DE102019112294A1

DE102019112294A1 - Reciprocating engine with variable compression ratio

Info

Publication number: DE102019112294A1
Application number: DE102019112294.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Podworny
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2019-07-25
Also published as: DE102018111435A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine (10), insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, und einen Pleuel (18) für eine solche Hubkolbenmaschine (10). Die Hubkolbenmaschine umfasst eine Kurbelwelle (14), mindestens einen von der Kurbelwelle (14) bewegbaren Pleuel (18), der einen Pleuelschaft (26) aufweist, einen von dem Pleuel (18) getragenen Verdichtungskolben (34), vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters (38) und eines Verstellmechanismus (42) verstellbar ist, wobei der Verstellmechanismus (42) mindestens einen in einem Stützzylinder (46, 48) des Pleuels (18) verfahrbaren Stützkolben (50, 52) aufweist, der in einem in dem Pleuelshaft (26) befindlichen Stützzylinder (46, 48) angeordnet ist, und ein mechanisches Mittel (66) zum Aufbringen eines Drehmomentes auf den Exzenter (38).

The invention relates to a reciprocating piston engine (10), in particular an internal combustion engine, with a variable compression ratio, and a connecting rod (18) for such a reciprocating piston engine (10). The reciprocating piston engine comprises a crankshaft (14), at least one connecting rod (18) movable by the crankshaft (14) and having a connecting rod shank (26), a compression piston (34) carried by the connecting rod (18), preferably a combustion chamber piston an eccentric (38) and an adjusting mechanism (42) is adjustable, wherein the adjusting mechanism (42) at least one in a support cylinder (46, 48) of the connecting rod (18) movable support piston (50, 52), in one in the Pleuelshaft (26) located supporting cylinder (46, 48) is arranged, and a mechanical means (66) for applying a torque to the eccentric (38).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis und einen Pleuel für eine solche Hubkolbenmaschine.The invention relates to a reciprocating engine with a variable compression ratio and a connecting rod for such a reciprocating engine.

Aus der US 2017/0082021 A1 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt, bei welcher mittels eines Exzenters der Verdichtungskolben über zwei in einem Pleuel verfahrbaren Stützkolben verstellbar ist, so dass ein Verdichtungsverhältnis veränderbar ist.From the US 2017/0082021 A1 is a reciprocating engine is known in which by means of an eccentric compression piston via two movable in a connecting rod support piston is adjustable, so that a compression ratio is variable.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, umfasst eine Kurbelwelle, mindestens einen von der Kurbelwelle bewegbaren Pleuel, der einen Pleuelschaft aufweist, einen von dem Pleuel getragenen Verdichtungskolben, vorzugsweise einem Brennkammerkolben, der mittels eines Exzenters und eines Verstellmechanismus verstellbar ist, wobei der Verstellmechanismus mindestens einen in einem Stützzylinder des Pleuels verfahrbaren Stützkolben aufweist, der in einem in dem Pleuelshaft befindlichen Stützzylinder angeordnet ist, und ein mechanisches Mittel zum Aufbringen eines Drehmomentes auf den Exzenter. Unter einem mechanischen Mittel wird dabei ein zusätzliches Bauteil verstanden, welches allein durch seine Anordnung in der Hubkolbenmaschine eine Kraft und damit ein Drehmoment auf den Exzenter ausübt. Durch das Drehmoment wird dadurch eine Vorspannung auf den Exzenter und damit auf den Verdichtungskolben aufgebracht. Das Drehmoment auf den Exzenter wird dabei vorzugsweise permanent aufgebracht. Die an dem Exzenter ungleich wirkenden Kräfte können dadurch ausgeglichen werden.The reciprocating piston engine according to the invention, in particular an internal combustion engine with a variable compression ratio, comprises a crankshaft, at least one connecting rod movable by the crankshaft, having a connecting rod shaft, a compression piston carried by the connecting rod, preferably a combustion chamber piston which is adjustable by means of an eccentric and an adjusting mechanism wherein the adjusting mechanism comprises at least one supporting piston displaceable in a supporting cylinder of the connecting rod, which is arranged in a supporting cylinder located in the connecting rod, and a mechanical means for applying a torque to the eccentric. Under a mechanical means while an additional component is understood, which exerts only by its arrangement in the reciprocating engine, a force and thus a torque on the eccentric. As a result of the torque, a preload is applied to the eccentric and thus to the compression piston. The torque on the eccentric is preferably applied permanently. The unequal forces acting on the eccentric can be compensated.

Dies hat den Vorteil, dass die in der Regel zum Ausgleich dieser Kräfte mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildeten Stützkolben beziehungsweise Stützzylinder aneinander angeglichen oder sogar gleich ausgebildet sein können. Durch eine Angleichung der Durchmesser muss während einer Bewegung der Stützkolben, durch eine ähnliche Volumenänderung in beiden Stützzylindern, weniger Öl dem Verstellmechanismus zu- oder abgeführt werden. Dadurch kann eine Ölunterversorgung der Stützzylinder oder von Lagern vermieden werden. Auch kann durch die Vorspannung des Exzenters und damit die Verringerung der Kolbendurchmesser die Größe des Pleuels reduziert werden, wodurch dieses in bauraumkritischen Bereichen einsetzbar ist und Material eingespart wird, so dass der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen gesenkt werden können.This has the advantage that the usually formed to compensate for these forces with different diameters support piston or support cylinder can be matched to each other or even formed the same. By adjusting the diameters, during a movement of the support pistons, less oil must be added to or removed from the adjustment mechanism by a similar volume change in both support cylinders. As a result, an oil shortage of the support cylinder or bearings can be avoided. Also, the size of the connecting rod can be reduced by the bias of the eccentric and thus the reduction of the piston diameter, whereby this can be used in space-critical areas and material is saved, so that fuel consumption and emissions can be reduced.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bringt das mechanische Mittel ein Drehmoment in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses auf den Exzenter auf. Als ein hohes Verdichtungsverhältnis im Sinne der Erfindung wird dabei eine durch den Exzenter bewirkte Verstellung des Verdichtungskolbens bezeichnet, bei welcher dieser in Richtung eines Zylinderkopfes verstellt ist, so dass ein Brennkammervolumen reduziert ist. Das Drehmoment, das das mechanische Mittel auf den Exzenter aufbringt bewirkt dabei die vorgenannte Verstellung beziehungsweise eine Vorspannung in diese Richtung. Dadurch kann eine hydraulische Vorspannung gesenkt werden.In a preferred embodiment of the invention, the mechanical means applies a torque in the direction of a high compression ratio to the eccentric. As a high compression ratio in the context of the invention thereby caused by the eccentric adjustment of the compression piston is referred to, in which this is adjusted in the direction of a cylinder head, so that a combustion chamber volume is reduced. The torque that applies the mechanical means on the eccentric causes the aforementioned adjustment or a bias in this direction. As a result, a hydraulic bias can be lowered.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mechanische Mittel eine Feder. Als Feder wird dabei ein Bauteil verstanden, bei welchem durch elastische Verformung eine Energie speicherbar ist. Eine Feder hat den Vorteil, dass sie ein einfaches Bauteil ist, welches kostengünstig herstellbar ist. Dadurch kann auf einfache und wirtschaftliche Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden.In a further preferred embodiment, the mechanical means is a spring. As a spring while a component is understood in which by elastic deformation energy can be stored. A spring has the advantage that it is a simple component, which is inexpensive to produce. This can be solved in a simple and economical manner, the object underlying the invention.

Vorzugsweise ist die Feder in dem Stützzylinder angeordnet und übt eine Druckkraft auf den in diesem Stützzylinder verfahrbaren Stützkolben aus. Eine Anordnung der Feder ist dadurch ohne konstruktive Änderungen des Gesamtsystems möglich, so dass die Feder kostengünstig eingebaut werden kann und in bestehende System nachrüstbar ist.Preferably, the spring is arranged in the support cylinder and exerts a compressive force on the movable in this support cylinder support piston. An arrangement of the spring is thereby possible without structural changes of the overall system, so that the spring can be installed inexpensively and can be retrofitted into existing system.

Vorteilhafterweise ist die Feder zwischen dem Verdichtungskolben und dem Verstellmechanismus angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Feder leichter und damit kostengünstiger einbaubar und wartbar ist.Advantageously, the spring between the compression piston and the adjusting mechanism is arranged. This has the advantage that the spring is easier and thus less expensive to install and maintain.

Besonders bevorzugt ist die Feder zwischen dem Verdichtungskolben und dem Exzenter angeordnet. Dabei kann die Feder vorzugsweise direkt an dem Exzenter oder alternativ an einem formschlüssig mit dem Exzenter verbundenen Exzenterhebel angreifen. Dies hat den Vorteil, dass ein Drehmoment, das auf den Exzenter wirkt noch genauer einstellbar ist.Particularly preferably, the spring between the compression piston and the eccentric is arranged. In this case, the spring can preferably act directly on the eccentric or alternatively on a form-fitting connected to the eccentric eccentric lever. This has the advantage that a torque acting on the eccentric is even more precisely adjustable.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder eine Torsionsfeder. Eine Torsionsfeder hat den Vorteil, dass sie platzsparend um den Exzenter anordenbar ist.In a preferred embodiment, the spring is a torsion spring. A torsion spring has the advantage that it can be arranged to save space around the eccentric.

Vorzugsweise weist der Verstellmechanismus zwei Stützzylinder mit verfahrbaren Stützkolben auf, wobei ein Durchmesser beider Stützzylinder gleich groß ist. Dadurch muss kein Öl dem Verstellmechanismus zu- oder abgeführt werden, so dass eine Ölunterversorgung der Stützzylinder oder von Lagern vermieden werden.Preferably, the adjustment mechanism comprises two support cylinders with movable support pistons, wherein a diameter of both support cylinders is the same size. As a result, no oil must be added to or removed from the adjustment mechanism, so that an oil shortage of the support cylinders or bearings can be avoided.

Die Erfindung umfasst zusätzlich einen Pleuel mit einem Stützzylinder und einem mechanischen Mittel für eine Hubkolbenmaschine. Mittels eines solchen Pleuels können die zu der Hubkolbenmaschine genannten Vorteile erzielt werden. The invention additionally comprises a connecting rod with a support cylinder and a mechanical means for a reciprocating engine. By means of such a connecting rod, the advantages mentioned for the reciprocating piston engine can be achieved.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt

1 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 Eine Hubkolbenmaschine mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Further advantages of the invention will become apparent from the following description of the figures of the preferred embodiments. It shows

1 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a first embodiment of the invention, and
2 A reciprocating engine with a variable compression ratio according to a second embodiment of the invention.

1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hubkolbenmaschine 10 umfasst eine Kurbelwelle 14 und einen von der Kurbelwelle 14 bewegbaren Pleuel 18. Der Pleuel 18, welcher an einem Pleuelfuß 22 an der Kurbelwelle 14 befestigt ist, weist einen Pleuelshaft 26 auf. An einem Pleuelkopf 30 trägt der Pleuel 18 einen Verdichtungs- beziehungsweise Brennkammerkolben 34, mit welchem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer (nicht gezeigt) für einen Brennvorgang komprimiert werden kann. Die Hubkolbenmaschine 10 weist zusätzlich einen Exzenter 38 auf, welcher an dem Pleuelkopf 30 über einen Kolbenbolzen 40 mit dem Verdichtungskolben 34 verbunden ist. Mittels des Exzenters 38 und eines Verstellmechanismus 42 ist ein Verdichtungsverhältnis des Verdichtungskolbens 34 verstellbar. Der Verstellmechanismus 42 weist zwei Stützzylinder 46, 48 auf, welche in dem Pleuelshaft 26 angeordnet sind. Die Stützzylinder 46, 48 können dabei einen gleichen oder einen unterschiedlichen Durchmesser D₁ , D₂ aufweisen. In jedem Stützzylinder 46, 48 ist ein Stützkolben 50, 52 verschiebbar angeordnet. Die Stützkolben 50, 52 sind über Stützstangen 54, 58 außermittig mit einem Exzenterhebel 62 verbunden, welcher formschlüssig über eine Verzahnung 64 mit dem Exzenter 38 verbunden ist. Dadurch wird der Exzenterhebel 62 und damit der Exzenter 38 bei einer Verschiebung der Stützkolben 50, 52 rotiert. In einem Stützzylinder 46 ist zwischen Stützkolben 50 und Stützzylinder 46 eine Feder 66 angeordnet, welche eine Kraft auf den Stützkolben 50 ausübt. Dadurch wird ein Drehmoment an dem Exzenterhebel 62 und damit an dem Exzenter 38 erzeugt was dazu führt, dass der Verdichtungskolben 34 in Richtung hoher Verdichtungsverhältnisse vorgespannt ist. 1 shows a reciprocating engine 10 with a variable compression ratio according to a first embodiment of the invention. The reciprocating engine 10 includes a crankshaft 14 and one from the crankshaft 14 movable connecting rod 18 , The connecting rod 18 , which is attached to a connecting rod 22 on the crankshaft 14 attached, has a Pleuelshaft 26 on. At a connecting rod 30 carries the connecting rod 18 a compression or combustion chamber piston 34 with which a fuel-air mixture can be compressed in a combustion chamber (not shown) for a combustion process. The reciprocating engine 10 also has an eccentric 38 on, which at the connecting rod 30 via a piston pin 40 with the compression piston 34 connected is. By means of the eccentric 38 and an adjustment mechanism 42 is a compression ratio of the compression piston 34 adjustable. The adjustment mechanism 42 has two support cylinders 46 . 48 on which in the Pleuelshaft 26 are arranged. The support cylinders 46 . 48 can have the same or a different diameter D ₁ . D ₂ respectively. In every support cylinder 46 . 48 is a support piston 50 . 52 slidably arranged. The support pistons 50 . 52 are over support rods 54 . 58 off-center with an eccentric lever 62 connected, which positively via a toothing 64 with the eccentric 38 connected is. This will cause the eccentric lever 62 and thus the eccentric 38 at a displacement of the support piston 50 . 52 rotates. In a support cylinder 46 is between support pistons 50 and support cylinder 46 a feather 66 arranged, which has a force on the support piston 50 exercises. As a result, a torque on the eccentric lever 62 and thus on the eccentric 38 produces what causes the compression piston 34 is biased towards high compression ratios.

2 zeigt eine Hubkolbenmaschine 10 mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Feder 66 nicht in einem Stützzylinder 46, 48 sondern zwischen dem Verdichtungskolben 34 und dem Exzenter 38 beziehungsweise dem Exzenterhebel 62 angeordnet ist. Dadurch wird ein Drehmoment auf den Exzenter 38 aufgebracht, so dass der Verdichtungskolben 34 in Richtung hoher Verdichtungsverhältnisse vorgespannt ist. 2 shows a reciprocating engine 10 with a variable compression ratio according to a second embodiment of the invention. The second embodiment differs from the first embodiment in that the spring 66 not in a support cylinder 46 . 48 but between the compression piston 34 and the eccentric 38 or the eccentric lever 62 is arranged. This will create a torque on the eccentric 38 applied so that the compression piston 34 is biased towards high compression ratios.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2017/0082021 A1 [0002]

Claims

Reciprocating piston engine (10), in particular an internal combustion engine, with a variable compression ratio, comprising - a crankshaft (14), - at least one of the crankshaft (14) movable connecting rod (18) having a connecting rod shank (26), - one of the connecting rod (18) carried compression piston (34), preferably a combustion chamber piston which is adjustable by means of an eccentric (38) and an adjusting mechanism (42), - wherein the adjusting mechanism (42) at least one in a support cylinder (46, 48) of the connecting rod (18 ) movable support piston (50, 52) disposed in a in the Pleuelshaft (26) located support cylinder (46, 48), characterized by , a mechanical means (66) for applying a torque to the eccentric (38).

Reciprocating engine (10) after Claim 1 , characterized in that the mechanical means (66) applies a torque in the direction of a high compression ratio to the eccentric (38).

Reciprocating engine (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the mechanical means is a spring (66).

Reciprocating engine (10) after Claim 3 , characterized in that the spring (66) in the support cylinder (46, 48) is arranged and a compressive force on the in this support cylinder (46, 48) movable support piston (50, 52) exerts.

Reciprocating engine (10) after Claim 3 or 4 , characterized in that the spring (66) between the compression piston (34) and the adjusting mechanism (42) is arranged.

Reciprocating engine (10) after Claim 3 or 4 , characterized in that the spring (66) between the compression piston (34) and the eccentric (38) is arranged.

Reciprocating engine (10) after Claim 5 or 6 , characterized in that the spring is a torsion spring (66).

Reciprocating piston engine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the adjusting mechanism (42) has two support cylinders (46, 48) with movable support pistons (50, 52), wherein a diameter (D ₁ , D ₂ ) of both support cylinders (46 , 48) is the same size.

Connecting rod (18) with a support cylinder (46, 48) and a mechanical means (66) according to one of the preceding claims.