DE102009000772A1

DE102009000772A1 - Einstellvorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009000772A1
Application number: DE200910000772
Authority: DE
Inventors: Ulf Lang
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-08-12

Abstract

Es wird eine Einstellvorrichtung (1) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgeschlagen. Die Einstellvorrichtung weist eine Exzenterwelle (2) auf. Die wirksame Pleuellänge in der Hubkolbenverbrennungsmaschine ist durch das Verdrehen der Exzenterwelle (2) veränderbar. Zum Antreiben der Exzenterwelle (2) ist ein Linearmotor (3) vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einstellvorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zur Anpassung eines als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotors an verschiedene Betriebsbedingungen ist es bekannt, das Verdichtungsverhältnis während des Betriebes zu verändern, wobei unter Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden wird.
Das Verdichtungsverhältnis dazu beispielsweise durch eine auf die Pleuelstange wirksame Mechanik veränderbar. So ist aus der DE602004000849T2 eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses dadurch ermöglicht wird, dass anstatt einer herkömmlichen Pleuelstange zwei Pleuelgelenke verwendet werden, um die Kolbenkraft auf den Kurbelzapfen der Kurbelwelle zu übertragen. Eines der beiden Pleuelgelenke ist über ein drittes Gelenk derart mit einer Exzenternocke einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle verbunden, dass ein Verdrehen der Exzenterwelle die wirksame Pleuellänge zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelzapfen verändert. Dadurch wird der Kolben in Zylinderrichtung verschoben und das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenbrennkraftmaschine verändert. Bei der DE602004000849T2 wird die Verdrehung der Exzenterwelle über einen Schneckengetriebe von einem rotatorischen Stellantrieb gesteuert bzw. angetrieben. Rotatorische Stellantriebe benötigen jedoch einen verhältnismäßig großen Bauraum im Verhältnis zu ihrer Leistung.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einstellvorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, der möglichst einfach aufgebaut ist, einen geringen Bauraum erfordert und möglichst kostengünstig betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Einstellvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beinhalten bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Demnach weist die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eine mechanische Einstellvorrichtung auf, bei der die wirksame Pleuellänge im Zylinder durch das Verdrehen einer Exzenterwelle veränderbar ist, wobei die Exzenterwelle von einem Linearmotor angetrieben wird. Als wirksame Pleuellänge wird der Abstand zwischen dem Kolbenbolzen des Kolbens und dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine verstanden. Aufbau und Funktion von Linearmotoren sind der Fachwelt beispielsweise aus dem Buch „Niederspannungs- und Antriebstechnik", Vogel-Verlag, 1. Auflage, S. 156, bekannt und werden deshalb hier nicht näher beschrieben.
Üblicherweise ist der Bauraum bei Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen sehr begrenzt. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann Bauraum eingespart werden, insbesondere wegen der flachen Gestaltung des Linearmotors im Vergleich zu Rotationsmotoren.
Eine weitere Bauraumeinsparung ist durch eine erste bevorzugte Ausführung der Erfindung erreichbar. Gemäß dieser Ausführung ist zur Umwandlung der linearen Bewegung des Linearmotors in eine Rotationsbewegung der Exzenterwelle eine Zahnstange starr mit dem Läufer des Linearmotors verbunden und die Zahnstange steht mit einem drehfest auf der Exzenterwelle befestigten Zahnrad im Eingriff. Dadurch kann der Linearmotor vorzugsweise quer, d. h. orthogonal zur Längsachse des Verbrennungsmotors, bzw. zur Kurbelwellenachse angeordnet wenden, wodurch nur ein minimaler Bauraum in der Richtung der Längsachse des Verbrennungsmotors erforderlich ist. So kann ein bauraumoptimierter Einbau der Einstellvorrichtung beispielsweise stirnseitig am Verbrennungsmotor realisiert werden.
Der Läufer des Linearmotors wird auch als Sekundärteil bezeichnet und ist entweder mit oder ohne darauf befestigten Permanentmagneten ausgebildet.
Die letztgenannte Ausführungsform mit einem Zahnstangengetriebe weist gegenüber einer Einstellvorrichtung mit einem Schneckentrieb einen besseren Wirkungsgrad auf, weil bei einem Schneckentrieb höhere Reibungsverluste in der Verzahnung auftreten als bei einem Zahnstangengetriebe.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zahnstange einteilig mit dem Läufer des Linearmotors ausgebildet ist. Dadurch werden die Anzahl der mechanischen Bauteile und die Kosten gering gehalten. Des Weiteren vereinfacht sich dadurch die Montage.
Noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Arretierung vor, mit der die jeweilige Position der Einstellvorrichtung fixiert werden kann. Dazu können beispielsweise reib- oder formschlüssige Fixierelemente direkt auf den Läufer des Linearmotors wirksam werden. Diese Fixierelemente können ihrerseits ebenfalls elektromagnetisch betätigt werden. Eine derartige Arretierung gewährleistet die zuverlässige Beibehaltung eines vom Linearmotor eingestellten Verdichtungsverhältnisses. Zudem benötigt der Linearmotor dadurch nur eine so hohe Maximalleistung und Energieverbrauch, wie es zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses notwendig ist. Das Festhalten der Einstellvorrichtung bei einem gewünschten Verdichtungsverhältnis wird durch die Arretierung bewirkt.
Bevorzugt ist im Bereich der Einstellvorrichtung zumindest ein Positionssensor vorgesehen. Dieser Positionssensor erfasst die momentane Stellung der Einstellvorrichtung und leitet diese beispielsweise weiter an eine elektronische Motorsteuerung, welche wiederum signalübertragend mit dem Linearmotor und der Arretierung verbunden ist und das Verdichtungsverhältnis steuert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die bevorzugte Ausgestaltung der mechanischen Teile der Einstellvorrichtung. Vorgesehen ist dazu, dass der Kolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine über eine Pleuelstange und ein Drehgelenk mit dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle verbunden ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ist das Drehgelenk mit dem ersten Ende eines Gelenkhebels verbunden, während das zweite Ende des Gelenkhebels auf einer Exzenternocke der Exzenterwelle verdrehbar gelagert ist. Die Verbindungen zwischen dem Kolben, der Pleuelstange, dem Drehgelenk und dem Gelenkhebel sind alle gelenkig ausgeführt.
Durch diese Anordnung wird die wirksame Pleuellänge nicht allein durch die Länge der Pleuelstange bestimmt, wie bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit nicht veränderbarem Verdichtungsverhältnis, sondern durch die geometrischen Verhältnisse, insbesondere die Winkellage zwischen der Pleuelstange und dem Drehgelenk. Diese Winkellage ist durch das Verdrehen der Exzenterwelle über den Gelenkhebel einstellbar.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
Die Einstellvorrichtung 1 wird von dem Linearmotor 3 angetrieben. Der Linearmotor 3 besteht im Wesentlichen aus einem Stator 21 und einem Läufer 5. Das eine Ende des Läufers 5 ist als Zahnstange 4 ausgebildet. Ein Zahnrad 6, welches drehfest auf einer Exzenterwelle 2 angeordnet ist, steht mit der Zahnstange 4 im Eingriff.
Die Exzenterwelle 2 weist eine Exzenternocke 7 auf, deren Mittelpunkt versetzt zur Mittelachse der Exzenterwelle angeordnet ist. Auf der Exzenternocke 7 ist das erste Ende eines Gelenkhebels 8 drehbar gelagert. Das zweite Ende des Gelenkhebels 8 ist an einem ersten Anlenkpunkt 12 eines Drehgelenkes 9 ebenfalls drehbar gelagert. Das Drehgelenk 9 ist seinerseits drehbar auf einem Kurbelzapfen 10 der Kurbelwelle 11 der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagert. Das Drehgelenk 9 hat seinen Drehpunkt auf der Mittelachse des Kurbelzapfens 10. Die beiden Anlenkpunkte 12 und 13 sind beabstandet zum Drehpunkt des Drehgelenks 9 angeordnet.
An einem zweiten Anlenkpunkt 13 auf dem Drehgelenk 9 ist das Drehgelenk mit dem unteren Ende der Pleuelstange 14 drehbar verbunden. Das obere Ende der Pleuelstange 14 ist wie bei herkömmlichen Hubzylinderbrennkraftmaschinen mittels eines Kolbenbolzens 16 mit dem Kolben 15 drehbar verbunden.
Des Weiteren zeigt die Figur einen Positionssensor 17, der starr an dem Linearmotor 3 angeordnet ist und die Position bzw. Stellung des Läufers 5 des Linearmotors erfasst. Der Linearmotor 3 ist gehäusefest an dem nicht dargestellten Gehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet. Der Positionssensor 17 ist signalübertragend mit einer nicht dargestellten elektronischen Motorsteuerung verbunden.
Im Bereich des der Zahnstange 4 entgegen gesetzten Endes des Läufers 5 ist eine Arretierung 20 vorgesehen, mit deren Hilfe der Läufer 5 und damit die gesamte Einstellvorrichtung 1 in einer Einstellung festgehalten werden kann. Dazu können die Fixierelemente 18 reibschlüssig mit dem Läufer 5 in Kontakt gebracht werden. Die Fixierelemente 18 werden bei der dargestellten Ausführungsform über elektromagnetische Betätigungsmittel 19 betätigt und in Position gehalten. Es ist jedoch auch denkbar Fixierelemente vorzusehen, die mit anderen Betätigungsmitteln angesteuert werden. Die Fixierelemente können beispielsweise auch federnd vorgespannt sein und formschlüssig mit dem Läufer 5 in Verbindung gebracht werden, sodass beim Halten der Einstellvorrichtung 1 in einer Einstellung keine Energie verbraucht wird.
Die Funktionsweise der Einstellvorrichtung 1 wird im Folgenden erläutert. Beim Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine bewegt sich der Kolben 15 in einem nicht dargestellten Zylinder linear auf und ab. Über den Kolbenbolzen 16, die Pleuelstange 14 und das auf dem Kurbelzapfen 10 gelagerte Drehgelenk 9 wird die Kurbelwelle 11 in Rotation versetzt. Dabei rotiert der Kurbelzapfen 10 und mit ihm das Drehgelenk 9 kreisförmig um die Mittelachse der Kurbelwelle 11. Solange an der Einstellvorrichtung 1 keine Veränderungen vorgenommen werden, ergibt sich für den Kolben 15 bei seiner linearen Auf- und Abbewegung immer derselbe untere und obere Totpunkt. D. h. das Verdichtungsverhältnis bleibt gleich.
Der Positionssensor 17 leitet ein der momentanen Position des Läufers 5 entsprechendes Signal an eine nicht dargestellte elektronische Motorsteuerung weiter, welche mit Hilfe dieses Signals den Istwert des momentan eingestellten Verdichtungsverhältnisses berechnet und mit einem abgespeicherten Sollwert vergleicht. Der Sollwert hängt von den aktuellen Betriebsbedingungen ab die ebenfalls kontinuierlich erfasst und der Motorsteuerung mitgeteilt werden.
Entspricht der Istwert des Verdichtungsverhältnisses nicht dem Sollwert, dann leitet die Motorsteuerung eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ein, indem entsprechende Signale an die Arretierung 20 und den Linearmotor 3 gesendet werden. Diese Signale bewirken ein Lösen der Arretierung 20 und eine Verschiebung des Läufers 5 im Linearmotor 3 in die eine oder andere Richtung. Dadurch wird über die Zahnstange 4 und das Zahnrad 6 die Exzenterwelle 2 verdreht und der auf der Exzenternocke 7 gelagerte Gelenkhebel 8 in Bewegung gesetzt. Die Bewegung des an einem Ende mit dem Drehgelenk 9 verbundenen Gelenkhebels 8 bewirkt so eine Rotationsbewegung des Drehgelenkes 9 um den Kurbelzapfen 10, auf dem das Drehgelenk 9 drehbar gelagert ist.
Durch die Rotationsbewegung des Drehgelenkes 9 um den Kurbelzapfen 10 verändert sich der Abstand zwischen dem Kurbelzapfen 10 und dem Kolbenbolzen 16. Dieser Abstand wird als wirksame Pleuellänge bezeichnet. Dadurch wird der Kolben 15 im Zylinder um eine bestimmte Distanz verschoben, sodass sich der obere und der untere Totpunkt verschiebt und das Verdichtungsverhältnis verändert wird.
Mit Hilfe der Signale des Positionssensors 17 erfasst die Motorsteuerung die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses. Spätestens wenn der Istwert den berechneten Sollwert erreicht hat, wird der Linearmotor 3 von der Motorsteuerung gestoppt und die Arretierung 20 wird wieder aktiviert.

1: Einstellvorrichtung
2: Exzenterwelle
3: Linearmotor
4: Zahnstange
5: Läufer
6: Zahnrad
7: Exzenternocke
8: Gelenkhebel
9: Drehgelenk
10: Kurbelzapfen
11: Kurbelwelle
12: Anlenkpunkt
13: Anlenkpunkt
14: Pleuelstange
15: Kolben
16: Kolbenbolzen
17: Positionssensor
18: Fixierelement
19: Betätigungsmittel
20: Arretierung
21: Stator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 602004000849 T2 [0003, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Niederspannungs- und Antriebstechnik”, Vogel-Verlag, 1. Auflage, S. 156 [0006]

Claims

Einstellvorrichtung (1) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, mit einer Exzenterwelle (2), wobei die wirksame Pleuellänge durch das Verdrehen der Exzenterwelle (2) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Linearmotor (3) zum Antreiben der Exzenterwelle (2) vorgesehen ist.
Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung der linearen Bewegung des Linearmotors (3) in eine Rotationsbewegung der Exzenterwelle (2) eine Zahnstange (4) starr mit dem Läufer (5) des Linearmotors verbunden ist, und dass die Zahnstange (4) mit einem drehfest auf der Exzenterwelle (2) befestigten Zahnrad (6) im Eingriff steht.
Einstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (3) orthogonal zur Längsachse einer Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
Einstellvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (4) einteilig mit dem Läufer des Linearmotors (3) ausgebildet ist.
Einstellvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arretierung (20) vorgesehen ist, mit dem die Einstellvorrichtung (1) arretierbar ist.
Einstellvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Positionssensor (17) im Bereich des Linearmotors (3) vorgesehen ist, der die Position des Läufers (5) im Bezug auf einen Stator (20) des Linearmotors (3) erfasst.
Einstellvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelenkig mit einer Pleuelstange verbunden ist, dass die Pleuelstange gelenkig mit einem Drehgelenk verbunden ist, dass das Drehgelenk drehbar auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist, wobei die Mittelachse des Kurbelzapfens den Drehpunkt des Drehgelenks darstellt, dass das Drehgelenk des Weiteren gelenkig mit dem ersten Ende eines Gelenkhebels verbunden ist, und dass das zweite Ende des Gelenkhebels drehbar auf einer Exzenternocke (7) der Exzenterwelle (2) gelagert ist.