-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei je ein Stellkolben über je eine Kolbenstange mit einem Verstellelement verbunden ist, das durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich die in Stützzylindern geführten einfachwirkenden Stellkolben, die gemeinsam mit den Stützzylindern jeweils einen Druckraum bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, wobei die Druckräume jeweils über einen Ölzulauf, in welchem ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit einer Ölversorgung verbunden sind, und über einen Ölrücklauf und ein Schaltventil wahlweise druckentlastbar sind.
-
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 kann der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert werden, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. Allerdings ist zu berücksichtigen, bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.
-
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, die eine Verstellung des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen vornehmen. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Vorrichtungen, nämlich um solche, mit denen die Lage des Kolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, oder um solche, die eine Lageänderung des Pleuels gegenüber der Kurbelwelle vornehmen. Bei erstgenannten Vorrichtungen steht das Pleuel über einen am Pleuelauge vorgesehenen verstellbaren Exzenter, in welchem ein Kolbenbolzenlager und ein Kolbenbolzen angeordnet sind, mit dem Kolben in Verbindung. Bei den weiterhin genannten Vorrichtungen ist ein verstellbarer Exzenter kurbelwellenseitig also am Pleuellagerauge vorgesehen, wobei dann dieser Exzenter das Pleuellager umgibt.
-
Der entsprechende Exzenter wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist insbesondere für eine am Kolbenbolzenlager vorgesehene Vorrichtung zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
-
Ein Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2011 056 298 A1 bekannt. Hier wird eine Pleuelstangenanordnung beschrieben, die aus einer in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordnete Verstellelement mit einer exzentrischen Kolbenbolzenbohrung besteht, wobei das Verstellelement diametral verlaufende Laschen aufweist, an denen über Kolbenstangen die Stellkolben angreifen. Stützzylinder, die diese Stellkolben aufnehmen, werden über Hydraulikflüssigkeitsleitungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Pleuellager versorgt.
-
Neben dieser Hydraulikflüssigkeitsleitung ist an jeden der beiden Stützzylinder eine weitere Hydraulikflüssigkeitsleitung angeschlossen, die zu einem Schaltventil führt. Das Schaltventil verbindet wahlweise eine der Hydraulikflüssigkeitsleitungen mit einem als Entlüftungskanal bezeichneten Tankanschluss, über den die Hydraulikflüssigkeit drucklos in eine Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine abgeleitet werden kann.
-
Um das Verstellelement in seiner jeweiligen benötigten Stellung zu halten, sind die Stellkolben in den Stützzylindern flüssigkeitsdicht eingepasst. Dies ist fertigungstechnisch aufwändig und damit teuer in der Herstellung. Da die Stellkolben außerdem schwenkbar an ihren Kolbenstangen angebracht sind, ist ihre Montage aufwändig.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktion und die Ausbildung des Stellkolbens zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Stellkolben selbst nicht mehr in seinem Führungszylinder eingepasst und geführt wird, sondern dass die Führungs- und Dichtungsaufgabe von dem in der Nut eingesetzten Dichtelement übernommen wird. Der Stellkolben dient somit nur noch zur Fixierung des Dichtelementes am Stellkolben im Führungszylinder. Dadurch werden die Fertigungskosten des Stellkolbens wesentlich verringert, da seine Außenkontur keine Führungsfunktion mehr übernehmen muss. Lediglich das Dichtelement muss auf Maß bearbeitet werden. Dadurch kann der Spalt zwischen der Außenkontur des Stellkolbens und der Innenwand des Führungszylinders entsprechend groß ausgelegt werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Stellkolben mit seiner zugehörigen Kolbenstange einstückig ausgebildet werden kann. Somit kann die Gesamtheit beispielsweise aus Blech durch Stanzen oder auch als Gussteil hergestellt werden. Dies vereinfacht die Fertigung erheblich und senkt somit die Herstellkosten.
-
Um eine gute Dichtungswirkung bei gleichzeitig nicht zu geringen Reibkräften zu erzielen, wird die Außenkontur des Dichtelementes ballig ausgeführt. Damit ist bei den hohen Haltedrücken eine ausreichende Dichtheit an der Kontaktstelle des Dichtelementes mit der Innenwand des Stützzylinders gegeben.
-
Wenn der Stellkolben einstückig mit der Kolbenstange hergestellt ist, trifft sein Boden in der unteren Endstellung aufgrund der Kippbewegung der zugehörigen Kolbenstange bei einer Verstellung des Verstellelementes meist unter einem Winkel auf den Boden des entsprechenden Stützzylinders auf. Damit wird dort eine Punkt zu Punkt Berührung erzielt, die nicht erwünscht ist wegen der sehr hohen Pressungskräfte. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Boden des Stellkolbens eine Kugelform auf. Damit wird eine Linienberührung am Boden des Stützzylinders erzielt, insbesondere, wenn der Kontakt an der Fase einer Hydraulikflüssigkeitsleitung liegt.
-
Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, dass der Bereich jedes Stellkolbens, der sich oberhalb der Nut zur Aufnahme des Dichtelementes befindet, ballig ausgeführt ist und der sich unterhalb der Nut befindliche Bodenbereich die Form einer Kugelkalotte aufweist.
-
Das Dichtelement selbst kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Es ist so ausgewählt, dass die notwendige Anpresskraft zum Abdichten auf die Innenwand des Stützzylinders ausgeübt werden kann. Gegebenenfalls kann der Hydraulikdruck im Druckraum auch auf die Rückseite des Dichtelementes geleitet werden, um so die Anpresskraft des Dichtelementes in Abhängigkeit der Höhe des Hydraulikdruckes zu variieren.
-
Um sicher zu verhindern, dass der Umfang des Stellkolbens bei den auftretenden Kippbewegungen des Verstellelementes an der Innenwand seines zugehörigen Stützzylinders anstößt, wird empfohlen, die Außenkontur des Stellkolbens ballig auszuführen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen 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 mehrere unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an eifern Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist,
-
2a einen Längsschnitt durch den oberen Bereich eines Pleuels mit einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäß ausgebildeten Stellkolben in ihren Führungszylindern,
-
2b eine vergrößerte Ansicht eines Längsschnitts durch einen Stellkolben,
-
3a einen Längsschnitt durch den oberen Bereich eines Pleuels mit einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäß ausgebildeten Stellkolben in ihren Führungszylindern,
-
3b eine Seitenansicht des Bodenbereiches eines Stellkolbens nach dem Stand der Technik,
-
4a eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausgestaltung des Stellkolbens mit Kolbenstange,
-
4b eine vergrößerte Seitenansicht des Bodenbereiches des Stellkolbens nach der zweiten Ausgestaltung.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 2 und einem Pleuelunterteil 3 besteht. Das Pleueloberteil 2 und das Pleuelunterteil 3 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 4, über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. Am seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 2 mit einem Pleuelauge 5 versehen, in welchem über ein als Exzenter 6 ausgebildetes Verstellelement 7 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 8 angeordnet ist. Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 8 ist ein Arbeitskolben 9 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 7 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
-
Der Exzenter 6 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen 8 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 6 weist diametral verlaufende Laschen 10 und 11 auf, die 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 Exzenter 6 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenters 6 unterstützt und seine unerwünschte Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 6 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
-
Die Stellkolben 14 und 15 sind in Stützzylindern 16 und 17 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 18 und 19, in denen als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 4 angeordneten Pleuellager 20 über Ölzulaufleitungen 21 und 22 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 18 und 19 eine Ölrücklaufleitung 23 bzw. 24 aus, die, wie aus der 1 hervorgeht, beide in eine Aufnahmebohrung 25 für ein in diesem Zusammenhang nicht näher beschriebenes Schaltventil einmünden. Von dem Pleuellager 20 führt außerdem eine Steuerleitung 26 zu der Aufnahmebohrung 25.
-
In 2a ist ein Längsschnitt durch das Pleuel 1 aus 1 schematisiert dargestellt. 2b zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes aus 2a. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
-
Im Gegensatz zu der Ausführung in 1 ist in den folgenden Figuren der Stellkolben 14, 15 jeweils einstückig mit seiner zugehörigen Kolbenstange 12, 13. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese einstückige Lösung beschränkt. Auch bei den bekannten zweistückigen Lösungen können die Stellkolben gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.
-
Die Außenkontur 27 bzw. 28 der Stellkolben ist nahezu zylinderförmig. Ein umlaufender Spalt 29 bzw. 30 zwischen der Wand der Stützzylinder 16 bzw. 17 und der Außenkontur 27 bzw. 28 ist so groß gewählt, dass bei den durch die Verdrehung des Verstellelementes 7 hervorgerufenen Kippbewegungen der Kolbenstangen 12 und 13 und ihrer zugehörigen Stellkolben 14 und 15 sicher gestellt ist, dass die Stellkolben 14 und 15 mit ihrer Außenkontur 27 und 28 nicht an der Innenwand der Stützzylinder 16, 17 anstoßen.
-
Die Führungs- und Dichtungsfunktion der Stellkolben gegenüber den Druckräumen 18, 19 wird allein von einem Dichtelement 31 bzw. 32 übernommen, welches in einer Nut 33 bzw. 34 auf dem Außenumfang der Stellkolben vorgesehen ist.
-
Die Dichtelemente 31 und 32 sind entweder aus Metall oder Kunststoff hergestellt. Sie weisen im Querschnitt eine ballige Umfangsfläche 35 bzw. 36 auf (siehe 2b). Die Kontur der Umfangsfläche 35 bzw. 36 ist so gewählt, dass zum Einen die erforderliche Abdichtung der Druckräume 18 bzw. 19 und zum Anderen ein möglichst geringe Reibung beim Verfahren des Stellkolbens und damit bei dem Verstellen des Verstellelementes auftritt.
-
3a zeigt die gleiche Anordnung wie 2a, nur mit dem Unterschied, dass hier die Böden 37 und 38 der beiden Stellkolben 14 und 15 gerundet ausgeführt ist. Der Boden 37 und 38 weist eine kugelkalottenförmige Ausgestaltung auf. Aufgrund der Kippbewegung der starren Kolbenstangen 12 und 13 mit ihren einstückig angebundenen Stellkolben 14 und 15 relativ zu ihren Stützzylindern 16 und 17 treffen gerade Böden der Stellkolben auf die Böden 39 und 40 der Stützzylinder 16 und 17 meist unter einem Winkel auf (siehe 3b). Dadurch entsteht ein Punkt zu Punkt Kontakt. Um dies zu vermeiden sind die Böden 37 und 38 kugelkalottenförmig ausgestaltet. Dadurch entsteht ein Linienkontakt zwischen den Böden der Stellkolben und der Druckräume, insbesondere, wenn der Kontakt im Randbereich der Ölzu- oder Ölrücklaufleitungen 21, 22 oder 23, 24 stattfindet.
-
Eine perspektivische Darstellung einer einstückigen Kolbenstange mit Stellkolben zeigt 4a und 4b eine vergrößerte Ausschnittsansicht des Stellkolbens.
-
Aus 4a ist ersichtlich, dass die Kolbenstange 12 bzw. 13 einstückig mit dem Stellkolben 13 bzw. 14 ausgebildet ist. Je nach verwendetem Material können beide Bauteile auch separat gefertigt werden und dann durch ein geeignetes Fügeverfahren miteinander verbunden werden.
-
An dem dem Stellkolben 13 bzw. 14 abgewandten Ende der Kolbenstange 12 bzw. 13 ist eine Möglichkeit der Verbindung der Kolbenstange mit der Lasche 10 bzw. 11 des Verstellelementes 7 aufgezeigt.
-
Die kugelkalottenförmige Ausgestaltung des Bodens 37 bzw. 38 reicht nicht bis zum Beginn der Nut 33 bzw. 34, sondern geht unterhalb der Nut in eine Kreiszylinderform über. Der Bereich des Stellkolbens 13 bzw. 14, der oberhalb der Nut 33 bzw. 34 verläuft, ist ballig ausgeführt, wobei seine Größe so gewählt wird, dass der Spalt 29 bzw. 30 erhalten bleibt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Pleuel
- 2
- Pleueloberteil
- 3
- Pleuelunterteil
- 4
- Pleuellagerauge
- 5
- Pleuelauge
- 6
- Exzenter
- 7
- Verstellelement
- 8
- Kolbenbolzen
- 9
- Arbeitskolben
- 10
- Lasche
- 11
- Lasche
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Stellkolben
- 15
- Stellkolben
- 16
- Stützzylinder
- 17
- Stützzylinder
- 18
- Druckraum
- 19
- Druckraum
- 20
- Pleuellager
- 21
- Ölzulaufleitung
- 22
- Ölzulaufleitung
- 23
- Ölrücklaufleitung
- 24
- Ölrücklaufleitung
- 25
- Aufnahmebohrung
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Außenkontur von 14
- 28
- Außenkontur von 15
- 29
- Spalt zwischen 14 und Innenfläche von 16
- 30
- Spalt zwischen 15 und Innenfläche von 17
- 31
- Dichtelemente in 14
- 32
- Dichtelement in 15
- 33
- Nut in 14
- 34
- Nut in 15
- 35
- ballige Umfangsfläche
- 36
- ballige Umfangsfläche
- 37
- kugelkalottenförmiger Boden von 14
- 38
- kugelkalottenförmiger Boden von 15
- 39
- Boden von 16
- 40
- Boden von 17
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011056298 A1 [0007]
