AT519297A2 - Pleuelstange mit gekapselter Baugruppe zur Längenverstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, wobei das erste Pleuelteil gegenüber dem zweiten Pleuelteil bewegbar ist, um die Länge der Pleuelstange zu verstellen, mit einer hydraulischen Verstelleinheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Verstelleinheit. Es soll eine längenverstellbare Pleuelstange bereitgestellt werden, die einfach an unterschiedliche Motorkonzepte anpassbar ist. Hierzu ist vorgesehen, dass die Verstelleinheit und die Steuereinheit als gekapselte Baugruppe ausgebildet sind, die gekapselte Baugruppe eine erste Schnittstelle, über die sie mit einem der beiden Pleuelteile verbunden ist, und eine zweite Schnittstelle, über die sie mit dem anderen der beiden Pleuelteile verbunden ist, aufweist, wobei die erste Schnittstelle eine rein mechanische Schnittstelle ist und die zweite Schnittstelle eine mechanische und eine hydraulische Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe und dem entsprechenden Pleuelteil ermöglicht. Weiter betrifft die Erfindung auch einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor.

Description

Pleuelstange mit gekapselter Baugruppe zur Längenverstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, wobei das erste Pleuelteil gegenüber dem zweiten Pleuelteil bewegbar ist, um die Länge der Pleuelstange zu verstellen, mit einer hydraulischen Verstelleinheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Verstelleinheit. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor.

Der thermische Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d. h. dem Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen Vh + Kompressionsvolumen Vc) / Kompressionsvolumen Vc).Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.

In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsge-mischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. Entsprechend ist im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen. Für die Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VOR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des CCVAusstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und im C02-Ausstoß.

Bereits die Druckschrift US 2,217,721 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, die gemeinsam einen Hochdruckraum ausbilden. Zur Befüllung und Entleerung des Hochdruckraums mit Motoröl und damit zur Längenänderung der Pleuelstange ist ein hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Steuerventil mit federvorgespanntem Verschlusselement vorgesehen, das durch den Druck des Motoröls in eine geöffnete Stellung verschiebbar ist.

Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor zeigt die EP 1 426 584 A1, bei der ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Exzenter eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht. Dabei erfolgt eine Fixierung des Exzenters in der einen oder anderen Endstellung des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung.

Aus der DE 10 2005 055 199 A1 geht ebenfalls die Funktionsweise eines längenvariablen Pleuels hervor, mit dem verschiedene Verdichtungsverhältnisse ermöglicht werden. Die Realisierung erfolgt auch hier über einen Exzenter im kleinen Pleuelauge, der in seiner Position durch zwei Hydraulikzylinder mit veränderbarem Widerstand fixiert wird.

Die WO 2013/092364 A1 beschreibt eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Stangenteilen, wobei ein Stangenteil einen Zylinder und das zweite Stangenteil ein längsverschiebbares Kolbenelement ausbildet. Zwischen dem Kolbenelement des zweiten Stangenteils und dem Zylinder des ersten Stangenteils ist ein Hochdruckraum ausgebildet, der über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit einem Ölkanal und einem öldruckabhängigen Ventil mit Motoröl versorgt wird.

Eine ähnliche längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit teleskopartig verschiebbaren Stangenteilen ist in der WO 2015/055582 A2 gezeigt. Gemäß der WO 2015/055582 A2 soll das Verdichtungsverhältnis im Verbrennungsmotor durch die Pleuellänge verstellt werden. Die Pleuellänge beeinflusst das Kompressionsvolumen im Verbrennungsraum, wobei das Hubvolumen durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben ist. Eine kurze Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen (z.B. Kolben, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Ventilsteuerung etc.). Die Pleuellänge wird hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert. Die gesamte Pleuelstange ist mehrteilig ausgeführt, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus mit einem doppelwirkenden Hydraulikzylinder erfolgt. Das kleine Pleuelauge, das üblicherweise zur Aufnahme des Kolbenbolzens dient, ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil). Der zugehörige Verstellkolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem großen Pleuelauge, das üblicherweise zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens dient, angeordnet ist. Der Verstellkolben trennt den Zylinder in zwei Druckräume, einen oberen und einen unteren Druckraum. Diese beiden Druckräume werden über Rückschlagventile mit Motoröl versorgt, wobei die Versorgung mit Motoröl über die Schmierung des Pleuellagers erfolgt. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zum Pleuel und dort über die Rückschlagventile in die Druckräume erforderlich. Ist die Pleuelstange in der langen Position, befindet sich kein Motoröl in dem oberen Druckraum. Der untere Druckraum hingegen ist vollständig mit Motoröl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Position des Pleuels wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit einem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den ölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieses Druckraums den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an, wobei in dem unteren Druckraum Drücke von deutlich über 1.000 bar entstehen können. Die Pleuellänge ändert sich nicht. Die Pleuelstange ist in dieser Richtung hydraulisch gesperrt. In der kurzen Stellung der Pleuelstange drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum ist leer, der obere Druckraum ist mit Motoröl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in dem oberen Druckraum. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen. Die Pleuellänge kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume entleert wird. Hierbei wird jeweils eines der beiden Zulaufrückschlagventile durch einen zugeordneten Rücklaufkanal überbrückt. Durch diese Rücklaufkanäle kann Motoröl unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und der Versorgungseinrichtung fließen. Das jeweilige Rückschlagventil verliert entsprechend seine Wirkung. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch ein Steuerventil geöffnet und geschlossen, wobei immer genau ein Rücklaufkanal offen, der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung des Steuerventils für die beiden Rücklaufkanäle wird hier hydraulisch durch den Versorgungsdruck angesteuert.

Der Bauraum für eine solche Pleuelstange ist sowohl axial als auch radial begrenzt. In Kurbelwellenrichtung wird der Bauraum durch die Lagerbreite und den Abstand der Gegengewichte begrenzt. In axialer Richtung ist ohnehin nur der Bauraum zwischen dem kleinen Pleuelauge zur Lagerung des Kolbenbolzens und dem großen Pleuelauge zur Lagerung des Kurbelwellenzapfens und ein eventueller Verstellhub der Pleuelstange vorhanden.

Die in einem Verbrennungsmotor von einer Pleuelstange zu übertragenden Kräfte sind beträchtlich, weshalb auch die Drücke in den Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit erheblich sein können. Angesichts der hohen Innendrücke bei einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe problematisch, aber auch die Konstruktion der Komponenten im Hinblick auf den geringen Bauraum.

In der oben genannten WO 2015/055582 A2 ist die Zylinderbohrung in dem zweiten Pleuelteil ausgebildet, während der erste Pleuelteil mit einer Kolbenstange des Verstellkolbens verbunden ist. Das zweite Pleuelteil muss daher relativ aufwendig hergestellt werden, um die Ventilbohrung mit der gewünschten Präzision zu erhalten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine längenverstellbare Pleuelstange bereitzustellen, die eine einfache Herstellung ermöglicht und den Einsatz in verschiedenen Motorkonzepten erlaubt.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verstelleinheit und die Steuereinheit als gekapselte Baugruppe ausgebildet sind, die gekapselte Baugruppe eine erste Schnittstelle, über die sie mit einem der beiden Pleuelteile verbunden ist, und eine zweite Schnittstelle, über die sie mit dem anderen der beiden Pleuelteile verbunden ist, aufweist, wobei die erste Schnittstelle eine rein mechanische Schnittstelle ist und die zweite Schnittstelle eine mechanische und eine hydraulische Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe und dem entsprechenden Pleuelteil ermöglicht.

Mit dem Begriff „gekapselte Baugruppe“ ist gemeint, dass die Baugruppe mit Ausnahme der hydraulischen Verbindung an der zweiten Schnittstelle flüssigkeitsdicht ausgebildet ist. Lediglich die hydraulische Verbindung an der zweiten Schnittstelle ermöglicht eine Flüssigkeitszufuhr bzw. Flüssigkeitsabfuhr zur bzw. aus der gekapselten Baugruppe.

Die erste und die zweite Schnittstelle legen je einen definierten Verbindungsbereich zwischen der gekapselten Baugruppe und dem ersten bzw. dem zweiten Pleuelteil fest. Dadurch ist es möglich, die gekapselte Baugruppe mit unterschiedlich ausgestalteten Pleuelteilen zu verbinden und somit einfach in verschiedenen Motoren einzusetzen. Es ist nur jeweils nötig, die Pleuelteile mit den Schnittstellen zu versehen. Es besteht die Möglichkeit, mit wenigen Varianten der vormontierten Baugruppe eine Vielzahl verschiedener Pleuel aufzubauen. Die Applikation für ein bestimmtes Motorenprojekt wird wesentlich vereinfacht. Durch die festgelegten Schnittstellen ist die individuelle Bearbeitung an den Pleuelteilen wenig umfangreich. Die individuell für jede Pleuelstange durchzuführende Validierung ist ebenfalls wenig aufwendig. Die vereinheitlichte, vormontierte Baugruppe kann in entsprechend höherer Stückzahl produziert werden, wodurch ein Kostenvorteil entsteht. Ebenfalls sind Standardisierungen in der Fertigung und der Montage möglich, die weitere wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass eines der beiden Pleuelteile einen Ölkanal zur Zuführung von Motoröl zu der gekapselten Baugruppe aufweist und über die zweite Schnittstelle mit der gekapselten Baugruppe verbunden ist. Dadurch kann die Baugruppe einfach mit Motoröl versorgt werden.

In einer einfachen Ausgestaltung kann das erste Pleuelteil ein kleines Pleuelauge zur Verbindung mit einem Hubkolben des Verbrennungsmotors aufweisen und über die erste Schnittstelle mit der gekapselten Baugruppe verbunden sein. Zwischen dem ersten Pleuelteil und der gekapselten Baugruppe ist dann lediglich eine mechanische Verbindung vorgesehen. Eine Abdichtung gegen Motoröl ist nicht erforderlich, die Verbindung kann somit sehr einfach ausgestaltet sein.

Eine einfache Zuführung von Motoröl zu der gekapselten Baugruppe kann realisiert werden, wenn das zweite Pleuelteil ein großes Pleuelauge zur Verbindung mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aufweist und über die zweite Schnittstelle mit der gekapselten Baugruppe verbunden ist. Zwischen dem zweiten Pleuelteil und der gekapselten Baugruppe sind dann eine mechanische und eine hydraulische Verbindung vorhanden. Das zweite Pleuelteil weist einen Kanal zur Zuführung von Motoröl auf, der mit der Kurbelwellenschmierung verbunden ist. Die Motorölzuführung zu der gekapselten Baugruppe erfolgt daher einfach über die Kurbelwellenschmierung.

In einer Variante kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinheit eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben mit einer Kolbenstange, und mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen ersten Druckraum zur Aufnahme von Motoröl umfasst, wobei der erste Druckraum einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben begrenzt ist. Dadurch wird eine stabile und einfache Ausgestaltung der Verstelleinheit ermöglicht. Üblicherweise sind der Verstellkolben und die Zylinderbohrung der Verstelleinheit rotationssymmetrisch ausgebildet, aber nicht auf eine solche geometrische Form beschränkt. Eine längenverstellbare Pleuelstange gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst auch ovale, mehreckige oder anderweitige Querschnittsformen des Verstellkolbens und der Zylinderbohrung der Verstelleinheit.

Um eine einfache Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe und dem ersten und dem zweiten Pleuelteil zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die erste Schnittstelle der Baugruppe an der Kolbenstange des Verstellkolbens ausgebildet ist und die zweite Schnittstelle an dem entgegengesetzten Ende der gekapselten Baugruppe ausgebildet ist.

In einer weiteren Variante kann vorgesehen werden, dass die gekapselte Baugruppe Dichtungen für die mit Motoröl in Kontakt stehenden Elemente aufweist. Bei diesen Elementen handelt es sich beispielsweise um den Verstellkolben, die Kolbenstange, etc. Die gekapselte Baugruppe ist somit eine abgedichtete Einheit. An den Schnittstellen ist keine weitere Abdichtung nötig. Dadurch wird eine sehr einfache Verbindung der Baugruppe mit dem ersten und dem zweiten Pleuelteil ermöglicht wird, ohne dass zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen erforderlich sind.

In noch einer Variante kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinheit mittels der Steuereinheit hydraulisch gesteuert ist, und die Steuereinheit Ölkanäle, Rückschlagventile, Ablassventile und ein Steuerventil aufweist, die in die gekapselte Baugruppe integriert sind. Somit ist eine einfache Kopplung der Baugruppe an den Motorölkreislauf möglich.

Es kann ferner auch vorgesehen sein, dass die gekapselte Baugruppe als Adapter ausgebildet ist, der die beiden Pleuelteile miteinander verbindet. Die beiden Pleuelteile müssen somit keine besondere Ausgestaltung für die Längenverstellung der Pleuelstange aufweisen, diese wird komplett von dem Adapter ausgeführt.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die gekapselte Baugruppe als Patrone ausgebildet ist, die in entsprechenden Ausnehmungen in den beiden Pleuelteilen aufgenommen ist. Die gekapselte Baugruppe ist somit geschützt in den beiden Pleuelteilen angeordnet.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung einer oben beschriebenen Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor mit Hubkolben. Die erfindungsgemäße Pleuelstange ermöglicht es, in verschiedenen Motoren identische gekapselte Baugruppen einzusetzen, so dass sehr einfach unterschiedliche Pleuelstangen für verschiedene Motoren realisiert werden können.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auch auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Hubkolben und einer mit dem Hubkolben verbundenen Pleuelstange mit den oben beschriebenen Merkmalen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet. Erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Verbrennungsmotors kann beträchtlich sein und bis zu 20 % betragen, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das

Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Zweckmäßigerweise kann die Verstelleinheit der längenverstellbaren Pleuelstange an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors angeschlossen sein. Darüber hinaus kann auch die Steuereinheit der längenverstellbaren Pleuelstange mittels des unter Druck stehenden Motoröls angesteuert werden.

Eine weitere Variante sieht vor, dass der Systemdruck des Motoröls im Druckraum der Verstelleinheit zwischen 1500 bar und 3000 bar, bevorzugt zwischen 2000 bar und 2500 bar, beträgt. Die Begrenzung des Systemdrucks, und damit die Vermeidung zu hoher Drücke, ermöglicht die sichere konstruktive Auslegung des Innendurchmessers der Zylinderbohrung und der Wandstärke des Zylinders und ermöglicht damit eines sichere konstruktive Auslegung der erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange. Kleine Druckwerte sind zu bevorzugen.

Gemäß einer Weiterbildung kann ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette, einer Spann- und/oder Führungsschiene, und/oder einem Kettenspanner vorgesehen sein, der die Kurbelwelle mit der mindestens eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbindet. Der Steuertrieb ist insofern wichtig, weil dieser maßgeblichen Einfluss auf die dynamische Belastung des Verbrennungsmotors und somit auch auf die längenverstellbare Pleuelstange haben kann. Bevorzugt wird der Steuertrieb so ausgestaltet, dass keine zu hohen dynamischen Kräfte darüber eingeleitet werden. Alternativ kann ein solcher Steuertrieb auch mit einer Stirnradverzahnung oder einem Antriebsriemen, beispielsweise einem Zahnriemen, der mittels der Spannvorrichtung mit Spannrolle vorgespannt ist, ausgebildet sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor,

Figur 2: eine Pleuelstange aus Fig. 1 mit einer gekapselten Baugruppe zur Längenver stellung der Pleuelstange,

Figur 3: eine schematische Darstellung der gekapselten Baugruppe aus Fig. 2 mit einer

Verstelleinheit und einer Steuereinheit zur Verstellung der Pleuelstange in einer ersten Stellung, und

Figur 4: eine schematische Darstellung der gekapselten Baugruppe aus Fig. 2 in einer zweiten Stellung.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1,5.2, 5.3, 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1, 3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1,6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 auf. Jede Pleuelstange 6.1, 6.2 und 6.3 weist ein großes Pleuelauge 8.1, 8.2 und 8.3 und ein kleines Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1, 8.2 und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1,9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1,3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden.

Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg Hk vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1., 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in Fig. 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg Hk- Die verbleibende Höhe Hc (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2 oder 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg HK das Hubvolumen Vh und aus der verbleibenden Kompressionshöhe Hc errechnet sich das Kompressionsvolumen Vc. Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen Vc maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen Vh und Vc berechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε. ε errechnet sich aus der Summe des Hubvolumens Vh und des Kompressionsvolumens Vc dividiert durch das Kompressionsvolumen Vc. Heute übliche Werte für Ottomotoren liegen für ε zwischen 10 und 14.

Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (Drehzahl n, Temperatur T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind die Pleuelstangen 6.1, 6.2 und 6.3 erfindungsgemäß in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann z.B. im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.

Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1,2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließ-lieh der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Pleuelstange 6.1 dargestellt, die jedoch identisch zu den Pleuelstangen 6.2 und 6.3 ausgestaltet ist. Die folgende Beschreibung gilt daher entsprechend für alle Pleuelstangen. Die Pleuelstange 6.1 weist ein erstes Pleuelteil 17.1 und ein zweites Pleuelteil 19.1 auf. In dem ersten Pleuelteil 17.1 ist das besagte kleine Pleuelauge 9.1 ausgebildet. Das zweite Pleuelteil 19.1 bildet zusammen mit einer unteren Lagerschale 20.1 das besagte große Pleuelauge 8.1 aus. Die untere Lagerschale 20.1 und das zweite Pleuelteil 19.1 werden in üblicher Weise mittels Befestigungsmitteln miteinander verbunden. Zwischen dem ersten Pleuelteil 17.1 und dem zweiten Pleuelteil 19.1 ist eine gekapselte Baugruppe 50.1 zur Längenverstellung der Pleuelstange 6.1 angeordnet. Die gekapselte Baugruppe 50.1 weist eine erste Schnittstelle 51.1 auf, über die sie mit dem ersten Pleuelteil 17.1 verbunden ist. Diese erste Schnittstelle 51.1 ist eine rein mechanische Schnittstelle, d.h. an der ersten Schnittstelle 51.1 ist die gekapselte Baugruppe 50.1 rein mechanisch mit dem ersten Pleuelteil 17.1 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Einschrauben, Einpressen, Aufschrumpfen mittels Temperaturdifferenz, Kleben, Schweißen, Löten, etc. erfolgen. Eine hydraulische Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe 50.1 und dem ersten Pleuelteil 17.1 an der ersten Schnittstelle 51.1 ist nicht vorgesehen. Ferner weist die Baugruppe 50.1 eine zweite Schnittstelle 52.1 auf, über die sie mit dem zweiten Pleuelteil 19.1 verbunden ist. Die zweite Schnittstelle 52.1 ist derart ausgebildet, dass sie eine mechanische und eine hydraulische Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe 50.1 und dem entsprechenden Pleuelteil 19.1 ermöglicht. Die mechanische Verbindung kann beispielsweise durch Einschrauben, Einpressen, Aufschrumpfen mittels Temperaturdifferenz, Kleben, Schweißen, Löten, etc. erfolgen

Wie in Figur 2 gezeigt, ist die erste Schnittstelle 51.1 an einer aus der Baugruppe 50.1 herausragenden Kolbenstange 18.1 ausgebildet. Die zweite Schnittstelle 52.1 ist am zur Kolbenstange 18.1 entgegengesetzten Ende der gekapselten Baugruppe 50.1 ausgebildet und weist eine Ölzuführung 53.1 (siehe Fig. 3 und 4) auf, die hydraulische Verbindung, die mit einem Ölkanal 54.1 im zweiten Pleuelteil 19.1 verbunden ist. Über den Ölkanal 54.1 und die Ölzuführung 53.1 wird die gekapselte Baugruppe 50.1 mit Motoröl versorgt.

Im Folgenden wird nunmehr anhand der Fig. 3 und 4 die in der Pleuelstange 6.1 verwendete Baugruppe 50.1 zur Längenverstellung der Pleuelstange 6.1 näher erläutert. Die gekapselte Baugruppe 50.1 ist nur schematisch dargestellt. Insbesondere sind die Schnittstellen 51.1 und 52.1 nicht gezeigt.

Die Baugruppe 50.1 umfasst eine Verstelleinheit 23.1 und eine Steuereinheit 26.1. Die Verstelleinheit 23.1 umfasst einen Verstellkolben 21.1 und eine Zylinderbohrung 22.1, in der der Verstellkolben 21.1 verschiebbar geführt ist. Der Verstellkolben 21.1 ist mit der Kolbenstange 18.1 verbunden, über die die Anbindung an den Hubkolben 3.1 erfolgt. Die Kolbenstange 18.1 ragt aus der gekapselten Baugruppe 50.1 hervor und bildet die erste Schnittstelle 51.1 aus. Die gekapselte Baugruppe 50.1 weist Dichtungen auf, über die die Kolbenstange 18.1 und die Zylinderbohrung 22.1 nach außen abgedichtet sind.

Unterhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein erster Druckraum 24.1 mit kreisförmigem Querschnitt gebildet und oberhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein zweiter Druckraum 25.1 mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet. Der Verstellkolben 21.1 ist als Stufenkolben ausgebildet. Unter einem Stufenkolben wird im Allgemeinen ein zweiseitig wirkender Kolben mit unterschiedlich großen Wirkflächen verstanden. Eine erste Verstellkolbenseite 27.1 ist kreisförmig ausgestaltet und dem ersten Druckraum 24.1 zugeordnet. Eine zweite Verstellkolbenseite 28.1 ist kreisringförmig ausgestaltet und dem zweiten Druckraum 25.1 zugeordnet. Über den Ölkanal 54.1 und die Ölzuführung 53.1 steht die Baugruppe 50.1 mit dem großen Pleuelauge 8.1 in Verbindung, sodass der Baugruppe 50.1 Motoröl aus der Schmierung der Kurbelwelle zugeführt werden kann oder gegebenenfalls aus dieser abfließt.

Im Folgenden wird die Steuereinheit 26.1 beschrieben. Nachfolgend der Motorölzuführung 53.1 ist eine Rückströmdrossel 30.1 mit einem Rückschlagventil 30a. 1 und einer parallel dazu geschalteten Drossel 30b. 1 vorgesehen. Nachfolgend der Rückströmdrossel 30.1 gelangt das Motoröl über einen Kanal 31.1 zu einem Steuerventil 32.1. Das Steuerventil 32.1 umfasst einen Stellkolben 33.1, der in einer Aufnahmebohrung 34.1 gegen eine Druckfeder 35.1 verschiebbar geführt ist. Der Stellkolben 33.1 weist eine erste Anschlagseite 36.1 und eine zweite Anschlagseite 37.1 auf, die mit entsprechenden Anschlägen 38.1 und 39.1 zur Anlage kommen können. Sofern der Druck im Kanal 31.1 nicht ausreicht, den Stellkolben 33.1 gegen die Druckfeder 35.1 zu verschieben, nimmt der Stellkolben 33.1 die in Fig. 3 dargestellte Stellung ein und liegt mit seiner ersten Anschlagseite 36.1 an dem ersten Anschlag 38.1 an.

Aus dem ersten Druckraum 24.1 führt ein Rücklaufkanal 40.1 zum Steuerventil 32.1. Ein durch ein Rückschlagventil 41.1 sperrbarer Ölkanal 42.1 steht ebenfalls mit dem Steuerventil 32.1 in Verbindung und führt zum ersten Druckraum 24.1. Der erste Rücklaufkanal 40.1 ist in der in Fig. 3 gezeigten Stellung des Stellkolbens 33.1 verschlossen. Öl aus dem ersten Druckraum 24.1 kann aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 41.1 nicht entweichen. Der Verstellkolben 21.1 fährt, bedingt durch die auftretenden Gas- und Massenkräfte, in die oberste Stellung und wird dann in der obersten Stellung hydraulisch gesperrt. Hierdurch befindet sich die Pleuelstange 6.1 in ihrer ausgefahrenen, längeren Stellung. Aus dem zweiten Druckraum 25.1 führt eine Rücklaufleitung 43.1 zum Steuerventil 32.1. In der in Fig. 3 dargestellten Stellung kann Motoröl aus dem zweiten Druckraum 25.1 über die Rücklaufleitung 43.1 und das Steuerventil 32.1 über den Auslass 44.1 ins Kurbelgehäuse abfließen. In dem ebenfalls aus dem zweiten Druckraum 25.1 zum Steuerventil 32.1 abgehenden Ölkanal 45.1 ist ein Rückschlagventil 46.1 angeordnet. Die Pfeile in der Fig. 3 symbolisieren die Ölflussrichtung bzw. die Bewegungsrichtung. Allerdings reicht der am Steuerventil 32.1 anliegende Druck nicht aus, die Sperrung des Verstellkolbens 21.1 aufzuheben.

Wird aber nunmehr der Druck über die Ölpumpe des Verbrennungsmotors erhöht, kommt es zu einem Verschieben des Stellkolbens 33.1 entgegen der Kraft der Druckfeder 35.1 (siehe Fig. 4). Hierdurch wird der erste Rücklaufkanal 40.1 geöffnet und das Motoröl kann aus dem ersten Druckraum 24.1 und über den Kanal 31.1 und die Rückstromdrossel 30.1 abfließen, wenn sich . der Verstellkolben 21.1 bedingt durch die auftretenden Gas- und Massenkräfte nach unten bewegt. Gleichzeitig wird die Rücklaufleitung 43.1 geschlossen und über den Ölkanal 45.1 und das Rückschlagventil 46.1 der zweite Druckraum 25.1 mit Motoröl gefüllt. Sobald der Verstellkolben 21.1 am unteren Anschlag anliegt, ist der Verstellkolben 21.1 in dieser Stellung hydraulisch arretiert, solange ein ausreichender Druck am Steuerventil 32.1 anliegt. In der untersten Stellung des Verstellkolbens 21.1 nimmt die Pleuelstange 6.1 ihre kurze Stellung ein. Diese Stellung ist vorteilhaft bei Volllast, wohingegen die in die Fig. 3 dargestellte Stellung für den Teil- und Niedriglastbetrieb vorteilhaft ist. Die Verstellung des Verstellkolbens 21.1 erfolgt über die auftretenden Gas- und Massenkräfte. Die Arretierung des Verstellkolbens in der langen und kurzen Stellung erfolgt hydraulisch. Daher wird die Verstelleinheit 23.1 auch als hydraulische Verstelleinheit bezeichnet.

Die Steuereinheit 26.1 umfasst somit einen internen Signalempfänger (Verstellkolben 21.1) der über Signale eines externen Signalgebers (Öldruck der Ölpumpe) die Motorölzuführung zur Verstelleinheit steuert und die für den jeweiligen Betriebszustand gewünschte Pleuelstangenlänge und damit das gewünschte Verdichtungsverhältnis im Zylinder einstellt.

Hinsichtlich der weiteren Wirkungs- und Funktionsweise wird ergänzend auf die WO 2015/055582 A2 verwiesen, die die gleiche Schaltung und Varianten hierzu beschreibt, die ebenfalls Anwendung finden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Verstellung des Stellkolbens der Steuereinheit elektromagnetisch erfolgt. Die Arretierung des Verstellkolbens erfolgt weiterhin hydraulisch.

Bezugszeichenliste I Verbrennungsmotor 2.1.2.2.2.3 Zylinder 3.1.3.2.3.3 Hubkolben 4 Kurbelwelle 5.1,5.2,5.3,5.4 Kurbelwellenlager 6.1.6.2.6.3 Pleuelstange 7.1.7.2.7.3 Kurbelwellenzapfen 8.1.8.2.8.3 großes Pleuelauge 9.1.9.2.9.3 kleines Pleuelauge 10.1.10.2.10.3 Kolbenbolzen II Kurbelwellenketterad 12 Steuerkette 13 Nockenwellenkettenrad 14 Nockenwelle 15 Spannschiene 16 Kettenspanner 17.1 erstes Pleuelteil 18.1 Kolbenstange 19.1 zweites Pleuelteil 20.1 untere Lagerschalte 21.1 Verstellkolben 22.1 Zylinderbohrung 23.1 Verstelleinheit 24.1 erster Druckraum 25.1 zweiter Druckraum 26.1 Steuereinheit 27.1 erste Verstellkolbenseite 28.1 zweite Verstellkolbenseite 30.1 Rückströmdrossel 30a.1 Rückschlagventil 30b.1 Drossel 31.1 Kanal 32.1 Steuerventil 33.1 Stellkolben 34.1 Aufnahmebohrung 35.1 Druckfeder 36.1 erste Anschlagseite 37.1 zweite Anschlagseite 38.1 erster Anschlag 39.1 zweiter Anschlag 40.1 erster Rücklaufkanal 41.1 Rückschlagventil 42.1 Ölkanal 43.1 Rücklaufleitung 44.1 Auslass 45.1 Ölkanal 46.1 Rückschlagventil 50.1 gekapselte Baugruppe 51.1 erste Schnittstelle 52.1 zweite Schnittstelle 53.1 Ölzuführung 54.1 Ölkanal

Vh Hubvolumen

Vc Kompressionsvolumen HC Kompressionshöhe HK Hubweg ε Verdichtungsverhältnis n Drehzahl T Temperatur

Claims (15)

Ansprüche

1. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil (17.1) und einem zweiten Pleuelteil (19.1), wobei das erste Pleuelteil (17.1) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1) bewegbar ist, um die Länge der Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) zu verstellen, mit einer hydraulischen Verstelleinheit (23.1), um das erste Pleuelteil (17.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu verstellen, und mit einer Steuereinheit (26.1) zur Steuerung der Verstelleinheit (23.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (23.1) und die Steuereinheit (26.1) als gekapselte Baugruppe (50.1) ausgebildet sind, die gekapselte Baugruppe (50.1) eine erste Schnittstelle (51.1), über die sie mit einem der beiden Pleuelteile (17.1; 19.1) verbunden ist, und eine zweite Schnittstelle (52.1), über die sie mit dem anderen der beiden Pleuelteile (19.1; 17.1) verbunden ist, aufweist, wobei die erste Schnittstelle (51.1) eine rein mechanische Schnittstelle ist und die zweite Schnittstelle (52.1) eine mechanische und eine hydraulische Verbindung zwischen der gekapselten Baugruppe (50.1) und dem entsprechenden Pleuelteil (17.1; 19.1) ermöglicht.

2. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Pleuelteile (19.1) einen Ölkanal (54.1) zur Zuführung von Motoröl zu der gekapselten Baugruppe (50.1) aufweist und über die zweite Schnittstelle (52.1) mit der gekapselten Baugruppe (50.1) verbunden ist.

3. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pleuelteil (17.1) ein kleines Pleuelauge (9.1, 9.2, 9.3) zur Verbindung mit einem Hubkolben (3.1, 3.2, 3.3) des Verbrennungsmotors (1) aufweist und über die erste Schnittstelle (51.1) mit der gekapselten Baugruppe (50.1) verbunden ist.

4. Pleuelstange (6.1,6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pleuelteil (19.1) ein großes Pleuelauge (8.1, 8.2, 8.3) zur Verbindung mit der Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors (1) aufweist und über die zweite Schnittstelle (52.1) mit der gekapselten Baugruppe (50.1) verbunden ist.

5. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (23.1) eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längst bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1) mit einer Kolbenstange (18.1), und mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1) zur Aufnahme von Motoröl umfasst, wobei der erste Druckraum (24.1) einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1) begrenzt ist.

6. Pleuelstange (6.1,6.2, 6.3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schnittstelle (51.1) an der Kolbenstange (18.1) des Verstellkolben (21.1) ausgebildet ist und die zweite Schnittstelle (52.1) an dem entgegengesetzten Ende der gekapselten Baugruppe (50.1) ausgebildet ist.

7. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gekapselte Baugruppe (50.1) Dichtungen für die mit Motoröl in Kontakt stehenden Elemente (18.1,21.1) aufweist.

8. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (23.1) mittels der Steuereinheit (26.1) hydraulisch gesteuert ist und die Steuereinheit (26.1) Ölkanäle, Rückschlagventile, Ablassventile und ein Steuerventil aufweist, die in die gekapselte Baugruppe integriert sind.

9. Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gekapselte Baugruppe (50.1) als Adapter ausgebildet ist, der die beiden Pleuelteile (17.1, 19.1) miteinander verbindet.

10. Pleuelstange (6.1,6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gekapselte Baugruppe (50.1) als Patrone ausgebildet ist, die in entsprechenden Ausnehmungen in den beiden Pleuelteilen (17.1, 19.1) aufgenommen ist.

11. Verwendung einer Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (3.1,3.2, 3.3).

12. Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (3.1, 3.2, 3.3) und einer mit dem Hubkolben (3.1, 3.2, 3.3) verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1 ,6.2, 6.3) nach einem der Ansprüche 1 - 10 zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder (2.1,2.2, 2.3).

13. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (23.1) der Pleuelstange (6.1, 6.2, 6.3) an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist.

14. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck des Motoröls im ersten Druckraum (24.1) der Verstelleinheit (23.1) zwischen 1500 bar und 3000 bar, bevorzugt zwischen 2000 bar und 2500 bar, beträgt.

15. Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette (12), einer Spann- und/oder Führungsschiene (15), und/oder einem Kettenspanner (16) vorgesehen ist, der die Kurbelwelle (4) mit der mindestens einen Nockenwelle (14) des Verbrennungsmotors (1) verbindet.