DE102005055199A1

DE102005055199A1 - Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einstellbar veränderbarem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102005055199A1
Application number: DE102005055199A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. Wittek
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-11-19
Filing date: 2005-11-19
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-20
Also published as: DE102005055199B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines Verstellmechanismus, der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder einem Hublagerauge eines Pleuels (17) angeordneten Exzenter zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels (17) umfasst, einen Verstellweg des Exzenters, entlang dessen der Exzenter mittels eines durch eine Bewegung des Pleuels (17) hervorgerufenen, wirkenden Drehmomentes bewegbar ist, und zumindest einen veränderbaren Widerstand, der auf eine Verstellbewegung des Exzenters einwirkt und zumindest eine gedämpfte Verstellbewegung des Exzenters bewirkt. Ebenfalls wird ein entsprechendes Verfahren vorgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines in einem Pleuellagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenters.

Einstellbar veränderliche Verdichtungsverhältnisse gehören bei Verbrennungskraftmaschinen zum Stand der Technik. Beispielsweise geht aus der DE 100 26 634 A1 eine Vorrichtung zum Verändern einer Verdichtung eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine hervor, bei dem ein Exzenter, der in einem Pleuellager gelagert ist und eine Verbindung zum Kolben schafft, über einer Veränderung seiner Stellung geeignet ist, die Verdichtung in einem Brennraum zu ändern. Hierzu wird ein Hebelsystem genutzt, welches über einen Stellmotor angetrieben wird. Aus der DE 197 57 871 A1 geht eine Hubkolbenmaschine hervor, die ein Pleuel mit einem im Pleuelauge gelagerten Exzenter aufweist. Eine Veränderung einer Kolbenhubfunktion soll dadurch bewirkt werden, dass über eine elektromagnetische Feldkraft, die durch eine mit Strom durchflossene Spule erzeugt wird, ein Stellmechanismus betätigbar ist. Mittels dieses Stellmechanismus kann ein Arretierbolzen aus einer Rastbohrung gezogen werden, wodurch die im kleinen Pleuelauge angeordnete Exzenterscheibe aufgrund der wirkenden Massenkräfte im Kurbeltrieb ihre Lage und damit das Verdichtungsverhältnis ändert. Aus der DE 38 18 357 A1 wiederum geht ein Zusammenwirken zwischen einem Exzenter, der drehbar im Pleuel angeordnet ist und eine Verbindung zum Kolben schafft, und mechanischen Blockiermitteln in Form von Blockierstiften und dazu zugeordneten Blockierstellen hervor, wobei die Blockierstifte über unterschiedliche Ölbeaufschlagungen bei unterschiedlich hohen Motorlasten eine Positionierung des Exzenters und damit eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses bewirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit der ein Übergang zwischen verschiedenen Verdichtungsverhältnissen, die einzustellen sind, ohne Schädigung des Verstellmechanismus bzw. des Pleuels oder zugeordneter bewegbarer Bauteile erfolgt.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie einem Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses in einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 19. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines Verstellmechanismus umfasst zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder in einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter, zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels, einen Verstellweg des Exzenters, entlang dessen der Exzenter mittels eines durch eine Bewegung des Pleuels hervorgerufenen, wirkenden Drehmoments bewegbar ist, und zumindest einen veränderbaren Widerstand, der auf eine Verstellbewegung des Exzenters einwirkt und eine gedämpfte Verstellbewegung des Exzenters bewirkt.

Unter einer effektiven Länge des Pleuels ist zu verstehen, dass damit die resultierende Länge des Pleuels vom Auge des Kolbenbolzens zum Auge des Hubzapfen unter Grenzziehung durch die Anordnung des jeweiligen Exzenters und der darin angeordneten Bohrung für eine Hubänderung und der damit einhergehenden Änderung des Verdichtungsverhältnisses zu verstehen ist. Dabei ändert sich die effektive Länge des Pleuels durch die Lageänderung des Exzenters. Diese Lageänderung des Exzenters bewirkt eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes zwischen einem Kolben und einem Zylinderkopf. Der Verstellweg des Exzenters ist vorzugsweise übereinstimmend mit demjenigen Weg, der sich auf Grund einer Drehung des Exzenters ergibt. Der Exzenter ist dazu vorzugsweise drehbar gelagert.

Der veränderbare Widerstand ist insbesondere eine Kraft oder auch ein Druck, der vorzugsweise gegen eine Verstellbewegung des Exzenters wirkt. Auf Grund dieses Widerstands gelingt es, eine Verstellbewegung des Exzenters zu verlangsamen und damit abzudämpfen. Dieses vermeidet, dass der Exzenter während einer Verstellung beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit auf einen Endanschlag auftrifft und diesen auf Dauer zerstört. Der Widerstand ist insbesondere veränderlich. Das bedeutet, dass eine der Verstellbewegung entgegenwirkende Kraft sich beispielsweise über den Weg, über die Zeit und/oder auch die Geschwindigkeit ändern kann. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass der Widerstand mit einer Basisgröße festgelegt wird und sich auf Grund der Verstellbewegung selbst ändert und damit an diese selbst anpasst.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verstellmechanismus eine umschaltbare Rücklaufsperre des Exzenters aufweist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Verstellrichtung des Exzenters über den Widerstand geblockt wird, wäh rend eine entgegengesetzte Verstellrichtung für den Exzenter mit einem geringeren Widerstand bzw. keinem Widerstand blockiert ist. Auf diese Weise kann der Exzenter entweder innerhalb eines Motorarbeitsspieles, welches bei einem 4-Takt-Motor zwei Kurbelwellenumdrehungen und somit 720° Kurbelwinkel entspricht, einen vollständig zu durchlaufenden Verstellweg durchschreiten, wobei nach Erreichen einer Endlage diese vorzugsweise gesichert wird. Im Folgenden ist der Begriff Zyklus stets mit Motorarbeitsspiel gleichzusetzen. Es wird von einem 4-Takt-Motor ausgegangen. Zum anderen besteht die Möglichkeit, dass bis zum Erreichen einer Endlage mehrere Zyklen notwendig sind, bis der Exzenter den dafür benötigten Verstellweg durch Einwirkung des hervorgerufenen wirkenden Drehmoments zurückgelegt hat. Somit lässt sich eine Einzyklus- wie auch eine Mehrzyklusverstellung unterscheiden. Durch die Nutzung der erzeugten Triebwerkskraft in Form einer Umsetzung eines Drehmoments in eine Bewegung des Exzenters bedarf eine Umstellung von einem Einzyklusversteller in einen Mehrzyklusversteller insbesondere nur einer Änderung des Widerstands.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Widerstand hydraulisch erzeugbar ist. Beispielsweise kann dazu der Exzenter selbst mit einer Flüssigkeit beaufschlagt werden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung sind ein oder mehrere Bauteile, die mit dem Exzenter gekoppelt sind, mit einer hydraulischen Flüssigkeit beaufschlagt. Durch die Koppelung wird der durch die Flüssigkeit erzeugte hydraulische Widerstand auf den Exzenter übertragen. Durch Änderung beispielsweise von Hydraulikwiderständen entlang eines Strömungswegs für die Flüssigkeit kann der Widerstand, der auf die Verstellbewegung des Exzenters einwirkt, verändert und insbesondere auch eingestellt werden. Beispielsweise gelingt es, dass eine Verdrehung des Exzenters von einer Endlage in eine andere Endlage zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses von einem maximalen zu einem minimalen Wert auf mehrere Kurbelwellenumdrehungen aufgeteilt werden kann. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dieses über zumindest 10, vorzugsweise mindestens 15 Kurbelwellenumdrehungen aufgeteilt erfolgt. Kurz bevor der Exzenter in die jeweilige Endlage, insbesondere gegen einen Endanschlag, verfährt, wird der Widerstand derart eingestellt, dass eine Dämpfung der Verstellbewegung ein Erreichen der Endlage ermöglicht, ein Abprellen jedoch verhindert.

Um zu vermeiden, dass auf Grund der Bewegung des Exzenters allein durch wirkende Drehmomente, hervorgerufen durch die Pleuelbewegung, wieder in eine Rückbewegung gelangt, ist vorgesehen, dass der Verstellmechanismus eine bezüglich des Verstellwegs des Exzenters umschaltbare Rücklaufsperre für den Exzenter aufweist. Wird eine Mehrzyklusverstellung des Exzenters ausgeführt, verhindert die Rücklaufsperre ein Zurückdre hen des Exzenters. Vorzugsweise wird die Rücklaufsperre hydraulisch geschaffen. Somit kann auf der einen Seite der Exzenter in eine freigegebene Richtung eine gedämpfte Bewegung ausführen, wobei diese insbesondere kurz vor einem Endanschlag verlangsamt wird. In die entgegengesetzte Richtung wird hingegen der hydraulische Widerstand so hoch, dass dem Exzenter keine Rückbewegung erlaubt wird.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Einstellung des Widerstands, beispielsweise über eine veränderbare Drossel, über eine Drosselblende oder auch über eine Anzahl von freigegebenen Löchern in einer Drosselblende einstellbar ist. Vorzugsweise ist angestrebt, dass eine Drossel eingesetzt wird zur Erzeugung des Widerstands, bei der konstante Verstellzeiten bei unterschiedlichsten Umdrehungsgeschwindigkeiten der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zumindest annähernd ermöglicht werden können. Beispielsweise weist eine Drosselblende eine derartige Eigenschaft auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Veränderung des Widerstands und damit eine Positionierung des Exzenters nebst der sich darüber einstellenden Änderung des Verdichtungsverhältnisses mit einer Steuerung gekoppelt. Beispielsweise kann eine Koppelung zwischen der Änderung des Verdichtungsverhältnisses und einer Anpassung eines Zündzeitpunktes bei dem betroffenen Hubkolben der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine erfolgen. Dieses kann beispielsweise über jeweils getrennte Steuergeräte wie auch über eine gemeinsame Motorsteuerung erfolgen.

Eine Verstellbewegung des Exzenters kann gemäß einer ersten Ausgestaltung kontinuierlich über zumindest einen Drehzahlbereich der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine erfolgen. Beispielsweise wird hierzu kontinuierlich zwischen einem hohen und einem niedrigen Verdichtungsverhältnis je nach Umdrehungsgeschwindigkeit und Bedarf, insbesondere in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt, eingestellt. Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Umschalten von einem hohen in ein niedriges Verdichtungsverhältnis oder umgekehrt nur diskontinuierlich erfolgt. Dieses kann beispielsweise diskontinuierlich nur entlang eines speziellen Umdrehungsbereichs erfolgen oder auch in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt bzw. Betriebsbereich der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in Bereichen, bei denen ein permanentes Beschleunigen und Abbremsen erfolgt, nur eine diskontinuierliche Änderung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen wird. Beispielsweise ist in diesen Bereichen, wie sie insbesondere im Stadtverkehr auftreten, es ausreichend, wenn der Exzenter in einer Position verbleibt. Bei anderen Betriebsverhältnissen der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine hingegen kann eine kontinuierliche Anpassung des Verdich tungsverhältnisses erfolgen, beispielsweise bei Betriebsbereichen, bei denen die positive wie negative Beschleunigung gewisse Werte nicht übersteigt.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Verstellweg des Exzenters ohne Endanschläge aufgebaut ist. Der Exzenter ist damit um 360° drehbar. Durch die Erzeugung des Widerstands, insbesondere durch die hydraulische Erzeugung des Widerstands, besteht die Möglichkeit, den Exzenter an jeder beliebigen Position zu fixieren, die zur Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnisses notwendig ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Regelung für die Bewegung des Exzenters bzw. für die Änderung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist. Beispielsweise kann eine 2-Punkt-Regelung für den Exzenter vorgesehen sein. Ein Sensor stellt eine Position des Exzenters fest. Ist der Exzenter in der gewünschten Position, kann darauf auf das erzielte Verdichtungsverhältnis geschlossen werden. Ist dieses Verdichtungsverhältnis nicht mit dem vorgegebenen Sollwert übereinstimmend, kann ein weiteres Korrigieren der Position des Exzenters über eine entsprechende Widerstandseinstellung erfolgen.

Insbesondere bei der Verwendung eines oder mehrerer Fluide zur Erzeugung von einem oder mehreren Widerständen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein oder mehrere Dämpfungsvolumina vorzusehen. Diese Dämpfungsvolumina sind beispielsweise in einer oder mehreren Kammern angeordnet. Beispielsweise kann mittels Zu- und Abführungen von und zu den verschiedenen Kammern ein Überströmen des Fluids erfolgen. Dieses ermöglicht die Anpassung des jeweiligen Widerstands.

Es hat sich herausgestellt, dass mit einem gezielt vorgesehenen Dämpfungsvolumen im Dauerbetrieb eine Schädigung insbesondere beim Aufprallen der beweglichen Massen vermieden werden kann. Dadurch ist eine Sicherheit des Betriebes einer mechanischen Verstellvorrichtung zur Erzielung von hohen Lebenszeiten der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine ermöglicht. Das Dämpfungsvolumen ist insbesondere hydraulisch und in einer Dämpfungskammer angeordnet. Die Dämpfungskammer ist vorzugsweise in einem mit Öl gefüllten Hubzylinder angeordnet. Ein Kolben im Hubzylinder wird in Abhängigkeit von einer Drehung des Exzenters verstellt, wobei dessen Bewegung über das im Hubzylinder vorhandene Fluid gedämpft wird.

Die Rücklaufsperre des Exzenters ist beispielsweise derart, dass eine Bewegung in eine Drehrichtung freigegeben ist, während eine entgegengesetzte Bewegung des Exzenters gesperrt wird. Hierfür kann gemäß einer Ausgestaltung eine Arretierung eines ansonsten beweglichen Bauteils des Verstellmechanismus vorgesehen sein. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Verstellvorrichtung, die mit dem Exzenter gekoppelt ist, gesperrt ist. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Exzenter selbst gesperrt wird. Wiederum eine andere Weiterbildung sieht vor, dass der Kolben des Hubzylinders gesperrt wird, der wiederum mit dem Exzenter derart gekoppelt ist, dass sich dieser bei einwirkenden Drehmomenten nicht aus seiner Position bewegt.

Beispielsweise ist der Exzenter selbst als Drehkolben ausgebildet. Er kann jedoch auch mit ein oder zwei Hubkolben in Wirkverbindung gebracht werden. Um eine gedämpfte Bewegung in beide Drehrichtungen zu ermöglichen, werden zumindest zwei vorzugsweise verschließbare Räume vorgesehen, in denen das jeweilige Hydraulikvolumen angeordnet wird.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses in einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einem Pleuel vorgeschlagen, wobei das Pleuel an einem Ende ein Pleuellagerauge und an einem anderem Ende ein Hubzapfenlagerauge umfasst und zumindest einen im Pleuellagerauge oder im Hubzapfenlagerauge drehbar gelagerten Exzenter nutzt, wobei der Exzenter bei einem Kolbenhub in Abhängigkeit von einem wirkenden Drehmoment in Drehmomentrichtung eine Bewegung in eine erste Drehrichtung erfährt, wobei die Bewegung mittels eines Widerstands vor Erreichen einer Endposition der Bewegung abgebremst wird. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass über eine mit dem Exzenter gekoppelte Wirkverbindung mittels einer Einleitung einer ersten Schubkraft in ein erstes Dämpfungsvolumen oder mittels einer Einleitung einer zweiten Schubkraft in ein zweites Dämpfungsvolumen eine gedämpfte Bewegung des Exzenters in eine erste oder in eine zweite Endstellung unter Änderung des Verdichtungsverhältnisses erzeugt wird. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine erste Drehrichtung für den Exzenter hydraulisch gesperrt wird, wenn eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung freigegeben wird. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Bewegung des Exzenters in eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung des Exzenters gleichzeitig gesperrt werden, wobei zumindest eine Drehrichtung hydraulisch gesperrt wird. Vorzugsweise sind beide Drehrichtungen hydraulisch gesperrt. Dies kann beispielsweise durch eine jeweils in dem ersten bzw. zweiten Dämpfungsvolumen anzuordnendem Hydraulikfluid erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Exzenter in zumindest einer Endposition kraft- und/oder formschlüssig gehalten wird. Beispielsweise können ein oder mehrere Rastpunkte vorgesehen sein, in die der Exzenter einrastet. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Rücklaufsperre anstatt mittels Hydraulik beispielsweise über eine Mecha nik vorgesehen wird. Über Rastklinken kann beispielsweise verhindert werden, dass eine Rückbewegung des Exzenters erfolgt.

Vorzugsweise wird bewirkt, dass eine Entspannung des ersten oder des zweiten Dämpfungsvolumens und damit einhergehend eine Verdrehung des Exzenters zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses in eine erste oder in eine der ersten entgegengesetzte zweite Richtung gesteuert erfolgt.

Gemäß einer Weiterbildung erlaubt das Dämpfungsvolumen die Möglichkeit, dass eine Verstellung von einer Ausgangslage in eine Endlage des Kolbens zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses mittels des Exzenters ohne Aufprallen und insbesondere Abprallen von aufeinandertreffenden Flächen erfolgt. Hierzu kann gemäß einer Ausgestaltung ein Dämpfungsverhalten des Dämpfungsvolumens eingestellt werden. Beispielsweise kann das Dämpfungsverhalten einerseits mit einer schwachen Dämpfung, andererseits mit einer starken Dämpfung versehen werden. Insbesondere besteht bei Nutzung eines Gases oder einer Flüssigkeit im Dämpfungsvolumen die Möglichkeit, eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfung vorsehen zu können. Dieses erlaubt beispielsweise, dass eine Verstellung des Exzenters durch wirkende Kräfte beispielsweise innerhalb eines einzigen Arbeitsspieles wie aber auch innerhalb von mehr als einem Arbeitsspiel erfolgen kann.

Das Dämpfungsvolumen kann beispielsweise gemäß einer Ausgestaltung im Pleuel selbst angeordnet sein. Beispielsweise kann hierfür der Exzenter mit einer oder mehreren Nasen oder Stegen in einen entsprechenden Kanal eingreifen und dort beweglich angeordnet sein. Der Kanal befindet sich in einer Innenlaufbahn des kleinen Pleuellagerauges, in dem der Exzenter drehbar gelagert ist. Der Exzenter verschließt dabei den Kanal, so dass aufgrund des sich im Kanal befindlichen Fluids ein Dämpfungsvolumen vorliegt, mit dem eine Bewegung der mechanischen Verstellvorrichtung abgedämpft werden kann. Hierzu kann der Kanal beispielsweise mit einer Ölzuführung in Verbindung stehen. Mittels dieser kann im Kanal ein Öldruck aufgebaut werden. Über eine entsprechende Entlastungsleitung kann der Druck im Kanal abgebaut werden. Durch eine Anordnung von Druckleitung und Entspannungsleitung im Kanal in der Art, dass über eine gezielte Verschließung bzw. Öffnung ein Druckunterschied an der Nase bzw. Steg anliegt, kann die Bewegung zusätzlich gesteuert werden.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein, vorzugsweise zwei Dämpfungsvolumina vorgesehen sind, deren Dämpfungsverhalten miteinander in Korrelation stehen. Beispielsweise kann ein erstes Dämpfungsvolumen mit einem Fluid beaufschlagt werden, während ein zweites Dämpfungsvolumen eine Fluidabsenkung erfährt. Dieses ermöglicht eine gezielte Steuerung wie auch Dämpfung von sich in den Dämpfungsvolumina beweglich angeordneten Bauelementen der Verstellvorrichtung bzw. des Exzenters.

Die Verstellvorrichtung zur Auslösung einer Änderung einer Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, die mit dem Exzenter gekoppelt ist, kann selbst auf unterschiedliche Weisen aktiviert werden. Es besteht die Möglichkeit, dass die mechanische Verstellvorrichtung über einen Aktuator gesteuert wird. Als Aktuator kann insbesondere ein elektrischer, hydraulischer oder/und pneumatischer Aktuator verwendet werden. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass als Aktuator ein Elektromotor eingesetzt wird. Eine andere Ausgestaltung wiederum sieht vor, dass über elektromagnetische Felder eine Beeinflussung der mechanischen Verstellvorrichtung erfolgt. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, dass die mechanische Verstellvorrichtung beispielsweise über mechanische Stellmittel aktivierbar ist. Beispielsweise wird auf die DE 102 55 299 A1 verwiesen, die diesbezüglich voll umfänglich zur Offenbarung dieser Erfindung gehört.

Über die mechanische Verstellvorrichtung wird vorzugsweise ebenfalls eingestellt, in welche Richtung eine Rücklaufsperre eingelegt wird. Weiterhin kann über die mechanische Verstellvorrichtung, die insbesondere mechanisch auch betätigt wird, eine Einfach- wie auch eine Mehrfachzyklus-Betriebsart eingestellt werden, ebenso wie eine kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Betriebsweise.

Um die Verstellvorrichtung vorzugsweise mechanisch von außen betätigen zu können, wird gemäß einer ersten Ausgestaltung vorgesehen, dass über eine Kurvenscheibe ein Abgriffselement betätigt werden kann, welches im Pleuel angeordnet ist. Das Abgriffselement kann beispielsweise einen Ventilkörper bewegen, wodurch ein Fluid im Pleuel gesperrt oder freigegeben wird. Eine zweite Ausgestaltung sieht eine impulsgesteuerte Betätigung vor. Hierzu wird beispielsweise ein Ölstrahl auf ein Abgriffselement im Pleuel gerichtet. Die Aufprallenergie des Ölstrahls ist ausreichend, um das Abgriffselement verstellen zu können. Dies kann wiederum zu einer Beeinflussung eines hydraulischen Stroms führen. Eine dritte Ausgestaltung sieht eine magnetische Betätigung vor. Hierzu werden beispielsweise über eine Bestromung magnetische Eigenschaften hervorgerufen, die zu einer Änderung der Fluidströmung im Pleuel führen können. Eine vierte Ausgestaltung sieht eine Betätigung zur Auflösung einer Änderung einer Einstellung des Verdichtungsverhältnisses durch eine Variation des Öldrucks vor. Der Öldruck kann beispielsweise über Öl von der Kurbelwelle stammend aufgeprägt werden und darüber ein Betätigungselement aktivieren. Dieses Betätigungselement ist in der Lage, einen Hydraulikstrom im Pleuel zu ändern. Eine fünfte Ausgestaltung sieht eine Mischung von zumindest zwei der vier vorgenannten Betätigungsarten vor.

Die Hubkolbenverbrennungskraftmaschine kann darüber hinaus beispielsweise bei allen Zylindern jeweils eine derartige einstellbar veränderbare Verdichtungsmöglichkeit vorsehen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist dieses nur für einzelne Zylinder vorgesehen. Darüber hinaus kann eine Änderung des einstellbaren Verdichtungsverhältnisses auch selektiv an den Zylindern der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine erfolgen. Hierzu kann über eine geeignete Steuereinrichtung, die beispielsweise in der Motorsteuerung oder aber als eigenständiges Steuergerät vorgesehen ist, eine entsprechende Verstellung und Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht und vorzugsweise auch überwacht werden. Dieses erlaubt, dass die Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen Verdichtungen über die Zylinder gefahren werden kann. Darüber hinaus können in unterschiedlichen Lastbereichen verschiedene Zylinderverdichtungen selektiv vorgesehen werden. Zusätzlich kann diese Verstellmöglichkeit des veränderbaren Verdichtungsverhältnisses auch in einem Notlaufprogramm der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine einsetzbar sein. Beispielsweise kann ein Zylinder passiv mitgeschleppt werden, während die anderen Zylinder die notwendige Arbeit verrichten. Die hierfür optimale Verdichtung kann mittels der Verstellvorrichtung eingestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass alle Bauteile zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses am Pleuel selbst integriert angeordnet sind. Ausnahme ist hierbei die mechanische Verstellvorrichtung mit zumindest einem Bauteil, worüber eine notwendige Stellbewegung eines Stellelementes zur Lageänderung des Exzenters initiiert werden kann. Insbesondere kommt das Pleuel ohne zusätzliche kraftführende Bauteile aus, die eine Erhöhung einer Motorreibung ergeben.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Exzenter in Verbindung mit einem ersten und einem zweiten Hebel zur Verdrehung des Exzenters steht und der erste Hebel mit einem ersten Dämpfungsvolumen und der zweite Hebel mit einem zweiten Dämpfungsvolumen gekoppelt ist. Vorzugsweise umfassen die Dämpfungsvolumina Hubzylinder, die insbesondere den Hauptanteil der Dämpfungsvolumina bilden. Des Weiteren können die Dämpfungsvolumina Leitungen wie auch andere Elemente umfassen. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, dass ein Dämpfungsvolumen allein durch das in einem Zylinder oder zylinderartig wirkenden Raumelement vorhandene Fluid gebildet wird. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass durch gezielte Auswahl von Leitungen, Ventilen oder Blenden ein Strömungsverhalten eines Fluids beeinflusst wird, dass zum Dämpfungsvolumen gehört.

Vorzugsweise wird eine Verbindung zwischen dem Exzenter und einem Hubkolben eines Hubzylinders mit Hilfe eines mit dem Exzenter verbundenen Hebels sowie einer Schubstange hergestellt. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Hebel direkt auf den Hubkolben wirkt. Bevorzugt werden zwei Räume über zwei eingesetzte Hubkolben geschaffen, wobei für jede Drehrichtung ein Hubkolben zur Dämpfung eingesetzt wird. Vorzugsweise werden bei den für die einzelnen Ausgestaltungen eingesetzten Räume über ein Rückschlagventil mit einem Druckölkreislauf verbunden. Dieses ist vorzugsweise derart angeordnet, dass stets Öl in den Raum einfließen kann. Beispielsweise wird gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass mit Hilfe von Ventilen, die im Pleuel angeordnet sind, jeweils ein Raum mit dem Kurbelraum verbunden ist, während der andere Raum über ein Ventil geschlossen bleibt. Vorzugsweise wird für eine derartige Beschaltung ein 3/2-Wegeventil oder auch zwei 2/2-Wegeventile eingesetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Die dort dargestellten wie auch beschriebenen Merkmale können jeweils untereinander zu neuen Weiterbildungen wie auch mit den oben beschriebenen Merkmalen zu anderen Ausgestaltungen verknüpft werden. Die dargestellten Ausführungen sind nicht beschränkend auszulegen. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines ersten Pleuels einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einer ersten Ausgestaltung einer einstellbar veränderbaren Verdichtung,
2 eine zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mit einem entsprechend gestalteten zweiten Pleuel,
3 eine Querschnittsansicht des Pleuels aus 2 entlang der Schnittlinie III-III,
4 eine Schnittansicht des Pleuels von 2 entlang der Schnittlinie IV-IV mit einer verdeutlichenden Ansicht von Dämpfungsvolumina,
5 das Pleuel aus 2 in einer Explosionsdarstellung zur verbesserten Ansicht der unterschiedlichen Bauteile,
6 eine Verstelleinheit für beispielsweise ein Pleuel aus 2, wobei die Verstelleinheit in einem Motorgehäuse fest angeordnet ist,
7 die Verstelleinheit aus 6 in einer zweiten Betriebsposition,
8 in schematischer Ansicht eine Ansicht einer Kurbelwelle, die beispielsweise ein Pleuel wie aus 2 aufweist, welches in Kontakt mit einem Teil der Bauelemente der Verstelleinheit aus 6 zusammenwirkt,
9 eine schematische Ansicht einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine in einem Querschnitt, aus dem der Einbau beispielsweise des Pleuels aus 2 sowie der Verstelleinheit aus 6 und die Betätigung der Verstelleinheit in Zusammenspiel mit dem Pleuel zur Änderung eines variablen Verdichtungsverhältnisses hervorgeht, und
10 eine Explosionsdarstellung eines Zusammenbaus eines beispielhaften Pleuelaufbaus mit Verstellmechanismus in schematischer Ansicht,
11 eine Schnittansicht durch eine Befestigung eines Kolbenbolzens in einem Pleuel,
12 eine beispielhafte Aufsicht auf ein Pleuel mit Verstellmechanismus, das eine Endlagenarretierung aufweist, und
13 ein Bauelement für das Ausführen einer Endlagenarretierung,
14 eine beispielhafte Ausgestaltung einer starren Kammer, in der ein Dämpfungsvolumen ein- und ausfließen kann,
15 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem auf einen Exzenter im Pleuel wirkenden Drehmoment und einer Verstellungsbewegung des Exzenters,
16 eine schematische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen am Pleuel wirkenden Kräften, einen dadurch hervorgerufenen Drehmoment am Exzenter, einer Druckbeaufschlagung bei einem beispielhaft ausgeführten Verstellmechanismus an einem Pleuel und einer Drehbewegung des Exzenters,
17 eine erste schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Zyklen zum Stellen des Exzenters, Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine und maximalen Druck im Hubkolben,
18 eine zweite schematische Darstellung entsprechend der der 17, und
19 eine weitere Ausgestaltung eines Pleuels ähnlich dem aus 3 mit eingesetzten Drosselblenden in den Leitungen zur Erzeugung eines Widerstands.
1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Ansicht ein erstes Pleuel 1 mit einem kleinen Pleuellagerauge 2 und einem großen Pleuellagerauge 3, das als Hubzapfenlagerauge 4 dient. Im kleinen Pleuellagerauge 2 ist drehbar beweglich ein Exzenter 5 für einen Kolbenbolzen 6 angeordnet. Das kleine Pleuellagerauge 2 ist mit dem großen Pleuellagerauge 3 über eine Pleuelstange 7 verbunden. Im Pleuel 1 ist ein Großteil einer mechanischen Verstellvorrichtung 8 untergebracht, wobei hierzu verschiedenste Bauteile des ersten Pleuels 1 benutzt werden können. Bei der dargestellten schematisch angegebenen Ausgestaltung ist in einem oberen Bereich des ersten Pleuels 1, in dem auch das kleine Pleuellagerauge 2 angeordnet ist, die überwiegende Anzahl an Bauelementen der mechanischen Verstellvorrichtung 8 angeordnet. Hierbei weist der Exzenter 5 einen ersten Steg 9 und einen zweiten Steg 10 auf. Bei einer Verdrehung des Exzenters 5 und damit des Kolbenbolzens 6 werden die beiden Stege 9, 10 ebenfalls mit dem Exzenter 5 verdreht. Dieses ist durch die Doppelpfeile jeweils angedeutet. Die Stege 9, 10 sind in Kanälen 11 angeordnet und unterteilen diese jeweils in zwei voneinander abgeschlossene Bereiche. Auf diese Weise weist ein Kanal 11 jeweils eine erste Kammer 12 und eine zweite Kammer 13 auf. Die zweite Kammer 13 weist je nach verwendetem Fluid in der Kammer beispielsweise so wie dargestellt einen Zugang zur Lagerung des Exzenters 5 auf, sofern Öl als Fluid genutzt wird. Alternativ dazu kann die zweite Kammer 13 jedoch auch einen Zugang nach außen haben, wenn Luft als Fluid in der Kammer genutzt wird. Dieses ist jedoch nicht dargestellt.
Die jeweils erste Kammer 12 weist einen Zugang zu einem Stellelement 14 in Form eines beispielhaften Umschaltventils auf. In dem Stellelement 14 sind Kanalverbindungen angeordnet, die ein wahlweises Zuschalten einer Druckleitung 15 oder einer Entspannungsleitung 16 ermöglichen. Hierzu ist das Stellelement 14 beispielsweise längs verschieblich im ersten Pleuel 1 angeordnet. Das Stellelement 14 kann jedoch auch drehbar sein und je nach Lage die erste Kammer 12 entweder mit der Druckleitung 15 oder mit der Entspannungsleitung 16 verbinden. Auf diese Weise wird in der ersten Kammer 12 ein Druck initi iert, der auf den jeweiligen Steg 9, 10 appliziert wird. Aufgrund der am Steg 9, 10 anliegenden Druckdifferenz wird der Exzenter 5 entweder mehr oder weniger stark in die jeweilige Bewegungsrichtung in einer Bewegung behindert. Verändert der Kolbenbolzen 6 seine Lage, kann die Druckdifferenz durch Öffnen bzw. Schließen der Leitungen 15, 16 verändert werden. Dadurch wird ein Verdichtungsverhältnis einstellbar variiert. Die Druckleitung 15, über die ein Stelldruck in der ersten Kammer 12 aufgebracht wird, verläuft vorzugsweise durch die Pleuelstange 7 hin zum großen Pleuellagerauge 3. Dort mündet die Druckleitung 15 in einem Bereich einer Ölschmierung des Hubzapfenlagerauges 4. Aufgrund der dort herrschenden Druckverhältnisse kann zu jeder Zeit ein Öldruck und ein Ölvolumen von dort bis zur ersten Kammer 12 übertragen werden. Die Kanäle 11 bilden auf diese Weise Dämpfungsvolumina. Die Charakteristik dieser Dämpfungsvolumina kann einerseits durch die Art der verwendeten Fluide, beispielsweise nur Öl, beispielsweise nur Luft oder aber auch eine Kombination von Öl und Luft, oder andere Fluide in ihrer Wirkung in unterschiedlichen Kammern erzielt werden. Anstelle oder auch zusätzlich, aber hier nicht dargestellt, können Blenden oder andere Einbauten genutzt werden, um Dämpfungseigenschaften und damit das Stellverhalten zu beeinflussen. Beispielsweise kann eine Drosselbohrung für eine Dämpfung sorgen. Neben der Verwendung von zwei Kanälen 11, die jeweils Dämpfungsvolumina zur Verfügung stellen, besteht ebenfalls die Möglichkeit, nur einen Kanal 11 mit einem Steg 9 zu verwenden. Durch entsprechende Zu- und Ableitungen und deren Schaltung kann eine entsprechende Dämpfung in den im Kanal 11 gebildeten Kammern erzielt werden. Beispielsweise kann eine Drosselbohrung für eine Dämpfung sorgen. Neben einer Dämpfung kann insbesondere auch ein Sperren der weiteren Bewegung des Exzenters durch den wirkenden hydraulischen Widerstand erzeugt werden. Auch kann der Widerstand so ausgelegt werden, dass sich der Exzenter an der Flüssigkeit quasi abstützt. Das Dämpfungsvolumen kann daher auch eine Abstützung für den Exzenter bilden, insbesondere bei der Erzeugung einer Rücklaufsperre.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung, mittels der eine einstellbare Änderung eines Verdichtungsverhältnisses bei einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine ermöglicht ist. Im Folgenden werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Das zweite Pleuel 17 weist ein großes Pleuellagerauge 3 und ein kleines Pleuellagerauge 2 auf. In dem kleinen Pleuellagerauge 2 ist wiederum ein Exzenter 5 angeordnet, der drehbar gelagert ist. Der Exzenter 5 weist eine Bohrung 18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf. An einer Außenfläche weist der Exzenter 5 eine Verzahnung 19 auf. Mit dieser Verzahnung 19 ist der Exzenter 5 mit einem Hebelsystem 20 verbunden, die als Abstützmechanik und vorzugsweise auch als Rücklaufsperre wirkt. Das Hebelsystem 20 weist einen ersten Hebel 21 und einen zweiten Hebel 22 auf. Über das Hebelsystem 20 sind die beiden Hebel 21, 22 fest miteinander gekoppelt. Über die Verzahnung 19 wiederum sind die Hebel 21, 22 somit auch drehfest mit dem Exzenter 5 verbunden. Das Hebelsystem 20 mit den Hebeln 21, 22 ist in einer Ausnehmung 23 im zweiten Pleuel 17 angeordnet. Die Ausnehmung 23 sowie die Anordnung der einzelnen Bauteile des Exzenters bzw. des Hebelsystems 20 werden nachfolgend noch anhand der 5 näher beschrieben.
Aus 2 ist weiterhin zu entnehmen, dass das Hebelsystem 20 in der Ausnehmung 23 axial geführt ist. Ferner weist das Hebelsystem 20 Verbindungsgelenke 24 auf. Über die Verbindungsgelenke 24 sind Stangen 25 angelenkt. Im zweiten Pleuel 17 wiederum sind Stützzylinderbohrungen 26 angeordnet. In diesen werden Kolben 27 geführt, an denen die Stangen 25 angelenkt sind. Durch diese Anordnung steht ein jeweiliger Hub der beiden Kolben in direkter Beziehung zu einem Verdrehwinkel des Exzenters 5. Die Stützzylinderbohrungen 26 im zweiten Pleuel 27 sind durch Rückschlagventile 28 zum großen Pleuellagerauge 3 hin verschlossen, so dass jeweils ein Arbeitsraum 29 gebildet wird. Der Arbeitsraum kann somit als Dämpfungsvolumen wie auch als Abstützung im Falle einer Rücklaufsperre dienen. Im großen Pleuellagerauge 3 sind Pleuellagerschalen 30 angeordnet. Die Pleuellagerschalen 30 sind mit Durchbrüchen 31 versehen. Da die Lagerschalen 30 mit einer umlaufenden Nut versehen sind, die in Verbindung mit einer Ölversorgung über die Kurbelwelle steht, liegt in der Nut zu jedem Zeitpunkt ein Öldruck an. Dieser Öldruck überträgt sich zu jedem Zeitpunkt auf die Rückschlagventile 28. Diese öffnen sich bzw. sind verschlossen in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum 29 vorliegenden Arbeitsdruck. Bevor der genaue Ablauf eines Änderns des Verdichtungsverhältnisses näher beschrieben wird, wird zur Verdeutlichung der Aufbau des zweiten Pleuels 17 in den nachfolgenden 3 und 4 weiter erläutert.
3 zeigt einen Längsschnitt durch das zweite Pleuel 17 entlang der Schnittlinie III-III aus 2. Das zweite Pleuel 17 weist im oberen Bereich in der Nähe des kleinen Pleuellagerauges 2 ein Schaltelement 31 als Umschaltventil auf. Das Schaltelement 31 ist als 3/2-Wegeventil aufgebaut. Es ist quer zum zweiten Pleuel 17 verschiebbar angeordnet. Mittels eines Rastmechanismus 32 kann das Schaltelement 31 in eine erste Raststellung und in eine zweite Raststellung verfahren werden. Hierzu ragt das Schaltelement 31 zumindest an einer Oberfläche des zweiten Pleuels 17 heraus. Ein Einrasten in einer der beiden Raststellungen wird gemäß des hier dargestellten Rastmechanismus 32 über eine federbeaufschlagte Kugel 33 ermöglicht, die in entsprechende Vertiefungen des Schaltelementes 31 eingreift. Das Schaltelement 31 ist hier dargestellt in Form eines Ventilkörpers. Vorzugsweise ist eine derartige Vertiefung eine umlaufende Nut im Schaltelement 31. In der Pleuelstange 7 sind verschiedene Verbindungsbohrungen 34 angeordnet, die unterschiedliche Funktionen haben können. Eine Freischaltung bzw. ein Verschließen dieser Verbindungsbohrungen 34 erfolgt über ein Schalten des Schaltelementes 31, welches mit den Verbindungsbohrungen 34 gekoppelt ist. Auf diese Weise wird bei der im zweiten Pleuel 17 verwirklichten Ausgestaltung über das 3/2-Wegeventil ermöglicht, dass die Arbeitsräume 29 jeweils abwechselnd, nicht aber gleichzeitig geöffnet werden. Durch Zu- bzw. Abfluss kann damit eine Dämpfung bewirkt werden. Das Pleuel weist jeweils eine Drosselblende 34.1 in den Verbindungsbohrungen 34 auf, durch welche sich ein eingestellter Widerstand ergibt, der auf den Exzenter einwirkt.
4 zeigt eine Schnittansicht entlang des durch die Schnittlinie IV-IV in 2 dargestellten zweiten Pleuels 17. 4 zeigt neben einer Lage der Arbeitsräume 29 auch die dazu relative Lage der Verbindungsbohrungen 34. Zwischen den Verbindungsbohrungen 34 und den Arbeitsräumen 29 sind Überführungen 35 als Querverbindungen angeordnet.
Die Funktionsweise des zweiten Pleuels 17 zur Einstellung eines anderen Verdichtungsverhältnisses wird im Folgenden am Beispiel einer Einstellung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses erläutert. Wird im Motorbetrieb ein niedriges Verdichtungsverhältnis gewünscht, so wird das 3/2-Wegeventil in die in 3 dargestellte Stellung gebracht. In denjenigen Motorphasen, in denen Druckkräfte auf dem Pleuel 17 lasten, baut sich in dem ersten Arbeitsraum 29.1 ein Druck auf. Eine Steuerkante 35 des Schaltelementes 31 gibt eine Abflussbohrung 36 frei. Dadurch kann das sich im ersten Arbeitsraum 29.1 befindliche Öl verdrängt werden. Gleichzeitig wird frisches Öl in den zweiten Arbeitsraum 29.2 hineingesaugt. Der Exzenter 5 kann sich somit in Richtung des Pfeils 37 in 2 verdrehen. Kehrt sich eine Triebwerkskraft um, bevor der zweite Kolben 27.2 den durch einen Verschlussstopfen 38 gebildeten mechanischen Anschlag erreicht, kommt eine Eintauchbewegung kurzfristig zum Erliegen, bis wieder eine Druckkraft auf dem zweiten Pleuel 17 lastet. Eine Verdrehung des Exzenters 5 in Gegenrichtung ist nicht möglich, da der erste Arbeitsraum 29.1 verschlossen ist und der erste Kolben 27.1 nicht eintauchen kann. Je nach Auslegung von einem oder mehreren hydraulischen Widerständen und einer Größe der Triebwerkskräfte kann sich daher ein Eintauchvorgang über mehrere Arbeitsspiele erstrecken. Der hydraulische Widerstand wird vorzugsweise durch die Verbindungsleitung oder durch eine darin befindliche Drosselstelle gebildet. Ein Verstellvorgang ist vorzugsweise beendet, wenn der zweite Kolben 29.2 am Rückschlagventil 28 angekommen ist.
5 zeigt in schematischer Ansicht eine Explosionsdarstellung des zweiten Pleuels 17 aus 2. Das große Pleuellagerauge 3 ist zweigeteilt und kann über entsprechende Verschraubungen nach Einfügen von nicht näher dargestellten Pleuellagerschalen zusammengefügt werden. Die Stangen 25 weisen einen geteilten Kopf 39 auf. Dieses ermöglicht eine genaue Führung des Exzenters 5 mittels eines entsprechenden Verbindungselementes 40. Das Verbindungselement 40 kann beispielsweise eine selbstschmierende Hülse oder ein selbstschmierender Bolzen sein. Der Exzenter 5, der in das kleine Pleuellagerauge 2 eingesetzt wird, wird dabei mit einem Bauteil des Hebelsystems 20 verbunden, welches vorher in die Ausnehmung 23 eingesteckt worden ist. Lagerringe 41 sichern den Exzenter 5 axial und füllen den radialen Raum zwischen Exzenter und Pleuelstange aus. Nachdem der Exzenter 5 und die Lagerringe 41 eingesetzt wurden, werden Sicherungsschrauben, die hier nicht dargestellt sind, in Sicherungsgewinden 42 befestigt.
Der Exzenter 5 weist neben der Verzahnung 19 Lagerflächen 43 auf. Diese laufen in den Lagerringen 41. Im großen Pleuellagerauge 3 sind die Pleuellagerschalen 30, die geteilt sind, mit einer umlaufenden Nut 11 versehen. Die Ölversorgung der umlaufenden Nut 44 selbst erfolgt über zumindest eine entsprechende Versorgungsbohrung in der Kurbelwelle, wie sie in 9 angedeutet ist.
Bevor eine Betätigung des 3/2-Wegeventils und damit der vollständige Funktionszusammenhang zwischen der Verstellung des Exzenters aufgrund einer Initiierung von außen beschrieben wird, wird anhand von 6 und 7 eine Betätigungseinheit 45 als Verstelleinheit beschrieben. Mittels dieser Betätigungseinheit 45 wird die Betätigung des 3/2-Wegeventils ausgelöst. Die Betätigungseinheit 45 ist hierzu in einem in 6 und 7 nicht näher dargestellten Motorgehäuse angeordnet. Die Betätigungseinheit 45 weist ein Gestell 46 auf. In diesem Gestell 46 sind längs bewegbare Kurvenscheiben 47 angeordnet. Eine erste Kurvenscheibe 47.1 weist eine erste Steuerfläche 48 und eine zweite Kurvenscheibe 47.2 weist eine zweite Steuerfläche 49 auf. Die Kurvenscheiben 47 sind vorzugsweise miteinander gekoppelt. Diese Kopplung kann beispielsweise so wie dargestellt durch eine durchgehende Welle 50 erfolgen, wie sie näher aus 8 hervorgeht. Die Kurvenscheiben 47 weisen hierzu eine Verzahnung auf, in die die Welle 50 mit einer Gegenverzahnung eingreift. Wird die Welle 50 verdreht, werden damit ebenfalls beide Kurvenscheiben 47 verdreht. Aufgrund der entgegengesetzten Anordnung der Kurvenscheiben führt diese Drehung der Welle 15 zu einer jeweils entgegengesetzten Bewegung beider Kurvenscheiben 47.
Die Welle 50 ist vorzugsweise angekoppelt an eine Betätigungseinrichtung, insbesondere an einen hier nicht näher dargestellten elektrischen Aktuator, mittels einer Ankopplung 51. Die Ankopplung 51 ist beispielsweise ein 6-kantförmiges Durchgangsloch. Dieses erlaubt, dass eine drehfeste Verbindung mit beispielsweise einem elektrischen Aktuator in Form eines Elektromotors ermöglicht wird. Dadurch kann die Welle 50 durch den elektrischen Aktuator betätigt werden. Die Kurvenscheiben 47 wiederum weisen jeweils zumindest einen Anschlag 52 auf. Dieser stößt gegen Begrenzungen 53. Auf diese Weise wird eine Lagesteuerung ermöglicht. Beispielsweise kann an der Betätigungseinheit als Antrieb, insbesondere dem elektrischen Aktuator, ein Anstieg einer Motorstromaufnahme detektiert werden, wenn der Anschlag 52 an eine der Begrenzungen 53 anstößt. Wird derartiges detektiert, wird der Stromfluss unterbrochen und die Kurvenscheibe 47 verbleibt in ihrer jeweiligen Endstellung. Durch das Zusammenwirken des mechanischen Anschlages 52 und der Detektion eines Stromanstieges ist eine präzise Lagerregelung erforderlich. Alternativ kann eine Rutschkupplung zwischen Aktuator und Welle eingebaut werden, so dass bei Erreichen eines Endanschlages ein Überhitzen des Aktuators vermieden werden kann. Eine Bestromung des Elektromotors kann somit für eine feste Dauer aktiviert werden.
8 zeigt in einer Aufsicht das zweite Pleuel 17 mit einer Kurbelwelle 54. Die Anordnung der Kurvenscheiben 47 und deren Verbindung untereinander über die Welle 50 ist dadurch verdeutlicht, dass das Gestell, in dem die Kurvenscheiben 47 gehalten sind, in der Ansicht der 8 weggelassen worden ist. Das Schaltelement 31 steht über einer Oberfläche des zweiten Pleuels 17 ab. Die zweite Steuerfläche 49 ist bei Drehung der Welle 50 veränderlich, so dass dann das Schaltelement 31 eingerückt werden kann, wenn es vorbeigleitet, und dadurch den oben beschriebenen Mechanismus zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses aktiviert. Bei der in 8 dargestellten Situation ist die nicht sichtbare erste Steuerfläche in Kontakt mit dem zur anderen Seite, vorher herausragenden Schaltelement 31 gewesen und hat die entsprechende Bewegung initiiert. Bei dieser Ausgestaltung ist neben einer Zweipunktverstellung zwischen einer hohen Verdichtung und einer niedrigen Verdichtung, die beispielsweise zwischen ε = 12 und ε = 8 liegt, auch eine kontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses möglich. Hierzu wird beispielsweise ein momentanes Verdichtungsverhältnis kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfasst. Beispielsweise ist dieses möglich durch Messung eines Zylinderinnendrucks oder durch eine Messung von Weggrößen, beispielsweise eines Eintauchweges eines Kolbens im Bereich eines unteren Totpunktes. Auf Basis des ermittelten momentanen Verdichtungsverhältnisses kann auch mit dieser wie auch mit anderen Vorrichtungen ein Wechsel zwischen Verdichtungszunahme und Verdichtungsabnahme realisiert werden. Eine dafür geeignete Steuerung bzw. Regelung kann insbesondere entweder in ein bereits vorhandenes Steuergerät z.B. einer Motorsteuerung integriert werden oder in einem dafür sepa raten Steuergerät umgesetzt werden. Letzteres kann beispielsweise in ein Ventilsteuergerät integriert sein.
9 zeigt eine Schnittansicht durch eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine 55, die teilweise dargestellt ist. Der Schnitt ist durch das zweite Pleuel 17 gelegt, das auf der Kurbelwelle 54 aufsitzt. Der Mechanismus zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ist ebenfalls in der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine 55 angeordnet. Das Gestell 46 ist ortsfest angeordnet, während die übrigen Bauteile mit denen aus 2 und den nachfolgenden Figuren übereinstimmen. Das zweite Pleuel 17 ist nun über das kleine Pleuellagerauge 2 mit einem Kolben 56 verbunden. Weiterhin ist in 9 eine Bahnkurve 57 eingezeichnet, die eine Achse des Schaltelementes 31 aufgrund einer Kurbeltriebskinematik beschreibt. Vorzugsweise ist in einem Bereich eines unteren Totpunktes etwa 40° vor UT bis etwa 40° nach UT eine Nutzung einer horizontalen Wegkomponente der Bahnkurve 57 möglich, um eine axiale Bewegung des Schaltelementes 31 und des damit gekoppelten 3/2-Wegeventils hervorzurufen. Im Übrigen geht aus 9 ebenfalls hervor, dass in der Kurbelwelle 54 ein Ölzuführungskanal 58 angeordnet ist. Mittels diesem kann der notwendige Öldruck zur Verfügung gestellt werden, der an den Ventilen der Verschlussstopfen in den Hydraulikzylindern anliegt.
Im Folgenden wird eine Betätigung des Schaltelementes 31 in der speziellen Ausgestaltung als 3/2-Wegeventil anhand der oben beschriebenen Figuren näher erläutert. Aus 3 ist zu entnehmen, dass das Schaltelement 31 umlaufende Nuten 59 aufweist. Durch das Zusammenwirken mit den Kurvenscheiben 47 in 8 wird das Schaltelement 31 und damit die umlaufenden Nuten 59 bewegt. Die Kugel 33 bewirkt ein Einrasten in eine der Nuten 59 und sperrt damit ein weiteres axiales Verfahren. Die Steuerflächen 48, 49 aus 6 sind vorzugsweise so beschaffen, dass bei Aktivierung des Schaltelementes 31 über die Kurvenscheiben 47 das 3/2-Wegeventil nicht bis ganz in seine jeweilige Endlage der Einrastung gedrückt wird. Vielmehr wird eine stabile Rastlage durch das Zusammenwirken zwischen der Kugel 33 und der jeweiligen umlaufenden Nut 59 bewirkt. Dadurch wird verhindert, dass bei einer nächsten Kurbelumdrehung die Kurvenscheibe 47 mit ihrer jeweiligen Steuerfläche 48, 49 mit dem Schaltelement 31 in Berührung gerät. Dieses erlaubt, dass die Kurvenscheibe 47 in ihrer jeweiligen Stellung verbleibt, ohne dass eine permanente Reibung auftritt.
10 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Zusammenbaus einer alternativen Gestaltung der Exzenterlagerung im Pleuel und einen Pleuelaufbau mit Verstellmechanismus in schematischer Ansicht. Vorzugsweise wird diese für einen im Nutzfahrzeugbereich eingesetzten Dieselmotor verwendet. Bei einem Dieselmotor sind die abzustützenden Kräfte aufgrund der größeren Gasdrücke entsprechend größer. Da sich die Verstellung auf einem höheren Epsilon-Niveau abspielt, werden geringere Verfahrwege als beim Ottomotor benötigt, so dass auch geringere Exzentrizitäten gewählt werden können. Daraus folgt, dass die abzustützenden Exzentermomente nicht zwangsläufig größer sein müssen als im Falle eines Ottomotors mit gleicher Bohrung. Aufgrund der großen Gaskräfte ist der Kolben des Dieselmotors im allgemeinen stabiler ausgeführt als dies beim Ottomotor der Fall ist, was dazu führen kann, dass im Kolbeninnenbereich auch weniger Bauraum zur Verfügung steht.
Eine Möglichkeit, den radialen Bauraumbedarf deutlich zu reduzieren, besteht darin, den Exzenter und den Kolbenbolzen als ein Teil auszuführen und die Schubstangen so nah wie möglich am Drehpunkt anzuordnen. 10 und 11 zeigen eine solche konstruktiven Lösung für einen Nutzfahrzeugdieselmotor.
Bei der aus 10 hervorgehenden Montage werden die Exzenteraufnahmebohrungen 60.1 und 60.2 und eine verzahnte Ausnehmung 61 in Flucht gebracht, um dann einen Bolzen-Exzenter-Verbund 62 axial einzuschieben. Die Exzenteraufnahmebohrungen 60 im Pleuel sind dazu gestuft ausgeführt. Eine Durchmesserdifferenz wird durch eine Höhe einer Verzahnung 68 bestimmt. Ein radialer Raum zwischen Kolbenbolzen und Kolbennabe wird mittels zweier Distanzhülsen 63 überbrückt, welche durch eine Schraube 64 und zwei Halteteller 65 axial gegen die Exzenterstirnflächen 66 gepresst werden. Die Kolbenbolzenlagerung befindet sich dadurch an einer Außenfläche 67 der Distanzhülsen 63.
Die genaue Anordnung und Lage der einzelnen Elemente zur Befestigung des Kolbenbolzens im Pleuel geht aus der Schnittansicht aus 11 hervor. Hierbei ist zu erkennen, dass zuerst der Bolzen-Exzenter-Verbund 62 in die Ausnehmung 61 eingeführt wird und mit der Verzahnung 68 in Eingriff gelangt. Die Verzahnung 68 dient zur Momenten- und Kraftübertragung und gleichzeitigen Verstellung des Exzenters aufgrund einer Stellbewegung über die Verstellvorrichtung bzw. zur Abstützung im Falle einer Rücklaufsperre.
Vorzugsweise wird eine Obenführung des Pleuels vorgesehen, da somit der Halteteller 65 bis kurz vor die Zylinderwand ragen und die Nabenauflagefläche maximiert werden kann. Sicherungsringe für den Kolbenbolzen sind vorzugsweise nicht erforderlich. Auf diese Weise kann eine Nabenauflagefläche gegenüber einem konventionellen Triebwerk in etwa konstant gehalten werden.
12 zeigt eine beispielhafte Aufsicht auf ein Pleuel mit Verstellmechanismus, der einen hydraulischen Widerstand bewirkt, der eine zusätzliche formschlüssige Endlagenarretierung aufweist. Die Endlagenarretierung bewirkt ein Verhindern eines permanenten Hämmerns eines Kolbens 69 auf Grund kleinster noch möglicher Bewegungen durch die wirkenden Drehmomente. Die Verstellvorrichtung 8 des Pleuels 71 umfasst Schiebestangen 72 mit Kolben 69, die in eine linke Stützkammer 73 bzw. in eine rechte Stützkammer 74 eintauchen, sowie einen Sperrbolzen 75. 13 zeigt ein Bauelement für das Ausführen einer Endlagenarretierung. Ein Anlenkhebel 76 wird mit einer zusätzlichen axialen Bohrung versehen, in der der Sperrbolzen 75 gelagert ist. Im Pleuel sind zwei axiale Bohrungen 77 derart angebracht, dass der Sperrbolzen 75 in den Endlagen der Abstützmechanik jeweils mit einer dieser Bohrungen 77 fluchtet. Vorzugsweise wird eine formschlüssige Endlagenarretierung eingesetzt. Zur Vermeidung von Deformationen oder einem permanenten „Hämmern" bei einem Erreichen eines Kolbens 69 der Verstellvorrichtung am Endanschlag 70 wird eine Abminderung vorgesehen. Vorzugsweise wird eine Nachgiebigkeit einer hydraulischen Abstützung verringert, beispielsweise durch eine Wahl eines größeren Kolbendurchmessers oder einer größeren Hebelarmlänge. Beide Maßnahmen sind bei manchen Bauräumen nur in begrenztem Umfang zu realisieren. Eine wirksamere Abdichtung des Kolbens einerseits und eine geringere Leckage an einem beispielsweise 3/2-Wegeventil verringert die Nachgiebigkeit ebenfalls. Bevorzugt wird jedoch eine zusätzliche formschlüssige Endlagenarretierung vorgesehen. Auf diese Weise kann auch eine Bildung einer Kavitation vermieden werden. 12 und 13 zeigen diese konstruktive Umsetzung einer derartigen Endlagenarretierung.
Ein Verriegelungsvorgang geht näher aus 13 hervor. In den Bohrungen im Pleuel befinden sich jeweils ein Einrückbolzen 78 und ein Ausrückbolzen 79, welche beide mittels einer eigenen Druckfeder 80, 81 gegen den Anlenkhebel 76 gedrückt werden. Die federseitigen Räume 82, 83 der im Pleuel geführten Bolzen sind über kleine Bohrungen mit den Zulaufleitungen zum nicht näher dargestellten 3/2-Wegeventil verbunden. So sind die Kammern 83.1 und 82.2 mit einem Ablauf der rechten Stützkammer 74 und die Kammern 83.2 und 82.1 mit dem Ablauf der linken Stützkammer 73 verbunden. Die jeweils wirkende Druckdifferenz wird zur Arretierung bzw. Freigabe genutzt. Zur besseren Überwindung von Widerständen weisen die Einrück- wie auch die Ausrückbolzen und der Sperrbolzen eine Anfasung auf. Dadurch können Kanten des Pleuels 71 bzw. des Anlenkhebels 76 genutzt werden, um die Bolzen aus ihrer Position zu verrücken bzw. das Einrasten zu erleichtern. Ein Verfahrvorgang bezüglich einer Verdichtung von „hoch" auf „niedrig" sei im Übrigen gerade abgeschlossen und ein Teil einer Abstützmechanik, in diesem Falle der linke Stützkolben, befindet sich am Endanschlag „niedrige Verdichtung". Das 3/2-Wegeventil ist dementsprechend so geschaltet, dass die linke Stützkammer 73 aus 12 entlastet und die rechte Stützkammer 74 aus 12 verschlossen ist. Der Sperrbolzen 75 liegt auf einer Flucht mit dem rechten Ein- 78 und Ausrückbolzen 79 und wird durch die Summe aus hydraulischer Kraft und Federkraft in Sperrposition geschoben. Eine resultierende Federkraft weist hierbei aufgrund der unterschiedlichen Einzelfederkräfte stets in Verriegelungsrichtung. Für die in diesem Fall gerade aktive Position des 3/2-Wegeventils herrscht am Einrückbolzen 78 mindestens ein Versorgungsöldruck, da hier eine Verbindung zur verschlossenen Ablaufbohrung der rechten Stützkammer vorzugsweise nach einer Drosselblende besteht. Da der Ausrückbolzen 79 mit der Ablaufbohrung der linken Stützkammer verbunden ist, welche gerade offen ist, herrscht dort ein Kurbelgehäusedruck. Die resultierende hydraulische Kraft weist damit ebenfalls in Verriegelungsrichtung.
Ein Entriegelvorgang wird mit dem Umschalten des 3/2-Wegeventils eingeleitet. Die resultierende hydraulische Kraft ändert ihr Vorzeichen und wirkt nun gegen die unverändert wirkende resultierende Federkraft. Bei entsprechender Auslegung wird nun die Federkraft überwunden und der Sperrbolzen 75 wird wieder außer Eingriff geschoben. Beispielsweise ist die Druckfeder 80 des Einrückbolzens 78 als Einrückfeder stärker ausgelegt als die Druckfeder 81 des Ausrückbolzens 79, wenn diese als Nachführfeder eingesetzt wird. Vorteilhaft an dieser skizzierten Lösung sind die kurzen Kraftwege im eingerasteten Zustand. Die Schubstangen sowie die Stützkammern sind dann vorzugsweise kraftfrei.
Der Endanschlag kann beispielsweise entweder wie hier dargestellt durch den Hydraulikkolben erfolgen oder über einen Anschlag, der direkt am Anlenkhebel angreift. Auf diese Weise verkürzt sich eine Toleranzkette, was eine Fluchtung erleichtert.
14 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung, wie ein ölgedämpfter Endanschlag ausgeführt sein kann. Wird eine Ablaufbohrung 84 aus der Stützkammer 85 höher angebracht, so dass eine Kolbenkante 86 diese Bohrung überfahren kann, wird ein abgeschlossenes Ölpolster gebildet. Sobald die Kolbenkante 86 die Ablaufbohrung 84 überfahren hat, beginnt sich in dem Ölpolster 87 ein Druck aufzubauen. Je tiefer der Kolben 88 eintaucht, desto größer wird die Überdeckung und damit der hydraulische Widerstand.
15 zeigt in schematischer Ansicht einen Zusammenhang zwischen dem wirkenden Drehmoment auf den Exzenter, welches auf der Y-Achse im oberen Teil der Figur darge stellt ist. Darunter angeordnet ist der Verlauf des Exzenterwinkels aufgetragen über die Y-Achse. Auf der X-Achse in beiden Teilen der 15 ist der Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt aufgetragen. Die Darstellung bezieht sich dabei auf einen Einzyklusmodus. Bei 360° KW beginnt das Ausschieben der verbrannten Gase, bei 720°KW ist ein Ansaugen von Frischluft zu Ende. Dies sind natürlich nur beispielhaft angegebene Werte, die insbesondere von den genauen Ventilsteuerzeiten abhängen. Auf Grund der Drehung der Kurbelwelle erfährt der im Pleuel angeordnete Exzenter ein Drehmoment, dessen Verlauf über den Kurbelwinkel im oberen Teil dargestellt ist. Der Drehmomentverlauf weist zwei Nulldurchgänge auf, an denen sich die jeweilige Richtung des Drehmoments ändert. Dies hängt mit der jeweiligen Position der Kurbelwelle zusammen. Dieser Zusammenhang ist verdeutlicht durch das Herunterziehen von Linien von den Nulldurchgängen vom oberen Teil in den unteren Teil der 15. Die Verstellung des Exzenters erfolgt gemäß diesem dargestellten Beispiel durch das Drehmoment, welches unterhalb des Nulldurchgangs sich auf den Exzenter auswirkt. Diese wirkende Drehmomentsumme ist als Fläche schraffiert eingetragen. Im unteren Teil der 15 ist dargestellt, dass mit Beginn des Nulldurchgangs auch der Exzenter mit seiner Drehung beginnt. Dargestellt sind einerseits zwei verschiedene Verläufe einer Exzenterdrehung, die innerhalb des Bereichs der beiden Nulldurchgänge des Exzentermoments liegen. Zum anderen verläuft ein dritter Exzenterwinkel nur zum Teil in dem Bereich der Nulldurchgänge des Exzentermoments. Die ersten beiden Verläufe sind im Einfachzyklusmodus ausgeführt. Das bedeutet, dass von der Ausgangsposition bis zur Endposition dieses im Bereich der einfachen Kurbelwinkelumdrehung erfolgt. Der dritte Verlauf des Exzenterwinkels ist die beispielhafte Darstellung eines Mehrfachzyklusmodus. Nach Beginn der Drehbewegung des Exzenters hört diese auf, wenn das Exzentermoment wieder den nächsten Nulldurchgang erreicht hat. In dieser Position wird der Exzenter festgehalten, während das Exzentermoment sich umgedreht hat. Andernfalls würde das sich umgekehrte Exzentermoment dazu führen, dass der Exzenter eine Rückbewegung ausführen würde. Diese Arretierung des Exzenters zum Zeitpunkt der Umkehrung des Exzentermoments wird vorzugsweise mittels der oben schon beschriebenen Abstützung des Exzenters insbesondere durch eine Rücklaufsperre ausgeführt. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass in die nicht gesperrte Richtung ein freier Lauf des Exzenters weiter gestattet wird. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, dass der Exzenter in beide Richtungen sich nicht drehen kann und daher vollkommen arretiert ist. Beispielsweise ist dies ausführbar, um ein Verdichtungsverhältnis einzustellen, welches zwischen einem minimalen und einem maximalen Verdichtungsverhältnis liegt. Das hier beispielhaft für die Wirkung eines einzelnen Exzenters im Pleuel dargestellte Zusammenspiel zwischen Exzentermoment und Verdrehung des Exzenters gilt für die Anordnung des Exzenters im Pleuellagerauge wie auch im Hublagerauge des Pleuels, d.h. im kleinen Pleuellagerauge bzw. im großen Pleuelauge. Sind zwei Exzenter im Pleuel eingesetzt, addieren sich die jeweiligen Verstellungen der Exzenter zu einer relativen Verlängerung oder Verkürzung der effektiven Länge des Pleuels.
16 verdeutlicht einen Zusammenhang zwischen einem Exzenterwinkel, einem Stützdruck, einem Exzentermoment und einer Kraft, die jeweils auf der Y-Achse aufgetragen sind gegenüber einer Drehung der Kurbelwelle, aufgetragen im Grad Kurbelwelle nach LOT. Von oben nach unten ist die Kraft in Newton, das Exzentermoment in Newtonmeter, der Stützdruck in bar und anschließend der Exzenterwinkel in Grad angegeben. Veranschaulicht wird hierbei eine Drehung eines Exzenters, wie er beispielsweise in 12 mit einem Verstellmechanismus dargestellt ist. Dargestellt ist dabei ein Verlauf der Drehung des Exzenters innerhalb eines Arbeitsspieles bzw. Zyklusses. Bei dem dargestellten Mehrzyklusmodus müssen mehrere solcher Ereignisse zeitlich aneinandergereiht werden, um von einem Anschlag zum anderen Anschlag zu gelangen. Der Verlauf des Stützdrucks gibt den jeweiligen Druck in den Kammern 73, 74 wieder. Dies ist durch die Bezeichnung P₇₃ und P₇₄ dargestellt. Dabei weist der Druck in der Kammer 73 einen Verlauf auf, der bei ca. 75° KW bei 0 bar startet und seinen höchsten Druck von über 100 bar bei 360° KW erzielt, dann jedoch wieder stark abfällt und bei etwa 640° KW den Wert 0 bar wieder annimmt. Den Wert 0 bar behält der Druck in der Kammer 73, bis er beim nächsten Erreichen von etwa 75° KW wieder anfängt zu steigen. In diesem Bereich hingegen steigt der Druck in der Kammer 74, was sich am Verlauf des Drucks P₇₄ zeigt. Dieser Verlauf der Drücke hängt mit dem wirkenden Exzentermoment zusammen. Steigt dieses an, wird eine Kraft auf den Stützkolben ausgeübt, was sich durch das Ansteigen des Drucks auswirkt. Das Ansteigen des Exzentermoments ergibt sich auf Grund der Wirkung, die sich zum einen aus der Massenkraft und zum anderen aus der Gaskraft am Hubkolben ergibt. Die sich daraus ergebende Kraft führt zum Exzentermoment. Der Exzenter wiederum kann somit zwischen den Nulldurchgängen des Exzentermoments sich bewegen und von einer ersten Stellung bei 120° zu einer zweiten Stellung von weniger als 118° gelangen. So wie dargestellt, ist es im Anschluss daran nochmals zu einer Nachbewegung des Exzenters gekommen. Derartiges kann beispielsweise auftreten, wenn sich im System Leckagen oder Ähnliches befinden. Auch kann eine Nachbewegung durch eine nicht ausreichende Abstützung bzw. durch Kavitationseffekte auftreten. Dieser Effekt einer Nachbewegung ist jedoch durch höhere Qualitäten der Maßhaltigkeit von Bauteilen sowie insbesondere auch durch verschleißfeste Beschichtungen zumindest reduzierbar, insbesondere vermeidbar.
17 zeigt den Zusammenhang zwischen einerseits der Umdrehungszahl der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, der Zahl der benötigten Zyklen, wenn eine Exzenter verstellung in einem Mehrfach-Zyklusstellmodus betrieben wird, aufgetragen auf der X-Achse und dem jeweiligen maximalen Brennraumdruck pmax, angegeben in bar. Der maximale Brennraumdruck pmax ist hierbei als der jeweils in einem Zyklus auftretende Maximalgasdruck im Brennraum und somit ein Indikator für die jeweils momentan erzielte Verdichtung. Die Druckkurven sind für Umdrehungszahlen von 1000 bis 6000 in 1000er Schritten dargestellt. Der gleiche funktionale Zusammenhang geht auch aus 18 hervor. Während 17 eine erste Ausgestaltung einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine darstellt, bei der ausgehend von einer niedrigen Verdichtung die Verdichtung durch Pleuelverstellung erhöht wird, zeigt 18 den Zusammenhang für eine andere Ausgestaltung einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, bei der ausgehend von einer hohen Verdichtung die Verdichtung durch Pleuelverstellung verringert wird. Dabei ist jeweils festzustellen, dass mit ansteigenden Umdrehungszahlen der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zur Erhöhung der Verdichtung ausgehend von einem niedrigen Wert eine geringere Zyklenanzahl nötig ist. [ist in allen gezeigten Kurven die maximale Verstellung erreicht?]
Des weiteren ist dabei jeweils festzustellen, dass mit ansteigenden Umdrehungszahlen der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zur Verringerung der Verdichtung ausgehend von einem hohen Wert eine höhere Zyklenanzahl nötig ist.
19 zeigt einen Aufbau eines Pleuels vergleichbar zu demjenigen, das aus 3 hervorgeht. Das dargestellte Pleuel in 19 weist zusätzlich eine Drosselblende 100 in den Leitungen auf. Durch diese Drosselblende 100 ergibt sich ein eingestellter Widerstand, der auf den Exzenter einwirkt. Weiterhin weist ein Ventilkörper 101 eine Nut auf, in die ein Begrenzer 102 eingreifen kann. Der Begrenzer 102 weist dabei eine optimierte Gestaltung auf. Der Begrenzer 102 vermeidet, dass der Ventilkörper 101 bei Verstellung durch das nicht näher dargestellte Gestellt von außen über eine Sicherungsposition hinaus geschoben wird, die durch die Arretierung mittels der Feder-gespannten Kugel am Ventilkörper 101 vorgesehen ist.
Das hier vorgeschlagene System zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses erlaubt es, verschiedenste weitere vorteilhafte Weiterbildungen einsetzen zu können. Dazu gehört zum Beispiel, dass zumindest einige, wenn nicht die überwiegende Anzahl der Bauteile des Pleuels bzw. des Verstellmechanismus mittels eines Sinterverfahrens herstellbar sind. Dieses erlaubt, auf eine anschließende mechanische Bearbeitung dieser Sinterteile größtenteils verzichten zu können. Dadurch ist ein derartiges Pleuel besonders für eine Großserie geeignet. Durch die äußerst kompakte Unterbringung des Verstellmechanismus in bzw. am Pleuel selbst gelingt es insbesondere, dass herkömmliche Kurbelwellen bzw. Motorabmessungen nicht geändert werden müssen. Insbesondere Außenabmessungen des Motors im Bereich von Flanschen können unverändert bleiben. Bei einer Vormontage der Pleuel ist es möglich, dass ein konventioneller Montageablauf weiter beibehalten wird. Des Weiteren erlaubt der vorgeschlagene Mechanismus eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses mit sehr wenigen zusätzlichen Bauteilen. Eine Zunahme des Motorgewichtes kann dadurch beschränkt werden. Insbesondere ist eine Gewichtszunahme geringer als 2,5 kg bei einem Vierzylindermotor eines PKWs. Vorzugsweise kann durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen, welche beispielsweise eine Titan-oder/und Aluminiumlegierung aufweisen, das verstellbare Pleuel gewichtsneutral im Vergleich zu einem konventionellen Pleuel ausgeführt werden. Dies gilt insbesondere für den oszillierenden Massenanteil. Durch die Art der Verstellung und der dabei eingesetzten Bauteile kann ein Umschalten zu jedem Betriebspunkt des Motors erfolgen. Insbesondere ist eine Drehzahlbegrenzung weder während eines normalen Betriebes noch während eines Schaltens notwendig. Da keinerlei zusätzlichen kraftführenden Bauteile permanent im Eingriff sind, wird auch keine zusätzliche Motorreibung und damit einhergehende Motorverluste erzeugt. Darüber hinaus ist das System auch bei hochverdichtenden Motoren, insbesondere auch bei hohen Zünddrücken einsetzbar, somit auch bei hochaufgeladenen Motoren. Der Ölhaushalt des Motors wird ebenfalls durch den Mechanismus nicht besonders beansprucht. Die notwendigen Ölmengen bzw. Öldrücke können ohne weitere Probleme aus dem schon vorhandenen Ölkreislauf entnommen werden.

Claims

Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis in einem Hubkolben mittels eines Verstellmechanismus, der zumindest einen in einem Pleuellagerauge (2) oder in einem Hublagerauge eines Pleuels (17) angeordneten Exzenter (5) zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels (17) umfasst, einen Verstellweg des Exzenters (5), entlang dessen der Exzenter mittels eines durch eine Bewegung des Pleuels hervorgerufenen, wirkenden Drehmomentes bewegbar ist, und zumindest einen veränderbaren Widerstand, der auf eine Verstellbewegung des Exzenters (5) einwirkt und zumindest eine gedämpfte Verstellbewegung des Exzenters (5) bewirkt.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus eine bezüglich des Verstellungsweges umschaltbare Rücklaufsperre des Exzenters (5) aufweist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand einstellbar veränderbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand hydraulisch erzeugbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand vor zumindest einer Anschlagsbegrenzung eines Verdrehwinkels des Exzenters (5) angeordnet ist und auf eine Verstellbewegung vor Erreichen der Anschlagsbegrenzung einwirkt.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus als Einfachzyklusstellmechanismus nutzbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus als Mehrfachzyklusstellmechanismus nutzbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Pleuel einwirkende Verstellvorrichtung, insbesondere eine mechanische Verstellvorrichtung (8), zur Änderung einer Einstellung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist, die mit dem Exzen ter (5) zusammenwirkt, wobei eine Betätigung einer Rücklaufsperre des Exzenters (5) mit der Verstellvorrichtung gekoppelt ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ein Dämpfungsvolumen aufweist, dass insbesondere in einer Dämpfungskammer angeordnet ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dämpfungsverhalten des Dämpfungsvolumens einstellbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus einen ersten Hebel (21), der mit einem ersten Kolben eines ersten Hydraulikhubzylinders, und einen zweiten Hebel (22), der mit einem zweiten Kolben eines zweiten Hydraulikhubzylinders mittels jeweils eines längs des Pleuels angeordneten Kraftübertragungselementes in Wirkverbindung steht, umfasst, die als Bestandteile einer Rücklaufsperre für den Exzenter (5) einsetzbar sind.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dämpfungsvolumen als Widerstand über ein Rückschlagelement mit einer druckbeaufschlagten Ölversorgung verbunden ist und wobei mittels wenigstens eines Schaltelementes (31) zumindest das Dämpfungsvolumen entspannbar ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Entspannungsleitung (16) zwischen dem ersten oder dem zweiten Hydraulikzylinder und dem Schaltelement (31) innerhalb der Pleuelstange (7) verläuft.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus eine Verstellung des Exzenters in eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Lage zur Erzielung eines maximalen und minimalen Verdichtungsverhältnisses vorsieht, ohne dass zumindest eine der Lagen eine Endposition für einen möglichen Verstellweg des Exzenters ist.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus eine Zwischenstellung zur Einstellung eines zwischen dem minimalen und dem maximalen Verdichtungsverhältnisses liegenden Zwischenverdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (8) einen Rastmechanismus (32) für ein verstellbares Schaltelement (31) aufweist, das zumindest ein Schaltmittel mittels einer in einem Motorgehäuse angeordneten Verstelleinheit (45) schaltbar aufweist und mit dem Exzenter (5) zur Änderung der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses zusammenwirkt.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (31) längs einer Kurbelwelle (54) im Pleuel (17) angeordnet und für eine Einstellung wahlweise in eine erste oder eine zweite Raststellung längs verschiebbar ist, wobei das Schaltelement jeweils an wenigstens einer Seite über eine Oberfläche des Pleuels übersteht.
Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (45) eine erste und eine zweite Steuerfläche (48, 49) umfasst, wobei diese wahlweise so verstellbar sind, dass eine erste Steuerfläche (48) oder eine zweite Steuerfläche (49) auf ein Schaltelement (31) einwirkt.
Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses in einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) mit einem Pleuel (17) eines Hubkolbens, welches an einem Ende ein Pleuellagerauge (2) und an einem anderem Ende ein Hubzapfenlagerauge umfasst, und zumindest einen im Hubzapfenlagerauge oder im Pleuellagerauge (2) drehbar gelagerten Exzenter (5) aufweist, wobei der Exzenter (5) bei einem Kolbenhub in Abhängigkeit von einem wirkenden Drehmoment in Drehmomentrichtung eine Bewegung in eine erste Drehrichtung erfährt, wobei die Bewegung mittels eines Widerstandes vor Erreichen einer Endposition der Bewegung abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass über eine mit dem Exzenter (5) gekoppelte Wirkverbindung mittels einer Einleitung einer ersten Schubkraft in ein erstes Dämpfungsvolumen oder mittels einer Einleitung einer zweiten Schubkraft in ein zweites Dämpfungsvolumen eine gedämpfte Bewegung des Exzenters (5) in eine erste oder in eine zweite Endstellung unter Änderung des Verdichtungsverhältnisses erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Drehrichtung für den Exzenter (5) hydraulisch gesperrt wird, während eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung freigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Exzenters (5) in eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung des Exzenters (5) gleichzeitig gesperrt werden, wobei zumindest eine Drehrichtung hydraulisch gesperrt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft des Widerstandes während des Betriebes der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (1) geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Bereich zwischen 45° vor UT und 45° nach UT zumindest initiiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses von einer Steuerung auf das Pleuel mechanisch übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung zur Einstellung einer Position des Exzenters (5) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Betätigung des Exzenters (5) in einem Einfachzyklus auf eine Betätigung in einem Mehrfachzyklus oder umgekehrt umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierlichen Betätigung des Exzenter (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine diskontinuierliche Betätigung des Exzenters (5) erfolgt.