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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei welcher jeder Zylindereinheit eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist, durch 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 durch ein Pleuellagerauge auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist, wobei die Verstelleinrichtung ein mechanisch in zwei unterschiedliche Schaltstellungen bewegbares Umschaltelement aufweist, welches in einer parallel zu einer Längsmittelachse des Pleuellagerauges im Pleuel angeordneten Aufnahmebohrung angeordnet ist und einen Schieber umfasst, und wobei der Schieber abwechselnd an seinen beiden Stirnflächen durch Steuerflächen zumindest eines Aktuators längsverschiebbar ist.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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 in der Bohrung dieses Pleuelauges einen Exzenterkörper auf, an dessen Außenverzahnung ein zweiarmiger Exzenterhebel angreift und in welchem eine Längsmittelachse einer Kolbenbolzenbohrung gegenüber einer Längsmittelachse des Pleuelauges versetzt angeordnet ist. Der Exzenterkörper ist mit einer zylindrischen äußeren Umfangsfläche durch eine Gleitlagerung in der Bohrung des Pleuelauges geführt. Drehbewegungen des Exzenterkörpers in der Bohrung des Pleuelauges erfolgen selbsttätig. Ausgelöst werden diese durch die Einwirkung von Massen- und Gaskräften der Zylindereinheit, wobei sich deren Wirkrichtungen während des Arbeitsverfahrens derselben ständig ändern. Weiterhin ist der Exzenterhebel an seinen Enden jeweils mittels eines Schwenklagers mit einer einen Stellkolben aufnehmenden Kolbenstange verbunden, wobei die Stellkolben in Stellzylindern geführt sind.
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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 Bewegungsrichtung liegende Druckraum des Stellzylinders drucklos entleerbar 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.
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Die mechanische Umschaltung des Umschaltventils erfolgt mittels einer Betätigungseinheit, die im Bereich des Pleuellagerauges angeordnet ist. Die Betätigungseinheit weist ein Gestellt auf, in dem längsbewegbare Kurvenscheiben angeordnet sind. Die Kurvenscheiben sind auf gleicher Höhe wie der Steuerschieber angeordnet und erstrecken sich beiderseits des Pleuellagerauges parallel zu diesem. Jede der Kurvenscheiben weist eine Steuerfläche und einen Zahnstangenabschnitt auf. Die Kurvenscheiben sind durch eine Steuerwelle miteinander gekoppelt. Hierzu weist die Steuerwelle eine Außenverzahnung auf, die mit dem Zahnstangenabschnitt 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 axial verschoben werden. Dadurch wird der Steuerschieber mittels der Steuerflächen der Kurvenelemente in eine bestimmte Schaltstellung verschoben.
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Die Ausgestaltung einer solchen Betätigungseinheit ist aufgrund der Vielzahl und Komplexität der zusammenwirkenden Bauteile fertigungstechnisch aufwendig und weist einen hohen Bauraumbedarf auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator für ein Umschaltelement der eingangs genannten Art zu schaffen, der für eine Verwendung in einer in Großserie hergestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine geeignet ist. Dabei soll die Möglichkeit bestehen, diesen Aktuator bauraumsparend in die Umgebungskonstruktion zu integrieren.
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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.
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Danach soll der Aktuator eine durch einen elektromagnetischen Aktuator axial verschiebliche Steuerwelle, in welche die Steuerflächen integriert sind, umfassen, wobei durch den elektromagnetischen Aktuator die Steuerwelle in zumindest eine mit einer der Schaltstellungen des Umschaltelementes korrespondierende Position überführbar ist. Erfindungsgemäß erfordert das Bewegen des Umschaltelementes der Verstelleinrichtung zwischen seinen beiden unterschiedlichen Schaltstellungen nur eine translatorische Bewegung des Aktuators.
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Im Unterschied zu der Umschaltung des Umschaltventils gemäß der
DE 10 2005 055 199 A1 mittels der Betätigungseinheit, welche durch eine Umsetzung einer rotatorischen Bewegung der Steuerwelle in eine translatorische Bewegung der Kurvenscheiben erfolgt, entfallen erfindungsgemäß die für die Umsetzung erforderlichen Bauteile. Dadurch wird der Aufbau des Aktuators vereinfacht und der Bauraumbedarf reduziert.
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Hierbei kann die Steuerwelle zumindest eine sich senkrecht zur Längsmittelachse erstreckende im Wesentlichen U-förmige Ausnehmung aufweisen, deren die zumindest eine Ausnehmung seitlich begrenzenden, einander gegenüberliegenden Wandabschnitte als Steuerflächen ausgebildet sind, die wechselweise mit den Stirnflächen des Schiebers in Eingriff bringbar sind. Die jeweiligen Steuerflächen können hierbei einen Steuerabschnitt und einen sich an den Steuerabschnitt anschließenden Sicherheitsabschnitt aufweisen, welche mit unterschiedlichen Konturen ausgeführt sind. Der jeweilige Steuerabschnitt kann einen sich in Richtung der Längsmittelachse rampenförmig ansteigenden Verlauf aufweisen, so dass sich der Abstand der einander gegenüberliegenden Steuerflächen verringert. Der jeweilige Sicherheitsabschnitt kann einen rampenförmig abnehmenden Verlauf aufweisen, so dass sich der Abstand der einander gegenüberliegenden Steuerflächen vergrößert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der elektromagnetische Aktuator als ein Einfach-Hubmagnet ausgeführt sein, der ein an einem axial beweglichen Anker des Einfach-Hubmagneten angeordnetes zylindrisches Element aufweist, durch den die Steuerwelle in genau eine der beiden korrespondierenden Positionen überführbar ist. Der Einfach-Hubmagnet kann für eine ziehende oder stoßende Kraftwirkung ausgeführt sein.
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Hierbei wird sich die Eigenschaft des Hubmagneten zu Nutze gemacht, dass das zylindrische Element durch eine elektromagnetische Krafteinwirkung auf den Anker aus einer Hubanfangslage in eine Hubendlage bewegbar ist. Bei entsprechender Bestromung des stoßend wirkenden Hubmagneten nimmt die Steuerwelle genau eine der beiden mit den Schaltstellungen des Umschaltelementes korrespondierenden Positionen ein. Das Bewegen aus der Hubendlage des Ankers zurück in die Hubanfangslage erfolgt durch das Aufbringen einer äußeren Kraft. Hierzu kann in den Hubmagneten eine Rückstellfeder integriert sein. Für das Halten der Hubendlage bleibt der Einfach-Hubmagnet bestromt.
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Zur Rückführung des zylindrisches Elementes aus der Hubendlage in die Hubanfangslage kann ein eine Rückstellkraft erzeugendes Element auf die Steuerwelle einwirken. Dadurch kann der Aufbau des Einfach-Hubmagneten vereinfacht werden. Bevorzugt ist eine der stoßenden Bewegung des Ankers entgegenwirkende Druckfeder als ein die Rückstellkraft erzeugendes Element vorgesehen. Die Druckfeder sollte in einer dem Einfach-Hubmagneten gegenüberliegend angeordneten Lagerstelle der Steuerwelle angeordnet sein. Zum Umschalten wird der Einfach-Hubmagnet stromlos geschaltet, so dass die Rückstellkraft der Druckfeder den Anker in seine Hubanfangslage zurückbewegt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der Aktuator als ein Umkehrhubmagnet ausgeführt sein, durch den die Steuerwelle in die jeweilige mit einer der Schaltstellungen des Umschaltelementes korrespondierende Position überführbar ist. Durch eine entsprechende Bestromung der Spule des Umkehrhubmagneten lässt sich die Hubbewegung des Ankers von einer in die andere Hubendlage steuern. Durch das Drücken bzw. Ziehen der Steuerwelle beim Bewegen des Ankers zwischen seinen Hubendlagen lassen sich die beiden Schaltstellungen des Umschaltelementes darstellen. Im Gegensatz zum Einfach-Hubmagneten kann auf ein Element zur Erzeugung Rückstellkraft verzichtet werden.
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Hierbei kann zum Halten der Steuerwelle in ihrer jeweiligen Position ein Arretiermittel vorgesehen sein. Das Arretiermittel erlaubt es, den Umkehrhubmagneten nach einer Bewegung des Ankers bzw. der damit verbundenen Steuerwelle stromlos zuschalten und die Position der Steuerwelle respektive die Schaltstellung des Umschaltelementes beizubehalten.
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Dabei kann das Arretiermittel zwei in der Steuerwelle angeordnete Aussparungen sowie ein Arretierelement umfassen, wobei das Arretierelement in Abhängigkeit von der jeweiligen Position der Steuerwelle mit einer der beiden Aussparungen in Eingriff bringbar ist. Der Abstand der Aussparungen korrespondiert dabei im Wesentlichen mit dem Hub des Ankers.
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Bevorzugt können die Aussparungen als umlaufende Nuten in der Steuerwelle und das Arretierelement als eine Kugel ausgeführt sein.
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Um das Arretierelement in seiner jeweiligen Eingriffsposition zu halten, kann es mit einer Federkraft beaufschlagt sein. Die Federkraft sollte dabei so bemessen sein, dass einerseits die Steuerwelle in der jeweiligen Position gehalten wird, andererseits die Kraft, die der Umkehrhubmagnet aufbringen muss, um den Anker in die andere Endlage zu überführen, relativ gering ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patenanspruches 1 und 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.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen 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 durch einen Exzenterhebel verdrehbaren Exzenterkörper aufweist;
- 2 einen Längsschnitt eines Wegeventils, das zur Betätigung der Verstelleinrichtung dient;
- 3 eine perspektivische Ansicht von einem einer Zylinderbank zugeordneten Pleuel, der gemäß der 1 ausgebildet ist, wobei ein mit der Verstelleinrichtung zusammenwirkender Aktuator als mit Steuerflächen versehene Steuerwelle ausgebildet ist;
- 4a eine stirnseitige Ansicht eines Aktuators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4b eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 4a;
- 5a eine stirnseitige Ansicht eines Aktuators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
- 5b eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 5a.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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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 durch 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 durch einen Exzenterkörper 8 ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen angeordnet ist. Durch 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 ε und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses ε führt.
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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 mittels der 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.
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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 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 durch 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.
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Die 3 zeigt einen Pleuel 1, das mit einer schematisch teilweise dargestellten Kurbelwelle 39 zusammenwirkt und jeweils gemäß den 1 und 2 ausgebildet sein soll, weshalb die entsprechenden Bauelemente der Verstelleinrichtung mit den in den 1und 2 verwendeten Bezugszeichen versehen sind. Mit dem Bezugszeichen DR ist die Drehrichtung der Kurbelwelle 39 bezeichnet, welche die Bewegungsbahn des Pleuels 1 bestimmt. Es ist zu erkennen, dass sich der Exzenterkörper 8 in einer Schaltstellung für ein hohes Verdichtungsverhältnis ε befindet, indem dieser durch die Kolbenstange 12 abgestützt wird. Dies geschieht in einer Schaltstellung des Steuerschiebers 30, in der dessen Stirnfläche 38 axial über die Stirnseite 35 des Pleuellagerauges 5 vorsteht. In diese Schaltstellung werden alle Steuerschieber 30 der Pleuel 1 einer Zylinderbank der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels eines gemeinsamen Aktuators 40 bewegt.
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Der Aktuator 40 umfasst eine axial verschiebliche Steuerwelle 41, welche mit einer oder mehreren Ausnehmungen 42 versehen ist. Die Ausnehmungen 42 sind im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. Die Anzahl der Ausnehmungen 42 einer Steuerwelle 41 richtet sich dabei nach der Anzahl der Pleuel 1 einer Zylinderbank der Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Verdichtungsverhältnis ε angesteuert werden soll. Die jeweilige Ausnehmung 42 ist in radialer Richtung durch einander gegenüberliegende Wandabschnitte 43 begrenzt. Die jeweilige Ausnehmung 42 erstreckt sich ausgehend von der Mantelfläche der Steuerwelle 41 senkrecht zur Längsachse 45 der Steuerwelle 41. Die Steuerwelle 41 ist mit ihrem einen Ende im Zylinderblock gelagert. Mit ihrem anderen Ende ist die Steuerwelle 41 in einem Lager 44 gelagert. Die Betätigung der Steuerwelle 41, d.h. das axiale Verschieben, erfolgt durch einen elektromagnetischen Aktuator 46. Der Aktuator 46 weist ein Gehäuse 47 mit einem Befestigungsabschnitt 47a auf, welcher der Befestigung am - nicht dargestellten - Zylinderblock dient.
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In der in 3 gezeigten Darstellung befindet sich das eine dargestellte Pleuel 1 gerade in einer Position, bevor die Steuerfläche 43 von der Stirnfläche 38 des Steuerschiebers 30 überfahren wird. Zu diesem Zeitpunkt steht die zweite Stirnflächen 38 axial über die Stirnseite 35 des Pleuellagerauges 5 vor.
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Die Darstellung in 4a zeigt eine stirnseitige Ansicht des Aktuators 46. In 4b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 4a dargestellt. An einem äußeren Ende der Steuerwelle 41 ist eine Verdrehsicherung 48 integriert. Die Verdrehsicherung 48 ist als zumindest ein sich in radialer Richtung nach außen erstreckendes, zylindrisches Sicherungselement ausgeführt, welches mit dem Zylinderblock der Hubkolbenbrennkraftmaschine in Eingriff bringbar ist. Die Verdrehsicherung 58 verhindert, dass die drehbar gelagerte Steuerwelle 41 soweit verdreht wird, dass das Pleuel 1 die Ausnehmung 42 nicht mehr passieren kann, sondern mit der Mantelfläche der Steuerwelle 41 kollidieren würde.
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Die Wandabschnitte 43 sind als einander gegenüberliegende Steuerflächen 51 ausgebildet, die sich zwischen einem Einlaufbereich 49 und einem Auslaufbereich 50 der jeweiligen Ausnehmung 42 erstrecken. Die Steuerflächen 51 sind spiegelbildlich ausgeführt und jeweils in einen Steuerabschnitt 51a und einen Sicherheitsabschnitt 51b unterteilt. Der Steuerabschnitt 51a mündet in den Einlaufbereich 49, während der Sicherheitsabschnitt 51b in den Auslaufbereich 50 mündet. Die Breite der jeweiligen Ausnehmung 42, d.h. der axiale Abstand zwischen den Steuerflächen 51, bestimmt sich anhand der Abmessungen des Steuerschiebers 30, welcher zwischen den Wandabschnitten 43 der Ausnehmung 42 hindurchgeführt wird.
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Der Verlauf der einander gegenüberliegenden Steuerabschnitte 51a der Steuerflächen 51 ist im Einlaufbereich 49 in Drehrichtung DR des Pleuels 1 sich verjüngend ausgeführt, das heißt, der Abstand zwischen den Wandabschnitten 43 einer Ausnehmung 42 in Richtung des Auslaufbereiches 50 reduziert sich. Der Übergang des Steuerabschnitts 51a in den Sicherheitsabschnitt 51b zwischen dem Einlaufbereich 49 und dem Auslaufbereich 50 bildet einen Wendepunkt, ab welchem sich der Verlauf der einander gegenüberliegenden Sicherheitsabschnitte 51b der Steuerflächen 51 im Auslaufbereich 50 trichterförmig aufweitet.
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Das Lager 44, in welchem die Steuerwelle 41 mit einem Ende drehbar gelagert ist, weist eine Entlüftungsbohrung 52 auf, durch welche Hydrauliköl bei einer axialen Bewegung der Steuerwelle 41 austreten kann. Die Steuerwelle 41 stützt sich mit einer Stirnfläche 53a mittels einer Druckfeder 54 am Lagerboden 55 des Lagers 44 ab. Dabei bildet der Lagerboden 55 zusammen mit der Druckfeder 54 einen Endanschlag, um die axiale Bewegung der Steuerwelle 41 in einer Richtung zu begrenzen.
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Der an dem dem Lager 44 gegenüberliegenden Ende der Steuerwelle 41 angeordnete Aktuator 46 ist als Einfach-Hubmagnet 46a ausgebildet. Der Aktuator 46 weist ein Gehäuse 47 auf, in welchem eine Spule 56, ein Polschuhe 57 sowie ein axial beweglicher Anker 58 angeordnet sind. Der Anker 58 des als Einfach-Hubmagnet 46a ausgeführten Aktuators 46 ist dabei mittels der elektromagnetischen Kraft nur aus einer Hubanfangslage in eine Hubendlage überführbar. An ihrer dem Lager 44 gegenüberliegenden Stirnfläche 53b steht die Steuerwelle 41 mit einem als Stößelstange ausgebildeten zylindrischen Element 60 in Kontakt, wobei die Stößelstange mit dem Anker 58 des Einfach-Hubmagneten 46a verbunden ist.
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Das zylindrische Element 60 überträgt die translatorische Bewegung des Ankers 58 auf die Steuerwelle 41. Dadurch wird die Steuerwelle 41 aus ihrer ersten Position, definiert durch die Hubanfangslage des Ankers 58, in eine zweite Position, definiert durch die Hubendlage des Ankers 58, überführt. Um den Anker 58 bzw. die Steuerwelle 41 in dieser zweiten Position zu halten, muss der Einfach-Hubmagnet 46a bestromt bleiben. Für die Rückführung des Ankers 58 in seine Hubausgangslage bedarf es einer externen Kraft.
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Die in axialer Richtung erfolgende Bewegung des Ankers 58 aus der Hubanfangslage in die Hubendlage geschieht dabei entgegen der Federkraft der Druckfeder 54 am Lagerboden 55. Die Federkraft der Druckfeder 54 dient somit zugleich der Rückstellung des Ankers 58, wenn der Einfach-Hubmagnet 46a stromlos geschaltet wird. Mit der Rückstellung des Ankers 58 in seine Hubanfangslage wird auch die Steuerwelle 41 in ihre erste Position zurückgeführt.
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An der der Stirnfläche 53b zugewandten Seite der Steuerwelle 41 ist an dem Gehäuse 47 ein plattenförmiges Anschlagelement 59 angeordnet. Das Anschlagelement 59 begrenzt die Bewegung der Steuerwelle 41 in axialer Richtung.
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Zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε muss der Steuerschieber 30 in seine andere Schaltstellung überführt werden. Dies geschieht durch die axiale Verschiebung der Steuerwelle 41 in Richtung des Einfach-Hubmagneten 46a. Hierzu wird der Einfach-Hubmagneten 46a stromlos geschaltet, so dass die Federkraft der gestauchten Druckfeder 54 die Steuerstange 41 in axialer Richtung verschiebt. Durch diese Bewegung wird zugleich der Anker 58 aus seiner Hubendlage in seine Hubanfangslage zurückbewegt.
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Das Verschieben der Steuerwelle 41 in axialer Richtung führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Steuerflächen 51 der jeweiligen Ausnehmung 42 und der diesen zugewandten Stirnflächen 37 bzw. 38 des Steuerschiebers 30 beim Durchlaufen der Ausnehmung 42 verändert. Auf diese Weise wird wechselweise der Steuerabschnitt 51a mit der zweiten Stirnfläche 38 oder mit der ersten Stirnfläche 37 des Steuerschiebers 30 in Eingriff gebracht. Durch das in Eingriff bringen des jeweiligen Steuerabschnitts 51a der Steuerfläche 51 mit der dieser zugewandten ersten bzw. zweiten Stirnfläche 37, 38 des Steuerschiebers 30 wird dieser in der Ventilbohrung 26 in Längsrichtung verschoben.
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Das axiale Verschieben der Steuerwelle 41 erfolgt dabei während des Umlaufs des Pleuels 1 auf seiner Bewegungsbahn in einer Phase, in der der Steuerschieber 30 sich außerhalb der Ausnehmung 42 befindet. Mit dem Eintreten in den Einlaufbereich 49 wird eine der Stirnflächen 37, 38 des Steuerschiebers 30 mit der korrespondierenden Steuerfläche 51 in Eingriff gebracht, woraus das sich einstellende Verdichtungsverhältnis ε resultiert. Tritt eine Situation auf, in der sich das Pleuel 1 der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf einer Bewegungsbahn entgegen der regulären Drehrichtung DR bewegt, wird durch den trichterförmigen Auslaufbereich 50 eine Kollision des Steuerschiebers 30 mit der Mantelfläche der Steuerwelle 41 verhindert.
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Die Darstellung in 5a zeigt eine stirnseitige Ansicht eines als Umkehrhubmagnet 46b ausgeführten Aktuators 46. In 5b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 5a dargestellt. Der als Umkehrhubmagnet 46b ausgeführte Aktuator 46 unterscheidet sich von dem Einfach-Hubmagneten 46a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass dieser eine Bewegung zwischen zwei Hubendlagen des Ankers 58 erlaubt. Der Anker 58 ist durch das zylindrisches Element 60 mit der Steuerwelle 41 in der Weise verbunden, dass diese dem Hubverlauf des Ankers 58 folgt. Durch eine entsprechende Bestromung der Spule 56 lässt sich der Anker 58 von einer Hubendlage in die andere Hubendlage bewegen.
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Mit dem Erreichen einer Hubendlage am Ende eines Schaltvorganges durch das axiale Verschieben der Steuerwelle 41, wie weiter oben bereits beschrieben, kann der Umkehrhubmagnet 46a vorübergehend stromlos geschaltet werden. Um die Steuerwelle 41 dabei in der jeweiligen gewählten Position zu halten, ist ein Arretiermittel vorgesehen. Das Arretiermittel umfasst ein durch eine Federkraft beaufschlagtes Arretierelement 61. Das Arretierelement 61 ist als eine Kugel ausgeführt, welche von einem hohlzylindrischen Schaft 62 mit einem Außengewindeabschnitt 63 aufgenommen ist. Das Arretierelement 61 stützt sich mittels einer Feder 64 am Boden des Schafts 62 ab. Der Schaft 62 ist im Zylinderblock angeordnet, wobei mittels des Außengewindes 63 der Abstand zur Mantelfläche der Steuerwelle 41 veränderbar ist. Die Steuerwelle 41 weist auf ihrer Mantelfläche im Bereich des Lagers 44 zwei zueinander beabstandete umlaufende Nuten 65 auf. Die Nuten 65 weisen eine mit der Oberfläche des Arretierelements 61 korrespondierende Kontur auf. Das als Kugel ausgeführte Arretierelement 61 wird, in Abhängigkeit von der jeweils eingenommenen Position der Steuerwelle 41 durch die Feder 64 in eine der beiden Nuten 65 gepresst. Der axiale Abstand der beiden Nuten 65 korrespondiert hierbei mit dem zurückzulegenden Hubweg des Umkehrhubmagneten 46a.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Steuerwelle
- 42
- Ausnehmung
- 43
- Wandabschnitt
- 44
- Lager
- 45
- Längsmittelachse von 41
- 46
- Aktuator
- 46a
- Einfach-Hubmagnet
- 46b
- Umkehrhubmagnet
- 47
- Gehäuse
- 47a
- Befestigungsabschnitt
- 48
- Verdrehsicherung
- 49
- Einlaufbereich
- 50
- Auslaufbereich
- 51
- Steuerfläche
- 51a
- Steuerabschnitt
- 51b
- Sicherheitsabschnitt
- 52
- Entlüftungsbohrung
- 53a
- Stirnfläche von 41
- 53b
- Stirnfläche von 41
- 54
- Druckfeder
- 55
- Lagerboden
- 56
- Spule
- 57
- Polschuh
- 58
- Anker
- 59
- Anschlagelement
- 60
- Zylindrisches Element
- 61
- Arretierelement
- 62
- Hohlzylindrischer Schaft
- 63
- Außengewinde
- 64
- Feder
- 65
- Nut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0005, 0012]
