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Dokumentenidentifikation DE102006015265A1 31.10.2007
Titel Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit variabler Verdichtung
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Rentz, Florian, 71726 Benningen, DE;
Wagner, Holger, 74336 Brackenheim, DE
DE-Anmeldedatum 01.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006015265
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse F02F 3/00(2006.01)A, F, I, 20060401, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02D 15/00(2006.01)A, L, I, 20060401, B, H, DE   F02B 75/04(2006.01)A, L, I, 20060401, B, H, DE   F16J 1/00(2006.01)A, L, I, 20060401, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine mit Dieselkraftstoff betriebene Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenschaft (2) und einem Kolbenboden (3), eine Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen Kolben (1) sowie ein Verfahren zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Brennraum eines Zylinders einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschine. Es ist vorgesehen, dass der Kolbenboden (3) des Kolbens (1) nach dem Einbau in die Verbrennungskraftmaschine in Bezug zum Kolbenschaft (2) mindestens teilweise gesteuert reversibel verstellbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine mit Dieselkraftstoff betriebene Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19, sowie ein Verfahren zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Brennraum eines Zylinders einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21.

Bei Dieselmotoren ist in der Startphase, d.h. bei kaltem Motor, ein bestimmtes Mindestverdichtungsverhältnis erforderlich, um insbesondere bei großer Kälte die Kompressionstemperatur zu erreichen, die für eine Selbstzündung des Dieselkraftstoff-Luft-Gemischs erforderlich ist. Nach dem Start des Motors und insbesondere nach dem Warmlauf wäre hingegen ein beträchtlich niedrigeres Verdichtungsverhältnis ausreichend und auch von Vorzug, weil das hohe Verdichtungsverhältnis im Brennraum nicht nur zu höheren Spitzentemperaturen und damit zu einem höheren Schadstoffausstoß (NOx, Ruß) führt, sondern auch zu einem geringeren Zündverzug und damit zu einer schlechteren Gemischaufbereitung. Diese Probleme könnten durch ein variables Verdichtungsverhältnis vermieden werden.

Aus der EP 0 640 176 B1 sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verändern der Kompression bzw. des Kompressionsverhältnisses eines Ottomotors bekannt, bei denen ein Teil eines Zylinderblocks des Verbrennungsmotors in Bezug zum Kurbelgehäuse gekippt werden kann, was jedoch konstruktiv sehr aufwendig ist und in jedem Fall einen äußerlichen Eingriff erforderlich macht.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Verbrennungskraftmaschine in der Startphase mit einem höheren Verdichtungsverhältnis als in einer nachfolgenden Betriebsphase arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil des Kolbenbodens des in den Zylinder der Verbrennungskraftmaschine eingebauten Kolbens in Bezug zu seinem Kolbenschaft gesteuert reversibel verstellbar ist. Auf diese Weise kann ein im oberen Totpunkt des Kolbens vom Kolbenboden und vom Zylinder begrenztes Brennraumvolumen in der Startphase verkleinert werden, um das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen und die beim Start zur Selbstzündung des Dieselkraftstoffs notwendige Kompressionstemperatur zu erreichen. Nach dem Ende der Startphase kann das Brennraumvolumen wieder vergrößert werden, um durch das geringere Verdichtungsverhältnis eine deutliche Reduzierung der Spitzentemperaturen und damit der NOx-Emissionen und des Rußanteils im Abgas zu erzielen. Durch das größere Brennraumvolumen ergibt sich auch ein größerer Zündverzug und damit eine homogenere Gemischaufbereitung, die wiederum für eine bessere Umsetzung des Kraftstoffs sorgt, so dass der etwas geringere thermische Wirkungsgrad im Betrieb infolge der niedrigeren Verbrennungstemperaturen kompensiert oder sogar überkompensiert wird. Dies hat zur Folge, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses nicht oder sogar positiv beeinflusst wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kolbenboden einen starr mit dem Kolbenschaft verbundenen Teil und einen in Bezug zum Kolbenschaft verstellbaren Teil umfasst. Vorteilhaft ist der Kolbenboden zur Optimierung der Verbrennung mit einer Kolbenmulde und einem in der Kolbenmulde angeordneten Dom versehen, der in Bezug zur Kolbenmulde in axialer Richtung des Kolbens verstellbar ist, so dass in der Startphase des Motors der Kolben brennraumseitig ein größeres Volumen verdrängt als in der anschließenden Betriebsphase des Motors.

Die Verstellung des Kolbenbodens oder eines Teils desselben in Bezug zum Kolbenschaft erfolgt bevorzugt selbsttätig, das heißt ohne einen äußeren Steuerungseingriff, wofür es eine Reihe von verschiedenen Möglichkeiten gibt.

Eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die unterschiedliche Temperatur des Kolbens vor dem Start bzw. in der Betriebsphase auszunutzen, um eine selbsttätige Verstellung des Kolbenbodens in Abhängigkeit von der Temperatur zu bewirken. Dazu ist vorzugsweise ein Hohlraum zwischen dem in Bezug zum Kolbenschaft verstellbaren Teil des Kolbenbodens und dem starr mit Kolbenschaft verbundenen Teil des Kolbenbodens mit einer Substanz, insbesondere einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt, die sich bei einer Veränderung ihres Aggregatzustands von flüssig zu fest ausdehnt, so dass sie im kalten festen Zustand ein größeres Volumen als im warmen flüssigen Zustand einnimmt.

Die Substanz ist zweckmäßig im Inneren eines in den Kolben eingesetzten Druckbehälters angeordnet und wirkt über ein Stellglied, wie zum Beispiel einen in den Druckbehälter eintauchenden Stößel, auf den in Bezug zum Kolbenschaft verstellbaren Teil des Kolbenbodens ein. Um zu erreichen, dass der verstellbare Teil des Kolbenbodens mit dem Stößel nach unten bewegt wird, wenn sich dieser bei Erwärmung des Kolbens in den Druckbehälter hinein bewegt, kann eine Feder vorgesehen sein, die den verstellbaren Teil des Kolbenbodens gegen den Stößel drückt.

Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die unterschiedlichen Drücke im Brennraum vor dem Start bzw. in der Betriebsphase auszunutzen, indem sich der Kolbenboden in Abhängigkeit von einer auf den Kolbenboden ausgeübten Druckkraft selbsttätig verstellt. Um den in Bezug zum Kolbenschaft verstellbaren Teil des Kolbenbodens vor dem Start in Richtung Brennraum zu bewegen, ist dabei vorzugsweise zwischen dem verstellbaren Teil des Kolbenbodens und dem starr mit Kolbenschaft verbundenen Teil des Kolbenbodens eine Feder angeordnet, welche die beiden Teile auseinander drückt. Um zu verhindern, dass sich der verstellbare Teil des Kolbenbodens bereits durch die Kompression vor der ersten Zündung in seine unter Endstellung bewegt, sind Mittel zur Drosselung der Geschwindigkeit der Relativbewegung der beiden Teile vorgesehen, die zweckmäßig einen oberen Hohlraum im verstellbaren Teil des Kolbenbodens und einen unteren Hohlraum unterhalb des verstellbaren Teils des Kolbenbodens sowie eine die Hohlräume verbindende Drosselöffnung und ein in den Hohlräumen enthaltenes inkompressibles Fluid umfassen.

Alternativ dazu kann der verstellbare Teil des Kolbenbodens jedoch auch durch äußere Einwirkung verstellbar sein, zum Beispiel durch mechanische oder hydraulische Mittel, die jeweils vor und nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine aktviert werden, um den verstellbaren Teil des Kolbenbodens auszufahren bzw. wieder einzuziehen.

Dabei sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der in Bezug zum Kolbenschaft verstellbare Teil des Kolbenbodens eine Membran umfasst, die sich unter Einschluss eines Hohlraums über mindestens einen Teil des Kolbenbodens erstreckt und durch Zufuhr eines Druckfluids in den Hohlraum in Bezug zu dem starr mit dem Kolbenschaft verbundenen Teil des Kolbenbodens axial angehoben werden kann, um in der Startphase ein höheres Verdichtungsverhältnis zu erzeugen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Kolben mit breiten und flachen Kolbenmulden geeignet, wie sie in Nutzfahrzeugen verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von einigen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, dessen Kolbenboden eine Kolbenmulde und einen verstellbaren Dom besitzt;

2: einen Längsschnitt entlang der Linie II-II der 1;

3: eine perspektivische Schnittansicht eines Teils des Kolbens mit abgesenktem Dom;

4: eine perspektivische Schnittansicht entsprechend 3, jedoch mit angehobenem Dom;

5: eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von Teilen des Kolbens;

6: eine vergrößerte Schnittansicht von Teilen des Kolbens im Bereich des Doms;

7: einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben, dessen Kolbenboden eine Kolbenmulde und einen verstellbaren Dom besitzt;

8: einen Längsschnitt entlang der Linie VIII-VIII der 7;

9: eine perspektivische Schnittansicht eines Teils des Kolbens aus 7 und 8 mit angehobenem Dom;

10: eine perspektivische Schnittansicht entsprechend 9, jedoch mit abgesenktem Dom;

11: eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von Teilen des Kolbens;

12: eine vergrößerte Schnittansicht von Teilen des Kolbens im Bereich des Doms;

13: einen Längsschnitt durch einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Kolbens, dessen Kolbenboden eine Kolbenmulde und einen verstellbaren Dom besitzt;

14: einen Längsschnitt durch einen Teil eines noch anderen erfindungsgemäßen Kolbens, dessen Kolbenboden eine Kolbenmulde und einen verstellbaren Dom besitzt;

15: eine perspektivische Schnittansicht eines Teils des Kolbens aus 14 mit angehobenem Dom;

16: eine perspektivische Schnittansicht entsprechend 15, jedoch mit abgesenktem Dom.

Die in der Zeichnung dargestellten Kolben 1 sind sämtlich zum Einbau in einen Zylinder (nicht dargestellt) eines Dieselmotors bestimmt. Die Kolben 1 bestehen in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem zur Führung des Kolbens 1 im Zylinder dienenden Kolbenschaft 2, einem Kolbenboden 3, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt, einer zwischen dem Kolbenschaft 2 und dem Kolbenboden 2 angeordneten, mit mehreren Ringnuten 4 zur Aufnahme von Kolbenringen versehenen Kolbenringzone 5, sowie zwei Bolzennaben 6 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 7, der den Kolben 1 mit einer Pleuelstange 8 des Motors verbindet.

Der Kolbenboden 3 weist bei sämtlichen Kolben eine Kolben- oder Verbrennungsmulde 9 auf, wodurch der Brennraum teilweise in den Kolben 1 hinein verlagert wird. Die Kolbenmulde 9 ist von einem hinterschnittenen Turbulenzring 11 umgeben und weist in ihrer Mitte einen Dom 10 auf, dessen axiale Lage entlang einer Kolbenachse 12 zwischen zwei Endstellungen verstellbar ist. Damit lässt sich ein Abstand zwischen einer Oberseite bzw. einem Scheitel des Doms 10 und einer ebenen Oberseite des starr mit dem Kolbenschaft 2 verbundenen Turbulenzrings 11 verändern.

Die Verstellbarkeit des Doms 10 wird ausgenutzt, um das Volumen des Kolbens 1 und mit diesem das Volumen des vom Kolben 1 und vom Zylinder bzw. dessen Zylinderkopf begrenzten Brennraums zu verändern, wodurch sich im Brennraum eine variable Verdichtung mit unterschiedlich hohen Verdichtungsverhältnissen einstellen lässt. Dies kann ausgenutzt werden, um bei Dieselmotoren in der Startphase und insbesondere in einer Kompressionsphase vor der ersten Zündung des Dieselkraftstoff-Luft-Gemischs ein hohes Verdichtungsverhältnis im Brennraum einzustellen, wodurch selbst bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen eine schnelle und sichere Zündung des Gemischs gewährleistet ist, und dieses Verdichtungsverhältnis in einer anschließenden Betriebsphase, das heißt bei laufendem Motor, wieder abzusenken, wodurch die Spitzentemperatur im Brennraum und damit den NOx- und Rußgehalt des Abgases abgesenkt und der Gesamtwirkungsgrad des Motors erhöht werden kann.

Bei den in den 1 bis 6 dargestellten Kolben 1 erfolgt die Verstellung des Doms 10 selbsttätig in Abhängigkeit von der Temperatur des Kolbens 1, wobei der Dom 10 bei relativ niedrigen Temperaturen, d.h. Temperaturen unter etwa 100°C, in Bezug zum Boden der Kolbenmulde 9 angehoben ist, um das Volumen des Brennraums zu verkleinern und damit das Verdichtungsverhältnis zu vergrößern, wie in 4 dargestellt, während er bei den höheren Betriebstemperaturen des Motors in Bezug zum Boden der Kolbenmulde 9 angehoben ist, um das Verdichtungsverhältnis zu verkleinern, wie in 3 dargestellt.

Bei dem in diesen Figuren dargestellten Kolben 1 wird der Dom 10 von einem axial beweglich in den Kolbenboden 3 eingesetzten Hut 13 gebildet. Zur axialen Verstellung des Huts 13 ist unterhalb desselben ein Druckbehälter 14 angeordnet, der eine Legierung 15 mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, deren Volumen im kalten festen Zustand größer ist als im warmen flüssigen Zustand, wobei die Volumenänderung zwischen diesen Zuständen etwa 2 % beträgt.

Wie am besten in den 5 und 6 dargestellt, umfasst der Druckbehälter 14 einen schalenförmigen Oberteil 16 und einen schalenförmigen Unterteil, die beide als Tiefzieh- oder Kaltfließpressteile aus Stahl hergestellt und unter Bildung des Druckbehälters 14 entlang ihrer komplementären Umfangsränder laserverschweißt werden, bevor eine definierte Menge der Legierung 15 in flüssigem Zustand in den Druckbehälter 14 eingefüllt wird. Der Druckbehälter 14 umfasst weiter eine in eine mittige Bohrung 18 des Oberteils 16 eingesetzte und mit diesem verschweißte Führungsbuchse 19 für einen Keramikstößel 20, der nach dem Einfüllen der Legierung 15 montiert wird, wobei sein unteres Ende durch die Buchse 19 ins Innere des Druckbehälters 14 ragt. Über das obere, aus dem Druckbehälter 14 überstehende Ende des Stößels 20 werden eine PTFE-Dichtung 21und ein Haltering 22 geschoben. Der an seinem äußeren Umfang mit einer Hinterschneidung 23 versehene Haltering 22 wird durch Laserverschweißen mit dem Druckbehälter 14 verbunden, um die Dichtung 21 nicht zu beschädigen. Für den Fall, dass es kostengünstiger sein sollte, die Legierung 15 erst nach einer vollständigen Montage des Druckbehälters 14 einzufüllen, muss im Oberteil 16 oder im Unterteil 17 des Druckbehälters 14 noch eine Entlüftungsöffnung vorgesehen werden.

An der Unterseite des aus Keramik hergestellten Huts 13 ist eine Druckfeder 24 befestigt, die durch mehrere integrale Halteklammern 25 mit dem Hut 13 verbunden ist, wie in 5 dargestellt, und diesen nach unten gegen den Druckbehälter 14 drückt. Die Feder 24 weist eine mittige Durchtrittsöffnung 26 für das obere Stirnende des Halterings 22 auf, aus der sich radiale Schlitze 27 erstrecken, die ein Verbiegen der Feder 24 angrenzend an die Durchtrittsöffnung 26 gestatten. Der Hut 13 ist an seinem äußeren Umfang mit einer umlaufenden. Nut 29 versehen, in die ein Kolbenring 28 eingesetzt ist.

Zum Zusammenbau des Kolbens 1 wird zuerst der fertig montierte Druckbehälter 14 mit dem Stößel 20 von oben her in eine Ausnehmung 30 im Boden der Kolbenmulde 9 eingepresst und mit dem Kolben 1 verschweißt. Anschließend wird der Druckbehälter 14 bis über den Schmelzpunkt der Legierung 15 erwärmt, damit der Stößel 20 in den Druckbehälter 14 eintaucht. Zuletzt wird der Hut 13 mit der Rückstellfeder 24 und dem Kolbenring 28 von oben in die Ausnehmung 30 gepresst, wobei der Rand der Durchtrittsöffnung 26 beim Anschlagen gegen den Haltering 22 zuerst zurückgebogen wird und dann über das obere Stirnende des Halterings 22 in die Hinterschneidung 23 rutscht und dort einrastet.

Wenn der Motor kalt ist, nimmt die erstarrte Legierung 15 im Inneren des Druckbehälters 14 ihr größtes Volumen ein, wodurch sie den Stößel 20 durch die Buchse 19 hindurch ein Stück weit aus dem Druckbehälter 14 heraus nach oben verdrängt. Dabei wird der Hut 14 von dem gegen seine Unterseite anliegenden Stößel 20 entgegen der Kraft der Feder 24 in die in 4 dargestellte erste obere Endstellung bewegt, so dass der Brennraum im oberen Totpunkt des Kolbens 1 ein minimales Volumen besitzt und damit ein hohes Verdichtungsverhältnis erzielt wird. Wenn sich der Kolben 1 und damit die Legierung 15 beim Warmlauf des Motors über den Schmelzpunkt der Legierung 15 erwärmt, wird diese flüssig und nimmt dabei ein kleineres Volumen ein, so dass der Stößel 20 in den Druckbehälter 14 zurückgezogen wird. Da der Hut 13 von der Druckfeder 24 gegen den Druckbehälter 14 gepresst wird, wird er axial nach unten in seine in 4 dargestellte zweite untere Endstellung bewegt, so dass das Volumen des Brennraums im Vergleich zum kalten Zustand vergrößert wird. Die Führung des Huts 13 wird vom Kolben 1 übernommen.

Bei dem in den 7 bis 12 dargestellten Kolben 1 erfolgt die Verstellung des Doms 10 ebenfalls selbsttätig, jedoch in Abhängigkeit von dem auf den Kolbenboden 3 ausgeübten Druck und mit einer gewissen Zeitverzögerung. Der Dom 10 wird dort von den im Betrieb des Motors im Brennraum herrschenden hohen Drücken in seine untere Endstellung gedrückt, um das Verdichtungsverhältnis zu verkleinern, wie in 10 dargestellt, während er bei drucklosem Brennraum vor dem Start des Motors in Bezug zum Boden der Kolbenmulde 9 angehoben ist, um das Volumen des Brennraums zu verkleinern und damit das Verdichtungsverhältnis zu vergrößern, wie in 9 dargestellt.

Bei dem in diesen Figuren dargestellten Kolben 1 wird der Dom 10 ebenfalls von einem Hut 13 gebildet, der in einer nach oben offenen Aufnahmewanne 31 axial beweglich ist. Wie am besten in 12 dargestellt, besteht der Hut 13 dort aus einem Oberteil 32 und einem starr mit dem Oberteil 32 verbundenen Unterteil 33 und ist durch eine umlaufende PTFE-Dichtung 34 gegenüber der zylindrischen Umfangswand der Aufnahmewanne 31 abgedichtet. Zwischen dem Unterteil 33 und dem Boden der Aufnahmewanne 31 sind eine Druckfeder 34 und darüber eine Halteklammer 35 eingesetzt, von denen die erstere den Hut 13 innerhalb der Aufnahmewanne 31 nach oben drückt und die letztere zum einen die Aufwärtsbewegung des Huts 13 begrenzt und zum anderen verhindert, dass sich der Hut 13 durch die bei der Bewegung des Kolbens wirkenden Trägheitskräfte aus der Aufnahmewanne 31 löst. Der Unterteil 33 und der Oberteil 32 des Huts 13 umschließen eine obere Fluidkammer 36, die durch eine Drosselbohrung 37 in einer Wand 38 des Unterteils 33 mit einem inkompressiblen Fluid (nicht dargestellt) befüllt werden kann. Der Hut 13 ist so in die Aufnahmewanne 31 eingesetzt, dass zwischen dem Unterteil 33 und dem Boden der Aufnahmewanne 31 eine untere Fluidkammer 39 begrenzt wird, die durch die Drosselbohrung 37 mit der oberen Fluidkammer 36 kommuniziert und deren Volumen in Abhängigkeit von der axialen Stellung des Huts 13 in der Aufnahmewanne 31 variiert.

Wenn die Oberseite des Huts 13 im Stillstand des Motors nicht durch eine Druckkraft belastet ist, wird der Hut 13 durch die Druckfeder 34 nach oben in seine obere Endstellung gedrückt, wie in 9 dargestellt, woraufhin sich das inkompressible Fluid infolge seiner Schwerkraft in der unteren Kammer 39 sammelt. Sobald der Motor gestartet wird und die von oben auf den Hut 13 einwirkende Kraft infolge des Drucks im Brennraum die Kraft der Feder 34 übersteigt, wird der Hut 13 nach unten in seine untere Endstellung gedrückt, wie in 10 dargestellt, und dabei das Fluid aus der unteren Fluidkammer 39 verdrängt, wobei es durch die Drosselbohrung 37 in die obere Fluidkammer 36 strömt. Nach dem Abstellen des Motors wird der Hut 13 durch die Kraft der Feder 34 wieder angehoben, wobei das inkompressible Fluid durch die Drosselbohrung 37 zurück in die untere Kammer 39 strömt. Da die Kraft der Feder 34 viel geringer ist als die vom Druck im Brennraum ausgeübte Kraft, erfolgt die Abwärtsbewegung des Huts 13 erheblich schneller als seine Aufwärtsbewegung. Die Geschwindigkeit wird durch Veränderung von einem oder mehreren der Parameter Federkraft, Bohrungsdurchmesser und Viskosität der Flüssigkeit so eingestellt, dass der Hut 13 in der oberen Endstellung verharrt, bis der Motor erfolgreich gestartet ist, und sich dann schnell nach unten bewegt, um Im Betrieb ein optimales Brennraumvolumen zu gewährleisten. Die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung infolge der Federkraft ist weniger entscheidend, da auch die Abkühlung des Motors Zeit benötigt.

Zur Montage des Kolbens 1 werden zuerst die Druckfeder 34 und die Halteklammer 35 mit dem Boden der Aufnahmewanne 31 verschweißt und die obere Fluidkammer 36 mit einer vorbestimmten Menge des Fluids befüllt. Nachdem die PTFE-Dichtung 34 von oben her auf den Unterteil 33 geschoben worden ist, wird der Oberteil 32 auf den Unterteil 33 aufgepresst und mit diesem verschweißt. Anschließend wird der Hut 13 in die Aufnahmewanne 31 eingesetzt und zur Verdrängung des Fluids in die obere Fluidkammer 36 von oben mit Druck beaufschlagt. Dabei wird die Halteklammer 35 nach unten gebogen, bis sie in passende Aussparungen des Unterteils 33 einrastet und die Vormontage des Hutes 13 in der Aufnahmewanne 31 beendet ist. Der Hut 13 wird dann durch die Kraft der Feder 34 von selbst in seine obere Endstellung gedrückt. Anschließend wird die vormontierte, den Hut 13 enthaltende Aufnahmewanne 31 von oben in eine im Boden der Kolbenmulde 9 ausgesparte Ausnehmung 40 eingepresst.

Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Kolben 1 weisen die in den 13 bis 16 dargestellten Kolben 1 einen Dom 10 auf, der sich nicht selbsttätig verstellt, sondern durch äußere Einwirkung verstellbar ist. Der in 13 dargestellte Kolben 1 weist dazu eine mechanische Verstelleinheit auf, die einen auf dem Kolbenbolzen 7 geführten, in axialer Richtung des Kolbens 1 verschiebbaren und auf die Unterseite des Doms einwirkenden Nocken 41 umfasst, der den Dom 10 im Betrieb des Motors entgegen der Kraft einer Feder 42 in seine obere Endstellung drückt und beim Abstellen des Motors nach unten zurückgezogen wird, woraufhin die Feder 42 den Dom 10 nach unten drückt. Die Verschiebung des Nockens 41 kann hydraulisch erfolgen, zum Beispiel durch den nach dem Start des Motors in einem Ölkanal 44 des Pleuels 8 anliegenden Öldruck, sowie ggf. unter Verwendung von Hydraulikelementen, wobei die Abdichtung zum Brennraum hin wieder über eine oder mehrere um den Dom umlaufende Dichtungen 43 erfolgt.

Bei dem in den 14 bis 16 dargestellten Kolben 1 umfasst der Kolbenboden 3 eine eingegossene biegsame Membran 45, die sich unterhalb des Doms 10 durch eine vorherige Alfinierung oder eine andere geeignete Beschichtung nicht mit dem aus Aluminiumguss bestehenden Kolbenboden 3 verbindet, so dass sie in diesem Bereich zum Beispiel durch Zufuhr eines Druckfluids in den Hohlraum 46 vor dem Start des Motors in axialer Richtung des Kolbens 1 angehoben werden kann. Bei dem Druckfluid kann es sich wie zuvor um Motoröl handeln, das vor dem Start des Motors von geeigneten Hydraulikelementen durch einen Ölkanal im Pleuel 8 zwischen den Kolbenboden 3 und die Membran 45 gedrückt wird, um die letztere anzuheben, wie in 14 links dargestellt. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere für Kolben 1 mit breiteren und flacheren Mulden 9 sowie mit weniger Hinterschnitt im Turbulenzring 11 geeignet, wie sie für Nutzfahrzeuge verwendet werden.

1
Kolben
2
Kolbenschaft
3
Kolbenboden
4
Ringnuten
5
Kolbenringzone
6
Bolzennnaben
7
Kolbenbolzen
8
Pleuel
9
Kolbenmulde
10
Dom
11
Turbulenzring
12
Längsachse
13
Hut
14
Druckbehälter
15
Legierung
16
Oberteil Druckbehälter
17
Unterteil Druckbehälter
18
Durchtrittsöffnung
19
Führungsbuchse
20
Stößel
21
Dichtung
22
Haltering
23
Hinterschneidung
24
Druckfeder
25
Halteklammer
26
Durchtrittsöffnung Feder
27
radialer Schlitz Feder
28
Kolbenring
29
Nut
30
Ausnehmung Kolbenboden
31
Aufnahmewanne
32
Oberteil Hut
33
Unterteil Hut
34
Druckfeder
35
Halteklammer
36
obere Fluidkammer
37
Drosselbohrung
38
Wand Unterteil
39
untere Fluidkammer
40
Ausnehmung Kolbenboden
41
Nocken
42
Rückstellfeder
43
Dichtung
44
Ölkanal
45
Membran
46
Hohlraum


Anspruch[de]
Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenboden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) nach dem Einbau des Kolbens (1) in die Verbrennungskraftmaschine in Bezug zum Kolbenschaft (2) gesteuert reversibel verstellbar ist. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (3) oder der Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) zwischen zwei Endstellungen verstellbar ist, in denen der Kolben (1) unterschiedliche Volumina verdrängt. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (3) einen starr mit dem Kolbenschaft (2) verbundenen Teil und einen in Bezug zum Kolbenschaft (2) verstellbaren Teil (10, 13, 46) umfasst. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (3) eine Kolbenmulde (9) und einen in der Kolbenmulde (9) angeordneten Dom (10) aufweist, und dass der Dom (10) in Bezug zur Kolbenmulde (9) verstellbar ist. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenboden (3) oder der Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine selbsttätig verstellt. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenboden (3) oder der Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) in Abhängigkeit von der Temperatur des Kolbens (1) selbsttätig verstellt. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum zwischen dem in Bezug zum Kolbenschaft verstellbaren Teil (13) des Kolbenbodens (3) und dem starr mit Kolbenschaft (2) verbundenen Teil des Kolbenbodens (3) mit einer Substanz (15) gefüllt ist, die sich bei Veränderung ihres Aggregatzustands von flüssig zu fest ausdehnt. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit der Substanz (15) druckdicht verschlossen ist. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum im Inneren eines Druckbehälters (14) angeordnet ist. Kolben nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Hohlraum oder Druckbehälter (14) eintauchendes Stellglied (20) auf den in Bezug zum Kolbenschaft (2) verstellbaren Teil (13) des Kolbenbodens (3) einwirkt. Kolben nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Feder (24), die den verstellbaren Teil (13) des Kolbenbodens (3) gegen den Druckbehälter (14) drückt. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenboden (3) oder ein Teil des Kolbenbodens (13) in Abhängigkeit von einer auf den Kolbenboden (3) ausgeübten Druckkraft selbsttätig verstellt. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem in Bezug zum Kolbenschaft (2) verstellbaren Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) und dem starr mit Kolbenschaft (2) verbundenen Teil des Kolbenbodens eine Druckfeder (34) angeordnet ist, die im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch den Druck im Brennraum zusammengedrückt wird. Kolben nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Drosselung der Geschwindigkeit der Relativbewegung der beiden Teile beim Zusammendrücken der Druckfeder (34). Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen oberen Hohlraum (36) im verstellbaren Teil (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) und einen unteren Hohlraum (39) unterhalb des verstellbaren Teils (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3), eine die Hohlräume (36, 39) verbindende Drosselöffnung (37) und ein in den Hohlräumen (36, 39) enthaltenes inkompressibles Fluid umfassen. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden oder ein Teil (10) des Kolbenbodens (3) von außen verstellbar ist. Kolben nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden oder der Teil des Kolbenbodens (10) mechanisch oder hydraulisch verstellbar ist. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Bezug zum Kolbenschaft (2) verstellbare Teil des Kolbenbodens (3) eine Membran (45) umfasst, die sich unter Einschluss eines Hohlraums (46) mindestens teilweise über den starr mit Kolbenschaft (2) verbundenen Teil des Kolbenbodens (3) erstreckt und durch Zufuhr eines Druckfluids in den Hohlraum (45) verstellbar ist. Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder, gekennzeichnet durch einen im Zylinder hin und her beweglichen Kolben (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Kolbenbodens (3) oder eines Teils (10, 13, 46) des Kolbenbodens (3) eine Veränderung des Volumens eines vom Kolbenboden (3) und vom Zylinder begrenzten Brennraums bewirkt. Verfahren zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Brennraum eines Zylinder einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschine, in dem ein Kolben hin und her beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein im oberen Totpunkt des Kolbens (1) vom Kolben (1) und vom Zylinder begrenztes Volumen des Brennraums während einer Startphase der Verbrennungskraftmaschine gesteuert verändert wird. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Brennraums während einer Kompressionsphase der Verbrennungskraftmaschine vor einer ersten Zündung des Dieselkraftstoffs im Brennraum verkleinert und nach der ersten Zündung des Dieselkraftstoffs wieder vergrößert wird. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Brennraums ohne äußeren Eingriff verändert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, durch eine von der Temperatur des Kolbens (1) oder dem Druck im Brennraum abhängige Veränderung eines Kolbenvolumens verändert wird.






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