DE102016124759A1

DE102016124759A1 - Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016124759A1
Application number: DE102016124759.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Pfannenmüller; Andreas Möller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: DE102016124759B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels (1) während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine weist einen in einem kolbenseitigen Pleuelauge (7) drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8) auf, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge (17 und 18) begrenzt ist. Dabei ist der Exzenterkörper (8) aus seiner durch den einen Endanschlag (17, 18) definierten Schaltposition durch Massen- oder Gaskräfte einer Zylindereinheit in eine durch den anderen Endanschlag (17, 18) definierte Schaltposition bewegbar. Weiterhin ist der Exzenterkörper (8) über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar, wobei diese durch eine Schaltkulisse (21) betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet sein soll. Zur Schaffung einer Anordnung eines mechanisch betätigten Sperrelements für diese Vorrichtung, das sich in vorteilhafter Weise in das Pleuel integrieren lässt, soll der Exzenterkörper (8) drehfest mit einem Schwenkhebel (9) verbunden sein, an dem über ein erstes Gelenk (10) ein erstes Ende einer Koppelstange (11) schwenkbar angelenkt ist, wobei ein zweites Ende der Koppelstange (11) über ein zweites Gelenk (12) ortsfest am Pleuel (1) abgestützt ist. Weiterhin soll die Koppelstange (11) durch zwei über ein Knicklager (15) gelenkig miteinander verbundene Teilabschnitte (13 und 14) gebildet sein, wobei das Knicklager (15) über einen von der Schaltkulisse (21) betätigten Aktuator (20) in eine gestreckte Stellung der beiden Teilabschnitte (13 und 14) oder in eine Stellung der Teilabschnitte (13 und 14), in der diese unter einem Winkel (32) zueinander verlaufen, bewegt und verriegelt werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge zweistufig verstellbar ist, mit einem in einem Pleuelauge des Pleuels drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet 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 und somit die effektive Länge des Pleuels 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 der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Gattung ist aus der DE 102 55 299 A1 bekannt. Danach ist der Exzenterkörper als Exzenterring ausgebildet, dessen Schwenkbereich durch zwei am Exzenterring und am Pleuelauge vorgesehene Endanschläge begrenzt ist. Weiterhin sind als Verriegelungsmittel bezeichnete Sperrmittel vorgesehen, über die der Exzenterring in jeweils einer seiner durch den entsprechenden Endanschlag definierten Position fixiert wird. Ausgelöst wird die jeweilige Verdrehung des Exzenterringes durch die Einwirkung von Massen- und Gaskräfte der Zylindereinheit, wobei sich deren Wirkrichtungen während des Arbeitsverfahrens derselben ständig ändern.
Die Sperrmittel sind dabei als zwei am Pleuel schwenkbar gelagerte, über Andruckfedern in Richtung des Exzenterringes vorgespannte Sperrklinken ausgebildet. Jede der Sperrklinken ist über einen Lagerzapfen drehfest mit einem Übertragungshebel verbunden, wobei zwischen den beiden Übertragungshebeln ein doppelarmiger Stellhebel angeordnet ist und in seinen beiden verschwenkten Stellungen jeweils einen der beiden Übertragungshebel betätigt. Ein axial vorspringender Nocken des Stellhebels wirkt im unteren Totpunkt des Pleuels Steuerflächen einer Schaltkulisse zusammen. Eine Drehbewegung des Exzenterkörpers unter den Massen- und Gaskräften der Zylindereinheit und folglich ein Verschwenken des Exzenterhebels in eine der beiden Richtungen wird folglich dadurch ermöglicht, dass die Schaltkulisse den Stellhebel derart betätigt, dass dieser die entsprechende Sperrklinke in ihre freigeschaltete Position bewegt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines mechanisch betätigten Sperrelements für eine Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, das sich in vorteilhafter Weise in das Pleuel integrieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche 1, 2 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Danach ist bei einer Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Exzenterkörper, der ein Kolbenbolzenlager exzentrisch aufnimmt, in einem kolbenseitigen Pleuelauge drehbar angeordnet. In dem Kolbenbolzenlager ist ein Kolbenbolzen lagerbar, der andererseits im Arbeitskolben der Zylindereinheit fixiert sein soll. Eine Verdrehung des Exzenterkörpers in gegenläufigen Drehrichtungen ist jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt. Dabei soll der Exzenterkörper für eine Längenänderung des Pleuels durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit aus seiner durch den einen Endanschlag definierten ersten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte zweite Schaltposition verstellt werden, wobei sich durch die Längenänderung gezielt das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit ändern lässt. Der Exzenterkörper ist über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition, also in der für das jeweilige Verdichtungsverhältnis eingestellten Position verriegelbar. Dabei ist das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
Erfindungsgemäß soll dabei gemäß einer ersten Ausgestaltung der Exzenterkörper drehfest mit einem Schwenkhebel verbunden sein, an dem über ein erstes Gelenk ein erstes Ende einer Koppelstange schwenkbar angelenkt ist, wobei ein zweites Ende der Koppelstange über ein zweites Gelenk ortsfest am Pleuel abgestützt ist. Dieses zweite Gelenk ist folglich an einem vom Schwenkhebel abgewandten Ende der Koppelstange vorgesehen. Eine Verlagerung des ersten Gelenks mit der Hebellänge des Schwenkhebels wird dadurch ermöglicht, dass die Koppelstange durch zwei über ein Knicklager gelenkig miteinander verbundene Teilabschnitte gebildet ist. Befindet sich somit der Exzenterkörper in einer Stellung, in der das Pleuel seine größte effektive Länge aufweist, so verlaufen die beiden Teilabschnitte im Wesentlichen gerade zueinander, die Koppelstange befindet sich demnach in ihrem gestreckten Zustand. Soll demgegenüber das erste Schwenklager durch die Massen- und Gaskräfte in Richtung einer kleinen effektiven Länge des Pleuels verlagert werden, so werden die Teilabschnitte derart zueinander verstellt, dass sie zueinander eine Winkellage einnehmen, wobei diese durch das Knicklager ermöglicht wird. Dabei wird das Knicklager über einen von der Schaltkulisse betätigten Aktuator wahlweise in der gestreckten Stellung der beiden Teilabschnitte oder in der Stellung der Teilabschnitte, in der diese unter einem Winkel zueinander verlaufen, verriegelt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, dass der Exzenterkörper drehfest mit einem Schwenkhebel verbunden ist, an dessen Schwenkhebelende über ein erstes Gelenk ein erstes Ende einer Koppelstange angelenkt ist. Dabei ist ein zweites Ende der Koppelstange über ein zweites Gelenk mit einem ersten Schenkel eines scherenartig ausgebildeten Knickelements verbunden. Dieses scherenartig ausgebildete Knickelement weist neben dem ersten Schenkel einen zweiten Schenkel auf, der wiederum ortsfest und schwenkbar am Pleuel abgestützt ist. Die über ein Knicklager miteinander verbundenen Schenkel sollen durch einen Aktuator, der mittels einer Schaltkulisse betätigbar ist, in zwei zueinander unterschiedlichen Winkelstellungen sperrbarbar sein.
Für den Schwenkhebel ist ein Hebelverhältnis von größer 1:10 vorgesehen, um gemeinsam mit der Koppelstange die Lasten, die auf ein Sperrelement, das beispielsweise als bidirektional wirkender Freilauf ausgebildet ist, derart zu verringern, dass dessen Funktion gewährleistet werden kann. Die Knicklager sollen außerdem derart mit Endanschlägen zusammenwirken, dass eine exakte Positionierung des Exzenterkörpers in den Stellungen ε_High bzw. ε_Low erzielt werden kann. Die erfindungsgemäße mechanisch wirkende Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine weist gegenüber hydraulischen Vorrichtungen den wesentlichen Vorteil auf, dass der Schmierung des Pleuellagers kein Schmieröl als Druckmittel entnommen werden muss. Außerdem kann auf ein hydraulisches Steuersystem, dessen Funktion aufgrund von Druckpulsationen Funktionsstörungen aufweisen kann, verzichtet werden.
Demgegenüber ist bei der Vorrichtung nach der DE 102 55 299 A1 der Exzenterring abwechselnd über zwei Sperrklinken verriegelbar. Ein Schwenkhebel mit einer an diesem angelenkten Koppelstange ist daher nicht vorgesehen. Darüber hinaus dienen weder eine knickbare Koppelstange noch ein an einer Koppelstange angreifendes Knickelement in Verbindung mit einem Schwenkhebel dazu, dem Exzenterring eine Verdrehung zu ermöglichen oder diese zu sperren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll eine Schwenkbewegung des Knicklagers durch einen bidirektionalen Freilauf sperrbar sein. Dieser Freilauf lässt jeweils eine Schwenkbewegung innerhalb des Knicklagers in eine der beiden Richtungen zu. Dabei ist der Freilauf über einen mechanischen Aktuator, welcher, vorzugsweise parallel zu einer Längsmittelachse eines Pleuellagerauges verlaufend, in einer Aufnahmebohrung des Pleuels verschiebbar angeordnet ist, freischaltbar oder sperrbar. Dabei können zwischen dem Aktuator und dem Freilauf oder einer sonstigen Sperreinrichtung mechanische Übertragungselemente mit schrägen Steuerflächen und federnden Rückstellelementen vorgesehen sein. Der Aktuator kann einen zylindrischen Schieber mit Steuerkonturen aufweisen, die Längsbewegungen der Übertragungselemente in unterschiedlichen Richtungen bewirken.
Weiterhin kann erfindungsgemäß das Zahnrad über einen schaltbaren, bidirektional wirkenden Freilauf am Pleuel angeordnet sein, der durch die Schaltkulisse betätigbar ist. Der bidirektionale Freilauf kann in beiden Drehrichtungen sperrend wirken oder in einer Drehrichtung freigeschaltet werden, während die andere Drehrichtung gesperrt ist. In den beiden Endlagen der Zahnstange und somit des Exzenterkörpers erfolgt jeweils eine Arretierung einerseits durch den Endanschlag und andererseits durch den sperrenden Freilauf.
Der Aktuator soll vorzugsweise im Bereich eines dem Pleuellagerauge benachbarten Endes eines Pleueloberteils des Pleuels angeordnet sein, so dass die Schaltkulisse unmittelbar benachbart dem Kurbelradius der Kurbelwangen der Kurbelwelle verläuft.
Diese muss folglich nicht bis in den Bereich des oszillierend bewegten Arbeitskolben reichen. Eine Längsbewegung des Aktuators wird über ein mit Steuerflächen versehenes Gestänge auf eine Schalteinrichtung des Freilaufs übertragen, so dass der bidirektionale Freilauf in seine unterschiedlichen Sperr- und Freilaufstellungen verstellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll die Bewegung der Knicklager durch im Pleuel vorgesehene Endanschläge begrenzt sein. Ein radial äußeres Bauelement des Knicklagers schlägt dabei in der jeweiligen Schaltposition an dem entsprechenden Endanschlag an und wird in dieser Stellung über die vom Aktuator betätigte Sperreinrichtung verriegelt.
Weiterhin können die Endanschläge jeweils mit einer Endlagendämpfung versehen sein. Es besteht die Möglichkeit, eine hydraulische Dämpfung vorzusehen, die mit Schmieröl aus dem Schmiersystem der Hubkolbenbrennkraftmaschine versorgt wird, beispielsweise durch eine Verbindung mit dem Pleuellagerauge des Pleuels.
Schließlich soll die vorgenannte Aufgabe auch bei einem Pleuel für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge wenigstens zweistufig verstellbar ist, gelöst werden. Dabei ist das Pleuel mit einem in einem Pleuelauge drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager aufnehmenden Exzenterkörper versehen, dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels aus seiner durch den einen Endanschlag definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag definierte Schaltposition bewegbar ist. Der Exzenterkörper ist über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar, wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist. Die Anordnung und Ausbildung des Sperrmittels ist nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 vorgesehen.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der Patentansprüche 1, 2 sowie 10 mit den von diesen 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.
Figurenliste
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

1 eine schematische Teilansicht einer ersten Ausführungsform eines Pleuels mit einer Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge des Pleuels, wobei die Vorrichtung einem Pleuelauge des Pleuels zugeordnet ist und eine mit einem Schwenkhebel zusammenwirkende Koppelstange aufweist, die durch zwei gelenkig miteinander verbundene Teilabschnitte gebildet wird, wobei das Pleuel in ein niedriges Verdichtungsverhältnis ε_Low verstellt ist,
2 die Anordnung nach 1, wobei das Pleuel in ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High verstellt ist,
3 eine schematische Teilansicht einer zweiten Ausführungsform eines Pleuels mit einer Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge des Pleuels, wobei die Vorrichtung einem Pleuelauge des Pleuels zugeordnet ist und eine mit einem Schwenkhebel zusammenwirkende Koppelstange aufweist, die über ein scherenartig ausgebildetes Knickelement am Pleuel abgestützt ist, wobei das Pleuel in ein niedriges Verdichtungsverhältnis ε_Low verstellt ist,
4 die Anordnung nach 1, wobei das Pleuel in ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High verstellt ist,
5 eine schematische Darstellung des funktionellen Zusammenwirkens eines Aktuators mit einem Freilauf, wobei der bidirektionaler Freilauf separat zum Knicksystem angeordneter vorgesehen ist, und
6 eine schematische Darstellung des funktionellen Zusammenwirkens eines Aktuators mit einem Freilauf, wobei der Freilauf in das Knicksystem integriert ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In den 1 bis 4 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 Pleuellagergehäuse 5 mit einem Pleuellagerauge 5a, wobei das Pleuellagerauge 5a eine Längsmittelachse 6 aufweist und über dieses 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 und ein Kolbenbolzenlager 8a ein nicht näher dargestellter Kolbenbolzen angeordnet ist. Über den drehbar im Kolbenbolzenlager 8a geführten Kolbenbolzen ist ein ebenfalls nicht dargestellter 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 ε_Low und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses ε_High 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 Schwenkhebel 9 drehfest verbunden. Der Schwenkhebel 9 ist über ein erstes Gelenk 10 gelenkig mit einer Koppelstange verbunden, die in den 1 und 2 mit 11 und in den 3 und 4 mit 19 bezeichnet ist.
Gemäß den 1 und 2 ist die Koppelstange 11 mittels eines zweiten Gelenks 12 ortsfest am Pleuel 1 abgestützt. Weiterhin besteht die Koppelstange 11 aus zwei Teilabschnitten 13 und 14, die über ein gelenkiges Knicklager 15 miteinander verbunden sind. In der 1, die eine verringerte effektive Länge des Pleuels 1 und somit ein niedriges Verdichtungsverhältnis ε_Low der Zylindereinheit zeigt, sind die Teilabschnitte 13 und 14 um das Knicklager 15 derart aus der gestreckten Stellung der Koppelstange 11 verschwenkt, dass sie zueinander einen Schwenkwinkel 16 einnehmen. Dabei liegt das Knicklager 15 an einem Endanschlag 17 an und wird in dieser Stellung durch eine Sperreinrichtung, vorzugsweise einen bidirektionalen Freilauf gesperrt.
In der 2 befindet sich die Koppelstange 11 in Ihrer gestreckten Stellung, woraus sich eine vergrößerte effektive Länge des Pleuels 1 und somit ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High der Zylindereinheit ergibt. Dafür sind die Teilabschnitte 13 und 14 derart durch den Schwenkhebel 9 verschwenkt, dass sie im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen, so dass sich die Koppelstange 11 in ihrem gestreckten Zustand befindet. Dabei liegt das Knicklager 15 an einem Endanschlag 18 an und wird in dieser Stellung ebenfalls verriegelt. Der nicht näher dargestellte Freilauf sorgt im Übrigen dafür, dass stets eine Verstellung aus einer der Positionen des Knicklagers 15 gezielt in einer Richtung erfolgt. Die Sperrung und Entsperrung des Freilaufs bzw. der Lage des Knicklagers 15 erfolgt durch einen Aktuator 20, der durch eine im Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnete Schaltkulisse 21, die schematisch durch einen Pfeil gekennzeichnet ist.
Aus den 3 und 4 geht ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung hervor. Dabei ist die bereits erwähnte Koppelstange 19 einteilig ausgebildet und nimmt an ihrem vom Schwenkhebel 9 abgewandten zweiten Ende ein zweites Gelenk 22 auf, das die Koppelstange 19 gelenkig mit einem Knickelement 23 verbindet. Dieses Knickelement 23 weist zwei scherenartig verlaufende Schenkel 24 und 25 auf, die über ein Knicklager 26 miteinander verbunden sind. Der Schenkel 24 ist über ein Schwenklager 27 schwenkbar und ortsfest am Pleuel 1 abgestützt, während der Schenkel 25 über das zweite Gelenk 22 an der Koppelstange 19 angreift.
In der 3, die eine verringerte effektive Länge des Pleuels 1 und somit ein niedriges Verdichtungsverhältnis ε_Low der Zylindereinheit zeigt, verlaufen die Schenkel 24 und 25 unter einem spitzen Winkel 28 zueinander, so dass sich das zweite Gelenk 22 in seiner untersten Position befindet, in der es an einem Endanschlag 29 anliegt. In dieser Position ist sie durch eine Sperreinrichtung, die beispielsweise einen Freilauf aufweist gesperrt.
Wie bereits erläutert, wird die Koppelstange 19, ausgehend von dieser Position, durch die auf den Exzenterkörper 8 und somit auf dem Schwenkhebel 9 wirkenden Massen- und Gaskräfte in ihre Position bewegt, die sie gemäß der 4 einnimmt, wenn zuvor die Sperrung aufgehoben wurde. Die Betätigung der Sperreinrichtung erfolgt durch einen Aktuator 30, der ebenfalls durch eine im Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnete Schaltkulisse 31 in zwei unterschiedliche Schaltstellungen verstellbar ist. Diese Schaltkulisse 31 ist wiederum schematisch durch einen Pfeil gekennzeichnet. In der 4 nehmen die Schenkel 24 und 25 zueinander einen stumpfen Winkel 32 ein, so dass das zweite Gelenk 22 in eine obere Position angehoben ist, woraus ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_High der Zylindereinheit resultiert. In dieser Position liegt das zweite Gelenk 22 an einem Endanschlag 33 an.
Aus den 5 und 6 gehen der Aufbau und das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor. Danach erfolgt in allen Fällen eine externe Betätigung einer in einem Kurbelgehäuse angeordneten Schaltkulisse, die, wie bereits erläutert, mit einer Aktuierung über einen Aktuator zusammenwirkt. Dieser Aktuator soll einen bidirektionalen Freilauf in eine seiner beiden Drehrichtungen betätigen und in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen arretieren. Weiterhin geht aus den 5 und 6 hervor, dass die Gaskräfte und Massenkräfte auf den Arbeitskolben der jeweiligen Zylindereinheit wirken und damit eine Verdrehung des Exzenterkörpers in Richtung eines hohen Verdichtungsverhältnisses ε_High oder in Richtung eines geringen Verdichtungsverhältnisses ε_Low herbeiführen können.
Der Exzenterkörper ist mit einem Schwenkhebel verbunden, wobei zur Erzielung einer verringerten Kraftübertragung auf ein Linearsystem ein Hebelverhältnis von ungefähr 1:10 vorgesehen sein soll. Das Linearsystem besteht primär aus einer Koppelstange, der Endanschläge mit Dämpfern zugeordnet sind. Optional ist in allen Fällen eine Dämpfung vorgesehen, die mittels des aus einem Pleuellagerauge über eine Schmierbohrung zugeführten Schmieröls hydraulisch erfolgt. Dieses Schmieröl kann aber auch aus einer Spritzölversorgung, die innerhalb des Kurbelgehäuses vorgesehen ist, dem Dämpfer zugeführt werden.
Nach der 5 ist außerdem vorgesehen, dass die Aktivierung der Schaltkulisse, die Arretierung, der bidirektionale Freilauf und das Knicksystem getrennt voneinander angeordnet sind. Nach der 6 bilden der bidirektionale Freilauf und das Knicksystem eine Baueinheit.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
2: Pleuelschaft
3: Pleueloberteil
4: Pleuelunterteil
5: Pleuellagergehäuse
5a: Pleuellagerauge
6: Längsmittelachse von 5a
7: Pleuelauge
8: Exzenterkörper
8a: Kolbenbolzenlager
9: Schwenkhebel
10: erstes Gelenk
11: Koppelstange
12: zweites Gelenk
13: Teilabschnitt von 11
14: Teilabschnitt von 11
15: Knicklager
16: Schwenkwinkel
17: Endanschlag
18: Endanschlag
19: Koppelstange
20: Aktuator
21: Schaltkulisse
22: zweites Gelenk
23: Knickelement
24: Schenkel von 23
25: Schenkel von 23
26: Knicklager von 23
27: Schwenklager von 23
28: spitzer Winkel zwischen 24 und 25
29: Endanschlag
30: Aktuator
31: Schaltkulisse
32: stumpfer Winkel zwischen 24 und 25
33: Endanschlag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10255299 A1 [0007, 0015]

Claims

Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels (1) während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge (7) drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge (17und 18) begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper (8) durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel (1) versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels (1) aus seiner durch den einen Endanschlag (17, 18) definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag (17, 18) definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper (8) über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse (21) betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterkörper (8) drehfest mit einem Schwenkhebel (9) verbunden ist, an dem über ein erstes Gelenk (10) ein erstes Ende einer Koppelstange (11) schwenkbar angelenkt ist, wobei ein zweites Ende der Koppelstange (11) über ein zweites Gelenk (12) ortsfest am Pleuel (1) abgestützt ist, dass die Koppelstange (11) durch zwei über ein Knicklager (15) gelenkig miteinander verbundene Teilabschnitte (13 und 14) gebildet wird, und dass das Knicklager (15) über einen von der Schaltkulisse (21) betätigten Aktuator (20) in eine gestreckte Stellung der beiden Teilabschnitte (13 und 14) oder in eine Stellung der Teilabschnitte (13 und 14), in der diese unter einem Winkel (32) zueinander verlaufen, bewegt und verriegelt werden kann.
Vorrichtung zur Veränderung der effektiven Länge eines Pleuels (1) während des Betriebs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem kolbenseitigen Pleuelauge (7) drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge (29 und 33) begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper (8) durch Massen- oder Gaskräfte einer mit dem Pleuel (1) versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels (1) aus seiner durch den einen Endanschlag (29, 33) definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag (29, 33) definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper (8) über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse (31) betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterkörper (8) drehfest mit einem Schwenkhebel (9) verbunden ist, an dessen Schwenkhebelende über ein erstes Gelenk (10) ein erstes Ende einer Koppelstange (19) angelenkt ist, wobei ein zweites Ende der Koppelstange (19) über ein zweites Gelenk (22) mit einem ersten Schenkel (25) eines scherenartig ausgebildeten Knickelements (23) verbunden ist, dessen zweiter Schenkel (24) ortsfest und schwenkbar am Pleuel (1) abgestützt ist, und dass die über ein Knicklager (26) miteinander verbundenen Schenkel (24 und 25) mittels eines durch die Schaltkulisse (31) betätigten Aktuators (20) zueinander in zwei unterschiedlichen Winkelstellungen (28, 32) sperrbar sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenkbewegung des Knicklagers (15, 26) durch einen bidirektionalen Freilauf sperrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20, 30) im Bereich eines dem Pleuellagerauge (5a) benachbarten Endes eines Pleueloberteils (3) des Pleuels (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsbewegung des Aktuators (20, 30) über ein mit Steuerflächen versehenes Gestänge auf das Knicklager (15, 26) oder einen bidirektional wirkenden Freilauf übertragbar ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Knicklager (15, 26) durch im Pleuel (1) vorgesehene Endanschläge (17, 18, 29, 33) begrenzt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Endanschlägen (17, 18, 29, 33) jeweils eine Endlagendämpfung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagendämpfungen hydraulisch ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Endlagendämpfungen aus einem Pleuellagerauge (5a) des Pleuels (1) mit Schmieröl versorgt werden.
Pleuel (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis, das zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in seiner effektiven Länge zweistufig verstellbar ist, mit einem in einem Pleuelauge (7) des Pleuels (1) drehbar angeordneten, ein Kolbenbolzenlager (8a) aufnehmenden Exzenterkörper (8), dessen Verdrehung in gegenläufigen Drehrichtungen jeweils durch zwei Endanschläge (17, 18, 29, 33) begrenzt ist, wobei der Exzenterkörper (8) durch Massen- und Gaskräfte einer mit dem Pleuel (1) versehenen Zylindereinheit für eine Längenänderung des Pleuels (1) aus seiner durch den einen Endanschlag (17, 18, 29, 33) definierten Schaltposition in eine durch den anderen Endanschlag (17, 18, 29, 33) definierte Schaltposition bewegbar ist, wobei der Exzenterkörper (8) über ein Sperrmittel in der jeweiligen Schaltposition verriegelbar ist, und wobei das Sperrmittel durch eine Schaltkulisse (21, 31) betätigbar ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung und Ausbildung der Vorrichtung und des Sperrmittels nach einem der Patentansprüche 1 bis 9.