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Einrichtung zur Verdichtungssteuerung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des
Verdichtungsverhältnisses einer Hubko Iben- Brennkraf tmas chine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Derartige Einrichtungen zur Verdichtungssteuerung, die die sich als
Folge der Drosselregelung bei Otto-Motoren im Teillastbetrieb einstellenden Wirkungsgradeinbußen
durch Veränderung der Größe des Kompressionsraumes und damit der Verdichtung auszugleichen
versuchen, sind bereits bekannt. Günstige Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf
den Eraftstoffverbrauch bei Teillast und die Schadstoffemissionen werden dann erreicht,
wenn der Verdichtungsenddruck bzw. der Verbrennungsspitzendruck unabhängig von der
jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine in etwa konstant und mit geringem Abstand
zu der Xlopfgrenze gehalten wird.
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Bei einer solchen bekannten Einrichtung zur Verdichtungssteuerung
ist als Steuerelement eine in Achsrichtung des Hydraulikzylinders verstellbare Steuerhülse
vorgesehen, durch deren Verstellung die Stellung des Verstellkolbens und damit des
Nebenkolbens bestimmt
wird. Nachteilig an einer derartigen Einrichtung
ist, daß diese Ausführung relativ viel Bauraum oberhalb des Hydraulikzylinders erfordert,
der bei den bekannt engen Raumverhältnissen an einer Hubkolben-Brennkraftmaschine,
die insbesondere für einen Fahrzeugantrieb verwendet werden soll, nicht immer gegeben
ist (DE-OS 3117 133).
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
Einrichtung zur Verdichtungssteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 zu schaffen, die günstigere Bauraumverhältnisse sowie eine bessere Funktion gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1.
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Durch Anordnung des erfindungsgemäß vorgesehenen walzenförmigen Drehschiebers
werden zum einen die Bauraumverhältnisse oberhalb des Verstellkolbens wesentlich
verbessert, da als Steuerbewegung für das Steuerelement nur noch eine Drehbewegung
des Drehschiebers erforderlich ist. Zum anderen ergibt sich dadurch, daß die Stellung
des Verstellkolbens durch eine mit der Stirnfläche des Verstellkolbens zusammenwirkende
spiralförmige Verbindungs- oder Ablaufnut gesteuert wird, der Vorteil, daß jeweils
am Ende der Verstellbewegung des Verstellkolbens eine vorteilhafte Drosselung der
Druckmittelabfuhr erfolgt, die für einen weichen Anschlag des Nebenkolbens sorgt.
Diese Verbindungsnut soll dabei ständig mit einem unterhalb des scheibenförmigen
Verstellkolbens angeordneten, an einen Druckmittelsammelbehälter angeschlossenen
Auslaßraum verbunden sein.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
schematischer Darstellungen gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden.
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Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch den Teil eines Zylinders
einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Verdichtungssteuerung,
Figur 2 einen Schnitt durch die Verdichtungssteuerungsvorrichtung gemäß den Schnittlinien
II-II nach Figur 1 und Figur 3 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der
Figur 1 zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Verdichtungssteuerung.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Hauptzylinder einer beispielsweise
zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bestimmten Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem
ein Hauptkolben 2 gleitet, der gegenüber einem Zylinderkopf 3 einen Hauptbrennraum
4 begrenzt, in dem etwa im oberen Totpunkt des Hauptkolbens 2 die Verbrennung stattfindet.
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In diesen Hauptbrennraum 4 münden hier nicht weiter dargestellte Ein-
und Auslaßkanäle, die in bekannter Weise durch Ein- und Auslaßventile gesteuert
werden.
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Der Hauptbrennraum 4 steht mit einem in dem Zylinderkopf 3 angeordneten
Nebenbrennraum 5 in Verbindung, dessen Volumen durch einen in einer Bohrung 6 des
Zylinderkopfes 3 gleitend geführten Nebenkolben 7 veränderbar ist. Dieser Nebenkolben
7, der Kolbenringe 8 zur Abdichtung des Nebenbrennraums 5 nach außen sowie eine
in den Nebenbrennraum 5 hineinragende Zündkerze 9 trägt, ist mit einem Verstellkolben
10 verbunden, der seinerseits in einem im Zylinderkopf 3 ausgebildeten Zylinder
11 gleitet. In diesem Zylinder 11 ist oberhalb des ringscheibenförmigen Verstellkolbens
10 ein nach außen abgedichteter I)ruckmittelarbeitsraum-15 ausgebildet, der über
eine mit einem Rückschlagventil 17 versehene Leitung 16 von einer Druckmittelpumpe
18 mit Druckmittel aus einem Vorratsbehälter 22 versorgt wird. Ein hier nicht weiter
gezeigter Druckregler sorgt dabei dafür, daß ein vorgegebener Druckaitteldruck nicht
überschritten wird.
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An der Unterseite des Verstellkolbens 10 ist ein ringförmiger Auslaßraum
20 vorgesehen, aus dem das Druckmittel drucklos über eine Verbindungsleitung 19
in den Druckmittelsammelbehälter 22 zurückgeführt wird.
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Zur Steuerung der Stellung des Verstellkolbens 10 und damit auch des
Nebenkolbens 7 dient ein Steuerelement, das aus einem walzenförmigen Drehschieber
12 gebildet ist, der im wesentlichen parallel zur Längsachse der Nebenzylinderbohrung
6 etwa am Außenumfang des Druckmittelarbeitsraums 15 gehalten ist. Dieser Drehschieber
12 ist dabei so angeordnet, daß er mit einem Teil seines Umfangs in eine teilzylindrische
Längsausnehmung 24 des Zylinders 11 sowie mit dem anderen Deil seines Umfangs in
eine teilzylindrische Längsausnehmung 25 am Außenumfang des Verstellkolbens 10 eingreift.
Am Außenumfang des walzenförmigen Drehschiebers 12 ist eine spiralförmig verlaufende
Verbindungs- oder Ablaufnut 13 angebracht, die an ihrem unteren Ende ständig mit
dem Auslaßraum 20 in Verbindung steht.
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Diese Verbindungsnut 13 bestimmt nun die Stellung des Verstellkolbens
10, indem dieser unter dem Einfluß des in den Brennräumen 4 und 5 auftretenden Verdichtungsdruckes
bis zu einer Stelle axial zurückweichen kann, an der die Verbindungsnut 13 in der
Zylinderwandung 11 verschwindet und folglich keinen Druckmittelabfluß aus dem Druckmittelarbeitsraum
15 mehr ermöglicht. Diese oberste Stellung des Verstellkolbens 10 ist in der Figur
3 mit unterbrochenen Linien angedeutet und ist für die einzelnen Betriebszustände
der Brennkraftmaschine so vorbestimmt, daß in den Brennräumen 4 und 5 eine maximale
Verdichtung auftritt, die kurz unterhalb der Klopfgrenze liegt.
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Durch Verdrehen des Walzenschiebers 12 kann die Stellung des Verstellkolbens
dem jeweiligen Betriebszustand angepaßt werden, wobei die Verstellung in Abhängigkeit
von dem Lastzustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise also in Abhängigkeit
von der Stellung der Drosselklappe bzw. des Fahrpedals erfolgen kann.
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Als Stellgröße könnten jedoch auch die Signale eines Kopfsensors verwendet
werden, so daß der Verstellkolben schrittweise solange in Richtung auf eine Verkleinerung
des Verbrennungsraums verstellt wird, bis Klopfen auftritt (entsprechend der älteren
Anmeldung P 33 09 714).
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Mit 14 ist ein Betätigungsgestänge zur Verstellung des w zenförmigen
Drehschiebers 12 angedeutet, das in axialer Richtung über dem Verstellkolben 10
relativ wenig Bauraum erfordert, und das beispielsweise mit der Drosselklappe so
verbunden sein kann, daß bei voll geöffneter Drosselklappe entsprechend voller Leistung
der Brennkraftmaschine der Verstellkolben 10 in seine oberste Stellung in dem Zylinder
11 verstellt wird, während bei geschlossener Drosselklappe der Verstellkolben bis
zur Auflage an dem ringförmigen Anschlag 21 nach unten gedrückt wird.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die Stellung des Verstellkolbens
10 im wesentlichen von der Stelle bestimmt, an der die spiralförmige Verbindungsnut
13 in der Zylinderwandung 11 verschwindet. Ein Verdrehen des walzenförmigen Drehschiebers
12 bewirkt dabei, daß diese Stelle in Zylinderachsrichtung entweder nach oben oder
nach unten verschoben wird. Solchen Veränderungen der Stellung der Verbindungsnut
13 bezüglich des Druckmittelarbeitsraums 15 folgt der Verstellkolben 10 sehr schnell,
zumindest innerhalb eines Arbeitstaktes. Der Nebenkolben 7 führt, insbesondere wenn
eine den Verstellkolben 10 entgegen der Druckbeaufschlagung des Druckmittelarbeitsraums
15 belastende Rückstellfeder nicht vorhanden ist, eine ständige Auf- und Abbewegung
während des Arbeitstaktes aus, indem der Nebenkolben 7 während des Ansaugtaktes
durch den in den Verbrenn1lngsräumen 4, 5 entstehenden Unterdruck axial in der Zeichnung
nach unten gezogen wird und während des Verdichtungstaktes durch den in'. den Verbrennungsräumen
entstehenden Verdichtungsdruck wieder nach oben zurückgedrückt wird.
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Die Rückverstellung des Nebenkolbens 7 und des mit diesem verbundenen
Verstellkolbens 10 erfolgt dabei aber nur solange, bis keine Verbindung mehr zwischen
dem Druckmittelarbeitsraum 15 und dem Auslaßraum
20 über die Verbindungsnut
13 vorhanden ist und folglich in dem Druckmittelarbeitsraum 15 ein hydraulisches,
eine weitere Rückverstellung des Verstellkolbens 10 verhinderndes Anschlagpolster
entsteht, das ständig über die Pumpe 18 und das Rückschlagventil 17 mit Druckmittel
versorgt wird.
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Unter Bezugnahme auf die Figur 3 zeigt sich dabei, daß auf dem letzten
Teil der Rückverstellung des Verstellkolbens 10 eine durch die Verbindungsnut 13
gebildete dreieckförmige Druckmittelauslaßöffnung 23 entsteht, die beginnend von
der mit ausgezogenen Linien eingetragenen Stellung des Verstellkolbens 10 bis zu
der mit unterbrochenen Linien eingetragenen Endstellung immer kleiner wird und so
der Druckmittelauslaß zunehmend gedrosselt wird. Diese Drosselung des Druckmittelauslasses
bewirkt einen relativ weichen Anschlag des Verstellkolbens 10 in seiner Endstellung
und verhindert einen harten Aufschlag auf dem hydraulischen unnachgiebigen Polster
des Druckmittelarbeitsraums 15.
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Der ständige Durchfluß des Druckmittels durch den Drucknittelarbeitsraum
15, die Verbindungsnut 13 und den Auslaßraum 20, der zumindest solange erfolgt,
wie der Verstellkolben 10 nicht in seiner höchsten, in der Figur 3 mit unterbrochenen
Linien angedeuteten Stellung steht, bewirkt im übrigen eine günstige Kühlung des
Nebenkolbens 7 und der in diesem gehaltenen Zündkerze 9.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß der wal zenförmige Drehschieber
12 am äußeren Rand des Verstellkolbens 10 in der teilzylindrischen Ausnehmung 25
geführt ist. Dieses Ineinandergreifen der Bauteile führt zu einer sicheren und eindeutigen
Fixierung des Verstellkolbens 10 und damit auch des Nebenkolbens 7 in Umfangsrichtung.
Dies ist besonders dann wichtig, wenn der dem Nebenbrennraum 5 zugewandte Boden
des Nebenkolbens 7 eine unsymmetrische Ausbildung, etwa wegen einer Schrägstellung
der Achse des Nebenzylinders 6 bezüglich der Achse des Hauptzylinders 1 aufweist.
In diesem Fall ist eine Fixierung des Nebenkolbens in Umfangsrichtung erforderlich,
um bei den vorhandenen engen Toleranzen ein Aufschlagen des Nebenkolbens auf den
Hauptkolben zu verhindern.