DE19703948C1 - Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkol­ benbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anpassung der Verdichtung an die Betriebszustände einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine, insbesondere an die Last, unter der die Hubkolbenbrennkraftmaschine läuft, ist ein seit langem bestehender Wunsch. Wenn nämlich beispielsweise bei Schwachlast die Dichtung erhöht werden kann und bei Vollast vermindert werden kann, lassen sich erhebliche Verbrauchseinsparungen bei gleichzeitig größeren möglichen Leistungsspreizun­ gen erzielen.

Aus der DE 42 26 361 C2 ist eine Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der im Pleuel ein mittels eines Exzenters hydraulisch verstellbares Hubzapfenlager vorgesehen ist, wobei der Exzenter eine als Kreiskolben ausgebildete Exzenterscheibe mit mindestens einem radial vorstehenden Kolben aufweist, der in einer radialen Erweiterung des Exzenterscheiben­ lagers hydraulisch verschiebbar ist. Die Hydraulikversorgung für die Betätigung des Kolbens geschieht über die Ölversorgung aus der Kurbelwelle heraus, was verhältnismäßig aufwendig ist. In weiterer Ausbildung der bekannten Vorrichtung kann der Hydraulikkol­ ben beidseitig mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sein, wobei dessen einer die Pleuel­ schubkraft abstützender Druckraum beim Ansaughub des Kolbens für eine Druckmittel­ nachfüllung unter geringer Verschiebung des Hydraulikkolbens geöffnet ist und beim Verdichtungshub für einen Druckmittelausstoß durch den Hydraulikkolben geöffnet ist und beim Arbeitshub geschlossen ist, wobei eine Abstimmung der Öffnungsparameter derart getroffen ist, daß bei dem gewünschten Verdichtungsdruck der Druckmittelausstoß gleich der Druckmittelnachfüllung ist. Auf diese Weise soll eine vorbestimmte, optimale Kom­ pression beibehalten werden. Die Ansteuerung der Druckräume ist verhältnismäßig komplex. Desweiteren verdreht sich die Exzenterscheibe derart, daß das Hubzapfenlager relativ zum Pleuel außermittig angeordnet ist, was in vielerlei Hinsicht zu ungünstigen Beanspruchungen führt.

In der DE 38 18 357 A1 ist eine Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben, bei der das Pleuelauge über eine Exzenterhülse an einem Kolbenbolzen gelagert ist. Die Exzenterhülse weist in ihrer äußeren Umfangs­ fläche mehrere Ausnehmungen auf, mit denen selektiv im Pleuel mittels Hydraulikmittel verschiebbare Stössel in Eingriff bringbar sind, sodaß die Drehstellung der Exzenterhülse verriegelt ist. Die Ölversorgung und die für deren Steuerung notwendigen Ventile sind verhältnismäßig aufwendig. Zusätzlich wird innerhalb des Kolbens Bauraum beansprucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Veränderung der Ver­ dichtung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, die bei einfachem Aufbau ein hohes Maß an Funktionssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht mittels lediglich eines Verriegelungsgliedes die exzentrische Hülse in zwei Drehstellungen zu verriegeln, wobei die eine Drehstellung der Hülse etwa maximaler Verdichtung und die andere Drehstellung der Hülse etwa minimaler Verdichtung entspricht. Die Betätigung des Verriegelungsgliedes geschieht vorteilhafterweise mechanisch von außen her, so daß hydraulische Ventile und zusätzliche Versorgungskanäle für das Hydraulikmittel überflüssig sind.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 zwei Längsschnittansichten einer ersten Ausführungsform eines mit einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten Pleuels, geschnitten parallel und quer zu dessen Lagerachsen,

Fig. 2 zwei Längsschnittansichten einer zweiten Ausführungsform eines mit einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten Pleuels, geschnitten quer und längs zu dessen Lagerachsen und

Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Gemäß Fig. 1 weist ein Pleuel 2 ein Auge 4 zur Lagerung des Bolzens eines Kolbens auf. An seinem vom Auge 4 abgewandten Ende ist das Pleuel 2 in an sich bekannter Weise zweiteilig ausgebildet und bildet eine Öffnung zur Lagerung auf dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle. Die Lagerung auf dem Kurbelzapfen erfolgt nicht direkt sondern unter Zwi­ schenanordnung einer exzentrischen Hülse 6, die mit einer zylindrischen äußeren Umfangs­ fläche an der Innenwand der Pleuelöffnung anliegt und mit ihrer zur äußeren Umfangs­ fläche exzentrisch versetzten inneren Umfangsfläche auf dem nicht dargestellten Kurbel­ zapfen einer motorgehäusefestgelagerten Kurbelwelle gelagert ist.

Die Hülse 6 weist zwei umlaufende Randflansche 8 und 10 auf, die das Pleuel 2 über­ greifen. In den Randflanschen 8 und 10 ist je eine Verriegelungsausnehmung 12 und 14 ausgebildet. Die Verriegelungsausnehmungen 12 und 14 sind Umfangsrichtung um etwa 180° versetzt und derart angeordnet, daß sie von der Ebene geschnitten werden, die die Mittellinien der äußeren und inneren Umfangsflächen der Hülse 6 verbindet.

Die Hülse 6 ist mit Durchgangslöchern 16 versehen, durch die hindurch von der nicht dargestellten Kurbelwelle aus, die Schmierung der äußeren Umfangsfläche der Hülse 6 und die Ölversorgung eines im Schaft des Pleuels 2 ausgebildeten Kanals 17 erfolgt, über den das Pleuelauge mit Öl versorgt wird.

In Fig. 1 unterhalb der Hülse 6 ist im Pleuel 2 parallel zu dessen Lagerachsen eine durch­ gehende Bohrung 18 ausgebildet, in der ein als Verriegelungsglied dienender hohler Bolzen 20 verschiebbar geführt ist.

Innerhalb des Bolzen 20 sind koaxial zueinander zwei Federn 22 und 24 angeordnet, die sich zwischen je einer Stirnwand des Bolzens 20 und einem Ansatz 26 eines Hebels 28 abstützten.

Der mit dem Ansatz 26 ausgebildete Hebel 28 ist bei 30 in dem Pleuel 2 quer zu dessen Lagerachsen schwenkbar gelagert, indem in das Pleuel 2 eine mit Innengewinde versehene Hülse eingesetzt ist, die eine Querbohrung aufweist, durch die hindurch sich der Hebel 28 erstreckt. Zur Halterung bzw. Lagerung des Hebels ist in die Hülse von jedem Ende her eine Madenschraube eingeschraubt, die in den Hebel 28 eingreift. Der Hebel 28 ist an dem Pleuel 2 durch eine an sich bekannte Nockeneinrichtung derart geführt, daß er zwei defi­ nierte Stellungen einnimmt, von denen in Fig. 1 die Stellung eingezeigt ist, in die der He­ bel 28 in Uhrzeigerrichtung verdreht ist. Die andere Stellung ist zu der in Fig. 1 einge­ zeigten symetrisch, jedoch nach links verdreht. Die Nockenfolgeeinrichtung besteht aus einem gemäß Fig. 1 federnd nach oben vorgespannten Nockenfolger 32, der eine am Pleuel 2 ausgebildete Nockenfläche 33 abtastet, die aus zwei über einer Erhebung inein­ ander übergehenden Schrägflächen besteht.

In seiner einen Stellung (in Fig. 1 eingezeichnet) spannt der als Betätigungsglied dienende Hebel 28 die rechte Feder 24 vor, so daß der Bolzen 20 nach rechts vorgespannt ist und in Eingriff mit der Verriegelungsausnehmung 12 kommt, wenn sich die Hülse 6 in der entsprechenden Drehstellung befindet (in Fig. 1 dargestellt). Diese Stellung entspricht der maximalen wirksamen Pleuellänge und damit der maximalen Kompression. Wenn der Hebel 28 sich in seiner anderen Stellung befindet, wird die Feder 22 zusammengedrückt und der Bolzen 20 nach links vorgespannt, so daß er in Eingriff mit der Verriegelungsaus­ nehmung 14 kommt, wenn die Hülse 6 um etwa 180° verdreht ist. Dies entspricht der maximalen wirksamen Pleuellänge und damit der maximalen Kompression.

Es versteht sich, daß die Länge des Bolzens 20 etwa der Dicke des Pleuels 2 entspricht, so daß die Verdrehbarkeit der Hülse 6 durch den Bolzen 20 nicht gehindert ist, wenn keine der Verriegelungsausnehmungen 12 und 14 zu dem Bolzen 20 ausgerichtet ist. Weiter versteht sich, daß der Hebel 28 derart konstruiert ist, daß er durch die Pleuelbewegung keine Kraft dahingehend erfährt, daß er sich in seine gestreckte Lage bewegen will. Der Massenmittelpunkt des Hebels 28 liegt also vorteilhafterweise in der Achse der Lagerung 30.

Zur Bewegung des Hebels 28 in dessen eine oder andere Endstellung ist ein zu einer Schalteinrichtung gehörendes Bauteil 36 vorgesehen, das entsprechend dem Doppelpfeil Fig. 1 nach links und rechts verschiebbar ist. Dieses Bauteil 36 weist zwei Stege 38 und 40 auf. Bei einer Bewegung nach rechts kommt der Steg 38 mit dem Kopf 34 in Eingriff und nimmt den Hebel 28 bis in dessen Mittellage mit, woraufhin der Hebel 28 sich selbsttätig in seine andere Stellung bewegt. Dabei ist die Relativbewegung des Bauteils 36 zum Hebel 28 derart, daß der Hebel in der anderen Stellung ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt, frei von beiden Stegen 38 und 40 ist, sodaß sich das Pleuel frei zwischen den Stegen hindurch bewegen kann.

Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung wird anhand Fig. 3 beschrieben, in der das in eine Brennkraftmaschine 50 eingebaute Pleuel 2 mit dem hin- und her verschiebbaren Bauteil 36 eingezeichnet ist. Dieses Bauteil 36 befindet sich beispielsweise in der Ölwanne der Brennkraftmaschine und ist mittels zweier hydraulisch oder magnetisch wirkender Stellzylinder 52 und 54 in seine eine oder andere Stellung axial zur Kurbelwelle bewegbar. Zur Ansteuerung der Stellzylinder ist eine Stelleinheit 56 vorgesehen, die von einem Steuergerät 58 her angesteuert wird, dem verschiedene Betriebsparameter der Brennkraft­ maschine wie Last, Drehzahl usw. zugeführt werden.

Soll die Kompression der Brennkraftmaschine, die in der Anordnung gemäß Fig. 3 ihren höchsten Wert hat, vermindert werden, wird das Bauteil 36 vorgeschoben, so daß der He­ bel 28 umgelegt wird. Der Bolzen 20 bewegt sich dann aus der einen Verriegelungsausneh­ mung heraus und ist in Richtung auf einen Eingriff mit der anderen Verriegelungsausneh­ mung vorgespannt, in die er eingreift, sobald sich die Hülse 6 um etwa 180° relativ zum Pleuel 2 verdreht hat.

Für eine Veränderung der Kompression um mehrere Einheiten genügt bei üblichen Moto­ ren eine Exzentrizität der Hülse 6 von wenigen Millimetern.

Die Verdrehung der Hülse geschieht normalerweise völlig selbsttätig durch die auf sie von der Drehung der Kurbelwelle bzw. der Pleuelbewegung her einwirkenden Kräfte. Zusätz­ lich kann eine Zahnradpumpe 60 (Fig. 3) vorgesehen sein, die von dem den Kanal 17 von der Kurbelwelle her zugeführten Öl angetrieben wird und über ein gleichachsig mit einem Zahnrad der Zahnradpumpe 60 angebrachtes Zahnrad mit einer Außenverzahnung eines der Randflansche 8 oder 10 kämmt. Wenn die Hülse 2 hinsichtlich ihrer Drehstellung verriegelt ist, kann sich die Zahnradpumpe 60 nicht drehen. Ein ausreichend großer Leckquerschnitt stellt die Ölversorgung des Kolbenbolzens sicher.

Es versteht sich, daß die beschriebene Vorrichtung in vielfältiger Weise abgeändert sein kann. Der als Verriegelungsglied dienende Bolzen 20 kann beispielsweise als Hebel ausge­ bildet sein, der in zwei zweckentsprechend ausgebildete Ausnehmungen der Hülse 6 eingreift. In der Hülse 6 können mehrere Verriegelungsausnehmungen ausgebildet sein, die eine Verriegelung der Hülse 6 in mehreren Drehstellungen ermöglichen, so daß die Kom­ pression abgestuft veränderbar ist. Die geschilderte Umschaltung der Kompression zwi­ schen lediglich einem maximalen und einem minimalen Wert hat den Vorteil, daß die Mittellinien der inneren und der äußeren Umfangsfläche der Hülse sowie die Achse des Auges 4 sich in einer Ebene befinden. Das Bauteil 36 könnte durch Magnete ersetzt sein, die den Hebel 34 betätigen.

Weiter kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die die Relativdrehung zwischen Hülse 6 und Pleuel 2 in den Bereichen bremst, in denen der Eingriff zwischen dem Bolzen 20 und einer der Verriegelungsausnehmungen 12, 14 erfolgt. Diese Einrichtung kann mittels Rei­ bung arbeiten, indem beispielsweise ein in dem Pleuel ausgebildeter, mit Öl gefüllter Um­ fangskanal derart ausgebildet ist, daß der Strömungswiderstand, den ein in den Umfangs­ kanal eingreifender, hülsenfester Ansatz erfährt, in diesen Bereichen besonders hoch ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der in das Pleuel 2 integrierten Verstellvorrichtung, die hinsichtlich der Betätigung des hohlen Bolzens 20 abgeändert ist. Der Einfachheit halber sind in Fig. 2 nur diejenigen Teile mit Bezugszeichen belegt, die gegenüber der Fig. 1 abgeändert sind. Das Betätigungsglied für den hohlen Bolzen 20 ist in Fig. 2 nicht als ein verschwenkbarer Hebel ausgebildet sondern als ein Zapfen 62, der ähnlich wie der Hebel 28 mit einem Ansatz 64 zwischen den Federn in den Bolzen 20 eingreift. Der Zapfen 62 ist in einen Bolzen 66 eingesetzt, der innerhalb einer parallel zu den Lagerachsen des Pleuels verlaufenden Durchgangsbohrung 68 verschiebbar ist, wobei er über die Seiten­ flächen des Pleuels hinaussteht. Der Zapfen 62 bildet zusammen mit dem Bolzen 66 somit einen Schieber 67 zum federnd vorgespannten Betätigen des hohlen Bolzens 20. Um den Bolzen 66 ähnlich wie den Hebel 28 in zwei definierten Stellungen einzurasten, weist er seitliche Rampen 70 und 72 auf, in die Kugeln 74 und 76 eingreifen, welche von Federn 78 und 80 in Richtung auf die Rampen 70 bzw. 72 vorgespannt sind. Durch zweckent­ sprechende, schräge Gestaltung der Rampen 72 und 74 wird erreicht, daß der Bolzen 66 in einer rechten Stellung (in Fig. 2 links dargestellt) und in einer linken Stellung (nicht dargestellt) einrastet. Ansonsten entspricht die Funktion und die Ansteuerung des Bolzens 66 der des Hebels 28 der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine mit
einer motorgehäusefest gelagerten Kurbelwelle,
einem an einer Kurbel der Kurbelwelle gelagerten Pleuel (2),
einem am Pleuel gelagerten, innerhalb eines motorgehäusefesten Zylinders auf- und abwärts bewegbaren Kolben, und
einer exzentrischen Hülse (6), die mit ihrer zylindrischen Innenfläche an der Kurbel und
mit ihrer gegenüber der Innenfläche exzentrischen zylindrischen Außenfläche an dem Pleuel gelagert ist, so daß durch Verdrehung der Hülse relativ zum Pleuel die wirksame Länge des Pleuels veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die exzentrische Hülse (6) mit wenigstens zwei Verriegelungsausnehmungen (12, 14) ausgebildet ist und
daß am Pleuel (2) ein Verriegelungsglied (20) angebracht ist, welches bei Bewegung in einer Richtung in die eine Verriegelungsausnehmung der Hülse und bei Bewegung in einer anderen Richtung in die andere Verriegelungsausnehmung der Hülse eingreift, wobei die eine verriegelte Drehstellung der Hülse etwa maximaler und die andere ver­ riegelte Drehstellung etwa minimaler wirksamer Pleuellänge entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betätigungsglied (28; 67) für das Verriegelungsglied (20) vorgesehen ist, welches in eine von zwei Betätigungsstellungen bewegbar ist, wobei das Betätigungsglied das Ver­ riegelungsglied in der einen Betätigungsstellung für einen Eingriff mit einer der Ver­ riegelungsausnehmungen (12, 14) und in der anderen Betätigungsstellung für einen Eingriff mit einer anderen der Verriegelungsausnehmungen (12, 14) vorspannt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) an jeder ihrer gegenüberliegenden Stirnseiten einen das Pleuel (2) über­ greifenden Randflansch (8, 10) aufweist, in dem wenigstens eine Verriegelungsausnehmung (12, 14) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verriegelungsglied durch einen Bolzen (20) gebildet ist, der in einer zur Kurbel­ wellenachse etwa parallelen Bohrung (18) geführt ist, die im Pleuel (2) auf der von der Kolbenlagerung abgewandten Seite der Hülse (6) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (20) hohl ausgebildet ist und zwei zueinander koaxiale, hintereinander angeord­ nete Federn (22, 24) enthält, zwischen denen das Betätigungsglied (28; 67) angreift.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied durch einen Hebel (28) gebildet ist, der im Pleuel (2) mit einer Achse senkrecht zur Kurbelwellenachse gelagert ist und das vom Kolben abgewandte Ende des Pleuels bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied durch einen im Pleuel (2) an dessen vom Kolben abgewandten Ende beweglich geführten Schieber (67) gebildet ist, der in seinen beiden Betätigungsstellungen seitlich über die Stirnseiten des Pleuels vorsteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Betätigungsstellungen des Betätigungsgliedes (28; 67) dadurch definiert sind, daß federnd vorgespannte Rastelemente (32; 74, 76) in entsprechende Rastflächen ein­ greifen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung des Betätigunggliedes (28; 67) von seiner einen Stellung in die andere Stellung eine in dem Bereich, den das vom Kolben abgewandte Ende des Pleuels (2) im unteren Totpunkt des Kolbens einnimmt, angeordnete Schalteinrichtung (36; 52, 54) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (36; 52, 54) ein Bauteil (36) enthält, das in Positionen bewegbar ist, in denen es durch mechanischen Eingriff mit dem Betätigungsglied (28; 67) dieses von dessen einer Stellung in die andere bewegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (60, 62) zum Verdrehen der Hülse (6) relativ zum Pleuel (2) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Pleuel (2) vorgesehene, von der Kurbelwelle her mit Öl gespeiste Bohrung (18) durch eine Zahnradpumpe (60) führt, die in Dreheingriff mit der Hülse (6) ist.