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Die
Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung für eine
Verriegelung eines verstellbar an einem Kolben gelagerten Kolbenbolzens
für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft
weiterhin einen Hubkolbenmotor mit einer derartigen Verstelleinrichtung.
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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 Oktanzahl des jeweils verwendeten Benzins 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 so genannter 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 Volllastbereich 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. Um eine unerwünschte Verstellung durch während
der Kolbenbewegung auf den Kolbenbolzen wirkende Kräfte
zu verhindern, ist es dabei nötig, eine Verriegelung vorzusehen,
mittels welcher der Kolbenbolzen arretiert werden kann. Eine Verstellung
ist dann erst nach Freigabe der Verriegelung möglich, welche
bevorzugt nur bei einer Verstellanforderung stattfindet. Es ist
bekannt, zur Steuerung solcher Verriegelungseinrichtungen hydraulische
Systeme zu verwenden. Ein Beispiel für eine derartige hydraulisch
gesteuerte Verriegelung für einen verstellbaren exzentrischen
Kolbenbolzen ist in der
US 5,417,185 offenbart.
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Solche
Systeme sind komplex aufgebaut und benötigen oftmals Druckleitungen,
welche innerhalb eines Pleuels verlaufen. Weiterhin leiden gängige
Systeme unter dem Problem, dass die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses
nicht mit der Kolbenbewegung im Motor synchronisiert ist. Da je
nach Kolbenposition unterschiedliche Kräfte auf den Kolben,
und damit auch auf die Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses
wirken, führt ein Fehlen einer solchen Synchronisierung
dazu, dass Verstellungen oft zu Zeiten erfolgen, in denen hohe Gas-
und Massenkräfte auf den Kolben wirken. Deswegen müssen
die beteiligten Bauteile und Aktuatoren für diese maximalen
Belastungen ausgelegt werden, was zu Nachteilen bezüglich
des verwendeten Bauraums und des Bauteilgewichts führt.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungseinrichtung
für eine Verriegelung eines verstellbar an einem Kolben
gelagerten Kolbenbolzens für einen Hubkolbenmotor bereitzustellen,
welche die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steuerungseinrichtung
bereitzustellen, welche ein Ver- und Entriegeln eines derartigen Kolbenbolzens
mit einer minimalen Anzahl an Bauteilen derart ermöglicht,
dass der Ver- und Entriegelungsprozess synchronisiert mit dem Arbeitszyklus des
zugeordneten Kolbens durchführbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Steuerungsreinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Über
eine derartige erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung
ist wenigstens ein den Kolbenbolzen in einer eingestellten Position
arretierendes Verriegelungselement zwischen einer Arretierungsstellung
und einer Freigabestellung bewegbar. Erfindungsgemäß ist
dabei vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung ein Bestätigungselement
umfasst, welches mit einem Führungselement korrespondiert. Über
das Zusammenwirken des Betätigungselementes mit dem Führungselement
wird dann zumindest mittelbar das Verriegelungselement zwischen
der Arretierungsstellung und der Freigabestellung bewegt. Im Gegensatz
zu den im Stand der Technik offenbarten Steuerungseinrichtungen
für derartige Verriegelungen erfolgt das Ver- und Entriegeln
also nicht über ein komplexes hydraulisches System, sondern über eine
einfache mechanische Interaktion des Betätigungselementes
mit dem Führungselement. Eine solche mechanische Wechselwirkung
kann wesentlich einfacher und mit weniger Bauteilen realisiert werden
und ist damit vorteilhafterweise wesentlich weniger störungsanfällig.
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Das
Betätigungselement ist dabei bevorzugt als Schlüsselelement
ausgebildet, welches an einem Kurbelgehäuse angeordnet
ist. Das Ver- und Entriegeln des Verriegelungselementes funktioniert
also nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das Betätigungselement,
welches kurbelgehäusefest ist, greift in das Führungselement,
welches bevorzugt als Bestandteil des Verriegelungselementes ausgebildet ist,
und übt so eine Kraft auf das Verriegelungselement aus,
welche geeignet ist, dieses zwischen der Arretierungsstellung und
der Freigabestellung zu bewegen.
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Das
Schlüsselelement ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass
es einer Raumkurve folgt, welche im Wesentlichen entlang einer Symmetrieachse
eines zugeordneten Kolbens verläuft, wobei die Raumkurve
allerdings zumindest bereichsweise eine Richtungskomponente umfasst,
welche senkrecht zu der Symmetrieachse des Kolbens verläuft.
Durch eine Bewegung des Führungselementes entlang des Schlüsselelementes
wird also eine Kraft auf das Führungselement, und damit
auch auf das Verriegelungselement ausgeübt, welche im Bereich,
in dem die Raumkurve des Schlüsselelementes eine Richtungskomponente
senkrecht zur Symmetrieachse des Kolbens aufweist, ebenfalls senkrecht
zu dieser Symmetrieachse gerichtet ist. Wenn das zugeordnete Verriegelungselement
nun koaxial zu einem zugeordneten verstellbaren Kolbenbolzen angeordnet
ist, erfolgt diese Krafteinwirkung bevorzugter Weise auch in axialer
Richtung des Kolbenbolzens. Es kann durch die Wechselwirkung zwischen
Führungselement und Schlüsselelement somit eine
Relativlage zwischen Verriegelungselement und Kolbenbolzen in axialer
Richtung des Kolbenbolzens verändert werden. Die Auf- und
Abbewegung des Kolbens entlang seiner Symmetrieachse wird durch
ein derartig ausgeprägtes Schlüsselelement somit
in eine Querkraft umgewandelt, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Kolbens steht. Ein aktives System zum Ver- und Entriegeln des
Verriegelungselementes ist somit nicht mehr nötig. Die
Interaktion von Schlüsselelement und Führungselement
wandelt einen Teil der kinetischen Energie in der Eigenbewegung
des Motors in eine Betätigungskraft zur Ver- und Entriegelung des
verstellbaren Kolbenbolzens um. Durch den Verzicht auf aktive Komponenten
kann ein solches System daher vorteilhafterweise wesentlich ausfallsicherer
gestaltet werden.
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Die
konkrete geometrische Ausgestaltung des Schlüsselelementes
sowie seine Anordnung am Kurbelgehäuse ist dabei bevorzugt
so gewählt, dass das Schlüsselelement während
eines Teilintervalles des Arbeitszyklus des zugeordneten Kolbens
in Eingriff mit dem Führungselement steht.
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Dabei
soll das Verriegelungselement jedoch über ein überwiegendes
Teilintervall des Arbeitszyklus des zugeordneten Kolbens in der
Arretierungsposition verbleiben. Lediglich in einem Teilintervall,
welches bevorzugt einen unteren Totpunkt der Kolbenbewegung des
zugeordneten Kolbens umfasst, wird durch die vom Verlauf der Raumkurve,
welcher das Schlüsselelement folgt, bedingte Querkraft
in axialer Richtung auf das Verriegelungselement des Kolbenbolzens
dazu verwendet, das Verrieglungselement in seine Entriegelungsposition
zu bringen. Gerade im Bereich des unteren Totpunktes der Kolbenbewegung
wirken nämlich die geringsten Gas- und Massenkräfte
auf den Kolben ein. Das Verriegelungselement sowie der Kolbenbolzen
selbst unterliegen also in diesem Teilintervall des Arbeitszyklus
des Kolbens den geringsten Belastungen, weswegen die Systeme zum
Ver- und Entriegeln, sowie zum Verstellen der Relativlage des Kolbenbolzens
leichter und weniger robust ausgelegt werden können.
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Eine
solche geometrische Anordnung erzeugt also eine automatische Synchronisierung
zwischen Ver- und Entriegelung des verstellbaren Kolbenbolzens.
Während jedes Betriebszyklus des Kolbens wird das Verriegelungselement
genau einmal ent- und wieder verriegelt, nämlich in der
Umgebung des unteren Totpunktes. Bei einer konkreten Verstellanforderung
für den verstellbaren Kolbenbolzen kann dann durch ein
weiteres Verstellelement dessen Relativlage zum Kolben durch exzentrische
Verstellung verändert werden. Da der gesamte Steuerungsvorgang
der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung somit
rein durch die Geometrie des Schlüsselelementes und des
Führungselementes codiert sind, kann es nicht zu Fehlschalten
kommen.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert werden, wobei die
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1A) bis 1C)
eine schematische Darstellung eines Kolbens mit einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung
in verschiedenen Phasen des Arbeitszyklus des Kolbens zeigen.
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1A) zeigt eine Seitenansicht eines Kolbens 10.
Ein in dieser Darstellung nicht sichtbarer Kolbenbolzen, über
welchen der Kolben 10 an einem hier der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellten Pleuel lagerbar ist, verläuft
im Bereich des Kolbenschaftes 12 entlang einer Achse 14.
Durch eine ebenfalls hier nicht dargestellte exzentrische Lagerung
ist die Relativlage der Achse 14 bezüglich des Kolbens 10 verstellbar.
Um eine solche Verstellung des Kolbenbolzens zu einer Relativlage
zum Kolben 10 durch zufällig auf den Kolbenbolzen
einwirkende Kräfte zu unterbinden, sind Verriegelungselemente 16 vorgesehen,
welche an einer Seitenwandung 18 des Kolbenschaftes 12 anliegen.
Im in 1A) gezeigten Zustand befinden
sich die Verriegelungselemente 16 in ihrer Arretierungsstellung.
Die Verriegelungselemente 16 sind dabei über eine
erste Verzahnung formschlüssig mit dem Kolbenbolzen verbunden
und greifen mit einer zweiten Verzahnung in eine komplementäre
Verzahnung der Wandung 18 des Kolbenschaftes 12.
Dergestalt wird ein Formschluss zwischen Kolbenbolzen, Verriegelungselement 16 und
Kolbenschaft 12 hergestellt, so dass in der dargestellten
Arretierungsstellung der Kolbenbolzen drehfest am Kolben 10 festgelegt
ist.
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Um
eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung bereitzustellen,
sind an den Verriegelungselementen 16 Führungselemente 20 angeordnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um
Führungsnasen, die in der gewählten Darstellung aus
der Papierebene herausragen. Komplementär hierzu sind an
einem der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten Kurbelgehäuse,
insbesondere im unteren Bereich einer Zylinderbohrung Schlüsselelemente 22 angeordnet.
Diese umfassen einen Fußbereich 24, über
welchen die Schlüsselelemente 22 mit dem Kurbelgehäuse
beispielsweise durch Umgießen verbunden sein können.
In einem ersten Bereich 26 sowie einem zweiten Bereich 28 verlaufen
die Schlüsselelemente 22 parallel zu einer Symmetrieachse 30 des
Kolbens 10. Zwischen den Bereichen 26 und 28 ist
ein dritter Bereich 32 angeordnet, in welchem die Raumkurve,
der die Schlüsselelemente 22 folgen, eine Komponente
aufweist, welche senkrecht zur Symmetrieachse 30 des Kolbens 10 verläuft.
Diese Komponente verläuft also parallel zur Achse 14 des
Kolbenbolzens, und damit auch in axiale Richtung bezüglich
der am Kolbenbolzen angeordneten Verriegelungselemente 16.
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Bewegt
sich nun, wie in 1B) zu erkennen, der Kolben 10 weiter
auf einen unteren Totpunkt seines Arbeitszyklus zu, in welchen der
Kolbenboden 34 sich auf Höhe der Linie 36 befinden
würde, so kommt der erste Bereich 26 der Schlüsselelemente 22 in
Wirkverbindung mit dem Führungselement 20 des
Verriegelungselements 16.
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Bei
weiterer Abwärtsbewegung des Kolbens 10 laufen
die Führungselemente 20 und die Verriegelungselemente 16 entlang
des Bereichs 32 der Schlüsselelemente 22,
welcher senkrecht zur Symmetrieachse 30 des Kolbens 10 von
der Wandung 18 des Kolbenschaftes 12 weggekrümmt
sind. Dadurch wird auf die Verriegelungselemente 16 eine
Kraft ausgeübt, welche parallel zur Achse 14 des
Kolbenbolzens gerichtet ist, also in Richtung des Pfeiles 38 wirkt.
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Wie
in 1C) zu erkennen, werden durch diese
Kraft die Verriegelungselemente 16 von der Wandung 18 des
Kolbenschaftes nach außen hin wegbewegt. Die Verzahnung 40 der
Verriegelungselemente 16, welche in den 1A)
und 1B) noch in die komplementäre
Verzahnung der Wandung 18 des Kolbenschaftes kämmte,
löst sich nun aus dieser formschlüssigen Verbindung,
wodurch sich die in 1C) gezeigte Freigabestellung
der Verriegelungselemente 16 ergibt. Über ihre
erste Verzahnung sind die Verriegelungselemente 16 jedoch
weiterhin formschlüssig mit dem Kolbenbolzen verbunden.
Lediglich der Formschluss des Kolbenbolzens mit dem Kolbenschaft 12,
welcher unter Vermittelung der Verriegelungselemente 16 zustande
kam, ist somit aufgelöst, der Kolbenbolzen bzw. seine exzentrische
Lagerung ist nun bezüglich des Kolbens 10 drehbar, wodurch
eine Relativlage der Achse 14 zum Kolben 10 geändert
werden kann. In dieser Stellung der Verriegelungselemente 16 kann
nun ein weiteres, hier nicht gezeigtes Verstellelement am Kolbenbolzen
angreifen und diesen exzentrisch verstellen, was letzten Endes zu
einer Veränderung der Relativlage des Kolbens 10 zum
zugeordneten Pleuel und damit zur Kurbelwelle führt. Damit
wird das Verdichtungsverhältnis im entsprechenden zugeordneten
Zylinder verändert.
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Bei
Erreichen des unteren Totpunktes kehrt sich nun die Bewegungsrichtung
des Kolbens 10 um, wodurch die Führungselemente 20 in
umgekehrter Richtung entlang der Schlüsselelemente 22 gleiten. Bei
der Aufwärtsbewegung des Kolbens verlaufen die in den 1A) bis C) gezeigten Vorgänge
somit in umgekehrter Reihenfolge, so dass nach Verlassen des unteren
Totpunktes die Verriegelungselemente 16 wieder in die in 1A) gezeigte Arretierungsposition verbracht
werden, in der keine Änderung der Lage des Kolbenbolzens
mehr möglich ist.
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Das
Ver- und Entriegeln des Kolbenbolzens funktioniert somit ohne aktive
Elemente lediglich durch die mechanische Interaktion der am Kurbelgehäuse
angeordneten Schlüsselelemente 22 mit den Führungselementen 20 der
Verriegelungselemente 16. Die Steuerung der Verriegelung
durch eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung
ist somit vollständig durch die geometrische Anordnung
aus Schlüsselelementen 22 und Führungselementen 20 codiert,
eine Möglichkeit für eine Fehlschaltung besteht
nicht. Eine Entriegelung des Kolbenbolzens erfolgt nur im Bereich
des unteren Totpunktes, wo die auf den Kolbenbolzen, die Verriegelungseinrichtung und
eine zugeordnete Verstelleinrichtung für den Kolbenbolzen
wirkenden Kräfte minimal sind.
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- 10
- Kolben
- 12
- Kolbenschaft
- 14
- Achse
- 16
- Verriegelungselemente
- 18
- Wandung
- 20
- Führungselemente
- 22
- Schlüsselelemente
- 24
- Fußbereich
- 26,
28, 32
- Bereich
- 30
- Symmetrieachse
- 34
- Kolbenboden
- 36
- Linie
- 38
- Pfeil
- 40
- Verzahnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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