AT524517A1 - Längenverstellbare Pleuelstange mit verbessertem Zylinderdeckel - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange (1) für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange (1) eine Verstelleinrichtung zur Einstellung der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange mit einer in der Pleuelstange (1) angeordneten Zylinder-Kolben-Einheit (10) mit einem Zylinder (12) und einem in dem Zylinder (12) längsbeweglich angeordneten Verstellkolben (9) aufweist, wobei der Verstellkolben (9) mit einer Kolbenstange (8) verbunden ist, an dem Zylinder (12) ein Zylinderdeckel (15) angeordnet ist und der Zylinderdeckel (15) eine Durchgangsbohrung (17) aufweist, in der die Kolbenstange (8) längs bewegbar aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Bereich der Durchgangsbohrung (17) des Zylinderdeckels (15) als erster Lagerbereich (18) ausgebildet, in dem ein an der Kolbenstange (8) ausgebildeter zweiter Lagerbereich (19 längs bewegbar geführt ist, und an dem Zylinderdeckel (15) ist eine Dichtung (16) angeordnet, die an der Kolbenstange (8) anliegt, wobei die Dichtung (16) in Längsrichtung der Kolbenstange (8) ausgehend von dem Verstellkolben (9) hinter dem ersten Lagerbereich (18) angeordnet ist.

Description

Längenverstellbare Pleuelstange mit verbessertem Zylinderdeckel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange eine Verstelleinrichtung zur Einstellung der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstangemit einer in der Pleuelstange angeordneten Zylinder-Kolben-Einheit mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder längs bewegbar angeordneten Verstellkolben aufweist, wobei der Verstellkolben mit einer Kolbenstange verbunden ist, an dem Zylinder ein Zylinderdeckel angeordnet ist und der Zylinderdeckel eine Durchgangsbohrung aufweist, in der die Kolbenstange längs bewegbar aufgenommen ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Er-

findung einen Kolbenmotor mit zumindest einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange.

Mittels derartiger längenverstellbarer Kolbenstangen wird bei Verbrennungsmotoren mit Hubkolben das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs verändert und auf den jeweiligen Betriebszustand des Motors angepasst, um den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis nimmt der thermische Wirkungsgrad zu, jedoch kann ein zu hohes Verdichtungsverhältnis zu einer unbeabsichtigten Selbstzündung des Kolbenmotors führen. Eine solche frühzeitige Verbrennung des Kraftstoffes führt nicht nur zu einem unruhigen Lauf und dem sogenannten Klopfen des Motors, sondern kann auch zu Bauteilschäden am Motor führen. Im Teillastbereich ist die Gefahr der Selbstzündung geringer, so dass ein höheres Verdichtungsverhältnis möglich ist. Neben längenverstellbaren Kolbenstangen gibt es zur Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses weitere Lösungen, mit denen die Lage des Hubzapfens der Kurbelwelle oder des Kolbenbolzens des Hubkolbens verändert oder die effektive Länge der Pleuelstange variiert wird.

Die WO 2015/055582 A2 beschreibt beispielsweise eine längenverstellbare Pleuelstange mit teleskopartig ineinander verschiebbaren Pleuelteilen, wobei der am ersten Pleuelteil vorgesehene Verstellkolben mit gesicherter Kolbendichtung den Zylinder des zweiten Pleuelteils in zwei Druckräume unterteilt. Die beiden Druckräume dieser Zylinder-Kolben-Einheit werden über Rückschlagventile mit Motoröl versorgt, wobei sich jeweils nur in einem Druckraum unter Druck stehendes Motoröl befindet. Ist die längenverstellbare Pleuelstange in der langen Position, befindet sich in dem oberen Druckraum kein Motoröl, während der untere Druckraum hingegen vollständig mit Motoröl gefüllt ist. Im Betrieb wird dann eine Zugkraft durch den mechanischen Kontakt mit dem oberen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den motorölgefüllten unteren Druckraum übertragen. Da das Rückschlagventil dieses Druckraums den Rücklauf des Motoröls unterbindet, steigt der Druck des Motoröls an, so dass die Pleuelstange in dieser Richtung hydraulisch gesperrt ist. In der kurzen Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange drehen sich die Verhältnisse in der

Zylinder-Kolben-Einheit um. Der untere Druckraum ist leer, während der obere Druckraum mit Motoröl gefüllt ist. Entsprechend bewirkt eine Zugkraft einen Druckanstieg in dem oberen Druckraum und eine hydraulische Sperrung der längenverstellbaren Pleuelstange, während eine Druckkraft durch den mechanischen Anschlag des Verstellkolbens aufgenommen wird.

Beim Betrieb einer solchen längenverstellbaren Pleuelstange in einem Kolbenmotor sind die von der Pleuelstange zu übertragenden Kräfte beträchtlich, weshalb die Drücke in den Druckräumen der Zylinder-Kolben-Einheit und damit auch auf die Verstellkolben und Kolbendichtungen sehr hoch sein können. Angesichts der hohen Innendrücke in den Druckräumen ist sowohl die Dauerfestigkeit aller im Bereich der Zylinder-Kolben-Einheit verwendeten Werkstoffe problematisch, als auch die Konstruktion der der Zylinder-Kolben-Einheit im Hinblick auf die Be-

lastungen und den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum.

Im Hinblick auf die extremen Druckdifferenzen in den Druckräumen einer Zylinder-KolbenEinheit für eine längenverstellbare Pleuelstange mit Druckspitzen von über 1000 bar und den Einfluss der Kraftübertragung über die Pleuelstange an die Kurbelwelle auf die Leistung des Kolbenmotors ist eine gute und sichere Abdichtung der Druckräume essenziell. 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 zu einem Leistungsverlust des Kolbenmotors führt. Dieser Leistungsverlust ist entsprechend den jeweiligen Konstruktionen der Zylinder-Kolben-Einheiten von dem verbesserten thermischen Wirkungsgrad durch das variable Verdichtungsverhältnis abzuziehen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine längenverstellbare Pleuelstange bereitzustellen, die bei einer kostengünstigen Herstellung eine einfache Montage und eine sichere Funktion der Verstelleinrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte längenverstellbare Pleuelstange erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Bereich der Durchgangsbohrung des Zylinderdeckels als erster Lagerbereich ausgebildet ist, in dem ein zweiter, an der Kolbenstange ausgebildeter Lagerbereich längs bewegbar geführt ist, und dass an dem Zylinderdeckel eine Dichtung angeordnet ist, die an der Kolbenstange anliegt, wobei die Dichtung in Längsrichtung der Kolbenstange ausgehend von dem Verstellkolben hinter dem ersten Lagerbereich angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Dichtung in Längsrichtung der Kolbenstange ausgehend von dem Verstellkolben nach dem ersten Lagerbereich angeordnet.

Da das durch den ersten Lagerbereich am Zylinderdeckel und den zweiten Lagerbereich an der Kolbenstange ausgebildete Lager, vorzugsweise ein Gleitlager, nun nahe an einem von dem Zylinder und dem darin angeordneten Verstellkolben ausgebildeten Druckraum angeordnet ist, ist eine gute Schmierung des Lagers sichergestellt. Zusätzlich führt das Lager bzw. der im Lager ausgebildete Lagerspalt zu einer Senkung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit, sodass an der Dichtung deutlich niedrigerer Druck anliegt und damit die Anforderungen an die Dichtung gesenkt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der erste Lagerbereich durch ein separates Bauteil ausgebildet ist. Das Lager für die Kolbenstange ist also durch das separate Bauteil ausgebildet, sodass nur dieses Bauteil die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich Gleitfähigkeiten etc. aufweisen muss. Der Zylinderdeckel selbst muss keine Gleiteigenschaften aufweisen. Dies führt zu einer erheblichen Kostensenkung bei der erfindungsgemäßen Pleuelstange.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung kann der erste Lagerbereich durch ein in den Zylinderdeckel einlegbares Einlegeteil ausgebildet sein. So kann der Zylinderdeckel beispielsweise eine Nut oder eine Schulter aufweisen, in die ein Einlegeteil in Form einer Buchse eingelegt ist. Da das Einlegeteil am Zylinderdeckel abgestützt ist, muss es keine besonderen Festigkeitserfordernisse erfüllen. Es kann daher ein sehr dünnwandiges Einlegeteil eingesetzt werden, mit den damit verbundenen Kostenvorteilen. Ferner kann das Einlegeteil bzw. die Buchse einfach mit Ölfangtaschen, beispielsweise Bohrungen versehen werden, wodurch die Schmierung des Lagers nochmals verbessert wird.

Vorteilhafterweise kann der erste Lagerbereich aus einem Lagerwerkstoff, bevorzugt aus einer Kupferlegierung ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann der erste Lagerbereich aus einer Knetlegierung bzw. einer Hochleistungs-Lagerbronze ausgebildet sein. Da nur der Lagerbereich aus einem Lagerwerkstoff ausgebildet ist, ist eine kostengünstige Ausgestaltung des Zylinderdeckels möglich. Der Zylinderdeckel selbst kann aus einem kostengünstigen Material hergestellt sein, das die nötige Festigkeit aufweist, beispielsweise aus einfachem Stahl.

In noch einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der zweite Lagerbereich aus Stahl, bevorzugt Vergütungsstahl, ausgebildet ist. Dies führt zu günstigen Gleiteigenschaften für das durch die beiden Lagerbereiche ausgebildete Gleitlager.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, dass zwischen Kolbenstange und Zylinderdeckel im ersten und zweiten Lagerbereich eine als Spielpbassung ausgeführte Passung ausgebildet ist.

Um die gewünschte Druckreduzierung durch das Gleitlager sicherzustellen und dadurch die Anforderungen an die nachgeordnete Dichtung zu reduzieren, ist vorzugsweise zwischen dem ersten Lagerbereich des Zylinderdeckels und dem zweiten Lagerbereich an der Kolbenstange ein Lagerspalt mit einer Größe in einem Bereich von 5 bis 40 um, bevorzugt 10 bis 30 um, besonders bevorzugt 15 bis 20 um ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der erste Lagerbereich im Zylinderdeckel in Längsachsenrichtung der Kolbenstange eine Länge in einem Bereich von 30 bis 90 %, bevorzugt 45 bis 80 % des Durchmessers der Kolbenstange auf. Dadurch wird eine gute Abstützung der Kolbenstange in dem Zylinderdeckel sichergestellt.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Oberflächengüte im ersten Lagerbereich des Zylinderdeckels im Bereich von Rz3,5 bis Rz4,5, bevorzugt Rz4 liegt und im zweiten Lagerbereich an der Kolbenstange im Bereich < Rz7, bevorzugt im Bereich < Rz6,3 liegt. Der Lagerbereich des Zylinderdeckels ist bevorzugt gerieben ausgeführt. Dies führt zu einer guten Funktionalität und einer langen Lebensdauer des Lagers. Die Oberflächengüte ist hier ein Ausdruck für die Rauheit in der Oberflächenprüfung und wird mit Rz als gemittelter Rautiefe angegeben.

In einer einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Dichtung in einer Nut in dem Zylinderdeckel aufgenommen ist. Die Dichtung kann dann einfach in die Nut eingelegt werden und ist sicher gehalten. Vorzugsweise ist die Nut an einer im montierten Zustand der Kolbenstange zugewandten Innenseite des Zylinderdeckels ausgeführt.

Weitere Kostenvorteile können dadurch erzielt werden, dass die Dichtung einteilig ausgebildet ist. Es ist aber auch möglich, eine mehrteilige Dichtung einzusetzen.

Vorteilhafterweise ist die Dichtung als Niederdruckdichtung ausgebildet. Als Niederdruckdichtung kann beispielsweise eine wie in der DE 10 2019 213 479 A1 beschriebene V-Lippendichtung eingesetzt werden. Anders als bei einer Hochdruckdichtung wird hier die Feder so stark gewählt, dass die Dichtung zwischen 20 und 100 bar schließt. Es können auch andere bekannte Niederdruckdichtungen eingesetzt werden. Es ist dann möglich eine Dichtung aus Kautschuk, Hochleistungskunststoff oder PTFE einzusetzen, mit den damit verbundenen Vorteilen hinsichtlich Montage und Kosten.

Die Montage der längenverstellbaren Kolbenstange kann vereinfacht werden, indem die Dichtung und der erste Lagerbereich als Fügeteile ausgebildet sind, wobei die Fügeelemente bevorzugt derart ausgebildet sind, dass sie gemeinsam in den Zylinderdeckel einlegbar sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Verstellkolben der Zylinder-KolbenEinheit als ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ausgebildet ist, wobei der längsbeweglich angeordnete Verstellkolben in dem Zylinder einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum ausbildet und jeweils einseitig begrenzt. Die Druckräume befinden sich insbesondere in Richtung der Pleuelstangenlängsachse bzw. der Verstellkolbenlängsachse auf gegenüberliegenden Seiten des Verstellkolbens. Ein zweiseitig wirkender Verstellkolben ermöglicht ein Einstellen der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange sowohl in Richtung eines größeren Verdichtungsverhältnisses als auch in Richtung eines geringeren Verdichtungsverhältnisses mittels einer einzelnen Zylinder-Kolben-Einheit. Im Gegensatz zu der längenverstellbaren Pleuelstange mit Exzenter, wie sie z.B. aus der DE 10 2005 055 199 A1 bekannt ist, wird zur bidirektionalen Verstellung der Wirklänge, bzw. des Verdichtungsverhältnisses derselbe Verstellkolben verwendet. Günstigerweise kann hier ein Stufenkolben eingesetzt werden, mittels dessen größerer Stirnseite bei entsprechender Beaufschlagung die Pleuelstange in ihre ausgefahrene Stellung gedrückt wird. Aufgrund der vorherrschenden Kraftverhältnisse in dem Kolbenmotor reicht die kleinere Stirnfläche für die Verstellung in die entgegengesetzte Richtung aus.

Eine zweckmäßige Ausbildung der längenverstellbaren Pleuelstange sieht vor, dass die Pleuelstange zumindest zwei Pleuelteile aufweist, wobei der erste Pleuelteil ein erstes Pleuelauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und der zweite Pleuelteil ein zweites Pleuelauge zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens aufweist, und wobei der erste Pleuelteil gegenüber dem zweiten Pleuelteil in Längsrichtung der Pleuelstange bewegbar ist, bevorzugt teleskopierbar bewegbar ist, um den Abstand zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen zu verstellen. Im Gegensatz zu Pleuelstangen mit Exzenter ermöglichen zwei in Längsrichtung der Pleuelstange zueinander bewegbare Pleuelteile einen stabilen Aufbau sowie einen sicheren dauerhaften Betrieb der längenverstellbaren Pleuelstange.

Dabei kann der erste Pleuelteil mit dem Verstellkolben der Zylinder-Kolben-Einheit verbunden sein, wobei vorzugsweise der erste Pleuelteil über die Kolbenstange mit dem Verstellkolben verbunden ist, und der zweite Pleuelteil den Zylinder der Zylinder-Kolben-Einheit aufweisen. Der Zylinder kann beispielsweise als Zylinderbohrung oder als Zylinderhülse ausgeführt sein. Damit kann der erste Pleuelteil relativ zum zweiten Pleuelteil bewegt werden. Dies ermöglicht neben einem sehr robusten Aufbau der längenverstellbaren Pleuelstange auch einfache und kostengünstige Pleuelteile, wobei der Verstellkolben des ersten Pleuelteils bevorzugt direkt mit der Kolbenstange und dem Pleuelkopf mit dem ersten Pleuelauge verbunden ist und das zweite Pleuelteil ein Gehäuse aufweist, in dem neben dem Zylinder auch eine hydraulische Steuereinrichtung zur Steuerung der Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen ist.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenmotor mit mindestens einem Motorzylinder, einem sich in dem Motorzylinder bewegenden Hubkolben und mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in dem Motorzylinder, sowie mit zumindest einer mit dem Hubkolben verbundenen längenverstellbaren Pleuelstange gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt sind sämtliche Hubkolben des Kolbenmotors mit einer derartigen längenverstellbaren Pleuelstange ausgestattet und die jeweiligen Zylinder-Kolben-Einheiten mit der Motorölhydraulik des Kolbenmotors verbunden. Die Kraftstoffeinsparung eines solchen Kolbenmotors kann beträchtlich sein, wenn in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand das Verdichtungsverhältnis entsprechend eingestellt wird.

Im Folgenden werden nicht-einschränkende Ausführungsformen der Erfindung anhand beispielhafter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen längenverstellbaren Pleuelstange,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der teilweise freigeschnittenen längenverstellbaren Pleuelstange aus Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des ersten Pleuelteils aus Fig. 2 mit einem Zylinderdeckel,

Fig. 4a eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts einer Kolbenstange mit einer zweiten Ausführungsform eines Zylinderdeckels;

Fig. 46 eine vergrößerte Darstellung eines durch ein separates Bauteil ausgebildeten Lagerbereichs des Zylinderdeckels aus Fig. 4a,

Fig. 40 eine vergrößerte Darstellung des Zylinderdeckels aus Fig. 4a, Fig. 5a eine dritte Ausführungsform eines Zylinderdeckels, und

Fig. 5b eine vierte Ausführungsform eines Zylinderdeckels.

Die in Fig. 1 dargestellte längenverstellbare Pleuelstange 1 umfasst zwei entlang einer Pleuellängsachse bzw. Längsachsenrichtung A teleskopierbar zueinander bewegbare Pleuelteile 2, 3. Der in der Darstellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 in Fig. 1 unten angeordnete zweite Pleuelteil 2 weist ein großes Pleuelauge 4 auf, mit dem die längenverstellbare Pleuelstange 1 auf der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Kolbenmotors gelagert ist. Dazu ist am zweiten Pleuelteil 2 eine Lagerschale 5 angeordnet, die zusammen mit dem ebenfalls lagerschalenartig ausgebildeten unteren Bereich des zweiten Pleuelteils 2 das große Pleuelauge 4 ausbildet. Die Lagerschale 5 und der zweite Pleuelteil 2 werden mittels Pleuelschrauben 31 miteinander verbunden. Der zweite Pleuelteil 2 führt, abgesehen von der Drehbewegung um bzw.

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mit der Kurbelwelle, keine Bewegung aus. Der erste Pleuelteil 3 ist verstellbar, insbesondere längsbeweglich, und weist einen Pleuelkopf 6 mit einem kleinen Pleuelauge 7 auf, das den Kolbenbolzen (nicht gezeigt) des Hubkolbens im Kolbenmotor aufnimmt.

Fig. 2 zeigt eine teilweise freigeschnittene Ansicht der längenverstellbaren Pleuelstange 1 aus Fig. 1. Wie in Fig. 2 gut zu erkennen, ist der Pleuelkopf 6 mit einer Kolbenstange 8 und über die Kolbenstange 8 mit einem Verstellkolben 9 einer hier als Zylinder-Kolben-Einheit 10 ausgebildeten Verstelleinrichtung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 verbunden. Der Verstellkolben 9 ist in einem Zylinder 12 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 längs bewegbar. Der Pleuelkopf 6 ist im dargestellten Fall einteilig mit der Kolbenstange 8 ausgebildet. Der Verstellkolben 9 und die Kolbenstange 8 sind mehrteilig ausgeführt und z.B. miteinander durch Verschrauben

oder einen Presssitz verbunden.

Der erste Pleuelteil 3 ist über den Verstellkolben 9 teleskopierbar in dem zweiten Pleuelteil 2 geführt, um den Abstand zwischen dem im kleinen Pleuelauge 7 aufgenommenen Kolbenbolzen des Hubkolbens und der in dem großen Pleuelauge 4 aufgenommenen Kurbelwelle des Kolbenmotors zu verstellen und so das Verdichtungsverhältnis des Kolbenmotors an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen. Mit anderen Worten kann der Abstand zwischen dem kleinen Pleuelauge 7 und dem großen Pleuelauge 4 verstellt werden. Dadurch ist es möglich, den Kolbenmotor im Teillastbereich mit einem höheren Verdichtungsverhältnis als unter Volllast zu betreiben und so den Wirkungsgrad des Kolbenmotors zu erhöhen.

Der Zylinder 12 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 ist an seinem dem Pleuelkopf 6 zugewandten Ende mit einem Zylinderdeckel 15 verbunden. Der Zylinderdeckel 15 kann beispielsweise ein Gewinde 11 aufweisen, mit dem er in den Zylinder 12 eingeschraubt ist. In dem Zylinderdeckel 15 ist eine Durchgangsbohrung 17 ausgebildet, in der die Kolbenstange 8 längs bewegbar aufgenommen ist. Ferner ist an dem Zylinderdeckel 15 eine Dichtung 16 angeordnet, die die Kolbenstange 8 in dem Zylinderdeckel 15 und somit gegenüber der Umgebung abdichtet. Der Zylinderdeckel 15 weist auch einen ersten Lagerbereich 18 auf, in dem die Kolbenstange 8 bewegbar gelagert ist. Dazu ist an der Kolbenstange 8 ein zweiter Lagerbereich 19 ausgebildet. Der erste Lagerbereich 18 des Zylinderdeckels 15 und der zweite Lagerbereich 19 an der Kolbenstange 8 bilden zusammen ein Gleitlager aus. Unter dem Zylinderdeckel 15, bzw. in Längsachsenrichtung A auf der vom kleinen Pleuelauge 7 abgewandten Seite des Zylinderdeckels 15; ist ein Stützring 22 angeordnet.

Durch den Verstellkolben 9 und den Zylinder 12 werden zwei Druckräume 13, 14 ausgebildet. Die Druckräume 13, 14 befinden sich in Längsachsenrichtung A auf gegenüberliegenden

Seiten des Verstellkolbens 9. Im dargestellten Fall befindet sich der Verstellkolben 9 in seiner oberen Position. D.h., der Verstellkolben 9 liegt an dem Stützring 22 an, der zusammen mit dem Zylinderdeckel 15 einen oberen Anschlag 23 für den Verstellkolben 9 ausbildet. Die dargestellte Stellung ist also die obere Stellung des Verstellkolbens 9 und somit die lange Stellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1. In dieser Stellung ist der Druckraum 14 ist vollständig entleert, während der Druckraum 13 maximal befüllt ist. In der unteren Stellung (Kurzstellung) der längenverstellbaren Pleuelstange 1 liegt der Verstellkolben 9 an einem von einem Zylinderboden 20 ausgebildeten unteren Anschlag an.

Die Kolbenstange 8 erstreckt sich von dem Verstellkolben 9 durch den oberen Druckraum 14 und den Zylinderdeckel 15 hindurch, der den Zylinder 12 nach oben hin begrenzt. Die Dichtung 16 ist die Dichtung des zweiten Druckraums 14 und dichtet diesen nach außen ab. Der Verstellkolben 9 ist durch zwei in Längsachsenrichtung A hintereinander an der Kolbenstange 8 befestigte Verstellkolbenteile 9.1, 9.2 ausgebildet (siehe Fig. 3). Auf dem Verstellkolben 9 ist ferner eine Kolbendichtung 24 angeordnet, die den Verstellkolben 9 gegenüber dem Zylinder 12 und damit auch die Druckräume 13, 14 zueinander abdichtet.

Der obere bzw. erste Pleuelteil 3 ist vorzugsweise verdrehsicher mit dem unteren, zweiten

Pleuelteil 2 verbunden.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, befindet sich in dem zweiten Pleuelteil 2 unterhalb des Zylinders 12 (bzw. auf der vom kleinen Pleuelauge 7 abgewandten Seite des Zylinders 12) eine hydraulische Steuereinrichtung 21 zur Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit 10. Anhand der in Fig. 2 schematisch dargestellten hydraulischen Verschaltung der Steuereinrichtung 21 wird die Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit 10 und die Steuerung der Wirklängenverstellung der Pleuelstange 1 im Folgenden näher erläutert. Die beiden Druckräume 13, 14 sind jeweils über getrennte Hydraulikmittelleitungen 32, 33 und separate Rückschlagventile 34, 35 und über einen gemeinsamen Ölversorgungskanal 36, der in dem großen Pleuelauge 4 mündet, mit dem Motorölkreislauf des Kolbenmotors verbunden. Ist die längenverstellbare Pleuelstange 1 in der langen Position, befindet sich im oberen Druckraum 14 kein Motoröl, während der untere Druckraum 13 hingegen vollständig mit Motoröl gefüllt ist. Während des Betriebs wird die Pleuelstange 1 aufgrund der Massen- und Gaskräfte alternierend auf Zug und Druck belastet. In der langen Stellung wird die Zugkraft durch den mechanischen Kontakt des Verstellkolbens 9 mit dem Sicherungsring 22 aufgenommen, wobei sich die Länge der Pleuelstange 1 nicht weiter verändert. Eine einwirkende Druckkraft wird über die Kolbenfläche auf den mit Motoröl gefüllten unteren Druckraum 13 übertragen. Da das dem unteren Druckraum 13 zugeordnete Rückschlagventil 35 ein Ausströmen des Motoröls verhindert, steigt der Druck des Motoröls stark an

und verhindert eine Änderung der Pleuellänge, wodurch die längenverstellbare Pleuelstange 1 in dieser Bewegungsrichtung hydraulisch gesperrt ist.

In der Kurzstellung der längenverstellbaren Pleuelstange 1 drehen sich die Verhältnisse um. Der untere Druckraum 13 ist vollständig leer und eine Druckkraft wird durch den mechanischen Anschlag des Verstellkolbens 9 am Zylinderboden 20 aufgenommen, während der obere Druckraum 14 mit Motoröl gefüllt ist, so dass eine Zugkraft auf die längenverstellbare Pleuelstange 1 einen Druckanstieg im oberen Druckraum 14 und eine hydraulische Sperrung bewirkt.

Die Wirklänge der hier dargestellten längenverstellbaren Pleuelstange 1 kann zweistufig verstellt werden, indem einer der beiden Druckräume 13, 14 entleert wird und der jeweils andere Druckraum 13, 14 mit Motoröl gefüllt wird. Hierzu wird in der hydraulischen Steuereinrichtung 21 jeweils eines der Rückschlagventile 34, 35 überbrückt, so dass das Motoröl aus dem bisher gefüllten Druckraum 13, 14 abfließen kann. Das jeweilige Rückschlagventil 34, 35 verliert so seine Wirkung. Dazu umfasst die hydraulische Steuereinrichtung 21 ein 3/2-Wegeventil 37, dessen beiden schaltbaren Anschlüsse 40 jeweils über eine Drossel 38, 39 mit einer Hydraulikmittelleitung 32, 33 der Druckräume 13, 14 verbunden sind. Dabei wird das 3/2-Wegeventil 37 über den Druck des Motoröls betätigt, das dem 3/2-Wegeventil 37 über eine mit dem Ölversorgungskanal 36 verbundene Steuerdruckleitung 41 zugeführt wird. Die Rückstellung des 3/2-Wegeventils 37 erfolgt durch eine Rückstellfeder 42.

Die beiden schaltbaren Anschlüsse 40 des 3/2-Wegeventils 37 sind mit einem Abströmkanal 43 verbunden, der das aus den Druckräumen 13, 14 abgeführte Motoröl an den Ölversorgungskanal 36 abgibt, von wo aus es zur Befüllung des jeweils anderen Druckraums 14, 13 zur Verfügung steht oder über das große Pleuelauge 4 an die Umgebung abgegeben werden kann. In der in Fig. 2 dargestellten Vorzugslage des 3/2-Wegeventils 37 ist der obere Druckraum 14 geöffnet, Motoröl kann also abströmen.

Fig. 3 zeigt den ersten bzw. oberen Pleuelteil 3 mit dem daran angeordneten Zylinderdeckel 15. Wie bereits beschrieben, ist in dem Zylinderdeckel 15 eine Dichtung 16 angeordnet. Dazu weist der Zylinderdeckel 15 eine Nut 25 auf, in die die Dichtung 16 eingelegt ist. Ferner ist in dem Zylinderdeckel 15 ein erster Lagerbereich 18 ausgebildet. Korrespondierend dazu weist die Kolbenstange 8 einen zweiten Lagerbereich 19 auf. Der erste Lagerbereich 18 des Zylinderdeckels 15 und der zweite Lagerbereich 19 der Kolbenstange 8 bilden ein Gleitlager aus. Im dargestellten Fall ist der erste Lagerbereich 18 des Zylinderdeckels 15 durch ein separates Bauteil ausgebildet. Vorzugsweise ist das separate Bauteil ein Einlegeteil, beispielsweise eine

Buchse 26. In dem Zylinderdeckel 15 ist eine durch eine Schulter begrenzte Aufnahme 27 ausgebildet, in die die Buchse 26 eingelegt ist. Der Stützring 22 hält die Buchse 26 im Zylinderdeckel 15. Im montierten Zustand des Zylinderdeckels 15 im Zylinder 12 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 stützt sich der Stützring 22 an der Wandung des Zylinders 12 ab, sodass die Buchse 26 fest in den Zylinderdeckel 15 gedrückt wird.

Der erste Lagerbereich 18 ist ausgehend vom Verstellkolben 9 in Längsachsenrichtung A vor der Dichtung 16 im Zylinderdeckel 15 ausgebildet. Dadurch stehen der erste Lagerbereich 18 und der zweite Lagerbereich 19, d.h. das komplette Gleitlager, mit dem Druckraum 15 in Fluidverbindung, sodass eine ausreichende Schmierung des ersten 18 und des zweiten Lagerbereichs 19 mit der im Druckraum 14 befindlichen Hydraulikflüssigkeit, also mit Motoröl, gewährt ist. Der erste Lagerbereich 18, im vorliegenden Fall also die Buchse 26, ist aus einem Lagerwerkstoff hergestellt. Dies kann zum Bespiel eine Kupferlegierung bzw. Lagerbronze sein, insbesondere eine Hochleistungs-Lager Bronze, zum Beispiel als Knetlegierung. Der zweite Lagerbereich 19 wird durch die Kolbenstange 8 ausgebildet und ist somit aus dem gleichen Material wie die Kolbenstange. Dies kann Stahl oder Vergütungsstahl sein.

Zwischen dem ersten Lagerbereich 18 des Zylinderdeckels 15 und dem zweiten Lagerbereich 19 an der Kolbenstange 8 ist ein Lagerspalt 28 ausgebildet. Der Lagerspalt 28 hat vorzugsweise eine Größe in einem Bereich von 5 bis 40 um, bevorzugt 10 bis 30 um, besonders bevorzugt 15 bis 20 um. Durch den Lagerspalt 28 wird der Druck des Motoröls reduziert. Mit anderen Worten fungiert der Lagerspalt 28 als Drossel. Somit ist das Druckniveau an der Dichtung 16 deutlich niedriger als in dem Druckraum 14. Somit sind die Anforderungen an die Dichtung 16 niedriger. Es kann vorteilhafterweise eine einteilige Dichtung 16 verwendet werden. Natürlich ist es auch möglich, mehrteilige Dichtungen einzusetzen.

Die Kolbenstange 8 ist einstückig mit dem Pleuelkopf 6 verbunden. Die Kolbenstange 8 und der Verstellkolben 9 sind mehrteilig ausgebildet. Dazu umfasst der Verstellkolben 9 einen ersten Verstellkolbenteil 9.1 und einen zweiten Verstellkolbenteil 9.2, die in Längsachsenrichtung A der Pleuelstange 1 und somit auch des zweiten Pleuelteils 2 hintereinander auf der Kolbenstange 8 angeordnet sind. Jeder der beiden Verstellkolbenteile 9.1, 9.2 bildet eine Lagerfläche aus, mit der der Verstellkolben 9 bewegbar im Zylinder gelagert ist. Zwischen den beiden Verstellkolbenteilen 9.1, 9.2 ist die Kolbendichtung 24 angeordnet.

Die Fig. 4a zeigt eine zweite Ausführungsform eines Zylinderdeckels 15. In dieser Ausführungsform ist nur ein Abschnitt der Kolbenstange 8 gezeigt, der in dem Zylinderdeckel 15 angeordnet ist. An seiner Außenseite weist der Zylinderdeckel 15 das Gewinde 11 auf, mit dem er in

den Zylinder 12 eingeschraubt werden kann. In dem Zylinderdeckel 15 sind die Dichtung 16 und der durch eine Buchse 26 ausgebildete erste Lagerbereich 18 angeordnet. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Zylinderdeckel nur eine gemeinsame Ausnehmung auf, in der die Dichtung 16 und die Buchse 26 hintereinander angeordnet sind. Die Dichtung 16 liegt dabei an einer in dem Zylinderdeckel 15 ausgebildeten ersten Schulter 46 an. Die Buchse 26 wird über den Stützring 22 gehalten. Zudem weist die Buchse 26 einen ringförmigen Vorsprung 29 auf, mit dem sie an einem Anschlag 30 im Zylinderdeckel 15 anliegt.

Fig. 4b zeigt die Buchse 26 aus Fig. 4a. Der ringförmige Vorsprung 29 ist in Längsrichtung der Buchse 26 etwa mittig angeordnet. Die Buchse 26 ist aus eine Lagerwerkstoff wie beispielsweise einer Kupferlegierung bzw. Lagerbronze hergestellt.

Fig. 4c zeigt den Zylinderdeckel 15 aus Fig. 4a. Zum besseren Verständnis der Orientierung in der Figur ist die Längsachsenrichtung A strichpunktiert eingezeichnet. Ebenso wie die Buchse 26 ist der Zylinderdeckel 15 ein rotationssymmetrisches Bauteil. Die Durchgangsbohrung 17 im Zylinderdeckel 15 weist drei Bereiche mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser auf. Ausgehend von dem in Fig. 4c links dargestellten Ende beginnt ein erster Bereich mit dem größten Durchmesser D1, der mit dem Anschlag 30 an den zweiten Bereich angrenzt. Hier wird der Vorsprung 29 der Buchse 26 aufgenommen. Hinter dem Anschlag 30 beginnt ein zweiter Bereich mit einem etwas kleineren Durchmesser D2. Hier werden der obere Bereich der Buchse 26 und die Dichtung 16 aufgenommen. Hinter der Schulter, an der die Dichtung 16 im montierten Zustand anliegt, beginnt ein dritter Bereich mit einem nochmals kleineren Durchmesser D3. Dieser dritte Durchmesser D3 muss größer sein als der Durchmesser der Kolbenstange, so dass diese in der Durchgangsbohrung 17 längs bewegbar ist.

In Fig. 5a ist eine dritte Ausführungsform des Zylinderdeckels 15, in Fig. 5b eine vierte Ausführungsform des Zylinderdeckels 15 gezeigt. Sowohl in der dritten Ausführungsform als auch in der vierten Ausführungsform ist der erste Lagerbereich 18 im Zylinderdeckel 15 durch ein Einlegeteil in Form einer separaten Buchse 26 ausgebildet. Die Buchse 26 ist in den Zylinderdeckel 15 eingelegt. Die Buchse 26 bildet also einen Teil der Durchgangsbohrung 17 im Zylinderdeckel 15 aus, den ersten Lagerbereich 18. In dem ersten Lagerbereich 18 ist die Kolbenstange 8 gelagert. In diesem Bereich ist die Buchse 26 bombiert ausgebildet, insbesondere in ihrem nach innen, in Richtung der Durchgangsbohrung 17 orientierten Bereich. Eine Bombierung an der Innenseite der Buchse 26 kann eine teure Nachbearbeitung überflüssig machen. Außerdem kann die Buchse strukturiert, zu Beispiel gehont und mit Bohrungen als Fangtaschen versehen werden, um das Tragverhalten und die Schmierung im Zylinderdeckel 15 zu verbessern. Vorteile sind neben den Kosten eine Verbesserung der Herstellbarkeit und der Ölhaltung.

In der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5a ist der Stützring 22 in den Zylinderdeckel 15 integriert und bildet einen Anschlag bzw. eine Schulter aus, an der die Buchse 26 anliegt. Diese Schulter ist in Fig. 5a im unteren Bereich dargestellt. Im oberen Bereich kann ein Sicherungsring 44 vorgesehen werden. Ferner ist der Zylinderdeckel 15 mit einem Schraubbund 45 versehen. Dadurch kann der Zylinderdeckel 15 mittels des Gewindes 11 in den Zylinder 12 eingeschraubt werden.

In der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 5b ist im unteren Bereich des Zylinderdeckels 15 der Stützring 22 vorgesehen, über den die Buchse 26 im Zylinderdeckel 15 gehalten bzw. axial gesichert wird. In einem oberen Bereich des Zylinderdeckel 15 ist eine Schulter bzw. ein Anschlag ausgebildet, an dem die Buchse 26 anliegt. Wie auch in der dritten Ausführungsform weist der Zylinderdeckel 15 im oberen Bereich einen Schraubbund 45 auf, mithilfe dessen der Zylinderdeckel 15 mit dem Gewinde 11 in den Zylinder eingeschraubt werden kann.

In den gezeigten Ausführungsformen ist der Zylinderdeckel mehrteilig unter Verwendung einer Buchse aufgebaut. Teilweise ist auch zusätzlich ein Stützring vorgesehen. Die eingezogene Buchse kann mit Zusatzfunktionen, wie zu Beispiel einer Strukturierung zur besseren Schmierung ausgestattet werden. Außerdem ermöglicht der mehrteilige Aufbau die Verwendung kostengünstigerer Materialien für einige Elemente.

13 Bezugszeichenliste 1 längenverstellbare Pleuelstange 2 zweites Pleuelteil 3 erstes, verstellbares Pleuelteil 4 großes Pleuelauge 5 Lagerschale 6 Pleuelkopf 7 kleines Pleuelauge 8 Kolbenstange 9 Verstellkolben 9.1 erstes Verstellkolbenteil 9.2 zweites Verstellkolbenteil 10 Zylinder-Kolben-Einheit 11 Gewinde 12 Zylinder 13 Druckraum 14 Druckraum 15 Zylinderdeckel 16 Dichtung 17 Durchgangsbohrung 18 erster Lagerbereich (Zylinderdeckel) 19 zweiter Lagerbereich (Kolbenstange) 20 Zylinderboden 21 hydraulische Steuereinrichtung

22 Stützring

23 oberer Anschlag 24 Kolbendichtung 25 Nut

26 Buchse

27 Schulter

28 Lagerspalt

29 ringförmiger Vorsprung 30 Anschlag

31 Pleuelschraube

32 Hydraulikmittelleitung 33 Hydraulikmittelleitung

34 Rückschlagventil 35 Rückschlagventil

36 Ölversorgungskanal 37 3/2-Wegeventil

38 Drossel

39 Drossel

40 Anschlüsse

41 Steuerdruckleitung

42 Rückstellfeder 43 Abströmkanal 44 Sicherungsring 45 Schraubbund

46 erste Schulter

A Längsachsenrichtung

D1 Durchmesser erster Bereich D2 Durchmesser zweiter Bereich D3 Durchmesser dritter Bereich

AVL List GmbH, iwis motorsysteme GmbH & Co. KG 14

Claims (15)

Ansprüche

1. Längenverstellbare Pleuelstange (1) für einen Kolbenmotor, wobei die Pleuelstange (1) eine Verstelleinrichtung zur Einstellung der Wirklänge der längenverstellbaren Pleuelstange (1) mit einer in der Pleuelstange (1) angeordneten Zylinder-Kolben-Einheit (10) mit einem Zylinder (12) und einem in dem Zylinder (12) längsbeweglich angeordneten Verstellkolben (9) aufweist, wobei der Verstellkolben (9) mit einer Kolbenstange (8) verbunden ist, an dem Zylinder (12) ein Zylinderdeckel (15) angeordnet ist und der Zylinderdeckel (15) eine Durchgangsbohrung (17) aufweist, in der die Kolbenstange (8) längs bewegbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der Durchgangsbohrung (17) des Zylinderdeckels (15) als erster Lagerbereich (18) ausgebildet ist, in dem ein zweiter, an der Kolbenstange (8) ausgebildeter Lagerbereich (19) längs bewegbar geführt ist, und dass an dem Zylinderdeckel (15) eine Dichtung (16) angeordnet ist, die an der Kolbenstange anliegt, wobei die Dichtung (16) in Längsachsenrichtung (A) der Kolbenstange (8) ausgehend von dem Verstellkolben (9) hinter dem ersten Lagerbereich (18) angeordnet ist.

2. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerbereich (18) durch ein separates Bauteil ausgebildet ist.

3. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerbereich (18) durch ein in den Zylinderdeckel (15) einlegbares Einlegeteil (26) ausgebildet ist.

4. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerbereich (18) aus einem Lagerwerkstoff, bevorzugt aus einer Kupferlegierung, ausgebildet ist.

5. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerbereich (19) aus Stahl, insbesondere aus Vergütungsstahl, ausgebildet ist.

6. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolbenstange (8) und Zylinderdeckel (15) im ersten (18) und zweiten Lagerbereich (19) eine als Spielbassung ausgeführte Passung ausgebildet ist.

7. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Lagerbereich (18) des Zylinderdeckels (15) und dem zweiten Lagerbereich (19) an der Kolbenstange (8) ein Lagerspalt (28) mit einer Größe in einem Bereich von 5 bis 40 um, bevorzugt 10 bis 30 um, besonders bevorzugt von 15 bis 20 um ausgebildet ist.

8. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerbereich (18) im Zylinderdeckel (15) in Längsachsenrichtung (A) der Kolbenstange (8) eine Länge in einem Bereich von 30 % bis 90 %, bevorzugt 45 % bis 80 % des Durchmessers der Kolbenstange (8) aufweist.

9. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächengüte im ersten Lagerbereich (18) des Zylinderdeckels (15) im Bereiche Rz3,5 bis Rz4,5, bevorzugt Rz4 liegt und im zweiten Lagerbereich (19) an der Kolbenstange (8) im Bereich < Rz7, bevorzugt im Bereich < Rz 6,3 liegt.

10. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) in einer Nut (25) in dem Zylinderdeckel (15) aufgenommen ist.

11. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) einteilig ausgebildet ist.

12. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) als Niederdruckdichtung ausgebildet ist.

13. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) und der erste Lagerbereich (18) als Fügeteile ausgebildet sind, wobei die Fügeelemente bevorzugt derart ausgebildet sind, dass sie gemeinsam in den Zylinderdeckel (15) einlegbar sind.

14. Längenverstellbare Pleuelstange (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben (9) der Zylinder-Kolben-Einheit (10) als zweiseitig wirkender Verstellkolben (9) ausgebildet ist, wobei der längsbeweglich angeordnete Verstellkolben (9) in dem Zylinder (12) einen ersten Druckraum (13) und einen zweiten Druckraum (14) ausbildet und einseitig begrenzt.

15. Kolbenmotor mit mindestens einem Motorzylinder, einem sich in dem Motorzylinder bewegenden Hubkolben und mindestens einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis in dem Motorzylinder, sowie mit zumindest einer mit dem Hubkolben verbundenen längen-

verstellbare Pleuelstange (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.