DE10151420A1 - Vorrichtung zum Variieren des Dichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, welche aufweist: einen Lagerhalter, der zwischen einer Pleuelstange und einem Kurbelzapfen eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der Lagerhalter eine Innenfläche in Verbindung mit dem Kurbelzapfen und eine axial bewegliche Außenfläche hat, die relativ zur Pleuelstange entlang einer Längsachse der Pleuelstange beweglich ist, um eine selektive Versetzung der Pleuelstange relativ zum Lagerhalter zu bewirken, wobei die Versetzung eine Änderung in der Nutzlänge der Pleuelstange und dem Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Hubkolben- Verbrennungsmotoren, insbesondere ein System und ein Verfahren zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors.

Das "Verdichtungsverhältnis" eines Verbrennungsmotors ist definiert als das Verhältnis des Volumens im Zylinder oberhalb des Kolbens, wenn der Kolben in einem unteren Totpunkt (UT) ist, zu dem Volumen im Zylinder oberhalb des Kolbens, wenn der Kolben im oberen Totpunkt (OT) ist. Je höher das Verdichtungsverhältnis, um so mehr werden Luft und Kraftstoffmoleküle vermischt und verdichtet und um so besser ist die Effizienz des Verbrennungsmotors. Dies hat seinerseits eine verbesserte Kraftstoffersparnis und ein höheres Verhältnis von Ausgangsenergie zu Eingangsenergie eines Verbrennungsmotors zur Folge.

In herkömmlichen Verbrennungsmotoren jedoch ist das Verdichtungsverhältnis unveränderlich, und daher kann die Motoreffizienz nicht geändert werden, um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erbringen. Demzufolge sind sogenannte "Variabelverdichtungsverhältnis"(VCR)-Verbrennungsmotoren entwickelt worden, so dass das freie Volumen eines Zylinders variiert wird, um eine höhere Kraftstoff-Einsparung zu erreichen und die Motornutzleistung zu erhöhen. Solche VCR- Motoren sind konstruiert, um ein höheres Verdichtungsverhältnis während niedriger Lastbedingungen und ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis während hoher Lastbedingungen zu haben. Herkömmliche Techniken weisen "Unterkammern" und "Unterkolben" auf, um das Zylindervolumen zu variieren, siehe zum Beispiel U. S. Patent Nummer 4,246,873 und 4,286,552; um die momentanen Abmessungen aller Kolben, oder eines Abschnittes eines Kolbens, welche oder welcher an eine Pleuelstange fixer Länge montiert sind oder ist, zu variieren, siehe U. S. Patent Nummer 5,865,092; und um die momentane Länge der Pleuelstange selbst zu verändern, siehe U. S. Patent Nummer 5,724,863 und 5,146,879.

Andere Techniken weisen den Gebrauch von exzentrischen Ringen oder Lagerschalen entweder am unteren "Groß"-Ende einer Pleuelstange oder dem oberen "Klein"-Ende der Pleuelstange auf, um die Länge der Pleuelstange oder Höhe des Hubkolbens zu variieren. Zum Beispiel ist in der U. S. Patent Nummer 5,562,068 eine Variabelverdichtungsverhältnis-Pleuelstange offenbart, wobei die effektive Länge der Stange via eines exzentrischen Ringes variiert wird, welcher gedreht und selektiv mit dem Kolbenzapfen und dem Groß-Ende der Pleuelstange verriegelt werden kann. Wenn ein Arbeits- Hydraulikdruck abgesenkt ist, ist der exzentrische Ring mit dem Kurbelzapfen verriegelt, was somit eine längere effektive Stangenlänge und dadurch einen höheren Verdichtungsverhältnis- Modus zur Folge hat. Wenn der Arbeits-Hydraulikdruck aufgebracht ist, ist der exzentrische Ring mit der Stange verriegelt, was eine kürzere effektive Stangenlänge und dadurch ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Folge hat. Der Übergang vom Hochverdichtungsverhältnis zum Niederverdichtungsverhältnis oder umgekehrt tritt auf, wenn der Kolben im UT ist. U. S. Patent Nummer 5,960,750 offenbart gleichermaßen eine Pleuelstange, die ein mechanisch betätigtes Verriegelungsteil aufweist, um einen drehbaren exzentrischen Ring der mit der Pleuelstange verbunden ist, in einer von zwei Positionen zu verriegeln. Wenn dieser in eine erste Richtung betätigt wird, verriegelt das Verriegelungsteil den exzentrischen Ring in einer Position, die einer maximalen Nutzlänge der Pleuelstange, das heißt, einem Hochverdichtungsverhältnis-Modus entspricht. Wenn der Ring in eine zweite Richtung betätigt wird, verriegelt das Verriegelungsteil den exzentrischen Ring in einer Position, die einer minimalen Nutzlänge der Pleuelstange, das heißt, einem Niederverdichtungsverhältnis-Modus entspricht.

Das U. S. Patent Nummer 5,417,185 und die Japanische Veröffentlichung JP-03092552 offenbaren ebenfalls exzentrische Ringe, wobei jeder Ring zwischen dem Klein-Ende einer Pleuelstange und einem zugehörigen Kolbenzapfen angeordnet ist. Die Ringe werden verwendet, um die Kolbenhöhe und damit das Verdichtungsverhältnis zu variieren.

Die exzentrischen Ring-Vorrichtungen der oben zitierten Quellenangaben sind jedoch unerwünscht, weil jeder exzentrische Ring um mindestens 180° gedreht werden muss, bevor eine der gewünschten Betriebsmodi oder Betriebspositionen erreicht worden ist. Die Verriegelung des Ringes in einer geeigneten Position kann nicht innerhalb einer optimalen Zeitspanne, zum Beispiel während eines einzigen Motorzyklus, erfolgen, wodurch die effektive Länge der Stange und demzufolge das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in einem unerwünschten Zwischenzustand verbleibt. In einer alternativen Ausführungsform verlangt die im U. S. Patent Nummer 5,960,750 offenbarte Vorrichtung eine Zahnradpumpe, um die Drehbewegung der exzentrischen Lagerschale zu unterstützen. Die im U. S. Patent Nummer 5,562,068 offenbarte Vorrichtung verlangt zusätzlich, dass der Kolben für einen Übergang, der vom Hoch- zum Niederverdichtungsmodus stattfindet, im UT ist.

Demzufolge haben die Erfinder die Notwendigkeit erkannt, eine verbesserte Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung zu schaffen, die schnell und zuverlässig in unterschiedliche Verdichtungsverhältnis-Modi eines Variabelverdichtungsverhältnis-Verbrennungsmotors überführt werden kann.

Die zuvor beschriebenen Begrenzungen und Unzulänglichkeiten herkömmlicher Verbrennungsmotoren werden von der Erfindung im Wesentlichen beseitigt, bei der eine Verdichtungsverhältnis- Vorrichtung geschaffen wird, um selektiv ein Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors zu variieren. Die Vorrichtung weist einen Lagerhalter auf, der zwischen einer Pleuelstange und einem zugehörigen Kurbelzapfen angeordnet ist, wobei der Lagerhalter eine Innenfläche in Verbindung mit dem Kurbelzapfen hat und eine Außenfläche hat, die relativ zur Pleuelstange entlang einer Längsachse der Pleuelstange axial beweglich ist, um eine selektive Verlagerung der Pleuelstange relativ zum Lagerhalter zu bewirken, wobei die Verlagerung eine Änderung der effektiven Länge der Pleuelstange und des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors bewirkt. Bevorzugt ist mindestens ein Verriegelungsmechanismus in Verbindung mit dem Lagerhalter und der Pleuelstange vorgesehen, um die Pleuelstange in einer ausgewählten Position relativ zum Lagerhalter zu halten, wobei die ausgewählte Position einer ausgewählten Verdichtung des Verbrennungsmotors zugeordnet ist.

Ein prinzipieller Vorteil der oben beschriebenen Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung ist, dass Änderungen zwischen zwei oder mehr Verdichtungsverhältnismodi eines Verbrennungsmotors schnell und zuverlässig ausgeführt werden können, ohne die Drehung eines exzentrischen Ringteiles, wie er im Stand der Technik offenbart ist, zu verlangen.

Überführungen können innerhalb eines einzigen Verbrennungsmotor-Zyklus vollendet werden, indem der Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung erlaubt wird, auf die auf die Pleuelstange und den Kolben wirkenden Trägheitskräfte zu antworten. Überführungen können ferner unterstützt und die Pleuelstangen in einer Position verriegelt werden, indem ein geeignetes hydraulisches oder elektromechanisches System verwendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ölsystem des Motors verwendet, um den Mechanismus zu betätigen, um ein ausgewähltes Verdichtungsverhältnis für den Verbrennungsmotor zu erzielen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist auch ein Hubkolben- Verbrennungsmotor geschaffen, welcher die oben beschriebene Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 2 ein Schaubild eines exemplarischen Systems, um das Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors zu variieren;

Fig. 2A und 2B Schaubilder, welche einen Nieder- Verdichtungsverhältnisbetrieb eines Verbrennungsmotors zeigen, welcher eine Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist;

Fig. 3A und 3B Schaubilder, welche einen Hoch- Verdichtungsverhältnisbetrieb eines Verbrennungsmotors zeigen, welcher eine Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist;

Fig. 4A und 4B eine perspektivische Explosionsdarstellung beziehungsweise eine Schnittansicht einer Pleuelstange und einer Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5A und 5B eine perspektivische Explosionsdarstellung beziehungsweise eine Zusammenbau-Ansicht einer Pleuelstange und einer Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6A und 6B Schaubilder, welche den Betrieb einer exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigen;

Fig. 7 ein Schaubild, welches den Betrieb einer exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung, mit zwei Verriegelungsmechanismen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 8 ein Schaubild einer exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung, welche zwei entgegengesetzte Verriegelungsmechanismen und zugehörige Durchgangslöcher aufweist;

Fig. 9A und 9B Schaubilder von exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtungen, welche zwei entgegengesetzte Verriegelungsmechanismen und zugehörige Kanäle aufweisen;

Fig. 10 ein Schaubild einer exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung, welche einen Verriegelungsmechanismus und einen zugehörigen Kanal aufweist;

Fig. 11 ein Diagramm, welches eine exemplarische Variabelverdichtungsverhältnis-Betriebsstrategie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 12 und 13 Kurvenzüge von Zylinderdruck und Öldruck gegen Kurbelwinkelgrade während des Normalbetriebs eines exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis- Verbrennungsmotors, der gemäß der Erfindung gestaltet und konstruiert ist; und

Fig. 14 und 15 Kurvenzüge von Zylinderdruck und Öldruck gegen Kurbelwinkelgrade während des Lastbetriebs eines exemplarischen Variabelverdichtungsverhältnis- Verbrennungsmotors, der gemäß mit der Erfindung gestaltet und konstruiert ist.

Fig. 1 zeigt ein Schaubild eines Systems zum Betreiben eines Verbrennungsmotors variablen Dichtungsverhältnisses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der in Fig. 1 als Beispiel dargestellte Motor 110 ist ein Benzin-Viertakt- Direkt-Kraftstoffeinspritz(DFI)-Verbrennungsmotor, der eine Mehrzahl von Zylindern aufweist (nur einer dargestellt), wobei jeder der Zylinder aufweist: einen Brennraum 111 mit zugehöriger Einspritzeinrichtung 115, eine Zündkerze 113, ein Einlassrohr 124, ein Auslassrohr 132 und einen Hubkolben 112. Der Motor 110 kann jedoch jederart Verbrennungsmotor, wie zum Beispiel ein Öffnungs-Kraftstoffeinspritz-Motor (PFI) oder ein Dieselmotor, sein, welcher ein oder mehrere Hubkolben, wie in Fig. 1 gezeigt, aufweist. Jeder Kolben des Verbrennungsmotors ist an einem Ende mit einer Festlängen-Pleuelstange 114 und am anderen Ende mit einem Kurbelzapfen 117 einer Kurbelwelle 116 verbunden.

Der Hubkolben 112 ist ferner mit einem Verdichtungsverhältnis- Mechanismus 170 verbunden, der von einer elektronischen Motorsteuereinrichtung 160 betrieben wird, um das Verdichtungsverhältnis des Motors zu variieren. Das "Verdichtungsverhältnis" ist definiert als das Verhältnis des Volumens im Zylinder 111 oberhalb des Kolbens 112, wenn der Kolben im unteren Totpunkt (UT) ist, zum Volumen im Zylinder 111 oberhalb des Kolbens 112, wenn der Kolben im oberen Totpunkt (OT) ist. Obwohl die Verdichtungsverhältnis- Vorrichtung 170 unten so beschrieben wird, dass es ein "hohes" und ein "niedriges" Verdichtungsverhältnis bereitstellt, kann der Mechanismus 170 wie gewünscht modifiziert werden, um ein oder mehrere Zwischen-Verdichtungsverhältnisse für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen. Demzufolge ist mit dem Betrieb des Mechanismus 170 im Hochverdichtungsverhältnis- Modus und im Niederverdichtungsverhältnis-Modus nicht beabsichtigt, den Umfang der beanspruchten Erfindung zu begrenzen.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird die Verdichtungsverhältnis- Vorrichtung 170 betrieben, um gemäß einem oder mehreren Parametern, wie zum Beispiel Motorlast und Motordrehzahl eine Änderung im Verdichtungsverhältnis des Motors zu bewirken, wie als Beispiel in Fig. 11 gezeigt. Solche Parameter werden von geeigneten Sensoren gemessen, wie zum Beispiel Motordrehzahlsensor 150, Luftmengensensor (MAF) 130 und Pedalpositionssensor 140, welche mit der Motorsteuereinrichtung 160 elektronisch verbunden sind. Die Motorsteuereinrichtung 160 weist auf: einen Zentralrechner (CPU) 162, der zugehörige Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 169 hat, einen Festspeicher (ROM) 164 oder jedes geeignete elektronische Speichermedium, das prozessorausführbare Anweisungen und Kalibrierwerte aufweist, Zwischenspeicher (RAM) 166 und einen Datenbus jeder geeigneten Konfiguration. Die Steuerung 160 empfängt von einer Mehrzahl von Sensoren, die mit dem Motor 110 und/oder dem Fahrzeug verbunden sind, Signale, und steuert den Betrieb der Einspritzeinrichtung 115, die angeordnet ist, um Kraftstoff in einen zugehörigen Zylinder 111 in genauen Mengen einzuspritzen, wie sie von der Steuereinrichtung 160 bestimmt werden. Die Steuereinrichtung 160 steuert gleichermaßen den Betrieb der Zündkerzen 113 auf bekannte Art.

Die Fig. 2A bis 3B sind Schaubilder, die den Betrieb eines Verbrennungsmotors illustrieren, welcher die Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung von Fig. 2A und Fig. 2B der Erfindung hat, welche die obere-Totpunkt(OT)- Position beziehungsweise die untere-Totpunkt(UT)-Position des Kolbens 212 zeigen, entsprechend einer "Basislinien"-Position oder "Nicht-Ausdehn"-Position einer Pleuelstange 218. Der Verdichtungs-Mechanismus, wie er zum Beispiel in der Schnittansicht von Fig. 2A und 2B gezeigt ist, weist einen Lagerhalter 220 auf, der zwischen der Pleuelstange 218 und einem Kurbelzapfen 222 angeordnet ist, wobei der Kurbelzapfen eine Mittellinienachse 224 hat, die sich in und aus der Blattebene und parallel zur Drehachse 228 einer zugehörigen Kurbelwelle 226 erstreckt. Der Lagerhalter 220 hat eine Mittellinienachse 230, die normal zur Kurbelzapfen- Mittellinienachse 224 ist. Die Pleuelstange 218 hat ebenfalls eine Mittellinienachse (in Fig. 3A und 3B mit 232 dargestellt). Wenn die Pleuelstange 18 in der Basislinien- Position ist, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, welche hier einem Niederverdichtungsverhältnis-Modus des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, dann stimmt die Lagerhalter-Mittellinienachse 230 mit der Pleuelstangen-Mittellinienachse 232 überein oder im wesentlichen überein. Wenn die Pleuelstange 218 in einer Ausdehn- und damit Hochverdichtungsverhältnis-Modus-Position ist, wie in Fig. 3A und 3B gezeigt, ist die Lagerhalter- Mittellinienachse 230 bezüglich der Mittellinienachse 223 der Pleuelstange versetzt.

Wie als solches und ferner zusammen in Fig. 4A bis 5B gezeigt, weist der Lagerhalter 220 gemäß der Erfindung auf: eine innere Fläche in Verbindung mit dem Kurbelzapfen 222 und eine äußere Fläche, die relativ zur Pleuelstange 218 selektiv verschiebbar ist. Die äußere Fläche des Lagerhalters ist bezüglich der Pleuelstange 218 entlang einer Längsachse 234, die sich zwischen dem ersten und zweiten Ende der Pleuelstange 218 erstreckt, linear beweglich. Die Pleuelstangen- Mittellinienachse ist bezüglich der Lagerhalter- Mittellinienachse selektiv versetzt, wodurch eine Änderung der effektiven Länge der Pleuelstange und des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors bewirkt wird. Wie in Fig. 2A bis 3B illustriert, ist daher während des Niederverdichtungsverhältnis-Betriebes die effektive Länge der Pleuelstange lL gleich der Basislinien oder Nicht-Ausdehnlänge lB der Pleuelstange, und während des Hochverdichtungsverhältnis-Betriebes ist die effektive Länge der Pleuelstange lH gleich der Ausdehnlänge lB + x der Pleuelstange.

Die Fig. 4A bis 5B zeigen perspektivische Explosions- und Zusammenbauansichten von bevorzugten Ausführungsformen einer Pleuelstange und einer Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Weitere detaillierte Ausführungsformen der Pleuelstange und der Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung können den noch anhängigen U. S.-Anmeldungen mit Serien-Nummer - (Anwalts-Aktenzeichen 199-0483), - (Anwalts- Aktenzeichen 200-1349), - (Anwalts-Aktenzeichen 200-1353), - (Anwalts-Aktenzeichen 200-1438), - (Anwalts-Aktenzeichen 200-1439), - (Anwalts- Aktenzeichen 200-1440), - (Anwalts-Aktenzeichen 200-1441) entnommen werden, welche hier alle via Bezugnahme mit aufgenommen sind.

Fig. 4A und 4B zeigen eine perspektivische Explosionsdarstellung beziehungsweise eine perspektivische Zusammenbaudarstellung einer Pleuelstange und einer Variabelverdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Pleuelstange 400 weist auf: ein erstes Ende oder sogenanntes "Groß-Ende" 412 für die Lagerung eines Kurbelzapfens 425 einer Kurbelwelle oder ein zweites, sogenanntes "Klein-Ende" 416 für die Lagerung eines Zentralabschnittes eines Schwingzapfens (nicht dargestellt) und die Verbindung der Pleuelstange 400 mit einem Kolben (nicht dargestellt). Eine Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung 418 ist am Groß-Ende der Pleuelstange ausgeführt, um die effektive Länge der Pleuelstange zu variieren, wie sie zwischen dem Groß-Ende 412 und dem Klein-Ende 416 gemessen wird. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 4A und 4B weist das Groß-Ende 412 ferner eine obere Schale 420 und eine untere Schale 422 auf, die um den Kurbelzapfen 415 herum miteinander verbunden sind. Die untere Schale 422 weist parallel angeordnete Durchgangslöcher 426 und 428 an entgegengesetzten Enden ihres Halbumfangs auf. An entgegengesetzten Enden ihres Halbumfangs weist die obere Schale 420 Durchgangslöcher 430 und 432 auf, die mit den Löchern 426 beziehungsweise 428 in einer Linie liegen, wenn die zwei Schalen 420 und 422 in Verbindung mit dem Kurbelzapfen sind.

Die Pleuelstange 400 weist ferner ein Teil 434 auf, das einen Pleuelstangenabschnitt 435 aufweist. Ein Ende des Teils 434 weist das Klein-Ende 416 auf, und das entgegengesetzte Ende ist durch die Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung 418 mit dem Groß-Ende 412 verbunden. Die Verbindung der Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung 418 mit dem Groß-Ende 412 wird bevorzugt durchgeführt, indem verwendet werden:
Durchgangslöcher 436 und 438, die mit den Durchgangslöchern 430 beziehungsweise 432 in einer Linie liegen, Schrauben 440 und 442 und Muttern 441 und 443. Die Durchgangslöcher 436 und 438 sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und in freien Enden von gekrümmten Armen 445 angeordnet, welche sich vom Pleuelstangenabschnitt 435 aus erstrecken.

Jede Schraube 440 und 442 weist einen Kopf 444 auf, der an einem proximalen Ende angeordnet ist, und ein Schraubengewinde, das an einem distalen Ende angeordnet ist. Zwischen dem proximalen und dem distalen Ende weist jede Schraube eine kreisförmige, zylindrische Führungsoberfläche 448 auf. Die Teile werden in der in Fig. 4A dargestellten Art montiert, wobei die jeweiligen Schrauben-Schafte durch die jeweils in einer Linie liegenden Durchgangslöcher 436 und 430, 438 und 432 sowie 426 und 428 durchgesteckt werden, wobei die Schrauben in die jeweiligen Muttern 441 und 443 eingeschraubt werden. Die Durchmesser der Durchgangslöcher 436 und 438 sind größer als jene der Durchgangslöcher 430 und 432, um den Schultern 450 am Ende der Führungen 448 zu erlauben, sich gegen die Wandungen der Durchgangslöcher 430 und 432 abzustützen. Wenn die Schrauben und die Muttern festgezogen sind, wie zum Beispiel durch Drehen mit einem geeigneten Festziehwerkzeug, werden die beiden Schalen 420 und 422 dadurch an ihren Enden zusammengedrückt, wodurch das Kurbelzapfenlager im Betrieb zusammengehalten wird und dadurch eine Lagerhalterstruktur um den Kurbelzapfen gebildet wird.

Die Achsenlänge jeder Führungsoberfläche 448, wie sie zwischen dem Kopf 444 und dem Absatz 450 gemessen wird, ist etwas größer als die Achsenlänge jedes Durchgangsloches 436 und 438, und die Durchmesser der letzteren sind etwas größer als jene der ersteren, um einen Gleitabstand zu schaffen. Auf diese Art wird es für jeden Stangenteil 434 möglich, über einen kurzen Bewegungsbereich relativ zum Groß-Ende 412 entlang einer Längsachse 234, die sich zwischen dem Groß-Ende und dem Klein- Ende erstreckt, axial zu gleiten; das heißt, die äußere Fläche des 420/422-Zusammenbaus ist relativ zur Pleuelstange axial beweglich. Der Bewegungsbereich ist in Fig. 4B mit dem Versatz "x" einer Pleuelstangen-Mittellinie 232 bezogen auf eine Mittellinie der montierten Schalen 420 und 422 dargestellt. Der Versatz x der beiden Mittellinienachsen überträgt sich damit in eine Längenänderung x des Pleuelstangenaufbaus 400. Wenn die Arme 445 am Teil 420 um die Wände der Durchgangslöcher 430 und 432 herum anstoßen, hat der Pleuelstangenaufbau 400 eine Minimumlänge oder "Basislinienlänge" entsprechend einem Niederverdichtungsverhältnis-Betriebsmodus für den Verbrennungsmotor. Wenn die Arme 445 an die Köpfe 444 anstoßen, hat der Pleuelstangenaufbau 400 eine Maximumlänge oder Ausdehnlänge entsprechend einem Hochverdichtungsverhältnis-Betrieb des Verbrennungsmotors.

Wie ferner in Fig. 4A und 4B gezeigt, können die Kanäle 454 an den Seiten des Pleuelstangenaufbaus 400 montiert werden, um zusätzliche Lagerunterstützung für die axiale Gleitbewegung der Pleuelstange zu schaffen. Die Vorrichtung 418 kann passive und/oder aktive Elemente aufweisen, um eine gesamte Längenänderung auszuführen, wobei eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses resultiert.

Fig. 5A und 5B zeigen eine perspektivische Explosionsdarstellung beziehungsweise eine Zusammenbaudarstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer Pleuelstange und eines Verdichtungsverhältnis-Mechanismus gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 5A und 5B gezeigt, weist eine Pleuelstange 500 auf: ein Groß-Ende 564 für die Lagerung auf einem Kurbelzapfen 415 einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) und ein Klein-Ende 566 für die Lagerung auf einem zentralen Abschnitt eines Schwingzapfens (nicht dargestellt), um die Pleuelstange 500 mit einem Kolben (nicht dargestellt) zu verbinden. Die Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung 568 ist in diesem Fall vollständig innerhalb des Groß-Endes 564 der Pleuelstange 500 ausgeführt, um eine Variation in der Gesamtlänge zwischen dem Groß-Ende und dem Klein-Ende der Pleuelstange zu schaffen. Der Mechanismus 568 ist in Übereinstimmung mit der Erfindung von einem Einteil-Lagerhalter 570 geschaffen, der zwischen einer Schale 572 und einem Ende eines Stangenteils 574 gefasst ist. Entgegengesetzte Enden des Halbumfangs der Schale 572 weisen Löcher 576 und 578 auf, die mit Gewindelöchern 580 und 582 im Stangenteil 574 in einer Linie liegen. Schrauben 584 und 586 befestigen die Schale am Stangenteil. Die Schale und das Stangenteil haben Kanäle 588 und 590, die in jeweilige Abschnitte eines Flansches 592 des Lagerhalters 570 passen. Die Kanaltiefe und die Flanschtiefe sind derart gewählt, das die montierte Schale und das Stangenteil axial auf dem Lagerhalter für eine kurze Distanz bewegbar sind, wodurch sich die Gesamtlänge ändert, wie mit x in Fig. 5B markiert. Der Mechanismus 568 kann passive und/oder aktive Elemente aufweisen, um eine Gesamtlängen-Änderung und eine entsprechende Verdichtungsverhältnis-Änderung auszuführen. Die Kanäle bilden die Nut und der Flansch die Feder einer Nut- und Feder-Verbindung, die für die Gleitbewegung sorgt, welche die Länge des Pleuelstangenaufbaus einstellt.

Die Fig. 6A und 6B sind schematische Schaubilder, welche den Betrieb einer exemplarischen Verdichtungsverhältnis- Mechanismus 600 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigen. In Fig. 6A und 6B weist der Verdichtungsverhältnis-Mechanismus 600 einen einstückigen Lagerhalter 602 auf, der Stielabschnitte 621 und 622 hat, die an entgegengesetzten Enden des Hauptlagerhalters entlang der Längsachse 234 der Pleuelstange angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass in Fig. 6A und 6B nur ein Ausschnitt eines Innenprofils 606 der Pleuelstange dargestellt ist. Wenn der Verdichtungsverhältnis-Mechanismus der Erfindung in dem Innenprofil der Pleuelstange montiert ist, ist der Mechanismus von einer Nieder-Verdichtungsverhältnis-Position, wie in Fig. 6A gezeigt, in eine Hoch-Verdichtungsverhältnis-Position, wie in Fig. 6B gezeigt, und umgekehrt bringbar, indem der Lagerhalter via eines hydraulischen oder elektromechanischen Systems, das mit und/oder innerhalb der Pleuelstange gekoppelt ist, bewegt wird. Ein Hydrauliksystem weist Öffnungen 612 und Leitungen 614 auf, welche vorgesehen sind, um den Fluss von Öl oder anderem geeignetem Fluid zu oder von jeder der Stielbereiche zu ermöglichen, um den Lagerhalter von einer in die andere Position zu bewegen. Ein Prüfventil 616 ist ebenso vorgesehen, um den Ölfluss zu steuern, der verwendet wird, um die Position der Pleuelstange relativ zum Lagerhalter zu steuern.

Damit sich die Pleuelstange von einem Ausdehn-Zustand in einen Basislinien-Zustand bewegt, muss sie Druck belastet sein, wie z. B. während des Verbrennungstaktes eines Viertakt- Verbrennungsmotors, und das Prüfventil 620 muss so positioniert sein, dass es den Ölfluss in den Unterbehälter 632 erlaubt, der zwischen der Innenseite der Pleuelstange und dem Lagerhalter ausgebildet ist. Das Prüfventil erlaubt dem Öl, sich vom Oberbehälter 634 zum Unterbehälter 632 zu bewegen. Auf diese Art ist die Pleuelstange in der Basislinien-Position verriegelt, bis sich das Prüfventil bewegt.

Damit sich die Variabelverdichtungsverhältnis-Pleuelstange in die Auszugsposition zurückbewegt, muss die Stange unter Zug stehen, wie z. B. während des Ansaugtaktes eines Viertakt- Verbrennungsmotors, und das Prüfventil 620 muss so positioniert sein, dass es den Ölfluss vom Unterbehälter 632 zum Oberbehälter 634 erlaubt. Auf diese Art bleibt die Pleuelstange in der Ausdehn-Hochverdichtungsverhältnis- Position.

In der Ausführungsform werden ein positiver Öldruck kombiniert mit Trägheitskräften an der Pleuelstange verwendet, um die Pleuelstange wie benötigt auszuziehen oder einzuziehen, um das gewünschte Verdichtungsverhältnis zu erreichen. Ferner wird der positive Öldruck verwendet, um die Pleuelstange in der gewünschten Position zu halten oder zu verriegeln. Fig. 7 bis 10, welche unten besprochen werden, zeigen alternative Ausführungsformen des Verdichtungsverhältnis-Mechanismus, welche eine oder mehrere hydraulisch oder elektromechanisch betätigte Verriegelungsmechanismen aufweist, um die effektive Länge der Pleuelstange wie gewünscht beizubehalten.

Fig. 7 ist ein Schaubild, das den Betrieb einer exemplarischen Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung zeigt, welche zwei Verriegelungsmechanismen 722 und 732 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist. Die Vorrichtung weist ferner auf: einen Lagerhalter, der einen Hauptkörperabschnitt 702 in Kontakt mit einem zugehörigen Kurbelzapfen hat, einen oberen Stielabschnitt 708, einen unteren Stielabschnitt 710 und Ölleitungen 704 und 706, um Durchgangswege für eine Hochdruck-Ölleitung 740 und eine Niederdruck-Ölleitung 750 zu schaffen. Die Elemente oder die Abschnitte, die in Kästen 720 und 730 gezeigt sind, sind bevorzugt im Groß-Ende der Pleuelstange benachbart zu den zugehörigen Stielabschnitten 708 und 710 des Lagerhalters angebracht.

Die in Fig. 7 gezeigten Verriegelungsmechanismen werden in ihren momentanen Positionen gehalten, indem die Niedrig- "Schmier"-Öldruckleitung 750 verwendet wird und werden in die nächste Position überführt, indem die Hochdruck-Öllinie 740 verwendet wird. Die in Fig. 7 als durchgezogene Linie dargestellte Hochdruck-Ölleitung 740 wird verwendet, um die Pleuelstange in die nächste Position zu überführen. Dies wird erreicht, indem Hochdruckpulse in der Leitung 740 angewandt werden, welche die Elemente der Verriegelungsmechanismen 722 und 732 veranlassen sich entweder zusammenzuziehen oder sich teilweise zu bewegen, um Druckkräfte oder Zugkräfte auf die Pleuelstange zuzulassen, so dass die Stange in eine Hochverdichtungsverhältnismodus-Position oder eine Niederverdichtungsverhältnismodus-Position übergeführt wird. Die Niedrigdruck-Ölleitung 750 wird im Gegensatz dazu verwendet, um die Verriegelungszapfen 722 und 732 in ihren Positionen zu belassen, nachdem die zugehörigen Hochdruckpulse aufgebracht worden sind, um die Mittellinienachse der Pleuelstange zu versetzen. Bevorzugt veranlasst ein einzelner Hochdruckpuls in der Hochdruckleitung 740 den Verriegelungszapfen, der schon in der Verriegelungs-Position ist, zum Beispiel Mechanismus 722 in Fig. 7, sich auszudehnen und damit zu entriegeln, wobei gleichzeitig der entgegengesetzte Verriegelungsmechanismus 732 veranlasst wird, sich zusammenzuziehen und in einer Verriegelungs-Position zu bleiben, nachdem sich die Kolbenstange in Richtung vom Kolben fort bewegt. Wie in Fig. 7 gezeigt, entspricht damit der Betrieb der Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung einer Überführung vom Hochverdichtungsverhältnismodus zum Niederverdichtungsverhältnismodus.

Wie bei allen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist zu bemerken, dass angenommen wird, dass die Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Überführung in mehr als zwei Verdichtungsverhältniszustände vorgesehen werden kann. Zum Beispiel kann die Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung so konstruiert werden, dass sie zwischen drei oder mehr Verdichtungsverhältniszuständen, das heißt z. B. Hoch-, Mittel- und Niederverdichtungsverhältniszuständen, wechseln kann.

Fig. 8 bis 10 zeigen alternative Ausführungsformen der Verriegelungsmechanismen für die Verdichtungsverhältnis- Vorrichtung der Erfindung. Fig. 8 ist ein Schaubild einer exemplarischen Variabelverdichtungs-Vorrichtung, welche aufweist: zwei entgegengesetzte Verriegelungsmechanismen 824 und 826 und zugehörige Durchgangslöcher 814 und 816, die in Stielabschnitten 804 und 806 gebildet sind. Der in Fig. 8 als schraffierter Bereich dargestellte Verriegelungsmechanismus 814 ist in einer Verriegelungs-Position dargestellt. Bevorzugt sind beide Mechanismen zylindrisch gestaltete Zapfen, die konstruiert sind, den Trägheitskräften zu widerstehen, die via der Pleuelstange während des Motorbetriebes ausgeübt werden.

Fig. 9A zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 8 dargestellt, mit der Ausnahme, dass die Verriegelungsmechanismen 924 und 926 so angeordnet und so konstruiert sind, dass sie mit zugehörigen Kanälen 914 und 916 zusammenzuwirken, welche auf der Ober- und Unterseite der Stielabschnitte 904 beziehungsweise 906 gebildet sind. Eine zusätzliche Ausführungsform ist auch in Fig. 9B gezeigt, mit dem Unterschied, dass die Verriegelungsmechanismen abgeflachte zylindrische Zapfen 974 und 976 sind, welche entsprechend gestaltete Kanäle 964 und 966 aufweisen, welche auf Stielabschnitten 954 und 956 gebildet sind. Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform ähnlich zur Ausführungsform von Fig. 9B mit dem Unterschied, dass nur ein Stiel 1004 mit zugehörigem Verriegelungsmechanismus/Kanal 1024/1014 vorgesehen ist.

Fig. 11 ist ein Ausdruck, der ein exemplarisches Verdichtungsverhältnisdiagramm 1100 zur Anwendung mit oben beschriebenen unterschiedlichen Verdichtungsverhältnis- Vorrichtungen zeigt. Das Diagramm 1100 zeigt die Betriebsstrategie für einen Variabelverdichtungsverhältnis- Verbrennungsmotor, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von der elektronischen Motorsteuerung von Fig. 1 ausgeführt wird. Das Diagramm 1100, welches in computerlesbarem Programmcode und zugehörigen Speichermitteln ausgeführt ist, wird verwendet, um einen Verbrennungsmotor gemäß Hoch- und Nieder- Verdichtungsverhältnismodi 1102 beziehungsweise 1104 zu betreiben, und zwar in Abhängigkeit von erfassten Betriebsumdrehungsdrehzahlen und Lasten des Verbrennungsmotors. Mittels des Diagramms wird bestimmt, wann zwischen den Verdichtungsmodi umzuschalten ist, wobei das Diagramm nur als Beispiel vorgesehen ist.

Die Fig. 12 bis 15 zeigen Kurvenzüge, welche Zylinderdruck und Öldruck gegen Kurbelwinkelgrade für einen Dreizylinder- Viertakt-Variabelverdichtungsverhältnis-Benzin- Verbrennungsmotor zeigen. Fig. 12 und 13 entsprechend einem Nieder- zu Hochverdichtungsverhältnis-Übergang beziehungsweise einem Hoch- zu Niederverdichtungsverhältnis-Übergang und zeigen Kurvenzüge von Zylinderdruck und Öldruck während des Normalbetriebs. Fig. 14 und 15 entsprechen ebenfalls Nieder- zu Hochverdichtungsverhältnis-Übergang beziehungsweise Hoch- zu Niederverdichtungsverhältnis-Übergang und zeigen Kurvenzüge von Zylinderdruck und Öldruck während des Lastbetriebs. Jede der Fig. 12 bis 15 zeigt Kurvenzüge für den Druckverlauf 1201-1203, 1301-1303, 1401-1403 und 1501-1503 für jeden der Zylinder (Kurvenzüge auch bezeichnet mit "1", "2", "3") und Kurvenzüge für den Öldruck 1204, 1304, 1404 und 1504. Die Betriebsbedingungen sind eine nominale Motorumdrehungszahl von 1500 U/min (1500 U/min. 2,62 bar mittlerer induzierter Druck für Zündung im Brennraum) mit einer Öltemperatur von etwa 48,888°C (120°F) und einer Motor-Kühlmitteltemperatur von etwa 65,555°C (150°F).

Die Kurvenzüge 1200 bis 1500, die in den Fig. 12 bis 15 dargestellt sind, sind einem Motor zugeordnet, der Verdichtungsverhältnis-Vorrichtungen aufweist, welche einen relativ hohen Öldruck verlangen, nominal höher als 100 psi, um die Pleuelstangen in einem Niederverdichtungsverhältnis- Betriebsmodus zu halten, und einen relativ niedrigen Öldruck verlangt, nominal weniger als 100 psi, um die Pleuelstangen in einem Hochverdichtungsverhältnis-Betriebsmodus zu halten. Die derzeitigen Werte des Öldruck-Niveaus und der Bezug zum Verdichtungsverhältnismodus ist jedoch nicht vorgesehen, um den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Wenn, wie mit den Kurvenzügen gezeigt, der Kammer-Öldruck einen Schwellenwert erreicht, werden die Pleuelstangen innerhalb eines einzigen Motorzyklus in die vorgesehene Position überführt. Die in Fig. 12 und 14 dargestellten Überführungen ergeben den Hochverdichtungsmodus-Betrieb, und die in Fig. 13 und 15 dargestellten Überführungen ergeben den Niederverdichtungsmodus-Betrieb.

Demzufolge sind bevorzugte Ausführungsformen einer Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung beschrieben worden, welche aufweist: einen Lagerhalter zusammen mit einer Pleuelstange, wobei die Mittellinienachse der Pleuelstange bezüglich der Mittellinienachse des Lagerhalters schnell und zuverlässig versetzt wird, um eine Längenänderung der Pleuelstange zu bewirken, wobei selektiv eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors verursacht wird. Der Übergang von einem Verdichtungsverhältnismodus zum anderen wird in linearer Weise ausgeführt, ohne dass die Rotation eines exzentrisches Ringteils wie nach dem Stand der Technik benötigt wird. Das Verdichtungsverhältnis kann in Übereinstimmung mit jeder geeigneten Steuerungsstrategie eingestellt werden, wobei ein geeignetes hydraulisches oder elektromechanisches System verwendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ölsystem des Motors verwendet, um den Mechanismus einzustellen, um ein ausgewähltes Verdichtungsverhältnis für den Verbrennungsmotor bereitzustellen.

Claims (14)

1. Vorrichtung für das selektive Variieren des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor aufweist: ein Zylinder (111, 216), einen im Zylinder (111, 216) angeordneten Hubkolben (112, 212), eine Kurbelwelle (116, 226), welche einen Kurbelzapfen (117, 222) hat, und eine Festlängen-Pleuelstange (114, 218), die mit dem Kurbelzapfen (117, 222) und dem Kolben (112, 212) verbunden ist, wobei die Vorrichtung einen Lagerhalter (220) aufweist, der zwischen der Pleuelstange (218) und dem Kurbelzapfen (222) angeordnet ist, wobei der Lagerhalter (220) eine Innenfläche in Verbindung mit dem Kurbelzapfen und eine Außenfläche hat, die relativ zur Pleuelstange (218) entlang einer Längsachse (234) der Pleuelstange (218) axial beweglich ist, um einen selektiven Versatz der Pleuelstange (218) relativ zum Lagerhalter (220) zu bewirken, wobei der Versatz eine Änderung der effektiven Länge der Pleuelstange (218) und des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einer Mehrzahl von Verdichtungsverhältnismodi zu konfigurieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einem ersten Verdichtungsverhältnismodus zu konfigurieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einem zweiten Verdichtungsverhältnismodus zu konfigurieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Versatz in einer ersten Richtung entlang der Längsachse der Pleuelstange (218) mit einem ersten Verdichtungsverhältnismodus des Motors korrespondiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Versatz in einer zweiten Richtung entlang der Längsachse der Pleuelstange (218) mit einem zweiten Verdichtungsverhältnismodus des Motors korrespondiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist mindestens einen Verriegelungsmechanismus (722, 732) in Verbindung mit dem Lagerhalter und der Pleuelstange, um die Pleuelstange in einer ausgewählten Position relativ zum Lagerhalter zu halten, wobei die ausgewählte Position einer ausgewählten Verdichtung des Verbrennungsmotors zugeordnet ist.

8. Hubkolben-Verbrennungsmotor, welcher aufweist: einen Zylinder, einen im Zylinder angeordneten Kolben (212), eine Kurbelwelle, welche einen Kurbelzapfen (222) aufweist, und eine Festlängen-Pleuelstange (218), die mit dem Kurbelzapfen (222) und dem Kolben (212) verbunden ist, wobei der Motor eine Verdichtungsverhältnis-Vorrichtung aufweist, welche ihrerseits aufweist: einen Lagerhalter (220), der zwischen der Pleuelstange (218) und dem Kurbelzapfen (212) angeordnet ist, wobei der Lagerhalter (220) eine Innenfläche in Verbindung mit dem Kurbelzapfen (212) und eine Außenfläche hat, die relativ zur Pleuelstange (218) entlang einer Längsachse der Pleuelstange axial beweglich ist, um einen selektiven Versatz der Pleuelstange (218) relativ zum Lagerhalter (229) zu bewirken, wobei der Versatz eine Änderung in der effektiven Länge der Pleuelstange (218) und dem Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors bewirkt.

9. Motor nach Anspruch 8, wobei die Verdichtungsverhältnis- Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einer Mehrzahl von Verdichtungsverhältnismodi zu betreiben.

10. Motor nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einem ersten Verdichtungsverhältnismodus zu konfigurieren.

11. Motor nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung betreibbar ist, um die effektive Länge der Pleuelstange (218) zu variieren, um den Motor in einem zweiten Verdichtungsverhältnismodus zu konfigurieren.

12. Motor nach Anspruch 8, wobei der Versatz in einer ersten Richtung entlang der Längsachse der Pleuelstange (218) einem ersten Verdichtungsverhältnismodus des Motors zugeordnet ist.

13. Motor nach Anspruch 8, wobei der Versatz in einer zweiten Richtung entlang der Längsachse der Pleuelstange (218) einem zweiten Verdichtungsverhältnismodus des Motors zugeordnet ist.

14. Motor nach Anspruch 8, welcher ferner aufweist mindestens einen Verriegelungsmechanismus in Verbindung mit dem Lagerhalter (220) und der Pleuelstange (218), um die Pleuelstange (218) in einer ausgewählten Position relativ zum Lagerhalter zu halten, wobei die ausgewählte Position einer ausgewählten Verdichtung des Verbrennungsmotors zugeordnet ist.