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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 1 307 642 B1 ist
eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Verändern des
Verdichtungsverhältnisses
bekannt, auf welcher der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert. Die Vorrichtung
weist insbesondere für
einen Zylinder der Brennkraftmaschine eine Hauptpleuelstange, die
mit einem Kolben verbunden ist, einen Querhebel, der über Drehgelenke
mit der Hauptpleuelstange und der Kurbelwelle verbunden ist, eine
Nebenpleuelstange, die über
Drehgelenke mit dem Querhebel und einem dem wenigstens einen Zylinder
zugeordneten Exzenter verbunden ist, und eine Antriebsvorrichtung
für eine
Verstellwelle, auf der der Exzenter angeordnet ist, auf.
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Durch
Verdrehen der Verstellwelle und damit durch Verdrehen des Exzenters
werden Lage und Stellung der Nebenpleuelstange und des Querhebels verändert. Damit
verschiebt sich auch die Lage des Kolbens der Brennkraftmaschine,
und es ändert
sich somit das Verdichtungsverhältnis.
Die Verstellwelle mit dem Exzenter führt eine zur Kurbelwelle synchrone
Drehbewegung aus oder wird über
eine nicht näher
gezeigte Verstelleinrichtung verdreht. Diese bekannte Vorrichtung
ist geeignet zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitiger
Verbesserung der Laufruhe.
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Die
DE 30 04 402 A1 zeigt
eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bei der die Mitte der Kurbelwelle über eine
exzentrische Lagerung relativ zur Lage der Zylinder verstellbar
ist, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis ändert.
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In
der
EP 0 640 176 B1 ist
ebenfalls eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
von Hubkolbenbrennkraftmaschinen offenbart, bei der über einen
auf einer Verstellwelle gelagerten Exzenter und Hebel die Zylinder
gegenüber
dem Gehäuse
der Brennkraftmaschine gekippt werden. Auf diese Weise ändert sich
die Lage der Oberkante der Zylinder gegenüber der Mitte der Kurbelwelle,
und beim Verstellvorgang findet dadurch eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
statt.
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Die
DE 102 21 334 A1 beschreibt
ebenfalls eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bei der ähnlich wie bei der
EP 0 640 176 B1 die
Oberkante der Zylinder gegenüber
der Mitte der Kurbelwelle verlagert wird. In diesem Fall wird das
Oberteil des Zylindergehäuses über zwei
auf Verstellwellen gelagerte Exzenter translatorisch verschoben
und dadurch das Verdichtungsverhältnis
verändert.
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Aus
der
DE 100 26 634
A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
von Hubkolbenbrennkraftmaschinen bekannt, bei der zwischen der Pleuelstange
und dem Kolben der Brennkraftmaschine ein Exzenter angeordnet ist. Dieser
Exzenter ist über
Hebel von außen
von einer Ver stellwelle verstellbar, wodurch sich ebenfalls das Verdichtungsverhältnis ändert.
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Merkmal
aller vorgenannten Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist die Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
durch Drehen mindestens einer Verstellwelle.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstelleinrichtung
zum Verdrehen der Verstellwelle bereitzustellen, mit der dies auf
einfache und kompakte Weise und mit geringem Energieeinsatz jederzeit
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Brennkraftmaschine hat in einem Gehäuse angeordnete Zylinder, eine
Kurbelwelle und Kolben, die sich in den Zylindern bewegen, sowie eine
Vorrichtung zur Veränderung
eines Verdichtungsverhältnisses
eines Brennraums der Brennkraftmaschine. Diese Vorrichtung weist
für wenigstens
einen Zylinder einen Verstellhebel, der direkt oder über einen
Zwischenhebel die Länge
einer Pleuelstange des Kolbens, den Hub der Kurbelwelle und/oder
eine Oberkante der Zylinder in ihrer Lage zur Mitte der Kurbelwelle
verändert;
einen dem wenigstens einen Zylinder zugeordneten Exzenter, der im
Gehäuse
gelagert ist und Lage und/oder Richtung des Verstellhebels durch
Drehen ändert;
und eine von der Kurbelwelle angetriebene Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle,
auf der der Exzenter angeordnet ist, auf. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebsvorrichtung der Vorrichtung
zur Veränderung des
Verdichtungsverhältnisses
eine Kupplungseinrichtung mit integrierter Bremsfunktion enthält, mit welcher
die Verstellwelle wahlweise mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung
bringbar oder blockierbar ist.
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Die
Antriebsvorrichtung der Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
ermöglicht
ein Verstellen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis, ein Verstellen zu einem
niedrigen Verdichtungsverhältnis
und ein Beibehalten einer aktuellen Einstellung.
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Zum
Drehen der Verstellwelle und damit des Exzenters zum Verstellen
zu einem hohen Verdichtungsverhältnis
wird der Antriebsvorrichtung von der Kurbelwelle Energie zugeführt und
diese über
die Kupplungseinrichtung auf die Verstellwelle übertragen. Soll das aktuelle
Verdichtungsverhältnis
beibehalten werden, so wird ein Drehen der Verstellwelle durch die
in der Kupplungseinrichtung integrierte Bremsfunktion blockiert.
Wenn die Antriebsvorrichtung die Verstellwelle weder mit der Kurbelwelle
in Wirkverbindung setzt noch blockiert, kann sich die Verstellwelle
selbsttätig
in Richtung niedriger Verdichtung drehen. Zum Drehen der Verstellwelle
und damit des Exzenters zum Verstellen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis wird
diesen Bauteilen Energie durch den Gasdruck im Brennraum zugeführt, wobei
durch die Kupplungseinrichtung ein freies Drehen der Verstellwelle
ermöglicht
ist.
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Die
Antriebsvorrichtung kann zu jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
betätigt
werden. Durch die Kupplungseinrichtung mit integrierter Bremsfunktion
wird ein sehr kompakter Aufbau der Antriebsvorrichtung mit wenigen
Bauteilen erzielt.
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Je
nach Ausführungsform
der Vorrichtung zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
wird das Verdichtungsverhältnis über eine
Längenänderung
der Pleuelstange, eine Veränderung
des Kolbenhubes und/oder eine Verschiebung der Oberkante des Zylinders
relativ zur Kurbelwelle bewirkt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kupplungseinrichtung
einen Rotor aus einem Hysteresematerial, der mit der Verstellwelle
in Wirkverbindung steht; eine erste Polstruktur, die drehfest mit
einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad verbunden ist;
und eine zweite Polstruktur, die fest mit dem Gehäuse verbunden
ist, auf, wobei die erste und die zweite Polstruktur wahlweise aktivierbar
sind. In diesem Fall kann der ersten Polstruktur eine erste gehäusefeste
Spulenwicklung zugeordnet sein und der zweiten Polstruktur eine
zweite gehäusefeste
Spulenwicklung zugeordnet sein, die wahlweise bestromt werden können, um
die Kupplungsfunktion bzw. die Bremsfunktion der Kupplungseinrichtung
zu aktivieren.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist die Kupplungseinrichtung
einen Anker aus einem magnetisierbaren Material, der mit der Verstellwelle
in Wirkverbindung steht; ein Federelement, das den Anker in Drehverbindung
mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad vorspannt;
und eine wahlweise aktivierbare Spulenwicklung, die fest mit dem
Gehäuse
verbunden ist und den Anker entgegen der Kraft des Federelements
in Verbindung mit dem Gehäuse
ziehen kann, auf. Durch eine Bestromung der Spulenwicklung wird
die Bremsfunktion der Kupplungseinrichtung aktiviert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebsvorrichtung
ferner ein Getriebe, beispielsweise ein zweistufiges Planetengetriebe auf,
sodass die Drehbewegung der Kurbelwelle deutlich verlangsamt auf
die Verstellwelle übertragen werden
kann. Dies erhöht
die Verstellgenauigkeit des Exzenters und reduziert außerdem die
Verlustleistung der Kupplungseinrichtung. Die Position der Verstellwelle
kann hierbei zusätzlich
durch einen Sensor erfasst werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Antriebsvorrichtung
vorteilhafterweise mit einem Umschlingungs- oder Wälzgetriebe
zum Antrieb von Nockenwellen wirkverbunden sein.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
einer ersten Ausführungsform
in einer Einstellung zu hoher Verdichtung;
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2 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
der ersten Ausführungsform
in einer Einstellung zu niedriger Verdichtung;
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3 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
der ersten Ausführungsform
in einer Einstellung bei blockierter Verstellwelle;
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4 verschiedene Perspektivansichten einer
Antriebsvorrichtung für
eine Verstellwelle gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht der Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle von 4;
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6 schematische Darstellungen zur Erläuterung
der Funktionsweise der Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle von 4;
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7 eine
Schnittansicht einer Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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8 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
einer zweiten Ausführungsform;
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9 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
einer dritten Ausführungsform;
und
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10 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
einer vierten Ausführungsform.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Vorrichtung 12 zur
Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
in einem Betriebszustand der Verstellung in Richtung einer hohen
Verdichtung schematisch in einem Querschnitt und einem Teillängsschnitt
dargestellt. Die Brennkraftmaschine 10 weist ein Gehäuse 14 auf,
in dem sich der Kolben 16 und die Kurbelwelle 18 bewegen.
Der Kolben 16 wird durch die Gaskraft 20 nach
unten bewegt und überträgt diese
Bewegung über
die Hauptpleuelstange 22 und den Querhebel 24 auf
die Kurbelwelle 18. Der Querhebel 24 ist über die
Nebenpleuelstange 26, die als ein Verstellhebel dient,
an einem Exzenter 28 abgestützt, der seinerseits auf der
Verstellwelle 30 angeordnet ist.
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Die
Brennkraftmaschine 10 weist ferner zwei Nockenwellen 32 auf,
die durch ein Umschlingungsgetriebe 34, beispielsweise
einen Kettentrieb, von der Kurbelwelle 18 angetrieben werden.
Das Umschlingungsgetriebe 34 treibt seinerseits ein als
Antriebsrad dienendes Kettenrad 36 an, das über eine Antriebsvorrichtung 38 mit
der Verstellwelle 30 verbunden ist. Die Antriebsvorrichtung 38 enthält insbesondere
eine Kupplungseinrichtung 40 mit integrierter Bremsfunktion
sowie ein Getriebe 42. Das eingangsseitige Wellenstück 44 des
Getriebes 42 ist über
die Kupplungseinrichtung 38 sowohl mit dem Kettenrad 36 (Kupplungsfunktion)
als auch mit dem Gehäuse 14 (Bremsfunktion)
verbindbar.
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Anhand
der 4 bis 6 werden
nun der Aufbau und die Funktionsweise einer Antriebsvorrichtung 38 für die Verstellwelle 30 gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Das
von dem Umschlingungsgetriebe 34 angetriebene Kettenrad 36 ist
einstückig
mit einem Rotor 46 mit einer ersten, sich mit dem Kettenrad 36 drehenden
Polstruktur 48 ausgebildet. Radial innerhalb dieses Rotors 46 ist
ein ringförmiger
Kupplungsrotor 50 aus einem Hysteresematerial, der als
magnetisches Kupplungs- und Bremselement dient, angeordnet, der
außerdem
mit der Eingangswelle 44 des Getriebes 42 drehfest
verbunden ist. Das Hysteresematerial ist vorzugsweise magnetisch
halbhart und besitzt eine ausgeprägte Schleife im B-H-Diagramm.
Der Rotor 46 mit der ersten Polstruktur 48 ist weiter
radial von einem ersten gehäusefesten
Stator 52 mit einer Spulenwicklung 54 umgeben.
Radial innerhalb des Rotors 46 und des Kupplungsrotors 50 ist
ein zweiter gehäusefester
Stator 56 mit einer Spulenwicklung 58 und einer
zweiten Polstruktur 60 angeordnet.
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Wie
in 6A und 6B veranschaulicht, wird
der Kupplungsrotor 50 aus dem Hysteresematerial bei einer
Bestromung der Spulenwicklung 54 des ersten Stators 52 aufgrund
der ersten (kupplungsseitigen) Polstruktur 48 auf seiner
Außenseite
(oben in 6A) tangential durchflutet bzw.
bei einer Bestromung der Spulenwicklung 58 des zweiten
Stators 56 aufgrund der zweiten (bremsseitigen) Polstruktur 60 auf
seiner Innenseite (unten in 6B) tangential durchflutet.
Dabei wird der magnetische Fluss von der Spulenwicklung 54 über einen
Luftspalt 62 in die drehende Polstruktur 48 eingekoppelt.
Durch die ständige
Ummagnetisierung des Hysteresematerials bei Bewegung des Kupplungsrotors 50 entsteht
eine Kraftwirkung, die entweder den Kupplungsrotor 50 beschleunigt
(6A) oder bremst (6B).
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Die
so aufgebaute Antriebsvorrichtung 38 arbeitet berührungslos
und verschleißfrei
und ist außerdem
gut regelbar. Aufgrund der Integration der Bremsfunktion in die
Kupplungseinrichtung 40 wird ein sehr kompakter Aufbau
mit wenigen Bauteilen ermöglicht.
Das Kupplungsmoment und das Bremsmoment sind von der Drehzahl nahezu
unabhängig.
Neben der in 4 und 5 dargestellten
ring- bzw. bandförmigen
Konstruktion des Kupplungsrotors 50 aus einem Hysteresematerial
ist auch ein scheibenförmiger
Aufbau des Kupplungsrotors 50 denkbar.
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Das
Getriebe 42 kann zum Beispiel als zweistufiges Planetengetriebe
ausgeführt
sein, wie in 1 und 5 dargestellt.
Das eingangsseitige Sonnenrad 64 ist mit dem eingangsseitigen Wellenstück 44 verbunden,
das von dem Kettenrad 36 angetrieben wird, und der ausgangsseitige
Steg ist mit der Verstellwelle 30 verbunden. Die Hohlräder 66, 68 der
beiden Stufen des zweistufigen Planetengetriebes 42 stützen sich
jeweils am Gehäuse 14 ab.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf 7 eine Beschreibung
des Aufbaus und der Funktionsweise einer Antriebsvorrichtung 38 für die Verstellwelle 30 gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Im
Vergleich zu der oben anhand der 4 bis 6 beschriebenen Antriebsvorrichtung 38 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
der Antriebsvorrichtung 38 für die Verstellwelle 30 statt
der Konstruktion aus zwei aktivierbaren Polstrukturen 48, 60 und
einem Kupplungsrotor 50 aus einem Hysteresematerial der folgende
Aufbau vorgesehen.
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Mit
dem eingangsseitigen Wellenstück 44 des
Getriebes 42 ist hier ein Anker 70 aus einem magnetisierbaren
Material einstückig
verbunden. Dieser magnetisierbare Anker 70 ist axial zwischen
das von der Kurbelwelle 18 angetriebene Kettenrad 36 und
einen gehäusefesten
Stator 72 mit einer integrierten Spulenwicklung 74 gesetzt.
Außerdem
ist der Anker 70 auf seinen beiden axialen Seiten jeweils
mit einem Reibbelag 76, 78 versehen und mittels
eines sich an dem gehäusefesten
Stator 72 abstützenden
Federelements 80 in Richtung auf das Kettenrad 36 vorgespannt.
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Ohne
Bestromung der Spulenwicklung 74 des Stators 72 wird
der Anker 70 durch das Federelement 80 mit seinem
Reibbelag 76 gegen das Kettenrad 36 gedrückt, sodass
sich der Anker 70 und damit auch das eingangsseitige Wellenstück 44 des Getriebes 42 mit
dem Kettenrad 36 drehen. Mit anderen Worten ist die Verstellwelle 30 durch
die eingeschaltete Kupplungseinrichtung 40 mit der Kurbelwelle 18 in
Wirkverbindung gebracht. Bei einer bestromten Spulenwicklung 74 des
Stators 72 wird der magnetisierbare Anker 70 gegen
die Kraft des Federelements 80 in Richtung des gehäusefesten
Stators 72 gezogen und damit der Getriebeeingang 44 gebremst.
Der Ausgleich der entstehenden Axialbewegung des Getriebeeingangs 44 (z.B. < 1,0 mm) wird durch
das verschiebliche Sonnenrad 64 des Planetengetriebes 42 aufgenommen.
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Die übrigen Komponenten
der Antriebsvorrichtung 38 sind gleich jenen des obigen
ersten Ausführungsbeispiels,
weshalb auf eine nochmalige nähere
Erläuterung
derselben verzichtet wird.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1 übersetzt das zweistufige Planetengetriebe 42 der
Antriebsvorrichtung 38 die Drehzahl des Kettenrades 36 in
eine niedrige Drehzahl der Verstellwelle 30. weiter sind
für die
Verstellwelle 30 zwei gehäusefeste Anschläge 82, 84 vorgesehen,
die einen möglichen
Verdrehwinkel der Verstellwelle auf beispielsweise etwa 100° bis etwa
150° begrenzen.
Zusätzlich
kann ein Sensor (nicht dargestellt) zum Erfassen der Drehstellung
der Verstellwelle 30 vorgesehen sein.
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Ein
Verstellvorgang des Verdichtungsverhältnisses von einer niedrigen
Verdichtung zu einer hohen Verdichtung findet in der folgenden Weise statt.
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Wie
in 1 angedeutet, dreht sich die Kurbelwelle 18 im
Uhrzeigersinn und treibt dabei das Umschlingungsgetriebe 34 an.
Dadurch wird das Kettenrad 36 entgegen der Drehrichtung
der Kurbelwelle 18 gedreht. Falls der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10 in
Richtung hoher Verdichtung verstellt werden soll, wird durch ein
nicht gezeigtes Steuergerät
veranlasst, die Kupplungseinrichtung 40 der Antriebsvorrichtung 38 einzuschalten,
d.h. zum Beispiel die Spulenwicklung 54 des Stators 52 zu
bestromen, sodass die Drehbewegung des Kettenrades 36 über das
Wellenstück 44 und
das Planetengetriebe 42 auf die Verstellwelle 30 übertragen wird.
Aufgrund der großen Übersetzung
des zweistufigen Planetengetriebes 42 dreht sich die Verstellwelle 30 entgegen
der Kurbelwellendrehrichtung mit einer deutlich langsameren Geschwindigkeit.
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Die
Drehung erfolgt bis zu dem ersten Anschlag 82. Beim Auftreffen
der Verstellwelle 30 oder eines daran befestigten Anschlaggegenstücks gegen den
ersten Anschlag 82 wird die Kupplungseinrichtung 40 geöffnet, um
eine Beschädigung
zu vermeiden. Wahlweise kann die Kupplungseinrichtung 40 in diesem
Fall auch Durchrutschen.
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Bei
einer solchen Verdrehung der Verstellwelle 30 in Richtung
hoher Verdichtung werden der Exzenter 28 und die Nebenpleuelstange 26 in
eine nahezu gestreckte Lage gebracht, wobei der erste Anschlag 82 eine
Totpunktstellung in einer vollständig
gestreckten Lage vermeidet. Durch das Verdrehen des Exzenters 28 und
das Verschieben der Nebenpleuelstange 26 wird der Querhebel 24 um
seinen Anlenkpunkt 86 an der Kurbelwelle 18 gedreht. Diese
Drehung des Querhebels 24 bewirkt wiederum eine Verschiebung
der Hauptpleuelstange 22 und des Kolbens 16 nach
oben. Diese Bewegung des Kolbens 16 ist der normalen oszillierenden
Kolbenbewegung überlagert
und erzeugt im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung eine höhere Kolbenstellung
und damit eine höhere
Verdichtung im Brennraum gegenüber
einer Stellung der Verstellwelle 30 vor deren Drehung.
Diese hohe Verdichtung bleibt so lange erhalten, wie die Verstellwelle 30 am
ersten Anschlag 82 anliegt.
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In 2 ist
die Brennkraftmaschine 10 von 1 mit der
Vorrichtung 12 zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
in einem Betriebszustand der Verstellung zu niedriger Verdichtung
schematisch in einem Querschnitt und einem Teillängsschnitt dargestellt. Dabei
sind in 2 die gleichen Elemente und
Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 versehen.
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Ein
Verstellvorgang zu niedriger Verdichtung der Brennkraftmaschine 10 erfolgt
folgendermaßen. Die
Kupplungseinrichtung 40 der Antriebsvorrichtung 38 wird
derart angesteuert, dass weder eine Kupplungswirkung noch eine Bremswirkung
erzeugt wird, d.h. beispielsweise keine der Spulenwicklungen 54, 58 der
Statoren 52, 56 bestromt wird. Das Kettenrad 36 wird
vom Umschlingungsgetriebe 34 angetrieben und dreht sich
ohne Verbindung zum Wellenstück 44 lose
mit. Das Getriebe 42 überträgt daher
keine Kräfte
auf die Verstellwelle 30, weshalb diese sich frei drehen
kann.
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Der
integrale Gasdruck 20, der bei hoher Verdichtung größer ist
als bei niedriger Verdichtung, drückt den Kolben 16 und
die Hauptpleuelstange 22 nach unten. Damit wird der Querhebel 24 um
seinen Anlenkpunkt 86 an der Kurbelwelle 18 gedreht,
und die Nebenpleuelstange 26 verdreht den Exzenter 28 und
die Verstellwelle 30. Diese Drehbewegung kann durch eine
Feder 88 unterstützt
werden, die auch die Verstellwelle 30 bis an den zweiten
Anschlag 84 dreht, da die Verstellkraft aus dem integralen
Gasdruck 20 klein ist und aufgrund der Hebelverhältnisse zwischen
Exzenter 28 und Nebenpleuelstange 26 nahe dem
Totpunkt nahezu verschwindet.
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Die
beiden Anschläge 82, 84 für die Verstellwelle 30 sind
so angeordnet, dass zwischen der Verstellwelle 30 und der
Nebenpleuelstange 26 immer ein ausreichender Sicherheits abstand
zu einer Totpunktlage existiert. Eine Totpunktlage zwischen der Verstellwelle 30 und
der Nebenpleuelstange 26 liegt dabei bei den Winkeln von
0° und 180° zwischen
den Wirkrichtungen der beiden Bauteile.
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Eine
Betätigung
der Vorrichtung 12 zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses
zu hoher oder zu niedriger Verdichtung kann bei laufendem Betrieb der
Brennkraftmaschine 10 zu jedem beliebigem Betriebspunkt
erfolgen und wird von einem (nicht dargestellten) Steuergerät in Abhängigkeit
verschiedener Parameter wie Last, Drehzahl, Kraftstoffqualität, Temperatur
und dergleichen ausgelöst.
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In 3 ist
die Brennkraftmaschine 10 von 1 und 2 mit
der Vorrichtung 12 zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
in einem Betriebszustand mit blockierter Verstellwelle 30 schematisch
in einem Querschnitt und einem Teillängsschnitt dargestellt. Dabei
sind in 3 die gleichen Elemente und
Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 und 2 versehen.
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In
diesem Fall wird die Kupplungseinrichtung 40 der Antriebsvorrichtung 38 derart
angesteuert, dass ihre Bremsfunktion aktiviert wird. Das heißt, das Getriebe 42 und
damit die Verstellwelle 30 werden mit dem Gehäuse 14 verblockt
bzw. gebremst, indem zum Beispiel die Spulenwicklung 58 des
Stators 56 bestromt ist. Auf diese Weise wird die Verdichtung der
Brennkraftmaschine 10 nicht verändert und verbleibt auf dem
aktuell eingestellten Wert. Diese Bremsfunktion der Kupplungseinrichtung 40 kann grundsätzlich in
jeder Drehstellung der Verstellwelle 30, d.h. bei jedem
Verdichtungsverhältnis
aktiviert werden.
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Die
Bremsfunktion der Kupplungseinrichtung 40 muss absichtlich
aktiviert werden. Im Falle eines Ausfalls oder einer Fehlfunktion
der Ansteuerung oder der Kupplungseinrichtung 40 stellt
sich so selbsttätig
eine Stellung der Verstellwelle 30 mit niedriger Verdichtung
ein. Damit ist ein gefahrloser Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine 10 mit
unter Umständen
verminderter Leistung möglich,
wodurch zum Beispiel beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug eine Weiterfahrt
zu einer Werkstatt aus eigener Kraft noch möglich ist.
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Nachfolgend
werden Bezug nehmend auf 8 bis 10 drei
weitere Ausführungsformen
einer Vorrichtung 12 zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
näher beschrieben,
wobei die oben anhand von 4 bis 6 näher
erläuterte
Antriebsvorrichtung 38 der Erfindung auf alle diese Vorrichtungen 12 gleichermaßen anwendbar
ist, ohne dass dies jeweils nochmals genauer ausgeführt wird.
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Die
Vorrichtungen 12', 12'', 12''' zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
sind jeweils in einer Darstellung analog 1, d.h.
in einem Betriebszustand der Verstellung in Richtung zu einer hohen
Verdichtung gezeigt. Gleiche Komponenten wie bei der ersten Ausführungsform
von 1 bis 3 sind wieder mit den gleichen
Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Die
Brennkraftmaschine 10 von 8 weist ein
Zylindergehäuse 90 auf,
in dem sich der Kolben 16 bewegt. Das Zylindergehäuse 90 ist
um eine Schwenkachse 92 schwenkbar gelagert, wodurch sich
der Abstand einer Oberkante 94 des Zylindergehäuses 90 von
der Mitte der Kurbelwelle 18 auf verschiedene werte einstellen
lässt und
damit das Verdichtungsverhältnis
veränderbar
ist.
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Die
Vorrichtung 12' zur
Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
besteht im Wesentlichen aus einem Exzenter 28 und einer
als Verstellhebel der Erfindung dienenden Verstellstange 96,
die einerseits am Exzenter 28 und am anderen Ende am Zylindergehäuse 90 befestigt
ist. Der Exzenter 28 ist auf der Verstellwelle 30 angeordnet.
Durch das Verdrehen der Verstellwelle 30 und damit des
Exzenters 28 in der oben beschriebenen Weise wird mittels
der Verstellstange 96 das Zylindergehäuse 90 geschwenkt.
Das Verstellen in Richtung hoher oder niedriger Verdichtung sowie
das Blockieren der Verstellwelle 30 zum Beibehalten der
aktuellen Verdichtung geschehen über
die Vorrichtung 12' mittels
der Antriebsvorrichtung 38 in der gleichen Weise, wie oben
in Zusammenhang mit 1 bis 7 beschrieben.
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Die
Brennkraftmaschine 10 der in 9 dargestellten
dritten Ausführungsform
weist eine Kurbelwelle 18 auf, deren Mitte gegenüber dem
Gehäuse 14 der
Brennkraftmaschine 10 verschoben werden kann, um auf diese
Weise das Verdichtungsverhältnis
der Brennkraftmaschine 10 zu verändern.
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Die
Mitte der Kurbelwelle 18 ist auf einem Grundlagerexzenter 98 gelagert,
der seinerseits von der Vorrichtung 12'' zur
Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
gedreht werden kann. Die Vorrichtung 12'' besteht
im Wesentlichen aus einem Exzenter 28 und einem Verstellhebel 100,
der einerseits am Exzenter 28 über eine Zahnradverbindung
eingreift und andererseits am Grundlagerexzenter 98 befestigt
ist. Der Exzenter 28 ist auf der Verstellwelle 30 angeordnet,
die über
eine Zahnradübersetzung 102 vom
Umschlingungsgetriebe 34 zum Antrieb der Nockenwellen 32 mittels
der Antriebsvorrichtung 38 angetrieben wird. Durch das
Verdrehen der Verstellwelle 30 und damit des Exzenters 28 wird
mittels des Verstellhebels 100 der Grundlagerexzenter 98 gedreht
und so das Ver dichtungsverhältnis
verändert. Das
Verstellen in Richtung hoher oder niedriger Verdichtung sowie das
Blockieren der Verstellwelle 30 zum Beibehalten der aktuellen
Verdichtung geschieht über
die Vorrichtung 12'' mittels der
Antriebsvorrichtung 38 in der gleichen Weise, wie oben
in Zusammenhang mit 1 bis 7 beschrieben.
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Die
Brennkraftmaschine 10 der in 10 dargestellten
vierten Ausführungsvariante
weist einen Kolben 16 auf, der über ein exzentrisches Pleuellager 104 und
die Hauptpleuelstange 22 mit der Kurbelwelle 18 verbunden
ist. Das exzentrische Pleuellager 104 ist fest mit einem
Pleuelverstellhebel 106 verbunden, der seinerseits von
der Vorrichtung 12''' zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses gedreht
werden kann.
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Die
Vorrichtung 12''' besteht dabei im Wesentlichen
aus einem Exzenter 28 und einer Verbindungsstange 108,
die einerseits am Exzenter 28 und am anderen Ende am Pleuelverstellhebel 106 befestigt
ist. Der Exzenter 28 ist auf der Verstellwelle 30 angeordnet.
Durch das Verdrehen der Verstellwelle 30 und damit des
Exzenters 28 wird mittels der Verbindungsstange 108 der
Pleuelverstellhebel 106 bewegt, das exzentrische Pleuellager 104 gedreht
und damit das Verdichtungsverhältnis
verändert.
Das Verstellen in Richtung hoher oder niedriger Verdichtung sowie
das Blockieren der Verstellwelle 30 zum Beibehalten der
aktuellen Verdichtung geschieht über
die Vorrichtung 12''' mittels der Antriebsvorrichtung 38 in
der gleichen Weise, wie oben in Zusammenhang mit 1 bis 7 beschrieben.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen
und in den Zeichnungen dargestellten konkreten Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist.
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Für den Fachmann
sind zahlreiche Varianten und Modifikation offensichtlich, die im
Schutzumfang der Erfindung liegen, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert
ist. Insbesondere können
alle anhand der in 1 bis 7 veranschaulichten
Merkmale auch bei den weiteren Ausführungsformen der 8 bis 10 eingesetzt
werden.