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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Brennkraftmaschinen dieser Art sind zum Beispiel aus der
EP 1 247 960 A2 , der
EP 1 307 642 B1 , der
JP H9-228858 A und der
US 6,546,900 B2 bekannt und werden häufig als Brennkraftmaschinen mit variabler Verdichtung oder als Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Kolbenhub (stroke variable engine) bezeichnet. Weitere Brennkraftmaschinen mit variablen Verdichtungsverhältnissen oder variablem Kolbenhub sind aus den Druckschriften
DE 601 19 833 T2 ,
DE 601 21 487 T2 ,
DE 603 03 834 T2 sowie
GB 2 273 327.A bekannt.
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Diese Brennkraftmaschinen umfassen eine Exzenterwelle, die mit der Kurbelwelle über einen Mehrgelenkskurbeltrieb gekoppelt ist. Der Mehrgelenkskurbeltrieb umfasst mehrere Koppelglieder, die jeweils drehbar auf Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert sind, sowie mehrere Pleuel, die zur Anlenkung der Koppelglieder an die Exzenterwelle dienen und daher auch als Anlenkpleuel bezeichnet werden. Diese Pleuel sind jeweils mit einem Ende drehbar auf einem exzentrischen Wellenabschnitt der Exzenterwelle gelagert und mit ihrem anderen Ende über ein Schwenkgelenk mit einem der Koppelglieder verbunden. Durch eine solche Anordnung kann bei Viertakt-Brennkraftmaschinen das Verdichtungsverhältnis oder der Kolbenhubverlauf variiert werden.
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Bei den zuvor genannten Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art weisen die Pleuel jeweils eine Pleuelstange und zwei an den entgegengesetzten Enden der Pleuelstange angeordnete Pleuelaugen mit unterschiedlichen Innendurchmessern auf, von denen das größere Pleuelauge zur Befestigung an der Exzenterwelle und das kleinere Pleuelauge zur Anlenkung am Koppelglied dient. Die Pleuel sind als „geteilte Pleuel” ausgebildet, bei denen das größere Pleuelauge aus zwei entlang einer Trennebene miteinander verbundenen Hälften besteht. Die erste Hälfte ist einstückig an der Pleuelstange angeformt, während die zweite Hälfte als Pleueldeckel ausgebildet ist und zur Montage des Anlenkpleuels an der Exzenterwelle mit Hilfe von zwei Pleuelschrauben lösbar an der ersten Hälfte festgeschraubt wird. Durch die Pleuelschrauben und die zum Einsetzen der Pleuelschrauben erforderlichen größeren Abmessungen der beiden Hälften der größeren Pleuelaugen weisen jedoch die Anlenkpleuel eine verhältnismäßig große bewegte Masse auf, durch die auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. Außerdem wird durch die zweiteilige Ausbildung der Pleuelaugen die Anzahl der benötigten Bauteile sowie der Fertigungs- und Montageaufwand vergrößert.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die bewegte Masse der Pleuel, die Anzahl der benötigte Bauteile sowie der Fertigungs- und Montageaufwand verkleinert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die beiden Pleuelaugen jedes Pleuels ungeteilt und einstückig an der Pleuelstange angeformt sind und dass die Exzenterwelle einstückig ausgebildet und durch die Pleuelaugen hindurch gefädelt ist, wobei jeder Pleuel durch zwei Spreng- oder Sicherungsringe und zwei Anlaufscheiben axial unverschiebbar auf der Exzenterwelle fixiert ist.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann die Wandstärke des größeren Pleuelauges um die Exzenterwelle herum verringert und auf die beiden Pleuelschrauben verzichtet werden, wodurch die bewegte Masse jedes Pleuels erheblich verkleinert werden kann. Außerdem kann durch die einteilige Fertigung der Pleuel die Anzahl der benötigten Bauteile und auch der Fertigungs- und Montageaufwand verringert werden, da eine Verschraubung von geteilten Pleueln entbehrlich wird.
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Die Brennkraftmaschine kann mit einem besonders geringen Fertigungs- und Montageaufwand hergestellt werden, wenn die Exzenterwelle einstückig ausgebildet und zur Montage der Pleuel durch deren Pleuelaugen hindurch gefädelt wird, bevor dann jedes Pleuel mit seinem Pleuelauge axial unverschiebbar auf dem zugehörigen exzentrischen Wellenabschnitt der Exzenterwelle fixiert wird. Zur axialen Fixierung jedes Pleuelauges dienen zweckmäßig zwei auf den entgegengesetzten Seiten jedes Pleuelauges angeordnete Anlaufscheiben, deren axiale Verschiebung jeweils von einem in eine Nut des Wellenabschnitts eingesetzten Sicherungsring verhindert wird.
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Um die Reibung in den von den Pleuelaugen umschlossenen Schwenklagern so weit wie möglich zu verringern, ist zweckmäßig mindestens eines dieser Lager als Wälzlager ausgebildet. Vorzugsweise sind beide Lager als Wälzlager ausgebildet, da dies neben der Verringerung der Reibung den weiteren Vorteil hat, dass auf eine Druckölversorgung der Schwenklager durch die Exzenterwelle verzichtet werden kann. Durch die Verwendung von Wälzlagern an Stelle von Gleitlagern lassen sich bei der Bewegung des Mehrgelenkskurbeltriebs die Reibungsverluste in den Schwenklagern der Anlenkpleuel um bis zu 70% oder mehr reduzieren. Darüber hinaus können auch andere Reibungsverluste der Brennkraftmaschine verringert werden, da für die Schmierung der Wälzlager anders als für die Schmierung von Gleitlagern kein Drucköl benötigt wird und daher ein erheblich kleinerer Druckölvolumenstrom und eine kleinere Druckölpumpe ausreichend sind. Die Verminderung der Reibungsverluste wiederum führt zu einer verbesserten Start-Stop-Fähigkeit der Brennkraftmaschine und zu einer geringeren Belastung des Starters bei niedrigen Temperaturen.
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Eine weitere Reduzierung der Anzahl der Bauteile wird ermöglich, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einsatzgehärtete Pleuel verwendet werden, die es ermöglichen, die Wälzkörper der Wälzlager unmittelbar auf einer inneren Umfangsfläche des Pleuelauges abrollen zu lassen und somit auf Lageraußenringe zu verzichten. Vorzugsweise werden Zylinderrollenlager oder Nadellager verwendet, die eine besonders geringe bewegte Masse und einen sehr geringen Platzbedarf besitzen.
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Ein Verzicht auf Lagerinnenringe ist ebenfalls möglich, wenn man die Wälzkörper der Wälzlager unmittelbar auf den exzentrischen Wellenabschnitten der Exzenterwelle bzw. einem Lagerbolzen des Schwenkgelenks zwischen jedem Pleuel und dem benachbartern Koppelglied abrollen lässt, die zu diesem Zweck vorzugsweise ebenfalls gehärtet werden.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, die von den Pleuelaugen umschlossenen Schwenklager als Gleitlager auszubilden, was bei einer einstückigen Ausbildung der Pleuel den Vorteil hat, dass gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung der Erfindung an Stelle von teueren Lagerhalbschalen preiswertere einteilige Lagerbuchsen verwendet werden können. Dabei können die zwischen der Exzenterwelle und den Pleueln angeordneten hohlzylindrischen Lagerbuchsen in ähnlicher Weise wie die Pleuel nacheinander auf die Exzenterwelle aufgefädelt werden.
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Dort, wo sowohl zwischen der Exzenterwelle und den Pleueln als auch in den Schwenkgelenken zwischen den Pleueln und den benachbarten Koppelgliedern Gleitlager vorgesehen werden, erfolgt die Zufuhr von Drucköl zu den zuletzt genannten Gelitlagern vorzugsweise durch einen zwischen den beiden Pleuelaugen durch die Pleuelstange verlaufenden Ölkanal, der an den inneren Umfangsflächen der beiden Pleuelaugen mündet und durch eine die Lagerbuchse des größeren Pleuelauges auf der Exzenterwelle durchsetzende, in Umfangsrichtung der Lagerbuchse verlaufende Schlitzöffnung mit einem zur Druckölversorgung dienenden Ölkanal im Inneren der Exzenterwelle kommuniziert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine perspektivische Ansicht von zusammenwirkenden Teilen einer Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, einschließlich einer durch Anlenkpleuel und Koppelglieder eines Mehrgelenkskurbeltriebs mit einer Kurbelwelle gekoppelten Exzenterwelle;
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2 eine andere perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus 1;
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3a eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Ausschnitts aus 2 mit Wälzlagern in den Pleuelaugen der Anlenkpleuel;
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3b eine teilweise geschnittene Stirnseitenansicht des Ausschnitts aus 2 mit Wälzlagern in den Pleuelaugen der Anlenkpleuel;
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4a eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Ausschnitts aus 2 mit Gleitlagern in den Pleuelaugen der Anlenkpleuel;
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4b eine teilweise geschnittene Stirnseitenansicht des Ausschnitts aus 2 mit Gleitlagern in den Pleuelaugen der Anlenkpleuel;
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5a, 5b und 5c verschiedene Ansichten des Anlenkpleuels aus 4a und 4b;
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6 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts VI in 4a.
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Wie am besten in 1 dargestellt, umfasst die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Viertakt-4-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in Reihenanordnung mit variablem Verdichtungsverhältnis vier Kolben 2 und eine Kurbelwelle 3. Jeder der Kolben 2 ist in einem der vier Zylinder (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 auf und ab beweglich und ist durch ein Kolbenpleuel 4 mit der Kurbelwelle 3 verbunden. Die Kurbelwelle 3 ist in Wellenlagern eines Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist fünf zur Lagerung dienende zentrische Wellenzapfen 5 sowie vier Hubzapfen 6 (jeweils nur einer sichtbar) auf, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 versetzt sind.
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Auf jedem der Hubzapfen 6 der Kurbelwelle 3 ist ein Koppelglied 8 um die Längsmittelachse des Hubzapfens 6 drehbar befestigt. Wie am besten in 3a und 4a dargestellt, besteht jedes Koppelglied 8 aus einem Oberteil 9 und einem Unterteil 10, die entlang einer Trennebene 11 gegeneinander anliegen und jeweils angrenzend an die Trennebene 11 mit einer halbzylindrischen Ausnehmung 12, 13 zur Aufnahme von einem der Hubzapfen 6 der Kurbelwelle 3 sowie von zwei den Hubzapfen 6 umgebenden Lagerschalen 14 eines zwischen dem Hubzapfen 6 und dem Koppelglied 8 angeordneten Gleitlagers 15 versehen sind. Das Oberteil 9 und das Unterteil 10 jedes Koppelglieds 8 werden von zwei Schrauben 16 so zusammengehalten, dass sich die halbzylindrischen Ausnehmungen 12, 13 genau gegenüberliegen.
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An jedem Koppelglied 8 ist eines der Kolbenpleuel 4 angelenkt, der ein unteres gabelförmiges Stirnende 17 (1 und 2) mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln aufweist. Zwischen die beiden Schenkel des gabelförmigen Stirnendes 17 greift das freie Ende eines über eine Seite der Kurbelwelle 3 überstehenden kurzen Hubarms 18 des zweiarmigen Koppelgliedes 8 ein, der zwischen den Schenkeln mit einer in eine Querbohrung eingesetzten Lagerbuchse 19 versehen ist. Durch die Augen der Schenkel und die Lagerbuchse 19 erstreckt sich ein hohler Lagerbolzen 20, der das Kolbenpleuel 4 schwenkbar mit dem Koppelglied 8 verbindet.
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Zur Schmierung der Lagerschalen 14 und der Lagerbuchsen 19 kann unter Druck stehendes Motoröl durch Ölkanäle 21 im Inneren der Kurbelwelle 3 und der Hubzapfen 6 zur Innenseite der Lagerschalen 14 und von dort durch eine Bohrung (nicht sichtbar) der Lagerschale 14 in einen Ölkanal 22 im Oberteil 9 des Koppelgliedes 8 zugeführt werden. Der Ölkanal 22 erstreckt sich über das Ende einer Gewindebohrung 23 für eine der Schrauben 16 durch das Oberteil 9 bis zur Lagerbuchse 19.
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Im Unterschied zu konventionellen Brennkraftmaschinen umfasst die Brennkraftmaschine 1 weiter eine verstellbare Exzenterwelle 24 (1 und 2), die eine zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 parallele Drehachse 25 aufweist und neben der Kurbelwelle 3 sowie etwas unterhalb von dieser im Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Die Exzenterwelle 24 wird betriebspunktabhängig verstellt und ist mit der Kurbelwelle 3 über einen Mehrgelenkskurbeltrieb 26 gekoppelt.
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Der Mehrgelenkskurbeltrieb 26 umfasst neben den Koppelgliedern 8 eine der Anzahl der Kolbenpleuel 4 entsprechende Anzahl von Anlenkpleueln 27, die ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 24 jeweils etwa in derselben Ebene wie der zugehörige Kolbenpleuel 4 angeordnet sind. Wie am besten in den 1 und 3 bis 5 dargestellt, umfasst jeder Anlenkpleuel 27 eine Pleuelstange 28 und zwei an entgegengesetzten Enden der Pleuelstange 28 angeordnete Pleuelaugen 29, 30 mit unterschiedlichen Innendurchmessern. Das größere Pleuelauge 29 jedes Anlenkpleuels 27 am unteren Ende der Pleuelstange 28 umgibt einen in Bezug zur Drehachse 21 der Exzenterwelle 24 exzentrischen Wellenabschnitt 31 der Exzenterwelle 24, auf dem der Anlenkpleuel 27 mittels eines Drehlagers 32 drehbar gelagert ist. Das kleinere Pleuelauge 30 am oberen Ende der Pleuelstange 28 jedes Anlenkpleuels 27 bildet einen Teil eines Schwenkgelenks 33 (1 und 2) zwischen dem Anlenkpleuel 27 und einem längeren Koppelarm 34 des benachbarten Koppelgliedes 8, der auf der zum Hubarm 18 entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 3 über diese übersteht. Die Koppelarme 34 weisen jeweils ein gabelförmiges Stirnende 35 mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln auf, zwischen denen das Pleuelauge 30 in einem Schwenklager 35 des Schwenkgelenks 33 gelagert ist.
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Durch die zuvor beschriebene Anordnung kann die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 3 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 2 und Zylinderwänden der Zylinder führt. Darüber hinaus hat der Mehrgelenkskurbeltrieb 26 auch einen positiven Einfluss auf den Massenausgleich der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1.
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Allerdings werden durch den Mehrgelenkskurbeltrieb 26 die bewegten Massen der Brennkraftmaschine 1 vergrößert. Um diese Vergrößerung zu minimieren, werden als Anlenkpleuel 27 sogenannte ungeteilte Pleuel 27 verwendet, bei denen die Pleuelstange 28 und die beiden Pleuelaugen 29, 30 einstückig bzw. einteilig ausgebildet sind, wie am besten in den 1, 5a, 5b und 5c dargestellt. Die Anlenkpleuel 27 werden vorzugsweise durch Schmieden hergestellt.
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Wie am besten in 1 und 2 dargestellt, weist die Exzenterwelle 24 zwischen den benachbarten exzentrischen Wellenabschnitten 31 zur Lagerung der Exzenterwelle 24 dienende, zur Drehachse 25 koaxiale Wellenabschnitte 36 auf, deren Außendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser der Wellenabschnitte 31 ist, so dass sich die Exzenterwelle 24 zur Montage der Anlenkpleuel 27 durch deren Pleuelaugen 29 hindurch bewegen und hintereinander auf die Exzenterwelle 24 aufreihen oder auffädeln lässt.
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Um die auf der Exzenterwelle 24 aufgereihten Anlenkpleuel 27 in Bezug zur Exzenterwelle 24 zu fixieren, werden beiderseits von jedem Pleuelauge 29 jeweils ein Spreng- oder Sicherungsring 37 und eine ringförmige Anlaufscheibe 38 (6) angebracht, von denen der erstere in eine umlaufende Nut 39 des zugehörigen Wellenabschnitts 31 der Exzenterwelle 24 und der letztere zwischen den Spreng- oder Sicherungsring 37 und die benachbarte Stirnseite des Pleuelauges 29 eingesetzt ist. Die drehbaren Anlaufscheiben 38 dienen zur Reibungsminimierung, während die beiden Spreng- oder Sicherungsringe 37 eine axiale Verschiebung des Pleuelauges 29 und der Anlaufscheiben 38 verhindern.
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Um während einer Bewegung des Mehrgelenkskurbeltriebs 26 Reibungswiderstände und Reibungsverluste zwischen den Anlenkpleueln 27 einerseits und der Exzenterwelle 24 bzw. dem benachbarten Koppelglied 8 andererseits zu minimieren, sind bei dem in 3a und 3b dargestellten Mehrgelenkskurbeltrieb 26 beide Lager 32, 35 als Wälzlager in Form von Zylinderrollenlagern oder Nadellagern ausgebildet, die zur Verringerung des benötigten Bauraums, der Anzahl der Bauteile und der Kosten ohne Lageraußenringe ausgeführt sind, so dass die in Lagerkäfigen (nicht dargestellt) eingesetzten Wälzkörper 40 der Wälzlager 32, 35 direkt auf der gehärteten inneren Umfangsfläche des Pleuelauges 29 bzw. 30 abrollen. Zu diesem Zweck sollten die Anlenkpleuel 27 aus einem gut härtbaren Stahl bestehen. Zur weiteren Bauraumminimierung kann auch auf Innenringe verzichtet werden, wobei in diesem Fall die Wälzkörper 40 der Wälzlager 32, 35 direkt auf der gehärteten Umfangsfläche der Wellenabschnitte 31 der Exzenterwelle 24 bzw. eines gehärteten und feingeschliffenen hohlen Lagerbolzens 41 abrollen, der sich durch das kleine Pleuelauge 30 des Anlenkpleuels 27 hindurch erstreckt und in den beiden Augen des gabelförmigen Stirnendes 35 des Koppelarms 34 fixiert ist.
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Bei dem in 4a und 4b dargestellten Mehrgelenkskurbeltrieb 26 sind die Lager 32, 35 hingegen als Gleitlager ausgebildet, die jeweils eine in das Pleuelauge 29, 30 eingesetzte hohlzylindrische Lagerbuchse 42, 43 aus einen geeigneten Lagermetall umfassen. Zur Schmierung des Schwenklagers 35 zwischen dem oberen Ende jedes Anlenkpleuels 27 und dem benachbarten Koppelglied 8 ist die Pleuelstange 28 des Anlenkpleuels 27 mit einer Ölbohrung 44 versehen, die diametral durch das Lagerauge 29 hindurch in die Pleuelstange 28 eingebracht wird, entlang der Längsachse der Pleuelstange 28 verläuft und an den inneren Umfangsflächen der beiden Pleuelaugen 29, 30 mündet. Die Zufuhr des Drucköls erfolgt durch Ölbohrungen 45, 46 im Inneren der Exzenterwelle 24. Die Ölbohrungen umfassen radiale, an der zylindrischen äußeren Umfangsflächen jedes exzentrischen Wellenabschnitts 31 mündende Bohrungsabschnitte 46, die jeweils durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Schlitzöffnung 47 in der Lagerbuchse 42 mit der durch die Pleuelstange 28 verlaufenden Ölbohrung 44 kommunizieren, so dass das Drucköl durch die Lagerbuchse 42 hindurch in die Ölbohrung 44 gelangt. Der fertigungsbedingt in Verlängerung der Ölbohrung 44 auf der entgegengesetzten Seite des Pleuelauges 29 angeordnete Bohrungsabschnitt 48 wird beim Einsetzen der Lagerbuchse 42 ins Pleuelauge 29 durch die Lagerbuchse 42 verschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kolben
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- Kolbenpleuel
- 5
- Wellenzapfen Kurbelwelle
- 6
- Hubzapfen Kurbelwelle
- 7
- Drehachse Kurbelwelle
- 8
- Koppelglied
- 9
- Oberteil Koppelglied
- 10
- Unterteil Koppelglied
- 11
- Trennebene
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Lagerschalen
- 15
- Gleitlager
- 16
- Schrauben
- 17
- Stirnende Kolbenpleuel
- 18
- Hubarm
- 19
- Lagerbuchse
- 20
- Lagerbolzen
- 21
- Ölkanäle
- 22
- Ölkanal
- 23
- Gewindebohrung
- 24
- Exzenterwelle
- 25
- Drehachse Exzenterwelle
- 26
- Mehr gelenkskurbeltrieb
- 27
- Anlenkpleuel
- 28
- Pleuelstange
- 29
- Pleuelauge
- 30
- Pleuelauge
- 31
- Wellenabschnitt Exzenterwelle
- 32
- Drehlager
- 33
- Stirnende Koppelarm
- 34
- Koppelarm
- 35
- Schwenklager
- 36
- Wellenabschnitte Exzenterwelle
- 37
- Spreng- oder Sicherungsring
- 38
- Anlaufscheibe
- 39
- Nut
- 40
- Wälzkörper
- 41
- Lagerbolzen
- 42
- Lagerbuchse
- 43
- Lagerbuchse
- 44
- Ölbohrung
- 45
- Ölbohrung
- 46
- Ölbohrung
- 47
- Schlitzöffnung Lagerschale
- 48
- Bohrungsabschnitt
