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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für einen Hubkolbenmotor
mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hubkolbenmotor
mit einem derartigen Kolben.
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Das
Verdichtungsverhältnis eines Hubkolbenmotors bezeichnet
das Verhältnis des gesamten Zylinderraums eines Zylinders
eines Motors vor der Verdichtung zum verbliebenen Raum dieses Zylinders
nach der Verdichtung. In gängigen Otto- oder Dieselmotoren
ist dieses Verhältnis bauartbedingt konstant. Bei der Wahl
des gewünschten Verdichtungsverhältnisses ist
dabei zu beachten, dass ein höheres Verdichtungsverhältnis
zwar den Wirkungsgrad hebt und den spezifischen Kraftstoffverbrauch reduziert,
gleichzeitig aber auch die thermischen Verluste erhöht.
Insbesondere bei Ottomotoren kommt dazu, dass bei zu hohen Verdichtungsverhältnissen die
Klopfneigung des Motors ebenfalls ansteigt. Der optimale Kompromiss
zwischen spezifischem Kraftstoffverbrauch, thermischen Verlusten
und Klopfrisiko hängt dabei jedoch auch von weiteren Parametern ab,
welche nicht bauartbedingt vorgegeben sind. Hier sei beispielsweise
lediglich die Octanzahl des jeweils verwendeten Kraftstoffs genannt.
Damit kann es sinnvoll sein, in Abhängigkeit von solchen
Gegebenheiten das Verdichtungsverhältnis eines Motors einstellbar
zu gestalten.
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Eine
besondere Bedeutung kommt einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis
bei Motoren mit sogenannter homogener Kompressionszündung
zu. Solche Motoren arbeiten mit einem homogen verteilten Gemisch
aus Ottokraftstoff und Luft, welches im Teillastbetrieb des Motors
im Gegensatz zu konventionellen Ottomotoren durch Selbstzündung
gezündet wird. Lediglich im Volllastbetrieb erfolgt eine
Fremdzündung durch eine Zündkerze. Solche Motoren zeichnen
sich durch hervorragende Verbrauchseigenschaften aus und vermeiden überdies
die Entstehung von Schadstoffen wie NOx und
Rußpartikeln beinahe vollständig innermotorisch.
Durch die Möglichkeit des Betriebs als selbst- und fremdzündender Motor
ist ein verstellbares Verdichtungsverhältnis hier unabdingbar.
Auch innerhalb des selbstzündenden Betriebs kann dabei
das Verdichtungsverhältnis weiter variiert werden, um für
jeden Betriebspunkt einen optimalen Wirkungsgrad sicherzustellen.
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Die
Verstellung des Verdichtungsverhältnisses wird dabei heutzutage
in der Regel im Bereich der Lagerung des Kolbens am Pleuel erzielt.
Hierbei werden oft exzentrische Kolbenbolzen oder Kolbenbolzenlager
verwendet. Durch eine Drehung des jeweiligen exzentrischen Elementes
wird in solchen Systemen die Relativlage zwischen Kolben und Kolbenbolzen
verändert, was einer Veränderung der Pleuellänge
entspricht. Wenn keine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
erfolgen soll muss dann das jeweilige exzentrische Element in seiner
gewünschten Position fixiert werden. Eine solche Fixierung
erfolgt dabei üblicherweise entweder aktiv, was nachteilig
mit einem hohen Energieverbrauch behaftet ist, durch Verwendung
eines selbsthemmenden Verstellgetriebes, was eine langsame Stellgeschwindigkeit
mit sich bringt, oder durch eine kraftschlüssige Verriegelung.
Auch die kraftschlüssige Verriegelung ist nachteilig, da
sowohl die Verstellkräfte als auch die Lösekräfte
in diesem Fall sowohl sehr hoch sind, als auch starken Schwankungen
aufgrund der Schwankungen des Reibkoeffizienten unterliegen.
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Die
US 54 17 185 offenbart einen
Kolben für Motoren mit einem verstellbaren Verdichtungsverhältnis,
bei welchem ein Kolbenbolzen in einem exzentrischen Lager gelagert
ist. Über ein hydraulisches System kann der Kolbenbolzen
gegen Positionsänderung verriegelt werden, indem ein Schließbolzen
hydraulisch an den Kolbenbolzen angepresst wird. Solche Systeme
sind komplex aufgebaut, benötigen eine Vielzahl von Ventilen,
Rückstellelementen und Druckleitungen, welche innerhalb
eines Pleuels verlaufen müssen. Neben einer erhöhten
Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der Komplexität des Systems
bedingt die komplizierte Ausführung zudem eine höhere
Masse des Kolbens, was zu höheren Massen- und Trägheitskräften
im Betrieb des Motors führt und damit wiederum den Verschleiß und
die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kolben
für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen,
welcher die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere soll eine Möglichkeit zur einfachen Arretierung
eines exzentrisch verstellbaren Kolbenbolzens geschaffen werden,
welche mit einer möglichst geringen Anzahl von Bauteilen
auskommt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Ein
solcher Kolben umfasst eine Kolbenbolzenlagerung, über
welche ein Kolbenbolzen drehbar am Kolben gelagert ist. Die Achse
des Kolbenbolzens ist dabei exzentrisch verstellbar. Um eine unerwünschte
Verstellung der Achslage des Kolbenbolzens zu verhindern, ist weiterhin
ein Verriegelungselement vorgesehen, mittels welchem der Kolbenbolzen
in der eingestellten Position arretierbar ist. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass das Verriegelungselement zur Arretierung des Kolbenbolzens
mit dem Kolben formschlüssig in Eingriff bringbar ist.
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Im
Gegensatz zu kraftschlüssigen, insbesondere reibschlüssigen
Verriegelungen können mittels einer solchen formschlüssigen
Verbindung die auftretenden Kräfte bei niedrigstem Bauraumbedarf
und kleinstem konstruktiven Aufwand aufgenommen werden. Im verriegelten
Zustand sind weiterhin vorteilhafter Weise zum Halten der jeweiligen
Winkelstellung der exzentrischen Verstellung der Lage des Kolbenbolzens
keine zusätzlichen Kräfte erforderlich. Zum Halten
der eingestellten Position des Kolbenbolzens wird also keine Energie
verbraucht. Weiterhin sind vorteilhafter Weise bei einer Verstellanforderung solche
formschlüssigen Verbindungen leicht lösbar, da
die Richtungen der auf das Verriegelungselement wirkenden Kräfte,
nämlich der Abstütz- und Lösekräfte,
näherungsweise rechtwinkelig zueinander stehen. Beim Lösen
der Verbindung muss somit nicht gegen Abstützkräfte
gearbeitet werden.
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Bevorzugter
Weise ist eine derartige formschlüssige Verbindung durch
eine Verzahnung des Verriegelungselementes dargestellt, welche mit
einer komplementären Gegenverzahnung des Kolbens in Eingriff
bringbar ist. Im Gegensatz zu einer Fixierung mittels einfacher
Nocken oder dergleichen kann durch eine derartige Verzahnung der
Kraftfluss im Verriegelungselement optimiert werden, indem die am
Verriegelungselement auftretenden Kräfte über einen
beträchtlichen Teil seines Umfanges abgestützt
werden.
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Um
eine exzentrische Verstellung des Kolbenbolzens zu ermöglichen,
ist das Verriegelungselement bevorzugter Weise zwischen einer Verriegelungsposition,
in welcher die Verzahnung des Verriegelungselementes in die komplementäre
Gegenverzahnung des Kolbens eingreift und einer Entriegelungsposition
in welcher das Verriegelungselement und der Kolbenbolzen bezüglich
der Nabe des Kolbens drehbar sind, bewegbar. Besonders bevorzugt ist
das Verriegelungselement in Form einer Buchse ausgeführt,
welche in einer zugeordneten Nabe des Kolbens angeordnet werden
kann.
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Die
Verzahnung des Verriegelungselementes kann dann an einem Außenumfang
des Verriegelungselementes angebracht werden, so dass sie mit einer
komplementären Gegenverzahnung im Bereich des Kolbenschaftes
in Eingriff gebracht werden kann. Der Übergang zwischen
Verriegelungs- und Entriegelungsposition ist dann durch eine kurze
axiale Bewegung des Verriegelungselementes ermöglicht.
Ein derartig an der Außenseite des Kolbenschaftes eingreifendes
Verriegelungselement kann somit einfach durch einen vom Kolben getrennten
Aktuator zwischen Ver- und Entriegelungsposition bewegt werden.
Eine komplizierte Anordnung von Teilen innerhalb des Kolbens oder
gar eine Führung hydraulischer Leitungen durch das zugeordnete
Pleuel ist nicht nötig.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolbenbolzen des Kolbens
derart gestaltet, dass er einen zylindrischen Mittenbereich zur
Lagerung eines zugeordneten Pleuels umfasst, an welchem zwei zylindrische,
bezüglich des Mittenbereichs exzentrische Endbereiche angeordnet
sind. Durch Verdrehen der Endbereiche, welche im Kolben gelagert
sind, kann somit die gewünschte exzentrische Verstellung der
Kolbenachse erreicht werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist zumindest
einer dieser Endbereiche eine Außenverzahnung auf, welche
mit einer komplementären Innenverzahnung des zumindest
einen Verriegelungselementes in Eingriff bringbar ist. Damit wird
eine formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenbolzen und
Verriegelungselement hergestellt, so dass die Haltekraft des Verriegelungselementes
in seiner Verriegelungsposition auf den Kolbenbolzen übertragen
werden kann. Eine solche Verzahnung ermöglicht jedoch noch
immer eine axiale Verschiebung des Verriegelungselementes auf dem
zugeordneten Endbereich des Kolbenbolzens, so dass das Verriegelungselement
zwischen seiner Ver- und Entriegelungsposition verschiebbar ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Hubkolbenmotor mit zumindest
einem derartigen Kolben.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung und ihre Ausführungsformen
näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine
Explosionszeichnung eines Kolbenbolzens mit zugeordneten Verriegelungselementen
für einen erfindungsgemäßen Kolben;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Kolbenbolzens mit zugeordneten
Verriegelungselementen für einen erfindungsgemäßen
Kolben;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Kolbens mit ausgebautem Kolbenbolzen;
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4 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Kolbens mit eingebautem Kolbenbolzen, wobei die zugeordneten Verriegelungselemente
in ihrer Verriegelungsposition sind.
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Der
in 1 in einer Explosionszeichnung dargestellte Kolbenbolzen 10 für
einen erfindungsgemäßen Kolben besteht aus einem
zylindrischen Mittenbereich 12 an welchem zwei ebenfalls
zylindrische, bezüglich des Mittenbereichs 12 exzentrische Endbereiche 14 angeordnet
sind. Der Mittenbereich 12 dient dabei der Lagerung des
Kolbenbolzens 10 an einem zugeordneten Pleuel. Zur Gewichtseinsparung
weist der Kolbenbolzen 10 eine durchgängige zylindrische
Bohrung 16 auf. Die Endbereiche 14 weisen entlang
ihres Umfangs eine achsparallele Verzahnung 18 auf, welche
komplementär zu einer Innenverzahnung 20 der Verriegelungselemente 22 ist.
Durch ineinander Stecken der Verzahnungen 18 und 20 entlang
der Pfeile 24, also in axialer Richtung des Kolbenbolzens 10 entsteht
die in 2 gezeigte Anordnung aus Kolbenbolzen 10 und
Verriegelungselementen 22. An ihren Stirnflächen 26 weisen
die Verriegelungselemente 22 einen weiteren Zahnkranz 28 auf,
dessen Durchmesser größer ist, als der Durchmesser
eines zylindrischen Grundkörpers 30 der Verriegelungselemente 22.
Die Zähne 32, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht alle bezeichnet sind, weisen dabei in axiale Richtung der
Gesamtanordnung auf den Mittenbereich 12 des Kolbenbolzens 10 hin.
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3 zeigt
einen Grundkörper 34 eines erfindungsgemäßen
Kolbens, wobei zur Veranschaulichung der Geometrie des Grundkörpers 34 der
Kolbenbolzen 10, sowie die Verriegelungselemente 22 nicht
dargestellt sind. Der Grundkörper 34 besteht aus
einem Kolbenschaft 36, an welchem sich Kolbenringe 38 anschließen.
Der Kolbenringbereich 40 wird durch einen Feuersteg 42 begrenzt,
an welchem sich der Kolbenboden 44 anschließt.
Der Kolbenboden 44 steht dabei in Kontakt mit dem Brennraum
des zugeordneten Zylinders, welcher hier aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist.
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Im
Bereich des Kolbenschaftes 36 befinden sich die Kolbennaben 46,
deren Innenflächen 48 als Lagerbuchsen zur Lagerung
der Grundkörper 30 der Verriegelungselemente 22 ausgebildet
sind. Den Umfang der Kolbennaben 46 an der Außenoberfläche
des Kolbenschaftes 36 umlaufend ist eine Verzahnung 50 ausgebildet,
welche komplementär zur Verzahnung 28 der Verriegelungselemente 22 ist.
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4 zeigt
schließlich einen erfindungsgemäßen Kolben 52 in
seiner Gesamtheit. In 2 gezeigte Anordnung aus Kolbenbolzen 10 und
Verriegelungselementen 22 wird hier über die Kolbennaben 46 gelagert. 4 zeigt
dabei die Verriegelungselemente 22 in ihrer Verriegelungsposition.
Die Verzahnung 28 der Verriegelungselemente 22 greift
dabei in die Verzahnung 50 der Kolbennabe 46,
so dass die Verriegelungselemente 22 drehfest bezüglich
der Kolbennabe 46 angeordnet sind. Der Kolbenbolzen 10 ist
in der in 4 gewählten Darstellung
vom Kolbenschaft 36 verdeckt. Die Außenverzahnung 18 des Kolbenbolzens 10 greift
jedoch auch hier, wie in 2 gezeigt in die Innenverzahnung 20 der
Verriegelungselemente 22, so dass auch der Kolbenbolzen 10 drehfest
bezüglich der Kolbennabe 46 angeordnet ist.
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Durch
einen hier nicht gezeigten Aktuator können die Verriegelungselemente 22 entlang
der Achse 54 der Kolbennabe verschoben werden. Dadurch
löst sich die Verzahnung 28 der Verriegelungselemente
aus der Verzahnung 50 der Kolbennabe 46. Die Verriegelungselemente 22 gleiten
dabei mit ihrer Innenverzahnung 20 entlang der Außenverzahnung 18 der
Endbereiche 14 des Kolbenbolzens 10. Da in axialer
Richtung die Verzahnung 28 der Verriegelungselemente 22 wesentlich
kürzer ist als die Verzahnungen 20 und 18 der
Verriegelungselemente 22 respektive des Kolbenbolzens 10,
bleibt hierbei jedoch eine formschlüssige Verbindung zwischen
den Verriegelungselementen 22 und den Endbereichen 14 des
Kolbenbolzens 10 bestehen. Die gesamte Anordnung aus Verriegelungselementen 22 und
Kolbenbolzen 10 ist nun in der Entriegelungsstellung der Verriegelungselemente 22 drehbar
in den Kolbennaben 46 gelagert, wobei die zylindrischen
Grundkörper 30 der Verriegelungselemente 22 in
den Lagerbuchsen 48 der Kolbennaben 46 drehbar
aufgenommen sind. Da der Mittenbereich 12 des Kolbenbolzens 10 exzentrisch
zu seinen Endbereichen 14 angeordnet ist, ist der Mittenbereich 12 also
ebenfalls exzentrisch bezüglich der Verriegelungselemente, beziehungsweise
ihrer Grundkörper 22 und damit exzentrisch gegenüber
den Kolbennaben 46. Die Relativlage des Mittenbereichs 12 des
Kolbenbolzens 10, und damit die Relativlage eines an diesem
gelagerten Pleuels zu den Kolbennaben und damit zum gesamten Kolben 52 ist
also nun in dieser Entriegelungsstellung der Verriegelungselemente 22 durch Rotation
der gesamten Anordnung aus Verriegelungselementen 22 und
Kolbenbolzen 10 um die Achse 54 verstellbar. Damit
verändert sich im Kontext des gesamten Motors aber auch
die Lage des gesamten Kolbens 52 zum zugeordneten Pleuel,
was einer Veränderung der Pleuellänge und damit
einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
entspricht.
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Das
Verbringen der Verriegelungselemente 22 von ihrer Verriegelungsposition
in eine Entriegelungsposition wird dabei bevorzugt durch einen außerhalb
des Kolbens angeordneten mechanischen Aktuator erzielt, welcher
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform dann in
die Verriegelungselemente 22 eingreift und sie entlang
der Achse 54 verschiebt, wenn sich, bezogen auf seine Einbaustellung
im Gesamtmotor der Kolben 52 nahe des unteren Todpunktes
seines Arbeitszyklus befindet. An diesem Punkt sind nämlich
die auf dem Kolben 52 wirkenden Gas- und Massenkräfte
minimal. Ein weiterer Aktuator kann dann bei eine hier nicht gezeigte Verstellvorrichtung
die Drehlage der Gesamtanordnung aus Verstellelementen 22 und
Kolbenbolzen 10 in gewünschtem Maße verändern,
woraufhin der ersten Aktuator die Verriegelungselemente 22 wieder
in die in 4 gezeigte Verriegelungsposition
bringen kann.
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- 10
- Kolbenbolzen
- 12
- Zylindrischer
Mittenbereich
- 14
- Exzentrische
Endbereiche
- 16
- Bohrung
- 18
- Verzahnung
- 20
- Innenverzahnung
- 22
- Verriegelungselemente
- 24
- Pfeile
- 26
- Stirnflächen
- 28
- Zahnkranz
- 30
- Zylindrischer
Grundkörper
- 32
- Zähne
- 34
- Grundkörper
- 36
- Kolbenschaft
- 38
- Kolbenringe
- 40
- Kolbenringbereich
- 42
- Feuersteg
- 44
- Kolbenboden
- 46
- Kolbennaben
- 48
- Innenflächen
der Kolbennaben
- 50
- Verzahnung
- 52
- Kolben
- 54
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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