10" zur Felderzeugung in span­ nungsführender Verbindung steht. Die Einrichtungen 10, 10', 10" sind über Verbindungsleitungen 11 mit der im Kolben 1, insbesondere im Außenkolben 2 an­ geordneten Spule 12 verbunden, in der bei bestromter Stromspule 14 durch deren Magnetfeld in der Spule 12 eine Induktionsspannung erzeugt ist, die in den vorge­ nannten Einrichtungen 10, 10', 10" der Felderzeugung dient. Im übrigen kann die stationäre Stromspule 14 aus einer Spule oder aus mehreren hintereinander ange­ ordneten, gleichsinnigen oder wechselsinnigen Spulensegmenten bestehen (nicht gezeigt).

Zur selektiven Einstellung der jeweiligen Kompressionshöhe durch feldgesteuerte Änderung der Viskosität der rheologischen Flüssigkeit sind zwei Möglichkeiten ge­ geben. Im einen Fall sind felderzeugende Einrichtungen 10, 10', 10" in Wandungen der Innen- und Außen-Kolben 3, 2 derart angeordnet, daß über die rheologische Flüssigkeit in Steuerkammer 9 und Speicherkammer 7 durch gesteuert erhöhte Vis­ kosität bzw. hohe Zähflüssigkeit die Kompressionshöhe des Außenkolbens 2 relativ zum Innenkolben 3 festgelegt ist. In diesem Fall wird also der gesamte Vorrat an rheologischer Flüssigkeit mittels elektrischer oder magnetischer Felder im gesamten Kammer-System nahezu schlagartig eingedickt bzw. deren Viskosität so erhöht, daß Fließvorgänge zwischen der Steuerkammer 9 und der Speicherkammer 7 nahezu unterbunden sind.

Im zweiten Fall sind felderzeugende Einrichtungen 10, 10' um eine oder mehrere Durchbrechungen 8 im Kolbenboden des Innenkolbens 3 derart angeordnet, daß mittels der Feldliniendichte in der jeweiligen Durchbrechung 8 jeweils ein Propfen hochzähflüssiger rheologischer Flüssigkeit bewirkt ist zur Rückhaltung der in der Steuerkammer vorhandenen Flüssigkeit für die jeweilige Kompressionshöhe des Außenkolbens 2. Die Position des vorgenannten Propfens wird weiter dadurch unterstützt, daß die jeweilige Durchbrechung 8 im Kolbenboden des Innenkolbens 3 sich in Richtung Steuerkammer 9 konisch erweiternd oder doppelkonisch ausgebil­ det ist.

Zum Ausgleich von Temperatureinflüssen ist in der Speicherkammer 7 des Innen­ kolbens 3 eine elastisch begrenzte Pufferkammer 5 vorgesehen mit einer Öffnung 6 in den Kurbelraum des nicht dargestellten Hubtriebwerkes.

Schließlich ist der Innenkolben 3 über elastische Anschläge 16 gegen den Außen­ kolben 2 abgestützt.

Der Erfindung liegt folgendes Funktionsprinzip zugrunde:
Wird die Stromspule 14 nicht bestromt, so wird auch in der Induktionsspule 12 keine Spannung induziert und es entsteht somit auch im Bereich der Durchbrechung 8 als bevorzugter Ausgestaltung gemäß den Fig. 1 und 2 mit 5 kein elektrisches oder magnetisches Feld.

Die gewählte rheologische Flüssigkeit besitzt somit eine sehr niedrige Viskosität. Die Flüssigkeit kann also frei, entsprechend den Kraftverhältnissen zwischen Steuer­ kammer 9 und Speicherkammer 7 des Innenkolbens 3 strömen. Damit ist eine Ver­ änderung der Position des Innenkolbens 3 relativ zum Außenkolben 2 und damit eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses möglich.

Wird die Stromspule 14 bestromt, wird in der Induktionsspule 12 eine Spannung induziert und es entsteht im Bereich der Durchbrechung 8 ein entsprechendes Feld. Die rheologische Flüssigkeit erreicht durch die Feldliniendichte in der Durch­ brechung 8 eine sehr hohe Viskosität bzw. sehr hohe Zähflüssigkeit und wirkt somit wie ein Ventil. Ist dieses Ventil geschlossen, und insbesondere durch eine zur Steuerkammer 9 hin konisch sich erweiternde Durchbrechung 8 unterstützt, kann kein Austausch der Flüssigkeiten zwischen der Steuerkammer 9 und der Speicher­ kammer 7 im Innenkolben 3 des Kolbens 1 stattfinden.

Funktion der Kompressionseinstellung:
Ausgangspunkt der Betrachtungen soll sein, daß der Kolben 1 sich im oberen Tot­ punkt befindet und ein Einlaßventil 15 geöffnet ist, wobei der Kolben 1 durch das Hubtriebwerk über den Innenkolben 3 nach unten gezogen wird gemäß Abb. 2. Liegt an der äußeren Stromspule 14 keine Spannung an, besteht in der Durch­ brechung 8 kein Feld, so daß die rheologische Flüssigkeit eine niedrige Viskosität bzw. Dünnflüssigkeit aufweist. Bedingt durch die wirkenden Kräfte strömt die Flüs­ sigkeit von der Speicherkammer 7 in die Steuerkammer 9. Dadurch erhöht sich die Kolbenhöhe und damit die Verdichtung, Spätestens mit Erreichen des unteren Tot­ punktes hat sich beim Kolben 1 die maximale Kolbenhöhe gemäß Abb. 3 ein­ gestellt.

Im unteren Totpunkt kann entschieden werden, welche Verdichtung beim kommen­ den Arbeitsspiel erwünscht ist.

Wird ein niedriges Verdichtungsverhältnis angestrebt, wird die Stromspule 14 nicht bestromt. Durch die auf den Kolbenboden des Außenkolbens 2 wirkende Kraft wird die Flüssigkeit aus der Steuerkammer 9 zurück in die Speicherkammer 7 verdrängt. Es stellt sich gemäß Abb. 4 eine niedrige Kolbenhöhe ein.

Wird dagegen zur Erzielung eines höheren Verdichtungsverhältnisses bei UT-Stel­ lung des Kolbens 1 die Stromspule 14 bestromt, so wird in der Durchbrechung 8 im Kolbenboden des Innenkolbens 3 ein Feld erzeugt, wodurch die rheologische Flüs­ sigkeit eine sehr hohe Viskosität erreicht mit der Wirkung eines als Ventil dienenden Propfens in der Durchbrechung 8. Somit bleibt ein relativ großes Flüssigkeits­ volumen in der Steuerkammer 9 erhalten und damit auch die gewünschte maximale Kolbenhöhe, womit ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist gemäß Abb. 5.

Dieser Vorgang läßt sich auch so steuern, daß jede beliebige Zwischenstellung ein­ gestellt werden kann. Hierfür kann die Spule 14 mit Gleichspannung versorgt sein, zur Steigerung der Induktionsspannung in der Induktionsspule 12 dient Wechsel­ spannung.

Soll über einige Zeit hinweg die Verdichtung nicht geändert werden, kann die äußere Stromspule 14 immer strombeaufschlagt sein, so daß während dieser Zeit kein Austausch der Flüssigkeit zwischen den Kammern stattfinden kann.

An Vorteilen der Erfindung sind zu nennen ein frei einstellbares Verdichtungs­ verhältnis ohne grundlegende Änderungen an der Hubkolbenmaschine, insbeson­ dere Brennkraftmaschine. Insbesondere für Brennkraftmaschinen ist weiter eine individuelle Steuerung der einzelnen Zylinder realisierbar. Weiter entfallen separate Stellglieder.

Claims (11)

1. Kolben mit variabler Kompressionshöhe für eine Hubkolbenmaschine, insbe­ sondere Brennkraftmaschine,

• - umfassend einen mit einem Hubtriebwerk verbundenen Innenkolben (3) und
• - einen relativ zu diesem gesteuert verstellbaren, in einem Hubzylinder (13) einen Arbeitsraum (17) begrenzenden Außenkolben (2), dessen einer jeweiligen Kompressionshöhe entsprechender Abstand relativ zum Innenkolben (3) mittels einer gesteuerten/geregelten Flüs­ sigkeitsmenge in einer zwischen Innen- und Außen-Kolben (3, 2) an­ geordneten Steuerkammer (9) einstellbar ist,dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine rheologische Flüssigkeit von konstanter Menge in einem im Kolben (1) vorgesehenen kommunizierenden Kammer-System bevor­ ratet ist, wobei
• - das Kammer-System die Steuerkammer (9) und eine im Innenkolben (3) ausgebildete, mit der Steuerkammer (9) über eine Durchbrechung (8) im Kolbenboden des Innenkolbens (3) verbundene Speicher­ kammer (7) umfaßt, aus der
• - in die Steuerkammer (9) über Bewegungen des Kolbens (1) die rheologische Flüssigkeit zugeführt und eine der jeweiligen Kom­ pressionshöhe entsprechende Teilmenge mittels feldgesteuert ver­ änderbarer Viskosität bevorratet gehalten ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in den die Steuerkammer (9) begrenzenden Wandabschnitten des Außenkolbens (2) und/oder
• - in den die Speicherkammer (7) begrenzenden Wandungen des In­ nenkolbens (3) jeweils
• - Einrichtungen (10, 10', 10") zur Erzeugung elektrischer und/oder magnetischer Felder angeordnet sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tungen (10, 10', 10") für elektrische Felder als Kondensatorplatten und für magnetische Felder als Spulen gestaltet sind.

4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (10, 10', 10") induktiv angesteuert und mit Induktions­ spannungen beaufschlagt sind.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeder Hubzylinder (13) mit einer stationär angeordneten, an­ steuerbaren Stromspule (14) ausgerüstet ist, der
• - im Kolben (1) des jeweiligen Hubzylinders (13) eine Induktionsspule (12) zugeordnet ist, die
• - mit den Einrichtungen (10, 10', 10") zur Felderzeugung in span­ nungsführender Verbindung steht.

6. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß felderzeugende Einrichtungen (10, 10', 10") in Wandungen der Innen- und Außen-Kolben (3, 2) derart angeordnet sind,
• - daß über die rheologische Flüssigkeit in Steuerkammer (9) und Spei­ cherkammer (7) durch gesteuert erhöhte Viskosität bzw. Zähflüssig­ keit die Kompressionshöhe des Außenkolbens (2) relativ zum Innen­ kolben (3) festgelegt ist.

7. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß felderzeugende Einrichtungen (10, 10', 10") um eine oder meh­ rere Durchbrechungen (8) im Kolbenboden des Innenkolbens (3) der­ art angeordnet sind, daß
• - mittels der Feldliniendichte in der jeweiligen Durchbrechung (8) je­ weils ein Propfen hochzähflüssiger rheologischer Flüssigkeit bewirkt ist zu deren Rückhaltung in der Steuerkammer (9) für die jeweilige Kompressionshöhe.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Durchbrechung (8) im Kolbenboden des Innenkolbens (3) sich in Richtung Steuerkammer (9) konisch erweiternd oder doppelkonisch ausgebildet ist.

9. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speicherkammer (7) des Innenkolbens (3) eine elastisch begrenzte Puffer­ kammer (5) vorgesehen ist mit einer Öffnung (6) in den Kurbelraum des Hubtriebwerkes.

10. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (3) über elastische Anschläge (16) gegen den Außenkolben (2) abstützbar ist.

11. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspule (14) mit Gleichspannung und/oder Wechselspannung versorgt ist.