AT524321B1

AT524321B1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: AT524321B1
Application number: ATA50177/2021A
Authority: AT
Inventors: Kirchberger Peter
Original assignee: Roland Kirchberger Dipl Ing Dr Techn
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-05-15
Also published as: CN117242247A; AT524321A4; MX2023010715A; CO2023012078A2; BR112023018436A2; WO2022187881A1

Abstract

Es wird eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder (1) geführten Kolben (2) und mit einer Pleuelstange (3) zwischen dem Kolben (2) und einer Kurbelwelle (4) beschrieben, die einen zwischen zwei Kurbelwangen (7, 8) angeordneten Hubzapfen (9) und einen auf dem Hubzapfen(9) drehbar gelagerten, mittels eines auf der Kurbelwelle (4) angeordneten Stelltriebs (10) drehverstellbaren Exzenter (6) als Lagerzapfen für die Pleuelstange (3) umfasst, wobei der Stelltrieb (10) einen mithilfe eines Umschaltventils gegensinnig hydraulisch beaufschlagbaren Drehkolben (11) aufweist, dessen Welle (12) mit dem Exzenter (6) antriebsverbunden ist. Um vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Drehkolben (11) auf dem Hubzapfen (9) in einer Kurbelwange (7) gelagert ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder geführten Kolben und mit einer Pleuelstange zwischen dem Kolben und einer Kurbelwelle, die einen zwischen zwei Kurbelwangen angeordneten Hubzapfen und einen auf dem Hubzapfen drehbar gelagerten, mittels eines auf der Kurbelwelle angeordneten Stelltriebs drehverstellbaren Exzenter als Lagerzapfen für die Pleuelstange umfasst, wobei der Stelltrieb einen mithilfe eines Umschaltventils gegensinnig hydraulisch beaufschlagbaren Drehkolben aufweist, dessen Welle mit dem Exzenter antriebsverbunden ist.

[0002] Zur Verringerung der Spitzendrücke im Vollastbereich und zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich ist es bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, des KraftstoffLuftgemisch bei Volllast geringer und bei Teillast höher zu verdichten, und zwar durch eine lastabhängige Längenverstellung der Pleuelstange zwischen Kolben und Kurbelwelle. Um die mit einer teleskopartig verstellbaren Pleuelstange verbundenen Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt (AT 519 958 B1), auf dem Kolbenbolzen einen Exzenter drehbar zu lagern, der den Lagerzapfen für das Kolbenbolzenlager der Pleuelstange bildet. Zur Drehverstellung des Exzenters zwischen zwei zumindest angenähert um 180° gegeneinander versetzten Arbeitsstellungen ist im Schaft der Pleuelstange ein hydraulischer Stelltrieb vorgesehen, welcher einen beidseitig beaufschlagbaren Drehkolben und einen mit dem Drehkolben drehfest verbundenen Zahnkranz umfasst, der durch ein Zahnradgetriebe mit dem Exzenter antriebsverbunden ist. Die beidseitige Beaufschlagung des Drehkolbens wird durch ein Umschaltventil gesteuert, das die beiden Beaufschlagungsleitungen für die gegensinnige Beaufschlagung des Drehkolbens wahlweise mit einer Olversorgungsnut des Pleuellagers für den Hubzapfen der Kurbelwelle verbindet.

[0003] Zur Veränderung der wirksamen Länge der Pleuelstange kann statt des Kolbenbolzenlagers das Pleuellager zur Lagerung der Pleuelstange auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle mit einem den Lagerzapfen bildenden, auf dem Hubzapfen drehbar gelagerten Exzenter versehen werden. (WO 96/270079 A1, WO 01/040641 A1). Weist der Stelltrieb für den Exzenter ein auf der Exzenterwelle sitzendes Zahnrad auf, das mit einem zur Kurbelwelle koaxialen Innenzahnkranz kämmt, der sich nicht mit der Kurbelwelle dreht (WO 96/270079 A1), so ergibt sich für die Exzenterachse und damit für die Achse des Lagerzapfens eine elliptische Umlaufbahn um die Drehachse der Kurbelwelle, wobei die Drehlage der Ellipsenachsen von der Drehstellung des Innenzahnkranzes abhängt und somit durch eine Drehverstellung des Innenzahnkranzes zur Veränderung des Verdichtungsvolumens des Zylinders eingestellt werden kann.

[0004] Wird hingegen der Exzenter mit einem Schwenkarm verbunden, dessen Gleitbuchsenführung quer zum Kolbenhub verstellbar gelagert ist (WO 01/040641 A1), so wird der Drehwinkel des Exzenters während einer Kurbelwellenumdrehung auf den Drehwinkel des Schwenkarms mit der Folge begrenzt, dass die von einer Kreisbahn abweichende Umlaufbahn des Lagerzapfens um die Achse der Kurbelwelle von der Querverlagerung der Gleitbuchsenführung für den Schwenkarm abhängt und damit über die Querverlagerung eine Einflussnahme auf den Verdichtungshub eröffnet wird. Nachteilig ist nicht nur der Konstruktionsaufwand, sondern auch die durch die Drehung des Exzenters gegenüber dem Hubzapfen je Kurbelwellenumdrehung bedingte Verschleißanfälligkeit.

[0005] Darüber hinaus ist es bei einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder geführten Kolben und mit einer Pleuelstange zwischen dem Kolben und einer Kurbelwelle bekannt (WO 2014/056291 A1), auf dem zwischen zwei Kurbelwangen angeordneten Hubzapfen einen drehbar gelagerten, mittels eines auf der Kurbelwelle angeordneten Stelltriebs drehverstellbaren Exzenter als Lagerzapfen für die Pleuelstange vorzusehen. Der Stelltrieb wird durch einen mithilfe eines Umschaltventils gegensinnig hydraulisch beaufschlagbaren Drehkolben gebildet, dessen Welle mit dem Exzenter antriebsverbunden ist. Nachteilig ist vor allem der mit dem zur Kurbelwelle koaxialen Stelltrieb verbundene Konstruktionsaufwand, der eine in der hohlen Kurbelwelle gelagerte Welle voraussetzt, die mit dem Exzenter durch ein Zahnradgetriebe zu verbinden ist. Dies gilt auch für Konstruktionen, bei denen der Stelltrieb einen elektrischen

Stellmotor (RU 2 296 234 C1) und nicht einen gegensinnig hydraulisch beaufschlagbaren Drehkolben aufweist.

[0006] Zur Verstellung des den Lagerzapfen für die Pleuelstange bildenden Exzenters ist es auBerdem bekannt (EP 1 859 135 A1), den Stelltrieb für den Exzenter aus paarweise angeordneten, gegensinnig beaufschlagbaren, beidseits der Exzenterwelle angeordneten, an einem Zahnradsegment angreifenden Stellzylindern zu bilden, die in den Kurbelwangen angeordnet sind, um den Exzenter bei der Beaufschlagung des einen Stellzylinders mithilfe des mit seiner Innenverzahnung mit der Außenverzahnung eines Zahnrads des Exzenters kämmenden Zahnradsegments in der einen Richtung und bei der Beaufschlagung des anderen Stellzylinders in der gegensinnigen Richtung zu verdrehen. Damit wird allerdings hinsichtlich des Konstruktionsaufwands nichts gewonnen.

[0007] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Pleuelstange, deren Pleuellager für den Hubzapfen einen Exzenter als Lagerzapfen aufweist, so auszugestalten, dass eine einfache, wenig verschleißanfällige Konstruktion für die Exzenterverstellung sichergestellt werden kann.

[0008] Ausgehend von einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Drehkolben auf dem Hubzapfen in einer Kurbelwange gelagert ist.

[0009] Durch die Lagerung des Drehkolbens auf dem Hubzapfen erübrigt sich ein Zahnradgetriebe bzw. ein Zugmittelgetriebe zwischen dem Drehkolben und dem Exzenter, sodass zur Antriebsverbindung lediglich eine axiale Kupplung zwischen der Welle des Drehkolbens und der Exzenterwelle vorzusehen ist. Besonders einfache Konstruktionsbedingungen ergeben sich dabei, wenn die Exzenterwelle eine Nabe für den Drehkolben bildet.

[0010] Mit der Lagerung des Drehkolbens auf dem Hubzapfen bleibt der Vorteil erhalten, dass der Exzenter seine Drehlage gegenüber dem Hubzapfen beibehält, solange der Stelltrieb nicht betätigt wird. Eine Drehung des Exzenters gegenüber dem Hubzapfen erfolgt somit nur zur Verstellung des Radius des Umlaufkreises des durch den Exzenter gebildeten Lagerzapfens für die Pleuelstange und folglich nur beim Ubergang zwischen Voll- und Teillast, nicht aber während des Vollast- oder Teillastbetriebs, sodass einfache, wenig verschleißanfällige Konstruktionsbedingungen gewährleistet werden können.

[0011] Der auf dem Hubzapfen gelagerte Drehkolben, wird in den beiden Anschlagstellungen einem fliehkraftbedingten Drehmoment ausgesetzt. Zur Vermeidung einer solchen Drehmomentbelastung kann die Masse des Drehkolbens in Bezug auf sein Verdrängungsvolumen der Masse des dem Verdrängungsvolumen des Drehkolbens entsprechenden Hydraulikmittelvolumens gewählt werden. Die Anschlagstellungen des Drehkolbens können allerdings auch so gewählt werden, dass die auf den Drehkolben wirksamen Fliehkräfte ein Andrückmoment des Drehkolbens an den jeweiligen Anschlag bedingen.

[0012] Während der Exzenter in seinen vorzugsweise gegeneinander um 180° winkelversetzten, anschlagbegrenzten Arbeitsstellungen, die den durch die Exzentrizität vorgegebenen Extremstellungen entsprechen, ohne besondere Konstruktionsmaßnahmen festgelegt werden kann, besteht insbesondere bei einem Stelltrieb, der mit dem vergleichsweise niedrigen Druck des zur Pleuellagerschmierung eingesetzten Schmiermittels beaufschlagt wird, die Gefahr, dass der Exzenter beim Verlagern von einer in die andere Arbeitsstellung aufgrund der Belastung durch die Pleuelstange gegen die Stelltriebbeaufschlagung teilweise zurückrückgedreht wird. Um dieser Gefahr zu begegnen, kann die Exzenterverstellung unter den Bedingungen einer Selbsthemmung ausgeführt werden, die eine unerwünschten Rückdrehung des Exzenters auf dem Hubzapfen verhindert. Zu diesem Zweck muss der Maximalwert des sich bei einer Drehung des Exzenters gegenüber dem Hubzapfen ändernden Winkels zwischen zwei durch einen Punkt auf einem Umkreis der Lagerfläche des Hubzapfens für den Exzenter gehenden Radialen einerseits des Hubzapfens und anderseits des Exzenters kleiner als der Reibungswinkel zwischen der Lagerfläche des Hubzapfens und dem Exzenter sein. Die von der Pleuelstange auf den Exzenter

ausgeübten Kräfte wirken radial in Bezug auf die Exzenterachse, die vom Exzenter auf den Hubzapfen ausgeübten Kräfte jedoch radial zur Achse des Hubzapfens. Aufgrund dieser Winkel ergibt sich zwischen dem Exzenter und dem Hubzapfen eine in Umfangsrichtung verlaufende Kraftkomponente, sodass der Exzenter gegenüber dem Hubzapfen mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Damit diese Drehmomentbeaufschlagung nicht zu einer Relativdrehung des Exzenters gegenüber dem Hubzapfen führt, muss die Reibung zwischen Exzenter und Hubzapfen größer als diese Drehmomentbeaufschlagung sein. Da sich der Winkel zwischen der äußeren Kraft auf den Exzenter und der zugehörigen Reaktionskraft des Hubzapfens in Abhängigkeit von der Exzentrizität zwischen zwei Arbeitsstellungen, in denen die Richtungen der äußeren Kräfte und der Reaktionskräfte aufgrund der Lage der Exzentrizität zusammenfallen, von Null auf einen Maximalwert vergrößert und von diesem Maximalwert wieder auf Null verkleinert, muss auch beim Maximum des Winkels zwischen äußerer Kraft und Reaktionskraft Selbsthemmung eintreten, also dieser maximale Winkel kleiner als der Reibungswinkel zwischen der Lagerfläche des Hubzapfens und dem Exzenter sein.

[0013] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0014] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine auszugsweise im Bereich eines Zylinders mit einem Drehkolben als Stelltrieb für den Exzenter schematisch in einem Längsschnitt durch die Kurbelwelle und

[0015] Fig. 2 diese Verbrennungskraftmaschine in einem Schnitt nach der Linie Il-Il der Fig. 1.

[0016] Die ausschnittsweise dargestellte Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, der durch eine Pleuelstange 3 mit einer in einem Kurbelgehäuse gelagerten Kurbelwelle 4 verbunden ist. Die Pleuelstange 3 ist mithilfe eines Pleuellagers 5 auf einem den Lagerzapfen für das Pleuellager 5 bildenden Exzenter 6 drehbar gelagert, der wiederum auf einem zwei Kurbelwangen 7, 8 verbindenden Hubzapfen 9 der Kurbelwelle 4 gelagert ist. Zur Drehverstellung des Exzenters 6 gegenüber dem Hubzapfen 9 ist ein Stelltrieb 10 auf der Kurbelwelle 4 vorgesehen, der mit der Kurbelwelle 4 mitgedreht wird.

[0017] Der Stelltrieb 10 wird durch einen Drehkolben 11 gebildet, der koaxial zum Hubzapfen 9 gelagert ist. Durch diese Kolbenanordnung erübrigt sich ein Zahnradgetriebe zwischen der Welle 12 des Drehkolbens 11 und der Exzenterwelle, weil lediglich für eine axiale Kupplung der Drehkolbenwelle 12 und der Exzenterwelle gesorgt werden muss. Hierfür ergeben sich einfache Konstruktionsbedingungen, wenn der Drehkolben 11 eine auf dem Hubzapfen 9 gelagerte Nabe 13 als Welle 12 aufweist, die gemäß dem Ausführungsbeispiel einstückig mit der hohlen Exzenterwelle ausgeführt sein kann.

[0018] Der Drehkolben 11 kann in dem in der Kurbelwange 7 vorgesehenen, durch einen Deckel 14 abgeschlossenen Zylinderraum 15 über zwei Hydraulikmittelleitungen 16 beidseitig beaufschlagt werden, die durch Verbindungsleitungen 17 mit axialen Hydraulikmittelleitungen 18 in der Kurbelwelle 4 verbunden sind. Die Hydraulikmittelleitungen 18 sind über einen Drehanschluss an ein Umschaltventil angeschlossen.

[0019] In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Arbeitsstellung des Drehkolbens 11 ergibt sich aufgrund der zugehörigen Exzenterstellung eine hohe Verdichtung im Zylinder 1, wie sie für den Teillastbetrieb angestrebt wird. Zum Umschalten auf den Volllastbetrieb muss der Drehkolben 11 gegensinnig beaufschlagt werden, wofür das die Hydraulikmittelleitungen 18 einerseits mit einer Hydraulikmitteldruckleitung und anderseits mit einer Hydraulikmittelrückleitung verbindende Umschaltventil umzuschalten ist, sodass der Drehkolben 11 von der gezeichneten Arbeitsstellung zum gegenüberliegenden Anschlag im Zylinderraum 15 die andere Arbeitsstellung mit der Folge verschwenkt wird, dass der Exzenter 6 auf dem Hubzapfen 9 um zumindest angenähert 180° gedreht und in dieser neuen Arbeitsstellung fliehkraftbedingt festgehalten wird, in der die Verdichtung im Zylinder 1 für den Volllastbetrieb entsprechend niedriger ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder (1) geführten Kolben (2) und mit einer Pleuelstange (3) zwischen dem Kolben (2) und einer Kurbelwelle (4), die einen zwischen zwei Kurbelwangen (7, 8) angeordneten Hubzapfen (9) und einen auf dem Hubzapfen (9) drehbar gelagerten, mittels eines auf der Kurbelwelle (4) angeordneten Stelltriebs (10) drehverstellbaren Exzenter (6) als Lagerzapfen für die Pleuelstange (3) umfasst, wobei der Stelltrieb (10) einen mithilfe eines Umschaltventils gegensinnig hydraulisch beaufschlagbaren Drehkolben (11) aufweist, dessen Welle (12) mit dem Exzenter (6) antriebsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (11) auf dem Hubzapfen (9) in einer Kurbelwange (7) gelagert ist.

2, Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle eine Nabe (13) für den Drehkolben (11) bildet.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des sich bei einer Drehung des Exzenters (6) gegenüber dem Hubzapfen (9) ändernden Winkels zwischen zwei durch einen Punkt auf einem Umkreis der Lagerfläche des Hubzapfens (9) für den Exzenter (6) gehenden Radialen einerseits des Hubzapfens (9) und anderseits des Exzenters (6) kleiner als der Reibungswinkel zwischen der Lagerfläche des Hubzapfens (9) und dem Exzenter (6) ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen