DE3414041A1

DE3414041A1 - Device for limiting the peak pressures in piston engines by means of pistons sprung against the crankshaft drive

Info

Publication number: DE3414041A1
Application number: DE19843414041
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 8000 München Gohle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-13
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1984-10-18

Abstract

In order to improve the economy of piston engines at partial load a piston (1) sprung against the crankshaft drive is proposed, which at high pressure yields on the upper side of the piston according to the spring constant of the spring (2) and thus limits the pressure increase at tdc. The spring is arranged in the piston or in the connecting rod (4), preloaded towards a basic position with a damping element (5), has a degressive spring characteristic and is so designed that no disturbing resonances occur. By means of this device a high compression ratio is possible without the disadvantages otherwise associated with this, which is advantageous especially at partial load. Spark ignition engines at full load take on an operating sequence like that of the diesel engine, whilst in the latter it is possible to run with less excess air at partial load. <IMAGE>

Description

Vorrichtung zur Begrenzung'der Spitzendrücke bei Kolbenmotoren durch gegen den Kurbeltrieb abgefederte KolbenDevice to limit the peak pressures in piston engines Pistons sprung against the crank mechanism

Anlage 2 zur Anmeldung Herbert Gohle vom 13. 4. 1984 Annex 2 to the registration of Herbert Gohle from April 13, 1984

Bei Kolbenmotoren treten im Zylinder am oberen Totpunkt z.T. sehr hohe Drücke auf, deren Größe wesentlich vom Verdichtungsverhältnis und der Füllung abhängt.In the case of piston engines, there are sometimes very high levels in the cylinder at top dead center Pressures, the size of which depends largely on the compression ratio and the filling.

Dabei ist eine gewisse Größe dieses Spitzendrucks zur Einleitung einer geordneten Verbrennung durchaus erwünscht. Es wäre aber andererseits wünschenswert, diesen Spitzendruck ohne Leistungsverlust bei großen Füllungen zu begrenzen, um bei allen Betriebszuständen vom Leerlauf bis zur Vollast etwa gleiche Verhältnisse zu haben. Das .ist wichtig, um einmal den Verbrennungsablauf optimieren zu können, zum anderen um unerwünschte Nebeneffekte wie Materialbeanspruchung durch die großen Kräfte oder die Bildung von Stickoxyden zu vermeiden. Dabei spielen die'Punkte: Optimierung des Verbrennungsablaufs und Vermeidung von Schadstoffaussstoß eine Rolle in der augenblicklichen Umweltdiskussion. Der Wirkungsgrad und damit der Kraftstoffverbrauch kann durch die Optimierung des Verbrennungsablaufs noch verbessert werden und ist sicher bei Teillast durch die höhere Verdichtung besser. Eine Reduktion der Kräfte im Kurbeltrieb wird zudem zur Konstruktion leichterer Motoren und zur Verringerung der Geräuschemission führen.There is a certain size of this peak pressure to initiate a orderly combustion is definitely desirable. On the other hand, it would be desirable to maintain this peak pressure without a loss of performance at large To limit fillings in order to have approximately the same conditions in all operating states from idling to full load. That .is important to once To be able to optimize the combustion process, on the other hand to avoid undesirable side effects such as material stress due to the great forces or the Avoid formation of nitrogen oxides. The points play a role here: Optimization the combustion process and the avoidance of pollutant emissions play a role in the current environmental discussion. The efficiency and thus the Fuel consumption can be improved by optimizing the combustion process and is safe at partial load thanks to the higher compression better. A reduction in the forces in the crank drive will also lead to the construction of lighter engines and a reduction in noise emissions.

Diese Überlegungen gelten für saugende oder aufgeladene Otto- und Diesel-Motoren in gleicher Weise. Gerade bei den aufgeladenen Motoren ist der Unterschied zwischen den extremen Betriebszuständen, also Leerlauf und Vollast, besonders groß, so daß hier eine Lösung der damit verbundenen Probleme besonders dringlich ist.These considerations apply equally to naturally aspirated or supercharged Otto and diesel engines. Especially with the supercharged engines the difference between the extreme operating conditions, i.e. idling and full load, is particularly great, so that here is a solution to the associated Problems is particularly urgent.

Zur Lösung dieser Probleme gibt es bereits verschiedene Vorrichtungen, die auf einer lastabhängigen Veränderung des Verdichtungsverhältnisses beruhen. Die bekannteste ist der sogen. Bicera-Kolben, der den Abstand Kolbenbolzen/Kolbenboden über Öldruck abhängig vom Spitzendruck regelt. Dieser Abstand bleibt über die ganze Kurbelwellenumdrehung konstant.To solve these problems, there are already various devices that are based on a load-dependent change in the compression ratio. The best known is the so-called. Bicera flask that covers the distance The piston pin / piston crown regulates the oil pressure depending on the peak pressure. This distance remains constant over the entire revolution of the crankshaft.

Die hier vorgestellte Erfindung verändert diesen Abstand unmittelbar durch den momentanen Druck auf der Oberseite des Kolbens (1) mittels einer Feder (2), die entweder im Kolben oder in der als Teleskop ausgebildeten Pleuelstange (4) untergebracht ist. Diese Feder (2) verhindert durch ihre Einfederung, daß der Druck am oberen Totpunkt auf den vollen, durch das Verdichtungsverhältnis bestimmten Wert ansteigt. In dieser Feder wird im. o.T. durch weitere Einfederung auch ein Teil der Verbrennungsenergie gespeichert, die erst später an den Kurbeltrieb abgegeben wird. Dadurch verbessert sich das Drehmoment, so daß die Leistung bei niedrigerem Spitzendruck abgegeben werden kann. Darin besteht die Verbesserung gegenüber den bekannten Vorrichtungen.The invention presented here changes this distance directly the current pressure on the top of the piston (1) by means of a spring (2), which is either in the piston or in the telescope Connecting rod (4) is housed. This spring (2) prevents the compression at the top dead center from being reduced to the full by the Compression ratio increases certain value. In this pen, im. o.T. through further compression also part of the combustion energy stored, which is later transferred to the crank drive. Through this the torque improves so that the power can be delivered at a lower peak pressure. That is the improvement over the known devices.

Die Feder (2) soll gegen eine Grundstellung vorgespannt sein, so daß sie erst ab einem bestimmten Druck ein Einfedern zuläßt. Beim Zurückfedern in diese Grundstellung muß der Kolben durch ein Dämpfungsglied (5) abgebremst werden - hier eine ölgefüllte Vertiefung aus der das Öl verdrängt wird. Das Ganze wird so eingestellt, daß bei Leerlauffüllung gerade noch kein Einfedern stattfindet und trotzdem ein für die Verbrennung günstiger Druck vorhanden ist. Bei Vollast und voller Einfederung ist der Druck natürlich größer, erreicht aber bei weitem nicht den Wert eines konventionellen Motors. Dieser Punkt kann durch die Größe des Federweges eingestellt werden.The spring (2) should be biased towards a basic position so that it only allows compression from a certain pressure. When springing back into this basic position, the piston must be braked by a damping element (5) - here an oil-filled depression from which the oil is displaced. The whole thing is set in such a way that when the engine is idling, there is just no Compression takes place and a pressure favorable for combustion is still present. At full load and full deflection, the pressure is natural larger, but nowhere near the value of a conventional one Engine. This point can be adjusted by the size of the spring travel.

In einem solchen System (Masse-Feder) treten durch die Massenkräfte auch Schwingungen auf. Im ersten Fall (Feder im Kolben) ist die Masse des KolbensIn such a system (mass-spring) occur through the mass forces also Vibrations on. In the first case (spring in piston) is the mass of the piston

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mit einem Teil der darinbefindlichen Feder (Tellerfeder) abzufedern, im zweiten Fall der Kolben mit Kolbenbolzen (3) und einem Teil der Pleuelstange (4) mit Feder. Die Eigenfrequenz dieses Systems muß, um Resonanz zu vermeiden, etwa auf das 10-fache der größten Drehzahl gelegt werden. Das wäre z.B. bei max.η = 6000/min: 1000 Hz. Dann besteht nur bei kleinen Einfederungen bei voller Drehzahl Resonanz, wo sie nicht stört. Diese Bedingung beeinflußt die Einstellbarkeit des maximalen Drucks bei Vollast. In dem Beispiel mit η = 6000/min'ergäbe sich bei 100g abgefederter Masse eine Federkonstante von c = 40 kN/cm. Diese Feder ist auf rd. 10 kN vorzuspannen. Demgegenüber spielt die Massenkraft des abgefederten Teils des Kolbens an den Totpunkten -(rd.- 5,5 kN bei voller Drehzahl) keine große Rolle. Für eine derart steife Federung sind Tellerfedern geeignet. Bei großer Füllung und damit großer Einfederung muß die Eigenfrequenz nicht so hoch liegen, so daß eine degressive Federkennlinie sinvoll ist. Das ergibt gleichzeitig einen gleichmäßigeren Druckverlauf über die Füllung.cushion with part of the spring inside (plate spring), in second case the piston with piston pin (3) and part of the connecting rod (4) with spring. The natural frequency of this system must be in order to resonate Avoid being set to around 10 times the highest speed. That would be e.g. at max.η = 6000 / min: 1000 Hz. Then only applies to small Compression at full speed resonance where it does not interfere. This condition affects the adjustability of the maximum pressure at full load. In the example with η = 6000 / min 'there would be a cushioned mass for 100g a spring constant of c = 40 kN / cm. This spring must be pretensioned to around 10 kN. In contrast, the inertial force of the sprung part of the Pistons at the dead centers - (around 5.5 kN at full speed) not a large one Role. Disk springs are suitable for such a stiff suspension. The natural frequency does not have to be that way with a large filling and thus large deflection are high, so that a degressive spring characteristic is useful. At the same time, this results in a more even pressure curve over the filling.

Außer daß mit dieser Vorrichtung eine Reduktion des Schadstoffausstoßes und der Kräfte im Kurbeltrieb sowie ein günstigerer Drehmomentenverlauf gegenüber herkömmlichen Motoren erreicht wird, kann auch auf hochklopffeste Treibstoffe verzichtet werden, da die hohen Drücke nicht mehr auftreten.Except that with this device a reduction in pollutant emissions and the forces in the crank drive and a more favorable torque curve compared to conventional engines can also be achieved on high-knock-resistant Fuels are dispensed with, since the high pressures no longer occur.

Bei Vollast ist der Prozessablauf durch das fülligere p/v-Diagramm dem Diesel-Prozess ähnlich und hat dessen günstigen Drehmomentenverlauf bei geringerem Spitzendruck. Bei Dieselmotoren kann mit dieser Vorrichtung im Teillastbereich mit weniger Luftüberschuß gefahren werden, da das höher mögliche Verdichtungsverhältnis auch bei geringer Füllung die Zündtemperatur sicher erreichen läßt ohne daß überhöhte Spitzendrücke bei Vollast in Kauf ^¹ genommen werden müssen. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit unter Teillast I erhöht.At full load, the process sequence is similar to the diesel process due to the fuller p / v diagram and has its favorable torque curve at lower peak pressure. In diesel engines, this device can be operated with less excess air in the partial load range, since the higher possible compression ratio allows the ignition temperature to be reached reliably even with a low filling without having to accept excessive peak pressures at full load ^ ¹ . This increases the economy under partial load I.

Claims

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Claims

.- /: -. "-: 34U041 Device for limiting the peak pressures in piston engines by means of pistons sprung against the crank mechanism. Appendix 3 to the Herbert Gohle application from April 13, 1984 claims

1.) Device for limiting the peak pressures in piston engines ^ - / consisting of a spring (2) inserted into the power flow between the piston (1) and the crank mechanism (connecting rod, 4), characterized in that it starts at a certain pressure the top of the piston, yields, and thus limits the pressure increase and converts the gelch chamber combustion, which otherwise takes place at tdc with an increase in pressure, into a constant pressure combustion, whereby the p / v diagram becomes fuller.

2. Device according to claim 1, characterized in that the spring (2) in the "piston, or in the designed as a telescope Connecting rod (4) can be arranged.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the spring (2) is dimensioned so that no disruptive resonances in the vibratory system (cushioned mass / spring) occur.

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that by a degressive characteristic curve of the spring (2) the upper limit point of the pressure can be set at a given resonance frequency. I.

5. The device according to claim 1, characterized in that the < spring (2) is biased against a basic position and that when springing back into this basic position before the stop, a damping member (5) is effective, which consists of an oil-filled approximately conical recess, In which an approx. conical mandrel is immersed and the oil is displaced from it. The oil is constantly being replaced from the circulating lubrication.

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