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Die Erfindung betrifft eine Federstange mit mindestens einem schlanken Schaft und mindestens einem Stützträger der mit den Anschlagenden einen Spalt bildet, insbesondere als längenvariables Pleuel in einem Verbrennungsmotor zur Variation des Verdichtungsverhältnisses.
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STAND DER TECHNIK
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Bei üblichen Verbrennungsmotoren ist ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis als Kompromiss zwischen einer maximalen Leistung bei Volllast und eines minimalen Kraftstoffverbrauches bei Teillast festgelegt. Um das Kompressionsverhältnis während des Betriebes des Verbrennungsmotors zu verändern wurden Systeme mit veränderlichen Kompressionsverhältnissen mittels der folgenden beispielhaften Maßnahmen entwickelt:
- – Bewegung von Zylinderblöcken,
- – Veränderung von Zylinderkopfgeometrien,
- – Veränderungen von Kolbengeometrien,
- – exzentrische Kurbelwelle,
- – exzentrische Pleuellagerung,
- – spezielle Kurbelmechanismen,
- – veränderliche Kolben und Pleuel
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Als ein Hauptnachteil dieser beispielhaft genannten Konzepte ist anzusehen, dass diese sehr komplex aufgebaut sind, wobei eine innere Reibung der jeweiligen Verbrennungsmotoren erhöht wird, so dass einige Vorteile hierdurch bereits kompensiert werden. Zudem sind diese beispielhaft genannten Ansätze bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren sehr kostenintensiv. Bei einer exzentrischen Pleuellagerung müssen die einzelnen Bauteile zudem derart stark dimensioniert werden, dass die typischerweise hohen Gas- und/oder Massenkräfte moderner Verbrennungsmotoren ertragen werden. Ein weiterer Nachteil ist, das sich das Verdichtungsverhältnis nur sehr langsam ändern lässt und innerhalb eines Arbeitstaktes quasi konstant ist.
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- – Einen Zylinder mit einem Einlassventil, einem Auslassventil, einem Kraftstoffeinspritzventil und einer Zündkerze;
- – einen Kolben mit einem Lager, der sich in dem Zylinder hin- und herbewegt;
- – ein Bindeglied mit einer J-förmigen Pleuelstange mit einem oberen Ende und einem unteren Ende, einem oberen Augenende, welches in dem oberen Ende eingebracht ist und durch einen Kolbenbolzen mit dem Kolben verbunden ist, einem Augenende, welches in dem unteren Ende eingebracht ist; und
- – zumindest eine Kurbelwelle zur Übertragung einer Drehbewegung des Bindegliedes zu einer des Bindegliedes zu einer Auslasskraftachse, welche damit lagernd verbunden ist, wobei die Kurbelwelle mit den jeweiligen Enden des Bindegliedes und der Kraftauslassachse verbunden ist.
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Nachteilig bei dem in der
EP 1 164 272 A1 genannten Verbrennungsmotor ist, dass die Vorspannung nicht eingestellt werden kann, und dass die Abstand der beiden Pleuelaugen zueinander, welcher das Verdichtungsverhältnis bestimmt, nicht begrenzt werden kann. Dieser Abstand hängt im Wesentlichen nur von der Ausgestaltung des Pleuels und vom jeweiligen Verbrennungsdruck ab. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich das Pleuel bei hohen Drehzahlen durch die Zugkräfte der oszillierenden Massen verlängert und dadurch der Kolben den Zylinderkopf berühren kann.
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Die
US 4,111,164 offenbart einen Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, einem hin- und hergehenden Kolben, Einspritzmitteln zum Einspritzen von Gasgemischen in den Zylinder, Zündelemente zur Zündung des Gasgemisches, Auslassmittel zum Auslassen des verbrannten Gasgemisches aus dem Zylinder, eine Kurbelwelle sowie Verdichtungsfederelemente, die derart zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle wirken, dass sich die Kurbelwelle aufgrund der Hin- und Herbewegung des Kolbens dreht. Dem Verbrennungsmotor sind Mittel zur Ausdehnungsbegrenzung der Federelemente zugeordnet, um die Feder mit einer Kraft zusammenzudrücken, die im Wesentlichen gleich der Kolbenkraft ist, die erforderlich ist, das Gasgemisch zur Verbrennung zu verdichten, wenn der Motor im Wesentlichen ohne Last betrieben wird. Die Federelemente sind als steife Verbindungselemente zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle ausgestaltet und stellen eine elastische Verdichtungsverbindung zur Verfügung, wenn der Motor im Wesentlichen unter Last betrieben wird. Die Federelemente sind zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle im Wesentlichen im Verhältnis zur Belastung des Motors zusammendrückbar. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Kolben drehen können. Des Weiteren ist die Befestigung der Seile an den beiden Pleuelaugen sehr aufwendig, um die durch die oszillierenden Kolbenmassen verursachten Zugkräfte übertragen zu können. Ein weiteres Problem ist, dass der zusätzlich erforderliche Einbauraum für die Unterbringung der Seilbefestigung im Bereich der beiden Pleuelaugen sowie der Raum zur Ausbiegung der Seile innerhalb der Feder im Bereich der Pleuelgeige zwischen Pleuel und Zylinderlaufbahn nicht vorhanden ist.
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Die
US 5,769,042 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines Verbrennungsprozesses. Der Motor weist zumindest einen Zylinder und einen zugeordneten Kolben auf, um eine Arbeitskammer zu bilden. Der Kolben weist einen oberen Bereich mit einer Oberfläche auf, um eine hin- und hergehende Wand der Arbeitskammer zu bilden. Der Kolben weist aber auch einen unteren Bereich auf, der Mittel zur Verbindung mit einem Motormechanismus hat. Zudem hat der Kolben elastische Elemente zur elastischen Verbindung des oberen Bereiches mit dem unteren Bereich. Der untere Bereich ist mit dem Motormechanismus verbunden, damit der Kolben während des Betriebes bewegt wird, so dass die Arbeitskammer mit ihrem Volumen während der Verbrennung im Allgemeinen erhöht wird. Das Verfahren umfasst:
- – Einleitung der Verbrennung einer verbrennbaren Ladung innerhalb der Arbeitskammer in der Nähe des oberen Kolbentotpunktes, um eine relativ abrupte Erhöhung des Gasdruckes zu generieren;
- – Zusätzliche Erhöhung des Volumens der Arbeitskammer durch Deformieren der zugeordneten elastischen Elemente aufgrund der Gasdruckerhöhung, wodurch eine Relativbewegung des oberen Abschnittes, bezogen auf den unteren Abschnitt, hervorgerufen wird; und
- – Steuerung der Volumenerhöhung der Arbeitskammer durch Vorherbestimmung der Deformation der zugeordneten elastischen Elemente, um die Gasdruckerhöhung innerhalb der Verbrennungskammer zu unterbrechen und um diese zumindest teilweise durch eine im Wesentlichen isobarische Verbrennung zu ersetzen.
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Als ein Hauptnachteil dieser Lösung ist anzusehen, dass der Kolben eine hohe thermische Belastung zu ertragen hat, da die Kolbenkrone vom Kolbenhemd isoliert ist. Wegen der erhöhten schwingenden Massen steigen zudem auch die Vibrationen und die Geräuschbelastung (NVH = Noise Vibration Harshness). Auch hier ist der bauliche Aufwand sehr nachteilig.
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DE 10 2004 000 029.8 betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem flexiblen Pleuel, der an seinem Pleuelkopf mit einer Kurbelwelle verbindbar ist und an seinem zum Pleuelkopf gegenüberliegenden Pleuelauge mit einem Kolben verbindbar ist. Dem Pleuelkopf und dem Pleuelauge ist jeweils ein Stützträger zugeordnet. Die Stützträger erstrecken sich entlang einer Mittelachse aufeinander zu und sind mit ihren Anschlagenden zueinander variabel beabstandet, so dass ein Spalt gebildet ist.
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Der Spalt wird von einem Kraftspeicherelement überbrückt. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass der zusätzlich erforderliche Einbauraum für das Kraftspeicherelement und den gebogenen Pleuelschaft im Bereich der Pleuelgeige zwischen Pleuel und Zylinderlaufbahn nicht vorhanden ist. Ein weiterer Nachteil ist auch hier, dass sich das Pleuel bei hohen Drehzahlen durch die Zugkräfte der oszillierenden Massen verlängert und dadurch der Kolben den Zylinderkopf berühren kann. Nachteilig ist weiterhin, dass sich die Anschlagenden seitlich voneinander weg bewegen, wenn sich die Pleuelaugen aufeinander zu bewegen, also keine geführte Bewegung der Anschlagenden zueinander möglich ist.
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Die aufgezeigten Probleme bezüglich der zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor erforderlichen Veränderung der Pleuellänge gelten selbstverständlich ganz allgemein für alle schlanken Stangen oder Stäbe, deren Länge variiert werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einer Pleuelstange der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln derart zu verbessern, dass eine verbesserte Laufruhe bei reduziertem Kraftstoffverbrauch erreicht wird und das insbesondere ein Einbau in vorhandene Motoren möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein gerader langer Stab, wie z.B. eine Pleuelstange, bei Belastung mit einer bestimmten Druckkraft in Richtung der Stabachse, seitlich ausknickt Dies wird bei herkömmlichen Pleuelstangen durch entsprechende Auslegung der Ausformung des Pleuelschaftes vermieden, da das Ausknicken nicht begrenzt werden kann. Beim Ausknicken würde daher eine plastische Verformung eintreten, die die Funktion des Motors beeinträchtigt und in den meisten Fällen sogar zur Beschädigung des Motors führen würde.
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Das Grundprinzip der Erfindung besteht somit in einer Federstange mit mindestens einem schlanken Schaft und mindestens einem Stützträger wobei der schlanke Schaft durch Beaufschlagung einer bestimmten in Richtung der Stangenmittelachse wirkenden Druckkraft seitlich elastisch ausknickt, so dass sich die Stangenenden aufeinander zu bewegen und sich der Abstand zwischen den Anschlagenden verringert. Ein plastisches Ausknicken des Schaftes wird durch den Stützträger vermieden indem sich die Anschlagenden berühren und so der Abstand zwischen den beiden Stangenenden auf ein Mindestmaß begrenzt wird.
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Im Ruhezustand ist der schmale Schaft also gerade und die Entfernung zwischen den beiden Stangenenden ist am größten. Im Belastungszustand ändert sich knickt der schmale Schaft elastisch zur Seite hin aus und die beiden Stangenenden bewegen sich auf einander zu bis der Abstand zwischen den Stangenenden von den beiden Stützträgern begrenzt wird. Bei einer in Stangenmittelachse wirkenden Zugkraft – wie sie z.B. bei Verbrennungsmotoren im Lastwechseltakt bei hohen Drehzahlen vorkommen – wird der Abstand der Stangenenden durch die gerade Form des schmalen Schaftes begrenzt, da außer der Zugkraft keine zusätzlichen Biege- oder Knickmomente auf den Schaft wirken.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die längenveränderliche Federstange an einem Ende mit einem Kolben und am anderen Ende mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden ist und somit ein variables Verdichtungsverhältnis ermöglicht wird. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Federstange so dimensioniert wird, dass der Abstand der beiden Stangenenden im Lastwechsel und bei Teillast des Motors maximal ist und im Verbrennungstakt, insbesondere bei hohen Lasten – z.B. über 50% – abnimmt.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Veränderung des Abstandes zwischen den Stangenenden und eine Begrenzung dieses Abstandes auf eine minimale und maximale Entfernung – wie z.B. zum Erreichen eines variablen Verdichtungsverhältnisses – ohne Verwendung von zusätzlichen Bauteilen erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Variation des Verdichtungsverhältnisses in vorhandene Motoren ermöglicht ohne Änderungen an weiteren Motorbauteilen, die erfahrungsgemäß sehr kostenintensiv sind, vornehmen zu müssen. Des Weiteren ist die Bearbeitung der Pleuelaugen des elastisch ausknickenden Federpleuels auch weiterhin auf den vorhandenen Fertigungsmaschinen für die herkömmlichen starren Pleuel möglich.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Anschlagenden des Stützträgers durch eine bestimmte Form dargestellt so dass die Stützträger sich während des Ausknickens des schmalen Schaftes gegenseitig berühren und in einander schieben, so dass die Bewegungsrichtung der beiden Stangenenden zueinander – und insbesondere der Anschlagenden der Stützträger zueinander – geführt wird.
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Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein anschlagenden des Stützträgers durch zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet ist und das andere Anschlagende des Stützträgers als walzenförmig rund gewölbte Fläche ausgebildet ist.
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Alternativ dazu können beide Anschlagenden des Stützträgers durch zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet sein oder beide als walzenförmig rund gewölbte Fläche ausgebildet sein.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Stützträger einstückig mit dem schmalen Schaft hergestellt ist. Natürlich kann aber auch vorgesehen werden, dass ein Teil des Stützträgers als separates Bauteil mit den Stangenenden oder mit dem schmalen Schaft verbunden ist. Selbstverständlich können aber auch beide Stützträger als jeweils separates Bauteil mit den zugeordneten Stangenenden bzw. mit dem schmalen Schaft verbunden sein. Die Verbindung der separaten Stützträger mit den Stangenenden bzw. dem schmalen Schaft kann bevorzugt kraftformschlüssig oder in jeder anderen Verbindungsart hergestellt werden.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn zwischen den beiden Stangenenden ein zusätzliches Federelement angeordnet ist, insbesondere wenn dieses Federelement eine progressive Federrate aufweist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Pleuelstange kann eine Änderung des Basismotors auf vorteilhafte Weise vermieden werden, wobei sogar ein Originalkolben verwendet werden kann. Zudem wird kein zusätzlicher, teurer und komplexer Steuermechanismus erforderlich, da die erfindungsgemäße Ausgestaltung selbst steuernd ist. Auch eine thermische Belastung des Kolbens wird nicht verändert, wobei auch Vibrationen und Lärmbelastung reduziert werden, da der Pleuelschaft signifikant kleiner ausgestaltet wird, um eine elastische Bewegung zu erreichen und somit die oszillierenden Massen verringert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden wie z.B. eine zusätzliche Feder oder entsprechende Federhalter.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine Pleuelstange im Ruhezustand in einer Seitenansicht,
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1b eine Pleuelstange im Ruhezustand in einem Längsschnitt,
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2a eine Pleuelstange im Belastungszustand in einer Seitenansicht,
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2b eine Pleuelstange im Belastungszustand in einem Längsschnitt,
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3a eine Pleuelstange mit V- und walzenförmigen Stützträgern im Ruhezustand in einer Seitenansicht,
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3b eine Pleuelstange mit V- und walzenförmigen Stützträgern im Ruhezustand in einem
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1a und 1b zeigen eine Pleuelstange 1 im Ruhezustand. Die Pleuelstange 1 weist ein unteres Ende (großes Pleuelauge) 2, und ein dazu gegenüberliegendes oberes Ende (kleines Pleuelauge) 3 auf. Zwischen dem großen Pleuelauge 2 und dem kleinen Pleuelauge 3 erstreckt sich ein Pleuelschaft 4. Der Pleuelschaft 4 ist im Längsschnitt gesehen gerade ausgeführt. Die Pleuelstange 1 ist mit seinem großen Pleuelauge 2 mit einer Kurbelwelle und mit seinem kleinen Pleuelauge 3 mit einem Kolben verbind bar.
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Dem großen Pleuelauge 2 und dem kleinen Pleuelauge 3 ist jeweils ein Stützträger 6, 7 zugeordnet. Die Stützträger 6, 7 erstrecken sich entlang der Mittelachse X jeweils von dem großen Pleuelauge 2 bzw. dem kleinen Pleuelauge 3 weg und aufeinander zu. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pleuelstange 1 in einem unbelasteten Zustand dargestellt. Die Stützträger 6, 7 sind mit ihren Anschlagenden 8, 9 entlang der Mittelachse X zueinander variabel beabstandet, so dass ein Spalt 11 gebildet ist. Der Spalt 11 wird von dem schmalen Pleuelschaft 4 überbrückt, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem linken und einem rechten Teil besteht. Alternativ sind auch ein einteiliger Schaft oder mehrteilige Stützträger möglich.
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In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Stützträger 6, 7 einstückig mit der Pleuelstange 1 hergestellt. Selbstverständlich kann aber auch der Stützträger 7 als separates Bauteil mit dem großen Pleuelauge 3 verschraubt werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Pleuelstange 1 kann ein maximaler Bewegungsbereich durch den Abstand der beiden Anschlagenden 8 bzw. 9, also eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Spaltes 11, eingestellt werden.
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Die Pleuestange 1 ist Bestandteil eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Viertaktmotors, wobei jedem Zylinder jeweils eine Pleuelstange 1 zugeordnet werden kann. In dem Verbrennungsmotor werden Verbrennungsdrücke erzeugt, die ein elastisches Verformen der Pleuelstange 1 bewirken. Eine minimale Gaskraft, die eine elastische Verformung der Pleuelstange 1 bewirkt, wird von den Materialeigenschaften der Pleuelstange 1 und der Dimensionierung der Pleuelstange 1 sowie der Ausgestaltung des Pleuelschaftes 4, insbesondere durch die Länge des Pleuelschaftes 4 und dessen Querschnitt, insbesondere dessen Flächenträgheitsmomentes, welches durch Dicke und Breite sowie Form beeinflusst werden, beeinflusst.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Länge des Pleuelschaftes 4 ein Mehrfaches des Produktes aus seiner Breite BS und seiner Dicke DS beträgt und der Pleuelschaft 4 somit schlank ausgebildet ist und wenn die Breite BS des Pleuelschaftes 4 deutlich grösser ist als seine Dicke DS, da dadurch das seitliche Ausknicken begünstigt wird und gleichzeitig eine besonders hohe Schlankheit erreicht wird, welches ungünstig für eine plastische Verformung ist. Des Weiteren wird ein seitliches Ausknicken in Richtung der Kurbelwellenlängsachse vermieden, da das Flächenträgheitsmoment in diese Richtung dann besonders groß ist.
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Besonders vorteilhaft ist auch, wenn die Dicke D des Stützträgers 7 deutlich grösser ist als seine Breite B, da dadurch sein seitliches Ausknicken verhindert wird.
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2a und 2b zeigen eine Pleuelstange 1 im Belastungszustand. Der Pleuelschaft 4 ist elastisch zur Seite ausgeknickt und der Abstand der beiden Pleuelaugen zueinander sowie der Spalt 11 zwischen den Stützträgern 6, 7 mit ihren Anschlagenden 8, 9 hat sich im Vergleich zum in 1a und 1b gezeigten Ruhezustand mit geradem Pleuelschaft verringert.
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3a und 3b zeigen eine Pleuelstange 1 wobei das Anschlagende 9 des Stützträgers 7 durch zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet ist und das andere Anschlagende 8 des Stützträgers 6 als walzenförmig rund gewölbte Fläche ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung der Anschlagenden wird erreicht, dass die Stützträger sich während des Ausknickens des schmalen Schaftes gegenseitig berühren und in einander schieben, so dass die Bewegungsrichtung der beiden Stangenenden zueinander – und insbesondere der Anschlagenden der Stützträger zueinander – geführt wird.
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Vorteilhaft ist auch, wenn zwischen den beiden Stangenenden ein zusätzliches Federelement angeordnet ist, insbesondere wenn dieses Federelement eine progressive Federrate aufweist. Durch dieses zusätzliche Federelement kann der Bewegungsablauf der beiden Anschlagenden 8, 9 zueinander zusätzlich vorteilhaft beeinflusst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1164272 A1 [0004, 0005]
- US 4111164 [0006]
- US 5769042 [0007]
- DE 102004000029 [0009]
