Tauchkolben mit variabler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren

Abstract

 Bei einem Tauchkolben mit variabler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren sollen die Einwegeventile für die Steuerkammern (8, 9) einerseits funktionsmäßig verbessert und andererseits baulich verkleinert werden. Zu diesem Zweck sind die Einwegeventile als flexible vorzugsweise zungenförmige Lamellen (12, 18) ausgebildet. Diese Lamellen sind insbesondere einstückig an einer Membranplatte (13) angeformt. Einzelne zungenförmige Lamellen können federbelastet sein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben mit varia­bler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10.

[0002] Derartige Kolben sind beispielsweise aus der DE 27 19 043 C2 und US 32 05 878 bekannt.

[0003] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, die einzelnen Ventile funktionsmäßig zu ver­bessern. Darüber hinaus sollen diese Ventile eine möglichst kleine zu bewegende Massen besitzen und in Kolbenachsenrichtung einen möglichst kleinen Einbau­raum benötigen.

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe durch Ventile mit einem Aufbau nach den kennzeichnenden Merkmalen des An­spruchs 1 bzw. 10.

[0005] Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der je­weils nachgereichten Unteransprüche.

[0006] Die Funktion und der Aufbau der erfindungsgemäßen Ventile sowie die mit diesen Ventilen erzielbaren

[0007] Vorteile werden im Zusammenhang mit den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.

[0008] Es zeigen in der Zeichnung

Fig. 1 einen Schnitt durch einen VKH-Kolben nach der Linie I - I in Fig. 2

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie II - II in Fig. 1

Fig. 3 ein Teilschnitt durch den Kolben nach Linie III - III

Fig. 4 einen Kolben mit einer alternativen Ventil-Membranplatte halb im Schnitt nach Linie IV - IV in Fig. 4, halb in Ansicht

Fig. 5 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie V -V in Fig. 3 und 7

Fig. 6 eine Darstellung des Kolbens nach Fig. 4 mit einer alternativen Aus­führung eines der Ventile

Fig. 7 einen Schnitt nach Linie VII - VII in Fig. 4

Fig. 8 eine Ausführung eines Druckbegrenzungs­ ventiles als Ausschnitt aus Fig. 6

[0009] Die relativ in Achsrichtung gegeneinander bewegbaren Teile des Kolbens sind ein Kolbenoberteil 1 sowie ein Kolbenunterteil 2. Das Kolbenoberteil 1 besteht wie­derum aus dem Kolbenboden 3 mit den Ringnuten 4, an dem von der offenen Seite aus ein Verschlußring 5 an­gebracht ist.

[0010] Das Kolbenunterteil 2 besteht im wesentlichen aus ei­nem Grundkörper 6 mit dem Schaft und den Naben sowie einer an dem dem Kolbenboden 3 zugewandten Ende des Grundkörpers angebrachten Deckplatte 7, die radial über den Grundkörper 6 hinausragt.

[0011] Das Kolbenoberteil 1 ist auf dem Außenumfang der Deckplatte 7 längs verschiebbar geführt, wobei der Verschlußring 5 bei maximaler Kompressionshöhe an die Deckplatte 7 von unten anschlägt. Die Steuerkammer 8 des Kolbens befindet sich zwischen der Deckplatte 7 und dem Kolbenboden 3, während die Dämpfungskammer 9 durch den zwischen Deckplatte 7 und Verschlußring 5 liegenden Ringraum gebildet wird.

[0012] Das Druckbegrenzungsventil 10 für die Steuerkammer 8 befindet sich am unteren Ende des Grundkörpers 6 und ist mit der Steuerkammer 8 über eine Leitung 11 ver­bunden.

[0013] Das Drucköl-Zuführventil für die Steuerkammer 8 ist eine zungenförmige Lamelle 12, die als Einwegeventil lediglich einen Ölzufluß in die Steuerkammer 8 er­laubt, während sie einen Rückfluß sperrt.

[0014] Die Lamelle 12 ist Bestandteil einer zwischen dem Grundkörper 6 und der Deckplatte 7 eingespannten Mem­branplatte 13 aus flexiblem einheitlichem Material.

[0015] Die Funktion des als zungenförmige Lamelle 12 ausge­bildeten Ölzufuhr-Einwegeventils ist wie folgt. Die Lamelle 12 liegt bei einem nicht mit Öl beaufschlag- ten Kolben flach auf einer entsprechend gestalteten Gegenfläche des Grundkörpers 6 an. In dieser Gegen­fläche des Grundkörpers 6 befindet sich eine von der Lamelle 12 abgedeckte Öffnung einer Ölzufuhrleitung 15. Auf der der Öffnung der Ölzufuhrleitung 15 abge­wandten Seite der Lamelle 12 befindet sich in der Ab­deckplatte 7 ein Hohlraum 16, der ein Abheben der La­melle 12 erlaubt. Dieser Hohlraum 16 ist wiederum über Bohrungen 17 mit der Steuerkammer 8 verbunden. Steht an der Anströmseite der Lamelle 12 ein höherer Druck als auf der Abströmseite an, so öffnet die La­melle 12 und läßt Öl in die Steuerkammer 8 eintreten. Sobald der Druck abströmseitig in der Steuerkammer 8 größer geworden ist als derjenige Druck anströmseitig der Lamelle 12, wirkt die Lamelle rückflußsperrend.

[0016] Das Schließen der Lamelle wird durch die beim Öffnen gespeicherte Federkraft unterstützt, bzw. beschleu­nigt.

[0017] Gemeinsam mit der als Einwege-Zufuhrventil wirkenden Lamelle 12 ist an die Membranplatte 13 das die Steu­ erkammer 8 mit der Dämpfungskammer 9 verbindende Ein­wegeventil als weitere zungenförmige Lamelle 18 ange­formt. Diese Lamelle 18 deckt die Öffnung eines die Abdeckplatte 7 durchdringenden in die Steuerkammer 8 mündenden Kanals 19 ab. Zum Abheben der Lamelle 18 von der Öffnung des Kanals 19 ist in dem Grundkörper 6 ein flacher mit der Dämfpungskammer in Verbindung stehender Hohlraum 20 ausgebildet.

[0018] Da das die beiden Kammern 8 und 9 verbindende Ventil nicht nur als Einwegeventil fungieren soll, sondern gleichzeitig noch als Drosselventil für einen Ölrück­fluß aus der Dämpfungskammer 9 in die Steuerkammer 8 hinein, besitzt die Lamelle 18 im Bereich der Öffnung des Kanals 19 eine Drosselbohrung 21 mit einem Durch­messer von etwa 0,3 - 0,5 mm bei einem Kolbendurch­messer von ungefähr 100 mm. Diese Drosselbohrung 21 bewirkt, daß der Kolbenboden bei jedem Aufwärtshub geringfügig in Richtung Kompressionshöhenvergrößerung gegenüber dem Grundkörper 6 verschoben werden kann. Hierdurch wird bei Brennraumdrücken, die noch kein Öffnen des Druckbegrenzungsventiles 6 bewirken, die angestrebte Kompressionshöhenvergrößerung des Kolbens erreicht.

[0019] Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere in ei­ner äußerst kompakten Ausbildung der durch die Lamel­len 12 und 18 gebildeten Ventile. Durch diese kompak­te Bauweise sind die zu bewegenden Ventilmassen äu­ßerst gering, wodurch einerseits ein schnelles An­sprechen der Ventile gegeben ist und andererseits das Verschleißverhalten der Ventile erheblich verbessert wird. Die Membranplatte 13 kann aus Stahl, Metall, Kunststoff oder einem anderen elastischen Material sein. Es können auch mehrere Membranplatten 13 glei­cher oder unterschiedlicher Dicke geschichtet sein, um eine entsprechende Federkennlinie der Lamellen 12, 18 zu erhalten. Durch eine scheiben- oder ringförmige Ausbildung der Membranplatte kann diese praktisch wie eine Dichtung durch die Deckplatte 7 auf dem Grund­körper 6 verspannt werden.

[0020] Die Membranplatte 13 kann auch ein- oder beidseitig mit elastischem Material beschichtet sein, um zusätz­lich eine Abdichtung an den Durchbrüchen zwischen Ober- und Unterteil zu erreichen. Die Anordnung der Drosselbohrung 21 in der Lamelle 18 erspart eine se­parate Düse und verhindert einerseits durch die sehr kurze Bohrung und andererseits durch die dauernde Be­wegung der Lamelle 18 ein Verstopfen der Öffnung 21.

[0021] Um die Spannungen an den Lamellen 12, 18-Einspannstellen zu verringern, wird die Lamellen­form zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie ungefähr einem Träger gleicher Biegung entspricht. Dies kann auch durch entsprechend geformte Bohrungen oder Schlitze in der Lamelle 12, 18 erreicht werden.

[0022] Die Anlagefläche 14 in den Hohlräumen 16, 20 für die Lamellen 12, 18 zur Begrenzung des Öffnungshubes kön­nen so ausgeführt sein, daß ihre jeweilige Formgebung der Biegelinie der Lamellen 12, 18 entspricht oder ihr zumindest angenähert ist.

[0023] Der Kolben nach den Fig. 4 - 8 besteht wiederum aus einem äußeren und einem inneren Teil 100 und 200. Im Aufbau und in der Funktion sind diese beiden Teile mit den betreffenden Teilen 1 und 2 des ersten Aus­führungsbeispieles vergleichbar. Das gilt auch für die Kolbenbolzen 300 und 3.

[0024] Zwischen dem äußeren Kolbenteil 100 und dem inneren Kolbenteil 200 befinden sich eine Steuerkammer 400 sowie eine Dämpfungskammer 500, die beide im Motorbe­trieb mit Öl gefüllt sind. Die beiden Kammern 400 und 500 sind über ein Einweg-Überströmventil 600 mitein­ander verbunden. Auf den erfindungsgemäßen Aufbau dieses Ventils sowie die übrigen noch zu beschreiben­den Ventile wird weiter unten noch näher eingegangen werden. Die Dämpfungskammer 500 kann nur aus der Steuerkammer 400 mit Öl gespeist werden. Auch aus der Dämpfungskammer 500 abströmendes Öl kann nur in die Steuerkammer 400 gelangen. Für derart aus der Dämp­fungskammer abströmendes Öl ist das Einwegeüberströmventil mit einer Drosselbohrung 700 versehen, die ständig geöffnet ist. In die Steuerkam­mer 400 gelangt das Öl durch das Einweg-Einlaßventil 800.

[0025] Aus der Steuerkammer 400 abzuführendes Öl passiert eines oder beide der Einwege-Druckbegrenzungsventile 900.

[0026] Die einzelnen Ventile 600, 800 und 900 sind jeweils von durch ein Verschlußteil abgedeckten Öffnungen ge­bildet. Die Verschlußteile sind dabei jeweils Zungen aus federndem Material, die einstückig aus einer Mem­branplatte 110 herausgearbeitet sind. Die Membran­platte 110 besteht aus einem dünnen biegsamen Metall und ist über eine Druckplatte 111 gegenüber den Ven­tilöffnungen fixiert. Auf eine Seite der einzelnen Ventilöffnungen angrenzend sind jeweils im Druckstück 111 bzw. in dem Material des Innenteils 200 Ausspa­rungen 112, 113, 113′ für ein Auslenken der Zungen der Ventile 600, 800, 900 vorgesehen. Bei den Venti­len 600 und 800, d.h. dem Einlaß- und dem Überström­ventil federn die jeweiligen Zungen jeweils aus sich heraus. Die Zungen der Druckbegrenzungsventile 900 sind dagegen durch zusätzliche Federn 114 oder 115 in Richtung einer Schließung der betreffenden Ventile vorbelastet. Dabei ist die Feder 114 eine Blattfeder, während die Feder 115 eine Schraubenfeder ist. Um we­gen der Auslenkung der Zungen des Ventiles 900 eine gezielte Relativbewegung gegenüber den die Zungen stützenden Federn 114 oder 115 zu erreichen, können zwischen den Federn 114 bzw. 115 und dem freischwin­genden Endbereich der Zungen der Ventile 900 jeweils besondere Lager vorgesehen sein. Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante einer Schraubenfeder ist an dem freien Ende der Zunge eine Art Niet 116, beispiels­weise aus Kunststoff, angebracht, auf dessen gewölb­tem Nietkopf sich die Schraubenfeder 115 abstützen und zentrieren kann. Auf der der Ventilöffnung zuge­kehrten Seite der Ventilzunge ist die Nietbefestigung so ausgebildet, daß sie in der Ventilöffnung bei ge­schlossenem Ventil ungehindert Platz findet. Über eine Schraube 117 ist die Anpreßkraft der Schrauben­feder 115 verstellbar. Bei der Beaufschlagung der Druckbegrenzungsventil-Zungen durch eine Blattfeder 114 kann diese Feder direkt an den Zungen anliegen oder aber auch über spezielle Lager 118 sich an die­sen abstützen.

[0027] Eine Aufteilung des Druckbegrenzungsventiles 900 in zwei Ventile ermöglicht es, jedes dieser beiden Ven­tile mit einem unterschiedlichen Öffnungs-Ansprech­druck auszulegen. Auf diese Weise kann erreicht wer­den, daß bei einer großen Drucksteigerung in dem von dem Kolben beaufschlagten Brennraum beide Ventile 900 öffnen, während bei einem niedrigeren Druck lediglich eines der beiden Ventile 900 geöffnet ist. Die Öff­nung beider Ventile 900 bei einer großen Drucksteige­rung bewirkt ein schnelles Vermindern der Kompressi­onshöhe, während eine solche Kompressionshöhenvermin­derung bei geringeren Brennraumdruckverhältnissen bei dann nur einem geöffneten Ventil 900 langsamer er­folgt.

[0028] Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ventil­ausführung besteht darin, daß sämtliche Ventile ge­meinsam aus einer Membranplatte 210 ausgeformte Zun­gen besitzen, die als Ventilverschlußteile keiner be­sonderen Führung und Lagerung bedürfen und insgesamt äußerst platzsparend bauen.

Ansprüche

1. Tauchkolben mit variabler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren, bei dem ein Kolbenboden (3) mit zumindest einem Teil der Kolbenringpartie axial relativ verschiebbar auf einem den Kolben­bolzen aufnehmenden Kolbenunterteil (2) angeord­net ist und bei dem zwei mit Drucköl füllbare über ein mit einem Drossel-Bypass (21) versehenes Einwegeventil (18) miteinander verbundene Kammern (Steuerkammer 8, Dämpfungskammer 9) vorgesehen sind, deren jeweiliges Volumen sich bei Relativ­verschiebung des Kolbenbodens (3) in reziprokem Verhältnis ändert, wobei die Steuerkammer noch ein Einwegventil (12) zur Zufuhr von Drucköl so­wie ein Druckbegrenzungsventil (10) zur Abfuhr von Drucköl aus dem Kolben heraus besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ölzufuhr-Einwegeventil der Steuerkammer (8) und/oder das die beiden Kammern (8, 9) ver­bindende Einwegeventil eine flexible Lamelle (12) bzw. flexible Lamellen (12, 18) sind, die jeweils eine zugeordnete Durchflußöffnung einer Zu- bzw. Ableitung (15, 19) abdeckt bzw. abdecken.

2. Tauchkolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bypassleitung in der Lamelle (18) eine feine im Bereich der Öffnung der Leitung (19) liegende Bohrung (21) ist.

3. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (12, 18) zungenförmig sind.

4. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen (12, 18) einstückiger Bestand­teil einer aus durchgehend gleichem Material be­stehenden ring- oder scheibenförmigen Membran­platte (13) sind.

5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membranplatte (13) mit Hilfe einer stei­fen Deckplatte (7) an einem Grundkörper (6) des Kolbenunterteiles (2) befestigt ist, wobei Hohl­räume (16, 20) zum Abheben der Lamellen (12, 18) von den durch diese jeweils abgedeckten Öffnungen zum Aufnehmen und Weiterleiten von Drucköl vorge­sehen sind.

6. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlräume (16, 20) eine Form aufweisen, die der Biegelinie der Lamelle (12, 18) ganz oder annähernd entspricht und mit ihren jeweiligen Ab­ständen die Öffnungshübe begrenzen.

7. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membranplatte (13) aus einem Eisenwerk­stoff besteht und eine Dicke zwischen etwa 0,1 und 0,2 mm aufweist.

8. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine oder mehrere Membranplatten (13) glei­cher oder unterschiedlicher Dicke mit gleicher oder unterschiedlicher Lamellenform übereinander geschichtet sind.

9. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­che,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membranplatte (13) ein- oder beidseitig beschichtet ist.

10. Tauchkolben mit variabler Kompressionshöhe für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen

a) ein den Verbrennungsgasen ausgesetztes äußeres Teil (100) des Kolbens ist axial verschieblich mit einem inneren Kolbenteil (200) verbunden,

b) das innere Kolbenteil (200) ist über einen Kolben­bolzen (300) an einem mit der Kurbelwelle verbin­denden Pleuel angelenkt,

c) zwischen dem äußeren und inneren Kolbenteil (100, 200) sind zwei Kammern (Steuerkammer (400) bzw. Dämpfungskammer (500)) angeordnet, deren Volumen sich bei Relativverschiebung der beiden Teile ge­geneinander in reziprokem Verhältnis verändert,

d) die beiden Kammern (400, 500) sind mit Öl beauf­schlagt,

e) lediglich die Steuerkammer (400) ist über ein Ein­wege-Einlaßventil (800) mit einer Ölzufuhr von au­ßen verbunden,

f) die beiden Kammern (400 und 500) sind über ein Einwege-Überströmventil (600) miteinander verbun­den, über das Öl aus der Steuerkammer (400) in die Dämpfungskammer (500) strömen kann,

g) über eine insbesondere in die Steuerkammer (400) führende Drosselbohrung (700) kann Öl aus der Dämpfungskammer (500) austreten,

h) von der Steuerkammer (400) nach außen abströmendes Öl passiert mindestens ein Einwege-Druckbegren­zungsventil (900)

dadurch gekennzeichnet
daß die drei Ventile (600, 800, 900) in einer ge­meinsamen Ebene mündende Öffnungen besitzen, die jede für sich von einer flexiblen Zunge abdeckbar ist, wobei die einzelnen Zungen einstückiger Be­standteil einer Membranplatte (210) sind.

11. Tauchkolben nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zunge des wenigstens einen Einwege-Druck­begrenzungsventils (900) federbeaufschlagt ist.

12. Tauchkolben nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei auf unterschiedliche Öffnungs-Ansprech­drücke ausgelegte Einwege-Druckbegrenzungsventile (900) vorgesehen sind.

13. Tauchkolben nach einem der Ansprüche 10 - 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Ventile (900) belastenden Federn (114, 115) über Lager (116, 118) an der jeweili­gen Zunge dieser Ventile angreifen.

Zeichnung