AT519307A2 - Längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit konischer Spaltdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange (6.1) für einen Verbrennungsmotor (1), mit einem ersten Pleuelteil (18.1), einem zweiten Pleuelteil (19.1) und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1), um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu verstellen. Die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) umfasst eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen Druckraum (24.1) und eine zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordnete Dichtungseinrichtung (23.1). Die Dichtungseinrichtung (23.1) ist dabei als konische Spaltdichtung (36.1) ausgebildet, wobei der Verstellkolben (21.1) eine in Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Außenwandung (39.1) aufweist und die Zylinderbohrung (22.1) eine in Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Innenwandung (38.1) aufweist. Die konische Spaltdichtung (36.1) verbessert die Dichtwirkung und Funktion dieser berührungslosen Dichtungseinrichtung (23.1).

Description

Längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit konischer Spaltdichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einem ersten Pleuelteil, einem zweiten Pleuelteil und mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und einer zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange sowie die Verwendung einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange eines Verbrennungsmotors.

Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, insbesondere von Ottomotoren, ist abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε, d.h. dem Verhältnis vom Gesamtvolumen vor der Verdichtung zum Kompressionsvolumen (ε = (Hubvolumen Vh + Kompressionsvolumens Vc) / Kompressionsvolumen Vc). Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu. Die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades über das Verdichtungsverhältnis ist degressiv, allerdings im Bereich heute üblicher Werte noch relativ stark ausgeprägt.

In der Praxis kann das Verdichtungsverhältnis nicht beliebig gesteigert werden, da ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstentzündung des Verbrennungsgemischs durch Druck- und Temperaturerhöhung führt. Diese frühzeitige Verbrennung führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen bei Ottomotoren, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstentzündung geringer, die neben dem Einfluss von Umgebungstemperatur und Druck, auch vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist. Entsprechend ist im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich. In der Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren gibt es daher Bestrebungen, das Verdichtungsverhältnis an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anzupassen. Für die Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VOR) existieren unterschiedliche Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Motorkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird. Hierbei gibt es jeweils Lösungen für eine kontinuierliche und diskontinuierliche Verstellung der Bauteile. Eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht eine optimale Reduzierung des C02-Ausstoßes und des Verbrauchs aufgrund eines für jeden Betriebspunkt einstellbaren Verdichtungsverhältnisses.

Demgegenüber ermöglicht eine diskontinuierliche Verstellung mit zwei als Endanschläge der Verstellbewegung ausgebildeten Stufen konstruktive und betriebstechnische Vorteile und ermöglicht trotzdem im Vergleich zu einem konventionellen Kurbeltrieb noch signifikante Einsparungen im Verbrauch und dem CCVAusstoß.

Bereits die Druckschrift US 2,217,721 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer längenverstellbaren Pleuelstange mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, die gemeinsam einen Hochdruckraum ausbilden. Zur Befüllung und Entleerung des Hochdruckraums mit Motoröl und damit zur Längenänderung der Pleuelstange ist ein hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Steuerventil mit federvorgespanntem Verschlusselement vorgesehen, das durch den Druck des Motoröls in eine geöffnete Stellung verschiebbar ist.

Eine diskontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor zeigt die EP 1 426 584 A1, bei der ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Exzenter eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht. Dabei erfolgt eine Fixierung des Exzenters in der einen oder anderen Endstellung des Schwenkbereichs mittels einer mechanischen Arretierung. Aus der DE 10 2005 055 199 A1 geht ebenfalls die Funktionsweise eines längenvariablen Pleuels hervor, mit dem verschiedene Verdichtungsverhältnisse ermöglicht werden. Die Realisierung erfolgt auch hier über einen Exzenter im kleinen Pleuelauge, das in seiner Position durch zwei Hydraulikzylinder mit veränderbarem Widerstand fixiert wird.

Die WO 2013/092364 A1 beschreibt eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Stangenteilen, wobei ein Stangenteil einen Zylinder und das zweite Stangenteil ein längsverschiebbares Kolbenelement ausbildet. Zwischen dem Verstellkolben des ersten Stangenteils und dem Zylinder des zweiten Stangenteils ist ein Hochdruckraum ausgebildet, der über einen hydraulischer Verstellmechanismus mit einem Ölkanal und einem öldruckabhängigen Ventil mit Motoröl versorgt wird. Eine ähnliche längenverstellbare Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor mit teleskopartig verschiebbaren Stangenteilen ist in der WO 2015/055582 A2 gezeigt.

Gemäß der WO 2015/055582 A2 soll das Verdichtungsverhältnis im Verbrennungsmotor durch die Pleuellänge verstellt werden. Die Pleuellänge beeinflusst das Kompressionsvolumen im Verbrennungsraum, wobei das Hubvolumen durch die Position des Kurbelwellenzapfens und die Zylinderbohrung vorgegeben ist. Eine kurze Pleuelstange führt daher zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis als eine lange Pleuelstange bei ansonsten gleichen geometrischen Abmessungen, z.B. Kolben, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Ventilsteuerung etc.. Bei den bekannten längenverstellbaren Pleuelstangen wird die Pleuellänge hydraulisch zwischen zwei Stellungen variiert. Dabei ist die gesamte Pleuelstange mehrteilig ausgeführt, wobei die Längenänderung durch einen Teleskopmechanismus erfolgt, der mittels eines doppelwirkenden Hydraulikzylinders verstellbar ist. Das kleine Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kolbenbolzens, ist mit einer Kolbenstange verbunden (teleskopierbarer Stangenteil). Der zugehörige Verstellkolben ist axial verschiebbar in einem Zylinder geführt, der in dem Pleuelteil mit dem großen Pleuelauge, üblicherweise zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens, angeordnet ist. Der Verstellkolben trennt den Zylinder in zwei Druckräume, einen oberen und einen unteren Druckraum. Diese beiden Druckräume werden über einen hydraulischen Verstellmechanismus mit Motoröl versorgt, wobei dessen Versorgung mit Motoröl über die Schmierung des Pleuellagers erfolgt. Hierzu ist eine Öldurchführung vom Kurbelwellenzapfen über das Pleuellager zum Pleuel und dort über die Rückschlagventile des Verstellmechanismus in die Druckräume erforderlich.

Ist die Pleuelstange in der langen Position, befindet sich kein Motoröl in dem oberen Druckraum. Der untere Druckraum hingegen ist vollständig mit Motoröl gefüllt. Während des Betriebs wird die Pleuelstange aufgrund der Gas- und Massenkräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Position des Pleuels wird eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit einem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Die Pleuellänge ändert sich dadurch nicht. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den ölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieser Kammer den Ölrücklauf unterbindet, steigt der Öldruck an, wobei in dem unteren Druckraum sehr hohe dynamische Drücke von deutlich über 1.000 bar entstehen können. Die Pleuellänge ändert sich nicht. Das Pleuel ist durch den Systemdruck in dieser Richtung hydraulisch gesperrt.

In der kurzen Stellung des Pleuels drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum ist leer, der obere Druckraum ist mit Motoröl gefüllt. Eine Zugkraft bewirkt einen Druckanstieg in der oberen Druckraum. Eine Druckkraft wird durch einen mechanischen Anschlag aufgenommen.

Die Pleuellänge kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume entleert wird. Hierfür wird von dem Verstellmechanismus jeweils eines der beiden Rückschlagventile im Zulauf überbrückt oder ein zugeordneter Rücklaufkanal geöffnet. Durch diese Rücklaufkanäle kann Motoröl unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und der Versorgungseinrichtung in das Kurbelgehäuse fließen. Das jeweilige Rückschlageventil verliert entsprechend seine Wirkung. Die beiden Rücklaufkanäle werden durch ein Steuerventil geöffnet und geschlossen, wobei immer genau ein Rücklaufkanal offen, der andere geschlossen ist. Der Aktuator zur Schaltung der beiden Rücklaufkanäle wird hier hydraulisch durch den Versorgungsdruck angesteuert.

Der Bauraum für eine solche Pleuelstange ist sowohl axial als auch radial begrenzt. In Kurbelwellenrichtung wird der Bauraum durch die Lagerbreite und den Abstand der Gegengewichte begrenzt. Axial ist ohnehin nur der Bauraum zwischen dem kleinen Pleuelauge zur Lagerung des Kolbenbolzens und dem großen Lagerauge zur Lagerung des Kurbelwellenzapfens und ein eventueller Verstellhub der Pleuelstange vorhanden.

Die in einem Verbrennungsmotor von einer Pleuelstange zu übertragenden Kräfte sind beträchtlich, weshalb auch die Drücke in den Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit erheblich sein können. Angesichts der hohen Innendrücke bei einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit ist die Dauerfestigkeit der verwendeten Werkstoffe problematisch, aber auch die Konstruktion der Komponenten im Hinblick auf den geringen Bauraum.

Ein weiterer Aspekt einer längenverstellbaren Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor ist, dass der hydraulische Verstellmechanismus üblicherweise von dem Motoröl des Verbrennungsmotors gespeist wird, dessen Viskosität nicht nur mit der Betriebstemperatur sondern auch mit zunehmender Betriebsdauer abnimmt und in dem schädliche Partikel in den Verstellmechanismus des Pleuels eingetragen werden. Neben Rußpartikeln, die bei der Verbrennung im Motor entstehen können, werden über das Motoröl auch Gussrestpartikel oder Späne aus der Herstellung und Bearbeitung des Motors transportiert. Unabhängig von einer Viskositätsabnahme des Motoröls sowie den durch das Motoröl in den Verstellmechanismus transportierten Partikeln, muss der Verstellmechanismus einer längenverstellbaren Pleuelstange auf Dauer funktionsfähig bleiben.

Im Hinblick auf die extremen Druckdifferenzen in den Druckräumen einer Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange von deutlich über 1.000 bar und dem Einfluss der Kraftübertragung über die Pleuelstange an die Kurbelwelle auf die Leistung des Verbrennungsmotors, werden in herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen berührende Dichtungseinrichtungen oder konstruktiv ausgebildete Dichtungen eingesetzt. Eine Leckage aus dem jeweils gesperrten Druckraum führt zu einem Einrücken des Verstellkolbens in den jeweiligen Druckraum, wodurch ein Arbeitsbetrag entsprechend der Kraft auf den Verstellkolben und dem Weg des Verstellkolbens dissipiert wird, was zum Leistungsverlust des Verbrennungsmotors führt. Dieser Leistungsverlust ist entsprechend den jeweiligen Konstruktionen der Zylinder-Kolben-Einheiten von dem verbesserten thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch ein variables Verdichtungsverhältnis abzuziehen. In herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen mit einer Zylinder-Kolben-Einheit werden als Dichtungseinrichtungen einfache Spaltdichtungen oder Kolbendichtungen verwendet. Während Spaltdichtungen konstuktionsbedingt eine gewisse Leckage aufweisen, können Kolbendichtungen als berührende Dichtungseinrichtungen eine Leckage nahezu vermeiden. Die Vorteile von Spaltdichtungen sind die einfache Montage, aufgrund der geringeren Bauteilanzahl und ein geringerer Bauraum der Zylinder-Kolben-Einheit. Demgegenüber verursacht die systemimmanente Leckage bei Spaltdichtungen neben einem Leistungsverlust auch eine Erwärmung des Systems. Hohe Temperaturen in der längenverstellbaren Pleuelstange könnten neben einer verstärkten Alterung des Motoröls zu Schäden an dem Hydraulikmittelversorgung und zu Problemen an weiteren Bauteilen der längenverstellbaren Pleuelstange aufgrund thermischer Ausdehnungen führen.

Obwohl in vielen Bereichen der Technik Kolbenhubmaschinen hinlänglich bekannt sind und im Bereich der Automobilindustrie Hubkolben-Motoren beständig optimiert, verbessert und weiterentwickelt werden, ist die Dichtungssituation bei Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen trotz umfangreicher Entwicklungs- und Forschungsarbeiten weiterhin unbefriedigend, insbesondere im Hinblick auf die notwendige Lebensdauer längenverstellbarer Pleuelstangen gegenüber der gesamten Laufzeit von Verbrennungsmotoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hubkolbenmaschinen unterliegen berührende Kolbendichtungen in einer Zylinder-Kolben-Einheit längenverstellbarer Pleuelstangen zusätzlich zum Verschleiß durch die metallische Berührung einer erhöhten Belastung durch den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum, die extreme Temperaturbelastung durch extrem hohe Drücke und wechselnden Kraftrichtungen sowie die Verschmutzung des Motoröls mit Rußpartikeln und Spänen. Dies führt zu einem schnellen Verschleiß der Kolbendichtungen und Riefenbildungen in den Wandungen der Zylinder-Kolben-Einheit und schlussendlich zu einem Versagen der Dichtungseinrichtung und Leistungsverlust des Verbrennungsmotors. Entsprechend werden in neueren Entwicklungen längenverstellbarer Pleuelstangen bevorzugt Spaltdichtungen eingesetzt, die zumindest den Vorteil einer geringeren Bauteilanzahl und eines geringen Bauraums ermöglichen. Funktional unterliegen Spaltdichtungen in Zylinder-Kolben-Einheiten längenverstellbarer Pleuelstangen auch einem Verschleiß, da der Spalt zwischen Zylinder und Verstellkolben zur Erzielung einer für die extreme Druckdifferenz ausreichende Dichtwirkung verhältnismäßig klein gewählt werden muss, so dass sich Rußpartikel und Späne zwischen der Zylinderwandung und dem Kolbenmantel verklemmen können, was zu starken Beschädigungen an den Oberflächen und letztlich zu einem Verschleiß und Ausfall der Zylinder-Kolben-Einheit führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine längenverstellbare Pleuelstange mit einer Zylinder-Kolben-Einheit mit einer verbesserten Dichtungseinrichtung bereitzustellen, die trotz hoher Druckdifferenzen, geringem Bauraum, hohen Temperaturbelastungen und Verschmutzungen des Motoröls eine verbesserte dauerhafte Dichtwirkung ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, dass die Dichtungseinrichtung als konische Spaltdichtung ausgebildet ist, wobei der Verstellkolben eine in Richtung des ersten Druckraums konisch erweiterte Außenwandung aufweist und die Zylinderbohrung eine in Richtung des ersten Druckraums konisch erweiterte Innenwandung aufweist. Eine solche konische Spaltdichtung ermöglicht in einer Stellung in der der erste Druckraum mit Motoröl gefüllt und der Verstellkolben an dem konisch verjüngten Ende der Zylinderbohrung angeordnet ist, eine sehr gute Dichtwirkung, die ein Absinken des Verstellkolbens in den ersten Druckraum vermeidet, trotz einer relativ hohen Krafteinwirkung auf dem Verstellkolben. Eine sehr gute Dichtwirkung ist dabei insbesondere in der ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange wichtig, um bei dem Verdichtungs- und Verbrennungstakt des Motors ein Absinken des Verstellkolbens in den Druckraum zu verhindern oder zu begrenzen. In einer längenverstellbaren Pleuelstange wirken entsprechend dem Arbeitszyklus eines Motors deutlich höhere Druckkräfte als Zugkräfte auf den Verstellkolben. Daher ist bei einem erhöhten Verdichtungsverhältnisses im Teillastbereich des Verbrennungsmotors, und entsprechend einer ausgefahrenen Pleuelstange mit vergrößertem Abstand zwischen großem Pleuelauge und kleinem Pleuelauge eine möglichst gute Dichtwirkung sinnvoll, während ein etwas erweiterter Spalt in der eingefahrenen Position der Pleuelstange bzw. des Verstellkolbens toleriert werden kann.

Durch die konisch ausgebildete Außenwandung des Verstellkolbens und die konisch ausgebildete Innenwandung der Zylinderbohrung weist die Spaltdichtung in der eingefahrenen Position ein relativ großes Spaltmaß auf, so dass sich im Motoröl vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel oder Späne, nicht so leicht in dem Spalt der Spaltdichtung festsetzen und leichter ausgespült werden können. Daher reagiert die erfindungsgemäße konische Spaltdichtung in einer Zylinder-Kolben-Einheit unempfindlich auf Partikel im Motoröl, so dass trotz einer guten Dichtwirkung in der ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange Beschädigungen an der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung weitgehend vermieden werden können. Üblicherweise sind der Verstellkolben und die Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit rotationssymmetrisch ausgebildet, aber nicht auf eine solche geometrische Form beschränkt. Eine längenverstellbare Pleuelstange gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst auch ovale, mehreckige oder anderweitige Querschnittsformen des Verstellkolbens und der Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit.

Bei herkömmlichen Spaltdichtungen mit einem für die Zylinder-Kolben-Einheit einer längenverstellbaren Pleuelstange ausreichend dimensionierten Spaltmaß, können Partikel aus dem Motoröl, die in den Spalt der Spaltdichtung eingespült werden, sich in die Außenwandung des Verstellkolbens und die Innenwandung der Zylinderbohrung einarbeiten und letztendlich zu einem Blockieren des Verstellkolbens führen. Bei konisch ausgebildeten Außenwandungen und Innenwandungen können die im Spalt befindlichen Partikel in einer eingefahrenen Position des Verstellkolbens, in der der Spalt der konischen Spaltdichtung relativ groß ist, aufgrund der hohen Systemdrücke wieder ausgespült werden. Demgegenüber ist in der ausgefahrenen Position der Pleuelstange das Spaltmaß der konischen Spaltdichtung sehr gering, so dass trotz der hohen Druckkräfte bei der Verdichtung und Verbrennung im Verbrennungsmotor ein Absinken des Verstellkolbens in den ersten Druckraum auf ein Minimum reduziert, und ein Einträgen von Partikeln im Wesentlichen verhindert werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Konuswinkel der konisch erweiterten Außenwandung und der Konuswinkel der konisch erweiterten Innenwandung im Wesentlichen gleich sind. Die im Rahmen der üblichen Herstellungstoleranzen gleichen Konuswinkel, die im Hinblick auf den sehr geringen Konuswinkel mit etwa +/- 20 % anzusetzen sind, ermöglichen über die Länge des Verstellkolbens ein gleichmäßiges, geringes Spaltmaß und entsprechend eine sehr gute Dichtungswirkung gegen eine Leckage von Motoröl durch die konische Spaltdichtung.

Vorteilhafterweise kann der Konuswinkel der konisch erweiterten Außenwandung und der Konuswinkel der konisch erweiterten Innenwandung zwischen 0,5- und 1,0-, bevorzugt zwischen 0,6s und 0,8-, betragen. Der kleine Konuswinkel für die Außenwandung des Verstellkolbens und die Innenwandung der Zylinderbohrung ermöglichen auch in einer in den ersten Druckraum eingefahrenen Position des Verstellkolbens ein nur geringfügig erweitertes Spaltmaß der konischen Spaltdichtung, so dass auch bei einem zweiseitig wirkenden Kolben in einer Position im ersten Druckraum eine Dichtungswirkung vorhanden ist.

Von Vorteil ist es weiter, wenn die axiale Länge des Verschiebewegs des Verstellkolbens in der Zylinderbohrung zwischen 0,5 und 1,0 mal, bevorzugt zwischen 0,6 und 0,8 mal, dem Durchmesser der ersten Stirnseite des Verstellkolbens beträgt. Der im Verhältnis zum Durchmesser des Verstellkolbens kurze Verschiebeweg ermöglicht relativ größere Konuswinkel der Außenwandung und der Innenwandung, durch die überhaupt eine Herstellbarkeit von Konuswinkeln in derart kleinen Winkelbereichen möglich wird.

Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass der Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit als zweiseitig wirkender Verstellkolben ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordnete Verstellkolben einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum zur

Aufnahme von Motoröl ausbildet und jeweils einseitig begrenzt. Ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ermöglicht die Fixierung der Kolbenstange sowohl in Richtung eines größeren Verdichtungsverhältnisses als auch in Richtung eines geringeren Verdichtungsverhältnisses mit einer einzelnen Zylinder-Kolben-Einheit. Es wird also derselbe Verstellkolben, anders als bei der DE 10 2005 055 199 A1, zur bidirektionalen Einstellung des Kolbenhubs, bzw. des Verdichtungsverhältnisses verwendet. Günstigerweise kann hier ein Stufenkolben eingesetzt werden, mittels dessen größerer Stirnseite bei einer entsprechenden Druckbeaufschlagung die Pleuelstange in ihrer ausgefahrenen Stellung gehalten wird. Aufgrund der vorherrschenden Kraftverhältnisse in einem Verbrennungsmotor reicht die kleinere Stirnfläche für die Fixierung in der eingefahrenen Stellung üblicherweise aus, in der auch ein etwas größerer Spalt der konischen Spaltdichtung den zweiten Druckraum im Hinblick auf die geringeren Zugkräfte ausreichend abdichtet.

Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass die konische Spaltdichtung zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung in einer eingefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange, d.h. wenn der Verstellkolben in dem ersten Druckraum eingefahren ist, ein Spaltmaß von mindestens 30 pm, bevorzugt von mindestens 50 pm, aufweist. Beim Durchmesser des Verstellkolbens einer Zylinder-Kolben-Einheit einer längenverstellbaren Pleuelstange von ca. 12 bis 18 mm, maximal 20 mm, ermöglicht ein derart großes Spaltmaß der konischen Spaltdichtung, d.h. des durchschnittlichen Abstands der umlaufenden Spaltdichtung zwischen konisch erweiterter Außenwandung des Verstellkolbens und konisch erweiterter Innenwandung der Zylinderbohrung, bei einer Position des Verstellkolbens im ersten Druckraum, ein einfaches Ausspülen von Partikeln, die aus dem Motoröl kommend in den Spalt der Spaltdichtung gelangt sind und sich dort möglicherweise auch bereits festgesetzt haben.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die konische Spaltdichtung zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung in einer vollständig ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange, d.h. wenn der Verstellkolben an einer Seite der Zylinderbohrung anliegt und der erste Druckraum mit Motoröl gefüllt ist, ein Spaltmaß von höchstens 10 pm, bevorzugt von höchstens 5 pm, aufweist. Ein derart geringes Spaltmaß der konischen Spaltdichtung bei einer vollständig ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen längenverstellbaren Pleuelstangen mit einfachen Spaltdichtungen, eine deutliche Verbesserung der Dichtwirkung und entsprechend eine höhere Leistung des Verbrennungsmotors durch die Begrenzung des Absinkens des Verstellkolbens in den Druckraum. Für einen einfachen Aufbau der längenverstellbaren Pleuelstange kann das erste Pleuelteil mit dem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden sein und das zweite Pleuelteil die Zylinderbohrung der Zylinder-Kolben-Einheit aufweisen.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit mit einer Dichtungseinrichtung für eine längenverstellbaren Pleuelstange eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Pleuelteil und einem zweiten Pleuelteil, die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit verstellbar sind, um das erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit umfasst eine Zylinderbohrung, einen in der Zylinderbohrung längs bewegbar angeordneten Verstellkolben, mindestens einen in der Zylinderbohrung vorgesehenen Druckraum und die zwischen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung angeordneten Dichtungseinrichtung, wobei die Dichtungseinrichtung als konische Spaltdichtung ausgebildet ist, und der Verstellkolben eine in Richtung des ersten Druckraums konisch erweiterte Außenwandung und die Zylinderbohrung eine in Richtung des ersten Druckraums konisch erweiterte Innenwandung aufweist. Der Einsatz einer mittels Motoröl des Verbrennungsmotors hydraulisch einstellbaren Zylinder-Kolben-Einheit für eine längenverstellbare Pleuelstange mit einer als konischen Spaltdichtung ausgebildeten berührungslosen Dichtungseinrichtung, ermöglicht trotz der sehr kleinen Abmessung der Zylinder-Kolben-Einheit und des extrem hohen Systemdrucks die Verwendung eines relativ großen Spaltmaßes der Spaltdichtung, um Rußpartikel und Späne aus dem Motoröl ausspülen zu können, und trotzdem eine für den hohen Systemdruck sehr gute Dichtwirkung zu erzielen, um bei einer Belastung durch Verbrennungs-Druckkräfte ein Einrücken des Verstellkolbens in den Druckraum und einen entsprechenden Leistungsverlust zu vermeiden. Dabei erfolgt die Aktuierung der Zylinder-Kolben-Einheit mittels der an den Pleuelteilen angreifenden Gas- und Massenkräfte des Verbrennungsmotors, während die Position der Pleuelteile durch das in dem mindestens einen Druckraum vorhandene Motoröl arretiert wird. Weiter ermöglicht die konische Spaltdichtung im eingefahrenen Zustand ein relativ großes Spaltmaß der Spaltdichtung, um Rußpartikel und Späne aus dem Motoröl ausspülen zu können. In den Zylinder-Kolben-Einheiten herkömmlicher längenverstellbarer Pleuelstangen werden entweder Spaltdichtungen mit einem mittleren Spaltmaß eingesetzt, um den Leistungsverlust bei einem Einrücken des Verstellkolbens in den Druckraum in Grenzen zu halten und gleichzeitig ein Verklemmen der vom Motoröl eingetragenen Partikel und entsprechende Beschädigungen an den Oberflächen der Außenwandung des Verstellkolbens und der Innenwandung der Zylinderbohrung zu vermeiden. Alternativ sind auch berührende Dichtungen, wie Kolbendichtungen, bekannt, die durch die größere Bauteilanzahl und die aufwändigere Montage kostenintensiver sind und einen größeren Bauraum erfordern, aber eine Leckage sicher verhindern, jedoch wegen den im Motoröl vorhandenen Partikeln und den im Bereich der Dichtungseinrichtung auftretenden Schäden eine geringere Betriebssicherheit und Lebensdauer aufweisen.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Hubkolben und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder und einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet, erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Verbrennungsmotors kann beträchtlich sein und bis zu 20 % betragen, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird. Zweckmäßigerweise kann die Zylinder-Kolben-Einheit der längenverstellbaren Pleuelstange an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors angeschlossen sein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Motoröl Rußpartikel und Späne vorhanden sind, die eine Unempfindlichkeit der Dichtungseinrichtung erfordern. Je größer das freie Spaltmaß der Spaltdichtung ist, desto eher kann ein sicherer Betrieb der Zylinder-Kolben-Einheit gewährleistet werden. Darüber hinaus kann auch der Verstellmechanismus der längenverstellbaren Pleuelstange mittels des unter Druck stehenden Motoröls angesteuert werden.

Eine weitere Modifikation sieht vor, das der Systemdruck des Motoröls im Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit zwischen 1000 bar und 3000 bar, bevorzugt zwischen 2000 bar und 2500 bar, beträgt. Die Begrenzung des Systemdrucks ermöglicht die sichere konstruktive Auslegung des Innendurchmessers der Zylinderbohrung und der Wandstärke des Zylinders, und ermöglicht damit eine sichere konstruktive Auslegung der erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange.

Gemäß einer Weiterbildung können ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette, einer Spann- und/oder Führungsschiene, und/oder einem Kettenspanner vorgesehen sein, der die Kurbelwelle mit der mindestens einen Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbindet. Der Steuertrieb ist insofern wichtig, weil dieser maßgeblichen Einfluss auf die dynamische Belastung des Verbrennungsmotors und somit auch auf die längenverstellbare Pleuelstange haben kann. Bevorzugt wird dieser so ausgestaltet, dass keine zu hohen dynamischen Kräfte über den Steuertrieb eingeleitet werden. Alternativ kann ein solcher Steuertrieb auch mit einer Stirnradverzahnung oder einem Antriebsriemen, beispielsweise einem Zahnriemen ausgebildet sein, der mittels einer Spannvorrichtung mit Spannrolle vorgespannt ist.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1 in teilweiser geschnittener Darstellung und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Verstellkolbens der Zylinder-Kolben-Ein-heit mit konischer Spaltdichtung aus Fig. 2,

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor (Ottomotor) 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 hat drei Zylinder 2.1,2.2 und 2.3, in denen sich jeweils ein Hubkolben 3.1, 3.2, 3.3 auf und ab bewegt. Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Kurbelwelle 4, die mittels Kurbelwellenlager 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 4 ist mittels der Pleuelstangen 6.1,6,2 und 6.3 jeweils mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1,3.2 und 3.3 verbunden. Für jede Pleuelstange 6.1,6.2 und 6.3 weist die Kurbelwelle 4 einen exzentrisch angeordneten Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 auf. Das große Pleuelauge 8.1, 8.2, und 8.3 ist jeweils auf dem zugehörigen Kurbelwellenzapfen 7.1,7.2 und 7.3 gelagert. Das kleine Pleuelauge 9.1,9.2 und 9.3 ist jeweils auf einem Kolbenbolzen 10.1, 10.2 und 10.3 gelagert und so mit dem zugehörigen Hubkolben 3.1,3.2 und 3.3 schwenkbar verbunden. Dabei ist den Begriffen kleines Pleuelauge 9.1, 9.2 und 9.3 und großes Pleuelauge 8.1, 8.2 und 8.3 weder eine absolute noch relative Größenzuordnung zu entnehmen, sondern sie dienen lediglich zur Unterscheidung der Bauteile und Zuordnung zu dem in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotor. Entsprechend können die Abmessungen der Durchmesser der kleinen Pleuelaugen 9.1,9.2 und 9.3 kleiner, gleich groß oder größer als die Abmessungen der Durchmesser der großen Pleuelaugen 8.1, 8.2 und 8.3 sein.

Die Kurbelwelle 4 ist mit einem Kurbelwellenkettenrad 11 versehen und mittels einer Steuerkette 12 mit einem Nockenwellenkettenrad 13 gekoppelt. Das Nockenwellenkettenrad 13 treibt eine Nockenwelle 14 mit ihren zugehörigen Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslassventile (nicht näher dargestellt) eines jeden Zylinders 2.1, 2.2 und 2.3 an. Das Leertrum der Steuerkette 12 wird mittels einer schwenkbar angeordneten Spannschiene 15 gespannt, die mittels eines Kettenspanners 16 an diese angedrückt wird. Das Zugtrum der Steuerkette 12 kann entlang einer Führungsschiene gleiten. Die wesentliche Funktionsweise dieses Steuertriebs einschließlich der Kraftstoffeinspritzung und Zündung mittels Zündkerze wird nicht näher erläutert und als bekannt vorausgesetzt. Die Exzentrizität der Kurbelwellenzapfen 7.1, 7.2 und 7.3 gibt maßgeblich den Hubweg Hk vor, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Fall, die Kurbelwelle 4 exakt zentrisch unter den Zylindern 2.1., 2.2 und 2.3 angeordnet ist. Der Hubkolben 3.1 ist in Fig. 1 in seiner untersten Stellung dargestellt, während der Hubkolben 3.2 in seiner obersten Stellung dargestellt ist. Die Differenz ergibt im vorliegenden Fall den Hubweg Hk. Die verbleibende Höhe Hc (siehe Zylinder 2.2) ergibt die verbleibende Kompressionshöhe im Zylinder 2.2. In Verbindung mit dem Durchmesser des Hubkolbens 3.1, 3.2 oder 3.3 bzw. der zugehörigen Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 ergibt sich aus dem Hubweg Hk das Hubvolumen Vh und aus der verbleibenden Kompressionshöhe Hc errechnet sich das Kompressionsvolumen Vc. Selbstverständlich hängt das Kompressionsvolumen Vc maßgeblich von der Gestaltung des Zylinderdeckels ab. Aus diesen Volumen Vh und Vc ergibt sich das Verdichtungsverhältnis ε. Im Detail errechnet sich das Verdichtungsverhältnis ε aus der Summe des Hubvolumens Vh und des Kompressionsvolumens Vc dividiert durch das Kompressionsvolumen Vc. Heute übliche Werte für Ottomotoren liegen für ε zwischen 10 und 14.

Damit in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (η, T, Drosselklappenstellung) des Verbrennungsmotors 1 das Verdichtungsverhältnis ε angepasst werden kann, sind erfindungsgemäß die Pleuelstangen 6.1,6.2 und 6.3 in ihrer Länge verstellbar ausgestaltet. Hierdurch kann im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis gefahren werden als im Volllastbereich.

In Fig. 2 ist beispielhaft die längenverstellbare Pleuelstange 6.1 dargestellt, die identisch zu den Pleuelstangen 6.2 und 6.3 ausgestaltet ist. Die Beschreibung gilt daher entsprechend. Die Pleuelstange 6.1 weist einen Pleuelstangenkopf 17.1 mit dem besagten kleinen Pleuelauge 9.1, einem ersten Pleuelteil 18.1, das teleskopierbar in einem zweiten Pleuelteil 19.1 geführt ist, auf. Die relative Bewegung des ersten Pleuelteils 18.1 in Längsrichtung zum zweiten Pleuelteil 19.1 erfolgt mittels einer Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 mit einem Verstellkolben 21.1. und einer Zylinderbohrung 22.1 sowie einer Dichtungseinrichtung 23.1 zwischen dem Verstellkolben 21.1 und der Zylinderbohrung 22.1. Am zweiten Pleuelteil 19.1 ist eine untere Lagerschale angeordnet, die zusammen mit dem unteren Bereich des zweiten Pleuelteils 19.1 das große Pleuelauge 8.1 umgibt. Die untere Lagerschale und der Rest des zweiten Pleuelteils 19.1 werden in üblicher Weise mittels Befestigungsmitteln miteinander verbunden. Das untere Ende des ersten Pleuelteils 18.1 ist mit dem Verstellkolben 21.1 verbunden, der in der Zylinderbohrung 22.1 des zweiten Pleuelteils 19.1 verschiebbar geführt ist. Am oberen Ende weist das zweite Pleuelteil 19.1 einen becherförmigen Deckel 19a.1 auf, durch dessen Boden das erste Pleuelteil 18.1 hindurch geführt und abgedichtet ist. Somit bildet und dichtet der beckerförmige Deckel 19a.1 insgesamt die Zylinderbohrung 22.1 ab. Der Verstellkolben 21.1 ist als Stufenkolben ausgestaltet. Unterhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein erster Druckraum 24.1 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und oberhalb des Verstellkolbens 21.1 ist ein kreisringförmiger zweiter Druckraum 25.1 ausgebildet. Der Verstellkolben 21.1 und die Zylinderbohrung 22.1 sind Bestandteil eines Verstellmechanismus zur Veränderung der wirksamen Pleuelstangenlänge zwischen kleinem Pleuelauge 9.1 und großem Pleuelauge 8.1. Zu dem Verstellmechanismus gehört auch eine unten näher beschriebene hydraulische Schaltung 26.1, die entsprechend für einen Zu- bzw. Ablauf des Hydraulikfluids in bzw. aus den Druckräumen 24.1 und 25.1 und somit für eine Fixierung des mittels der an der Pleuelstange 6.1 wirkenden Kräfte aktuierten Verstellkolbens 21.1 sorgt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt des zweiten Pleuelteils 19.1 im Bereich der Druckräume 24.1 und 25.1 sowie des Verstellkolbens 21.1 im Querschnitt kreisringförmig (mit Ausnahme eventuell vorhandener Hydraulikfluidleitungen) ausgestaltet. Andere geometrische Abmessungen sind denkbar. Entsprechend ergibt sich hier die Wandstärke Dw aus dem zugehörigen Außenradius ra des oberen Abschnitts des zweiten Pleuelteils 19.1 abzüglich des Innenradius n der Zylinderbohrung 22.1. Bei einer solchen symmetrischen Ausgestaltung ist die Wandstärke Dw über den Umfang des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig dick und die Spannungen im Werkstoff des zweiten Pleuelteils 19.1 gleichmäßig gering, so dass aufgrund eines relativ großen Kolbendurchmessers für den Verstellkolben 21.1 der in der Pleuelstange 6.1 auftretende maximale Systemdruck in beherrschbaren Grenzen bleibt.

Im Folgenden wird anhand der Fig. 2 die in der Pleuelstange 6.1 verwendete hydraulische Schaltung 26.1 näher erläutert. Der Verstellkolben 21.1 der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 ist als Stufenkolben ausgebildet. Unter einem Stufenkolben wird im Allgemeinen ein zweiseitig wirkender Kolben mit unterschiedlich großen Wirkflächen verstanden. Eine erste Stirnseite 27.1 ist kreisförmig ausgestaltet und dem ersten Druckraum 24.1 zugeordnet. Eine zweite Stirnseite 28.1 ist kreisringförmig ausgestaltet und dem zweiten Druckraum 25.1 zugeordnet. Die hydraulische Schaltung 26.1 wird mit Motoröl betrieben. Hierzu steht ein Ölversorgungskanal 29.1 mit dem großen Pleuelauge 8.1 in Verbindung, wodurch Motoröl der hydraulischen Schaltung 26.1 zugeführt werden kann oder gegebenenfalls aus dieser abfließt. Anschließend an den Ölversorgungskanals 29.1 ist eine Rückströmdrossel 30.1 mit einem Rückschlagventil und einer parallel dazu geschalteten Drossel vorgesehen. Von der Rückströmdrossel 30.1 aus gelangt das Motoröl über den Kanal 31.1 zu einem Steuerventil 32.1. Das Steuerventil 32.1 umfasst einen Stellkolben 33.1, der in einer Aufnahmebohrung 34.1 gegen eine Druckfeder 35.1 verschiebbar geführt ist.

Aus dem ersten Druckraum 24.1 führt ein Rücklaufkanal 40.1 zum Steuerventil 32.1. Ein durch ein Rückschlagventil 41.1 absperrbarer Ölkanal 42.1 steht ebenfalls mit dem Steuerventil 32.1 in Verbindung und führt zum ersten Druckraum 24.1. Der erste Rücklaufkanal 40.1 ist in der in Fig. 2 gezeigten Stellung des Stellkolbens 33.1 verschlossen. Öl aus dem ersten Druckraum 24.1 kann aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 41.1 nicht entweichen. Der Verstellkolben 21.1 fährt oder ist in der finalen ausgefahrenen oberen Stellung und ist dort hydraulisch gesperrt.

Hierdurch befindet sich die Pleuelstange 6.1 in ihrer längeren Stellung. Aus dem zweiten Druckraum 25.1 führt eine Rücklaufleitung 43.1 zum Steuerventil 32.1. In der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Steuerventils 32.1 kann Motoröl aus dem zweiten Druckraum 25.1 über die Rücklaufleitung 43.1 und das Steuerventil 32.1 sowie den Auslass 44.1 ins Kurbelgehäuse abfließen. In dem ebenfalls aus dem zweiten Druckraum 25.1 zum Steuerventil 32.1 abgehenden Ölkanal 45.1 ist ein weiteres Rückschlagventil 46.1 angeordnet.

Wird aber nunmehr der Druck des in die hydraulische Schaltung 26.1 einströmenden Motoröls über die Ölpumpe des Verbrennungsmotors 1 erhöht, kommt es zu einem Verschieben des Stellkolbens 33.1 im Steuerventil 32.1 entgegen der Kraft der Druckfeder 35.1. Hierdurch wird der erste Rücklaufkanal 40.1 geöffnet und das Motoröl kann aus dem ersten Druckraum 24.1 über den Kanal 31.1 und die Rückstromdrossel 30.1 abfließen. Hierdurch sinkt der Verstellkolben 21.1 ab. Gleichzeitig wird die Rücklaufleitung 43.1 geschlossen und über den Ölkanal 45.1 und das Rückschlagventil 46.1 der zweite Druckraum 25.1 mit Motoröl gefüllt. Sobald der Verstellkolben 21.1 am unteren Anschlag anliegt, ist der Verstellkolben 21.1 in dieser Stellung hydraulisch arretiert, solange ein ausreichender Druck am Steuerventil 32.1 anliegt, und die Pleuelstange 6.1 nimmt ihre kurze Stellung ein. Diese eingefahrene Stellung ist vorteilhaft bei Volllast, wohingegen die ausgefahrene Stellung entsprechend Fig. 2 für den Teil- und Niedriglastbetrieb vorteilhaft ist. Hinsichtlich der weiteren Wirkungs- und Funktionsweise wird ergänzend auf die WO 2015/055582 A2 verwiesen, die den hier gezeigten Verstellmechanismus und Varianten hierzu im Detail beschreibt, die ebenfalls Anwendung finden können.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 aus Fig. 2 mit einem zweistufigen Verstellkolben 21.1, der in der Zylinderbohrung 22.1 längs beweglich verschiebbar ist. Die zwischen der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 und der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 vorgesehene Dichtungseinrichtung 23.1 ist als konische Spaltdichtung 36.1 ausgebildet, wobei das Spaltmaß S der konischen Spaltdichtung 36.1 im Wesentlichen von der Position des konischen Verstellkolbens 21.1 in der konischen Zylinderbohrung 22.1 abhängt. Der sich in Richtung des zweiten Druckraums 25.1 konisch verjüngende Verstellkolben 21.1 weist in der in Fig. 3 gezeigten vollständig ausgefahrenen Position der Pleuelstange 6.1 ein sehr geringes Spaltmaß S zwischen der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 und der Innenwandung 38.1 des ebenfalls konisch in Richtung des zweiten Druckraums 25.1 zulaufenden Zylinderbohrung 22.1 auf. Bei einem Anliegen der zweiten Stirnseite 28.1 des Verstellkolbens 21.1 am Boden des becherförmigen Deckels 19a.1, entsprechend einer nahezu vollständigen Ausfüllung des zweiten Druckraums 25.1 durch den Verstellkolben 21.1, kann das Spaltmaß S der konische Spaltdichtung 26.1 bis auf 0 zurückgehen, wenn der

Verstellkolben 21.1 mit seiner Außenwandung 39.1 an der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 anliegt. Während das Spaltmaß S bei einem typischen Verstellkolben 21.1 einer herkömmlichen Zylinder-Kolben-Einheit 20.1 für eine teleskopierbare Pleuelstange 6.1 mit einem Durchmesser zwischen 12 und 20 mm, mindestens 30 pm beträgt, reduziert eine konische Spaltdichtung 36.1 das Spaltmaß S in der ausgefahrenen Stellung der Pleuelstange 6.1 auf unter 10 pm, bevorzugt auf zwischen 5 pm und 0 pm, so dass die Spaltdichtung 36.1 das im ersten Druckraum 24.1 vorhandene Motoröl daran hindert, durch die konische Spaltdichtung 36.1 hindurchzuströmen. Entsprechend wird bei einer Druckbeaufschlagung durch das erste Pleuelteil 18.1 ein Absinken des Verstellkolbens 21.1 in den ersten Druckraum 24.1 verhindert.

Die sich konisch in Richtung des zweiten Druckraums 25.1 verjüngenden Verstellkolben 21.1 und Zylinderbohrung 22.1 weisen jeweils einen Konuswinkel von 0,5 bis 1,0- auf, um eine zu große Aufweitung des Spaltmaßes S der konischen Spaltdichtung 36.1 bei einer eingefahrenen Position der Pleuelstange 6.1 zu verhindern. In der eingefahrenen Position der Pleuelstange 6.1, d.h. wenn der Verstellkolben 21.1 in den ersten Druckraum 24.1 eingefahren und der zweite Druckraum 25.1 mit Motoröl gefüllt ist, ist das Spaltmaß S der konischen Spaltdichtung 36.1 zwischen der Außenwandung 39.1 des Verstellkolbens 21.1 und der Innenwandung 38.1 der Zylinderbohrung 22.1 zwischen 30 pm und 50 pm. Mit einem solchen mittleren Spaltmaß S kann noch eine ausreichende Dichtwirkung der konischen Spaltdichtung 36.1 erzielt werden, um die Zugkräfte auf das erste Pleuelteil 18.1, die deutlich geringer sind als die Druckkräfte auf das erste Pleuelteil 18.1, auffangen und einen zu großen Leckagestrom durch den Spalt 37.1 der konischen Spaltdichtung 36.1 zu vermeiden. Entsprechend können im Volllastbereich des Verbrennungsmotors, d.h. bei einem geringerem Verdichtungsverhältnis, die hohen Druckkräfte während des Verdich-tungs- und Verbrennungsvorgangs über den Verstellkolben 21.1 direkt an das zweite Pleuelteil 19.1 übertragen werden.

Beim Umschalten zwischen erhöhtem Verdichtungsverhältnis im Teillastbereich des Verbrennungsmotors, entsprechend einer ausgefahrenen Pleuelstange 6.1 mit einem großen Abstand zwischen großem Pleuelauge 8.1 und kleinem Pleuelauge 9.1, auf ein reduziertes Verdichtungsverhältnis im Volllastbereich des Verbrennungsmotors, entsprechend einer eingefahrenen Pleuelstange 6.1 mit kleinerem Abstand zwischen großem Pleuelauge 8.1 und kleinem Pleuelauge 9.1, bewegt sich der Verstellkolben 21.1 in der konischen Zylinderbohrung 22.1 in Richtung des zweiten Pleuelteils 19.1 und ein Teil des im ersten Druckraum 24.1 vorhandenen Motoröls strömt durch den sich aufweitenden Spalt 37.1 der konischen Spaltdichtung 36.1 in den zweiten Druckraum 25.1 und spült die in dem Spalt 37.1 der konischen Spaltdichtung 36.1 befindlichen Partikel aus der konischen Spaltdichtung 36.1 heraus. Trotz der guten Dichtwirkung der konischen Spaltdichtung 36.1 mit einem sehr geringen Spaltmaß S in der ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange 6.1 können Rußpartikel oder Späne aus dem Motoröl so leicht aus dem Spalt 37.1 heraus gespült werden, so dass ein Einarbeiten der Partikel in die Außenwandung 39.1 des konischen Verstellkolbens 21.1 und der Innenwandung 38.1 der konischen Zylinderbohrung 22.1 verhindert und ein mögliches Blockieren des Verstellkolbens 21.1 vermieden werden kann. Für eine optimale Wirkung der konischen Spaltdichtung 36.1 weisen der Verstellkolben 21.1 und die Zylinderbohrung 22.1 ein annähernd gleichen Konuswinkel α auf, zweckmäßigerweise zwischen 0,5- und 1,0-. Ein annähernd gleicher Konuswinkel α ermöglicht über die gesamte Länge der konischen Spaltdichtung 36.1 ein gleichmäßiges Spaltmaß S des Spalts 37.1 mit einer entsprechend guten Dichtwirkung, insbesondere in der ausgefahrenen Position der Pleuelstange 6.1. Die konische Spaltdichtung 36.1 kann aber auch mit unterschiedlichen Konuswinkeln α der Zylinderbohrung 22.1 und des Verstellkolbens 21.1 die gewünschte Dichtwirkung gegenüber dem ersten Druckraum 24.1 und dem zweiten Druckraum 25.1 erzielen. Bei einem kleineren Konuswinkel des Verstellkolbens 21.1, wobei der Konuswinkel α des Verstellkolbens 21.1 auch bis auf Ο- sinken kann, und einen größeren Konuswinkel α der Zylinderbohrung 22.1 weitet sich der Spalt 37.1 der konischen Spaltdichtung 36.1 beim Wechsel von der ausgefahrenen Position der Pleuelstange 6.1 zur eingefahrenen Position der Pleuelstange 6.1 in Abhängigkeit des Konuswinkels α der Zylinderbohrung 22.1 auf. Nachteilig bei einer solchen Konstellation einer konischen Spaltdichtung 36.1 ist jedoch das angrenzend an die erste Stirnseite 27.1 des Verstellkolbens 21.1 größere Spaltmaß S des Spalts 37.1 sowie den erhöhten Druck des Motoröls im dann konischen Spalt 37.1, wodurch Partikel aus dem Motoröl eher in den Spalt 37.1 einwandern. Bei einem größeren Konuswinkel α des Verstellkolbens 21.1 gegenüber dem Konuswinkel α der Zylinderbohrung 22.1 erreicht der Spalt 37.1 angrenzend an die erste Stirnseite 27.1 des Verstellkolbens 21.1 ein sehr geringes Spaltmaß S, während das Spaltmaß S angrenzend an die zweite Stirnseite 28.1 des Verstellkolbens 21.1 größer ist. Darüber hinaus weitet sich der Spalt 37.1 bei einem Wechsel zur eingefahrenen Position der Pleuelstange 6.1 unverändert gering auf, so dass entsprechend von dem größeren Spalt 37.1 an der zweiten Stirnseite 28.1 die Dichtwirkung gegenüber dem zweiten Druckraum 25.1 verschlechtert ist. Nachteilig für einen relativ größeren Konuswinkel α des Verstellkolbens 21.1 ist weiter die Gefahr eines unbeabsichtigten Verklemmens des Verstellkolbens 21.1 in der Zylinderbohrung 22.1 bei üblichen Herstellungstoleranzen, bzw. deutlich erhöhte Produktionskosten für die Herstellung von Verstellkolben 21.1 und Zylinderbohrung 22.1

Bezugszeichenliste I Verbrennungsmotor 2.1.2.2.2.3 Zylinder 3.1.3.2.3.3 Hubkolben 4 Kurbelwelle 5.1,5.2,5.3,5.4 Kurbelwellenlager 6.1.6.2.6.3 Pleuelstange 7.1.7.2.7.3 Kurbelwellenzapfen 8.1.8.2.8.3 großes Pleuelauge 9.1.9.2.9.3 kleine Pleuelauge 10.1.10.2.10.3 Kolbenbolzen II Kurbelwellenketterad 12 Steuerkette 13 Nockenwellenkettenrad 14 Nockenwelle 15 Spannschiene 16 Kettenspanner 17.1 Pleuelstangenkopf 18.1 erstes Pleuelteil 19.1 zweites Pleuelteil 19a.1 becherförmiger Deckel 20.1 Zylinder-Kolben-Einheit 21.1 Verstellkolben 22.1 Zylinderbohrung 23.1 Dichtungseinrichtung 24.1 erster Druckraum 25.1 zweiter Druckraum 26.1 hydraulische Schaltung 27.1 erste Stirnseite 28.1 zweite Stirnseite 29.1 Ölversorgungskanal 30.1 Rückströmdrossel 31.1 Kanal 32.1 Steuerventil 33.1 Stellkolben 34.1 Aufnahmebohrung 35.1 Druckfeder 36.1 konische Spaltdichtung 37.1 Spalt 38.1 Innenwandung 39.1 Außenwandung 40.1 Rücklaufkanal 41.1 Rückschlagventil 42.1 Ölkanal 43.1 Rücklaufleitung 44.1 Auslass 45.1 Ölkanal 46.1 Rückschlagventil

Dw Wandstärke

Vh Hubvolumen

Vc Kompressionsvolumen HC Kompressionshöhe HK Hubweg S Spaltmaß T Temperatur n Drehzahl ra Außendurchmesser ri Innendurchmesser α Konuswinkel ε Verdichtungsverhältnis

Claims (14)

Ansprüche

1. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere einen Ottomotor, mit einem ersten Pleuelteil (18.1) und einem zweiten Pleuelteil (19.1), das erste Pleuelteil (18.1) weist ein kleines Pleuelauge (9.1) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (10.1) und das zweite Pleuelteil (19.1) weist ein großes Pleuelauge (8.1) zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens (7.1) auf, wobei das erste Pleuelteil (18.1) gegenüber dem zweiten Pleuelteil (19.1) bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem großen Pleuelauge (8.1) und dem kleinen Pleuelauge (9.1) zu verstellen, und mit mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) , um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu verstellen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) umfasst eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1) zur Aufnahme von Motoröl des Verbrennungsmotors, der Druckraum (24.1) ist einseitig von dem bewegbaren Verstellkolben (21.1) begrenzt, und einer zwischen einer Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und einer Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) als konische Spaltdichtung (36.1) ausgebildet ist, wobei der Verstellkolben (21.1) einein Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Außenwandung (39.1) aufweist und die Zylinderbohrung (22.1) eine in Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Innenwandung (38.1) aufweist.

2. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel (a) der konisch erweiterten Außenwandung (39.1) und der Konuswinkel (a) der konisch erweiterten Innenwandung (38.1) im Wesentlichen gleich sind.

3. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel (a) der konisch erweiterten Außenwandung (39.1) und der Konuswinkel (a) der konisch erweiterten Innenwandung (38.1) zwischen 0,5° und 1,0°, bevorzugt zwischen 0,6° und 0,8°, betragen.

4. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Verschiebewegs des Verstellkolben (21.1) in der Zylinderbohrung (22.1) zwischen 0,5 und 1,0 mal, bevorzugt zwischen 0,6 und 0,8 mal, den Durchmesser der ersten Stirnseite (27.1) des Verstellkolbens (21.1) beträgt.

5. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) als zweiseitig wirkender Verstellkolben (21.1) ausgebildet ist, wobei der in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordnete Verstellkolben (21.1) einen ersten Druckraum (24.1) und einen zweiten Druckraum (25.1) zur Aufnahme von Motoröl ausbildet und jeweils einseitig begrenzt.

6. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der ersten Stirnseite (27.1) des Verstellkolbens (21.1), die den ersten Druckraum (24.1) begrenzt, größer ist als der Durchmesser einer zweiten Stirnseite (28.1) des Verstellkolbens (21.1), die den zweiten Druckraum (25.1) begrenzt.

7. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (36.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) in einer eingefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) ein Spaltmaß (S) von mindestens 30 μm, bevorzugt von mindestens 50 μm, aufweist.

8. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (36.1) zwischen der Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und der Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) in einer ausgefahrenen Position der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) ein Spaltmaß (S) von höchstens 10 μm, bevorzugt von höchstens 5 μm, aufweist.

9. Längenverstellbare Pleuelstange (6.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pleuelteil (18.1) mit dem Verstellkolben (21.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) verbunden ist und das zweite Pleuelteil (19.1) die Zylinderbohrung (22.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) aufweist.

10. Verwendung einer Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) mit einer Dichtungseinrichtung (23.1) für eine längenverstellbare Pleuelstange (6.1) eines Verbrennungsmotors (1) mit einem ersten Pleuelteil (18.1) und einem zweiten Pleuelteil (19.1), die mittels der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) verstellbar sind, um das erste Pleuelteil (18.1) relativ zum zweiten Pleuelteil (19.1) zu bewegen, die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) umfasst eine Zylinderbohrung (22.1), einen in der Zylinderbohrung (22.1) längs bewegbar angeordneten Verstellkolben (21.1), mindestens einen in der Zylinderbohrung (22.1) vorgesehenen ersten Druckraum (24.1) und die zwischen einer Außenwandung (39.1) des Verstellkolbens (21.1) und einer Innenwandung (38.1) der Zylinderbohrung (22.1) angeordneten Dichtungseinrichtung (23.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (23.1) als Spaltdichtung (33.1) mit einem konischen Verstellkolben (21.1) ausgebildet ist, wobei der Verstellkolben (21.1) eine in Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Außenwandung (39.1) aufweist und die Zylinderbohrung (22.1) eine in Richtung des ersten Druckraums (24.1) konisch erweiterte Innenwandung (38.1) aufweist.

11. Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einem Hubkolben (3.1,3.2,3.3) und mit zumindest einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder (2.1,2.2,2.3) und einer mit dem Hubkolben (3.1,3.2,3.3) verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange (6.1) (6.1,6.2,6.3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

12. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) der längenverstellbaren Pleuelstange (6.1,6.2,6.3) an die Motorölhydraulik des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist.

13. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck des Motoröls im ersten Druckraum (24.1) der Zylinder-Kolben-Einheit (20.1) zwischen 1.000 bar und 3.000 bar, bevorzugt zwischen 2.000 bar und 2.500 bar, beträgt.

14. Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuertrieb mit mindestens einer Steuerkette (12), einer Spann- und/oder Führungsschiene (15), und/oder einem Kettenspanner (16) vorgesehen ist, der die Kurbelwelle (4) mit der mindestens einen Nockenwelle (14) des Verbrennungsmotors (1) verbindet.