Verdichtungsverhältnis

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Brennkraftmaschinen sind zum Beispiel aus der US-A-4 517 931 oder aus der EP-A-1 760 289 bekannt und werden häufig als Brennkraftmaschinen mit verlängertem Expansionshub oder wie in der US-A-4 517 931 bzw. der EP-A-1 760 289 als Brennkraftmaschinen mit variablem Kolbenhub (stroke variable engine) bezeichnet, wobei jedoch diese letztere Bezeichnung eigentlich unzutreffend ist, da sich der Kolbenhub der aus der US-A-4 517 931 bzw. der EP-A-1 760 289 bekannten Brennkraftmaschine im Betrieb der Brennkraftmaschine nicht verändern lässt.

Grundsätzlich ist es jedoch nicht nur bei konventionellen Brennkraftmaschinen sondern auch bei Brennkraftmaschinen mit verlängerter Expansion von Vorteil, wenn man das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine verändern oder verstellen kann, weil sich unter anderem durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei niedriger und mittlerer Last der Kraftstoffverbrauch verringern lässt. Zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses wurde bereits eine ganze Reihe von möglichen Maßnahmen vorgeschlagen, die jedoch zumeist sehr aufwendig zu realisieren sind.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich das Verdichtungsverhältnis im Betrieb der Brennkraftmaschine auf verhältnismäßig einfache Weise verändern lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine eine Phasenverstelleinrichtung umfasst, mit der sich die gegenseitige Phasenbeziehung der Kurbelwelle und der Exzenterwelle bei Bedarf verändern lässt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Veränderung der Phasenbeziehung der Exzenterwelle und der Kurbelwelle, d.h. eine Veränderung der Phasenlage der Exzenterwelle in Bezug zu derjenigen der Kurbelwelle, zu einer Veränderung der Lage des oberen Totpunkts beim Zünden (ZOT) und damit zu einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses führt, die sich bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art mit Vorteil zur gezielten Verstellung des Verdichtungsverhältnisses nutzen lässt. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Phasenverstelleinrich- tung eine Verstellung der gegenseitigen Phasenbeziehung der Kurbelwelle und der Exzenterwelle in zwei verschiedene Endstellungen gestattet, wodurch der konstruktive Aufwand für die Herstellung der Phasenverstelleinrichtung geringer ist als für eine Verstellung der gegenseitigen Phasenbeziehung in beliebige Stellungen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Drehwinkel zwischen den beiden Endstellungen etwa 15 bis 20 Grad und vorzugsweise etwa 17 bis 18 Grad, wodurch sich durch Umschaltung der Phasenverstelleinrichtung zwischen den beiden Endstellungen wahlweise ein Verdichtungsverhältnis ε von etwa 9 bzw. von etwa 12 einstellen lässt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Phasenverstelleinrichtung ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement, ein drehfest mit der Exzenterwelle verbundenes Abtriebselement sowie einen Stellantrieb umfasst, mit dem sich die Phasenbeziehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement verändern lässt.

Der Stellantrieb kann zweckmäßig entweder ein hydraulischer oder elektromechanischer Stellantrieb sein. Ein hydraulischer Stellantrieb wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo eine Phasenverstelleinrichtung in Flügelzellenbauweise verwendet wird, bei der das Antriebselement einen äußeren Rotor und das Abtriebselement einen inneren Rotor umfasst, der mittels des Stellantriebs um ein begrenztes Maß in Bezug zum äußeren Rotor verdrehbar und zweckmäßig in den beiden Endstellung arretierbar ist.

Ein elektromechanischer Stellantrieb wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo eine Phasenverstelleinrichtung in Axialkolbenbauweise oder in Form eines Dreiwellengetriebes verwendet wird, das beispielsweise ein Taumelscheibengetriebe, ein Doppel- und/oder Innenexzentergetriebe, ein Zykloidgetriebe oder ein Harmonic-Drive-Getriebe sein kann. In diesem Fall umfasst die Phasenverstelleinrichtung neben der Kurbelwelle bzw. dem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebselement und der Exzenterwelle bzw. dem mit der Exzenterwelle verbundenen Abtriebselement zweckmäßig ein über eine Stellwelle mit dem Stellantrieb verbundenes Stellorgan, das durch Stromzufuhr zum Stellantrieb verdreht werden kann, um die Phasenbeziehung zwischen der Kurbelwelle und der Exzenterwelle bzw. dem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebselement und dem mit der Exzenterwelle verbundenen Abtriebselement zu verändern. Um bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine zu gewährleisten, dass der Expansions- und Ausstoßhub, d.h. der Kolbenhub beim Expansions- und Ausstoßtakt, größer ist als der Ansaug- und Verdichtungshub, d.h. der Kolbenhub beim Ansaug- und Verdichtungstakt, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Kurbelwelle die Exzenterwelle mit einem Untersetzungsverhältnis von 2 : 1 und mit entgegengesetzter Drehrichtung treibt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von Teilen einer Brennkraftmaschine mit verlängertem Expansionshub und verstellbarem Verdichtungsverhältnis;

Fig. 2 eine perspektivische Stirnseitenansicht von wesentlichen, zur Verlängerung des Expansionshubs dienenden Teilen der Brennkraftmaschine aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene Stirnseitenansicht der Brennkraftmaschine mit wesentlichen, zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses dienenden Teilen;

Fig. 4 eine teilweise weggeschnittene Stirnseitenansicht aus der entgegengesetzten Richtung wie Fig. 3;

Fig. 5 eine Darstellung der Verschiebung des oberen Totpunkts der Kolben der Brennkraftmaschine beim Zünden (ZOT) und beim Ladungswechsel (LOT) in Abhängigkeit von einer Phasenverschiebung zwischen der Kurbelwelle und einer Exzenterwelle der Brennkraftmaschine;

Fig. 6 eine Darstellung von Hubkurven der Kolben der Brennkraftmaschine über den Kurbelwinkel bei zwei verschiedenen Verdichtungsverhältnissen. i

Die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Viertakt-Brennkraftmaschine 1 weist ein Zylinderkurbelgehäuse 2 mit mehreren Zylindern 3 auf, in denen jeweils ein Kolben 4 auf und ab beweglich ist.

Wie am besten in Fig. 1 , 3 und 4 dargestellt, sind die Kolben 4 durch Kolbenpleuel 5 mit einer Kurbelwelle 6 der Brennkraftmaschine 1 verbunden, die in Wellenlagern des Zylin- derkurbelgehäuses 2 um eine Drehachse 7 drehbar gelagert ist. Das obere Ende jedes Kolbenpleuels 5 ist gelenkig mit dem zugehörigen Kolben 4 verbunden, während sein unteres gabelförmige Stirnende 8 auf entgegengesetzten Endabschnitten 9 eines Bolzens 10 gelagert ist. Der Bolzen 10 steht in axialer Richtung der Kurbelwelle 6 nach entgegengesetzten Seiten über ein zwischen zwei Schenkel des gabelförmigen Stirnendes 8 des Kolbenpleuels 5 eingreifendes freies Ende eines kurzen Hubarms 11 eines an der Kurbelwelle 6 montierten Koppelgliedes 19 über.

Im Unterschied zu konventionellen Brennkraftmaschinen, bei denen der Kolbenhub über sämtliche Takte hinweg dieselbe Länge besitzt, ist bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 die Hubhöhe der Kolben 4 während des Expansions- und Ausstoßtaktes länger als während des Ansaug- und Verdichtungstaktes, wie am besten in Fig. 6 dargestellt. In dieser Figur zeigt die Kurve KW1 den Kolbenweg von einem der Kolben 4 der Brennkraftmaschine 1 über den Kurbelwinkel der Kurbelwelle 6 bei einem Verdichtungsverhältnis von ε = 9 bezogen auf den Ansaughub, wobei ein Kolbenweg von 0 dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens 5 entspricht.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, bewegt sich der Kolben 4 nach der Zündung des Kraftstoff- Luft-Gemischs im Brennraum des Zylinders 3 bei einem Kurbelwinkel von 360 Grad während des Expansions- und Ausstoßtaktes beiderseits des mit VI bezeichneten Bereichs im Zylinder 3 erheblich weiter nach unten als während des der Zündung vorangehenden Ansaug- und Verdichtungstaktes, der sich beiderseits des mit Il bezeichneten Bereichs erstreckt. Mit anderen Worten wird der untere Totpunkt (UT) während des Expansionsund Ausstoßtakts nach unten verschoben, wodurch das Verdichtungsverhältnis ε während des Expansions- und Ausstoßtaktes größer als das Verdichtungsverhältnis ε während des Ansaug- und Verdichtungstaktes wird. Dabei ist das Verdichtungsverhältnis in bekannter Weise definiert als

V _h + V _c ε =

V,

wobei V _h das Hubvolumen und V _c das Kompressionsvolumen ist.

Da das Hubvolumen V _h während des Expansions- und Ausstoßtaktes ebenfalls größer als das Hubvolumen V _h während des Ansaug- und Verdichtungstaktes ist, ergeben sich bei der Brennkraftmaschine 1 mit verlängertem Expansionshub unterschiedliche Verdich- tungsverhältnisse ε bezogen auf den Expansions- oder Ausdehnungshub und bezogen auf den Ansaughub.

Um die in Fig. 6 dargestellte alternierende Kolbenhubkurve KW1 mit verlängerter Expansion zu erhalten, wird der durch die Drehung der Kurbelwelle 6 hervorgerufenen Bewegung der Kolbenpleuel 5 eine zusätzliche Bewegungskomponente überlagert.

Dies erfolgt mit Hilfe einer Exzenterwelle 12, die eine zur Drehachse 7 der Kurbelwelle parallele Drehachse 13 aufweist, neben und unterhalb der Kurbelwelle 6 im Zylinderkurbelgehäuse 2 drehbar gelagert ist und sich mit umgekehrter Drehrichtung wie die Kurbelwelle 6 dreht. Die Exzenterwelle 12 wird einerseits von der Kurbelwelle 6 über ein Zahnraduntersetzungsgetriebe mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 6 drehend angetrieben und ist andererseits mit der Kurbelwelle 6 über eine der Anzahl der Kolbenpleuel 5 entsprechende Anzahl von Anlenkpleueln 14 verbunden, die ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 5 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 6 und der Exzenterwelle 12 etwa in derselben Ebene wie die Kolbenpleuel 5 angeordnet sind.

Das Zahnraduntersetzungsgetriebe zum Antreiben der Exzenterwelle 12 umfasst ein erstes, drehfest auf der Kurbelwelle 6 montiertes Zahnrad 15 und ein zweites auf der Exzenterwelle 12 montiertes Zahnrad 16, die miteinander im Zahneingriff stehen. Um das gewünschte Untersetzungsverhältnis von 2 : 1 zu erzielen, beträgt die Zähnezahl des zweiten Zahnrades 16 das Doppelte der Zähnezahl des ersten Zahnrades 15.

Wie am besten in Fig. 3 und 4 dargestellt, ist das untere Ende von jedem Anlenkpleuel 14 schwenkbar auf einem Wellenabschnitt 17 der Exzenterwelle 12 gelagert, der in Bezug zur Drehachse 13 der Exzenterwelle 12 exzentrisch ist. Das obere Ende von jedem Anlenkpleuel 14 greift oberhalb der Exzenterwelle 12 zwischen zwei Schenkel 18 eines gabelförmigen Stirnendes eines zur Seite hin über die Kurbelwelle 6 überstehenden längeren Arms des Koppelgliedes 19 ein, wo es auf einem die Schenkel 18 verbindenden Drehzapfen 20 mit einer zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 6 parallelen Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. Die zu den einzelnen Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 zugehörigen exzentrischen Wellenabschnitte 17 sind in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 12 um einen Splitwinkel gegeneinander versetzt, um der Zündfolge der Zylinder 3 Rechnung zu tragen. Dadurch wird erreicht, dass derjenige Zylinder 3, in dem das Kraft- stoff/Luft-Gemisch gerade gezündet wird, den Expansionshub länger macht. Abgesehen von dem verlängerten Expansionshub kann durch die beschriebene Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 5 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder 3 während der Drehung der Kurbelwelle 6 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 4 und Zylinderwänden der Zylinder 3 führt und somit auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Energieübertragung von den Kolben 4 auf die Kurbelwelle 6 zur Folge hat.

Um darüber hinaus auch noch eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ε der Brennkraftmaschine 1 zu ermöglichen, ist zwischen der Kurbelwelle 6 und der Exzenterwelle 12 eine Phasenverstelleinrichtung 21 vorgesehen, mit der sich die Phasenbeziehung zwischen der Exzenterwelle 12 und der Kurbelwelle 6 bzw. die Phasenlage der Exzenterwelle 12 in Bezug zur Kurbelwelle 6 verstellen lässt.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist die Phasenverstelleinrichtung 21 in Flügelzellenbauart ausgebildet. Wie am besten in Fig. 3 dargestellt, um- fasst die Phasenverstelleinrichtung 21 einen hohlen äußeren Rotor 22, der drehfest mit dem Zahnrad 16 verbunden ist, und einen im Inneren des hohlen äußeren Rotors 22 angeordneten inneren Rotor 23, der drehfest mit der Exzenterwelle 12 verbunden ist. Der innere Rotor 23 weist eine Mehrzahl von radial nach außen überstehenden Flügeln 24 auf, die dichtend gegen den inneren Umfang des hohlen äußeren Rotors 22 anliegen, während der äußere Rotor 22 eine Mehrzahl von radial nach innen überstehenden Vorsprüngen 25 aufweist, die dichtend gegen den äußeren Umfang einer Nabe 26 des inneren Rotors 23 anliegen. Auf entgegengesetzten Seiten der Flügel 24 des inneren Rotors 23 werden zwischen diesen und den Vorsprüngen 25 des äußeren Rotors 22 zwei Gruppen von Öldruckkammern 27, 28 begrenzt, in die mittels eines hydraulischen Stellantriebs (nicht dargestellt) Drucköl zugeführt werden kann, um den inneren und äußeren Rotor 23, 22 in Bezug zueinander zwischen zwei Endstellungen zu verdrehen. Die gegenseitige Verdrehung der beiden Rotoren 22, 23 in Bezug zueinander wird in den beiden Endstellungen durch das gegenseitige Anschlagen der Flügel 24 des inneren Rotors 23 und der Vorsprünge 25 des äußeren Rotors 22 begrenzt, wobei der Drehwinkel zwischen den Endstellungen etwa 17 bis 18 Grad beträgt.

Das gegenseitige Verdrehen des inneren und äußeren Rotors 23, 22 durch Zufuhr von Drucköl in eine der beiden Gruppen von Öldruckkammern 27, 28 und die Abfuhr von Drucköl aus der anderen Gruppe von Öldruckkammern 28, 27 führt zu einer Veränderung der Phasenbeziehung zwischen der Exzenterwelle 12 und der Kurbelwelle 6. Dies hat eine Veränderung der Ausrichtung der Anlenkpleuel 14 in Bezug zu den Kolbenpleu- ein 5 zur Folge, wodurch sich der obere Totpunkt beim Zünden (ZOT) und der oberen Totpunkt beim Ladungswechsel (LOT) entlang von zwei entgegengesetzt geneigten Kurven verschieben, wie in Fig. 5 dargestellt.

Wie man Fig. 5 entnehmen kann, ist für eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε bezogen auf den Ansaughub zwischen einem Wert von ε = 9 und einem Wert von ε = 12 eine Veränderung der Phasenlage der Exzenterwelle 12 in Bezug zur Kurbelwelle 6 von etwa 17 bis 18 Grad erforderlich, wobei das Verdichtungsverhältnis ε zunimmt, wenn die Phasenlage der Exzenterwelle 12 in Bezug zur Kurbelwelle 6 in negativer Richtung, d.h. in Richtung eines Nachlaufs der Exzenterwelle 12, verschoben wird, während das Verdichtungsverhältnis ε abnimmt, wenn die Phasenlage der Exzenterwelle 12 in Bezug zur Kurbelwelle 6 in positiver Richtung, d.h. in Richtung eines Vorlaufs der Exzenterwelle 12, verschoben wird.

Fig. 6 zeigt anhand der Kurve KW2 die Auswirkungen einer Phasenverstellung der Exzenterwelle 12 in negativer Richtung um 17 bis 18 Grad ausgehend von der Kolbenhubkurve KW1 , die sich bei einem Verdichtungsverhältnis von ε = 9 bezogen auf den Ansaughub ergibt. Wie man durch Vergleich der Kurve KW2 mit der Kurve KW1 sieht, verschiebt sich durch eine solche Verstellung der Kolbenweg am oberen Totpunkt beim Zünden (ZOT) nach oben, wodurch sich an Stelle eines Verdichtungsverhältnisses von ε = 9 (Kurve KW1) ein Verdichtungsverhältnis von ε = 12 (Kurve KW2) bezogen auf den Ansaughub ergibt.

Das in Fig. 6 ebenfalls sichtbare Absinken des oberen Totpunkts beim Ladungswechsel (LOT) ist für den letzteren lediglich von untergeordneter Bedeutung.

BEZUGSZEICHENLISTE

Brennkraftmaschine

Zylinderkurbelgehäuse

Zylinder

Kolben

Kolbenpleuel

Kurbelwelle

Drehachse Kurbelwelle gabelförmiges Stirnende Kolbenpleuel

Endabschnitte Bolzen

Bolzen

Hubarm

Exzenterwelle

Drehachse Exzenterwelle

Untersetzungsgetriebe

Zahnrad

Zahnrad exzentrischer Wellenabschnitt

Schenkel Koppelarm

Koppelglied

Schwenkzapfen

Phasenverstelleinrichtung äußerer Rotor innerer Rotor

Flügel innerer Rotor

Vorsprünge äußerer Rotor

Nabe innerer Rotor

Öldruckkammergruppe

Öldruckkammergruppe