DE102008005467A1

DE102008005467A1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102008005467A1
Application number: DE102008005467A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wittek
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine (1) mit einer exzentrisch gelagerten, verstellbaren Kurbelwelle (2), mit einer Erfassungseinrichtung (6) von ein oder mehreren wirkenden Exzentermomenten und mit einer Auslösevorrichtung (7), die eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle (2) unter Ausnutzung eines wirkenden Exzentermoments bewirkt. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenmaschine vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einer exzentrisch gelagerten, verstellbaren Kurbelwelle sowie ein Verfahren zur Änderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses. Die Hubkolbenmaschine wird vorzugsweise bei Hubkolbenverdichtern angewendet.
Aus der 199 18 592 A1 geht eine Hubkolbenmaschine hervor, die als Verbrennungskraftmaschine für ein Fahrzeug vorgesehen ist. Diese Hubkolbenmaschine weist einen Stellantrieb zur Positionierung eines Stellmittels, in diesem Falle eine Exzentereinheit auf. Zur Verstellung der Exzentereinheit wird als Ergänzung zum eigentlichen Stellantrieb ein hochübersetzendes Getriebe mit oder ohne Selbsthemmung vorgeschlagen. Der Antrieb, der über das Getriebe wirken soll, sieht einen Elektromotor vor. Eine derartige Verstellung erfordert zum einen einen leistungsstarken und damit auch teuren Elektromotor, zum anderen ein entsprechend kräftig ausgelegtes Getriebe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Entlastung eines Antriebs einer verstellbaren Verdichtung bei einer Hubkolbenmaschine ermöglichen zu können.
Diese Aufgabe wird mit einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Es wird eine Hubkolbenmaschine mit einer exzentrisch gelagerten, verstellbaren Kurbelwelle vorgeschlagen, mit einer Erfassungseinrichtung von einem oder mehreren wirkenden Exzentermomenten, und mit einer Auslösevorrichtung, die eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle unter Ausnutzung eines wirkenden Exzentermoments bewirkt.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine Betätigungsvorrichtung für eine Exzentereinheit an der Hubkolbenmaschine vorgesehen sein, die unter Nutzung von Triebwerkskräften eine Verstellung bewirkt. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass eine exzentrische Verlagerung der Kurbelwelle ausschließlich durch wirkende Triebwerkskräfte erfolgt, ohne dass eine aktive Verstellvorrichtung, das heißt ein Elektromotor, ein hydraulischer Antrieb oder eine sonstige Betätigungseinrichtung, vorgesehen ist. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, dass zusätzlich zu einer derartigen aktiven Verstelleinrichtung eine gezielte Ausnutzung von Triebwerkskräften erfolgt. Beispielsweise wird hierfür eine Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle nur zu einem Zeitpunkt ausgeführt, wenn ein aktiver Antrieb durch wirkende Triebwerkskräfte unterstützt werden kann. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die wirkenden Triebwerkskräfte auch entgegengesetzt zu einer Wirkung eines aktiven Antriebes eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere, in Serie angeordnete Hubkolben über die Kurbelwelle angeordnet sind und die Erfassungseinrichtung ein wirkendes Gesamt-Exzentermoment berücksichtigt. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ebenso wie die Auslösevorrichtung Bestandteil einer CPU sein, wie sie beispielsweise bei Verbrennungskraftmaschinen genutzt wird, oder mit einer derartigen CPU gekoppelt sein. Die Erfassungseinrichtung kann jedoch auch von der Auslösevorrichtung separiert sein, beispielsweise in einem Steuergerät. Auch können die Erfassungseinrichtung wie auch die Auslösevorrichtung zusammen in einem Steuergerät untergebracht sein, welches beispielsweise mit einer CPU, insbesondere einer Verdichter- oder Motorsteuerung, verbunden ist. Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie eine oder mehrere Sensoren umfasst, mittels denen die Triebwerkskräfte entweder direkt oder indirekt detektiert, insbesondere bestimmt werden können. Beispielsweise kann zumindest ein Sensor zur Aufnahme eines Messwertes vorhanden sein, über den das Exzentermoment ermittelbar ist. Hierbei kann das Exzentermoment aufgenommen werden, wie es im Bereich eines Kolbens aufgrund der momentanen Stellung der Kurbelwelle wirkt. Es kann jedoch auch mittels eines Sensors ein Gesamt-Exzentermoment ermittelt werden. Beispielsweise kann der Sensor auch eine Position der Kurbelwelle und/oder einer Exzentrizität der Kurbelwelle direkt oder mittelbar übermitteln. Die Erfassungseinrichtung ist sodann in der Lage, hieraus beispielsweise unter Berücksichtigung einer Umdrehungsgeschwindigkeit auf das oder die zur Verfügung stehenden Exzentermomente schließen zu können.
Die Auslösevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Freigabe, über die eine Sperre zur Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle aufgehoben werden kann. Vorzugsweise umfasst die Auslösevorrichtung auch eine Verbindung zu einer aktiven Stellvorrichtung, die beispielsweise einen Aktuator umfasst. Dadurch wird sichergestellt, dass der Aktuator zum gleichen Zeitpunkt betätigt wird, wie auch die Auslösevorrichtung eine Sperre aufhebt. Darüber hinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Auslösevorrichtung die Sperre zu einem Zeitpunkt löst, bevor das wirkende Exzentermoment tatsächlich zu einer Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle führen kann. Beispielsweise wird hierbei eine Hemmung der Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle über den Aktuator beziehungsweise über ein Getriebe bewirkt, das mit einer entsprechenden Exzentereinheit der exzentrisch gelagerten verstellbaren Kurbelwelle zusammenwirkt.
Bevorzugt ist es, wenn eine Steuerung und/oder Regelung vorgesehen ist, mittels der eine Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle erfolgt. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Erfassungseinrichtung eine oder mehrere Betriebsbedingungen der Hubkolbenmaschine erfasst, wobei die Erfassungseinrichtung vorzugsweise derart aufgebaut ist, dass diese aus zumindest einer der Betriebsbedingungen auf das wirkende Exzentermoment schließt und es im Rahmen der Steuerung beziehungsweise Regelung einfließen lässt. Vorzugsweise werden mehrere Sensoren genutzt, um darüber eine Aufnahme von mehreren Exzentermomenten parallel zueinander ermöglichen zu können. Diese erlaubt insbesondere eine Abwägung, ob aufgrund der wirkenden Triebwerkskräfte sich ein Gesamtdrehmoment einstellt, was zu einer Verstellung der Kurbelwelle in die gewünschte Richtung führt. Sollte das gesamte Drehmoment hingegen ergeben, dass eine Verstellung in die entgegengesetzte Richtung erfolgen würde, kann die Erfassungseinrichtung dafür Sorge tragen, dass die Auslösevorrichtung eine Sperre zur Verstellung der Kurbelwelle aufrecht erhält.
Eine weitere Ausgestaltung der Hubkolbenmaschine sieht vor, dass zumindest zwei Exzenterlagerungen der Kurbelwelle jeweils einen oberen und einen davon trennbaren unteren Abschnitt zur Aufnahme der Kurbelwelle aufweisen, die beide jeweils miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind die zumindest beiden unteren Abschnitte torsionsfrei miteinander über eine Brücke verbunden. Eine derartige Brücke kann sich insbesondere über sämtliche Exzenterlagerungen erstrecken und diese mit der Brücke verknüpfen. Es können jedoch gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch nur einige Exzenterlagerungen derartig miteinander verbunden sein, die nicht über die Brücke verbundenen Exzenterlagerungen bei Verstellung über die Kurbelwelle mitbewegen. Des Weiteren ist vorzugsweise eine angetriebene Verstelleinrichtung vorhanden, die auf die Brücke einwirkt. Der Antrieb kann hierbei direkt über einen Aktuator, beispielsweise einem Elektromotor erfolgen. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, hierzu ein Getriebe zwischenzuschalten. Neben einer Verstellung durch einen Elektromotor kann auch eine mechanische Verstellvorrichtung, beispielsweise über Hebel, vorgesehen sein. Auch eine hydraulische Betätigung ist möglich. Beispielsweise kann auch ein Stellzylinder genutzt werden, um die Brücke zu betätigen. Des Weiteren ist vorzugsweise eine Erfassung einer Exzenterlagerstellung vorgesehen sowie eine Berechnungseinheit zur Ermittlung einer durch die angetriebene Verstelleinrichtung zusätzlich zum wirkenden Exzentermoment aufzubringen Kraft. Gemäß einer Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass beispielsweise über eine zentrale Rech nereinheit eine Position der exzentrisch gelagerten verstellbaren Kurbelwelle vorgegeben wird. Diese Position kann sich beispielsweise aufgrund von Betriebsparametern bestimmen lassen. Das genaue Erreichen dieser Position wird beispielsweise durch ein getrenntes Steuergerät erzielt. Dieses Steuergerät erhält die anzustrebende Position als Vorgabe. Durch beispielsweise Ermittlung wirkender Kurbelkräfte kann sodann auf das Exzentermoment geschlossen werden. Dieses ermöglicht beispielsweise die Berechnung, ob die exzentrisch gelagerte Kurbelwelle während einer Umdrehung der Kurbelwelle verstellt werden kann oder ob es hierfür mehrerer Kurbelwellenumdrehungen bedarf, um über wirkende Triebwerkkräfte das notwendige Drehmoment wirken lassen zu können. Zusätzlich oder alternativ kann auch beispielsweise das Steuergerät vorsehen, dass der Antrieb eine Unterstützung zu dem wirkenden Exzentermoment aufprägt. So besteht die Möglichkeit, dass ein Aktuator dazu genutzt wird, die fehlende Kraft beziehungsweise das fehlende Moment zu ergänzen, um eine Verstellung der Kurbelwelle zu ermöglichen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kurbelwelle mit ihrer exzentrischen Lagerung eine Exzentereinheit aufweist, die einen umschaltbaren Freilauf umfasst. Der Freilauf ist beispielsweise in der Lage, dass die Kurbelwelle nur in eine Richtung verstellt werden kann, während die andere Richtung blockiert ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass aufgrund einer Umkehrung von wirkenden Triebwerkskräften ein Rückstelldrehmoment dazu führt, dass die Kurbelwelle sich zurückbewegt. Eine Umschaltung des Freilaufs gewährleistet, dass eine Rückstellung der Kurbelwelle möglich bleibt.
Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine die Kurbelwelle lagernde Exzentereinheit eine Verriegelung aufweist, mittels der die Kurbelwelle in einer definierten Position verbleibt. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine die Kurbelwelle lagernde Exzentereinheit einen Verwahrweg mit einem ersten und einem zweiten Endanschlag aufweist, wobei eine Sperreinrichtung vorhanden ist, mittels der eine Positionierung zwischen den beiden Endanschlägen ermöglicht ist. Dieses erlaubt eine Einstellung des veränderbaren Verdichtungsverhältnisses auch auf Werte zwischen einem ersten und einem zweiten Extremwert minimaler beziehungsweise maximaler Verdichtungsverhältnisse. Insbesondere gelingt es dadurch, Zwischenwerte eines Verdichtungsverhältnisses über die Änderung der Position der Kurbelwelle zu ermöglichen, die angepasst ist an die Betriebsbedingungen der Hubkolbenmaschine zum jeweiligen Betriebszeitpunkt.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Hubkolbenmaschine darüber hinaus eine Dämpfung aufweist. Diese Dämpfung ist in der Lage, bei einer exzentrischen Verstellung der Kurbelwelle zu wirken. Sie ermöglicht eine Verstellung der Kurbelwelle von einer ers ten in eine zweite Position, ohne dass es zu einem Aufschlagen eventuell mit einem entsprechenden Rückprallen kommt. Vielmehr bewirkt die Dämpfung vorzugsweise, dass bei einer Annäherung an die zweite Position die Annäherungsgeschwindigkeit sich bis auf einen vorzugsweise Nullwert verlangsamt. Durch die Abnahme der Geschwindigkeit wird zum einen verhindert, dass entsprechende Kräfte auf entweder die Sperreinrichtung oder auf den Endeinschlag einwirken, die ansonsten zu einer Schädigung führen können. Zum anderen erlaubt die Dämpfung das Aufprägen von Exzentermomenten beziehungsweise Aktuatormomenten, die größer sind als es notwendig wäre zum Erreichen der zweiten Position beziehungsweise des Endanschlages. Die Dämpfung dient hierbei als Sicherung, da der Drehmomentüberschuss als Sicherheit für das Erreichen der angestrebten Position zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass befürchtet werden muss, dass es zu einer Schädigung kommt oder aber die angestrebte Position der Kurbelwelle nicht erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Gedanken wird ein Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses an einer Hubkolbenmaschine mittels einer exzentrischen Verstellung einer Kurbelwelle vorgeschlagen, wobei eine Verstellung in Abhängigkeit von einem wirkenden Exzentermoment an der Kurbelwelle ausgeführt wird.
In Abhängigkeit bedeutet hierbei, dass das wirkende Exzentermoment und/oder ein damit gekoppelter Wert Berücksichtigung findet bei einer Verstellung. Vorzugsweise wird das Exzentermoment beziehungsweise dessen Auswirkung auf eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle ermittelt. Dieses kann beispielsweise in eine Wegsteuerung eingehen, mittels der die exzentrische Verstellung der Kurbelwelle erfolgt. Hierbei kann eine Exzenterdrehmomentrichtung in eine vorgegebene Verstellrichtung der Kurbelwelle ausgenutzt werden, so dass durch den Kurbeltrieb hervorgerufene Exzentermomente ausschließlich in diese vorgegebene Richtung ausgenutzt werden. Damit wird erzielt, dass in Abhängigkeit von einem wirkenden Exzentermoment in einer Exzenterdrehmomentrichtung eine Verstellung der Kurbelwelle erfolgen kann. Beispielsweise kann das wirkende Exzentermoment als Stellgröße in einer Steuerung oder Regelung mit eingehen.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine erste Drehrichtung für die exzentrische Verstellung der Kurbelwelle gesperrt wird, während eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung freigegeben wird. Dadurch wird verhindert, dass bei der Verstellung der Kurbelwelle diese wieder zurückdreht, wenn sich das Exzenterdrehmoment aufgrund der wirkenden Kräfte des Kurbeltriebes umkehren sollte. Des Weiteren kann dieses auch als Sperre dienen, beispielsweise an einem Endanschlag. Dort wird durch den Endanschlag die an und für sich zweite Drehrichtung, die freigegeben ist, blockiert, während die erste Drehrichtung durch die Sperre gesperrt ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle in eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung gleichzeitig gesperrt werden. Dieses ermöglicht, dass die Kurbelwelle in ihrer exzentrischen Verstellung nicht nur in ihren jeweiligen Endanschlägen verharren kann. Vielmehr ermöglicht dieses eine gezielte Einstellung des einstellbaren Verdichtungsverhältnisses, das stufenlos erfolgt. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass vorgegebene Stufen entlang eines Verfahrweges vorgesehen sind. Beispielsweise können hierfür Einrastungen vorgesehen sein, die für eine Sperre an diesen Positionen sorgen. Beispielsweise kann dieses mittels eines Klinkensystems verwirklicht werden. Die Klinke rastet in eine entsprechende Ausnehmung ein, wenn die Verstellung entsprechend erfolgt und gibt diese wieder frei, wenn eine weitere Verstellung erfolgen soll.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Aktivierung einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses von einer Steuerung auf die Kurbelwelle mechanisch übertragen wird. Hierzu kann beispielsweise ein Kniehebelsystem vorgesehen sein, ein Getriebesystem, eine Klinke oder eine sonstige mechanisch wirkende Vorrichtung. Auch kann hierfür ein Riementrieb, ein Kettentrieb, ein Schneckenantrieb, ein Kegelzahnantrieb, ein Stellzylinder oder Ähnliches verwendet werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Regelung zur Einstellung einer Position der Kurbelwelle ausgeführt wird. Im Rahmen der Regelung kann beispielsweise ein Wegsensor im Bereich der Exzentereinheit vorliegen. Mittels diesem kann beispielsweise die Position der Kurbelwelle detektiert werden. Der Sensor kann aber auch ein Ortssensor oder ein sonstiger Sensor sein, mittels dem auf eine Position der Kurbelwelle geschlossen werden kann. Eine Führungsgröße wird in einer Ausgestaltung der Regelung beispielsweise durch die CPU der Hubkolbenmaschine vorgegeben. Die Führungsgröße lässt sich beispielsweise aus den aktuellen Betriebsbedingungen oder Anforderungen ableiten. Als Stellgröße kann beispielsweise eine Aktion eines Aktuators, wie beispielsweise eines Elektromotors, eingehen. Als Störgröße kann beispielsweise eine Verstellung durch das wirkende Exzenterdrehmoment genutzt werden. Da beispielsweise aufgrund dessen eine stärkere Abweichung von der Führungsgröße erfolgt, kann dieses sodann durch die Betätigung des Aktuators ausgeglichen werden. Eine weitere Ausgestaltung der Regelung kann eine Kaskadenregelung vorsehen. Beispielsweise ist auch eine Vorsteuerung vorgesehen, um einen Betriebspunkt einzustellen. Die eigentliche Regelung erfolgt sodann um diesen Betriebspunkt herum. Auf diese Weise wird eine besonders schnelle Anpassung einer Änderung des variablen Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Eine Steuerung beziehungsweise eine Regelung kann eine Verstellung der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle in einem Zug, das heißt insbesondere in einem Takt der Hubkolbenmaschine, ausführen oder aber dieses auf mehrere Takte verteilen. Auch besteht die Möglichkeit zwischen einer Betätigung einer exzentrischen Verstellung der Kurbelwelle in einem Einfachzyklus auf eine Betätigung in einem Mehrfachzyklus oder umgekehrt umzuschalten. Ein Einfachzyklus ist hierbei als die Kolbenbewegung aufzufassen, die während einer Umdrehung der Kurbelwelle erfolgt. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine kontinuierliche Betätigung der exzentrischen Kurbelwellenverstellung erfolgt. Dieses wird beispielsweise in Anpassung an die Betriebsbedingungen ausgeführt, wenn diese sich permanent ändern. Wird hingegen die Hubkolbenmaschine in einem annähernd stationären Betrieb für eine gewisse Zeit betrieben, erfolgt vorzugsweise eine diskontinuierliche Betätigung der exzentrischen Kurbelwellenverstellung. Ein Wechsel zwischen quasi-stationärem Betrieb und angepasstem Betrieb ist möglich.
Verschiedene Ausgestaltungen von Sperren, Dämpfern, Anpassmöglichkeiten wie auch Antrieben gehen aus der DE 10 2005 055 199 A1 hervor, auf die diesbezüglich im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen wird. Die dort dargestellte Anwendung bei einem Pleuel einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine kann auch auf eine Kurbelwelle mit Exzentereinheit einer Hubkolbenmaschine übertragen werden, insbesondere für einen Verdichter. Insbesondere können die aus dem Dokument hervorgehenden technischen Vorschläge Bestandteil einer hier vorgeschlagenen Exzentereinheit sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die aus den einzelnen Figuren hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können diese Merkmale mit ein oder mehreren, anderen Merkmalen aus anderen Ausgestaltungen wie auch aus der obigen allgemeinen Beschreibung zu Weiterbildungen verknüpft werden, die zum Umfang der Offenbarung gehören. Zum anderen sind die jeweiligen Merkmale der obigen Beschreibung wie auch der einzelnen Figuren nicht beschränkend für den Schutzbereich beziehungsweise die Offenbarung der jeweiligen Ausführungsformen auszulegen. Vielmehr handelt es sich um beispielhafte Darstellungen. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Hubkolbenmaschine mit exzentrisch gelagerter Kurbelwelle,
2: einen Teil einer Exzentereinheit mit oberer Exzenter- und unterer Exzenterhälfte und einer Brücke,
3: eine schematische Darstellung der Exzentereinheit von vorn mit Hinweis auf erzeugtes Exzentermoment, und
4: ein gemessenes Exzentermoment über den Kurbelwinkelbereich, der zeigt, wie dieses ausgenutzt werden kann.
1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 1 in schematischer Ansicht. Die Hubkolbenmaschine weist eine exzentrisch gelagerte, verstellbare Kurbelwelle 2 auf. Über die Kurbelwelle 2 werden bei dieser Ausgestaltung vier Hubkolben 3 bewegt. Die Kurbelwelle ist für jeden Hubkolben 3 mit einer Exzentereinheit 4 versehen. Darüber hinaus ist bei dieser Ausgestaltung der Hubkolbenmaschine 1 eine Antriebsexzentereinheit 5 vorhanden. Des Weiteren ist eine Erfassungseinrichtung 6 vorhanden, über die ein oder mehrere wirkende Exzentermomente festgestellt werden können, sowie eine Auslösevorrichtung 7, die eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle 2 unter Ausnutzung eines wirkenden Exzentermomentes bewirkt. Die Hubkolbenmaschine 1 weist zumindest einen Sensor 8 auf. Dieser ist in der Lage, zumindest einen Messwert zu ermitteln, über den ein Exzentermoment ermittelbar ist. In diesem Falle handelt es sich um einen Positionssensor, der in der Lage ist, eine Position der Kurbelwelle 2 zu detektieren. Wird die Kurbelwelle in die eine oder andere Richtung verschoben, angedeutet durch den Pfeil 9, gibt der Sensor 8 eine entsprechende Information an eine CPU 10, in die die Erfassungseinrichtung 6 sowie die Auslösevorrichtung 7 integriert sind. In der CPU wird das vom Sensor 8 empfangene Signal ausgewertet, wobei die Erfassungseinrichtung 6 der CPU über die Position der Kurbelwelle auf ein wirkendes Exzentermoment schließt. Hierbei wird beispielsweise zusätzlich eine Drehzahl n als Signal der Erfassungseinrichtung 6 der CPU 10 zugeführt. Neben einer Drehzahl n kann auch eine Last L und/oder eine Lastanforderung LA der CPU 10 und damit auch der Erfassungseinrichtung 6 zugeführt werden. Diese Parameter können sämtlichst getrennt oder alle zusammen zur Bestimmung des wirkenden Exzentermomentes herangezogen werden. Beispielsweise weist die CPU beziehungsweise die Erfassungseinrichtung 6 hierfür auch die geometrischen Beziehungen hinsichtlich Kurbelwellemaße, Kolbenmaße und Zylindermaße auf, die notwendig sind, um das wirkende Exzentermoment bestimmen zu können. Über die in der CPU 10 bei diesem Beispiel integrierte Auslösevorrichtung 7 wird eine aktive Verstelleinrichtung 11 in Form eines Antriebes angesteuert. Die aktive Verstelleinrichtung 11 kann beispielsweise direkt oder so wie hier dargestellt über ein Getriebe 12 auf eine Brücke 13 einwirken. Die Brücke 13 ist nur schematisch in dieser 1 angedeutet und wird in den nachfolgenden Figuren noch näher dargestellt. Die Brücke 13 ist mit der Exzentereinheit 4 verbunden und ermöglicht ein Verstellen der Exzentereinheit und darüber eine Verstellung der Kurbelwelle 2. Vorzugsweise verbindet die Brücke 13 zumindest zwei Exzentereinheiten 4. Diese können be nachbart zueinander sein, können jedoch auch weiter beabstandet sein. Bei der hier dargestellten Ausgestaltung von fünf Exzentereinheiten inklusive der Antriebsexzentereinheit 5 können beispielsweise sämtliche Exzentereinheiten 4 mit der Brücke 13 verbunden und damit gleichzeitig bewegt werden. Wird eine hier nicht näher dargestellte Verdichter-Hubkolbenmaschine mit zwei Kolben genutzt, weist diese vorzugsweise drei Exzentereinheiten auf, wobei zumindest zwei davon mittels einer Brücke verbunden und darüber verstellbar sind. Die Exzentereinheiten 4 sind in ein Kurbelgehäuse 14 integriert, wobei das Kurbelgehäuse 14 vorzugsweise geteilt ist. Dieses erlaubt den Einbau der Exzentereinheiten 4 in vereinfachter Weise. Zusätzlich zu einer Verstellung der Kurbelwelle 2 zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Pleuel 15 in ihrer Länge veränderbar sind. Dieses ist jedoch hier nicht näher ausgeführt.
Wie aus 1 des Weiteren hervorgeht, kann vorgesehen sein, dass bei einem Antrieb der Hubkolbenmaschine 1 und einer Verstellung der Kurbelwelle 2 auch weitere, ebenfalls beispielsweise über die Kurbelwelle 2 angetriebene Einheiten weiterhin betrieben werden können. Erfolgt beispielsweise ein Antrieb dieser Einheiten über die Kurbelwelle 2, beispielsweise mittels eines Riementriebes 16, kann dieser in Abhängigkeit von einer Verstellung der Kurbelwelle 2 unterschiedlich gespannt werden. Dieses wird durch den Pfeil 17 angedeutet. Durch Änderung der Lage der Kurbelwelle aufgrund einer Bewegung der Brücke 13, hervorgerufen durch eine Drehung des Getriebes 12, ändert sich die Lagenänderung a. Wird stirnseitig an der Kurbelwelle eine Kraft über einen Riementrieb an eine weitere Einheit übergeben, muss dieser Lageveränderung der Kurbelwelle Rechnung getragen werden, da ansonsten keine ausreichende Spannung im Riementrieb vorhanden wäre. Durch eine entsprechende Verstellvorrichtung 18, die vorzugsweise mit dem Getriebe 12 gekoppelt ist, kann die Lageänderung a beispielsweise für den Riementrieb 16 ausgeglichen werden. Das Getriebe 12 wiederum ist vorzugsweise selbsthemmend. Dieses erlaubt ein Sperren der Bewegung der Kurbelwelle aufgrund der Wirkung des Kurbeltriebes. Insbesondere ist die Selbsthemmung derartig, dass wirkende Exzentermomente nicht zu einer Aufhebung dieser Sperre führen können. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Selbsthemmung jedoch kleiner ist, insbesondere so bemessen ist, dass ein wirkendes Exzentermoment die Selbsthemmung überwindet. Eine Sperre kann somit beispielsweise durch die aktive Verstelleinrichtung 11 in Form des Antriebs generiert werden oder aber durch eine aktive Sperre, die ein Verdrehen der Brücke 13 so lange unterbindet, bis dieses durch die Auslösevorrichtung 7 freigegeben ist. Das Getriebe 12 weist vorzugsweise eine Übersetzung auf, die ein Verstellen der Brücke 13 sehr fein ermöglicht und gleichzeitig nur geringe Kräfte hierfür benötigt.
2 zeigt in schematischer Ansicht eine beispielhafte Ausgestaltung einer Verbindung von zwei Exzentereinheiten 4 mittels einer Brücke 13. Gemäß dieser Ausgestaltung weist eine Exzentereinheit 4 eine obere Exzenterhälfte 19 und eine untere Exzenterhälfte 20 auf. Die untere Exzenterhälfte 20 geht über in die Brücke 13 und verbindet somit beide unteren Exzenterhälften 20. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Brücke 13 einteilig mit den beiden unteren Exzenterhälften 20 verbunden sein. Dies ist beispielsweise mittels eines Gießvorgangs möglich. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die oberen Exzenterhälften 19, die unteren Exzenterhälften 20 wie auch die Brücke 13 als ein Bauteil hergestellt werden, beispielsweise als ein Gießstück oder gemeinsam aus einem Pulvermaterial. Eine Trennebene zwischen der oberen Exzenterhälfte 19 und der unteren Exzenterhälfte 20 wird erst nachträglich hergestellt. Beispielsweise kann die obere Exzenterhälfte 19 von der unteren Exzenterhälfte 20 abgebrochen werden. Hierzu können entsprechende Kerben vorgesehen sein, die ein Sollbruchlinie vorgeben. Durch das Brechen wird anschließend ein passgenaues Zusammenfügen der unteren Exzenterhälfte 20 auf die obere Exzenterhälfte 19 sichergestellt. Neben einer einteiligen Ausgestaltung besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass beispielsweise die obere und untere Exzenterhälfte 19,20 ein Bauteil sind, das nachfolgend mit einer Trennebene versehen wird. Die Brücke 13 wiederum wird ebenfalls erst anschließend mit den jeweiligen unteren Exzenterhälften 20 verbunden. Neben einer Verbindung von zwei Exzentereinheiten 4 besteht die Möglichkeit, dass die Brücke auch mehr als zwei Exzentereinheiten miteinander koppelt. Die Brücke 13 weist vorzugsweise eine Außenfläche auf, die konzentrisch ist zu einer Außenfläche der oberen beziehungsweise unteren Exzenterhälfte 19, 20. Dieses ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die äußere Oberfläche 21 der Brücke 13 mit einem Getriebe oder einem Antrieb direkt zusammenwirkt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die äußere Oberfläche 21 der Brücke 13 nicht vollständig konzentrisch zu den Außenumfängen der oberen beziehungsweise unteren Exzenterhälfte 19, 20 verläuft. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass die äußeren Oberflächen 21 mit einem größeren Radius versehen sind, wodurch sie nicht konzentrisch zu den Außenumfängen der Exzenterhälften verläuft. Im Zusammenspiel der äußeren Oberfläche 21 mit einem Antrieb beziehungsweise einem Getriebe kann dadurch eine besonders präzise Einstellung in bestimmten Bereichen des Verfahrweges erzielt werden, da dort die Wegübertragung ein anderes Modul aufweist.
3 zeigt in einer Aufsicht von vorn in schematischer Ansicht die obere Exzenterhälfte 19, die untere Exzenterhälfte 20, die Brücke 13 sowie die äußere Oberfläche 21. Eingetragen ist des Weiteren der Verlauf einer Kurbelwellenachse 22 sowie eine Mitte 23 einer Lagergasse in einem Block eines Kurbelgehäuses. Durch die vorhandene Exzentrizität E aufgrund des Abstandes von der Mitte 23 zur Kurbelwellenachse 22 erzeugt eine Lager last F um die Mitte 23 herum ein Exzentermoment M. Das Exzentermoment M wird so wie dargestellt beispielsweise an einem Hauptlager erzeugt. Ein resultierendes Gesamtexzenterdrehmoment ergibt sich durch Addition der zu einem gewissen Zeitpunkt jeweils wirkenden Einzeldrehmomente, woraus sich eine Gesamtwirkung aufgrund des Kurbeltriebs bestimmen lässt. Diese Gesamtwirkung kann ausgenutzt werden, um eine Verstellung der Kurbelwelle 2 um die Mitte 23 herum zumindest unterstützen zu können.
4 zeigt ein Exzentermoment als Funktion eines Kurbelwinkels. Die aus 3 hervorgehende exzentrische Lagerung der Kurbelwelle hat zur Folge, dass die an einem Hauptlager von der Kurbelwelle auf die Exzentereinheit wirkende Lagerlast am Exzenter ein Moment hervorruft. Die Lagerlast ist hierbei als eine Kombination aus Gas- und Massenkräften zu verstehen. Aus der Darstellung ist ein beispielhafter Verlauf eines derartig erzeugten Exzentermomentes für eine einzylindrige Hubkolbenmaschine dargestellt. Aus dem Graphen geht hervor, dass es Abschnitte mit positivem als auch negativem Exzentermoment gibt. Insbesondere je nach Nutzung der Hubkolbenmaschine, als Verdichter oder als Triebwerk, beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine, unterscheidet sich der Verlauf der entstehenden Exzentermomente ebenfalls. Durch Änderung der Position der Kurbelwelle über die Exzentereinheit ändert sich ebenfalls das Exzentermoment. Somit steht abhängig von der Position der Kurbelwelle, aber auch in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebspunkten, ein unterschiedliches Exzentermoment zur Verfügung. Diese Änderungen werden jedoch wie oben beschrieben bei der tatsächlichen Bewegung der Exzentereinheit und damit Positionsveränderung der Kurbelwelle unter Ausnutzung des jeweiligen Exzentermoments berücksichtigt. Wie des Weiteren aus dieser 4 zu entnehmen ist, kann neben dem positiven Exzentermoment auch das negative Exzentermoment genutzt werden, je nachdem, in welche Richtung die Exzentereinheit zu verdrehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005055199 A1 [0020]

Claims

Hubkolbenmaschine (1) mit einer exzentrisch gelagerten, verstellbaren Kurbelwelle (2), mit einer Erfassungseinrichtung (6) von ein oder mehreren wirkenden Exzentermomenten, und mit einer Auslösevorrichtung (7), die eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle (2) unter Ausnutzung eines wirkenden Exzentermoments bewirkt.
Hubkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in Serie angeordnete Hubkolben (3) über die Kurbelwelle (2) verbunden sind und die Erfassungseinrichtung ein wirkendes Gesamt-Exzentermoment berücksichtigt.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (8) zur Aufnahme eines Messwerts vorhanden ist, über den das Exentermoment ermittelbar ist.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) ein oder mehrere Betriebsbedingungen der Hubkolbenmaschine (1) erfasst und derart aufgebaut ist, dass diese aus zumindest einer der Betriebsbedingungen auf ein wirkendes Exzentermoment schliesst.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere Sensoren zur Aufnahme von mehreren Exzentermomenten parallel zueinander vorhanden sind.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Verstelleinrichtung (11) der exzentrischen Kurbelwelle (2) vorhanden ist, die mit der Auslösevorrichtung (7) zusammenwirkt.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Exzenterlagerungen der Kurbelwelle (2) jeweils einen oberen und einen davon trennbaren unteren Abschnitt zur Aufnahme der Kurbelwelle (2) aufweisen, die beide jeweils miteinander verbunden sind, wobei die zumindest beiden unteren Abschnitte torsionsfrei miteinander über eine Brücke (13) verbunden sind, eine angetriebene Verstelleinrichtung (11) vorhanden ist und auf die Brücke (13) einwirkt, eine Erfassung einer Exzenterlagerstellung vorgesehen ist sowie eine Berechnungseinheit zur Ermittlung einer durch die angetriebene Verstelleinrichtung (11) zusätzlich zum wirkenden Exzentermoment aufzubringenden Kraft.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kurbelwelle (2) lagernde Exzentereinheit (4) mit einem umschaltbaren Freilauf versehen ist
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kurbelwelle (2) lagernde Exzentereinheit (4) eine Verriegelung aufweist, mittels der die Kurbelwelle (2) in einer definierten Position verbleibt.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kurbelwelle (2) lagernde Exzentereinheit (4) einen Verfahrweg mit einem ersten und einem zweiten Endanschlag aufweist, wobei eine Sperreinrichtung vorhanden ist, mittels der eine Positionierung zwischen den beiden Endanschlägen ermöglicht ist.
Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dämpfung vorhanden ist, die bei exzentrischer Verstellung der Kurbelwelle (2) wirkt.
Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses an einer Hubkolbenmaschine (1) mittels einer exzentrischen Verstellung einer Kurbelwelle (2), wobei eine Verstellung in Abhängigkeit von einem wirkendem Exzentermoment an der Kurbelwelle (2) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem wirkenden Exzentermoment in eine Exzenterdrehmomentrichtung eine Verstellung der Kurbelwelle (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Drehrichtung für die exzentrische Verstellung der Kurbelwelle (2) gesperrt wird, während eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung freigegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine exzentrische Verstellung der Kurbelwelle (2) in eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung gleichzeitig gesperrt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses von einer Steuerung auf die Kurbelwellel mechanisch übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung zur Einstellung einer Position der Kurbelwelle (2) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Betätigung einer exzentrischen Verstellung der Kurbelwelle (2) in einem Einfachzyklus auf eine Betätigung in einem Mehrfachzyklus oder umgekehrt umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierlichen Betätigung der exzentrischen Kurbelwellenverstellung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine diskontinuierliche Betätigung der exzentrischen Kurbelwellenverstellung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine exzentrische Bewegung der Kurbelwelle (2) mittels eines Widerstandes vor Erreichen einer Endposition der Bewegung abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft des Widerstandes während des Betriebes der Hubkolbenmaschine (1) geändert wird.