DE102004000029A1

DE102004000029A1 - Flexibler Pleuel

Info

Publication number: DE102004000029A1
Application number: DE200410000029
Authority: DE
Inventors: Frank Will
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Pleuel (1), der an seinem Pleuelkopf (2) mit einer Kurbelwelle verbindbar ist und an seinem zum Pleuelkopf (2) gegenüberliegenden Pleuelauge (3) mit einem Kolben verbindbar ist. Dem Pleuelkopf (2) und dem Pleuelauge (3) ist jeweils ein Stützträger (6, 7) zugeordnet. Die Stützträger (6, 7) erstrecken sich entlang einer Mittelachse (X) aufeinander zu und sind mit ihren Anschlagenden (8, 9) zueinander variabel beabstandet, so daß ein Spalt (11) gebildet ist. Der Spalt (11) wird von einem Kraftspeicherelement (12) überbrückt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Pleuel, der an seinem Pleuelkopf mit einer Kurbelwelle verbindbar und an seinem zum Pleuelkopf gegenüberliegenden Pleuelauge mit einem Kolben verbindbar ist. Bei derartigen Verbrennungsmotoren ist ein bestimmtes Kompressionsverhältnis als Kompromiß zwischen einer maximalen Leistung und einer Kraftstoffersparnis festgelegt. Um das Kompressionsverhältnis während des Betriebes des Verbrennungsmotors zu verändern wurden Systeme mit veränderlichen Kompressionsverhältnissen mittels der folgenden beispielhaften Maßnahmen: – Bewegung von Zylinderblöcken, – Veränderung von Zylinderkopfgeometrien, – Veränderungen von Kolbengeometrien, – exzentrische Kurbelwelle (FEV), – exzentrische Pleuellagerung, – spezielle Kurbelmechanismen, – veränderliche Kolben und Pleuelentwickelt. Als ein Hauptnachteil dieser beispielhaft genannten Konzepte ist anzusehen, daß diese sehr komplex aufgebaut sind, wobei eine innere Reibung der jeweiligen Verbrennungsmotoren erhöht wird, so daß einige Vorteile hierdurch bereits kompensiert werden. Zudem sind diese beispielhaft genannten Ansätze bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren sehr kostenintensiv. Bei einer exzentrischen Pleuellagerung müssen die einzelnen Bauteile zudem derart stark dimensioniert werden, daß die typischerweise hohen Gas- und/oder Massenkräfte moderner Verbrennungsmotoren ertragen werden. Zudem ist nachteilig, daß ein separates System für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors erforderlich ist. Eine andere Lösung ist darin zu sehen, daß eine Feder Verwendung findet, die in dem Kolben selbst angeordnet ist. Die Feder weist eine vorbestimmte Vorspannung im Bewegungsbereich auf, wie dies z. B. von M. Bagende, Stuttgarter Symposium, 18. bis 20. Februar 2003, beschrieben wird. Als ein Hauptnachteil dieser Lösung ist anzusehen, daß der Kolben eine hohe thermische Belastung zu ertragen hat, da der Kolbenkopf vom Kolbenhemd isoliert ist. Durch die Eigenfrequenzen der Feder verändert sich zudem ein dynamisches Verhalten, wobei auch die Lebensdauer von Führungsmechanismen verringert wird. Wegen der erhöhten schwingenden Massen steigt zudem auch die Lärmbelastung (NVH = Noise Vibration Harshness). Die EP 1 164 272 A1 betrifft einen Verbrennungsmotor, umfassend: – Einen Zylinder mit einem Einlaßventil, einem Auslaßventil, einem Kraftstoffeinspritzventil und einer Zündkerze; – einen Kolben mit einem Lager, der sich in dem Zylinder hin- und herbewegt; – ein Bindeglied mit einem J-förmigen Pleuel mit einem oberen Ende und einem unteren Ende, einem oberen Augenende, welches in dem oberen Ende eingebracht ist und mit dem Lager des Kolbens verbunden ist, einem Augenende, welches in dem unteren Ende eingebracht ist, und zumindest einem Flanschpleuel, der längs auf der Oberfläche des Bindegliedes montiert ist; und – zumindest eine Kurbelwelle zur Übertragung einer Drehbewegung des Bindegliedes zu einer Auslaßkraftachse, welche damit lagernd verbunden ist, wobei die Kurbelwelle mit den jeweiligen Enden des Bindegliedes und der Kraftauslaßachse verbunden ist. Nachteilig bei dem in der EP 1 164 272 A1 genannten Verbrennungsmotor ist, daß die Vorspannung nicht eingestellt werden kann, und daß Bewegungsbereiche, welche die Kompressionsverhältnisse bestimmen, nicht begrenzt werden können. Dies hängt lediglich von der Ausgestaltung des Pleuels und vom Verbrennungsdruck ab. Die US 4,111,164 offenbart einen Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, einem hin- und hergehenden Kolben, Einspritzmitteln zum Einspritzen von Gasgemischen in den Zylinder, Zündelemente zur Zündung des Gasgemisches, Auslaßmittel zum Auslassen des verbrannten Gasgemisches aus dem Zylinder, eine Kurbelwelle sowie Verdichtungsfederelemente, die derart zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle wirken, daß sich die Kurbelwelle aufgrund der Hin- und Herbewegung des Kolbens dreht. Dem Verbrennungsmotor sind Mittel zur Ausdehnungsbegrenzung der Federelemente zugeordnet, um die Feder mit einer Kraft zusammenzudrücken, die im Wesentlichen gleich der Kolbenkraft ist, die erforderlich ist, das Gasgemisch zur Verbrennung zu verdichten, wenn der Motor im Wesentlichen ohne Last betrieben wird. Die Federelemente sind als steife Verbindungselemente zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle ausgestaltet und stellen eine elastische Verdichtungsverbindung zur Verfügung, wenn der Motor im Wesentlichen unter Last betrieben wird. Die Federelemente sind zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle im Wesentlichen im Verhältnis zur Belastung des Motors zusammendrückbar. Die US 5,769,042 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines Verbrennungsprozesses. Der Motor weist zumindest einen Zylinder und einen zugeordneten Kolben auf, um eine Arbeitskammer zu bilden. Der Kolben weist einen oberen Bereich mit einer Oberfläche auf, um eine hin- und hergehende Wand der Arbeitskammer zu bilden. Der Kolben weist aber auch einen unteren Bereich auf, der Mittel zur Verbindung mit einem Motormechanismus hat. Zudem hat der Kolben elastische Elemente zur elastischen Verbindung des oberen Bereiches mit dem unteren Bereich. Der untere Bereich ist mit dem Motormechanismus verbunden, damit der Kolben während des Betriebes bewegt wird, so daß die Arbeitskammer mit ihrem Volumen während der Verbrennung im Allgemeinen erhöht wird. Das Verfahren umfaßt: – Einleitung der Verbrennung einer verbrennbaren Ladung innerhalb der Arbeitskammer in der Nähe des oberen Kolbentotpunktes, um eine relativ abrupte Erhöhung des Gasdruckes zu generieren; – Zusätzliche Erhöhung des Volumens der Arbeitskammer durch Deformieren der zugeordneten elastischen Elemente aufgrund der Gasdruckerhöhung, wodurch eine Relativbewegung des oberen Abschnittes, bezogen auf den unteren Abschnitt, hervorgerufen wird; und – Steuerung der Volumenerhöhung der Arbeitskammer durch Vorherbestimmung der Deformation der zugeordneten elastischen Elemente, um die Gasdruckerhöhung innerhalb der Verbrennungskammer zu unterbrechen und um diese zumindest teilweise durch eine im Wesentlichen isobarische Verbrennung zu ersetzen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einem Pleuel der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln derart zu verbessern, daß ein verbessertes NVH bei reduziertem Kraftstoffverbrauch erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Pleuelkopf und dem Pleuelauge jeweils ein Stützträger zugeordnet ist, die sich entlang einer Mittelachse axial aufeinander zu erstrecken und mit ihren Anschlagenden zueinander variabel beabstandet sind, so daß ein Spalt gebildet ist, der von einem Kraftspeicherelement überbrückt wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein Verbrennungsmotor mit variablen Kompressionsverhältnissen zur Verfügung gestellt, wobei der Pleuel, insbesondere sein Pleuelschaft elastisch ausgestaltet ist, bei dem die Vorspannung durch die Vorspannung des zusätzlichen Kraftspeicherelementes, welches vorzugsweise als Feder ausgestaltet ist, eingestellt werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Pleuel in den jeweiligen Arbeitshüben des Verbrennungsmotors eine elastische Verformung erfährt, die bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte in eine plastische Verformung übergeht, wenn der Pleuelschaft im Längsschnitt gesehen z. B. gebogen ausgeführt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine plastische Verformung des Pleuelschaftes vermieden, indem die Anschlagenden der Stützträger vor Erreichen der plastischen Verformung aneinander liegen. Mittels der mit ihren Anschlagenden aneinander liegenden Stützträger wird somit quasi eine Stütze zur Verfügung gestellt, die einer plastischen Verformung des Pleuelschaftes vermeidet. Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn der Stützträger an dem Pleuelauge einstückig mit dem Pleuel hergestellt ist, wobei der Stützträger an dem Pleuelkopf vorzugsweise als separates Bauteil mit dem Pleuelkopf verbunden ist. Natürlich kann aber auch vorgesehen sein, daß der Stützträger an dem Pleuelkopf einstückig mit dem Pleuel hergestellt ist, wobei der Stützträger an dem Pleuelauge als separates Bauteil mit diesem verbunden ist. Selbstverständlich können aber auch beide Stützträger als jeweils separates Bauteil mit dem zugeordneten Pleuelkopf bzw. auge verbunden sein. Die Verbindung der separaten Stützträger mit dem Pleuelkopf bzw. auge kann bevorzugt kraftformschlüssig oder in jeder anderen Verbindungsart hergestellt werden. Damit das Kraftspeicherelement den Spalt überbrücken kann und entsprechend einstellbar ist, ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn den Stützträgern jeweils ein Widerlager zur Aufnahme des Kraftspeicherelementes zugeordnet ist. Die Widerlager können an geeigneten Stellen mit den Stützträgern bevorzugt verschraubt werden, wobei aber auch eine stoffschlüssige Verbindung oder jede andere Verbindungsart denkbar ist. Die geeigneten Stellen zur Verbindung ergeben sich bevorzugt aus dem gewünschten bzw. erforderlichen Vorspannungsbetrag des Kraftspeicherelementes. Um einen elastischen Pleuel, insbesondere einen elastischen Pleuelschaft, zur Verfügung zu stellen, kann der Pleuel mit seinem Pleuelschaft im Längsschnitt gesehen gebogen ausgestaltet sein, so daß quasi ein Federelement gebildet ist. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Pleuels kann eine Änderung des Basismotors vorteilhafter Weise vermieden werden, wobei sogar ein Originalkolben verwendet werden kann. Zudem wird kein zusätzlicher, teurer und komplexer Steuermechanismus erforderlich, da die erfindungsgemäße Ausgestaltung selbst steuernd ist. Auch eine thermische Belastung des Kolbens wird nicht verändert, wobei auch eine Lärmbelastung reduziert, insbesondere NVH verbessert wird, da der Pleuelschaft signifikant kleiner ausgestaltet wird, um eine elastische Bewegung zu erreichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige 1 einen Pleuel in einem Längsschnitt.1 zeigt einen Pleuel 1. Der Pleuel 1 weist einen Pleuelkopf 2 und ein dazu gegenüberliegendes Pleuelauge 3 auf. Die jeweiligen Mittelpunkte X1 und X2 des Pleuelkopfes 2 sowie des Pleuelauges 3 sind, bezogen auf eine Mittelachse X, axial zueinander beabstandet, aber kongruent angeordnet. Zwischen dem Pleuelkopf 2 und dem Pleuelauge 3 erstreckt sich ein Pleuelschaft 4. Der Pleuelschaft 4 ist im Längsschnitt gesehen gebogen ausgeführt. Der Pleuel 1 ist mit seinem Pleuelkopf 2 mit einer Kurbelwelle und mit seinem Pleuelauge 3 mit einem Kolben verbindbar. Dem Pleuelkopf 2 und dem Pleuelauge 3 ist jeweils ein Stützträger 6, 7 zugeordnet. Die Stützträger 6, 7 erstrecken sich entlang der Mittelachse X jeweils von dem Pleuelkopf 2 bzw. dem Pleuelauge 3 weg und aufeinander zu. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Pleuel 1 in einem unbelasteten Zustand dargestellt. Die Stützträger 6, 7 sind mit ihren Anschlagenden 8, 9 entlang der Mittelachse X zueinander variabel beabstandet, so daß ein Spalt 11 gebildet ist. Der Spalt 11 wird von einem Kraftspeicherelement 12, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schraubenfeder ist, überbrückt. Zur Lagerung des Kraftspeicherelementes 12 sind den Stützträgern 6 bzw. 7 Widerlager 13 bzw. 14 zugeordnet. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das Widerlager 13 kraftformschlüssig mit dem Stützträger 6 verschraubt, wobei dieser ein zu einem Innengewinde des Widerlagers 6 korrespondierendes Außengewinde 16 aufweist. Der Stützträger 6 ist mit seinem Außengewinde 16 kraftformschlüssig mit dem Pleuelkopf 2 in einer entsprechenden Aufnahme verschraubt. Der Stützträger 7 dagegen ist einstückig mit dem Pleuel 1 hergestellt. Das Widerlager 7 ist an einer geeigneten Stelle mit dem Stützträger 7 verschweißt. Selbstverständlich kann aber auch der Stützträger 7 als separates Bauteil mit dem Pleuelauge 3 verschraubt werden, wobei auch eine kraftformschlüssige Verschraubung des Widerlagers 14 mit dem Stützträger 7 vorgesehen sein kann. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Pleuel 1 kann eine Vorspannung durch eine Vorspannung des zusätzlichen Kraftspeicherelementes 12 eingestellt werden. Ein maximaler Bewegungsbereich kann durch den Abstand der beiden Anschlagenden 8 bzw. 9, also eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Spaltes 11, eingestellt werden. Der Stützträger 6 kann mit dem Pleuelkopf 2 des Pleuels 1 verbunden werden, so daß das Kraftspeicherelement 12 eingesetzt werden kann. Der Pleuel 1 ist Bestandteil eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Viertaktmotors, wobei jedem Zylinder jeweils ein Pleuel 1 zugeordnet werden kann. In dem Verbrennungsmotor werden Verbrennungsdrücke erzeugt, die ein elastisches Verformen des Pleuels 1 bewirken. Eine minimale Gaskraft, die eine elastische Verformung des Pleuels 1 bewirkt, wird von den Materialeigenschaften des Pleuels 1 und des Kraftspeicherelementes 12, der Dimensionierung des Pleuels 1 und des Kraftspeicherelementes 12 sowie der Ausgestaltung des Pleuelschaftes 4, insbesondere durch den Radius des gebogenen Pleuelschaftes 4, beeinflußt.

Claims

Verbrennungsmotor mit zumindest einem Pleuel (1), der an seinem Pleuelkopf (2) mit einer Kurbelwelle verbindbar und an seinem zum Pleuelkopf (2) gegenüberliegenden Pleuelauge (3) mit einem Kolben verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pleuelkopf (2) und dem Pleuelauge (3) ein Stützträger (6, 7) zugeordnet ist, die sich axial entlang einer Mittelachse (X) aufeinander zu erstrecken und mit ihren Anschlagenden (8, 9) zueinander variabel beabstandet sind, so daß ein Spalt (11) gebildet ist, der von einem Kraftspeicherelement (12) überbrückt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützträger (7) an dem Pleuelauge (3) einstückig mit dem Pleuel (1) hergestellt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützträger (6) an dem Pleuelkopf (2) als separates Bauteil mit dem Pleuelkopf (2) verbindbar ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Stützträgern (6, 7) jeweils ein Widerlager (13, 14) für das Kraftspeicherelement (12) zugeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuel (1) mit seinem Pleuelschaft (4) im Längsschnitt gesehen gebogen ist, so daß quasi ein Federelement gebildet ist.