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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Motor mit
veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem
das Verdichtungsverhältnis in einem Zylinder für
einen Verbrennungsmotor angepasst wird, während der Motor
läuft, und im Einzelnen eine verbesserte Anordnung von
Kolben und Pleuelstange für das dynamische Verändern
des Motorverdichtungsverhältnisses.
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Stand der Technik
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Benzinmotoren
haben einen Grenzwert bei dem Höchstdruck, der während
des Verdichtungstakts aufgebaut werden kann. Wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch
Druck und Temperatur über einem bestimmten Grenzwert über
eine bestimmte Zeitdauer ausgesetzt wird, kommt es zu Selbstzündung
statt zu Verbrennung. Ein maximaler Verbrennungswirkungsgrad ergibt
sich bei maximalen Verbrennungsdrücken, doch bei Fehlen
von kompressionsinduzierter Selbstzündung, die unerwünschte
Geräusche erzeugen und auch dem Motor mechanischen Schaden
zufügen kann. Sind bei einer bestimmten Geschwindigkeit
höhere Leistungen erwünscht, müssen dem
Motor mehr Kraftstoff und Luft zugeführt werden. Um eine
größere Zufuhr von Kraftstoff/Luft zu erreichen,
wird der Ansaugkrümmerdruck durch ein zusätzliches Öffnen
einer Drosselplatte oder durch die Verwendung von Turboladern oder
Ladern angehoben, was auch die Einlassdrücke des Motors
anhebt. Bei Motoren, die bereits bei Spitzenwirkungsgrad/Höchstdruck
arbeiten, würden aber die zusätzlichen Einlassdrücke,
die durch Turbolader und Lader erzeugt werden, die Verbrennungsdrücke überkomprimieren,
was zu Selbstzündung führt, was aufgrund des erzeugten
Begleitgeräusches häufig als Klopfen bezeichnet
wird. Wenn zusätzliche Leistung erwünscht ist,
wenn der Motor bereits mit Verbrennungsdrücken nahe der
Klopfgrenze arbeitet, müssen die Zündsteuerzeiten
von dem Punkt besten Wirkungsgrads auf spät verstellt werden.
Diese Spätverstellung der Zündsteuerzeiten führt
zu einem Verlust an Motorwirkungsgrad und auch zu einer Zunahme einer
auf den Motor übertragenen Verbrennungswärme.
Somit besteht ein Dilemma: der Motorkonstrukteur muss ein Verdichtungsverhältnis
für alle Betriebsarten wählen. Ein hohes Verdichtungsverhältnis führt
zu einem optimalen Kraftstoffwirkungsgrad bei Betrieb mit leichter
Last, doch bei Betrieb bei hoher Last muss die Zündung
auf spät verstellt werden, um Selbstzündung zu
vermeiden. Dies führt zu einer Abnahme des Wirkungsgrads
bei hoher Last, verminderter Leistung und verstärkter Übertragung
von Verbrennungswärme auf den Motor. Ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis
führt wiederum zu einem Verlust an Motorwirkungsgrad während
Betriebs bei leichter Last, was typischerweise bei einem Großteil
des Betriebszyklus vorliegt.
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Um
dieses unerwünschte Dilemma zu vermeiden, hat der Stand
der Technik das Konzept des dynamischen Verringerns eines Motorverdichtungsverhältnisses
gelehrt, sobald ein Turbolader oder Lader aktiviert wird, um zeitweiligen
Forderungen nach drastischer Leistungszunahme nachzukommen. Somit
kann unter Verwendung der Technologie eines veränderlichen
Verdichtungsverhältnisses das Verdichtungsverhältnis
eines Verbrennungsmotors in Betriebsarten ohne Turboladung/Ladung
auf maximale Spitzendrücke gesetzt werden, um den Kraftstoffwirkungsgrad
zu steigern, während der Motor unter leichten Lasten arbeitet.
In den gelegentlichen Fällen, da aber hohe Lastforderungen
an den Motor gestellt werden, beispielsweise während starker
Beschleunigung und Bergfahrt, kann das Verdichtungsverhältnis
spontan gesenkt werden, um einen Anstieg des Einlassdrucks zu bewältigen,
der durch Aktivierung eines Turboladers oder Laders hervorgerufen
wird. In allen Fällen wird ein durch Verdichtung induziertes
Klopfen vermieden und es werden maximale Motorwirkungsgrade beibehalten.
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Es
wurden verschiedene Versuche zum Verwirklichen dynamischer veränderlicher
Verdichtungsverhältnisse bei einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen.
Zum Beispiel stellte das Automobilunternehmen SAAB bei dem Genfer
Autosalon im Jahr 2000 einen Motor veränderlichen Verdichtungsverhältnisses
vor. Die Konstruktion von SAAB bestand aus einem Monoblock-Zylinderkopf
und einer separaten Kurbelwellen/Kurbelgehäuse-Anordnung.
Der Monoblock-Kopf war durch einen Zapfen mit der Kurbelwellen/Kurbelgehäuse-Anordnung
verbunden, so dass eine kleine (z. B. 4°) relative Bewegung
gestattet wurde, wobei die Bewegung durch einen Hydraulikaktuator
gesteuert wurde. Der SAAB-Mechanismus ermöglichte das Verändern
des Abstands zwischen der Mittellinie der Kurbelwelle und dem Zylinderkopf.
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Andere
Versuche, dynamische veränderliche Verdichtungsverhältnisse
zu verwirklichen, umfassen ein wirksames Verlängern/Verkürzen
der Pleuelstange, die den Hubkolben mit einer sich drehenden Kurbelwelle
verbindet. Unter den zahllosen Konstruktionen, die das Anpassen
der Länge einer Pleuelstange favorisieren, werden einige
vorgeschlagen, bei denen eine exzentrische Kolbenbolzenverbindung
an dem Gelenkverbindung zwischen dem kleinen Ende der Pleuelstange
und dem Kolben vorgesehen ist. Beispiele für exzentrische
Kolbenbolzenkonstruktionen finden sich in
U.S. Patent Nr. 2,427,668 für
Gill, erteilt am 23. September 1947, und
U.S. Patent Nr. 4,687,348 für
Naruoka et al., erteilt am 18. August 1987, und auch
U.S. Patent Nr. 4,864,975 für
Hasegawa, erteilt am 12. September 1989.
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Ein
besonderer Nachteil bei allen vorbekannten Versuchen zum Verlängern
oder Verkürzen der Länge der Pleuelstange ergibt
sich aus den schnellen zyklischen Kompressions- und Zugmodi, denen
eine Pleuelstange ausgesetzt wird. Wenn es zum Beispiel erwünscht
ist, die Pleuelstange zu verlängern und somit das Verdichtungsverhältnis
zu einem Zeitpunkt anzuheben, da die Pleuelstange hohen axialen
Kompressionslasten ausgesetzt wird, ist eine erhebliche Kraft erforderlich.
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Dies
führt zu komplizierten und unwirksamen Mechanismen und
Konstruktionen, die für moderne Motoren hohen Wirkungsgrads
und die Erwartungen anspruchsvoller Kunden alle nicht gut geeignet
sind. Demgemäß besteht Bedarf nach einem Motor
mit verbessertem veränderlichen Verdichtungsverhältnis,
der eine spontane Anpassung von Verbrennungsverdichtungsverhältnissen
ermöglicht, die nicht durch die extreme zyklische Belastung,
denen einer Pleuelstange während normaler Motorbetriebe
ausgesetzt wird, beeinträchtigt oder unwirksam gemacht wird.
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Kurzdarlegung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung behebt die Nachteile und Mängel,
die sich im Stand der Technik finden, durch Vorsehen einer Kolben-
und Stangenanordnung mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis für
einen Verbrennungsmotor, welche einen Kolben mit einem Bolzensatz
in einer Bolzenbohrung, die entlang einer ersten Achse zentriert
ist, und eine Pleuelstange mit einem unterem Kurbelende und einem
oberen Kolbenende umfasst. Das obere Kolbenende der Pleuelstange
umfasst eine Stangenbohrung, die entlang einer zweiten Achse zentriert
ist und parallel zur ersten Achse der Bolzenbohrung ist. Eine Exzenterbuchse
verbindet schwenkend die die Buchsenbohrung des Kolbenbolzens und
die Stangenbohrung für eine Gelenkverbindungsbewegung des
Kolbens im Verhältnis zur Pleuelstange. Die Exzenterbuchse
umfasst eine Bohrung, die den Kolbenbolzen trägt, sowie
einen exzentrischen äußeren gelagerten Teil, der
in der Stangenbohrung getragen wird. Die Exzenterbuchse ist im Verhältnis
zur Pleuelstangenbohrung drehbar, um eine räumliche Verschiebung zwischen
der ersten Achse und dem unteren Kurbelende der Pleuelstange zu
bewirken, um das von der Anordnung erzeugte Verdichtungsverhältnis
wirksam zu ändern, wenn sie in einem Verbrennungsmotor
wirkangeordnet ist. Ein Aktuator ist zum Erzeugen eines Betätigungsimpulses
selektiv einschaltbar. Ein Riegel reagiert auf diesen Betätigungsimpuls
für Bewegung zwischen einer verriegelten Stellung, in der die
Exzenterbuchse in einer von mindestens zwei gedreht Stellungen fest
ist, und einer unverriegelten Stellung, in der die Exzenterbuchse
im Verhältnis zur Pleuelstange frei beweglich ist. Weiterhin
sieht die Erfindung hier eine Leerlaufkupplung vor, die zwischen
dem Aktuator und dem Riegel wirkangeordnet ist. Die Leerlaufkupplung
entkoppelt den Aktuator als Reaktion auf eine vorherrschende Scherlast
zwischen der Exzenterbuchse und der Pleuelstange funktionell von
dem Riegel, wodurch der Riegel in der verriegelten Stellung festgehalten
wird. Ferner koppelt die Leerlaufkupplung den Aktuator automatisch wieder
an den Riegel, wenn die vorherrschende Scherlast unter einen vorbestimmten
Grenzwert fällt. Dadurch ermöglicht es die Leerlaufkupplung
dem Aktuator, einen Betätigungsimpuls zu erzeugen, während
der Riegel in seiner verriegelten Stellung festgehalten bleibt,
ohne den Riegel zu beschädigen und wobei auch der Riegel
für Einrücken zu einem späteren zweckmäßigen
Zeitpunkt automatisch beaufschlagt wird.
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Das
Merkmal der Leerlaufkupplung dieser Erfindung nutzt die zyklische
Natur der verschiedenen Kompressions- und Zugmodi, durch die sich
eine Pleuelstange während des Betriebs bewegt, um Verriegeln
und Entriegeln bei günstigen Momenten zu ermöglichen,
die nicht von der Steuerzeit des Betätigungsimpulses abhängen.
Daher übt der Aktuator den Betätigungsimpuls aus,
wenn der Motor eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses
fordert, der Riegel wird aber erst zu einem späteren, günstigen Zeitpunkt
entriegeln, bei dem die Länge der Pleuelstange zwischen
der Kurbelwelle und dem Kolben automatisch geändert wird.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung dieser Erfindung wird ein Verfahren
zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Kolben-
und Stangenanordnung in einem Verbrennungsmotor vorgesehen. Das
Verfahren umfasst die Schritte des Vorsehens einer Pleuelstange
mit einem unteren Kurbelende und einem oberen Kolbenende, des Vorsehens
eines Kolbens und des schwenkbaren Verbindens des oberen Kolbenendes
der Pleuelstange mit dem Kolben mit einer Exzenterbuchse. Das Verfahren
umfasst weiterhin das selektive Drehen der Exzenterbuchse, um den
Kolben im Verhältnis zur Pleuelstange räumlich zu
verschieben, um das durch die Anordnung während der kurbelgetriebenen
Hubbewegung in dem Verbrennungsmotor erzeugte Verdichtungsverhältnis wirksam
zu ändern. Das Verfahren umfasst auch die Schritte des
Vorsehens eines Riegels, der zu einer verriegelten Stellung zum
Halten des Kolbens in einem von zwei räumlich verschobenen
Zuständen im Verhältnis zur Pleuelstange beweglich
ist, und das selektive Pressen des Riegels, damit er sich zu einer entriegelten
Stellung bewegt, in der der Kolben und die Pleuelstange im Verhältnis
zueinander frei verlängerbar sind. Das Verfahren umfasst
auch, dass die Pleuelstange während einer kurbelgetriebenen
Hubbewegung in dem Verbrennungsmotor zyklischen Kompressions- und
Zugmodi unterworfen wird. Das Verfahren ist durch zeitweiliges Immobilisieren
des Riegels in der verriegelten Stellung während des Schritts
des selektiven Pressens des Riegels gekennzeichnet, um zur unverriegelten
Stellung zu gehen, bis die Pleuelstange zwischen dem Kompressions-
und Zugmodus wechselt. Dadurch bleibt der Riegel nach dem Schritt
des Pressens in seiner verriegelten Stellung festgehalten, bewegt
sich aber automatisch zur unverriegelten Stellung, wenn die Pleuelstange
von dem Kompressions- zum Zugmodus oder vom Zug- zum Kompressionsmodus
wechselt.
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Somit
bewegt sich der Riegel, wie hier in dieser Verfahrensversion der
Erfindung beschrieben, erst zu seiner unverriegelten Stellung, wenn
die Pleuelstange einen Wechsel von dem Kompressions- zum Zugmodus
oder vom Zug- zum Kompressionsmodus erfährt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen bei Betrachtung
in Verbindung mit der folgenden eingehenden Beschreibung und den
beigefügten Zeichnungen mühelos hervor. Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kolben-
und Stangenanordnung mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis,
die zum Betrieb in einem Verbrennungsmotor angeordnet ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Pleuelstangenanordnung;
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3 eine
unvollständige Querschnittansicht der Pleuelstange allgemein
entlang der Linien 3-3 von 2, die darauf
gesetzt einen im Querschnitt dargestellten Kolben umfasst;
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4 eine
Querschnittansicht wie in 3, die aber
die Pleuelstange in einer verlängerten Konfiguration mit
hoher Verdichtung zeigt, wobei eine Höhe in dem Kolben
durch Vergleich mit 3 gezeigt wird;
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5 einen
Querschnitt durch die Aktuator- und Riegelmerkmale allgemein entlang
der Linien 5-5 von 3;
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5A eine
Ansicht wie in 5, die aber einen an dem Riegel
ausgeübten Betätigungsimpuls zeigt, während
die Pleuelstange entweder in einem Modus hoher Kompression oder
einem Modus hohen Zugs bleibt;
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5B eine
Ansicht wie in 5A, die aber das automatische
erneute Koppeln des Aktuators an dem Riegel bei Wechsel der Pleuelstange
von entweder einem Kompressions- zum Zugmodus oder einem Zug- zum
Kompressionsmodus zeigt;
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6 eine
Querschnittansicht der Aktuator- und Riegelmerkmale allgemein entlang
der Linien 6-6 von 4;
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7 eine
perspektivische Ansicht des oberen Kolbenendes einer erfindungsgemäßen
Pleuelstange, wobei der Aktuator in Phantom in einem verschobenen
Zustand gezeigt wird;
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8 eine
Querschnittansicht der Aktuator- und Riegelmerkmale allgemein entlang
der Linien 8-8 in 4;
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9 eine
vereinfachte Ansicht entlang der Linien 9-9 von 3,
die die Pleuelstange bei einer niedrigen Verdichtungsverhältniseinstellung,
aber durch den Betätigungsimpuls eines Ölstroms
zu einem Modus hohen Verdichtungsverhältnisses schaltend
zeigt;
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10 eine
Ansicht wie in 9, aber allgemein entlang der
Linien 10-10 von 4, die die Pleuelstange bei
einer hohen Verdichtungsverhältniseinstellung, aber durch
den durch einen Ölstrom ausgeübten Betätigungsimpuls
zu einem Modus niedrigen Verdichtungsverhältnisses schaltend
zeigt;
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11 eine
Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Riegels;
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12 ein
Graph, der die vier Zyklen oder Takte eines typischen Benzinverbrennungsmotors darstellt
und die zyklischen Kompressions- und Zugmodi zeigt, denen die Pleuelstange
ausgesetzt wird;
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13 ein
Graph, der Verdichtungsverhältnisse gegen Mindesttotraum
eines Motors gegenüberstellt, der unter Bedingungen hoher
Verdichtung und niedriger Verdichtung arbeitet;
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14A–17B eine
Folge von unvollständigen Vorder- und Begleitquerschnitten,
die den verjüngten Bolzen und die Anschlagstange bei Zusammenwirken
zum Sicherstellen erfolgreichen Verriegelns bei hoher Geschwindigkeit
zeigen;
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18 eine
Querschnittansicht, die die Kräfte schematisch zeigt, die
auf den Bolzen wirken, wenn von der Flanschplatte der Exzenterbuchse
eine Scherlast ausgeübt wird;
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19A das Riegelsystem dieser Erfindung, wobei der
ausfahrbare Bolzen mit einem größeren radialen
Maß als sein Passloch gezeigt ist;
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19B eine Ansicht wie in 19A,
die aber ein typisches vorbekanntes Riegelsystem zeigt, bei dem
der Bolzen mit einem größeren radialen Maß als
sein Passloch gezeigt ist, die Kontaktfläche aber aufgrund
der Fehlausrichtung nicht normal zu dem Grad an Freiheitsbewegung
zwischen den beiden Teilen ist;
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20 ein
Diagramm räumlicher Beziehungen der ersten und zweiten
Achsen in einer von zwei gedrehten Stellungen, die niedrige und
hohe Verdichtungsverhältniseinstellungen des Kolben darstellen, die
durch Drehen der Exzenterbuchse erreicht werden, gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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21 ein
Diagramm wie in 20, das aber eine typische vorbekannte
Konstruktion zeigt, bei der die Exzenterbuchse über einen
erheblich größeren Bereich gedreht ist, um eine äquivalente
Höhenanpassung des Kolbens zu erreichen;
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22 die
Verbindungsstange in einem Seitenaufriss mit den üblichen
mehreren Beschleunigungsfeldern oder -vektoren, die an dem oberen
Kolbenende erzeugt werden, wenn er in einem Motor wirkangeordnet
ist, wobei die Beschleunigungsvektoren sich durch eine gedachte
Achse erstrecken, die senkrecht durch die erste Achse tritt, wobei
Winkelbeschleunigungsvektoren um die erste Achse zentriert sind
und Zentrifugalbeschleunigungsvektoren von der ersten Achse ausgehen;
und
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23 eine
perspektivische Ansicht einer alternativen Anschlagstange der gewickelten
Bolzenausführung.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform
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Unter
Bezug auf die Figuren wird in 1 bei 14 ein
Schaubild eines benzinbetriebenen Verbrennungsmotors allgemein gezeigt.
Der Motor 14 umfasst eine Kurbelwelle 16, die
zur Drehung in den (nicht dargestellten) typischen Hauptlagern gelagert ist.
Eine Pleuelstange, die allgemein bei 18 gezeigt wird, weist
ein niedrigeres Kurbelende 20 auf, das mit der Kurbelwelle 16 drehend
um eine Kurbelbolzenbohrungsachse C verbunden ist. In Längsrichtung von
dem Kurbelende 20 beabstandet umfasst die Pleuelstange 18 ein
Kolbenende 22, das eine Stangenbohrung 24 lagert,
die entlang einer parallelen Achse B zentriert ist. Ein Kolben,
der allgemein bei 26 gezeigt wird, ist mit dem Kolbenende 22 der
Pleuelstangenanordnung 17 durch einen Kolbenbolzen, der allgemein
bei 43 gezeigt wird, schwenkbar verbunden. Der Kolbenbolzen 43 sieht
eine Gelenkbewegung des Kolbens 26 im Verhältnis
zu der Pleuelstangenanordnung 17 vor. Der Kolben 26 ist
in einer Hubrichtung in einem Zylinder 30 zur Bewegung
zwischen den Grenzwerten des unteren Totpunkts (UT) und des oberen
Totpunkts (OT) geführt, deren Abstand die Hublänge
der Kolben- und Stangenanordnung festlegt. Der Zylinder 30 ist
von einem Kopf 32 abgedeckt, in dem in diesem veranschaulichenden Beispiel Überkopfventile 34 vorgesehen
sind, die den Gasstrom durch Kanäle des Einlasses 36 und
des Auslasses 38 in bekannter Weise steuern. Eine Zündkerze 40 umfasst
ein unteres Zündende, das in dem Brennraum freiliegt, der
in dem Raum zwischen dem Kolben 26, dem Kopf 32 und
dem Zylinder 30 zum Zünden eines verdichteten
Gemisches aus Luft und Kraftstoff nach den bekannten Prinzipien
ausgebildet ist.
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Eine
Exzenterbuchse 28 ist von einer Art, die zum Ermöglichen
dynamischer, d. h. spontaner, Änderungen des Verdichtungsverhältnisses
ausgelegt ist, das durch die Kolben- und Pleuelstangenanordnung 17 aufgebaut
wird. Im Einzelnen weist die Exzenterbuchse 28 eine Bohrung
auf, die in der bevorzugten Ausführungsform mit einer Kolbenbolzenbuchse 42 ausgestattet
ist, die wiederum einen Kolbenbolzen 43 trägt.
Der Kolbenbolzen 43 verbindet die Kolbenbolzenbuchse 42 mit
der Bohlenbohrung 44 des Kolbens 26. Typischerweise
ist die Bolzenbohrung 44 in integralen Kolbenbolzenvorsprüngen 46 des
Kolbens 26 ausgebildet, wenngleich andere Anordnungen vorgeschlagen
wurden. Die Bolzenbohrung 44 in dem Kolben 26 ist
entlang einer ersten Achse A zentriert, die ständig zu
sowohl der Kurbelbolzenbohrungsachse C als auch der zweiten Achse B
der Stangenbohrung 24 parallel ist. Die Exzenterbuchse 28 umfasst
weiterhin einen exzentrischen äußeren gelagerten
Abschnitt 48, der in der Stangenbohrung 24 getragen
wird. Der exzentrische äußere gelagerte Abschnitt 48 ist
von der Kolbenbolzenbuchse 42 und dem Kolbenbolzen 43 versetzt,
so dass bei Drehen der Exzenterbuchse 28 um ihren gelagerten
Abschnitt 48 zwischen den C- und A-Achsen eine räumliche Verschiebung
erkannt wird. Dieses Phänomen wird vielleicht am Besten
durch Heranziehen von 3, 4 und 20 gezeigt,
wo gezeigt wird, dass infolge des Drehens der Exzenterbuchse 28 im
Verhältnis zur Pleuelstange 18 zum Beispiel um
etwa 32° die Höhe des Kolbens 26 um ein
paar Millimeter geändert wird. Es versteht sich, dass die
spezifische Winkelverschiebung ein gewisses Konstruktionskriterium
ist, das sich von einer Umsetzung zur nächsten ändern
kann.
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Die Änderung
der Kolbenhöhe im Verhältnis zur Kurbelbolzenbohrungsachse
C ändert wirksam das Verdichtungsverhältnis, das
durch diese Kolben- und Stangenanordnung erzeugt wird, wenn sie
in einem Verbrennungsmotor 14 wirkangeordnet ist. An dem
oberen Totpunkt (OT) wird mit anderen Worten der Raum zwischen der
Krone des Kolbens 26 und dem Zylinderkopf 32 durch
vorsichtiges Anlenken der Exzenterbuchse 28 verändert.
Natürlich setzt sich ein kleineres Volumen am OT in einer
erhöhtes Verdichtungsverhältnis um, wogegen ein
größeres Volumen am OT zu einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis führt,
wenn das durchströmte Volumen konstant bleibt. Somit kann
durch einfaches Drehen der Exzenterbuchse 28 im Verhältnis
zur Pleuelstange 18 bei laufendem Motor eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses verwendet werden, um die
Vorteile und Leistungsverbesserungen zu erreichen, die Motoren mit
veränderlichem Verdichtungsverhältnis zugeschrieben
werden.
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Als
Beispiel für dieses Verdichtungsverschiebungsmerkmal zeigt 13 die Änderungen
auf, die bei einer vorgeschlagenen Verlängerung der Pleuelstangenanordnung 17 um
3 mm unter Annahme einer Hublänge von 86,7 mm in einem
3,4 Liter V6-Standardmotor auftreten würden.
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Eine
Pleuelstangen-Mittellinie D ist als gedachte Linie festgelegt, die
sich in Längsrichtung zwischen der Kurbelbolzenbohrungsachse
C und der zweiten Achse B der Stangenbohrung 24 erstreckt. Durch
Heranziehen von 3 und 4 zusammen mit 1 wird
festgestellt, dass die erste Achse A der Bolzenbohrung 44 von
der Stangenmittellinie D ständig seitlich versetzt ist.
In der bevorzugten Auslegung dieser Erfindung darf mit anderen Worten
zu keiner Zeit während der Drehung der Exzenterbuchse 28 im
Verhältnis zur Pleuelstange 18 die erste Achse
A mit der Mittelinie D der Pleuelstange zusammenfallen oder diese
schneiden. Diese Bedingung ist bevorzugt, so dass die Torsionsmomente
bei Verschieben der Länge der Pleuelstangenanordnung 17 zwischen
ihren Einstellungen niedriger Verdichtung und hoher Verdichtung
sehr vorteilhaft genutzt werden können, wie nachstehend
näher beschrieben wird. Dennoch wird eingeräumt,
dass die neuartigen Merkmale dieser Erfindung mit einem System umkonfiguriert
werden könnten, das es der ersten Achse A erlaubt, die
Mittellinie D der Stange während eines Wechsels zwischen
Einstellungen hohen und niedrigen Verdichtungsverhältnisses
zu schneiden. Dennoch muss in der bevorzugten Ausführungsform
der seitliche Abstand, d. h. senkrecht zur Mittellinie D der Pleuelstange
gemessen, zwischen der ersten Achse A und der zweiten Achse B ausreichend
sein, damit die konstruktionsbedingte Höhenanpassung über
einem recht schmalen Bereich der Winkelanpassung, d. h. unter 180
Grad, verwirklicht werden kann. Dieser Aspekt der Erfindung wird
nachstehend in Verbindung mit 20 und 21 näher
beschrieben.
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Ein
Riegel 50 ist zum sicheren Halten der Exzenterbuchse 28 in
einer ihrer Stellungen mit angepasster niedriger oder hoher Verdichtung
vorgesehen, bis er von einem Betätigungsimpuls beaufschlagt
wird, der eine erwünschte Änderung der anderen
Einstellung signalisiert. Breit festgelegt reagiert der Riegel 50 auf
einen Betätigungsimpuls für Bewegung zwischen
einer unverriegelten Stellung, in der die Exzenterbuchse 28 im
Verhältnis zur Pleuelstange 18 frei drehbar ist,
und einer verriegelten Stellung, in der die Exzenterbuchse 28 und
die erste Pleuelstange 18 in einer von zwei gebogen beabstandeten
Stellungen (d. h. entweder 3 oder 4)
befestigt sind. Der Riegel 50 wird in 5B in seiner
unverriegelten Stellung und in 5, 5A und 6 in
seiner verriegelten Stellung gezeigt. Ein Aktuator, der allgemein
bei 52 gezeigt wird, sieht den erforderlichen Betätigungsimpuls
vor. Der Aktuator 52 ist ebenfalls an dem oberen Ende 22 der
Pleuelstange 18 getragen und kann zum Zeitpunkt der Forderung
selektiv eingeschaltet werden, der zum Beispiel durch eine in einem
elektronischen Steuermodul ausgeführten Berechnung oder
durch sklavische Reaktion auf eine vorbestimmten Bedingung, beispielsweise
Anlassermotoraktivierung oder Aktivierung oder Deaktivierung von
Turbo/Lader, ermittelt wird. Es kann mit anderen Worten ein spezifischer Vorgang
oder eine spezifische Bedingung verwendet werden, um den Aktuator 52 selektiv
einzuschalten, woraufhin der Betätigungsimpuls erzeugt
wird, um den Riegel 50 von seiner verriegelten in seine
unverriegelte Stellung und umgekehrt zu bewegen.
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Unter
näherer Betrachtung der Konstruktion des Mechanismus des
Riegels 50 wird in den Begleitzeichnungen eine beispielhafte
Ausführungsform dargestellt, die zum Ausführen
des Zwecks dieser Erfindung geeignet ist. Dennoch wird der Fachmann verschiedene
alternative Konstruktionen und Anordnungen von Komponenten erkennen,
mit denen er einen Riegel bilden kann, der sich in der Art und Weise verhält,
wie sie in den Ansprüchen dieser Erfindung festgehalten
sind. Unter Bezug auf 2 und 5–6 wird
der Riegel 50 mit einem oberen Bolzen 54 zum Befestigen
der Exzenterbuchse 28 in einer ersten von mindestens zwei
gebogen beabstandeten Stellungen und mit einem unteren Bolzen 56 (vom
oberen Bolzen 54 beabstandet) zum Befestigen der Exzenterbuchse 28 in
einer zweiten der mindestens zwei gebogen beabstandeten Stellungen gezeigt.
In diesem Beispiel umfasst die Exzenterbuchse 28 eine Flanschplatte 58 mit
zwei Löchern 60, 62 darin zum Aufnehmen
der jeweiligen oberen 54 und unteren 56 Bolzen.
Die Bolzen 54, 56 werden zur axialen Gleitbewegung
in dem Kolbenende 22 der Pleuelstange 18 getragen.
Bei Verschiebung durch den Aktuator 52 zu geeigneten Zeitpunkten
finden die Bolzen 54, 56 eine wechselnde Passung
in ihren jeweiligen Löchern 60, 62, die
in der Flanschplatte 58 ausgebildet sind, wodurch die Exzenterbuchse 28 bezüglich
der Pleuelstange 18 fest angebracht wird.
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Das
obere Loch 60 dient zum Verriegeln der im Winkel angepassten
Bedingung der Exzenterbuchse 28, wenn die Anordnung in
ihrem in 3 gezeigten Modus niedriger
Verdichtung ausgelegt ist. Der obere Bolzen 54 ist in 5 und 5,
die gemäß der Legende die Konfiguration der Pleuelstangenanordnung 17 mit
niedrigem Verdichtungsverhältnis oder verkürzt
zeigen, in Passung mit seinem Gegenstückloch 60.
Wenn der Riegel 50 aber geeignet gehandhabt wird, so dass
sich der untere Bolzen 56 in Passung mit seinem Gegenstückloch 62 befindet, wie
in 6 gezeigt wird, wird die Exzenterbuchse 28 im
Winkel auf ihre Ausrichtung mit hohem Verdichtungsverhältnis
angepasst, wie in 4 dargestellt wird. Ungefähr
wie ein Totbolzen, der als Teil eines Riegelsatzes in einer Tür
wirkt, werden somit, wenn einer von oberem 54 oder unterem 56 Bolzen
zum Finden einer entsprechenden Passung mit ihren jeweiligen Löchern 60, 62 in
der Flanschplatte 58 geworfen werden, die Elemente im Verhältnis
zur Pleuelstange 18 verriegelt.
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Zwischen
dem Aktuator 52 und dem oberen 54 und unterem 56 Bolzen
ist eine Leerlaufkupplung wirkangeordnet, um den Aktuator 52 als
Reaktion auf eine vorherrschende Scherlast zwischen der Flanschplatte 58 und
der Pleuelstange 18 funktionell von dem Riegel 50 abzukoppeln.
Unter erneutem Bezug auf 5 wird der Riegel 50 hier
vollständig in seiner Ausrichtung bei niedrigem Verdichtungsverhältnis
sitzend gezeigt, was bei Arbeiten in einem turbogeladenen oder geladenen
Modus erwartet werden würde. Sobald die Forderung nach
hoher Leistung vorbei ist, ist es erwünscht, den Turbo/Lader
zu deaktivieren und den Motor 14 zu einer wirtschaftlicheren
Einstellung hohen Verdichtungsverhältnisses zurückzuführen.
Auf diese Weise wird der Aktuator 52 eingeschaltet, um
einen Betätigungsimpuls vorzusehen, der in dem Beispiel
von 5A eine Drehung einer Nocke 64 in einem
Bogen von etwa 60 Grad gegen den Uhrzeigersinn darstellt. Es ist
aber zu vermerken, dass trotz Einschalten des Aktuators 52,
d. h. Drehen, der obere Bolzen 54 in vollständiger
verriegelnder Passung mit seinem Gegenstückloch 60 in der
Flanschplatte 58 bleibt, was bedeutet, dass die Exzenterbuchse 28 in
dem Zustand niedrigen Verdichtungsverhältnisses verriegelt
bleibt. Auch wenn der Befehl für eine Änderung
zu der Auslegung hoher Verdichtung gegeben wurde, bleibt der Riegel 50 somit
in diesem verriegelten Zustand, festgehalten durch eine vorherrschende
Scherlast, die zwischen der Flanschplatte 58 und dem Kolbenende 22 der Pleuelstange 18 besteht.
Diese vorherrschende Scherlast wird aufgrund von Kompressions- oder Zugkräften
in der Pleuelstangenanordnung 17 erzeugt, die auf die Exzenterbuchse 28 durch
den Kolbenbolzen 43 wirken, der von der kleinen Endbohrung 24 der
Pleuelstange (im Verhältnis zur Mittellinie D der Pleuelstange)
seitlich versetzt ist.
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12 ist
ein Graph, der die typische Achsenbelastung (in Newton) zeigt, die
von der Pleuelstange 18 gemessen an ihrer Mittellinie D
erfahren wird. Wenn die Anordnung durch ihre Verdichtungs- und Arbeitstakte
bewegt wird, wird aufgrund der Verbrennungsgase, die zuerst verdichtet
und dann entspannt werden, eine hohe Kompressionsbelastung erfahren.
Etwa in der Mitte des Abgaszyklus tritt aber ein Wechsel auf, bei
dem die von der Pleuelstange 18 erfahrene axiale Belastung
aufgrund vorrangig von Trägheitslasten, die sich aus einem
schnellen Verlangsamen des Kolbens 26 ergeben, eine Zugbelastung
wird. Die Wechselzonen, bei denen die Belastung entlang der Mittellinie
D der Pleuelstange Null sind, sind in 12 durch
umschreibende gestrichelte Linien mit Legenden gezeigt, die die
Punkte zeigen, bei denen die Länge einer Pleuelstange 18 entweder
von einem niedrigen zu einem hohen Verdichtungsverhältnis
oder andernfalls von einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis
gewechselt werden kann. Somit würde 5A eine
vorherrschende Scherbelastung – entweder Verdichtung oder
Zug – auf die Pleuelstange 18 entlang ihrer Mittellinie
D darstellen, die durch die Exzenterbuchse 28 wirkt, um
den oberen Bolzen 54 in seinem Gegenstückloch 60 wirksam
zurückzuhalten oder einzuklemmen.
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5B stellt
aber den Zeitpunkt dar, bei dem sich die Scherlast oder besser vielleicht
die Belastung an der Pleuelstange 18 wie in 12 gezeigt durch
die Wechselzonen und durch einen Moment von Null Last bewegt. Genau
bei diesem Moment kuppelt die Leerlaufkupplung automatisch den Aktuator 52 wieder
an Riegel 50, so dass er sich tatsächlich zu seiner
unverriegelten Stellung bewegt, was eine freie relative Bewegung
zwischen der Exzenterbuchse 28 und der Pleuelstange 18 ermöglicht.
Wie weiterhin in 6 gezeigt wird, wird der untere
Bolzen 56 gleichzeitig veranlasst, in sein Gegenstückloch 62 zu
fallen, wodurch die Anordnung in dem in 4 dargestellten
Zustand hoher Verdichtung und angepasster Länge verriegelt
wird.
-
Die
Leerlaufkupplung ermöglicht es dem Aktuator 52,
seinen Betätigungsimpuls zu erzeugen, während
der Riegel 50 in seiner verriegelten Stellung zurückgehalten
bleibt, aber ohne den Riegel 50 zu beschädigen.
Die Leerlaufkupplung bewegt auch den Riegel 50 an einem
späteren günstigen Zeitpunkt, aber vor einer Änderung
der Höhe des Kolbens 26 im Verhältnis
zur Pleuelstange 18 automatisch. Der Aktuator 52 kann
mit anderen Worten – und insbesondere unter Bezug auf 12 – zu
jedem Zeitpunkt während einer Kurbelwinkelbewegung von
720 Grad, d. h. durch alle vier Takte eines vollständigen
Zyklus eines Verbrennungsmotors 14, betätigt werden.
Es ist aber nur zweckmäßig oder erwünscht,
eine Höhenänderung (d. h. eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses)
während einer der Wechselzonen auszulösen, wobei
die Belastung entlang der Mittellinie D der Pleuelstange bei oder
nahe Null liegt. Somit verschiebt die Leerlaufkupplung im Grunde
genommen eine Befehl für den Riegel 50, sich in
die unverriegelte Bedingung zu bewegen, bis zu einem Zeitpunkt,
an dem die Scherbelastung zwischen der Flanschplatte 58 und
der Pleuelstange 18 sehr nahe an Null herankommt.
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Auch
wenn die Leerlaufkupplung viele unterschiedliche Formen annehmen
kann, wird die eine hier dargestellte beispielhafte Ausführungsform
am Besten in 5–7 und 11 gezeigt.
Die Leerlaufkupplung wird in diesen Beispielen mit einem oberen
Stößel 66, der an dem oberen Bolzen 54 befestigt
ist, und einem unteren Stößel 68, der
an dem unteren Bolzen 56 teleskopisch befestigt ist, gezeigt. Der
Aktuatornocken 64 reitet gegen den oberen 66 und
unteren 68 Stößel und verschiebt sie
selektiv. Ein inneres Vorspannelement 70, z. B. eine Druckfeder, ist
zwischen jedem Bolzen 54, 56 und Stößel 66, 68 funktionsfähig
angeordnet, um die beiden Elemente ständig auseinander
zu zwingen. Ein kleiner Zapfen 72 wird von dem Stößel 66, 68 getragen,
wobei er in einem in den Bolzen 54, 56 ausgebildeten
Schlitz 74 festgehalten ist, um den Verfahrweg zu beschränken und
das Vorspannelement 70 in seiner Arbeitsstellung festzuhalten.
Ein äußeres Vorspannelement 76 wirkt
zwischen jedem Stößel 66, 68 und
der Pleuelstange 18, um jeden Stößel 66, 68 ständig
zusammen mit seinem zugehörigen Bolzen 54, 56 hin
zu einer unverriegelten (zurückgezogenen) Bedingung zu zwingen.
Der axiale Verfahrweg des oberen 66 und unteren 68 Stößels
und die sich ergebende, auf die Vorspannelemente 70 und 76 übertragene
Verformungsenergie ist so ausgelegt, dass sie die Drehstellung des
Aktuators 52 an beiden Enden seines Verfahrwegs stabil
und in allen Zwischenstellungen instabil macht. Somit wirkt die
Drehung des Aktuators 52 in ähnlicher Weise wie
ein Kniehebel bei einem elektrischen Lichtschalter. Dies wird durch
zweckmäßiges Auslegen der Oberfläche
des Aktuatornockens 64 verwirklicht. Wenn zum Beispiel
der Aktuator 52 leicht im Uhrzeigersinn aus der in 5A gezeigten Stellung
gedreht werden würde, würde der Aktuatornocken
den unteren Stößel 68 leicht nach rechts
verschieben, bevor er es dem Stößel ermöglichen
würde, wie in 5 gezeigt nach links zu verfahren.
Dieser geringfügige Verfahrweg nach rechts verstärkt die
Verformungsenergie in den Vorspannelementen 70 und 76 und
würde somit ein Ausüben von Drehmoment erfordern,
um die leichte Drehung aus seiner Endstellung zu erzeugen. Wenn
der andere Stößel wieder Kontakt mit dem Nocken 64 herstellt,
wie in 5B gezeigt wird, nimmt die Drehstabilität
des Aktuators 52 weiter zu. Die Stabilität des
Aktuators 52 ist sehr wichtig, um sicherzustellen, dass
ein kleines Trägheitsungleichgewicht des Aktuators 52 oder
eine andere kleine Fertigungsabweichung keine spontane Drehung des
Aktuators hervorruft, wenn der den Beschleunigungskräften
ausgesetzt wird, die während normalen Motorbetriebs vorliegen.
In der gezeigten Auslegung können die oberen und unteren
Bolzen in ihren jeweiligen Bohrungen frei drehen, und die Komponenten
sind so ausgelegt, dass sie eine ordnungsgemäße
Funktion der Riegel bei jeder Drehstellung der Bolzen in ihren Bohrungen
ermöglichen. D. h. die verjüngten Enden der Bolzen 54, 56 sind
von konischer Form und die Oberflächen der Stößel 66, 68, die
den Nocken 64 berühren, sind von kugelförmiger Gestalt.
Würden die Regel so ausgelegt, dass sie in ihren Bohrungen
gegen Drehung gesichert wären, bestünde die Möglichkeit,
Kontaktbeanspruchungen durch Auslegen der Nockenkontaktflächen
der Stößel 66, 68 mit zylindrischer
Form und durch Auslegen der verjüngten Enden der Bolzen 54, 56 mit
zulaufenden Flächen zu verringern.
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Wie
vielleicht am Besten in 2–4 gezeigt
wird, ist die Flanschplatte 58 der Exzenterbuchse 28 mit
einem gebogenen Schlitz 78 versehen, dessen Bogen im Verhältnis
zur zweiten Achse B zentriert ist. Der bogenförmige Schlitz 78 liegt über einem
Teil der Pleuelstange 18 und tritt mit einer davon abstehenden
Anschlagstange 80 in Wirkpassung. Die Anschlagstange 80 erstreckt
sich mit anderen Worten von der Seite der Pleuelstange 18 und wird
in dem bogenförmigen Schlitz 78 festgehalten. Der
Drehverfahrweg der Flanschplatte 58 wird durch die Länge
des bogenförmigen Schlitzes 78 wirksam beschränkt,
wenn sie an einer Seite der Anschlagstange 80 anliegt.
Somit kann der Drehverfahrweg der Exzenterbuchse 28 im
Verhältnis zu der Pleuelstange 18 durch diese
Anordnung von bogenförmigem Schlitz 78 und die
Anschlagstange 80 gesteuert werden. Die Grenzen des bogenförmigen
Schlitzes 78 sind auf die Position der Löcher 60, 62 im
Verhältnis zu ihren jeweiligen oberen 54 und unteren 56 Bolzen
festgelegt, was eine etwas größere Drehung der Exzenterbuchse 28 ermöglicht,
als für die Passung der Bolzen 54, 56 zu
ihren jeweiligen Öffnungen 66, 68 erforderlich
ist. Die Anschlagstange 80 kann gewisse elastische und
dämpfende Eigenschaften aufweise, so dass bei Erfolgen
eines Wechsels eines Verdichtungsverhältnisses bei hoher
Motordrehzahl und Wechseln der Exzenterbuchse 28 (d. h.
Drehen) bei hoher Drehzahl die Anschlagstange 80 den Aufprall
am Ende des Verfahrwegs absorbieren und zumindest teilweise dämpfen
kann und der Bolzen 54 oder 56 greifen kann, um
die Flanschplatte 58 zu verriegeln, wenn sie mit verringerter
Geschwindigkeit weg von der Anschlagstange 80 abprallt.
Die Anschlagstange 80 wird hier als Spannstift dargestellt, wenngleich
alternative Ausführungsformen möglich sind, einschließlich
ein spiralförmiger gewickelter Zapfen mit inhärenten
elastischen und dämpfenden Eigenschaften, wie in 23 gezeigt
wird. Um ein Bewegen des elastischen Anschlagzapfens 80 aus seiner
ordnungsgemäßen Stellung heraus zu verhindern,
kann eine Stellschraube 82 verwendet werden.
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14A–17B zeigen,
wie das elastische Prellelement (Anschlagstange 80) und
die zulaufende Spitze der Bolzen 54, 56 zusammenwirken, um
die Exzenterbuchse 28 zu fassen und zu verriegeln, wenn
sie bei hoher Motordrehzahl verschoben wird. Diese Figuren stellen
eine Folge von unvollständigen Vorder- und Begleitquerschnittansichten
dar. In den 14A und 14B ist
die Flanschplatte 58 der Exzenterbuchse 28 gezeigt,
wie sie sich im Verhältnis zur Pleuelstange 18 und
der Anschlagstange 80 sowie der verjüngten Spitze
des Bolzens 54 nach oben bewegt. Es liegt eine Federkraft
(F) vor, die von dem inneren Vorspannelement 70 erzeugt
wird, das den Bolzen 54 hin zu dem Flansch 58 schiebt.
Bis sich das Loch 60 in dem Flansch 58 weit genug
nach oben bewegt, kann sich der Bolzen 54 aber nicht bewegen.
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15A und 15B stellen
ein weiteres Fortschreiten der Bewegung dar, wenn der bogenförmige
Schlitz 78 in der Flanschplatte 58 auf die Anschlagstange 80 prallt.
Dann wird des dem Bolzen 54 ermöglicht, sich nach
innen hin zu seinem Loch 60 zu bewegen. Aufgrund der zulaufenden
Grenzfläche kann der Bolzen 54 beginnen, sich
in Passung mit seinem Loch 60 zu bewegen, auch wenn sich
das Loch 60 zu weit nach oben bewegt hat (aus der Perspektive
dieser Zeichnung gesehen).
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Weiter
mit diesem schrittweisen Fortschreiten zeigen 16A und 16B den
Flansch 58, der von der Anschlagstange 80 abgeprallt
ist, mit einer erwarteten Abnahme der Geschwindigkeit (Flanschplatte 58 im
Verhältnis zum Bolzen 54) aufgrund der dämpfenden
Eigenschaften der Anschlagstange 80. In dieser Phase wird
das Loch 60 an der oberen Seite der zulaufenden Bolzenspitze
gegriffen, die aufgrund der Federkraft (F), die auf den Bolzen 54 im
Laufe der Zeit wirkt, da die Flanschplatte 58 auf die Anschlagstange 80 prallt
und von dieser wieder abprallt, zumindest teilweise in die Tiefe
des Lochs 60 eingerückt ist. Sofern die Komponenten
des Riegels 50 nach zufriedenstellenden Standards und Toleranzen
hergestellt sind, reicht der teilweise Eingriff aus, um die Flanschplatte 58 für
den nächsten Verbrennungszyklus des Motors zu halten. Wenn
sich die nächste Scherbelastung der Flanschplatte 58 wieder
hin zu einer Aufwärtsrichtung umkehrt, treibt die auf den
Bolzen 54 wirkende Federkraft (F) die zulaufende Spitze
vollständig in ihr zugehöriges zulaufendes Loch 60,
wie in 17A und 17B gezeigt wird
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Wie
unter Bezug auf 14A–17B zu beobachten ist, eignet sich die Anschlagstange 80, die
als separates und getrenntes Element von dem Riegel 50 vorgesehen
ist, zum Anhalten der Bewegung der Exzenterbuchse 28 während
ihrer Drehung (d. h. ihres Wechsels) von einer Drehstellung zur
anderen, um den Riegel 50 von Beanspruchungen zu isolieren,
die aus einem Trägheitsaufprall mit der Flanschplatte 58 entstehen,
wenn sich der Kolben 26 zwischen seinen räumlich
verschobenen Stellungen bewegt.
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Wenn
eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses durch
den durch den Aktuator 52 wirkenden Betätigungsimpuls
gefordert wird, verbleibt unter erneutem Bezug auf 12 der
Riegel 50 in seiner verriegelten Stellung, bis die Last
entlang der Mittellinie D der Pleuelstange an einer der gezeigten
Wechselzonen Null nahe kommt oder Null erreicht. Je nachdem auf
welche dieser Zonen in dem Motorzyklus als erstes getroffen wird,
wird der jeweilige Bolzen 54, 56 automatisch aus
der Passung in seinem Gegenstückloch 60, 62 gezogen.
Wie vorstehend erläutert wird dies in 5B für
das Beispiel der Bewegung von der Einstellung mit niedrigem Verdichtungsverhältnis
zur Einstellung mit hohem Verdichtungsverhältnis dargestellt.
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In
dem Beispiel von 5, bei dem ein Motor bei seiner
Einstellung mit niedrigem Verdichtungsverhältnis arbeitet,
wird somit eine Forderung nach Rückkehr zu dem Modus mit
hohem Verdichtungsverhältnis durch einen Betätigungsimpuls,
beispielsweise Drehung des Aktuators 52 und des Nocken 54 zu
der in 5A gezeigten Stellung angezeigt.
Wenn aber zum Beispiel diese Forderung nach Wechsel von einem niedrigen
Verdichtungsverhältnis zu einem hohen Verdichtungsverhältnis
bei dem Kurbelwinkelpunkt von 360 Grad erfolgt, d. h. dem oberen Totpunkt
zwischen Abgas- und Ansaugtakten, befindet sich die Pleuelstange 18 im
Zugmodus. In dem Moment, da sie irgendwo um 440 Grad in die nächste Wechselzone
tritt, bewegt sich die Pleuelstange 18 in einen Verdichtungsmodus.
Die erwünschte Änderung des Verdichtungsverhältnis
erfolgt in diesem Beispiel von einem Verhältnis niedriger
Verdichtung zu hoher Verdichtung, was bedeutet, dass sich die Pleuelstange 18 wirksam
verlängern muss. Es wird aber nun eine Drucklast auf die
Pleuelstange 18 ausgeübt und bleibt bis zum Erreichen
der nächsten Wechselzone irgendwo um 280 Kurbelwinkelgrad.
In dieser Situation bleibt die Anordnung während des Rests
des Ansaugtakts und in den gesamten Verdichtungs- und Arbeitstakten
in dem unverriegelten Zustand von 5B, wobei
sie sich nur zu dem Zustand von 6 bewegt,
wenn die nächste Wechselzone bei etwa 280 Grad erreicht
wird. Wenn während dieses Modus der Riegel 50 vollständig
von der Flanschplatte 58 entriegelt ist, übernimmt
die Wechselwirkung zwischen dem bogenförmigen Schlitz 78 und
der Anschlagstange 80 die volle Wucht des Scherlastwiderstands,
um die Exzenterbuchse 28 in dem Zustand des niedrigen Verdichtungsverhältnisses
zu halten. Ein ähnliches Szenario würde bei Bewegen
von dem Verhältnis hoher Verdichtung zu niedriger Verdichtung
erfolgen, doch ist die Zeitverzögerung zwischen dem Entriegeln
und dem erneuten Verriegeln in der neuen Stellung relativ kurz,
wie durch den engen Abstand der Wechselzonen in den Abgas- und Ansaugtakten
des Zyklus gezeigt wird.
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In 8–10 wird
der Aktuator 52 nach dieser beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung näher beschrieben. Der Nocken 64 wird
durch den Aktuator 52 gesteuert, der auf einem von dem
Kolbenende 22 der Pleuelstange 18 abstehenden
Vorsprung 84 drehbar gelagert ist. Der Vorsprung 84 bildet
einen Wellenstumpf, der eine Drehachse E ausbildet, die zu der ersten
A und zweiten B Achse orthogonal ausgerichtet ist und bevorzugt
Achse B schneidet. Das Nockenrad 82 trägt wiederum
in dieser beispielhaften Ausführungsform ein Paar Schaufeln 86, 88,
die auf druckbeaufschlagte Strahle oder Ströme von Öl 90 und 91 reagieren,
wie in 1 schematisch dargestellt ist. Wenn ein Kraftüberträger,
beispielsweise ein Ölstrom 91, auf die Schaufel 86 wirkt, wird
der Aktuator 82 zu der in 9 gezeigten
Stellung gedreht, was schließlich zu einem Ausrichten der
Pleuelstangenanordnung 17 in ihrer Einstellung mit niedrigem
Verdichtungsverhältnis führt. Dies wird in 9 veranschaulicht.
Wenn zu einer Einstellung mit hohem Verdichtungsverhältnis
gewechselt werden soll, wird ein anderer Ölstrom 90 auf
die Schaufel 88 gerichtet, was eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn
zu der in 10 gezeigten Bedingung erzwingt.
Somit stellt 10 die Ausrichtung des Aktuators 52 bei
einer Einstellung mit hohem Verdichtungsverhältnis dar.
Wenn zu einem Verhältnis mit niedrigem Verdichtungsverhältnis
gewechselt werden soll, wird ein Ölstrom 91 wie
in 10 gezeigt auf die Schaufel 86 gerichtet,
was den Aktuator 52 im Uhrzeigersinn zurück zur
Ausrichtung von 9 dreht. Diese Vor- und Zurückbewegung
des Aktuators 52, die sich aus Strahlströmen des Öls 90, 91 ergibt,
die auf eine der Schaufeln 86, 88 wirken, veranlasst
den Nocken 64, sich zwischen den in 5 und 6 gezeigten
Stellungen zu bewegen. Wie in diesen Figuren gezeigt, kann von dem
Aktuator 52 gegenüber dem Nocken 64 ein
Gegengewicht 92 als Ausgleichstechnik getragen werden.
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Um
die Kraftübertragung zwischen Ölströmen 90, 981 und
den Schaufeln 86, 88 zu maximieren, kann es erwünscht
sein, die Spitze jeder Schaufel 86, 88 mit einem Topfmerkmal
zu formen. Auch wenn andere Konstruktionsformen und -merkmale möglich
sind, würde die in 9 und 10 gezeigte
Form die Stoßkraft von den Ölströmen 90, 91 verglichen
mit geraden, nicht geformten Schaufelformen verbessern.
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Auch
wenn ein Ölstrom 90 als die bevorzugte kraftübertragende
Technik zum Wirken auf den Aktuator 52 dargestellt wird,
da sie problemlos verfügbar, leise, ohne Aufprallgeräusch
ist und über den Großteil der Drehstellung der
Kurbelwelle Kraft auf den Aktuator übertragen kann, wird
in (Betracht gezogen, dass andere Techniken und Vorrichtung an ihre
Stelle treten können. Nur zum Beispiel könnte
ein Solenoid oder ein anderer Servomechanismus außen an
der Pleuelstange 18 verwendet werden, um ein mechanisches
Element so zu positionieren, dass es mit einer Schaufel 86 oder 88 nahe
dem Boden des Hubs des Kolbens 26 in seinem Zylinder 30 Kontakt
herstellt. Aufgrund des möglichen Aufprallgeräusches
kann es erwünscht sein, diese Art von Verdichtungsverhältniswechsel
nur während des Zeitraums eines Anlassens mit niedriger
Drehzahl, was bei Motorstarten auftritt, vorzunehmen. Als mögliches
Szenario könnte während des Auslösers
der Motorstartsequenz ein Sensor in dem Kraftstofftank des Fahrzeugs
den Ethanolgehalt des Kraftstoffs ermitteln, und es könnte
eine Oktanzahl des Kraftstoffs geschätzt werden. Bei Anlassen
des Motors würden die entsprechenden Servos aktiviert,
um den Motor zu einem Verhältnis hoher Verdichtung für
ethanolreichen Kraftstoff oder einem Verhältnis niedriger
Verdichtung für niedrigen Ethanolgehalt des Kraftstoffs
zu wechseln. Es könnten auch andere Konzepte übernommen
werden.
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Unabhängig
davon, ob ein Ölstrahl 90, 91 oder ein
Solenoidanker oder eine andere mechanische, elektromechanische oder
hydromechanische Vorrichtung als Kraftüberträger
zum Übertragen einer Einschaltkraft zu dem Aktuator 52 gewählt
wird, ist die bevorzugte Ausführungsform des Kraftüberträgers
von den Beschleunigungsfeldern der Pleuelstange 18 mechanisch
isoliert, so dass durch die Pleuelstange 18 erzeugte Trägheitskräfte
nicht den Kraftüberträger beeinflussen. Wie sich
für den Fachmann versteht, erzeugt die Pleuelstange 18 bei
Beschleunigen während zyklischen Betriebs in einem Verbrennungsmotor 14 Trägheitskräfte.
Alle vorbekannten Pleuelstangen, die die Länge durch eine
Exzenterbuchse anpassen, beruhen auf hydraulischen Säulen
von Öl, das durch die Pleuelstange geleitet wird. In der
Pleuelstange enthaltenes Öl wird durch die Beschleunigungen
der Pleuelstange nicht direkt beeinflusst. Durch das Medium Hydrauliköl übertragene
Betätigungskräfte werden reduziert, wenn die Verbindungsstange
in die Gegenrichtung beschleunigt wird, und werden wesentlich erhöht,
wenn sie in die gleiche Richtung beschleunigt wird. In dem Hydrauliköl
enthaltene Gasblasen können somit unvorhersehbare Reaktionen
erzeugen, insbesondere wenn mehrere Ölsäulen in
zeitlich gesteuerten Sequenzen betätigt werden, um verschiedene
miteinander verbundene Verriegelungselemente zu bewegen. Bei einem
hypothetischen vorbekannten Motor mit 100 mm Hub und einer 150 mm
langen Ölsäule in der Pleuelstange errechnet sich
bei 6.000 U/min die erste Beschleunigung an dieser Ölsäule
bei OT UT bei 19.739 m/s2. Unter der Annahme,
dass das Öl in dieser Säule eine Dichte von 0,9
g/cm3 hat, läge die Druckdifferenz
von einem Ende der Ölsäule zu dem anderen Ende
bei 386 psi. Wenn der Stand der Technik zwei Ölsäulen
verwendet und auf einer Druckdifferenz an dem kleinen (Kolben-)Ende
der Pleuelstange beruht, um einen Riegelmechanismus zu betätigen,
die beiden Säulen aber aufgrund einer unterschiedlichen Ölbelüftung
oder des Vorhandenseins eines Metallverriegelungszapfens in einer
der Säulen unterschiedliche Massen haben, sind äußerst
große Druckdifferenzen an dem großen (Kurbel-)Ende
der Pleuelstange erforderlich, um eine zuverlässige Funktion
des Verriegelungsmechanismus zu erreichen.
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Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, bei der der Kraftüberträgen
(z. B. Ölstrahle 90, 91) von den Beschleunigungsfeldern
der Pleuelstange 18 mechanisch isoliert ist, liegt aber
darin, dass das Signal, das letztendlich den Riegel 50 aktiviert,
nicht von der Beschleunigung der Pleuelstange 18 beeinflusst
wird. Wenn somit der Aktuator 52 angeregt wird, sich zu
bewegen, tut er dies im Wesentlichen unabhängig von den
durch die Pleuelstange 18 erzeugten Trägheitskräften.
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Die
Verfahren zum Ausführen dieser Erfindung lassen sich anhand
der vorstehenden Beschreibung und den Wechselbeziehungen zwischen
den verschiedenen mechanischen Komponenten verstehen.
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Unter
erneutem Bezug auf 3, 4 und 20 wurden
veranschaulichende Maßbezugslinien hinzugefügt,
um den Anpassungswinkel der ersten Achse A im Verhältnis
zur zweiten Achse B während der Bewegung der Pleuelstangenanordnung 17 von
ihrer Einstellung für ein kürzeres, niedriges
Verdichtungsverhältnis (3) zu ihrer
Einstellung für ein längeres, höheres
Verdichtungsverhältnis (4) zu beschreiben. 20 ist
durch Vergleich mit einer vorbekannten Exzenterbuchse, wie sie in 21 gezeigt
wird, besonders lehrreich. Sowohl 20 als auch 21 werden
in stark übertriebenem Maßstab dargestellt, um
zu zeigen, wie weit (winkelmäßig) die Exzenterbuchsen
drehen müssen, um eine wirksame Pleuelstangenlängenänderung
von zum Beispiel etwa 3 mm zu erhalten.
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Die
in 20 gezeigte vorliegende Exzenterbuchse 28 weist
einen beispielhaften Versatz von etwa 5,5 mm zwischen der ersten
Achse A des Kolbenbolzens 43 und der zweiten Achse B auf,
was die Mitte des Außendurchmessers der Exzenterbuchse 28 ist.
Da die beiden Endstellungen der Drehung der Exzenterbuchse 28 den
Kolbenbolzen 43 in etwa ±1,5 mm von einer Bezugshöhe
der zweiten Achse B bewegen, liegt die Gesamtdrehung der Exzenterbuchse
in diesem Beispiel bei etwa 32°. Dies gibt der auf den
Kolbenbolzen 43 wirkenden Kraft einen großen wirksamen
Momentarm, um die Drehung der Exzenterbuchse 28 zu erzwingen.
Dieser große wirksame Momentarm ist ein Vorteil, da er
es der Exzenterbuchse 28 ermöglich, die Drehung
sehr bald zu starten, nachdem die Zug-/Drucklast der Pleuelstange 18 den
Nullpunkt (wie in 12 gezeigt) durchläuft.
Da es die große Hebelkraft es für die Zug-/Drucklast
der Pleuelstange relativ leicht macht, die Exzenterbuchse 28 zu
drehen, erreicht die Drehung der Exzenterbuchse das andere Ende
ihres Verfahrwegs schnell, bevor die axiale Last der Pleuelstange 18 Gelegenheit
hat, sich auf einen hohen Kraftwert aufzubauen. Und folglich werden
der Aufprall auf das Prallelement (Anschlagbolzen 80) zusammen
mit Geräusch und möglicher Beschädigung
durch den Aufprall minimiert.
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Ein
möglicher Nachteil bei Aufweisen dieses großen
wirksamen Momentarms ist, dass während normalen Motorbetriebs
mit entweder hohem oder niedrigem Verdichtungsverhältnis
die normalen zyklischen Lasten der Pleuelstange 18 große
zyklische Drehmomente an der Exzenterbuchse 28 erzeugen, was
die Verriegelungszapfen (d. h. Bolzen 54, 56) zwingt,
diesen hohen zyklischen Drehmoment zu widerstehen Wenn die Bolzen 54, 56 in
ihre Passungslöcher 60, 62 mit Spiel
oder freiem Spiel treten sollen, würde dieses Spiel oder
freie Spiel jedes Mal, da die axiale Last an der Pleuelstange 18 zwischen
Zug und Druck wechselt, von einem Extrem zum anderen bewegt werden.
Wenn ferner der Bolzen 54, 56 keine angemessene
Festigkeit und keinen angemessenen Momentarm aufweist, könnte
seine Scherlast die Scherfestigkeit des Zapfens übersteigen.
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Um
Spiel oder freies Spiel an dem Bolzen 54, 56 zu
der Grenzfläche des Passungslochs 60, 62 vollständig
zu beseitigen, laufen daher die Spitzen des oberen 54 und
unteren 56 Bolzens abhängig von der Oberflächenverarbeitung,
den Schmiereigenschaften und anderen Aktuatoren, die den Reibungskoeffizienten
beeinflussen, sanft um etwa 5–15° zu, wobei komplementäre
Verjüngungen in jedem der Löcher 60, 62 ausgebildet
sind. Die Verjüngungsgrenzfläche zwischen Bolzen
und Loch bietet eine selbstzentrierende Funktion, um Spiel zwischen
den Bolzen und Löchern zu beseitigen. Den Bolzen 54, 56 wird
genügend axialer Verfahrweg gegeben, um sicherzustellen,
dass immer eine Restfederkraft (mittels des inneren Vorspannelements 70)
vorliegt, die den Bolzen 54, 56 in sein Loch 60, 62 zwängt,
selbst wenn er vollständig ausgerückt ist. Die
Bolzen 54, 56 befinden sich radial von der zweiten
Achse B (Drehachse der Exzenterbuchse 28) so weit wie möglich außen,
da die Flanschplatte 58, die die Bolzenlöcher 60, 62 trägt,
dadurch den Bolzen 54, 56 einen größeren
wirksamen Momentarm gibt, um den Drehmomentlasen der Exzenterbuchse 28 zu
widerstehen.
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Wenn
sich ein verjüngtes Loch 60, 62 in Passung
mit einem federbelasteten verjüngten Bolzen 54, 56 bewegt,
macht die Verjüngungswirkung das obere Ende der Lochöffnung
erheblich größer als das vordere kleine Ende des
Bolzens 54, 56.
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Dies
bedeutet, dass selbst bei großer relativer Geschwindigkeit
zwischen dem Loch 60, 62 und dem Bolzen 54, 56 die
Größendifferenz zwischen den beiden Elementen
bei Auslösen von Eingriff dem Bolzen 54, 56 mehr
Zeit zur Verfügung stellt, um sich axial in das Loch 60, 62 zu
bewegen, bevor sich das Loch aus der Ausrichtung mit dem Bolzen 54, 56 bewegt.
Somit sollte der Bolzen 54, 56 zu dem Zeitpunkt,
da der Flansch 58 der Exzenterbuchse von der Anschlagstange 80 abprallt
und das verjüngte Loch 60, 62 in den
verjüngten Bolzen 54, 56 zurückprallt, einen
wesentlichen axialen Eingriff in das Loch 60, 62.
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Der
Stand der Technik verwendet im Vergleich keine Verjüngung
an dem Bolzen oder Zapfen und auch nicht an dem Loch und beruht
stattdessen auf extrem knappen Toleranzen bei Durchmessern und Positionen
von Loch und Zapfen. Wenn sich das Loch hin zur Ausrichtung mit
dem Zapfen bewegt, kann der Zapfen eine gewisse axiale Geschwindigkeit
hin zur eingerückten Stellung erreichen, indem auf der
Platte, die das Loch trägt, ein Anstieg vorgesehen wird.
Die Materialdicke an der vorderen Kante des Lochs ist zum Beispiel
geringer als die Materialdicke an der fernen Seite des Lochs. Wenn
somit der Zapfen in Ausrichtung mit dem Loch kommt, ist seine axiale
Position tief genug, dass er die ferne Seite des Lochs kontaktiert,
wo das Material dicker ist. Während er mit der fernen Seite
des Lochs kollidiert, soll der Zapfen seine axiale Bewegung fortsetzen,
so dass er bei Abprallen von der fernen des Lochs sich tief genug
in das Loch bewegt hat, so dass die ursprüngliche vordere
Kante, bei der das Material dünner ist, den Zapfen kontaktiert
und die Abprallbewegung stoppt. Da aber sehr wenig Differenz zwischen den
Durchmessern des Lochs und des Zapfens vorliegt, wird erwartet,
dass der Zapfen seine axiale Bewegung in tieferen Eingriff fortsetzt,
selbst während er auf die ferne Seite des Lochs prallt.
Die Winkeldrehung und auch die Zeitspanne zwischen dem anfänglichen
Aufprall an der fernen Seite und dem zweiten Aufprall an der ersten
Seite nach dem Abprallen von der fernen Seite sind sehr klein.
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18 stellt
ein vereinfachtes Kraftdiagramm dar, das zu den Bolzen 54, 56 gehört.
Es zeigt die Kräfte, die an den Bolzen 54, 56 wirken,
wenn eine Scherlast von dem Flansch 58 der Exzenterbuchse
vorliegt. An der zulaufenden Grenzfläche zwischen Bolzenspitze
und Loch wird eine axiale Kraft (F1Axial)
erzeugt, die versucht, die zulaufende Spitze aus dem zulaufenden
Loch 60, 62 zu schieben, es ist aber auch Reibung
an den Kontaktflächen vorhanden. Da die Scherlast verglichen
mit den axialen Federkräften, die auf den Bolzen wirken,
sehr groß sein kann, ist es vorteilhaft, sicherzustellen, dass
die Reibung allein ausreicht, um den Bolzen 54, 56 gegen
die axiale Kraft (F1Axial) zu halten, die
den Bolzen 54, 56 aus dem Loch 60, 62 zu
schieben pflegt.
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Bevorzugt
aber nicht unbedingt weisen die Löcher 60, 62 eine
längliche Form auf, wobei die lange Achse in einer radialen
Richtung im Verhältnis zur zweiten Achse B (d. h. der Drehachse
der Exzenterbuchse 28 in ihrer Bohrung 24 in dem
Kolbenende 22 der Pleuelstange 18) ausgerichtet
ist. Dies erlaubt es den Bolzen 54, 56, voll in
ihre jeweiligen Löcher einzurücken, selbst in
dem Fall einer geringfügig unvollkommenen Ausrichtung.
Wichtiger ist aber vielleicht, dass diese längliche Form
der Löcher 60, 62 einen Zustand erzeugt,
in dem Kontakt zwischen den Bolzen- und Lochflächen entlang
von nur zwei diametral gegenüberliegenden Linien erfolgen
kann. Diese Kontaktlinien leiten Scherbeanspruchungen durch die
Mitte der Bolzen 54, 56 in der gleichen Vorgehenslinie
wie der Grad der Bewegungsfreiheit zwischen den beiden Teilen, wodurch
die größte Scherfestigkeit vorgesehen wird. 19A und 19B zeigen
dieses Prinzip, mit übertriebenem Maßstab für
verbesserte Klarheit. In 19A,
die die bevorzugte Auslegung mit länglichen Löchern
darstellt, wird der Bolzen 54 oder 56 mit einem
größeren radialen Maß als das Passungsloch 60 o0der 62 gezeigt, doch
kontaktiert der Bolzen eine Fläche des Lochs, wobei er
die Kontaktfläche senkrecht zum Grad der Bewegungsfreiheit
zwischen den zwei Teilen ausrichtet. Die auf den Bolzen durch die
Kontaktfläche übertragene Kraft FN ist
gleich der Torsionslast FT, die beschränkt
wird. In 19B, die den Stand der Technik mit
runden Löchern darstellt, ist der Bolzen ebenfalls mit
einem größeren radialen Map als das Passungsloch
gezeigt, doch ist die Kontaktfläche nicht senkrecht zum
Grad der Bewegungsfreiheit zwischen den zwei Teilen. Diese Fehlausrichtung
zwischen der Torsionslast FT, die beschränkt
wird, und der Scherlast, die auf den Bolzen FN übertragen
wird, führt dazu, dass die Scherlast in dem Bolzen größer
als die Torsionslast ist, die beschränkt wird. Anders ausgedrückt
verhindert die längliche Form der Löcher 60, 62,
dass die Seiten (d. h. die radial mit der zweiten Achse B ausgerichteten
Seiten) der Bolzen 54, 56 die runden Teile der
Lochoberflächen kontaktieren, wodurch eine ungünstige
Fehlausrichtung zwischen der Torsionskraft, die beschränkt
wird, und der Scherkraft, die in die Bolzen 54, 56 übertragen
wird, verhindert wird. Wenn die Kraftübertragung von dem
runden Teil der Löcher 60, 62 zugelassen
werden würde, was in der vorliegenden Ausführungsform
nicht der Fall ist, dann würden die mechanischen Spannungen in
Verbindung mit diesen Kräften möglicherweise die bauliche
Unversehrtheit der Bolzen 54, 56 gefährden.
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Unter
Bezug nun eigens auf 21 nutzt der Stand der Technik
einen viel kleineren Versatzabstand zwischen der Kolbenbolzenachse
A und der Mitte B des Außendurchmessers der Exzenterbuchse,
die ihre Drehachse festlegt. Mit dem kleineren Versatzmaß muss
die vorbekannte Exzenterbuchse durch einen größeren
Winkel drehen, um die gleiche Änderung der Pleuelstangenlänge
zu erreichen. 21 schlägt einen Gesamtdrehwinkel
von 160° vor, doch ist dies nur ein Beispiel. Die tatsächlichen Winkel
der verschiedenen vorbekannten Versionen könnten etwas
größer oder kleiner sein. Wichtig ist aber, dass
in dem gesamten Stand der Technik die Endpositionen die Exzenterbuchse
in eine Position bringen, in der die axiale Kraft der Pleuelstange
einen sehr kleinen wirksamen Momentarm an der Exzenterbuchse hat.
Dies kann anfänglich vorteilhaft erscheinen, da die Exzenterbuchse
des Stands der Technik kleiner als die vorliegende Erfindung ausgelegt
werden kann und die Verriegelungsmerkmale während normalen
Motorbetriebs (d. h. wenn die Exzenterbuchse in einer Position verriegelt
ist) nicht sehr viel Last tragen müssen. Wenn ferner die
vorbekannte Grenzfläche zwischen Bolzen und Loch des Riegels
ein wenig Spiel aufweist, bewirkt eine kleine Drehung der Buchse
keine wesentliche Änderung der Gesamtlänge der
Pleuelstange. Der Nachteil dieser vorbekannten Auslegung manifestiert
sich aber während des Wechselns der Länge der
Stangenanordnung. Selbst bei vollständig ausgerücktem
Verriegelungsmerkmal bewegt sich die Exzenterbuchse nicht leicht
weg von ihrer Endstellung. Wenn sich an der Pleuelstangenanordnung
nach Schneiden des Null-Lastpunkts axiale Last aufbaut, trägt
der Außendurchmesser der Exzenterbuchse nahezu die gesamte
Last und die Reibung an dieser Fläche widersteht dem kleinen
Drehmoment, das durch den kleinen wirksamen Momentarm erzeugt wird.
Wenn sich das große (Kurbel-)Ende der Pleuelstange zur
Seite bewegt, bewirkt es eine Drehung der Pleuelstange, die ein
Drehmoment an der Exzenterbuchse erzeugt, und schließlich
dreht die Exzenterbuchse genügend, damit die an dem (jetzt
größeren) wirksamen Momentarm arbeitende axiale
Kraft der Pleuelstange die Drehung der Exzenterbuchse beschleunigt.
Zu diesem Zeitpunkt ist aber die axiale Last an der Pleuelstange
auf einen erheblichen Wert gestiegen, und wenn sich die Länge
der Stange ändert, geht ein sehr großer Betrag
verfügbarer Energie in die Drehung der Buchse. Der Verriegelungsbolzen
am fernen Ende des Verfahrwegs muss dann diese gesamte kinetische
Energie absorbieren und kann beschädigt werden und durch
den Aufprall Geräusch erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung ist dagegen wendig und kann leicht und schnell
mit nur geringen axialen Kräften der Pleuelstange wechseln.
Und die gesamte Energie des Aufpralls am Ende des Verfahrwegs (Drehung
der Exzenterbuchse) ist viel kleiner. Bei der vorliegenden Erfindung
werden durch die wirksame Nutzung eines Winkelbeschleunigungsvektors,
d. h. eines Beschleunigungsfelds, das durch Drehbeschleunigung um
die Kolbenbolzenachse A erzeugt wird, auch schnelle Wechselzeiten
verstärkt. Dieses Merkmal wird im Folgenden näher
beschrieben.
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22 zeigt
die vorherrschenden Beschleunigungsfelder oder -vektoren, die auf
die Mechanismen des Riegels 50 und des Aktuators 52 wirken.
Die Mechanismen des Riegels 50 und des Aktuators 52 bestehen
wie vorstehend beschrieben aus mehreren beweglichen Komponenten,
die an geringfügig unterschiedlichen Stellen angeordnet
sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind aber alle
diese beweglichen Komponenten nahe genug um das obere Kolbenende 22 der
Pleuelstange 18 gruppiert, dass eine analytische Beurteilung
der Beschleunigungsvektoren an der Mitte der Gruppe informative
Ergebnisse liefert. Für die Zwecke dieser Erläuterung
ist es also ausreichend, nur einen Punkt entlang der Wellenstumpfachse
E in der Mitte zwischen den Mittellinien des oberen und unteren
Bolzens 54, 56 zu betrachten. Ein solcher fiktiver
Punkt würde in der durch die Mechanismen des Riegels 50 und
des Aktuators 52 geschnittenen Ebene liegen, wie in 5–6 gezeigt
wird.
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Aus 22 ist
ersichtlich, dass das große Kurbelende 20 der
Pleuelstange 189 um die Kurbelwellendrehachse F dreht, während
sich der Kolbenbolzen 43 in dem Zylinder 30 auf
und ab bewegt. Die allgemeine Ebenenbewegung der Pleuelstange 18 wird
mit anderen Worten gezwungen, sich wie das Glied in einem herkömmlichen
Kurbeltriebmechanismus zu bewegen. Durch gleichzeitiges Bewegen
des oberen Kolbenendes 22 der Pleuelstange 18 in
einer linearen Hubrichtung und des unteren Kurbelendes 20 in
einer Drehbahn werden am oberen Kolbenende 22 mehrere Beschleunigungsvektoren
erzeugt. Diese Beschleunigungsvektoren umfassen Hubbeschleunigungsvektoren 94,
die immer parallel zur Zylinderbohrungsachse sind, Winkelbeschleunigungsvektoren 96,
die um die erste Achse A zentriert sind, und Zentrifugalbeschleunigungsvektoren 98,
die von der ersten Achse A ausgehen.
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Der
Hubbeschleunigungsvektor 94 ist immer parallel zur Bohrung 30 und ändert
somit seine Richtung im Verhältnis zur Pleuelstange. Dieser
Beschleunigungsvektor 94 wirkt auf die Masse des Kolbens 26 und
erzeugt zusammen mit den Gasdruckkräften, die auf den Kolben 26 entlang
der gleichen Wirklinie wirken, eine axiale Kraft in der Pleuelstange 18,
um Längenänderungen hervorzurufen, wenn der Riegel 50 es
ihm erlaubt. Es ist wünschenswert und vielleicht sogar
notwendig, dass sich der Freiheitsgrad des Längenänderungsmechanismus
im Wesentlichen mit diesem Hubbeschleunigungsvektor 94 ausrichtet,
es ist aber nicht erwünscht, dass sich der Riegel 50 aufgrund
der durch diesen Beschleunigungsvektor 94 erzeugten Kräfte
oder anderer Kräfte, die während normalen Motorbetriebs
vorhanden sind, zu entriegeln pflegt.
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An
dem oberen Kolbenende 22 der Pleuelstange 18 liegt
aufgrund der Bewegung von Seite zu Seite an dem großen
Kurbelende 20 der Pleuelstange auch eine Wirkung aus der
Winkelbeschleunigung vor, die durch die Zahl 96 gezeigt
wird, die die gesamte Pleuelstange 18 um die Kolbenbolzenachse
A vor und zurück schwenken lässt. An dem Bezugspunkt,
der Teil der Pleuelstangenanordnung ist, sind die durch diese Winkelbeschleunigung 96 erzeugten Kräfte
senkrecht zu einer radialen Linie von der Kolbenbolzenachse A zu
dem betreffenden Punkt und schwanken von Positiv zu Negativ, wobei
null Kraft an der oberen und unteren Totpunktstellung des Kolbens
vorliegt.
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Wenn
die Pleuelstange um den Kolbenbolzen 43 vor und zurück
schaukelt, liegt auch ein Zentrifugalbeschleunigungsvektor 98 an
dem betreffenden Punkt vor. Der Zentrifugalbeschleunigungsvektor 98 ist
immer von der ersten Achse A radial nach außen gerichtet,
wobei er durch die Wellenstumpfachse E des Aktuators 52 verläuft.
Die Größenordnung des Zentrifugalbeschleunigungsvektors 98 ist
recht klein und schwankt von null bis positiv; sie ist nie negativ (radial
nach innen hin zum Kolbenbolzen 43 gerichtet).
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Bei
einem hypothetischen Motor 14 mit einem Zylinder sind alle
relevanten Beschleunigungsvektoren, die auf das obere Kolbenende 22 der
Pleuelstange 18 wirken, in der in 22 gezeigten
einzigen Ebene enthalten. Es gibt keine Kräfte, die nach vorne
oder hinten, d. h. in einer Z-Achsenrichtung im Verhältnis
zur Kurbelachse F, gerichtet wären, und es gibt auch keine
Momente, die dazu neigen würden, den Motor um die X-Achse
zu nicken. Nicken ist natürlich die Schwingung zwischen
Nase nah unten mit Schwanz hoch und Nase nach oben mit Schwanz unten.
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Der
einzige Freiheitsgrad in den Riegelbolzen 54, 56 ist
vorne und hinten, d. h. mit der Z-Achsenrichtung ausgerichtet; es
gibt keine unausgeglichenen Beschleunigungskräfte, die
dazu neigen würden, die Verriegelungsbolzen 54, 56 zu
betätigen. Der einzige Freiheitsgrad des Aktuators 52 ist
Drehung um die Wellenstumpfachse E, die im Allgemeinen parallel
zur X-Achse ist. Da der hypothetische Motor 14 mit einem
Zylinder kein Nickpaar und auch kein Gierpaar (Schwingung zwischen
vorne rechts mit links unten und umgekehrt) erzeugt, erzeugt der normale
Einzylinderbetrieb keine Beschleunigungsvektoren, die eine Drehung
des Aktuators 52 erzwingen können. Zu diesem Zweck
ist es aber hilfreich, dass der Aktuator 52 sowohl dynamisch
als auch statisch richtig ausgeglichen ist. Ein statisches Ungleichgewicht
ist eine Situation, die auftreten würde, wenn das Gegengewicht 92 zuviel
oder nicht genügend Masse zum Versetzen der Masse des Nocken 64 hätte.
Wenn der Nocken 64 schwerer oder leichter als geeignet
wäre, würde jede Auf- und Abhubbeschleunigung 94 dazu
neigen, den Aktuator 52 zu drehen. Ein dynamisches Ungleichgewicht
ist die Situation, die auftreten würde, wenn das Gegengewicht 92 verglichen
mit der Position des Nocken 64 zu fern oder zu nahe zum
Kolbenbolzen 43 wäre. Bei dem Winkelbeschleunigungsvektor 96 ist
die Größenordnung der Beschleunigung proportional
zum Abstand von der Drehachse (A), wenn also das Gegengewicht 92 zu
weit weg von dem Kolbenbolzen 43 wäre, würden
mit jeder Winkelbeschleunigung der Pleuelstange 18 die
unausgeglichenen Kräfte zwischen dem Gegengewicht 92 und
dem Nocken 64 dazu neigen, den Aktuator 52 drehen
zu lassen.
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Natürlich
können bei Mehrzylindermotoren 14 unausgeglichene
Nick- und Gierpaare vorliegen, und diese unausgeglichenen Nick-
und Gierpaare können sich mit einem oder mehreren Freiheitsgraden
einiger beweglicher Komponenten in den Mechanismen des Riegels 50 und
des Aktuators 52 ausrichten. Den Nick- und Gierpaare in
den Mehrzylindermotoren wird aber durch die Trägheit der
gesamten Antriebsstrangstruktur Widerstand geboten, und dadurch
sind wie vorstehend beschrieben die ungünstigen Beschleunigungen
der Mechanismen des Riegels 50 und/oder des Aktuators 52 aufgrund
ihrer Wirkungen mehrere Größenordnungen kleiner
als die an einem Motor 14 mit einem einzigen Kolben vorhandenen
Beschleunigungen.
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Demgemäß beeinflussen
alle relevanten Kräfte und Momente, die durch die Pleuelstange 18 während
der tatsächlichen Nutzung in einem Motor 14 erzeugt
werden, nicht den Riegel 50 und auch nicht den Aktuator 52,
so das sie sich unbeabsichtigt bewegen, da alle beweglichen Komponenten
in diesen beiden Mechanismen gezwungen werden, sich nur in Richtungen
zu bewegen, die im Allgemeinen senkrecht zu jedem der Hubbeschleunigungsvektoren 94,
Winkelbeschleunigungsvektoren 96 und Zentrifugalbeschleunigungsvektoren 98 sind.
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Die
vorstehende Erfindung wurde gemäß den relevanten
rechtlichen Richtlinien beschrieben, daher ist die Beschreibung
beispielhafter, nicht einschränkender Natur. Änderungen
und Abwandlungen der offenbarten Ausführungsform sind für
den Fachmann nahe liegend und fallen in den Schutzumfang der Erfindung.
Demgemäß kann der dieser Erfindung gewährte
Rechtsschutzumfang nur durch Lesen der folgenden Ansprüche
ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2427668 [0005]
- - US 4687348 [0005]
- - US 4864975 [0005]