DE102015221908A1

DE102015221908A1 - Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015221908A1
Application number: DE102015221908.9A
Authority: DE
Inventors: Eduard Golovatai-Schmidt; Markus POPP; Michael Knorr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei welcher jeder Zylindereinheit eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist, ist eine effektive Länge eines Pleuels (1) der Zylindereinheit veränderbar ist, wobei das Pleuel (1) einerseits mittels eines in einem Pleuelauge (7) geführten Kolbenbolzens an einem Arbeitskolben angreift und andererseits über ein Pleuellagerauge (5) auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (39) gelagert ist. Dabei weist die Verstelleinrichtung ein mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbares Umschaltelement (27) auf, das in einer parallel zu einer Längsmittelachse des Pleuellagerauges (5) im Pleuel (1) angeordneten Aufnahmebohrung (26) angeordnet ist und einen Schieber aufweist. Der Schieber (29, 64) ist abwechselnd an seinen beiden Stirnflächen durch Steuerflächen (44) zumindest eines Aktuators (40) längsverschiebbar. Zur Schaffung eines für eine in Großserie hergestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine geeigneten Aktuators, der bauraumsparend in die Umgebungskonstruktion integriert werden kann, soll der Aktuator (40) schwenkbar um eine Schwenkachse in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagerte Steuerzungen (41 und 42) aufweisen, die abwechselnd in die umlaufende Bewegungsbahn des Schiebers (29) verlagerbar sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei welcher jeder Zylindereinheit eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist, über die eine effektive Länge eines Pleuels der Zylindereinheit veränderbar ist, wobei das Pleuel einerseits mittels eines in einem Pleuelauge geführten Kolbenbolzens an einem Arbeitskolben angreift und andererseits über ein Pleuellagerauge auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist, wobei die Verstelleinrichtung ein mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbares Umschaltelement aufweist, das in einer parallel zu einer Längsmittelachse des Pleuellagerauges im Pleuel angeordneten Aufnahmebohrung angeordnet ist und einen Schieber aufweist, und wobei der Schieber abwechselnd an seinen beiden Stirnflächen durch Steuerflächen zumindest eines Aktuators längsverschiebbar ist.
Stand der Technik
Mit dem Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ε ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses können der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert und somit insgesamt der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen nimmt allerdings mit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zu. Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, mit denen die effektive Länge des Pleuels verstellt wird. Es handelt sich dabei um Vorrichtungen, mit denen der Abstand zwischen einem auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle angeordneten Pleuellagerauge des Pleuels und einem in einem Pleuelauge des Pleuels angeordneten Kolbenbolzenlager verändert wird. Dabei kann die Verstellung an dem das Kolbenbolzenlager aufnehmenden Pleuelauge oder an dem am Kurbelzapfen gellagerten Pleuellagerauge erfolgen, wodurch sich jeweils die Lage des Kolbens gegenüber dem Kurbelzapfen verändert.
Eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Gattung ist aus der DE 10 2005 055 199 A1 bekannt. Danach nimmt ein im Bereich seines Pleuelauges geteiltes Pleuel über die Bohrung dieses Pleuelauges einen Exzenterkörper auf, an dessen Außenverzahnung ein zweiarmiger Exzenterhebel angreift und in welchem ein Mittelpunkt einer Kolbenbolzenbohrung gegenüber einem Mittelpunkt des Pleuelauges versetzt angeordnet ist. Der Exzenterkörper ist mit einer zylindrischen äußeren Umfangsfläche in der Bohrung des Pleuelauges geführt und als Gleitlager ausgebildet. Drehbewegungen des Exzenterkörpers in der Bohrung des Pleuelauges erfolgen selbsttätig. Ausgelöst werden diese durch die Einwirkung von Massen- und Gaskräfte der Zylindereinheit, wobei sich deren Wirkrichtungen während des Arbeitsverfahrens derselben ständig ändern. Weiterhin ist der Exzenterhebel an seinen Enden jeweils über ein Schwenklager mit einer einen Stellkolben aufnehmenden Kolbenstange verbunden, wobei die Stellkolben in Stellzylindern geführt sind.
Eine Drehbewegung des Exzenterkörpers unter den Massen- und Gaskräften der Zylindereinheit und folglich ein Verschwenken des Exzenterhebels in eine der beiden Richtungen wird dadurch ermöglicht, dass der in der Richtung liegende Druckraum des Stellzylinders drucklos ist, während in den Druckraum des anderen Stellzylinders Motoröl mit dem entsprechenden Druck der Schmierölpumpe einströmt. Diese Steuerung wird von einem als Steuerschieber ausgebildeten Schieber einer Umschalteinrichtung, die in der Nähe des Pleuelauges angeordnet und als Umschaltventil ausgeführt ist, übernommen. Der Steuerschieber wird dabei mechanisch in eine seiner beiden Schaltstellungen verschoben, so dass der eine Druckraum drucklos in die Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine entleert und der andere Druckraum mit dem Motoröldruck beaufschlagt wird.
Die mechanische Umschaltung des Umschaltventils erfolgt mittels einer Betätigungseinheit, die ein unterhalb der Zylinderlaufbuchse im Kurbelgehäuse fixiertes Führungselement aufweist. Dieses Führungselement ist mit zwei Führungsnuten versehen, in denen jeweils ein längsbewegliches Kurvenelement angeordnet ist. Jedes der Kurvenelemente weist einen Zahnstangenabschnitt auf, der mit einer auf einer Steuerwelle angeordneten Außenverzahnung zusammenwirkt. Dabei sind die Verzahnungen der beiden Zahnstangenabschnitte derart ausgerichtet, dass die beiden Kurvenelemente bei einer Verdrehung der Steuerwelle in einer vorgegebenen Drehrichtung in den Führungsnuten gegenläufig verschoben werden. Dadurch wird der Steuerschieber mittels der Steuerflächen der Kurvenelemente in eine bestimmte Schaltstellung verschoben.
Weiterhin ist aus der DE 10 2013 021 635 A1 eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, mit welcher die effektive Länge eines Pleuels durch einen zwischen einem Kurbelzapfen und einem Pleuellagerauge vorgesehenen Exzenterkörper veränderbar ist. Dabei ist innerhalb einer Kurbelwange der Kurbelwelle ein Schieber angeordnet, der einen in radialer Richtung über die Kurbelwange vorstehenden Mitnehmer aufweist. Eine mit einer Führungsbahn versehene Kulisse ist linear verschiebbar im Kurbelgehäuse angeordnet und greift phasenweise an dem Mitnehmer an, wodurch der Schieber in eine seiner Positionen zur Sperrung oder Entsperrung des Exzenterkörpers verstellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanischen Aktuator für ein Umschaltelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das für eine Verwendung in einer in Großserie hergestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine geeignet ist. Dabei soll die Möglichkeit bestehen, diesen Aktuator bauraumsparend in die Umgebungskonstruktion zu integrieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den vom Patentanspruch 1 abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Danach soll der Aktuator schwenkbar um eine Schwenkachse in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagerte Steuerzungen aufweisen, die abwechselnd in die umlaufende Bewegungsbahn des Schiebers verlagerbar sind. Die entsprechenden flügelartig ausgebildeten Steuerzungen lassen sich in einfacher Weise als Stanz-Biege-Teile herstellen, die drehfest mit einem Zapfen verbunden oder mittels einer Nabe schwenkbar auf dem Zapfen gelagert sind. Da der Schieber abwechselnd in seinen beiden unterschiedlichen Bewegungsrichtungen betätigt werden soll, greifen nacheinander an jeder seiner beiden Stirnflächen entsprechende Steuerzungen an. Dies geschieht dadurch, dass die jeweilige zur Verstellung des Steuerschiebers vorgesehene Steuerzunge verschwenkt wird, bis sie in die umlaufende Bewegungsbahn des Schiebers, die dieser gemeinsam mit dem Pleuel ausführt, eingreift. Im Gegensatz zu bekannten Kulissen müssen die Steuerzungen also nach der Durchführung eines Umschaltvorganges nicht laufend in Kontakt mit der entsprechenden Stirnfläche sein. Darauf kann zumindest dann verzichtet werden, wenn der Schieber in jeder seiner beiden Stellungen verrastet ist. Außerdem weist jede der Steuerzungen nur kleine bauliche Abmessungen auf, so dass sich der Aktuator problemlos innerhalb des Kurbelgehäuses anordnen lässt. Von Vorteil ist im Übrigen, dass der Schieber bei Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerzungen im Bereich des Pleuellagerauges oder innerhalb des Pleuelschafts angeordnet sein kann.
Demgegenüber ist der Aktuator nach der 10 2005 055 199 A1 am unteren Ende der jeweiligen Zylinderlaufbuchse vorgesehen und weist das zwei Führungsnuten aufnehmende Führungselement auf. Die Verzahnungen der Zahnstangenabschnitte und der Steuerwelle bilden jeweils einen Linearantrieb für jedes der Kurvenelemente, so dass eine Verdrehung der Steuerwelle zu einer entsprechenden Längsbewegung der Kurvenelemente führt. Eine derartige Ausbildung des Aktuators ist mit erheblichem Bauaufwand verbunden und beansprucht einen Einbauraum, der im Bereich des Pleuels und des Kurbeltriebes zumeist nicht zur Verfügung steht.
Bei der Anordnung nach der DE 10 2013 021 635 A1 ist der Schieber in einer Kurbelwange der Kurbelwelle angeordnet und weist einen in Bezug auf den Kurbelzapfen radial verlaufenden Mitnehmer auf, der während jeder Umdrehung der Kurbelwelle phasenweise in eine schienenartige Kulisse eingreift. Diese sich ihrem Führungsabschnitt kontinuierlich verenge Kulisse ist quer verschiebbar in einer Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet, wofür ein Linearantrieb in Form eines Hydraulikzylinders oder einer elektromechanischen Stelleinrichtung sowie Führungselemente zur exakten Ausrichtung der Kulisse erforderlich sind. Auch in diesem Fall sind somit der bauliche Aufwand und der beanspruchte Bauraum erheblich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Aktuator einer Zylinderbank der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine im Kurbelgehäuse gelagerte Steuerwelle aufweisen, auf der die Steuerzungen für die jeweilige Zylindereinheit paarweise umfangsversetzt angeordnet sind. Für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit V-Anordnung der Zylinderreihen oder einen Boxermotorsind folglich zwei Steuerwellen vorgesehen, die drehfest auf diesen angeordnete Steuerzungen aufweisen. Innerhalb einer Baureihe von Hubkolbenbrennkraftmaschinen kann eine entsprechende mit Steuerzungen versehene Steuerwelle auch für Reihenmotoren verwendet werden. Die Steuerzungen, die paarweise jeder Zylindereinheit zugeordnet sind, sind derart umfangsversetzt zueinander angeordnet, dass jeweils nur eine der Steuerzungen den Schieber in seiner Längsrichtung aktuiert, während die andere Steuerzunge den Schieber freigibt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Steuerzungen in ihrem Einlaufbereich für die Stirnflächen des Schiebers jeweils rampenartig ausgebildet sind. Damit ist gemeint, dass die Steuerzungen eine schräg zur Querebene des Schiebers verlaufende Einlaufphase und einen parallel zu der Querebene verlaufenden Abschnitt aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll die Steuerwelle über einen elektrischen Stellmotor verdreht werden. Durch eine schrittweise Verstellung der Steuerwelle mittels des elektrischen Stellmotors wird jeweils eine der Steuerzungen aus der umlaufenden Bewegungsbahn des Schiebers heraus- und eine in diese hineinbewegt.
Wenn, wie weiterhin vorgesehen, die Hubkolbenbrennkraftmaschine zwei Zylinderbänke aufweist und jeder Zylinderbank eine Steuerwelle zugeordnet ist, sollen die beiden Steuerwellen über einen Zugmitteltrieb oder einen Rädertrieb gemeinsam von einem Stellmotor angetrieben werden. Alternativ dazu können die beiden Steuerwellen auch jeweils über einen Stellmotor angetrieben werden.
Erfindungsgemäß kann die Steuerwelle bei jeder Aktuierung des Schiebers mit wechselnden Drehrichtungen um ca. 90° verdreht werden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine Hin- und Herbewegung der Steuerwelle in diesen Drehrichtungen. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Steuerwelle bei jeder Aktuierung des Schiebers in einer gemeinsamen Drehrichtung jeweils um ca. 180° zu verdrehen. In diesem Fall wird es vorzugsweise eine Drehbewegung der Steuerwelle in nur einer Drehrichtung geben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Verstelleinrichtung soll diese zwei hydraulische Stützzylinder aufweisen, die jeweils einen mit einer Kolbenstange gelenkig verbundenen Stellkolben aufnehmen, wobei von den Stellkolben abgewandte Enden der Kolbenstangen gelenkig mit Betätigungslaschen eines Exzenterhebels verbunden sind, der als zweiarmiger Hebel an einem in einem Pleuelauge schwenkbar geführten, das Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper befestigt ist, und wobei der Schieber als Steuerschieber eines hydraulischen Wegeventils ausgebildet ist.
Dabei kann, wie weiterhin vorgeschlagen, die Aufnahmebohrung für das hydraulische Wegeventil am Pleuellagerauge, der Lagerbohrung des Pleuellagerauges benachbart, vorgesehen sein. Die mit einem Pleuelschaft des Pleuels einstückig ausgebildete Halbschale des Pleuellagerauges kann dabei eine radiale Auswulstung aufweisen, in der das Wegeventil angeordnet ist. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, das Wegeventil im Pleuelschaft vorzusehen.
Schließlich kann gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Verstelleinrichtung eine Exzenterbuchse vorgesehen sein, die verdrehbar in einer Bohrung des Pleuellagerauges angeordnet ist und einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle umschließt, wobei die in der Bohrung verdrehbar geführte Exzenterbuchse vorzugsweise in zwei Positionen, die in Umfangsrichtung der Exzenterbuchse um vorzugsweise etwa 180° zueinander versetzt sind, verriegelbar ist, und wobei in der Aufnahmebohrung ein als Verriegelungselement ausgebildeter Schieber angeordnet ist, der in seinen beiden Endstellungen jeweils ein radiales Riegelelement aktuiert oder unmittelbar in die Exzenterbuchse eingreift. Dabei kann zwischen einer äußeren Mantelfläche der Exzenterbuchse und der Aufnahmebohrung des Pleuellagerauges ein Freilauf angeordnet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 und der von diesem abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine schematische Teilansicht eines Pleuels im Längsschnitt mit einer Verstellvorrichtung, die einem Pleuelauge des Pleuels zugeordnet ist und zwei Stellkolben und einen über einen Exzenterhebel verdrehbaren Exzenterkörper aufweist,
2 einen Längsschnitt eines Wegeventils, das zur Betätigung der Verstelleinrichtung dient,
3 eine perspektivische Ansicht von vier einer Zylinderbank zugeordneten Pleuel, die gemäß der 1 ausgebildet sind, wobei ein mit der Verstelleinrichtung zusammenwirkender Aktuator als mit Steuerzungen versehene Steuerwelle ausgebildet ist,
4 eine Seitenansicht der Pleuel gemäß der 3 und
5 als perspektivische Darstellung eine Teilansicht einer Kurbelwelle mit einem auf einem Kurbelzapfen angeordneten, einen Arbeitskolben aufnehmenden Pleuel, welches im Bereich seines Pleuelunterteils geschnitten ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem zum Teil als Pleuelschaft 2 ausgebildeten Pleueloberteil 3 und einem Pleuelunterteil 4 besteht. Das Pleueloberteil 3 und das Pleuelunterteil 4 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 5, das eine Längsmittelachse 6 aufweist und über welches das Pleuel 1 auf einem in der 1 nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. An seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 3 mit einem Pleuelauge 7 versehen, in welchem über einen Exzenterkörper 8 ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen angeordnet ist. Über den drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen ist ein Arbeitskolben einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Exzenterkörper 8 geführt, wobei eine Verdrehung des Exzenterkörpers 8 in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
Der Exzenterkörper 8 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen sowie dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Gaskräfte, verstellt. Während des Arbeitsverfahrens der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Mit dem Exzenterkörper 8 ist ein als zweiarmiger Hebel ausgebildeter Exzenterhebel 9 drehfest verbunden, der diametral verlaufende Laschen 10 und 11 aufweist, wobei diese jeweils über Kolbenstangen 12 und 13 mit einfachwirkenden Stellkolben 14 und 15 verbunden sind. Die Stellkolben 14 und 15 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenterkörper 8 an, um diesem eine Verdrehung zu ermöglichen oder ihn in der jeweiligen Position abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenterkörpers 8 unterstützt oder seine Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenterkörper 8 übertragenen Kräfte bewirkt werden würde, vermieden werden.
Die Stellkolben 14 und 15 bilden gemeinsam mit Zylinderbohrungen 16 und 17, in denen sie geführt sind, Stützzylinder 18 und 19, wobei jeder Stützzylinder 18 bzw. 19 einen Druckraum 20 bzw. 21 aufnimmt. In die Druckräume 20 bzw. 21 kann als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 5 angeordneten Pleuellager über Ölzulaufleitungen 22 und 23 einströmen, in denen Rückschlagventile 22a und 23a angeordnet sind. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 20 und 21 eine Ölrücklaufleitung 24 bzw. 25 aus, die beide in eine Ventilbohrung 26 für ein als Umschalteinrichtung 27 dienendes Wegeventil 28 einmünden. Diese Ventilbohrung 26 verläuft innerhalb des Pleuellagerauges 5, parallel zu der Längsmittelachse 6.
In der 2 ist das gemäß der 1 verwendete 3/2/Wegeventil 28 im Längsschnitt dargestellt. Ein Schieber 29, der in diesem Fall als Steuerschieber 30 wirkt, ist dabei unmittelbar längsverschieblich in der im Pleuellagerauge 5 ausgebildeten Ventilbohrung 26 geführt und weist an seinem Umfang eine Steuernut 31 auf. In die Ventilbohrung 26 münden mittig eine Ablaufbohrung 32 sowie beiderseits dieser zwei Arbeitsbohrungen 33 und 34 ein, von denen jede mit einer der in der 1 dargestellten Ölrücklaufleitungen 24 und 25 verbunden ist. In der 2 befindet sich der Steuerschieber 30 in einer Stellung, in der er die Ölrücklaufleitung 25 mit der Ablaufbohrung 32 verbindet. Dabei steht der Steuerschieber 30 axial über eine entsprechende Stirnseite 35 des Pleuellagerauges 5 vor. Eine erste Stirnfläche 37 und eine zweite in diesem Fall axial vorstehende Stirnfläche 38 des Steuerschiebers 30 sind jeweils ballig ausgebildet und werden abwechselnd über einen nachfolgend noch erläuterten Aktuator betätigt. Der 2 ist entnehmbar, dass sich in einer zweiten gestrichelt dargestellten Schaltstellung des Steuerschiebers 30, in der die erste Stirnfläche 37 axial über eine Stirnseite 36 des Pleuellagerauges 5 vorsteht, die Ölrücklaufleitung 24 mit der Ablaufbohrung verbunden ist. Die andere Ölrücklaufleitung 25 ist dann durch den Steuerschieber 30 abgesperrt.
Die 3 und 4 zeigen vier Pleuel 1, 1‘, 1‘‘ und 1‘‘‘, die mit einer schematisch dargestellten Kurbelwelle 39 zusammenwirken und jeweils gemäß den 1 und 2 ausgebildet sind, weshalb die entsprechenden Bauelemente der Verstelleinrichtungen mit den in den 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen versehen sind.. Es ist zu erkennen, dass sich die Exzenterkörper 8 in einer Stellung für ein hohes Verdichtungsverhältnis befinden, in denen sie über die Kolbenstangen 12 abgestützt werden. Dies geschieht in einer Position der Steuerschieber 30, in der deren Stirnfläche 38 axial über die Stirnseite 35 eines jeden Pleuellagerauges 5 vorstehen. In diese Schaltstellung werden alle Steuerschieber 30 einer Zylinderbank der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels eines gemeinsamen Aktuators 40 verstellt.
Der Aktuator 40 besteht aus einer ersten Gruppe von Steuerzungen 41 und einer zweiten Gruppe von Steuerzungen 42. Dabei sind die Steuerzungen 41 bzw. 42 einer Gruppe jeweils identisch ausgebildet und identisch auf einer gemeinsamen Steuerwelle 43 ausgerichtet. Einem jeden der Pleuel 1, 1‘, 1‘‘ und 1‘‘‘‘ zugeordnete Steuerflächen 44 der Steuerzungen 41 und 42, die einander zugewandt sind, weisen jeweils einen rampenartigen Einlaufbereich 45 auf. In der 3 befinden sich die äußeren Pleuel 1 und 1‘‘‘ gerade in einer Position, in welcher die Steuerzungen 42 an ihren Steuerflächen 44 von den Stirnflächen 37 der Steuerschieber 30 überfahren werden. Daher stehen die zweiten Stirnflächen 38 axial über die Pleuellageraugen vor. Dieser Kontakt kommt während der Umlaufbahn des jeweiligen Steuerschiebers 30 zustande. so dass das auch für die Pleuel 1‘ und 1‘‘ in der entsprechenden Phasenlage der Kurbelwelle 39 der Fall ist. Die Steuerwelle 43 wird mittels eines elektrischen Stellmotors 46 verstellt.
Zur Umschaltung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in ein hohes Verdichtungsverhältnis wird die Steuerwelle 43 so weit von dem Stellmotor verdreht, dass sich die Steuerzungen 41 in einer Lage befinden, dass sie die vorbeibewegten Steuerschieber 30 in ihre andere Stellung bewegen. Den 3 und 4 ist zu entnehmen, dass der Aktuator 40 zum einen mit einfachen baulichen Mitteln herstellbar ist und dass er sich zum anderen Bauraum sparend in das Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine integrieren lässt.
In den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dargestellt, bei der die Verstellung im Bereich eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle erfolgt. Dabei ist mit 47 eine Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, von der nur ein aus vier Kurbelwangen 48, 49, 50 und 51 bestehender Teilabschnitt dargestellt ist. Die Kurbelwangen 48 und 51 sind dabei zum Massenausgleich mit Ausgleichsgewichten 52 versehen und unterscheiden sich insofern von den Kurbelwangen 49 und 50.
Weiterhin ist zwischen den Kurbelwangen 48 und 49 ein Kurbelzapfen 53 zur Aufnahme eines nicht näher dargestellten Pleuels ausgebildet, während die Kurbelwangen 49 und 50 beidseitig eines Hauptlagerzapfens 54, über den die Kurbelwelle 47 in einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagert wird, verlaufen. Schließlich ist zwischen den beiden Kurbelwangen 50 und 51 wiederum ein Kurbelzapfen vorgesehen, der in dieser Darstellung aber nicht sichtbar ist, da auf diesem ein Pleuel 55 angeordnet ist.
Dieses Pleuel 55 besteht aus einem Pleueloberteil 56 und einem Pleuelunterteil 57, die über Schrauben 58 miteinander verspannt sind. Das Pleueloberteil 56 nimmt an seinem vom Pleuelunterteil 57 abgewandten Ende einen Arbeitskolben 59 auf, der über einen Kolbenbolzen 60 über ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager sowie ein Pleuelauge am Pleueloberteil 56 befestigt ist. Eine Trennebene 61 (siehe insbesondere 6) zwischen dem Pleueloberteil 56 und dem Pleuelunterteil 57 verläuft durch ein Pleuellagerauge, das in der perspektivischen Darstellung der 5 ebenfalls nicht sichtbar ist, da, wie bereits angegeben, das Pleuel 55 auf dem entsprechenden Kurbelzapfen der Kurbelwelle 47 montiert ist. In diesem Pleuellagerauge ist eine Exzenterbuchse angeordnet, die im Zusammenhang mit der nachfolgenden 6 noch näher beschrieben werden wird.
In dem Pleuelunterteil 57 ist eine Aufnahmebohrung 62 vorgesehen, die als ein Betätigungselement 63 einen Schieber 64 aufnimmt. Dieser Schieber 64 ist axial über das Pleuelunterteil 57 verlängert, so dass er phasenweise, d. h. im Bereich eines unteren Totpunkts des Arbeitskolbens 59, an einer Steuerzunge 65 eines Aktuators 66 anläuft. Diese Steuerzungen 65 und weitere Steuerzungen 65a sind übereinstimmend mit den 3 und 4 ausgebildet und auf einer Steuerwelle 67 angeordnet, die verdrehbar im Kurbelgehäuse oder in der Ölwanne geführt ist.
Aus der 6 geht die Ausbildung des Pleuels 55 hervor, das in diesem Fall allerdings ohne den zuvor genannten Aktuator 66 dargestellt ist. Dabei ist mit 68 das zuvor erwähnte Pleuelauge bezeichnet, welches ein Kolbenbolzenlager 69 aufnimmt. Am anderen Ende des Pleuels 55 befindet sich ein Pleuellagerauge 70, das vom Pleueloberteil 56 und vom Pleuelunterteil 57 gebildet wird. Das Pleuellagerauge 70 weist eine Bohrung 71 auf, in welcher eine Exzenterbuchse 72 verdrehbar geführt ist, die aus Halbschalen 73 und 74 besteht.
Diese Exzenterbuchse 72 ist an ihrer inneren Mantelfläche mit einer Gleitlagerschicht 75 versehen und dient zur Lagerung des Pleuels 55 über das Pleuellagerauge 70 auf dem Kurbelzapfen. Aufgrund der Exzentrizität der Exzenterbuchse 72 führt deren Verdrehung dazu, dass der Anlenkpunkt des Pleuels 55 an der Kurbelwelle 47 verlagert wird und sich somit das Verdichtungsverhältnis ändert. Parallel zur Bohrung 71 verläuft im Pleuelunterteil 57 die Aufnahmebohrung 62 für den Schieber 64.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
1‘: Pleuel
1‘‘: Pleuel
1‘‘‘: Pleuel
2: Pleuelschaft
3: Pleueloberteil
4: Pleuelunterteil
5: Pleuellagerauge
6: Längsmittelachse von 5
7: Pleuelauge
8: Exzenterkörper
9: Exzenterhebel
10: Lasche
11: Lasche
12: Kolbenstange
13: Kolbenstange
14: Stellkolben
15: Stellkolben
16: Zylinderbohrung
17: Zylinderbohrung
18: Stützzylinder
19: Stützzylinder
20: Druckraum
21: Druckraum
22: Ölzulaufleitung
22a: Rückschlagventil
23: Ölzulaufleitung
23a: Rückschlagventil
24: Ölrücklaufleitung
25: Ölrücklaufleitung
26: Ventilbohrung
27: Umschalteinrichtung
28: Wegeventil
29: Schieber
30: Steuerschieber
31: Steuernut
32: Ablaufbohrung
33: Arbeitsbohrung
34: Arbeitsbohrung
35: Stirnseite von 5
36: Stirnseite von 5
37: erste Stirnfläche von 30
38: zweite Stirnfläche von 30
39: Kurbelwelle
40: Aktuator
41: Steuerzungen
42: Steuerzungen
43: Steuerwelle
44: Steuerfläche von 41 und 42
45: rampenartiger Einlaufbereich von 44
46: Stellmotor
47: Kurbelwelle
48: Kurbelwange
49: Kurbelwange
50: Kurbelwange
51: Kurbelwange
52: Ausgleichsgewicht
53: Kurbelzapfen
54: Hauptlagerzapfen
55: Pleuel
56: Pleueloberteil
57: Pleuelunterteil
58: Schraube
59: Arbeitskolben
60: Kolbenbolzen
61: Trennebene zwischen 56 und 57
62: Aufnahmebohrung
63: Betätigungselement
64: Schieber
65: Steuerzunge
65a: Steuerzunge
66: Aktuator
67: Steuerwelle
68: Pleuelauge
69: Kolbenbolzenlager
70: Pleuellagerauge
71: Bohrung
72: Exzenterbuchse
73: Halbschale von 72
74: Halbschale von 72
75: Gleitlagerschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005055199 A1 [0005, 0012]
DE 102013021635 A1 [0008, 0013]

Claims

Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei welcher jeder Zylindereinheit eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist, über die eine effektive Länge eines Pleuels (1, 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘, 55) der Zylindereinheit veränderbar ist, wobei das Pleuel (1, 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘, 55) einerseits mittels eines in einem Pleuelauge (7, 68) geführten Kolbenbolzens (60) an einem Arbeitskolben (59) angreift und andererseits über ein Pleuellagerauge (5, 70) auf einem Kurbelzapfen (53) einer Kurbelwelle (39, 47) gelagert ist, wobei die Verstelleinrichtung ein mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbares Umschaltelement (27, 63) aufweist, das in einer parallel zu einer Längsmittelachse (6) des Pleuellagerauges (5, 70) im Pleuel (1, 1‘, 1‘‘, 1‘‘‘, 55) angeordneten Aufnahmebohrung (26, 62) angeordnet ist und einen Schieber (29, 64) aufweist, und wobei der Schieber (29, 64) abwechselnd an seinen beiden Stirnflächen (37 und 38) durch Steuerflächen (44) zumindest eines Aktuators (40, 66) längsverschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (40, 66) schwenkbar um eine Schwenkachse in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagerte Steuerzungen (41, 42, 65, 65a) aufweist, die abwechselnd in die umlaufende Bewegungsbahn des Schiebers (29, 64) verlagerbar sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (40, 66) einer Zylinderbank der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine im Kurbelgehäuse gelagerte Steuerwelle (43, 67) aufweist, auf der die Steuerzungen (41, 42, 65, 65a) für die jeweilige Zylindereinheit paarweise umfangsversetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzungen (41, 42, 65, 65a) in ihrem Einlaufbereich (45) für die Stirnflächen (37, 38) des Schiebers (29, 64) jeweils rampenartig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (43, 67) über einen elektrischen Stellmotor (46) verdreht wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit zwei Zylinderbänken jeder Zylinderbank eine Steuerwelle (43, 67) zugeordnet ist, wobei die beiden Steuerwellen über einen Zugmitteltrieb oder einen Rädertrieb gemeinsam von einem Stellmotor (46) angetrieben werden.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (43, 67) bei jeder Aktuierung des Schiebers (29, 64) mit wechselnden Drehrichtungen um ca. 90° verdreht wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (43, 67) bei jeder Aktuierung des Schiebers (29, 64) in einer gemeinsamen Drehrichtung um ca. 180° verdreht wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung zwei hydraulischen Stützzylindern (18 und 19) aufweist, die jeweils einen mit einer Kolbenstange (12 und 13) gelenkig verbundenen Stellkolben (14 und 15) aufnehmen, dass von den Stellkolben (14 und 15) abgewandte Enden der Kolbenstangen (12 und 13) gelenkig mit Betätigungslaschen (10 und 11) eines Exzenterhebels (9) verbunden sind, der als zweiarmiger Hebel an einem in einem Pleuelauge (7) schwenkbar geführten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper (8) befestigt ist, und dass der Schieber (29) als Steuerschieber (30) eines hydraulischen Wegeventils (28) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilbohrung (26) für das hydraulische Wegeventil (28) am Pleuellagerauge (5), der Lagerbohrung des Pleuellagerauges (5) benachbart, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung eine Exzenterbuchse (72) aufweist, die verdrehbar in einer Bohrung (71) des Pleuellagerauges (70) angeordnet ist und einen Kurbelzapfen (53) einer Kurbelwelle (47) umschließt, wobei die in der Bohrung (71) verdrehbar geführte Exzenterbuchse (72) vorzugsweise in zwei Positionen, die in Umfangsrichtung der Exzenterbuchse (72) um vorzugsweise etwa 180° zueinander versetzt sind, verriegelbar ist, und dass in einer Aufnahmebohrung (62) ein mittelbar oder unmittelbar als Verriegelungselement wirkender Schieber (64) angeordnet ist.