DE102017124914A1

DE102017124914A1 - Actuator for adjusting the compression ratio of a reciprocating engine

Info

Publication number: DE102017124914A1
Application number: DE102017124914.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Ein Aktuator zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors umfasst einen Elektromotor (12) und ein durch diesen betätigtes Untersetzungsgetriebe (13), welches zur Verstellung einer mit Kurbeltriebskomonenten des Hubkolbenmotors zusammenwirkenden Welle (9,11) ausgebildet ist, wobei die Welle (9,11) durch eine Vorspanneinrichtung (14) mit einem Drehmoment vorbelastet ist.An actuator for adjusting the compression ratio of a reciprocating engine comprises an electric motor (12) and a reduction gear (13) actuated by the latter, which is designed to adjust a shaft (9, 11) cooperating with crankshaft components of the reciprocating engine, wherein the shaft (9, 11) biased by a biasing means (14) with a torque.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, kurz auch als VCR (Variable Compression Ratio)-Aktuator bezeichnet, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an actuator for adjusting the compression ratio of a piston engine, also referred to as VCR (Variable Compression Ratio) actuator, according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger VCR-Aktuator ist beispielsweise aus der US 2015/0219009 A1 bekannt. An eine erste Verstellwelle (first control shaft 10) der aus der US 2015/0219009 A1 bekannten Vorrichtung ist ein Nebenpleuel (control link 7) angelenkt, welches über ein Zwischenelement (lower link 5) mit einem Pleuel (upper link 3) eines Hubkolbenmotors gekoppelt ist. Um die erste Verstellwelle zu verschwenken, ist diese über einen Zwischenhebel (second control link 12) mit einer zweiten Verstellwelle (second control shaft 11) gekoppelt.Such a VCR actuator is for example from the US 2015/0219009 A1 known. To a first adjusting shaft (first control shaft 10) of the US 2015/0219009 A1 known device is a Nebenpleuel (control link 7) hinged, which is coupled via an intermediate element (lower link 5) with a connecting rod (upper link 3) of a reciprocating engine. In order to pivot the first adjusting shaft, it is coupled via an intermediate lever (second control link 12) to a second adjusting shaft (second control shaft 11).

Weitere Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2012 008 244 B4 und EP 1 126 144 B1 bekannt.Other devices for adjusting the compression ratio of an internal combustion engine are, for example, from the documents DE 10 2012 008 244 B4 and EP 1 126 144 B1 known.

Die Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors schafft die Möglichkeit, diesen bei hohen Lasten mit niedriger Verdichtung und hoher Aufladung, insbesondere Turboaufladung, zu betreiben und im Fall niedriger Lasten und niedrigerer Aufladung die Verdichtung zu erhöhen. Auf diese Weise ist der Motor, insbesondere Ottomotor, in einem weiten Bereich unterschiedlichster Lasten betreibbar, wobei insgesamt günstige Verhältnisse zwischen Leistung und Wirkungsgrad, auch bei hoch aufgeladenen Motoren, erreichbar sind.The variation of the compression ratio of a reciprocating engine makes it possible to operate it at high loads with low compression and high charge, in particular turbocharging, and increase the compression in the case of low loads and lower charge. In this way, the engine, in particular gasoline engine, in a wide range of different loads operable, with a total of favorable ratios between power and efficiency, even with highly turbocharged engines, can be achieved.

Soll die Leistung eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, ausgehend von einem Betriebszustand mit geringer Last, schnell, idealerweise schlagartig, erhöht werden, so ist - neben einer geeignet ausgelegten Aufladung - eine schnelle Reaktion des VCR-Aktuators erforderlich, um das Verdichtungsverhältnis rasch herabzusetzen und damit die gewünschte erhöhte Aufladung zu ermöglichen. Bei einem Reduzieren der Last ist dagegen ein schnelles Ansprechen des VCR-Aktors hinsichtlich eines vom Fahrer des Kraftfahrzeugs als spontan empfundenen Ansprechverhaltens des Verbrennungsmotors weniger von Belang. Jedoch sollte auch in einem solchen Fall, in welchem die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors reduziert wird, der VCR-Aktuator mit ausreichender Stellgeschwindigkeit agieren, um einen zügigen Übergang in einen höher verdichteten Betrieb des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.If the power of a variable compression ratio internal combustion engine is to be increased rapidly, ideally abruptly, from a low load operating condition, a rapid response of the VCR actuator is required, in addition to properly designed charging, to rapidly reduce the compression ratio and thus to allow the desired increased charge. By contrast, when reducing the load, rapid response of the VCR actuator with regard to a response of the internal combustion engine perceived as spontaneous by the driver of the motor vehicle is of less importance. However, even in such a case, in which the mechanical power of the engine is reduced, the VCR actuator should act with sufficient actuating speed to allow a smooth transition to a higher-compression operation of the internal combustion engine.

Abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Einstellung des VCR-Aktuators sind unterschiedliche Kräfte und Momente durch den VCR-Aktuator abzustützen. Dies gilt unabhängig davon, ob der VCR-Aktuator direkt oder indirekt, wie zum Beispiel in der genannten US 2015/0219009 A1 beschrieben, eine Exzenterwelle verschwenkt.Depending on the operating state of the internal combustion engine and the setting of the VCR actuator, different forces and moments are to be supported by the VCR actuator. This applies regardless of whether the VCR actuator directly or indirectly, as in the mentioned US 2015/0219009 A1 described, an eccentric shaft pivoted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten, elektrisch betätigten Aktuator zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, das heißt VCR-Aktuator, anzugeben, welcher sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen elektrischem Energiebedarf und Ansprechverhalten auszeichnet.The invention has for its object to provide a relation to the prior art further developed, electrically actuated actuator for adjusting the compression ratio of a reciprocating engine, that is VCR actuator indicate, which is characterized by a particularly favorable ratio between electrical energy demand and response.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen VCR-Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der VCR-Aktuator umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Elektromotor, beispielsweise in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors, und ein durch den Elektromotor betätigtes Untersetzungsgetriebe, beispielsweise Wellgetriebem welches zur Verstellung einer mit Kurbeltriebskomponenten eines Hubkolbenmotors zusammenwirkenden Welle ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist die zu verstellende Welle durch eine Vorspanneinrichtung mit einem Drehmoment vorbelastet. Vorzugsweise umfasst die Vorspanneinrichtung ein Federelement, beispielsweise in Form einer Spiralfeder. Alternativ sind auch pneumatische, hydraulische oder hydropneumatische Vorrichtungen als Vorspanneinrichtungen, welche ein Drehmoment auf die zu verstellende Welle aufbringen, verwendbar.This object is achieved by a VCR actuator with the features of claim 1. The VCR actuator comprises in known per se an electric motor, for example in the form of a brushless DC motor, and operated by the electric reduction gear, such as wave gear which for adjustment a cooperating with crankshaft components of a reciprocating engine shaft is formed. According to the invention, the shaft to be adjusted is preloaded by a pretensioning device with a torque. Preferably, the biasing means comprises a spring element, for example in the form of a spiral spring. Alternatively, pneumatic, hydraulic or hydropneumatic devices may also be used as biasing means which apply torque to the shaft to be adjusted.

Unabhängig von der Art der Erzeugung des Drehmoments durch die Vorspanneinrichtung sorgt diese dafür, dass die Belastung der zu verstellenden Welle, welche aus Kräften innerhalb des Kurbeltriebs des Hubkolbenmotors resultiert, in einen günstigeren Bereich verschoben wird, so dass selbst mit einem drehmomentschwachen Elektromotor des VCR-Aktuators hohe Verstellgeschwindigkeiten realisierbar sind.Regardless of the way the torque is generated by the pretensioning device, this ensures that the load on the shaft to be adjusted, which results from forces within the crank drive of the reciprocating motor, is shifted to a more favorable range, so that even with a low-torque electric motor of the VCR system. Actuators high adjustment speeds can be realized.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei VCR-Aktuatoren ein Zielkonflikt zwischen benötigter elektrischer Leistung und Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes existiert: Wird ein Untersetzungsgetriebe mit extremem Übersetzungsverhältnis eingesetzt, so ist zwar ein drehmomentschwacher Elektromotor zur Betätigung des Untersetzungsgetriebes ausreichend, jedoch nur eine geringe Stellgeschwindigkeit erzielbar. Umgekehrt wird mit einem geringer übersetzten Untersetzungsgetriebe, welches höhere Stellgeschwindigkeiten ermöglicht, ein stärkerer Elektromotor benötigt. Um diesen Zielkonflikt aufzulösen, ist theoretisch der Einsatz eines fluidtechnischen Aktuators, insbesondere hydraulischen Aktuators, denkbar. Mit der Erfindung wird jedoch ein abweichender Weg eingeschlagen, indem einerseits ein Elektromotor verwendet wird und andererseits unabhängig vom Elektromotor eine Vorbelastung durch die Vorspanneinrichtung erzeugt wird.The invention is based on the consideration that there is a trade-off between required electrical power and gear ratio of the reduction gear in VCR actuators: If a reduction gear is used with extreme gear ratio, although a low-torque electric motor for actuating the reduction gear is sufficient, but only a low actuating speed achievable. Conversely, with a lower geared reduction gear, which allows higher speeds, a stronger electric motor is needed. In order to resolve this conflict of objectives, the use of a fluidic actuator, in particular a hydraulic actuator, is theoretically conceivable. With the invention, however, a different way taken by one hand, an electric motor is used and on the other hand, a preload is generated by the biasing device independently of the electric motor.

Bei der durch die Vorspanneinrichtung mit einem Drehmoment belasteten Welle kann es sich entweder um eine Exzenterwelle handeln, an welche ein Nebenpleuel der VCR-Einrichtung angelenkt ist, oder um eine der Exzenterwelle vorgeschaltete, mit der Exzenterwelle über mindestens ein Getriebeelement, insbesondere einen Zwischenhebel, gekoppelte Welle, welche zur Unterscheidung von der Exzenterwelle mit Verstellwelle bezeichnet wird.The shaft loaded by the pretensioning device with a torque can either be an eccentric shaft, to which a secondary connecting rod of the VCR device is articulated, or one of the eccentric shaft connected to the eccentric shaft via at least one transmission element, in particular an intermediate lever Shaft, which is designated for differentiation from the eccentric shaft with adjusting shaft.

Unabhängig davon, welche Welle durch das Untersetzungsgetriebe des VCR-Aktuators direkt verdreht wird und wo die Vorspanneinrichtung angreift, ändert sich die mittlere Drehmomentlast auf den VCR-Aktuator typischerweise mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors, mit der Verbrennungsmotorlast und mit dem geometrischen Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors. Allgemein führt eine Erhöhung eines beliebigen der drei genannten Werte zu einer Erhöhung des mittleren Verstellwellendrehmoments. Im Laufe der Erhöhung dieses Drehmoments kann dessen Vorzeichen wechseln. Hierbei sind Bereiche, in welchem ein positives Drehmoment vorliegt und Bereiche, in welchem ein negatives Drehmoment vorliegt, typischerweise nicht symmetrisch um den Wert Null verteilt. Die Vorspanneinrichtung sorgt dafür, dass die resultierende Drehmomentverteilung, welche auch Einflüsse durch Gaskräfte und Massenkräfte einbezieht, im Vergleich zu einer VCR-Einrichtung ohne Vorspannung näher an eine symmetrische Verteilung um die Nulllinie rückt.Regardless of which shaft is directly rotated by the reduction gear of the VCR actuator and where the pretensioner engages, the average torque load on the VCR actuator typically varies with engine speed, engine load, and engine compression ratio. Generally, increasing any one of the three mentioned values results in an increase in the mean adjustment shaft torque. In the course of increasing this torque can change its sign. In this case, regions in which there is a positive torque and regions in which a negative torque is present are typically not distributed symmetrically about the value zero. The biasing means ensures that the resulting torque distribution, which also incorporates gas and mass forces, is closer to a symmetrical distribution about zero compared to a non-biased VCR.

In einfachen Ausgestaltungen wird durch die Vorspanneinrichtung ein Drehmoment auf die zu verstellende Welle aufgebracht, welches zumindest näherungsweise unabhängig von der Drehzahl sowie vom Lastmoment des Verbrennungsmotors ist. Eine Abhängigkeit von der Winkelposition der zu verstellenden Welle kann dagegen gegeben sein. Eine gesamte Kurvenschar, welche die Abhängigkeit des auf die zu verstellende Welle wirkenden Lastmomentes von der Drehzahl des Verbrennungsmotor sowie eventuell von weiteren Parametern für verschiedene Verdichtungsverhältnisse angibt, wird in diesem Fall durch die Vorspanneinrichtung als Ganzes verschoben, wobei die Steigung der einzelnen Kurven, welche die Abhängigkeit des Lastmoments von der Drehzahl beschreiben, nicht wesentlich verändert wird.In simple embodiments, a torque is applied to the shaft to be adjusted by the biasing means, which is at least approximately independent of the rotational speed and the load torque of the internal combustion engine. A dependence on the angular position of the shaft to be adjusted, however, can be given. An entire family of curves, which indicates the dependence of the load torque acting on the shaft to be adjusted of the speed of the engine and possibly of other parameters for different compression ratios is shifted in this case by the biasing device as a whole, the slope of the individual curves, which Describe the dependence of the load torque on the speed, is not significantly changed.

Gemäß einer weiterentwickelten Ausgestaltung der Vorspanneinrichtung wird die genannte Kurvenschar im Vergleich zu einem nicht vorgespannten VCR-Aktuator nicht nur verschoben, sondern auch hinsichtlich der Steigung der Kurven derart geändert, dass zumindest Kurven für einen Teilbereich der möglichen Verdichtungsverhältnisse vorzugsweise die Kurven für alle einstellbaren Verdichtungsverhältnisse, flacher werden, das heißt die Drehzahlabhängigkeit des auf die Welle wirkenden Lastmoments verringert wird. Darüber hinaus ist die Vorspanneinrichtung vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Kurven für die verschiedenen Verdichtungsverhältnisse näher aneinander rücken, das heißt die Abhängigkeit des auf die zu verstellende Welle wirkenden Lastmoments von dem Verdichtungsverhältnis verringert wird.According to a further developed embodiment of the pretensioner, said set of curves is not only displaced compared to a non-preloaded VCR actuator, but also changed with respect to the slope of the curves, such that at least curves for a subset of the possible compression ratios preferably the curves for all adjustable compression ratios, become flatter, that is, the speed dependence of the load torque acting on the shaft is reduced. In addition, the biasing device is preferably designed such that the curves for the different compression ratios closer to each other, that is, the dependence of the load torque acting on the shaft to be adjusted is reduced by the compression ratio.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ein hypothetisches Vergleichsbeispiel (4) anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem VCR-Aktuator in schematisierter Schnittdarstellung,
2 und 3 jeweils in einem Blockdiagramm verschiedene Möglichkeiten der Einbindung eines VCR-Aktuators mit Vorspanneinrichtung in einen Verbrennungsmotor,
4 eine Kurvenschar, welche die Abhängigkeit eines auf eine zu verstellenden Welle wirkenden Lastmoments in einem Verbrennungsmotor mit VCR-Aktuator von der Drehzahl sowie vom eingestellten Verdichtungsverhältnis zeigt,
5 in einem Diagramm analog 4 eine Kurvenschar für einen VCR-Aktuator mit konstanter Vorspannung,
6 in einem weiteren Diagramm eine Kurvenschar, welche die Abhängigkeit eines auf eine zu verstellende Welle wirkenden Lastmoments von der Drehzahl eines Verbrennungsmotors bei einem VCR-Aktuator mit variabler Vorspannung zeigt.

Hereinafter, several embodiments of the invention and a hypothetical comparative example ( 4 ) explained in more detail with reference to a drawing. Herein show:

1 an internal combustion engine with a VCR actuator in a schematic sectional view,
2 and 3 each in a block diagram different ways of integrating a VCR actuator with biasing device in an internal combustion engine,
4 a family of curves showing the dependence of a load torque acting on a shaft to be adjusted in a combustion engine with VCR actuator of the speed and the set compression ratio,
5 in a diagram analog 4 a set of curves for a VCR actuator with constant bias,
6 in a further diagram, a family of curves showing the dependence of a load torque acting on a shaft to be adjusted from the rotational speed of an internal combustion engine in a VCR actuator with variable bias voltage.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. In 1 ist der Aufbau einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, kurz als VCR-Vorrichtung (Variable Compression Ratio) bezeichnet, skizziert.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. In 1 is the construction of a generally designated by the reference numeral 1 device for adjusting the compression ratio of a reciprocating engine, briefly referred to as VCR device (Variable Compression Ratio), outlined.

Die mit 4 bezeichnete Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, bei welchem es sich um einen Ottomotor mit Turboaufladung handelt, rotiert um eine mit DK bezeichnete Drehachse. Der Motorblock des Verbrennungsmotors ist mit 2 bezeichnet. Ein insgesamt mit 3 bezeichneter VCR-Aktuator, kurz auch als Aktor bezeichnet, ermöglicht die Verstellung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des als Hubkolbenmotors ausgebildeten Verbrennungsmotors.The designated crankshaft 4 of the internal combustion engine, which is a turbocharged gasoline engine rotates about one with DK designated axis of rotation. The engine block of the internal combustion engine is designated 2. A generally designated 3 VCR actuator, also referred to as an actuator, allows the adjustment of the geometric compression ratio of the engine designed as a reciprocating engine.

Um die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses zu ermöglichen, ist die Kurbelwelle 4 in an sich bekannter Weise gelenkig mit einem Zwischenelement 5 verbunden, welches in der vereinfachten Darstellung nach 1 eine längliche, abgerundete Form aufweist. Tatsächlich könnte das Zwischenelement 5 im dargestellten Querschnitt beispielsweise eine Dreiecksform beschreiben. Der Anlenkpunkt, an welchem das Zwischenelement 5 mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle 4 gekoppelt ist, wird als mittlerer Anlenkpunkt MA bezeichnet. Ein weiterer, als Pleuel-Anlenkpunkt PA bezeichneter Anlenkpunkt markiert die Verbindung zwischen dem Zwischenelement 5 und einem Pleuel 6, dessen Form und Funktion in prinzipiell gleicher Weise bei einem herkömmlichen Hubkolbenmotor mit festem Verdichtungsverhältnis zu finden ist. In herkömmlicher Weise ist der Pleuel 6 mit einem Kolben 7 des Verbrennungsmotors gekoppelt. Gaswechselventile des Verbrennungsmotors sind nicht dargestellt. To enable the adjustment of the compression ratio is the crankshaft 4 in a conventional manner articulated with an intermediate element 5 connected, which in the simplified representation according to 1 has an elongated, rounded shape. In fact, the intermediate element could 5 For example, in the cross section described describe a triangular shape. The articulation point on which the intermediate element 5 with a crankpin of the crankshaft 4 is coupled, is called the middle pivot point MA designated. Another, as a connecting rod pivot point PA designated pivot point marks the connection between the intermediate element 5 and a connecting rod 6 , whose form and function can be found in principle the same way in a conventional reciprocating engine with a fixed compression ratio. Conventionally, the connecting rod 6 with a piston 7 coupled to the internal combustion engine. Gas exchange valves of the internal combustion engine are not shown.

Zusätzlich zur Kopplung mit dem Pleuel 6 ist am Zwischenelement 5 eine Kopplung mit einem Nebenpleuel 8 gegeben, welches auch als Abtriebsschubstange bezeichnet wird. Der entsprechende Anlenkpunkt am Zwischenelement 5 ist als Nebenpleuel-Anlenkpunkt NA bezeichnet. Das vom Nebenpleuel-Anlenkpunkt NA abgewandte Ende des Nebenpleuels 8 ist gelenkig mit einer Exzenterwelle 9 gekoppelt, welche dem Aktor 3 zuzurechnen ist. Der entsprechende Anlenkpunkt an der Exzenterwelle 9 ist als erster Anlenkpunkt EA1 bezeichnet. Die Exzenterwelle 9 ist um eine Schwenkachse begrenzt schwenkbar, welche als Drehachse DE bezeichnet ist. Zusätzlich zum ersten Anlenkpunkt EA1 ist an der Exzenterwelle 9 in der Bauform nach 1 ein zweiter Anlenkpunkt EA2 vorhanden, welcher der gelenkigen Verbindung mit einem Zwischenhebel 10 dient.In addition to the coupling with the connecting rod 6 is at the intermediate element 5 a coupling with a Nebenpleuel 8th given, which is also referred to as output push rod. The corresponding articulation point on the intermediate element 5 is as Nebenpleuel-pivot point N / A designated. The from the Nebenpleuel-Anlenkpunkt N / A opposite end of Nebenpleuels 8th is articulated with an eccentric shaft 9 coupled to the actuator 3 attributable to. The corresponding articulation point on the eccentric shaft 9 is the first point of articulation EA1 designated. The eccentric shaft 9 is limited to pivot about a pivot axis, which as a rotation axis DE is designated. In addition to the first articulation point EA1 is at the eccentric shaft 9 in the design 1 a second point of articulation EA2 present, which articulated connection with an intermediate lever 10 serves.

Der in der VCR-Vorrichtung nach 1 vorhandene Zwischenhebel 10, welcher einen gekrümmten Bereich aufweist, ist weiterhin mit einer VCR-Verstellwelle 11, welche kurz auch als Verstellwelle bezeichnet wird, gelenkig gekoppelt. Der Anlenkpunkt des Zwischenhebels 10 an der Verstellwelle 11 ist mit VA bezeichnet. Die mit DM bezeichnete Drehachse der Verstellwelle 11 fällt mit der Drehachse eines Elektromotors 12 sowie der Mittelachse eines Untersetzungsgetriebes 13 zusammen. Das durch den Elektromotor 12 betätigte Untersetzungsgetriebe 13 ist im Ausführungsbeispiel nach 1 als Wellgetriebe ausgebildet. Die Verstellwelle 11 ist mit der Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes 13 identisch oder drehfest, optional über eine Ausgleichskupplung, gekoppelt und um nicht mehr als 180° schwenkbar.The in the VCR device after 1 existing intermediate lever 10 which has a curved portion is further provided with a VCR adjusting shaft 11 , which is also referred to as adjusting, articulated coupled. The articulation point of the intermediate lever 10 on the adjusting shaft 11 is with VA designated. With DM designated axis of rotation of the adjusting 11 falls with the rotation axis of an electric motor 12 and the center axis of a reduction gear 13 together. That by the electric motor 12 operated reduction gear 13 is in the exemplary embodiment after 1 designed as a wave gear. The adjusting shaft 11 is with the output shaft of the reduction gear 13 identical or non-rotatable, optionally with a compensating coupling, coupled and can not be swiveled by more than 180 °.

Das durch die Verstellwelle 11, den Zwischenhebel 10 und die Exzenterwelle 9 gebildete Getriebe ist derart ausgelegt, dass eine Verschwenkung der Verstellwelle 11 um einen bestimmten Winkel in eine vergleichsweise geringe Verdrehung der Exzenterwelle 9 umgesetzt wird. Somit ist eine weitere Untersetzung zusätzlich zu der durch das Untersetzungsgetriebe 13 gegebenen Untersetzung realisiert.That through the adjusting shaft 11 , the intermediate lever 10 and the eccentric shaft 9 formed gear is designed such that a pivoting of the adjusting 11 by a certain angle in a relatively small rotation of the eccentric shaft 9 is implemented. Thus, a further reduction in addition to that by the reduction gear 13 realized reduction.

Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird in die Exzenterwelle 9 in jeder Bauform der VCR-Vorrichtung 1 ein variables Lastmoment ML eingeleitet. Je nach Verstellrichtung des VCR-Aktuators 3 wird bei der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors der Verstellvorgang entweder durch das Lastmoment ML unterstützt oder gegen die Wirkung des Lastmoments ML durchgeführt. Um die verschiedenen Verstellvorgänge mit einem im Durchschnitt geringeren durch den Elektromotor 12 bereitzustellenden Drehmoment durchführen zu können und Extremwerte des durch den Elektromotor 12 bereitzustellenden Drehmoments zu reduzieren, ist eine Vorspanneinrichtung 14 vorgesehen, welche mit einer in 1 symbolisiert dargestellten Feder 15 arbeitet. Tatsächlich kann es sich bei dem Federelement 15 in allen Bauformen der VCR-Vorrichtung 1 beispielsweise um eine Spiralfeder handeln. Alternativ kann die Vorspanneinrichtung 14 beispielsweise pneumatisch arbeiten.During operation of the internal combustion engine is in the eccentric shaft 9 in every design of the VCR device 1 a variable load torque ML initiated. Depending on the adjustment direction of the VCR actuator 3 When adjusting the compression ratio of the internal combustion engine, the adjustment process either by the load torque ML supported or against the effect of the load torque ML carried out. To the various adjustment operations with an average lower by the electric motor 12 To be able to perform torque to be provided and extreme values of the by the electric motor 12 To reduce the torque to be provided is a pretensioner 14 provided, which with an in 1 symbolized illustrated spring 15 is working. In fact, it can be at the spring element 15 in all types of VCR device 1 for example, to act a coil spring. Alternatively, the biasing device 14 For example, work pneumatically.

Im Ausführungsbeispiel nach 1 greift die Feder 15 an der Exzenterwelle 9 an. Dagegen wird beim Ausführungsbeispiel nach 2 durch die Vorspanneinrichtung 14 ein Drehmoment auf die VCR-Verstellwelle 11 aufgebracht, welche im Vergleich zur Exzenterwelle 9 einen relativ weiten Verstellbereich hat. Die VCR-Verstellwelle 11 der Anordnung nach 2 ist mittels der in 1 skizzierten, bereits erläuterten Kinematik mit der Exzenterwelle 9 gekoppelt.In the embodiment according to 1 grab the pen 15 at the eccentric shaft 9 at. In contrast, in the embodiment after 2 through the pretensioner 14 a torque on the VCR adjusting shaft 11 applied, which compared to the eccentric shaft 9 has a relatively wide adjustment. The VCR adjusting shaft 11 according to the arrangement 2 is by means of in 1 sketched, already explained kinematics with the eccentric shaft 9 coupled.

In der Ausgestaltung nach 3 ist eine konzentrische Anordnung von Elektromotor 12, Untersetzungsgetriebe 13 und Exzenterwelle 9 gegeben. Dies bedeutet, dass die VCR-Verstellwelle 11 mit der Exzenterwelle 9 drehfest verbunden oder identisch ist. Ein in 3 mit 16 bezeichneter Sensor ist zur Erfassung der Winkelstellung der Exzenterwelle 9 vorgesehen. Ein solcher Sensor 16 ist auch bei den Vorrichtungen nach den 1 und 2 vorhanden, jedoch in diesen Fällen nicht dargestellt.In the embodiment according to 3 is a concentric arrangement of electric motor 12 , Reduction gear 13 and eccentric shaft 9 given. This means that the VCR adjustment shaft 11 with the eccentric shaft 9 rotatably connected or identical. An in 3 16 denoted sensor is for detecting the angular position of the eccentric shaft 9 intended. Such a sensor 16 is also in the devices according to the 1 and 2 present, but not shown in these cases.

Eine Abstützung des Federelements 15, welches Teil der Vorspanneinrichtung 14 ist, am Motorblock 2 oder an einem mit dem Motorblock 2 starr verbundenen Teil ist in den 2 und 3 nicht dargestellt.A support of the spring element 15 which part of the pretensioner 14 is, on the engine block 2 or at one with the engine block 2 rigidly connected part is in the 2 and 3 not shown.

Das Diagramm nach 4 zeigt die Abhängigkeit des auf die Exzenterwelle 9 wirkenden Lastmoments ML von der Drehzahl n des Verbrennungsmotors bei Verdichtungsverhältnissen (CR = Compression Ratio) von 8 bis 14. Es handele sich um einen gedachten Vergleichsmotor, welcher zwar eine Vorrichtung zur Variation seines Verdichtungsverhältnisses, jedoch keine Vorspanneinrichtung im Sinne der Erfindung aufweist. Wie aus 4 hervorgeht, treten sowohl Lastmomente ML mit positivem Vorzeichen als auch Lastmomente ML mit negativen Vorzeichen auf. Deutlich erkennbar ist die asymmetrische Verteilung der Lastmomente ML um den Wert Null: Bei den meisten Betriebszuständen ist das Lastmoment ML im positiven Bereich; negative Lastmomente ML treten vergleichsweise selten auf.The diagram after 4 shows the dependence of the on the eccentric shaft 9 acting load torque ML from the speed n of the internal combustion engine at compression ratios (CR = Compression Ratio) from 8 to 14. It is about an imaginary comparison engine, which, although a device for varying its compression ratio, but no biasing means according to the invention. How out 4 shows, both load moments occur ML with positive sign as well as load moments ML with negative sign up. Clearly recognizable is the asymmetric distribution of the load moments ML by the value zero: For most operating conditions, the load torque is ML in the positive area; negative load moments ML occur relatively rarely.

Die 5 veranschaulicht Eigenschaften eines VCR-Aktuators 3, wie er in jeder der Vorrichtungen nach den 1, 2 und 3 einsetzbar ist. Die Vorspanneinrichtung 14 sorgt dafür, dass die für die Verdichtungsverhältnisse (CR = Compression Ratio) CR8, CR10, CR12 und CR14 gegebene Kurvenschar im Vergleich zu 4 als Ganzes zu negativen Werten hin verschoben ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorspanneinrichtung 14 die Exzenterwelle 9 direkt oder indirekt mit einem Drehmoment beaufschlagt, welches näherungsweise unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors ist. Die Kurvenschar für die verschiedenen Verdichtungsverhältnisse CR8 bis CR14 sind etwa gleichmäßig um die Null-Linie des Lastmoments ML verteilt. Das maximale vom Elektromotor 12 aufzubringende Drehmoment ist damit im Vergleich zur Gestaltung nach 4 deutlich reduziert. Der mittlere Leistungsbedarf des Elektromotors 12 ist im Vergleich zu 4 sogar drastisch reduziert.The 5 illustrates features of a VCR actuator 3 as in each of the devices according to the 1 . 2 and 3 can be used. The pretensioner 14 ensures that the compression ratios (CR = Compression Ratio) CR8 . CR10 . CR12 and CR14 given set of curves compared to 4 as a whole is shifted towards negative values. This is achieved by the biasing device 14 the eccentric shaft 9 directly or indirectly acted upon by a torque which is approximately independent of the operating state of the internal combustion engine. The family of curves for the different compression ratios CR8 to CR14 are approximately even around the zero line of the load torque ML distributed. The maximum of the electric motor 12 applied torque is thus compared to the design after 4 significantly reduced. The average power requirement of the electric motor 12 is compared to 4 even drastically reduced.

Die 6 erläutert das Verhalten eines gegenüber 5 weiterentwickelten VCR-Aktuators 3, welcher ebenfalls für jede der VCR-Vorrichtungen 1 nach den 1 bis 3 geeignet ist. Im Unterschied zur Gestaltung nach 5 ist bei der Gestaltung nach 6 eine signifikante Abhängigkeit des von der Vorspannrichtung 14 auf die Exzenterwelle 9 aufgebrachten Drehmoments von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors gegeben. Bei höheren Drehzahlen n wird damit eine stärkere Kompensation der aus Gas- und Massenkräften resultierenden, auf die Exzenterwelle 9 wirkenden Momente erreicht, so dass die dargestellten Kennlinien für die verschiedenen Verdichtungsverhältnisse CR8 bis CR14 deutlich flacher werden. Im Vergleich zur Gestaltung nach 5 ist gemäß 6 das maximal vom Elektromotor 12 bereitzustellende Drehmoment weiter reduziert. Somit ist selbst mit einem sehr kompakten, drehmomentschwachen Elektromotor 12 eine sehr rasche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors realisierbar, was sowohl dessen Ansprechverhalten als auch der Wirtschaftlichkeit zugute kommt.The 6 explains the behavior of one opposite 5 advanced VCR actuator 3 which is also for each of the VCR devices 1 after the 1 to 3 suitable is. In contrast to the design after 5 is in the design after 6 a significant dependence of the bias direction 14 on the eccentric shaft 9 applied torque given by operating parameters of the internal combustion engine. At higher speeds n Thus, a stronger compensation of the resulting gas and mass forces, on the eccentric shaft 9 achieved acting moments, so that the characteristics shown for the different compression ratios CR8 to CR14 become much flatter. Compared to the design after 5 is according to 6 the maximum of the electric motor 12 torque to be provided further reduced. Thus, even with a very compact, low-torque electric motor 12 a very rapid adjustment of the compression ratio of the internal combustion engine feasible, which benefits both its response and the economy.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: VCR-VorrichtungVCR device
22: Motorblockblock
33: Aktor, VCR-AktuatorActuator, VCR actuator
44: Kurbelwellecrankshaft
55: Zwischenelementintermediate element
66: Pleuelpleuel
77: Kolbenpiston
88th: Nebenpleuel, AbtriebsschubstangeNebenpleuel, output drive rod
99: Exzenterwelleeccentric shaft
1010: Zwischenhebelintermediate lever
1111: VCR-VerstellwelleVCR-adjusting
1212: Elektromotorelectric motor
1313: UntersetzungsgetriebeReduction gear
1414: Vorspanneinrichtungbiasing means
1515: Federelementspring element
1616: Sensor sensor
DEDE: Drehachse der ExzenterwelleRotary axis of the eccentric shaft
DKDK: Drehachse der KurbelwelleRotary axis of the crankshaft
MAMA: mittlerer Anlenkpunktmiddle articulation point
NAN / A: Nebenpleuel-AnlenkpunktAuxiliary connecting rod coupling point
PAPA: Pleuel-AnlenkpunktConnecting rod articulation point
EA1, EA2EA1, EA2: Anlenkpunkte an der ExzenterwelleLinkage points on the eccentric shaft
DMDM: Drehachse des ElektromotorsRotary axis of the electric motor
VAVA: Anlenkpunkt der VerstellwelleLinkage point of the adjusting shaft
nn: Drehzahlrotation speed
MLML: Lastmomentload torque
CR8, CR10, CR12, CR14CR8, CR10, CR12, CR14: Verdichtungsverhältniscompression ratio

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2015/0219009 A1 [0002, 0006]US 2015/0219009 A1 [0002, 0006]
DE 102012008244 B4 [0003]DE 102012008244 B4 [0003]
EP 1126144 B1 [0003]EP 1126144 B1 [0003]

Claims

Aktuator zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, mit einem Elektromotor (12) und einem durch den Elektromotor (12) betätigten Untersetzungsgetriebe (13), welches zur Verstellung einer mit Kurbeltriebskomonenten des Hubkolbenmotors zusammenwirkenden Welle (9,11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9,11) durch eine Vorspanneinrichtung (14) mit einem Drehmoment vorbelastet ist.Actuator for adjusting the compression ratio of a reciprocating engine, with an electric motor (12) and a by the electric motor (12) operated reduction gear (13), which is adapted for adjusting a cooperating with Kurbeltriebskomonenten the reciprocating engine shaft (9,11), characterized in that the shaft (9,11) is biased by a biasing means (14) with a torque.

Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) ein Federelement (15) umfasst.Actuator after Claim 1 , characterized in that the biasing means (14) comprises a spring element (15).

Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (13) zur unmittelbaren Verdrehung einer mit einem Nebenpleuel (8) gekoppelten Exzenterwelle (9) vorgesehen ist, wobei die Vorspanneinrichtung (14) an der Exzenterwelle (9) angreift.Actuator after Claim 1 or 2 , characterized in that the reduction gear (13) for direct rotation of an auxiliary connecting rod (8) coupled eccentric shaft (9) is provided, wherein the biasing means (14) on the eccentric shaft (9) engages.

Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (13) zur Verdrehung einer Verstellwelle (11) vorgesehen ist, welche über einen Zwischenhebel (10) mit einer Exzenterwelle (9) gekoppelt ist, an welcher ein Nebenpleuel (8) angelenkt ist.Actuator after Claim 1 or 2 , characterized in that the reduction gear (13) for rotating an adjusting shaft (11) is provided, which is coupled via an intermediate lever (10) with an eccentric shaft (9) on which a Nebenpleuel (8) is articulated.

Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) an der Verstellwelle (11) angreift.Actuator after Claim 4 , characterized in that the biasing means (14) on the adjusting shaft (11) engages.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) zur Aufbringung eines höchstens von der Winkelposition der zu verstellenden Welle (9,11) abhängigen Drehmoments auf die Welle (9,11) ausgebildet ist.Actuator after one of Claims 1 to 5 , characterized in that the biasing means (14) for applying a maximum of the angular position of the shaft to be adjusted (9,11) dependent torque on the shaft (9,11) is formed.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) zur Aufbringung eines von der Drehzahl (n) des Hubkolbenmotors abhängigen Drehmoments auf die Welle (9,11) ausgebildet ist.Actuator after one of Claims 1 to 5 , characterized in that the biasing means (14) for applying a dependent of the rotational speed (n) of the Hubkolbenmotors torque on the shaft (9,11) is formed.

Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) zur Minderung einer Drehzahlabhängigkeit eines auf die Welle (9,11) beim Betrieb des Hubkolbenmotors wirkenden Lastmoments (ML) ausgebildet ist.Actuator after Claim 7 , characterized in that the biasing means (14) for reducing a speed dependency of a force acting on the shaft (9,11) during operation of the reciprocating engine load torque (ML) is formed.